机械毕业设计（论文）-矿井主通风机性能监测系统设计【全套图纸】.doc

中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 1 页 1 绪论 全套图纸 加全套图纸 加 153893706153893706 1 1 课题研究的意义 随着中国煤炭工业的不断发展 国家对安全生产治理力度的加大 煤 矿企业对矿井通风设备提出了更高的要求 鉴于通风机的重要性 它工作 的可靠性深受科技人员和煤矿管理人员的重视 因此近年来 矿井主通风 机的监测监控技术取得了前所未有的发展 本课题利用 WinCC 组态软件对 矿井主通风机在线监测系统作了全面的设计 主通风机是矿井四大固定设备之一 担负着向井下输送新鲜空气 排出 粉尘和污浊气流 确保矿井安全生产的重任 另外 主通风机由于功率大 昼 夜连续运转 因而又有一个耗电大户 据统计 主风通机的耗电量一般约占 全矿总耗电的 15 20 有的高达 30 以上 因此 对生产部门来说 及时正 确地掌握主通风机的运转特性 在保障安全生产和提高经济效益两方面都有 十分重要的意义 目前我国煤矿主通风机一般都带在线监测与通讯系统 以下简称监测系 统 实现矿井含尘 潮湿 气流脉动的恶劣通风环境下远离煤矿管理部门 的井田边缘 通风设备的管理成为煤矿自动化管理的薄弱环节 因此 解决 主通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 为此 本课题对大型矿井风机 AGF606 型轴流式通风机的性能 在线监测各方面有所创新 1 2 我国矿井主通风机设备的现状及发展 为了冲淡和排除井下的有害气体和粉尘 为井下各巷道及采 掘工作面 提供新鲜风流 保证井下工作人员有足够数量 符合要求的空气供呼吸 确 保井下工作人员的人身安全 改善井下工作环境 在煤矿生产中必须不间断 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 2 页 地向井下供给大量的新鲜空气 煤矿用主通风机就是向井下输送空气的设 备 通常情况井下每采 1t 煤炭就要向井下输送 4 6t 新鲜空气 它是煤矿井 下通风不可缺少的安全设备 也是矿井的关键设备 在通风设备的选择设计 时 对其可靠性必须予以足够的重视 随着世界范围内能源短缺和经济增长对能源需求的增加 迫切要求人们 节约能源和保护环境 而矿井主通风机每天都必须运行 选择节电 低噪型 通风机就显得非常重要 20 世纪 80 年代后 由于采用了新技术 新工艺 通 风机的效率提高了 5 10 扩大了调节范围 提高变负荷条件下通风机的运 行效率 是通风机运行的重要方面 有的国家还应用电脑优化控制调节 成 为代表世界科技进步的趋势之一 随着社会的不断发展 矿井主通风机会更加具备安全可靠 高效节能 低噪 自动化程度高和安装简便等特点 矿井理想的主通风设备会越来越多 1 2 11 2 1 国内外发展历史概述国内外发展历史概述 世界各主要产煤国对矿井通风机需求逐年增加 原苏联主要产品 B 15 型离心式通风机和 BO 18 型轴流式通风机 离心式通风机直径达 3 2 4 7m 效率 84 86 轴流式通风机直径达 1 8 4m 效率 80 美国矿井用的通风机以轴流式通风机为主 因为其调节范围宽 加速性 能 动态性能和运行效率优于离心式通风机 其叶轮最大直径达 4 27m 最 大功率 7600kW 最高转速 3600r min 动叶单独可调 德国 TLT 公司生产的 GAF 系列轴流式通风机分别有卧式和立式布置 电 动机有内置式和外置式 调节方式有停车动叶可调和液压动叶可调 叶轮最 大直径达 6 3m 运行效率在 83 88 转子叶片用高强度铝合金制成 重量 轻 防火防爆性能好 我国淮南矿物局引进过该型通风机两台 直径 4 25m 功率 2400kW 合同保证工况点装置效率不小于 85 而对应点的实测装置效 率为 74 8 现场性能鉴定的通风机最高效率为 79 2 装置最高效率为 76 英国 Howden 公司的最新产品 AJN 型轴流矿井通风机 代表了 20 世纪 90 年代末期世界通风设备先进技术 风机性能好 无负偏差 曲线准确 结构合 理 反转反风 全压效率高 其维护和安装与对旋风机相同 该产品配带闸阀 消音器等 成套性强 噪音小 占地面积较少易于场地布置 该公司是全球最 大的通风企业 产品占全球 50 以上 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 3 页 对旋式主通风机在苏联 波兰的有关文献均有介绍 使用广泛的 OBB 79 80 型 效率为 80 5 OBB 76 91 型 效率为 83 最高点效率为 86 而 OBB 84 84B 型 其效率为 78 我国矿井大量使用矿用通风机有轴流 离心式两种 矿井用轴流通风机老式的有 BY 型和 70B2 型 这种通风机是 20 世纪 50 年代的老产品 效率较低 最高静压效率仅 70 近年来 不断出现了新型高 效率的轴流通风机 如 2K60 1K58 2K58 2K56 GAF BD K 等轴流通风机 最 高静压效率达 86 已被矿井广泛使用 国内使用的 BD K 对旋式主通风机呈增长的趋势 最大直径达 4 0m 最 高效率 75 86 而实际运行效率为 50 78 目前 在用的矿井轴流通风机和离心通风机运行效率低于 40 占 20 左 右 这部分通风机主要是老式的 70B2 型 BY 型和老式的 G 系列离心式通风 机 还有一部分是选型不当 