毕业设计（论文）-煤矿风井井口温度系统检测设计.doc

完整CAD设计文件，资料请加153893706中文题目：煤矿风井井口温度系统检测设计目录1 概述11.1 设计的背景和意义11.2 本设计的主要内容及目的22 PLC简介与设计总体方案32.1 PLC及风机控制系统的发展状况32.2 PLC的介绍52.2.1 PLC的基本结构52.2.2 PLC的结构形式62.2.3 PLC的工作原理62.2.4 PLC的功能72.2.5 PLC的特点72.3 总体设计方案82.3.1 控制系统的要求82.3.2 系统构成及工作原理83 系统的硬件设计93.1 温度传感器的简介93.2 温度传感器的分类93.3 温度传感器的原理113.4 温度传感器的选择143.5 风机的选型153.5.1 离心风机控制原理分析153.5.2 风机的型号及其参数173.6 变频器的选择193.6.1 变频器的型号193.6.2 变频调速节能分203.6.3 变频调速的依据223.7 锅炉的选择233.7.1锅炉的介绍233.7.2锅炉的主要工作过程233.7.3锅炉的分类243.7.4锅炉型号253.8 485通讯模块263.9 视频监控设备的选择与应用303.10 PLC中央处理模块的选型设计303.10.1 PLC的CPU模块选择313.10.2扩展模块的选择333.11 PLC控制系统接线设计344系统软件设计404.1 PLC语言分类404.2 STEP7-Micro/WIN32 软件介绍424.3 离心风机转换过程分析454.3.1 系统工作状态454.3.2 状态转换过程的实现方法464.4 程序设计的梯形图485 系统可靠性设计及调试505.1系统的可靠性设计505.2 系统调试515.2.1 软件系统的调试515.2.2 硬件系统的调试515.2.3 软硬件结合调试516 技术经济分析527 结论53致谢54参考文献59附录A57附录B62摘要可编程控制器(PLC)是一种以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技术的通用工业控制装置。它具有使用方便、维护容易、可靠性好、性能价格比高等特点,广泛应用于工业控制的众多领域。煤矿主通风机是煤矿生产的重要设备，通风机能否正常工作，直接影响煤矿的生产活动。因此对主通风机实现在线监控有很重要的意义。本文针对通风机的工作环境和运行特点，以PLC为主控设备，介绍了可编程序控制器（PLC）在煤矿通风系统中的应用；探讨了通风机实现自动控制系统的系统组成和设计；涉及硬件设备的选型与组态；编制了通风机实现自动控制梯形图；并简要介绍了PLC与其他智能装置及个人计算机联网，组成的控制系统。本系统提高了主通风机设备的自动化管理水平，有力地保证了主通风机设备的经济、可靠运行，为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据。关键词：煤矿通风机； PLC； 在线控制; 选型;AbstractThe programmable logic controller (PLC) is a microprocessor core, a combination of computer technology ,automatic control technology and network communication technology ,general industrial control devices .It has easy to use,easy maintenance, reliability,high cost performance characteristics,widely used in many areas of industrial control.The mine vertilator coal production equipment,the fan can work a direct impact on coal production activities.Therefore,the main fan to achieve online monitoring of very important significance.In this paper,the working environment and operational characteristics of theventilator ,the PLC as the mine ventilation system,explore composition and design of fan system to achieve automatic control system,involved in equipmentselection and configuration of hardware.the preparation of the ventilator to achieve