（电力电子与电力传动专业论文）基于两级网络的煤矿通风机监控系统的研究.pdf

安徽理工大学硕士论文 a b s 仃a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ef i e l db u sa n dt h ee t h e r n e t w o r kh a v eb e c o m et h ep o w e r f u lt o o lo ft h et r a n s f o r m a t i o nt r a d i t i o ni n d u s t r y t h i s p a p e re m b a r k so nt h ea c t u a ln e e do fm o n i t o r i n gt h ec o a lm i n ev e n t i l a t o r , i nd o m e s t i c a p p l i e st h ea d v a n c e df i e l d b u sa n dt h ei n d u s t r ye t h e r n e tt e c h n o l o g yt oc o m p o s e t w o l e v e ln e t w o r kd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mf o rt h ef i r s tt i m e ，a s s i s t i n gb yp l ct o r e a l i z et h ee n t i r ep r o c e s sa u t o m a t i o na n dm o d e r n i z a t i o nm a n a g e m e n to f t h em a i na x i a l f l o wf a n s ，a d v a n c e dt e c h n o l o g y ，r e l i a b l ee q u i p m e n t , s t a b l em o v e m e n t , g r e a t l y e n h a n c i n gt h ei n f o r m a t i o n a n dt h e s y s t e mi n t e g r a t i o n r a t ea n dt h e p r o d u c t i v e m a n a g e m e n te f f i c i e n e y t h i sr e s e a r c hu s e st h eu p p e rc o m p u t e ra n dt h eu n d e rc o m p u t e rd e s i g np a t t e m ，a n d h a ss e tu pt h ec o n t r o ln e t w o r kw h i c hc o m b i n e dw i t ht h el o n g - d i s t a n c ec o m m o nc o n t r o l a n dt h el o c a t i o nc o n t r 0 1 m c g sa r ea p p l i e dt oc o m p i l em a n - m a c h i n ec o n t a c ti n t e r f a c e o np c ，d e m o n s t r a t i n gt h ev e n t i l a t o rw o r kf l o wb yt h ed i r e c t - v i e w i n gp i c t u r e ，r e a l i z i n g t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dd e m o n s t r a t i o n ，t h ee s s e n t i a ld a t ar e c o r d i n ga n da l a r m i n g ，t h e p r o d u c t i o nd a t am e m o r i z i n ga n dt h er e p o r tf o r mo u t p u t , a n di tp r o v i d e st h eo p e r a t i o n s u r f a c ef o rt h eo p e r a t o r t h eu n d e rc o m p u t e ru s e st h eh i g hr e l i a b l ep l c ，a n du s e s m i t s u b i s h ip r o g r a m m i n gs o f t w a r eg xd e v e l o p e r 7t oc o m p i l ep r o c e d u r e ，g a t h e r i n gt h e v e n t i l a t o ro p e r a t i n gm o d ea n dt h ee l e c t r i cq u