高效通风机低效运行 还有的是由于变频和调速 所致 及少数是通风机技术的限制 如大柳塔矿的低压大流量通风机 通风 机运行效率高于 70 的不足 10 选型不当的原因主要是考虑的储备系数太 大 有的考虑了 20 年甚至 30 年以上的开采需要 贪大 贪图一劳永逸 与日 新月异的科技不相适应 如 20 世纪 80 年代以前的主通风机及驱动电动机大 部分已进入了淘汰产品的范围 其次设计人员无法准确把握现场的要求 用 户对自己的需求留多大的富余空间合适也存在诸多的不可预测性因素 此 外受加工工艺和生产成本的限制 一个模子多用也是导致低效的原因 如 2K56 2K58 2K60 KZS 等 近年 被广泛推广使用的BD BDK系列通风机具有传动损耗小 压力高 高效范围较宽 效率也较高的特点 但也存在着单级运行效率低的缺点 因此 一种利用航天技术制造的AGF606型风机也开始了在现代自动化 大型矿井的应用 AGF606型风机具有效率高 噪声低 气动性能好 结构 合理 工作安全可靠 经济效益高 工作范围广 运行平稳等优点 在煤 矿行业有良好的应用前景 1 2 21 2 2 国内使用的矿井主通风机国内使用的矿井主通风机 目前 我国煤矿使用的主要通风机种类繁多 性能参差不齐 由于多种 原因 20 世纪 60 年代生产的 70B2 系列通风机还在一些煤矿使用 给矿井安 全生产及经济效益带来不利的影响 近几年随着煤矿经济形势的好转 以及 国家对煤矿安全技改资金投入的增大 不少矿务局开始新建接替矿井以及对 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 4 页 现有生产矿井主要通风机进行改造 使得通风机进入了一个相对的高峰期 如何从技术 经济角度选购适合自己矿井条件的通风机是广大通风机 用户的共同期盼 我国煤矿在役的主要通风机 以下几个系列的使用占有 90 以上 这对 有些矿井在通风机能力不足时的改造 对设计及现场选购通风机 对现有 通风机改造起到参考和帮助的作用 1 2K 系列通风机 2K 系列轴流通风机按轮毂比不同分为 2K56 1K58 2K58 2K60 和 KZS 等几个系列 主要由沈阳鼓风机厂 沈阳风机厂和吉林鼓风机厂生产 叶轮 直径从 1 2m 3 6m 可满足不同大小矿井的需要 该系列通风机均为单 双 级叶轮 机翼为扭曲叶片 叶片角度可在较大范围内进行有级 1K58 2K58 KZS 或无级 2K56 2K60 调节 且均可直接反转反风 这是 我国煤矿以前用量较大 较多的一类通风机 可以满足多数矿井对通风机 低压力 大风量的需要 刹车 测温 测震基座等附属装置也较为齐全 现 场实测表明其静压效率可达 75 以上 但气动噪声大 该系列通风机除适用 于新建和改扩建矿井外 由于其外形与我国较早使用的 70B2 和 2By 型轴流 通风机相近 更适用于对这类通风机的改造 可较大幅度的节约改造费用 缩 短改造时间 2 BD K 系列通风机 BD K 系列通风机近年来发展很快 生产厂家也较多 主要有湘潭平安 南阳 燕京等厂家 该系列通风机最大已经生产到了 4m 该风机采用双级双 电动机驱动结构 两级叶轮相对并反向旋转 其结构相当于两台同型号轴流 通风机对接在一起串联工作 因此被广泛称之为对旋通风机 由于这种结构 可省去中间及后置固定导叶 且涡流损失较小 具有传动损耗小 压力高 高效范围较宽 效率也较高的特点 厂家提供的通风机最大静压效率可达 86 现场实测其装置静压效率可达 77 该系列通风机除了可在较大范围内 调整叶片角度外 还可对前后级安装角度进行适当组合 并可单级运行 因此 可调范围更宽 但实测结果表明 单级运行时通风机的效率太低 仅有 50 左 右 不宜长期使用 此外 由于该系列通风机结构的整体性和密闭性均较好 且可以实现反转反风 使用该系列通风机可以不建通风机房 不用反风道 具 有基建工期短 节省基建费用等优越性 适合于要求尽快投产的新建风井 3 GAF 系列通风机 GAF 系列通风机是在引进国外技术的基础上 结合国内的实际情况加以 改型改造的轴流通风机 该通风机具有风量风压调节范围宽 静压效率高 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 5 页 叶片角度调节自动化程度高等优点 尤其是采用液压调节和涡轮涡杆同步调 节装置调整叶片的通风机 改变叶片运行角度非常容易 特别适用于需要经 常改变运行工况的矿井使用 此外 GAF 系列通风机的叶轮直径 轮毂比分 档较多 再加上叶片数和转速等的变化 可形成上千种基本型号 上万种标准 产品 为用户根据技术参数和使用要求进行量体裁衣式的选型提供了方便 由于叶片角度调整方便 这类通风机可通过改变风叶角度实现通风机反风 既不需要反风道 也不需要通风机反转控制装置 且反风量也满足规程要求 但该类通风机与同等能力的其他系列通风机相比 初期投资较大 4 G4 73 4 72 系列离心式通风机 我国矿井使用的离心式通风机主要就是这两个系列 生产厂家较多 G4 73 系列离心式通风机最初是为锅炉通风 引风 设计的 后来被引用到矿 井通风中并拥有一定的市场占有量 该系列离心式通风机的特点是特性曲 线较平缓 无驼峰 运行噪声较小 效率高 启动时关闭调节门 也叫前导 器 具有启动功率较小 启动容易的特点 运行时调节门可在 0 70 范 围内调节 用以改变运行工况 还可通过配置不同转速的电动机来改变其运 行工况 适应性较好 4 72 系列通风机的特性曲线较平缓 运行噪声较小 效率高 适用于通风阻力不是太大的中小型矿井 