automatic control ladder,and briefly describes the PLC and otherintelligent devices and personal computers networked control system composed of.This system improves the ventilator equipment automation management level,toensure the main ventilator equipment,economic,reliable operation,andprovides a rellable scientific basis for the management and maintenance ofequipment.Keywords: Coal mine ventilator; PLC; Online monitoring;The selection;I1 概述1.1 设计的背景和意义随着国民经济的快速发展，工业生产和人民生活对煤炭的需求依然有增无减。煤炭在我国一次能源生产和消费构成中的比例一直在70%左右，这种以煤为主的能源生产和消费格局在未来相当长的时期内不会改变。作为一个煤炭生产和消耗的大国，煤炭企业应注重生产过程的效率和安全，为此，煤矿风井井口温度控制系统是必不可少的一部分，也是非常重要的一个环节，本文阐述的空压机控制系统是基于PLC、触摸屏和组态软件相结合的空压机自动控制系统。而PLC作为一种新型的自动控制装置，为实现温度控制系统的稳定运行提供了保障。在工业生产、产品加工制造业中，风机设备主要用于锅炉的燃烧系统、其他设备的烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失的形式消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。为此，需要采用多项措施实现对离心风机的自动控制，以使系统的各种性能达到合理的要求。近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用PLC和变频器易操作、易维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点，采用基于PLC的变频器驱动方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。从而大大的降低生产成本，减少能量损耗和对环境的污染，为企业带来可观的经济效益和社会效益。随着电子技术和微电子技术的迅速发展，PLC和变频器正成为通用、廉价和性能可靠的控制和驱动设备，得到广泛的应用。由PLC控制的变频调速离心风机的通风系统，具有较高的可靠性和较好的节能效果，易于组建成整体的自控系统，很方便地实现各种控制切换和远程监控，本文通过一个实例基于离心风机的矿井通风系统进行分析。煤矿矿井通风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分，煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井内工作环境条件、生产效率、安全生产密切相关。随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加强，尤其对煤矿安全生产的要求越来越高，对煤矿矿井通风系统进行技术改造，提高其运行稳定性、可靠性、节能降耗等势在必行。目前煤矿矿井通风系统中，大多仍采用继电、接触器控制系统，但这种控制系统存在着体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故障困难等很多的缺陷，且因工作通风机一直高速运行，备用通风停止，不能轮休工作，易使工作通风机产生故障，降低使用寿命。针对这一系列问题本系统将PLC与变频器有机地结合起来，采用以矿井气压压力为主控参数，实现对电动机工作过程和运转速度的有效控制使矿井中用的离心通风机通风高效、安全，达到了明显的节能效果。PLC控制系统具有对驱动风机的电机过热保护、故障报警、机械故障报警和瓦斯浓度断电等功能特点，为煤矿矿井通风系统的节能技术改造提供一条新途经。1.2 本设计的主要内容及目的该设计的完成，为控制煤矿风井井口温度处于工作需要的温度，有效解除了劳动强度高，数据、状态的准确性、可信性要受人为因素的影响这一方面问题。监测系统既可以节约成本又可以较短时间获取数据。从而可省去管理人员，减少巡回检查次数。而且报警设置又可以让操作人员及时发现故障状态、及时控制温度，以至于不至于井口的机器被温差损坏，以至于造成巨大的损失。本设计主要通过PLC来操控机器，通过在井口设置暖气，通过操控风机来达到暖风进入井口，观察不同的室外温度，从而控制风机电压的大小，达到所需要的温度。1)简单介绍PLC的基本结构和工作原理2)系统总体设计。