a n t i t yp a r a m e t e r se t c ，a n dt r a n s m i t t i n g t h e mt ot h eu p p e rc o m p m e rt oc a r r yo np r o c e s s i n g ，d e m o n s t r a t i o na n dp r e s e r v a t i o n t h r o u g ht h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a c c o r d i n gt ot h ee q u i p m e n to p e r a t i n gp a r a m e t e r s o nt h es c e n e ，e a c hk i n do fe q u i p m e n tc a nb ea u t o m a t i c a l l yc o r n p l e t e ds t a r t u po rs t o p ， t h ea u t o m a t i cc o n t r o la n dt h ea u t o - a l a r mf u n c t i o n , a n dc a na c c e p tt h eu p p e rc o m p u t e r p a r a m e t e r sh y p o t h e s i sa n dt h el o n g d i s t a n c ec o n t r o lf u n c t i o n f i n a l l y ，t h el o c a ls t a t i o n , l o n g - d i s t a n c ei 0m o d u l ea n dp l cc o r r e s p o n d e n c en e t w o r kw a ss e tu pt h r o u g ht h e f i e l db u s ，a n dt h ec o r r e s p o n d e n c en e t w o r kw a ss e tu pt h r o u g ht h ee t h e r n e tb e t w e e np c a n dp l c ，a n du s i n gt h eo p ct e c h n o l o g yt or e a l i z et h es e a m l e s ss y s t e m t h i sa d v a n c e d t w o 1 e v e ln e t w o r kc o n t r o ls y s t e mh a sm e tt h ed i f f e r e n tl e v e lc o r r e s p o n d e n c en e e da n d r e a l i z e dt h en e t w o r k i n gc o r r e s p o n d e n c e i na d d i t i o n , t h ep a p e ra l s or e s e a r c h e st h ew i n da m o u n ta d j u s t m e n to ft h es y s t e m f u z z yp i dc o n t r o l i su s e dt or e a l i z et h ew i n da m o u n ta u t o m a t i cc o n t r 0 1 i tp r o v e dt h a t u s i n gt h ef u z z yp i dc o n t r o lw i l lb ca b l et oo b t a i nh i g h e rr a p i d i t ya n ds t a b i l i t yt h a n t h e 摘要 t r a d i t i o n a lp i d ，t h es y s t e mt e c h m c dp e r f o r m a n c et a r g e ti si m p r o v e d ，a n dw i t ht h e g u a r a n t e eo fs a f e t yv e n t i l a t i n g ，s i m u l t a n e o u s l yt h ec o u s r m ei sr e d u c e d , a n d i to b t a i n s g o o de c o n o m i ce f f i c i e n c ya n ds o c i a le f f i c i e n c y f i g u r e 【4 7 t a b l e 【8 】r e f e r e n c ed o 】 k e y w o r d s ：s u p e r v i s o r ys y s t e m ，f i e l db u s ，i n d u s t r ye t h e m e t , c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ， o