我国地方煤矿的矿井中使 用该系列通风机较多 由于机型小 配置电动机的容量也小 可配用 380V 或 660V 电压的电动机 特别适用于无高压 6000V 供电的矿井使用 但对初 后期风压变化大的矿井 离心通风机的调节性能差 1 2 31 2 3 发展趋势小议发展趋势小议 BD K 系列轴流通风机正是在传统轴流通风机的基础上 应用航空动力 学理论 采用全新的风机设计技术 弯掠组合三维扭曲正交型技术 通 过叶片弯掠量等多参数控制风机流道中的气流速度分布 分离 涡流强度 二次流强度等与流动损失相关的次流流动 从而最大限度地减少能量损失 提高风机的气动性能和声学性能 达到提高风机效率和降低噪声的目的 BD K 系列弯掠组合正交型对旋通风机作为矿井主要通风机的新产品 其先进的本体结构 高效环保的性能优势已逐步被广大同行所肯定 为了 使该通风机更好地满足现场 建议在以下几个方面进行探索和改进 1 进一步强化管理 改进工艺流程 提高精机加工水平 改善通风机的 外观质量 解决设备加工粗糙问题 2 逐步实现在线监测 充分应用当前国内成熟的监测设备 并辅以智能 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 6 页 化管理软件 实时监测通风机运行中的相关参数 电动机轴承温度 通风机 通过风量 通风机装置静压和有关电参数 并能对异常发出警报 提供故障 判断 3 进一步解决通风机与风网的匹配问题 要根据矿井风网的具体特点 进行通风机的设计与制作 要针对有些矿井 大风量 低风阻 小风量 高风阻 风网的特点 通过技术攻关 解决通风机的高效运行问题 争取使通 风机全压效率达到 80 以上 1 3 矿井主通风机在线监测监控现状及展望 通风机向井下提供新鲜风流 以冲淡并排出井下的毒性 窒息性 爆 炸性气体和粉尘 保证井下风流的质量 成分 温度和速度 和数量符合国 家安全卫生标准 造成良好的工作环境 防止各种伤害和爆炸事故 保障 井下人员身体健康和生命安全 保护国家资源和财产 其在矿井建设和生 产期间始终占有非常重要的地位 鉴于通风机的重要性 其工作的可靠性深受科技和煤矿管理人员的重视 随着科学技术的发展与应用 矿井主要通风机的监测 监控和故障诊断技 术取得了前所未有的发展 1 3 11 3 1 矿井主要通风机在线监测监控的现状矿井主要通风机在线监测监控的现状 近年来 许多高等院校 科研院所研制出了主要通风机的监测 监控 和故障诊断系统或仪器仪表 并通过试验或应用取得了良好的效果 中国矿业大学研制的矿井主要通风机性能在线监测与通讯系统 方法 新颖独特 其风量的监测方法解决了矿井通风恶劣情况下风量在线监测风 流含尘 潮湿 脉动 可靠性 准确性差的关键技术难题 提高了矿井通 风设备自动化 科学化管理水平 该系统可以进行主要通风机性能参数的 在线监测 通风机性能曲线的定期测定 可实现通风机房与机电科 通风 科 调度室等管理部门的通讯联网 计算机操作界面友好 可以查看历史 记录 按需打印监测结果 数据或曲线图形 该系统在充州矿业集团鲍店煤矿南 北风井和济宁二号煤矿中央风井 济宁许厂煤矿 山东里彦煤矿投入使用 运行至今表明该系统性能可靠 功能较全 在国内矿井主要通风机在线监测监控方面处于前列 煤科总院抚顺分院研制的 ZF 1 型智能通风多参数测试仪可同时测量压 力 温度及风速 3 种通风参数 淮南矿业集团 1995 年从德 AEG 公司引进的 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 7 页 配套风机电控系统 风机是从德国 TLT 公司引进的矿用轴流风机 采用绕线 式异步电动机拖动 转子串液体电阻起动 采用 2 台 PLC 作下位机对风机 进行冗余控制 通过上位 PC 设定风机的运行参数 监视风机的运行状态和 故障信息 充州矿业集团东滩煤矿引进的 4 台法国 HDR280 69 型动调轴流风机 用了北 西风井 其动叶片角度调节采用伺服电机 机械连杆系统 连续可 调 采用调节动叶片角度反风 杆系统 连续可调 采用调节动叶片角度反 风 取消了反风道 当 1 台风机停机时 另 1 台风机能自动投入运行 叶片 角度测量分就地显示和控制显示 2 种 运行情况良好 年运行费用低 在 不停机的情况下实现工况点的连续可调或反风 调节灵活方便 此外 煤科总院上海分院 山西矿业学院 辽宁工程技术大学 西安矿 业学院等科研机构和院校也都研制出不同的矿井主要通风机在线监测监控 系统 经应用也取得了良好的效果 近些年 故障诊断在矿井主要通风机在线监测监控方面也有了一定程度 的应用 如煤科总院重庆分院研制的 FJZ 型矿井主要通风机在线监测与故 障诊断仪 对通风机的振动烈度 轴心轨迹 轴温 风量几负压 电流 电压等多种参数进行实时监测 对常见的 初始不平衡 转子偏心 等 14 种机械故障进行自动诊断 在和全矿监测主系统联网后 能及时将通风 机运行状况信息送至地面中心站 应用情况很好 1 3 21 3 2 矿井主要通风机在线监测监控的展望矿井主要通风机在线监测监控的展望 随着科学技术的发展和科技人员的不断努力 矿井主要通风机在线监测 监控取得了一定的成绩 但仍明显存在一些不足 1 矿井主要通风机在线监测监控还仅处在监测水平 其控制功能很弱 2 矿井主要通风机在线监测监控的可靠性有待进一步提高 3 矿井主要通风机在线监测监控尚为一个独立的系统 未与整个矿井 通风系统 整个煤矿管理系统发生很强的联系 针对以上不足 为了进一步提高煤矿自动化管理水平 提高生产的安 全程度 