根据任务进行方案选择和比较，总体方案设计3)对煤矿风井井口控制系统硬件进行设计 a)监测系统硬件设计； b)PLC中央处理模块的选型设计4)下位机和上位机软件系统设计； a)PLC程序的设计； b)上位机监控软件设计。2 PLC简介与设计总体方案2.1 PLC及风机控制系统的发展状况经过几十年的迅速发展，PLC的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛,其足迹已遍及国民经济的各个领域,形成了能够满足各种将需要的PLC应用系统。随着市场需求的不断提高PLC的发展体现出以下趋势。1)向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展.2)过程控制功能不断增强.3)大力开发智能型I/O模块.4)与个人计算机日益紧密结合.5)编程语言趋向标准化.6)通信与联网能力不断增强近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术不断更新。PLC是采用大规模集成电路、微型计算机技术的发展成果逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的PLC系列产品应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多控制领域，它最适用于以开关为主的控制功能。通过模拟/数字，（A/D）转换器和数字/模拟（D/A）转换器也可以控制模拟量例如控制温度、压力、流量、成分等参数。基于PLC的多路抢答器控制系统可以根据PLC修改程序方便这一特点随意调整设置的时间或者控制系统的工作状态。如果对外部电路稍加修改或者在系统程序中加入分支可以把八路抢答器变为更多路的抢答器。比如十位、十六位或者二十位等。如果将手动按钮变为触摸屏可以使抢答器更为简单方便。如果去除系统中的限时功能还可以把抢答器改为呼叫器能够在医院病房、宾馆客房、写字楼办公室、工厂生产车间等多种地方使用。风机控制系统的研究现状：风机的控制系统是风机的重要组成部分，它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务，它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系（变频器）几部分组成。各部分的主要功能如下：监控系统（SCADA）：监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、操作它包括大型监控软件及完善的通讯网络。主控系统：主控系统是风机控制系统的主体，它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。它对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器），它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统（变频器）接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。变桨控制系统：与主控系统配合，通过对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。目前来看，变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统。变频系统（变频）器：与主控制系统接口，和发电机、电网连接，直接承担着保证供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。风机控制系统的发展趋势：随着国内企业所开发风机容量越来越大，风机控制技术必须不断发展才能满足这一要求，如叶片的驱动和控制技术、如更大容量的变频器开发，都是必须不断解决的新的课题，这里不进行详细阐述。当前，由于风力发电机组在我国电网中所占比例越来越大，风力发电方式的电网兼容性较差的问题也逐渐暴露出来，同时用户对不同风场、不同型号风机之间的联网要求也越来越高，这也对风机控制系统提出了新的任务。（1）采用统一和开放的协议以实现不同风场、不同厂家和型号的风机之间的方便互联。目前，风机投资用户和电网调度中心对广布于不同地域的风场之间的联网要求越来越迫切，虽然各个风机制造厂家都提供了一定的手段实现风机互连，但是由于采用的方案不同，不同厂家的风机进行互联时还是会有很多问题存在，实施起来难度较大。因此，现实不同风机之间的方便互联是一个亟待解决的重要课题。（2）需要进一步提高低电压穿越运行能力（LVRT）。风力发电机组，尤其是双馈型风机，抵抗电网电压跌落的能力本身较差。当发生电网电压跌落时，从前的做法是让风机从电网切出。当风机在电网中所占比例较小时，这种做法对电网的影响还可以忽略不计。但是，随着在网运行风机的数量越来越大，尤其是在风力发电集中的地区，如国家规划建设的六个千万千瓦风电基地，这种做法会对电网造成严重影响，甚至可能进一步扩大事故。