p c ，f u z z yp i d c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 2 7 3 1 h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者橼沮帆碑年月盖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽堡王太堂 有保留，使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属 于塞邀堡王太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权塞筮堡三太 堂一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文( 保密的 学位论文在解密后适用本授权书) 签字眦平钿日 签字日期：应矽年月彳日 1 绪论 l 绪论 1 1 选题的背景和意义 煤矿生产系统中，通风机是关键设备，具有“矿井肺腑”之称。它担负着向井下 输送新鲜空气、排出粉尘和污浊气流以及确保矿井生产安全的重任，其运行状态 直接影响整个生产系统的正常运行和安全生产，一旦发生故障将造成巨大的停产 损失和安全问题。据统计，煤矿事故7 0 以上是由于通风设备故障、通风管理不善 等所造成的。另外，通风机多数运行工况点偏离设计点，致使运行效率偏低。为 此，必须对运行中的通风机进行有效的监测和控制，对通风机的各个参数和运行 的工况建立一个完备的档案，为现场的管理和维护提供依据，以解决通风机运行中 的安全性和经济性问题。 随着煤矿生产规模的扩大、生产效率的提高，井下通风系统对通风设备的监 测监控提出了更高的要求。利用设备在线监测监控等相关技术，实时掌握风机运 行状态，发现早期故障隐患十分必要。自动控制技术、传感器技术、现场总线技 术以及工业以太网技术的迅速发展，为满足煤矿生产的上述要求提供了可能。本 监控系统就是在此背景下提出的。 1 2 风机监控系统的国内外研究现状和发展趋势 国外很早就对风机进行了研究。至8 0 年代，一般的风机均配有自动检测系统， 不但能判断工况，还能进行故障诊断，预测使用寿命，预报维修极限，成功地对 风机进行了检测，取得了很好的经济效益，如美国b e n t l y n e v a d a c o r p o r a t i o n ( b n c ) 的系列产品、w e s t i n g h o u s e 公司的p d s 系统、i r d 与e n t e k 公司联合开发的5 9 1 1 系统、s c i e n t i f i c a t l a n t a 公司的m 6 0 0 0 系统以及日本三菱公司的m h m 系统、法国 的s m a v 系统、瑞士的m a c c 系统，丹麦的c o m p a s s 系统等。其中美国开发最早， 技术也最先进。 在这方面我国起步较晚，使用的检测仪器设备也比较落后。我国的煤矿风机 一般都在远离煤矿管理部门的井田边缘，通风设备的管理由于风量参数不能实现 在线监测而成为煤矿自动化管理的薄弱环节。因此，解决风机性能的在线监测和 远距离通讯，已成为大型现代化矿井自动化管理的关键环节。目前大部分厂家只 对设备进行简单的点测，或是对风机进行简易的诊断。近几年来，陆续有几家大 中型企业开始安装了专用检测诊断设备对风机进行了长期检测。0 5 年南京因泰莱 电器股份有限公司为银川力城电子煤矿设计了综合现代化通信、计算机和自动控 制与检测技术的全分布式计算机监控系统，它具有显示、打印、报警、状态识别、 趋势分析、现场动平衡等功能，在实际应用中取得了很好的效果。 安徽理工大学硕士论文 随着在线检测与自动控制技术的发展，系统的功能越来越强；而随着企业管 理的现代化，对设备运转的可靠性要求也越来越高：从而使风机在线监控系统不 断地趋于完善。具体表现在以下几个方面【l j ： ( 1 ) 整体系统：整个系统向着可靠性、智能化、开放性以及与设备融合为一 体的方向发展，已从单纯监测分析诊断向主动控制的方向发展。 ( 2 ) 采集器：向着高精度、高速度、高集成以及多通道方向发展，精度从8 位到1 2 位甚至1 6 位；采集速度从几赫发展到可达到几万赫；采集方式从等时采 样到等角度同步整周期采样方向发展，这样可以提供包括相位在内的多种信息； 采集的数据从只有稳态数据发展到包括瞬态数据在内的多种数据。 数据传输：从计算机的串行口和并行口通讯向着网络通讯( 波特率可达 1 0 兆、1 0 0 兆、甚至几百兆) 的方向发展。 ( 4 ) 监测系统：向对用户更友好的方向发展，显示直观化，操作方便化，采 用计算机技术的最新成果，使用多媒体技术，大屏幕立体动态图象显示。 ( 5 ) 数据存储；向大容量方向发展，存储方式向通用大型数据库方向发展。 1 3 风机监控系统存在的问题及解决方案 随着科学技术的发展，科技人员的不断努力，目前煤矿风机在线监测监控已 经取得了一定的成绩，然而却远非完善。经过调研发现仍然存在一些不足： ( 1 ) 煤矿风机在线监测监控的可靠性有待进一步提高。