降低工人劳动强度 矿井主要通风机在线监测监控应该向如下几 个方面发展 1 矿井主要通风机故障诊断智能化 监控系统的一个重要分支就是故障诊断技术 故障诊断技术在矿井主要 通风机中的应用 使得通风机的定期检修变成了故障维修 通风机的故障 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 8 页 很多 如喘振 轴温过高 轴承磨 损 失效 主轴故障 润滑油缺少 叶片产生裂纹 叶片撕裂 焊缝开焊 支杆折断以及电源的欠压 过流及 断路器的故障等 而目前的风机 故障诊断技术 如振声诊断法 红外线 热成像技 术 油样分析等 大多是一种完全基于检测数据 处理的传统 诊断方法 这种传统的单独诊断技术往往仅考虑某一种信息 再根据计算 结果和极简单的因果推理来进行诊断 所得诊断结果难免具有片面性 这 对于并发性故障的诊断 监测系统本身故障的诊断是十分不利的 专家系统 神经网络和人工智能技术在风机监测 监控中已有了初步 的应用 如华中理工大学研制的基于 浅知识 即专家的经验知识 的故 障诊断系统 东北大学研制的基于随机法的故漳诊断系统 煤科总院重庆 分院研制的 FJ Z 型矿井主要通风机在线监测与故障诊断仪采用灰色理论 对通风机故障类型进行快速定位 首先利用高精度加速度传感器测出通风 机敏感部位的振动加速度 计算烈度值 根据 ISO2372 标准 若超标便进 行 1024 点的 FFT 变换 计算其振动的加速度功率谱 根据功率谱的分布与 存入机内的设备标准故障模式 专家系统 进行灰色关联分析 依关联度的 大小 诊断通风机机械故障类型 在科研人员的努力下 应用人工神经网络 模式识别 计算机技术的 智能故障诊断系统逐渐发展 其在风机故障诊断中应用愈来愈广 可以预 测 基于知识的信号智能分析技术与智能化诊断是风机故障诊断的重要发 展方向 2 矿井主要通风机的可控制化 控制智能化 目前 我国已有的通风机监控系统主要是监测功能 实时反映通风机 的工况 而未充分发挥其控制功能 其中的原因是多方面的 一是矿井主要通风机是煤矿的关键设备 煤矿安全规程 要求是万无 一失钓 因此其计算机监测 监控系统的可靠性要求是十分高的 但现在 的科学水平还不能使计算机监测监控系统达到万无一失 如前面提到的东 滩煤矿引进的风机监测系统 是世界上处于领先水平的监测系统 但却发 生了在风机运行停止 2h 的情况下竟然没有报警 造成了重大事故 二是矿井主要通风机的操作要求特殊 操作过程复杂 受 煤矿安全 规程 的制约 煤矿安全规程 第 123 条规定 备用通风机或备用电动机 配套通风机 必须能在 10 min 内开动 第 124 条规定 生产矿井的主要 通风机必须装有反风设施 必须能在 10min 内改变巷道中的风流方向 井 下风流潮湿含尘 对风门及其操作机构具有腐蚀性 时间一长 风门及其 操作机构锈蚀甚至锈死 控制信号发出后 执行机构有可能 怠工 如机 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 9 页 构卡死 执行不到位 风门在开关过程中就遇到这些情况 时有发生 而当 这些情况发生时 再由管理人员前去处理 时间就来不及了 严重的会造 成重大井下事故 简单地测量通风机 环境参数及电参数和通风机的控制是远远不够的 还需要发展风机控制的智能化 智能是人们认识客观事物并运用知识解决 实际问题的能力 它表现在运用知识 认识新情况 解决新问题 学习新 方法 预见新趋势 创造新思维的能力 人工智能则是运用人工手段模仿 人类的智能行为 矿井主要通风机控制系统智能化表现在 1 监测环境参数而自动动作 根据监测到的环境参数 如风量 瓦斯浓 度 CO 浓度 CO2浓度 粉尘 湿度等 完成对通风机的调节倒换风门 倒 机 能够在风机启动前自动盘车 等一系列动作 2 监测风机性能参数而自动动作 根据监测到的风机参数 如风量 负 压 效率 风叶角度 能够确定风机是否工作在喘振区 工作状态是否满足 矿井需要 并能进行自校正 3 监测电参数而自动动作 根据监测到的电参数 如电机功率 电机转 速 励磁电流 励磁电压 定子电流 定子电压 功率因数等 能够确定电 机工作是否正常 并能进行自校正 4 监测监控智能化与故障诊断智能化紧密结合 故障诊断系统将诊断到 的风机或电机的故障反馈给监测监控系统或风机管理人员 些行自调整或 报警 随着机械执行机构可靠性的提高以及材料技术 传感器和测试技术 计算机硬软件技术 通讯技术 人工智能技术等先进技术的发展和应用 必将促进矿井主要通风机控制系统的智能化发展和广泛应用 3 矿井主要通风机在线监测监控系统与整个矿井系统协调一致 矿井主要通风机是通过管网构成生产保障系统的 所以不能只考虑其 本身 而应作为一个完全的系统去考虑 其目标应包含整个通风系统优化 如效率 节能的优化以及通风系统运行的高可靠性和柔性 鉴于此 监控系统应对井下环境进行监控 对通风 瓦斯及自然发火 进行监测 根据井下对风量的需求来对主要通风机的动力进行恰当的调整 也就是对主要通风机进行适当的自调节 以节约能源 在发生异常时可发出 警报 还可以自动调整风门 矿井主要通风机在线监控系统还应和整个矿井计算机监控联网 能够 进行通讯 即能够将监测结果传输到主控室或总工室 能接受并执行从主 控室或总工室传来的指令 矿井主要通风机在线监控系统还可建成一个网 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 10 页 站 作为整个企业网的一部分 负责风机房及相应部位的监控和管理 