欧洲很多国家，如德国、西班牙、丹麦等国家，早就出台了相关标准，要求在这种情况下风机能保持在网运行以支撑电网。风机具有的这种能力称为低电压穿越运行能力（LVRT），有的国家甚至要求当电网电压跌落至零时还能保持在网运行。我国也于今年8月由国家电网公司出台了风电场接入电网技术规定，其中规定了我国自己的低电压穿越技术要求，明确要求风电机组在并网点电压跌落至20%额定电压时能够保持并网运行625ms、当跌落发生3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电机组保持并网运行的低电压穿越运行要求。应该说，这还只是一个初步的、相对较低的运行要求。在今后可能还会出台更为严格的上网限制措施。这些要求的实现，主要靠控制系统中变频器算法及结构的改善，当然和主控和变桨系统也有密切联系。（3）实现在功率预估条件下的风电场有功及无功功率自动控制。目前，风电机组都是运行在不调节的方式，也就是说，有多少风、发多少电，这在风电所占比例较小的情况下也没有多大问题。但是，随着风电上网电量的大幅度增加，在用电低谷段往往是风机出力最大的时段，造成电网调峰异常困难，电网频率、电压均易出现较大波动。当前，电网对这一问题已相当重视，要求开展。2.2 PLC的介绍2.2.1 PLC的基本结构PLC的种类很多，大中小型PLC的功能不尽相同，其结构也有所不同，但主体结构形式大体上是相同的，由中央控制单元CPU、存储器输入/输出（I/O）电路、电源及编程器等构成。1)中央控制单元微处理器是PLC的核心，为控制和计算中心，其具体作用是：a.接受从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中；b.用扫描方式采集现场输入的用户程序，并存入输入状态寄存器中；c.执行用户程序，产生相应的控制信号，实现程序规定的各种功能；d.通过故障诊断程序，诊断PLC的各种运行错误。2)存储器PLC的存储器用来存放程序和数据，因此有程序存储器和变量存储器；程序分系统程序和用户程序，因此程序存储器又分为系统程序存储器和用户程序存储器。a.系统程序存储器b.用户程序存储器c.变量存储器3)输入/输出电路a.输入电路b.输入电路4)电源部件电源部件能将交流电转换为中央控制单元、输入/输出电路所需要的直流电；5)编程器编程器是PLC的重要外围设备，它能对程序进行编程、调试、监视、修改、编辑，最后将程序固定化在EPROM中。它可分成简易型和智能型两种。2.2.2 PLC的结构形式按结构形式的不同，PLC可分为整体式，和模块式两种。整体式PLC将所有的电路都装入一个模块里，构成一个整体。因此，它的特点是结构紧凑，体积小，重量轻。 模块式PLC采用搭积木的方式组成系统，在一块基板上插上CPU、电源、I/O模块及特殊功能模块，构成一个总I/O点数很多的大规模综合控制系统。这种结构形式特点是CPU模块、I/O模块等是都是独立模块。因此，可以根据不同的系统规模选用不同档次的CPU及各种I/O模块，功能模块。其模块尺寸统一，安装方便，对于I/O点数很多的大型系统的选型安装调试、扩展、维修等都非常方便 。这种结构形式的PLC除了各种模块以外，还需要用基板将各模块连成整体；有多块基板时，还要用电缆将各基板连在一起。2.2.3 PLC的工作原理PLC的输入电路是用来采集被控设备的检测信号或操作命令的，输出电路则是用来驱动被控设备的执行机构，而执行机构与检测信号、操作命令之间的控制逻辑则靠处理器执行用户程序来实现。PLC一般采用对用户程序循环扫描的工作方式。扫描工作方式分为以下五个阶段。自诊断。首先执行自诊断程序，对输入/输出电路、存储器和CPU进行自诊断。与编程器通信。如有通信请求，在自诊断后就进行通信处理。读入现场信号。当PLC开始执行用户程序时，微处理器首先顺序读入所有输入端的信号状态，并逐一存入相对应的输入状态寄存器中。在程序执行期间，即使输入状态变化，输入状态寄存器的内容也不会改变。在这些变化只能在下一个工作周期读入现场信号阶段才被读入。执行用户程序。组成程序的每条指令都有顺序号，在PLC中称为步号。指令按步号依次存入存储单元。程序执行期间，微处理器将指令顺序调出并执行。执行时，对输入和输出状态进行“处理”，即按程序进行逻辑，算术运算，再将结果存入输出状态寄存器中。输出结果。在所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器中的状态通过输出电路转换成被控制设备所能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备。PLC均有STOP和RUN两种工作状态，工作状态不同，经过的阶段不同，一个循环结束后紧接着下一个循环开始，周而复始，直到停止运行为止。PLC经过五个阶段的工作过程所需要时间称为扫描周期。可见，全部输入，输出状态的改变需一个扫描周期，也就是输入、输出状态的保持为一个扫描周期。