以往计算机控制系统 的软件功能( 如实时数据库、历史数据库、数据点的生成、图形、控制回路以及 报表功能的实现) 是靠软件人员通过编程实现的，工作量大得惊人。这样设计出 来的软件通用性极差，对于每个不同的应用对象都要重新设计或修改程序，这种 方法实现的软件不仅设计效率低、设计周期长，而且其功能可靠性也比较低。 ( 2 ) 煤矿风机在线监测监控是一个较独立的系统，未与整个煤矿通风系统、 整个煤矿管理系统取得协调的联系，管理分散。 ( 3 ) 煤矿风机在线监测监控主要还处在监测水平，其控制功能很弱。在风量 的自动控制调节方面实时性较差。 总的来说，在对风机的在线检测和实时控制方面，尽管我们己经取得了很大 的进步，但我们国家与国外先进水平相比还有很大的差距，系统所具备的功能不 很完善，智能化程度较低，综合性能不高。另外监控系统的灵活性、兼容性、扩 展性和可移植性不强，在形成专用的智能软件方面也还有一段距离。 上述问题的存在，极大的影响着煤矿的安全生产和经济效益，是目前煤矿通 风系统中亟待解决的问题。 2 l 绪论 本系统结合上述问题，拟采用两层网络拓扑结构的分布式控制系统，由设备 控制层、监控管理层组成。在开发中上位机组态软件采用工控组态软件m c g s 开 发。系统硬件采用开放的网络通讯协议，通过c c - - l i n k 现场总线将p l c 与现场 设备、远程输入设备组成通信网络；上位机与下位机通过以太网交换机组成小型 局域网，实现与厂级管理系统的协调合作；软件模块化、组态化设计，使得整个 系统可适应于各种不同的应用要求，维护和扩展方便。这种把自动控制与计算机 管理系统结合起来，集管理和控制为一体的系统实现了集中管理，分散控制的功 能。此外，在风机风量调节自动控制部分，采用模糊控制解决实时调节风量的问 题，适应了风机自身特性和系统的工作状态。 1 4 本研究完成的主要工作 本课题深入研究了通风机监控系统，针对其现存的问题，提出了解决方案， 所研究的监控系统是典型的两级网络分布式控制系统。做到了集中管理，分散控 制。同时，采用不同的控制策略监控风机，有效地改善了系统地技术性能指标， 大大提高了系统的可靠性。该系统作为一个完备的子系统可以通过i n t e m e t 与厂级 管理联系在一起，做到了协调联系。 主要研究内容如下： ( 1 ) 阐述系统原理，给出系统设计方案。 ( 2 ) 根据现场结构特点和待测点的性质及整体功能的要求，设计出合理的监 控系统结构，选择合适的数据采集设备。 ( 3 ) 控制功能的实现。根据轴流式通风机的运行特性，合理设计相应的电气 控制部分。此外，还根据系统要求，利用模糊控制实现风机风量的实时自动调节， 并利用组态软件与第三方软件的交互。实现复杂的控制算法。 ( 4 ) 针对轴流式通风机的特点的监控软件设计。监控方式和界面的设计是比 较成熟的一项技术，但通风机监控的内容不同于普通的工业监控对象，其数据采 集量大，处理内容复杂，画面显示内容多。要构成一个合格而且完美的监控界面， 需要开发者做大量的技术性的工作。 ( 5 ) 通信网络的组建。设计并实现全新的基于两级网络( 现场总线和以太网) 的通信网络，满足不同层次的通讯要求，实现联网通信。 ( 6 ) 报警功能及其实现。利用监控软件对系统出现紧急情况时进行实时报警， 并在操作画面上体现报警位置和详细报警信息。 安徽理工大学硕士论文 2 轴流式通风机运行特性和理论 2 1 轴流式通风机的工作特点 轴流风机主要用作矿井主通风机，用来往井下输送新鲜空气。主要由集流器、 流线罩、前导流器( p ) 、叶轮( r ) 、后导流器( s ) 、机壳和扩散器组成，其中前 导流器( p ) 、叶轮( r ) 、后导流器( s ) 组成轴流风机一个完整的级。 轴流式通风机叶轮上的叶片做成螺旋面，叶轮旋转时，气体从轴向吸入，在 叶片的作用下又沿着轴向吸入和排出，获得动能及压力势能。轴流式通风机的转 速较高，气流沿轴向吸入和排出，转折较小；而且根据气体动力学的计算，可使 叶轮叶片有最佳的翼型，故在流量较大的情况下，仍有较高的效率。因此，轴流 式通风机的效率比离心式风机的高，结构上也比较紧凑。宜在要求风量大，风压 低的情况下使用。【2 】 根据生产需要，所选风机要具有优良的调节性能及反风性能。在此，本系统 的研究对象选为两台a n n 3 8 0 0 ，2 0 0 0 n 型轴流风机，一用一备。 2 2 轴流式通风机性能曲线 轴流式风机在设计工况下，基本上能消除气流的径向流动，但当流量大于设 计值时，叶轮下游侧气流将由内向外朝直径较大处偏斜；反之，气流将朝较小处 偏转，情况严重时，会发生二次回流现象。轴流式风机的性能曲线特点如下： 1 q h 曲线大都属于陡降型曲线 流量偏小时，气流将部分地发生二次回流现象，回流的液体被叶轮二次加压， 是流量较小的情况下，压头上升的缘故。 2 q - n i 曲线在流量为零时最大 当流量增大时，h 下降很快，轴功率( n = q i - i 1 1 ) 也有所下降，这样往往使轴流式 风机在零流量下启动时的轴功率为最大。因此，与离心式风机相比，轴流式风机 应当在管路畅通下开动，尽管如此当启动与停车时，总是会经过最低流量的，所 以轴流式风机所配用电机要有足够的裕量。 3 q - t i 曲线在最高效率点附近迅速下降 流量不在设计工况下的气流情况迅速变坏，以至效率下降很快，所以轴流式 风机的最佳工作范围较窄，一般都没有调节阀门来调节流量。