1 4 本设计章节安排 本文论述了矿用风机在线监测监控系统的设计 论文共分为七章 第一章 绪论 从课题研究的目的和意义出发 说明作矿用风机在线监 测监控系统的设计课题的必要性 并针对所监控的设备对象和监控系统 分别介绍了其国内外发展现状及展望 第二章 监测风机的概述 选用以 AGF606 1 88 1 12 型轴流式通风机 为监控对象 并对其概况 应用及特点进行了介绍 第三章 风机监测系统所实现的功能 介绍本监控系统所实现的功能 即通过本系统可以实现矿井通风机风压 风量及其它安全参数的实时在线 监测 并能安全隐患进行报警 为监管矿井安全生产提供了新的技术手段 另外 也叙述了监测系统的组成 应用 特点以及监测风机的技术指标 第四章 监测系统的硬件设计与选型 本章对监测点在风机上的位置 进行了布置 并对监测量所用传感器 变送器 和 S 300 PLC 模块分别进 行了选型 硬件组态中以图片的形式和表格形式加以感性化 第五章 系统的整体设计及通信 本节对系统的整体进行设计和系统框 图绘制 同时对系统之间的通信进行了介绍 第六章 WinCC 监测系统界面设计 介绍了在 WinCC 组态软件的支持下 实现的监控界面 主要分为两部分进行阐述 第一部分辅以大量图片说明各 个子系统设计的过程 第二部分以文字的形式介绍了在 WinCC 中设计子系 统的步骤 第七章 结论与展望 本章主要对设计课题进行了一个小结和概括 并通过模拟输人测试和理论上的分析 证明了该监测系统的可行性 通风 机监测系统是实现通风机安全 经济运行的有力保证 本论文的主要工作 是 为实现现代大型矿井主通风机安全可靠的运行 设计了矿井主通风机的 实时监测系统 在考虑到其运行的实际环境 选定出本监测系统所需的硬 件 并在此基础上 利用 WinCC 组态软件设计出本监测系统 重点是上位机 设计 本课题设计的矿井通风机监测系统 上位机 运行稳定可靠 能 够实时监测通风机运行工况 达到了课题的要求 但也存在很多不完善的 地方 需要以后进一步学习 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 11 页 2 监测风机的概述 2 1 监测风机简介 本课题以 AGF606 1 88 1 12 型轴流式通风机为例进行了监测系统的设 计 AGF606 型轴流式通风机的外体形状如图 2 1 所示 图图 2 12 1 AGF606AGF606 型轴流式通风机的外体形状型轴流式通风机的外体形状 AGF606 型风机是一种安全 高效的大型抽出式轴流矿用风机 其工作 原理是旋转的叶轮作功 抽取矿井内的气体并将其排入大气 使外界的新 鲜空气从主井风口进入巷道 以确保井下采掘工作的安全 该风机由进气段 转子组件 主体风筒 后导风筒 扩压气 传动轴 联轴器等主要部件构成 风机采用整体内置轴承箱结构 便于风机的安装 调整 风机主轴通过叠片挠性联轴器和传动轴由电机直接驱动 电机置于 风机排气端 并设有电动刹车机构 该风机为双级动叶型风机 风机的气动性能和动静叶片型面设计均采用 了先进的航空发动机叶片研制技术 其稳定工作范围广 全压效率高 为满足不同工况的要求 风机动叶角度可进行停机联动调节 当矿井需 要返风时 在风机可直接反转返风运行 该风机运行工况变化范围较大 故分为单级运行和双级运行两种结构 2 2 监测风机的主要技术要求 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 12 页 2 2 12 2 1 性能参数性能参数 风 量 5100m3 min 85 m3 s 风 压 3100Pa 风机转速 985r min 电机功率 710kw 旋转方向 顺进气方向看 逆时针旋转 性能曲线 如图 2 2 所示 2 2 22 2 2 机械参数机械参数 叶轮外径 1880mm 轮毂直径 1120mm 级 数 2 前级叶数 15 中导叶数 11 后导叶数 9 风机外壳与动叶叶尖间隙 51mm 图图 2 22 2 AGF606 1 88 1 12AGF606 1 88 1 12 型风机性能曲线型风机性能曲线 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 13 页 在前期工况运行时后级叶轮工作 在后期工况运行时为双级叶轮工作 2 3 监测风机所用电机的润滑油流量调节 1 将厂方自带的流量计接到电机供油管路上 调节供油管路上的流 量调节阀 使电机轴承腔的润滑油的流量为 14 15L min 流量稳定后 纪 录电机供油管路上压力表的数值 电机正常运行时 操作者监测此压力表 保持压力值不变 2 风机轴承箱润滑油量的调节 供给电机的油量调定后 剩余的约 25L min 的油量可全部供向轴承箱 如需降低轴承箱润滑油流量 可以用调节稀油站安全阀降低供油压力的方 法来实现 3 润滑油温度的调节 用调节稀油站冷却水流量的方法 调节润滑油温度 稀油站出口油温一 般可以控制在 35 C 45 C 之间 最高油温不应超过 50 C 安装调试后 启动稀油站单独运行两小时 检查供油压力 油温 密封 性及目的状况 2 4 监测风机的保养与维护 正确保养与维护是保证风机长期安全稳定运行的重要条件 操作人员必 须按规定精心保养维护风机 2 4 12 4 1 风机运行的日检查项目风机运行的日检查项目 1 检查油位计的油位高度 2 检查压力平衡管观察内移油量 必要时打开压紧螺母 放掉移油 3 检查轴承温度 轴承温度小于 80 C 为正常值 轴承温度超过 90 C 时应立即停机 