扫描周期主要取决于PLC的速度和程序的长短，一般在几毫秒至几十毫秒之间。2.2.4 PLC的功能1）逻辑控制功能。PLC具有逻辑运算功能，它设置有与、或、非等逻辑指令，能够描述开关量的串联、并联、串并联等连接。因此，它可以代替继电器进行组合逻辑和顺序逻辑控制。2）定时、计数功能。PLC为用户提供定时器、计数器并设置了定时、技术指令。定时时间和计数值可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，使用灵活，操作方便。3）A/D.D/A转换功能。大多数PLC还具有模/数（A/D）和数/模（D/A）转换功能，能完成对模拟量的检测与控制。4）数控功能。有些PLC具有数控功能，能组成开环系统或闭环系统，实现多轴控制。5）通信与互联网功能6）数据处理2.2.5 PLC的特点1）抗干扰能力强，可靠性高，环境适应性好。2）编程方法简单易学。3）应用灵活，通用性好。4）完善的监视和诊断功能。2.3 总体设计方案2.3.1 控制系统的要求（1）高可靠性，以适应工业现场十分恶劣和复杂的工作条件。（2）具有实时响应处理能力，以满足工业生产过程实时控制要求。 （3）有丰富的可与工业现场信号相连接的工业接口，方便实现在线监控。（4）控制系统结构应能组配灵活，易于扩展。（5）有先进的系统环境和应用软件便于开发。（6）有自动/手动转换系统，保证在自动控制系统出现故障时，可以手动控制。（7）有可靠的报警系统，在风机电机过热，变频器出现故障时能及时发出报警信号。2.3.2 系统构成及工作原理工业离心风机的工作要求是指在特定的工作环境中，风机输出的风量要随着外界条件的变化，保持在设定的参数值上。这样，既可满足工作要求，又不使电动机空转，而造成电能的浪费。为实现上述目标，本系统采用闭环控制的方式。工业现场的温度由温度传感器检测，变换成模拟输入反馈信号，经A/D转换后与PLC中给定值比较，再经D/A转换变成模拟量输出信号，控制变频器调节风机转速4，从而达到控制煤矿风井井口温度的目的系统组成简图如图2-1所示。图2-1 自动控制系统组成框图Figure 2-1 automatic control system composition block diagram3 系统的硬件设计3.1 温度传感器的简介温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。 温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为人们的生活提供了无数的便利和功能。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。近年来，我国工业现代化的进程和电子信息产业连续的高速增长，带动了传感器市场的快速上升。温度传感器作为传感器中的重要一类，占整个传感器总需求量的40%以上。温度传感器是利用NTC的阻值随温度变化的特性，非电学的物理量转换为电学量，从而可以进行温度精确测量与自动控制的半导体器件。温度传感器用途十分广阔，可用作温度测量与控制、温度补偿、流速、流量和风速测定、液位指示、温度测量、紫外光和红外光测量、微波功率测量等而被广泛的应用于彩电、电脑彩色显示器、切换式电源、热水器、电冰箱、厨房设备、空调、汽车等领域。近年来汽车电子、消费电子行业的快速增长带动了我国温度传感器需求的快速增长。3.2 温度传感器的分类（1）接触式温度传感器接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。温度计示意图如图3-1.图3-1 温度计Figure 3-1 thermometer一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6300K范围内的温度。 （2）非接触式它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数式中为材料表面发射率，为反射镜的反射率。 至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。优点：测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温 逐渐由可见光向红外线扩展，700以下直至常温都已采用，且分辨率很高。3.3 温度传感器的原理温度传感器金属膨胀原理设计的传感器金属在环境温度变化后会产生一个相应的延伸，因此传感器可以以不同方式对这种反应进行信号转换。金属传感器如图3-2所示.1)双金属片式传感器双金属片由两片不同膨胀系数的金属贴在一起而组成，随着温度变化，材料A比另外一种金属膨胀程度要高，引起金属片弯曲。弯曲的曲率可以转换成一个输出信号。2)双金属杆和金属管传感器随着温度升高，金属管（材料A）长度增加，而不膨胀钢杆（金属B）的长度并不增加，这样由于位置的改变，金属管的线性膨胀就可以进行传递。反过来，这种线性膨胀可以转换成一个输出信号。