因此，q - h i 拍线和 q - n i # i 线都是在流量从小到大增加时先下降，再上升，然后再下降，有两个拐点， 正常工作工况点应选在q _ h 曲线的二次下降段，也就是驼峰点的右侧，它可近似用 三次方程来拟合，但在整个趋势中它和q h 曲线的拟合方法一样，选用有两个拐点 的三次方程，能很好的反映风机工作情况的性能。q - r l 曲线在整个流量变化过程中 4 2 轴流式通风机运行特性和理论 是先增大后减少，为此可用二次方程来拟合它的形状。一般工作的工况点选在效 率大于6 0 的曲线段。 至此，由q h 曲线和q t 1 曲线也就决定了轴流式风机的正常工作范围，即在q - h 曲线驼峰点右侧和q - t i 曲线效率大于6 0 的公共部分。同样是由于在风量较小的情 况下，风机二次回流现象的影响，使得到某一流量时，在风机转速的增大和减小 的回复，这也就是风机喘振点，在风机性能测试过程中，一般由此点开始或到此 点结束，所以大多数的风机性能曲线的流量不是从零开始。1 3 】 轴流式风机的性能曲线如图l 所示。 0 q 图l 轴流式风机的性能曲线 f i g lp e r f o r m a n c ec u r v e so f a x i a lf l o wf a n s 2 3 本系统涉及的参数 本系统中通过传感器和测量仪器、仪表和执行机构，采集风机系统的工况参 数：如风压、风量、风机轴承温度、电机定子绕组温度、电压、电流、功率因数、 功率和开关状态等。采集的数据远传给上层监控管理层的工控机。 2 4 通风机性能参数相关计算、处理 通风机的流量、压力、功率、效率和转速是用以表示通风机性能的主要参数， 统称为通风机的性能参数。在绘制曲线以及进行分析处理时要用到如下相关理论 和公式。【2 】 1 参数换算 1 ) 实测状态与标准状态的换算 通风机的性能参数或性能曲线总是在给定的进气状态下给出的，即通风机的 性能与进气状态有关。当进气状态变化时候，即使同一台通风机，其性能参数或 性能曲线也是不一样的。描述通风机性能时最常用的状态是所谓的标准进气状态。 标准进气状态规定通风机进口气流的状态参数如下： 空气温度， 2 0 5 安徽理工大学硕士论文 绝对压力，p a 1 0 1 3 x 1 0 3 相对湿度， 5 0 气体常数，j ( k g 硒 2 8 8 5 气体密度，k g m 3 1 2 目前国内多数矿用轴流式通风机( 如2 k 6 0 ，2 k 5 8 ，k z s 等) 其性能参数和性 能曲线均是在上述状态下给定的。实测状态是指对通风机进行试验时，通风机进 1 3 气流状态，为了便于对通风机性能进行比较，应将通风机实测进气状态下的参 数换算到标准进气状态下的参数。在叶轮直径d 保持不变的条件下，换算公式如下： 旦：三 ( 2 一1 ) 绕行。 卫p o = 卫k n o p ok o 2 ( 2 - 2 ) i p a = 一pf，韵p2(2-3)pp ok n o ：f l o) 瓦n 一_ 瓦p 曙n ) 3 c 2 刊 式中： p 。标准进气状态下通风机的全压，p a 。 p 。一标准迸气状态下通风机的静压，p a ； q o 一标准进气状态下通风机的流量，m 3 s ； 只标准进气状态下通风机的轴功率，k w ： p 0 标准进气状态下通风机进口气流的密度，k g m 3 ； p l 一实测状态下通风机进口气流的密度，k g m 3 。 2 ) 有因次参数与无因次参数的换算 无因次性能参数用来表达同类通风机的共同特性，实用中有时需要进行有因 次性能与无因次性能参数之间的相互换算。有因次性能参数与无因次性能参数之 间具有如下关系： 石：堡o -( 2 5 ) 。辱历“： 4 i 2 彘 2 卅 6 2 轴流式通风机运行特性和理论 ；。= 粤 ( 2 7 ) 丙：! ! ! 咝( 2 8 ) - ；- “- - ：p o 2 3 式中： q 、p 、p 。、分别为通风机装置的流量系数、全压系数、静压系数和功率 系数； q o 标准状态下通风机的流量，m 3 s ； p 。一标准状态下通风机的全压，p a ； p 盯。一标准状态下通风机的静压，p a ； 。一标准状态下通风机的轴功率，k w ； d 2 通风机叶轮外径，m ； “：一通风机叶轮外圆线速度，m s ： 风一标准状态下通风机进口气流密度，k g m 3 ； 在对通风机的特性曲线进行换算时可采用坐标变换法。方法如下：有因次特 性曲线变换为无因次特性曲线时，风压坐标值统一除以风；，功率坐标值统一除 以至娑，流量坐标值统二除以i f 2 ：，效率坐标不变，这样即得通风机得 无因次特性曲线。由无因次特性曲线变换为有因次特性曲线，其方法与上述过程 相反。 2 参数的计算和处理 根据记录的数据，可以按下列公式进行整理与计算。 1 ) 空气密度 ( 1 ) 大气密度 以= 台( 2 - - 9 ) 式中： 儿一大气密度，k g m 3 ； 儿一大气压力，p a ； r 一大气绝对温度，k ； 安徽理工大学硕士论文 r 一环境气体常数，按下式计算，j ( k g k ) 胄： ! ! ! ( 2 一l o ) 1 0 3 7 8 口旦 p 。 舻一空气相对湿度； p 。一水蒸汽饱和压力，其数值可查有关资料得，p a 。 