检查温度上升原因 4 检查风机运转的平稳性 当出现较大振动或异常声音时 应停机 检查原因 2 4 22 4 2 风机使用中的定期检查项目风机使用中的定期检查项目 新风机运行达 100 小时后 应更换新润滑油 风机每次运行 4000 小时 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 14 页 后 应做如下检查维护工作 1 更换润必要时应清洗储油箱 油位计 空气滤油器 2 检查叶片有无磨损 必要时调整叶片与机壳间的间隙 如发现叶 片损伤或裂纹 应更换新叶片 更换后应进行动平衡校验 3 检查叶片 调整机构灵活性 4 检查各处螺栓 螺钉和管路连接有无松动泄漏 2 5 监测风机的运行 2 5 12 5 1 试车前检查试车前检查 1 所有压力测孔和测量管均应用压缩空气吹扫清洁 2 风门分别用电动和手动试运行 保证开 闭动作正常 3 检查润滑站工作是否正常 轴承箱的油位在油位线处 通过窥镜 检查电机处润滑油循环正常 4 检查所有管路 管接头的密封性 5 检查轮盘与叶片间隙及安装位置 应符合图纸要求 6 单独对制动器 断电检查抱死和松动状态工作是否正常 7 检查风机流道 包括风机前风道及风门 中是否 有杂物 应全 部清除 8 所有的如孔门均应关闭 9 联轴器 主电机 稀油站 制动器 控制仪表 风门均应符合这 些设备制造厂说明书的要求 10 电机及线路安装后 检查旋转方向是否正确 11 如果风机在低温环境下长时间没有运转 则在风机运行前至少 提前 2 小时启动油压站 保证油路循环畅通 2 5 22 5 2 试车试车 1 第一次启动试车应有厂方代表参加 按调试规程进行 2 风机启动是在风门开启 叶片安装角在规定位置 油站已进入正 常运行状态 3 试运行中应观察轴承温度及叶轮 传动轴是否处于平稳工作状态 4 停止后 应检查风机内外管道的密封性 检查 叶片间隙有无变 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 15 页 化 2 5 32 5 3 风机启动程序风机启动程序 1 主电机启动前应满足的要求 启动润滑站 供油压力 0 3Mpa 打开风门至全开位置 刹车处于释放状态 2 启动主电机 满足上述条件后 按下主电机按钮 主电机启动 如未满足则不能 启动 3 风机停机联锁程序 按下主停机按钮 60 秒后关闭风门 6 分钟后刹车制动 润滑油泵断路 刹车装置 60 秒后释放 4 风机叶片角度的调节 当需要改变风机工况时 打开风机机壳侧面的调节孔盖板 手动盘车 使联轴器上位置刻度线与电机座上刻线对准 将调节杆插入盘孔内 转动调节杆 调节叶片至要求的角度位置 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 16 页 3 3 风机监测系统所实现的功能 3 1 系统功能 本课题对上述风机的性能监测系统 上位机 进行了全面的设计 通 过本系统可以实现矿井通风机风压 风量及其它安全参数的实时在线监测 并能安全隐患进行报警 为监管矿井安全生产提供了新的技术手段 具体 功能如下 1 实时监测矿井通风机风压 风量数据 2 实时监测通风机电流 电压 有功功率 3 实时监测矿井中瓦斯浓度 CO 浓度和环境温度 4 根据实测风量 风压计算风机效率 5 根据矿井风机提供的电机轴承温度传感器实时监测温度数值 当温度过高时 给出预警信号 6 监测主通风机开停状态 7 显示上述监测参数的数值和动态图形 监测数值表格方式显示 图形以动态曲线显示 并可绘制出全部性能曲线 通过 X Y 轴图形可以观 察到各参数随时间变化趋势 有利于发现通风系统故障 8 上述监测数据的存储 查询和报表打印功能 9 对风机进行远程控制 10 工况点显示事故报警及追忆功能 本系统可在风机的性能曲线 上显示风机运行的工况点 风机运行出现异常时系统能在各相关界面给予 报警提示 并把距当前时刻一小时内的各种参数及日期 时间等进行纪录 以便事后分析 3 23 2 监测系统介绍 本通风机性能在线监控系统 以下简称系统 是一套适于大中型煤矿 使用的新型矿井通风安全监控及信息管理系统 该系统通过实时监测矿井 风压 风量 通风机功率 轴承温度 环境温度 瓦斯浓度 CO 浓度 电 机电量以及通风机开停状态等信号及时发现矿井通风异常情况 发出报警 信息 按相关预案使隐患得到及时有效处理 系统可以根据实时监测到的 温度过高 危险气体浓度过高或风机停止运转等信号 通过监控系统给出 报警信息 并根据预先设定切断相关区域动力电源 强制撤出人员 停止 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 17 页 生产作业等处理 该系统以矿井安全生产为方针 提供了安全有效的监管 监控手段 3 3 监测系统组成 系统设备由与矿井主通风机性能监测有关的传感器 变送器 数据采 集装置 数据传输及控制装置 计算机监控站设备等部分组成 系统基本 设备组成见方框图 这些现场监测装置放置在矿井主通风机房内 通过传输电缆将信号传 送到通风机性能监控主站 监控主站由监控计算机 打印机 传输及控制 接口 UPS 电源等设备组成 煤矿端主通风机性能在线监控系统和煤矿安全 监控系统是相互独立的两个系统 该系统与煤矿安全局域网络系统连接 3 4 系统设备主要技术指标 1 系统传输方式 RS485 总线 2 通风机性能在线监测装置 1 全压测量范围 3 1kPa 2 静压测量范围 3 1kPa 3 风量测量范围 85m3 s 