图3-2 金属膨胀式温度传感器Figure 3-2 metal expansion type temperature sensor3)液体和气体的变形曲线设计的传感器在温度变化时，液体和气体同样会相应产生体积的变化。多种类型的结构可以把这种膨胀的变化转换成位置的变化，这样产生位置的变化输出（电位计、感应偏差、挡流板等等）。4)电阻传感器金属随着温度变化，其电阻值也发生变化。对于不同金属来说，温度每变化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。电阻共有两种变化类型。（1）正温度系数温度升高 = 阻值增加温度降低 = 阻值减少（2）负温度系数温度升高 = 阻值减少温度降低 = 阻值增加5)热电偶传感器热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在540mV/之间。热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。(1)插入深度热电偶测温点的选择是最重要的。测温点的位置，对于生产工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测量与控制的意义。热电偶插入被测场所时，沿着传感器的长度方向将产生热流。当环境温度低时就会有热损失。致使热电偶温度传感器与被测对象的温度不一致而产生测温误差。总之，由热传导而引起的误差，与插入深度有关。而插入深度又与保护管材质有关。金属保护管因其导热性能好，其插入深度应该深一些，陶瓷材料绝热性能好，可插入浅一些。对于工程测温，其插入深度还与测量对象是静止或流动等状态有关，如流动的液体或高速气流温度的测量，将不受上述限制，插入深度可以浅一些，具体数值应由实验确定。(2)响应时间接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此，在测温时需要保持一定时间，才能使两者达到热平衡。而保持时间的长短，同测温元件的热响应时间有关。而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件，差别极大。对于气体介质，尤其是静止气体，至少应保持30min以上才能达到平衡;对于液体而言，最快也要在5min以上。对于温度不断变化的被测场所，尤其是瞬间变化过程，全过程仅1s，则要求传感器的响应时间在毫秒级。因此，普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后，而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。最好选择响应快的传感器。对热电偶而言除保护管影响外，热电偶的测量端直径也是其主要因素，即偶丝越细，测量端直径越小，其热响应时间越短。(3)热阻抗增加在高温下使用的热电偶温度传感器，如果被测介质为气态，那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上，使保护管的热阻抗增大;如果被测介质是熔体，在使用过程中将有炉渣沉积，不仅增加了热电偶的响应时间，而且还使指示温度偏低。因此，除了定期检定外，为了减少误差，经常抽检也是必要的。例如，进口铜熔炼炉，不仅安装有连续测温热电偶温度传感器，还配备消耗型热电偶测温装置，用于及时校准连续测温用热电偶的准确度。(4)热辐射插入炉内用于测温的热电偶温度传感器，将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体是透明的，而且，热电偶与炉壁的温差较大时，将因能量交换而产生测温误差。一般情况下，为了减少热辐射误差，应增大热传导，并使炉壁温度尽可能接近热电偶的温度。另外，热电偶安装位置，应尽可能避开从固体发出的热辐射，使其不能辐射到热电偶表面;热电偶最好带有热辐射遮蔽套。以上就是影响热电偶温度传感器测量的四个因素，在使用的时候我们应当注意，根据实际情况，保证最佳的测量的效果。3.4 温度传感器的选择本系统是将传感器安装在风井井口，通过实时检测风井井口的温度，换算出与设定温度之间的调整值，通过变频器自动调节到合适的风机转速，从而使风井井口的温度达到设定的温度值。本设计要求煤矿风井井口温度达到2以上，即煤矿风井井口温度过高时，风机报警停机。由于本设计要求检测的温度较低，因此采用电阻传感器。铜热电阻:是用0.13mm的漆包铜丝采用双绕法绕在棒形塑料骨架上，然后，将整个元件经过酚醛树脂浸渍处理。全国统一设计的铜热电阻的分度号为Cu50和Cu100.铜热电阻虽然测量精度不高，但是价格便宜。Cu50是铜热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。Cu后的50即表示它在0时阻值为50，在100时它的阻值约为71.400。它的工业原理：当Cu50在0的时候他的阻值为50，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。