当测定地点环境温度为一1 5 4 0 时，空气常数可取r = 2 8 8 5 j ( k g k ) 。 ( 2 ) 通风机进口空气密度 当对备用通风机进行测试时，通风机抽入得是地面短路风，通风机进口空气 密度由下式计算： a = p o p l ( 2 1 1 ) p o 式中 n 通风机进口气流密度，k g m 3 ； p l 通风机进口绝对全压，p a 。 当通风机进口相对全压p l 不大于5 0 0 p a 时，p l = 成。另外， 通风机进行测定时，a 应由井下的环境条件确定： a = 盎( 0 3 7 ，8 。0 p , ， 当对生产条件下的 ( 2 1 2 ) 式中 z 通风机进口侧风铜内气流绝对温度，k ； 口一通风机进口侧风铜内气流相对湿度，无因次。 ( 3 ) 通风机装置出口空气密度 本系统中研究的通风机以抽出式方式工作，因此进行测定时，计算公式为： 巾 p 2 = p 。争 (2-13) 2 式中 乏环境大气绝对温度，k ； l 一通风机出口处绝对温度，k 。 当通风机进口侧静压测定位置处相对静压的绝对值i p 。i 不大于2 5 0 0 p a 时，可 取p 2 = p o 2 ) 通风机风量 2 轴流式通风机运行特性和理论 ( 1 ) 在通风机进风侧测得平均风速时： ， q = a k o l 式中 q 通风机的风量，m 3 s ： 4 通风机进口侧测风断面的断面积，m 2 。 - l 一通风机进口侧测风断面上的平均风速，m s 。 ( 2 ) 在通风机进风侧测得平均动压时； 州i ，年 式中： p 蒯。一通风机进口侧测风断面上的平均动压，p a 。 ( 3 ) 在通风机出口侧测得平均风速时： q = 以忱 式中 q 。一通风机出口的风量，m 3 s ； 一i 通风机出口侧测风断面的断面积，m 2 ； u ：通风机进口侧测风断面上的平均风速，m s 。 ( 4 ) 在通风机出口侧测得平均动压时： 出缸等 式中 p 枷2 通风机出口侧测风断面上的平均动压，p a 。 3 ) 通风机风压 ( 1 ) 通风机装置进1 2 1 动压 砌= 譬2 式中 办l 通风机装置进口动压，p a ； 五一通风机集流器进1 3 发蓝处断面积，m 2 。 ( 2 ) 通风机装置出口动压 p 矿旦2 旦p 2 i , a 2 ) 2 9 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 安徽理工大学硕士论文 式中 p j 2 通风机装置出1 3 动压，p a , a ，扩散器出口处断面积，m 2 。 ( 3 ) 通风机装置进口静压 把静压测定断面直接取在通风机进口处， 静压，即 p 鲥2 p “i ( 4 ) 通风机装置出口静压 把静压测定断面直接取在通风机出口处， 静压，即 则测得的平均静压即为通风机进口 ( 2 2 0 ) 则测得的平均静压即为通风机出口 p f 2 = p “2 ( 2 2 1 ) 对于抽出式通风机常常在通风机装置出口侧不设静压力测量断面，实际上相 当于将静压测量断面设在排风硐出口。该处为大气压，其相对静压p 。：= 0 。 ( 5 ) 通风机装置进口相对全压 p l = p 训+ p 坍 ( 2 2 2 ) 式中 a 通风机装置进口相对全压，p a 。 ( 6 ) 通风机装置出口相对全压 p2=p_2+pd2(2-23) 式中 p 2 通风机装置出口相对全压，p a 。 ( 7 ) 通风机装置进口绝对全压 毋=pl+p。(2-24) 式中 只一通风机装置进1 3 绝对全压，p a 。 ( 8 ) 通风机装置出口绝对全压 p 2 = p 2 + 儿 ( 2 2 5 ) 式中 只一通风机装置出口绝对全压，p a 。 ( 9 ) 通风机装置动压 pa=pd2(2-26) 式中 1 0 2 轴流式通风机运行特性和理论 办一通风机装置动压，p a 。 p 。通风机装置静压，p a 。 叩= 巧而q 面p k v 一全压压缩修正系数，用下式计算： 巧音号 ( 1 + 酬 七一绝热指数，对空气k = 1 4 。当p 。2 5 0 0 p a 时，可取k ，= 1 。 ( 2 ) 通风机装置静压效率钆 = 而q p 面k k 。一静压压缩修正系数，用下式计算： 牛砩譬一 当p 目2 5 0 0 p a 时，量。= 1 。 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 安徽理工大学硕士论文 3 监控系统总体方案的制定 3 1 控制系统综述 3 1 1p l c 和其他顺序控制系统的比较 l 。p l c 与继电器顺序逻辑控制系统的比较【4 l 最初研制生产的p l c 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置， 但这两者的运行方式是不相同的。 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电 或断电，该继电器所有的触点( 包括其常开或常闭触点) 在继电器控制线路的那 个位置上都会立即同时动作。 