4 温度测量范围 视通风机轴承温度传感器情况定义 5 传感器供电电压 18 24VDC 6 传感器输出信号 4 20mA 7 数据采集及传输模块 供电电压 10 30VDC 模拟量通道 8 路差分输入 数据采集精度 0 1 3 通风机电量监测装置 1 电流变送器测量范围 0 650A 2 电压变送器测量范围 1140VAC 3 有功功率变送器测量范围 710kW 4 传感器信号 4 20mA 5 电源 220VAC 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 18 页 4 监测系统的硬件设计与选型 4 1 风机监测量的布点 利用传感器对风机监测参数进行测量 而对这些监测参数在风机上的 具体布置如表 4 1 所示 表表 4 14 1 风机监测参数的布置风机监测参数的布置 参数 类型 参数及变量名称 1 风机 布点数 2 风机 布点数 备 注 风压 pressure 8个8个 每台风机监测两个 截面 每个截面上下左 右各布置一个监测点 流量 flux 8个8个 每台风机监测两个 截面 每个截面上下左 右各布置一个监测点 轴承温度 bear temp 2个2个 每台风机两个轴承 每个轴承设置一个监测 点 设备开停状态 on off 1 个1 个 每台风机设置一个 开停状态监测点 风机 参数 效率 efficiency 通过计算得出效率 值 无需利用传感器进 行监测 电压 voltage 1 个1 个 每台风机设置一个 电压监测点 电流 current 1 个1 个 每台风机设置一个 电流监测点 电量 参数 功率 power 1 个1 个 每台风机设置一个 功率监测点 瓦斯浓度 gas 8个 风机上监测两个截 面 每个截面上下左右 各布置一个监测点 CO浓度 co 8个 风机上监测两个截 面 每个截面上下左右 各布置一个监测点 环境 参数 进口温度 in temp 2 个 风机上布置两个监 测点 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 19 页 4 2 传感器 变送器 选型 4 2 14 2 1 瓦斯传感器选型瓦斯传感器选型 1 KGJ15智能遥控甲烷传感器 KGJ15型智能遥控甲烷传感器 安标证号 20011150 防爆证号 2014025 用于检测煤矿井下主要由黑白元件 检测电桥 运算放大器 A D 转换 单片机以及显示 输出等部分组成 该传感器是一种智能型检测仪 表 具有自动调零 自动调灵敏度 非线性补偿等功能 所有功能可通过 遥控器来实现 具有使用方便 稳定可靠等优点 能与国内外各种煤矿 监测系统配套使用 其外形如图4 1所示 主要技术指标如表4 2所示 图图 4 14 1 KGJ15KGJ15 型智能遥控甲烷传感器外形型智能遥控甲烷传感器外形 表表 4 24 2 KGJ15KGJ15 型智能遥控甲烷传感器主要技术指标型智能遥控甲烷传感器主要技术指标 测量范围0 4 CH4 0 1 CH4 误差范围 0 1 CH4 1 2 CH4 误差范围 0 2 CH4测量误差 2 4 CH4 误差范围 0 3 CH4 响应时间小于 30S 报警点0 5 1 5 CH4 可任意设置 报警方式红色灯光闪烁 蜂鸣器鸣叫 200 1000Hz 5 15Hz输出信号 或4 20 mA 1 5 mA 断电输出0 5mA 电流脉冲 工作电压本安 DC9 18V 工作电流50mA 外形尺寸280 160 68 mm 质量约1kg 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 20 页 2 JCB C120型瓦斯检测仪 JCB 120型瓦斯检测仪 安标证号 20021338 防爆证号 2024023 用于 检测煤矿井下空气中的瓦斯含量 它是一种智能型检测仪表 具有自动调 零 自动调整线性 非线性补偿和密码功能 且所有功能都能用按键实现 具有体积小 密封好 精度高 稳定可靠 使用方便等特点 其外形如图 4 2所示 主要技术指标如表4 3所示 图图4 24 2 JCB 120JCB 120型瓦斯检测仪外形型瓦斯检测仪外形 表表4 34 3 JCB 120JCB 120型瓦斯检测仪主要技术指标型瓦斯检测仪主要技术指标 测量范围 0 4 CH4 0 1 CH4 0 1 CH4 1 2 CH4 0 2 CH4测量误差 2 4 CH4 0 3 CH4 响应时间小于30S 报警点0 5 2 5 CH4 可任意设置 报警方式蜂鸣器鸣叫 电源三节HQ AA1400 电池 工作电流小于110mA 工作时间小于110mA 电池欠压值3 0V 外形尺寸96 57 22 mm 两种传感器都适用与矿井瓦斯检测 但由于KGJ15智能遥控甲烷传感器 能与国内外各种煤矿监测系统配套使用 以及输出信号可为4 20mA标准信 号进行远距离传输 因此瓦斯传感器选择KGJ15智能遥控甲烷传感器 4 2 24 2 2 一氧化碳传感器选型一氧化碳传感器选型 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 21 页 选择KGA3型一氧化碳传感器对CO浓度进行测量 其外形如图4 3所示 主要技术参数如表4 4所示 图图4 34 3 KGA3KGA3型一氧化碳传感器外形型一氧化碳传感器外形 KGA3型一氧化碳传感器 安标证号 20032336 防爆证号 320033060 为矿用本质安全型 用于连续测量井下空气中的一氧化碳浓度 该传感器选用进口电化学检测元件 