（1）特点铜热电阻的线性较好、价格低、电阻率低，因而体积较大，热响应慢，但是利用这一特点可以制作测量区域平均温度的感温元件。（2）组成部分常见的Cu50感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们是由铜丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成。（3）应用范围医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备，应用范围非常之广泛。同时，用于热电阻, 热电阻温度计, 热电阻校验仪,热电阻模拟器-铜热电阻模拟器,铜热电阻, 铠装热电阻等。本设计需要测量的温度为-25到150之间，所以选取铜热电阻较为合理，并且价格便宜，本设计选取的铜热电阻的型号为WZC-270。铜热电阻型号参数表见3-1.铜热电阻型号参数表3-1Copper heat resistance model parameter table 3-1分度号CU50(G)*测量温度范围-50-150总长Lmm155，205置深Lmm1100，150热响应间T0.5S453.5 风机的选型3.5.1 离心风机控制原理分析三台大容量的离心风机(1#, 2#, 3#)根据工作状态的不同，具有变频、工频两种运行方式，因此每台离心风机均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联。QS1, QS2, QS3, QS4分别为主电路、变频器和各电机的工频运行控制开关，KM1，KM2，KM3为三台风机工频运行时的交流接触器，KM4，KM5，KM6为三台风机变频运行时的交流接触器，FR1, FR2, FR3为工频和变频运行时的电机过载保护用热继电器，变频运行时由变频器也可实现电机过载保护。变频器的主电路输出端子(U, V, W)经接触器接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端子(U, V, W)的相序，否则无法工作。主电路见图3-3所示。在控制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离问题。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电/失电，进而控制电机或者阀门的动作。通过隔离，可延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。控制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和变频电源的情况出现。因此，在控制电路中，对各风机电机的工频/变频运行接触器作了互锁设计；另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行，为此对各电机的变频运行也作了互锁设计。为提高互锁的可靠性，在PLC控制程序设计时，进一步通过PLC内部的软继电器来做互锁。出于可靠性及检修方面的考虑，设计了手动/自动转换控制电路。通过转换开关及相应的电路来实现。电气控制线路图见图3-4所示。图3-4中，SA为手动/自动转换开关，KA为手动/自动转换用中间继电器，打在位置为手动状态，打在位置KA吸合，为自动状态。在手动状态，通过按钮SB1-SB12控制各台风机的起停。在自动状态时，系统执行PLC的控制程序，自动控制风机的起停。中间继电器KA的6个常闭触点串接在三台风机的手动控制电路上，控制三台风机的手动运行。中间继电器KA的常开触点接PLC的X0，控制自动变频运行程序的执行。在自动状态时，三台风机在PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。风机电机电源的通断，由中间继电器KA1-KA6控制接触器KM 1-KM6的线圈来实现。HL0为自动运行指示灯。FR1, FR2, FR3为三台风机的热继电器的常闭触点，对电机进行过流保护。 图3-3离心风机主电路图Figure 3-3 centrifugal fan main circuit diagram图3-4离心风机控制线路图Figure 3-4 centrifugal fan control circuit diagram3.5.2 风机的型号及其参数本设计是煤矿风井井口温度控制系统的设计，我们需要保证井口温度在2以上，因为寒冷空气进入井筒后遇到井筒淋水和潮湿空气，容易在井壁、罐道梁处结冰，堵塞井筒的部分断面，影响井筒风流，对提升设备和人员的安全构成严重威胁。进风井口以下的空气温度在2以上，可以保证井筒内不结冰。 经过对阜新历年天气情况的汇总与观察。