p l c 的c p u 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈 或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点( 包括其常开或常闭触点) 不会立 即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑继电器控制装置各 类触点的动作时间一般在l o o m s 以上，而p l c 扫描用户程序的时间一般均小于 l o o m s ，因此，p l c 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式扫描技术。 这样在对于i 0 响应要求不高的场合，p l c 与继电器控制装置的处理结果上就没有 什么区别了。 继电器顺序逻辑控制系统有大量的活动触点和元器件，只要其中任一部件或 触点故障，将造成系统的故障。另外，它的体积和重量较大，维修的工作量也较 大。p l c 除了必要的与外部物理世界的接口( 即i ，o 点) 外，其它的逻辑功能均在 其内部实现，即简化为内部的软件逻辑。诸如中间继电器、时间继电器等硬件逻 辑所能达到的功能不仅可以取代，而且性能更为优越。由于减少大量的元件和接 线，故障率和维修时间都大大降低。 2 p l c 与计算机控制系统的比较5 】【6 】【刀 计算机控制系统是指用单片处理器或工控机组成的计算机控制系统。在可编 程序控制器发展的阶段中，单片处理器组成的计算机控制系统对顺序逻辑控制系 统的发展发挥了较大的作用。但可编程序控制器对此进行了改造。它变通用为专 用，降低了成本，缩小了体积。采用扫描方式工作，有利于贩序逻辑控制的实施。 功能分散、危险分散，并适应恶劣工业应用环境。 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是专门为工业过程控制设计的过 程控制装置。它主要应用场合是连续量的模拟控制。而可编程序控制器的主要应 用场合是开关量的逻辑控制。 3 监控系统总体方案的制定 可编程序控制器是按扫描方式工作的。集散控制系统是按用户的程序指令工 作的。在集散控制系统中，可有多级优先级中断设置，而可编程序控制器通常不 采用中断方式。 在存储器的容量上，由于可编程序控制器所需的运算多是逻辑运算，因此所 需的容量较小，而集散控制系统需进行大量的数字运算，所需容量较大。在可靠 性方面，两者都是有较高要求的。 为了扩大应用的范围，可编程序控制器正在向分散控制系统靠拢，扩展模拟 量的控制功能。同样，集散控制系统也正在扩展逻辑控制功能，出现综合集成趋 势。 3 1 2 基于现场总线和以太网的控制系统 1 现场总线控制系统和以太网技术 随着计算机、通讯、网络等技术的进步，现场总线控制系统得到了迅速发展。 相对于传统的d c s 控制系统，现场总线有着分散控制更彻底、开放性好、可靠性 高、总体价格也较便宜等优点，现场总线控制系统被誉为自动化领域的计算机局 域网，它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始。【s 】1 9 】 对于矿井通风机监控系统而言，为保证通风机的安全可靠运行，其功能必须 涵盖通风机电动机启停控制、风门的开合、风量调节、各项运行参数监测以及上 下位机通信等多个方面。大型煤矿生产企业所应用的生产设备往往多而分散，对 于传统的基于p c 、p l c 等产品的监控系统来说，如不采用现场总线技术将各生产 设备的监控系统有机地连为一体，则难以及时有效地对各设备的状态进行协调管 理，在很大程度上不利于生产效率和安全性的提升。 与此同时，以太网作为一项比较成熟的技术正向自动化领域逐步渗透，从企 业决策层、生产管理调度层向现场控制层延伸。以太网传输速度的提高、高速以 太网的应用以及工业级以太网部件推出，使影响以太网进入工控领域的确定性问 题和可靠性问题逐渐得到解决。以太网将能逐步胜任那些目前由工业自动化网络 承担的控制任务，基于以太网的工业控制系统将会更多地出现在工业应用中，成 为一种简单、廉价、实用的企业控制网络方案。u o 2 。现场总线与以太网的互连 由于计算机技术、控制技术、网路技术和通信技术的迅猛发展，各种自动化 手段在发展的同时相互影响，在今后相当长的一段时间内，d c s 、p l c 将会相互 补充、相互促进、彼此共存于一个系统之中。为了解决现场总线面临着标准繁多、 难以与企业管理网络集成等诸多问题，于是就出现了把自动控制与计算机管理系 安徽理工大学硕士论文 统结合起来，集管理和控制为一体的系统。一些复杂的控制系统常采用两级网络 拓扑结构。底层用现场总线以便控制装置尽可能靠近现场设备，上层采用工业以 太网监控，从而实现对生产过程的集中管理和分散控制，这种将两层网络应用到 自动化系统的方法，实现信息的完全共享，极大的提高了对复杂生产过程的检测、 监督和控制功能，提高了系统的利用率。 工业控制领域采用以太网作为现场设备之间的通信网络平台，可以避免现场 总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使现场总线技术和其它网 络技术互相促进、共同发展。并保证技术上的可持续发展在技术升级方面无需单 独的研究投入。