该传感器具有寿命长 稳定性高的优 点 能与国内外各种监控系统配套使用 表表4 44 4 KGA3KGA3型一氧化碳传感器主要技术指标型一氧化碳传感器主要技术指标 防爆型式矿用本质安全型 ExibI 测量范围0 200ppm 0 500ppm 0 1000ppm 0 50ppm 4ppm 0 200ppm 4 3 测量值ppm 基本误差 200 1000ppm 4 5 测量值ppm 反应时间小于40S 显示方式3 位LED 200 100Hz 5 15Hz输出信号 或 1 5mA 4 20mA 电流 工作电压DC8V 18V 工作电流小于50mA 外形尺寸及重量266 126 50 mm 1Kg 4 2 34 2 3 温度传感器选型温度传感器选型 选择KGW5型数字式温度传感器对环境温度和轴承温度进行测量 其外 形如图4 4所示 主要技术参数如表4 5所示 KGW5型矿用数字式温度传感器 安标证号 20011151 防爆证号 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 22 页 2014026 图图4 44 4 KGW5KGW5型数字式温度传感器外形型数字式温度传感器外形 为矿用本质安全型产品 用于测量煤矿井下的环境温度 该传感器由温度 探头 单片机 显示 输出电路等几部分组成 本机实时3 位数字显示并 输出标准模拟信号 该传感器具有使用简便 稳定可靠等特点 能与国内各 监控系统配套使用 表表4 54 5 KGW5KGW5型数字式温度传感器主要技术指标型数字式温度传感器主要技术指标 防爆型式矿用本质安全型 ExibI 5 45 或0 40 或测量范围 35 65 或0 100 测量精度 1 5 输出信号200 100Hz 工作电压DC8V 24V 工作电流小于40mA 外形尺寸及重量190 125 55 mm 1 5Kg 4 2 44 2 4 风压传感器选型风压传感器选型 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 23 页 图图4 54 5 KGY4KGY4型负压型负压 压力压力 传感器外形传感器外形 选择KGY4型负压 压力 传感器对对风机压力进行测量 其外形如图4 5 所示 主要技术参数如表4 6所示 KGY4型负压传感器 安标证号 20031384 防爆证号 2034017 用于 检测负压的大小 为本质安全型产品 可用于煤矿井下 该传感器采用高 稳定性微型扩散硅压力传感元件 具有精度高 稳定可靠 使用方便等特 点 传感器能与各种煤矿安全及生产监测监系统配套使用 表表4 64 6 KGY4KGY4型负压传感器主要技术指标型负压传感器主要技术指标 防爆型式本质安全型 ExibI 测量范围0 5Kpa 0 10Kpa 等可选 过载能力200 测量范围上限 基本误差 2 输出信号200 1000Hz 频率 1 5mA 恒流4 20mA 恒流 工作电压DC 12 18 V 工作电流小于80mA 外形尺寸及重量182 135 42 mm 1 5Kg 4 2 54 2 5 风量传感器选型风量传感器选型 1 KGF2型矿用智能风量传感器 KGF2型矿用智能风量传感器 安标证号 20011149 防爆证号 2014027 采用超声波测量原理 具有技术先进 使用方便 长期使用稳定可靠 免 维护等特点 主要用于煤矿井下各种坑道 风口 扇风机井口等处的风速 风量的检测 以确保煤矿的井下通风安全 可与国内外各种煤矿监测系统 配套使用 其外形如图4 6所示 主要技术指标如表4 7所示 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 24 页 图图4 64 6 KGF2KGF2型矿用智能风量传感器外形型矿用智能风量传感器外形 表表4 74 7 KGF2KGF2型矿用智能风量传感器主要技术指标型矿用智能风量传感器主要技术指标 测量范围风速0 3 15m s 坑道断面积小于30m2 任意设置 允许误差小于 0 3m s 重复性误差读数值 1 200 1000Hz 5 15Hz 或4 20mA 1 5mA输出信号 风速 风量三位LED 就地显示 工作电压本安DC12 18V 工作电流不大于100mA 换能器工作频率140 150KHz 外形尺寸及重量370 160 55 mm 1 5Kg 2 SF 586 热质式流量计 SF 586 热质式流量计风速探头和变送器外形分别如图 4 7 和图 4 8 所 示 技术参数如表 4 8 所示 图图 4 74 7 风速探头 其中一种 风速探头 其中一种 图图 4 84 8 变送器变送器 表表 4 84 8 SF 586SF 586 热质式流量计技术参数热质式流量计技术参数 测量原理 热扩散原理 测量介质 空气 压缩气体 纯净的气体 尾气 风 测量范围 风速 0 6 60m s 风量 100Nm3 h 1 500 000Nm3 h 测量精度 5m s 或者 0 1m s 当 选择向导 也可直接单 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 64 页 击工具栏上的按钮 启动报警的系统向导 打开 选择向导 对话框中双击 系统向导 如图 6 26 所示 图图 6 266 26 选择向导选择向导 对话框对话框 打开 系统向导 对话框 单击 下一步 在 系统向导 选择消息块 对话框 选中 系统块 中的 日期 时间 编码 选中 用户文本块 中的 消息文本 错误位置 对于 过程值块 选