阜新冬季最低温度大概为零下25左右，煤矿风井的体积为12，井下回风速度约为2，为了保证煤矿风井井口的温度达到2以上，需要在风井旁边设立一个厂房，里面设有风机和暖气片装置，厂房旁边还需要设立一个锅炉，以至于提供热量给暖气，使风机工作进过管道把热风传递给井口，从而是煤矿风井井口的温度达到2左右，从而避免了不必要的损失和事故。经过查阅，我通过一下的计算来选择合适的风机： 通过空气焓熵计算软件计算出来：（1）-25空气焓值为 （2）2的空气焓值为 (3) 因为阜新外界温度最低为零下25，为了保证风井井口的温度达到2，它的冷量为计算如公式（3-1）： (3-1)式中： 为空气的冷量 为空气的焓值差 为井口的温度密度 为体积流量因为冷凉和热量相等，所以热量=，所以=首先我们先保证风机风速为，井口面积为4，空气密度为，已知，所以求出的焓值为103，经过查表保证暖气片的温度为80，风机的压强为1567pa. 经过换算单位=10，所以1567=156.7 风机轴功率计算公式如公式（3-2）：N=QP/1000*3600*0.8*0.98 (3-2)Q是流量,单位为m3/h。 P是全风压，单位为Pa（N/m2），注意：功率的基本单位是W，在动力学中W=N.m/s Qp的单位为 N.m/h=W*3600风机轴功率一般用KW表示。上述计算获取的是风机本身的输出功率,风机轴功率是指风机的输入功率,也等于电机的输出功率.风机输出功率除以转换效率就是风机的轴功率.0.8是风机内效率估计值，0.98是机械效率估计值.所以N=（15675636001000）/（100036000.80.98）=111.9KW综上所述，根据本设计的计算出的压强为156.7mm，功率计算出为111.9KW，我选择的是Y4-68型离心引风机2，其技术参数表如3-2所示 ：表3-2Y4-68型离心引风机Table 3-2 Y4-68 type centrifugal induced draft fan机号No12.5传动方式D转速1450 r/min序号7全压264mm流量110772/h内效率82.2内功率96.9KW所需功率129KW3.6 变频器的选择3.6.1 变频器的型号确定变频器的容量主要依据是输出电流，其原则为：变频器的输出额定电流应大于或等于电机的额定电流。但在连续的变动负载或断续负载中，因电动机允许有短时间的过载，而且这种过载的时间经常超过变频器一般允许的一分钟。故应考虑选择变频器的额定电流大于或等于电动机运行过程中的最大电流。电动机的型号确定后，其额定电流可以从制造商提供的样本中查到。根据本设计的需要，电机的功率为135KW，其技术参数如表（3-3），所以选用ACS800系列的ABB变频器ACS800-01-0205-3+P901，其额定功率为160KW。风机的电机:3-3风机电机技术参数表3-3fan technology parameter table型号JS 115-4功率135KW联轴器ST0103（2407585）（ST0102）地脚螺栓GB799-76(4个)（M20500）螺母GB52-76 (4个)（M20）垫圈GB 96 -76（4个）（20）3.6.2 变频调速节能分变频调速应用于风机系统电机的自动控制中，其节能效果明显。 由流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Qn，Hn2，Pn3，即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。图2给出了风机中风门调节和变频调速两种控制方式下风路的压力-风量(H-Q)关系及功率-风量(P-Q)关系。其中，曲线1是风机在额定转速下的H-Q曲线，曲线2是风机在某一较低速度下的H-Q曲线，曲线3是风门开度最大时的H-Q曲线，曲线4是风机在某一较小开度下的H-Q曲线。可以看出，当实际工况风量由Q1下降到Q2时，如果在风机以额定转速运转的条件下调节风门开度，则工况点沿曲线1由A点移到B点；如果在风门开度最大的条件下用变频器调节风机的转速，则工况点沿曲线3由A点移到C点。显然，B点与C点的风量相同，但C点的压力要比B点压力小得多。因此，风机在变频调速运行方式下，风机转速可大大降低，节能效果明显。曲线5为变频控制方式下的P-Q曲线，曲线6为风门调节方式下的P-Q曲线。可以看出，在相同的风量下，变频控制方式比风门调节方式能耗更小，二者之差可由下述经验公式（3-3）表示： （3-3）（l）其中Q为风机运行时实际风量。Qe为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的风量。Pe为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的功率。通过以上分析得出，采用转速进行调节风量，比起用挡板调节风量节省能源，风量调节幅度越大，节电效果越高。对我国风机现有的运行状况进行调查后得出，其中大多数风机处于大马拉小车的状态，用挡板进行运行流量的调节，极大的浪费了电能，若采用调速方式运行，则可以大量节约电能，并能在1至2年内收回投资成本。变频器节能分析图如图3-5，变频器主电路图如3-6.图3-