其互连模型! l l l 如图2 所示： 图2 现场总线与以太网互联 f i 9 2f i e l db u sa n de t h e r n e ti n t e r c o n n e c t i o n 3 2 监控系统总体方案制定 3 2 1 系统总体结构层次概述 按照前面所阐述的相关技术和理论依据，本系统的总体结构层次采用两级网 络分层式体系结构，如图3 所示。底层为设备控制层、中间层为监控管理层、顶 层为厂级信息管理层。 图3 所示的结构层次，不仅适用于本系统，也可以应用在一般的工业控制系 统中。在这里，我们着重研究下面的两个层次，其中厂级管理层不在本研究范围 之内。 1 设备控制层 设备控制层由p l c 硬件模块、检测仪表、传感器、执行机构组成，完成对设 备运行的自动控制和监控设备本身的运行工况参数。p l c 作为总站，就地站以及 远程输入站作为从站，采用c c l i n k 现场总线实现现场设备的互连，节省了大量 的a d 等传输和转换模块。 1 4 3 监控系统总体方案的制定 风 机 监 控 系 统 翻3 风机监控系统体系结掏 f i 9 3a r c h i t e c t u r eo f t h ev e n t i l a t o rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m 具体构成：p l c 的c p u 模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、模拟量输 出模块、数字量输出模块、通讯模块和电源模块，6 只风机轴承用铂电阻( p t l 0 0 ) ， 1 0 只电机用铂电阻( p t l 0 0 ) ，6 只压力传感器，2 个风机机械振动测量装置，3 个 电压变送器，6 个电流变送器等。 通过以太网交换机与上层监控管理层的工控机联网，向工控机传送风机系统 的运行状态( 运行、停止、正转、反转等) ，同时接收工控机的控制命令，采集风 机系统的工况参数( 如风压、风量、风机轴承温度、电机定子绕组温度、电压、 电流、功率因数、功率和开关状态等) ，其采集的数据经过转换后远传给上层监控 管理层的工控机。 2 监控管理层 监控管理层由上位工控机、打印机、不间断电源等设备组成，提供集中监控 管理功能，可以实现监控风机系统运行工况、故障报警与分析、数据统计分析、 报表生成打印、历史数据记录管理等操作。上位工控机可提供数据接口( 以太网 卡) ，通过交换机接入厂级信息管理网络，实现与企业信息数据网络的数据交换( 厂 级信息管理系统是监控系统的上一层，不包括在本系统内，但本系统有与厂级管 理信息系统的接口) 。 3 2 2 系统主要功能 本监控系统实现的主要功能有： 1 控制功能 监控系统能够根据通风机的运行参数，如主电机三相绕组温度、电机所有轴 承温度、油温、油压、风机轴承振动值等，对主电机进行联锁控制，对任一风机 和辅助设备的启动和停止实现自动控制；采用模糊控制算法实现实时调节风量的 安徽理工大学硕士论文 控制功能。 2 显示功能 监控系统能显示风机运行的主设备画面以及重要参数的历史曲线，如温度曲 线、轴功率曲线等，使岗位操作人员能够及时了解风机的工作情况以及油路循环 系统的工作状况。同时主电机绕组温度、风机所有轴承温度、润滑供油压力和温 度、主油箱温度、风机轴承振动速度和通信状态等都能通过监控界面直接显示； 发生故障时，及时跳出故障显示界面，以文字的方式显示故障内容、故障时间， 帮助操作人员及时判断和处理问题。 3 操作功能 在人机界面上进行在线变量显示的同时，操作人员可根据需要改变参数设定 值和状态：对泵站中的强电设备，如电机、电加热器、执行器等可以就地控制( 机 旁控制) 也可以远程控制( 中控室集中控制) 4 报警功能 当上位机检测到报警信号后，所有的操作都能读到，报警采用声光两级。例 如当风机轴承温度超过所设定的上限值时，上位机输出控制信号，系统产生声光 报警，提醒操作人员风机发生故障，需要及时检查和处理；当轴承温度超过所设 定的上极限值时，蜂鸣报警器发出警报，同时联锁主电机停机，风机故障停车。 5 记录功能 系统能对风机所有轴承温度、主电机三相绕组温度、风机轴承振动速度以及 油温、油压等监控参数的历史数据、故障数据和风机的开车、停车时间、次数以 及操作人员的登录情况进行记录，并能对历史数据进行查询和报表打印。 6 通信功能 监控系统采用两级网络分布式控制，提高了系统的通讯能力。在现场设备层， p l c 作为主站可以通过c c - l i n k 现场总线和现场设备以及远程i o 实现快速通信。 在监控管理层，上位工控机通过以太网交换机与下位机组成局域网，实现联网通 信，并通过网络接口可以实现与厂级系统的协调联系。 1 6 4 风机监控系统的硬件设计 4 风机监控系统的硬件设计 4 1 监控系统的硬件组成结构图 监控系统的硬件组成结构图如图4 所示。 控制系统主要由两个c p u 为q 0 2 h 的三菱q 系列p l c 组成，它们分别安装 在两台控制柜中，分别控制两台风机。c c 1 i n k 电缆将泵站就地箱和高压柜中的远 程输入模块a j 6 5 s b t b l 连接到q 0 2 h 的通信模块上，可以看成设备层的一个小型 局域网。 q 0 2 ( h ) 通过以太网线连接到以太网交换机，与操作员监控站( 即上位工控机 捧操作站o p 0