基于PLC的煤矿主通风机监控系统硬件设计

摘要本文首先分析了该课题的研究意义，矿井主通风机的主要作用是排除井下各种有害、有毒的气休和粉尘，输送新鲜的空气来保障矿井和工人的健康和安全，因此它安全、可靠的运行是煤矿正常生产工作的必要保证。然后我简要介绍了煤矿主通风机的国内外研究现状，其次对煤矿的通风系统进行了阐述以及讲解了各种参数的检测原理。在此基础上我对本系统进行了需求分析，确定了系统的点位，进而进行系统的硬件选型，主要包括传感器、PLC、输入输出模块等部件。本文针对通风机的工作环境和运行特点，设计了以S7-200PLC为主控设备的控制系统，硬件简单、安全，软件通俗易懂、便于学习、方便调试和维修。S7-200PLC控制系统减少了传统继电器机械接触点多、控制方法固定等缺点，极大的提高了系统的灵活性、可靠性。本文通过S7-200PLC和各种传感器的结合，对通风机的各种信号进行采集和处理。本设计旨在提高主通风机设备的自动化管理水平，有力地保证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：煤矿主通风机；S7-200PLC；监控系统ABSTRACTThemainroleofthemainminefanisexcludedundergroundharmful,toxicgasanddustoff,transportingfreshairtoprotecttheminesandworkershealthandsafety,soitissafe,reliableoperationofthecoalmineworknecessarytoensurenormalproduction.Sincethemainminefanisdirtypoolforlong-termcontinuousworkflow,sotheprobabilityoffailureislarge,butthetraditionallong-termmainfancontrolmodeatfullpowerrun,butalsobymanysubjectivefactors,suchaspoorreliability,energyconsumption,operationcomplexityandothershortcomings,thereforeneedtostudyasafe,reliable,energyefficient,lownoise,intelligentsurveillancesystems.Inthispaper,fanworkingenvironmentandoperationalcharacteristicstoS7-200PLCasmastercontrolsystem,thehardwareissimple,safe,software,easytounderstand,easytolearn,easycommissioningandmaintenance.Inthispaper,thecombinationofPLCandvarioussensorsonvariousfansignalacquisition,andsenttothePCfordisplay.Reducingthetraditionalmechanicalcontactrelaypoints,thecontrolmethodoffixedandothershortcomings,whichgreatlyimprovesthesystemsflexibilityandreliability.Anotherarticlealsodescribestheprogrammablelogiccontroller(PLC)inthemineventilationsystemapplication;explorestheventilatortoachieveautomaticcontrolsystem,systemcomponentsanddesign;involvinghardwareequipmentselectionandconfiguration;andbrieflydescribesthePLCandotherintelligentdevicesandpersonalcomputersnetworkedtoformamonitoringsystem.Thesystemimprovesthemainventilatormanagementlevelofautomationequipment,effectivelyguaranteedthemainventilatorequipmenteconomical,reliableoperation,managementandmaintenanceoftheequipmenttoprovideareliablescientificbasis.Keywords：Minemainfan;S7-200PLC;controlsystem目录1绪论.11.1课题背景.11.2国内外研究现状及发展趋势.11.2.1国内外研究现状.11.2.2发展趋势.21.3本论文主要内容及安排.21.4本章小结.32PLC概述.42.1PLC定义及分类.42.1.1PLC定义.42.1.2PLC分类.42.2基本结构及特点.52.2.1基本结构.52.2.2特点.62.3PLC的工作原理.62.4本章小结.73主通风机选型与风门设计.83.1设计的整体思路.83.2通风机选型及概述.83.2.1通风机选型.83.2.2通风机特点.93.2.3主通风机性能参数确定.93.3风门的设计方案.103.4本章小结.114主通风机安全检测.124.1安全检测思路.124.2温度检测.134.2.1温度传感器选型.134.2.2PT100传感器工作原理.144.2.3温度超限报警分析.144.3通风机风压风量监测.154.3.1风压风量传感器的选择.154.3.2AFC-1传感器工作原理.154.3.3风压与风量报警分析.174.4振动参数的检测.174.4.1振动传感器选型.174.4.2一体化振动变送器工作原理.184.4.3振动报警方案.184.5瓦斯浓度的检测.194.5.1瓦斯传感器选型.194.5.2甲烷传感器工作原理.204.5.3瓦斯报警方案.204.6风门位置检测.204.6.1位置传感器选型.204.6.2GFK40传感器工作原理.214.7风机起/停信号检测.224.7.1起停检测传感器选型.224.7.2KGT-L传感器工作原理.224.8电参数的检测.234.9本章小结.245PLC的I/O统计与模块选择.255.1数字/模拟输入点统计及模块选择.255.2数字/模拟量输出点统计及模块选择.275.3中间标志位统计.285.4本章小结.286主通风机监控系统的PLC软件设计.296.1PLC监控系统流程图.296.2A/D转换原理.306.3报警方案.306.3.1温度报警.306.3.2风压报警.316.3.3风量报警.316.3.4振动报警.326.3.5瓦斯报警.326.4风门控制.336.5本章小结.347结论.35参考文献.36翻译部分.37英文原文.37中文译文.46致谢.551绪论1.1课题背景我认为要着手本设计，首先要搞清楚研究这个设计题目的意义，即搞明白为什么要对矿井主通风机进行监控，经过前期对矿井主通风机以及煤矿通风系统相关书籍的借阅和学习，我对本设计题目有了一些浅显的理解。首先矿井通风为矿井各用风场所提供足够的新鲜风量，保证作业空间良好的气候条件，冲淡或稀释有毒有害气体和矿尘等。因此，矿井通风系统是矿井生产系统中的重要组成部分，为矿井安全生产提供了重要保障。经过我对资料的阅读和学习也发现，目前矿井通风机使用存在以下几点问题：1.长期低效运行，不能在高效区工作。2.浪费严重，出现“大马拉小车”的现象，通风机一般处于全开的状态。3.运行的效率很低而且制造的质量差。4.由于通风机的施工和设计不符合要求使得通风机运行效率很低。5.拖动电机的效率很低使得通风机效率很低。在阅读了学习了一些相关书籍后，我认为矿井主通风机控制系统的研究方向是采用先进的测量方法和传感器、高可靠性的PLC和计算机控制技术实现主通风机性能及状态的实时监测，并具有控制功能，切实提高主通风机设备的自动化管理水平，保障主通风机安全、可靠、经济地运行。矿井通风机作为煤矿生产中的主要设备，对其运行状况进行监控，可全方位了解和判断设备运行状况，如发现缺陷，及时采取适当的措施，以保证煤矿生产的安全。因此对其进行有效地自动监控是十分必要的。所以，本课题将针对这一问题开展煤矿主通风机监控系统的研究。1.2国内外研究现状及发展趋势1.2.1国内外研究现状国内一些企业和科研单位对矿用主通风机监控系统也进行了深入的研究，1994年，江西煤炭工业研究所研究了能够集中监测通风机运行相关参数的“KFC一型通风机监测仪”。1998年，煤炭总院重庆分院研究了核心是8051单片机，能够实现监测和故障报警的“FJZ型矿井主要通风机在线监测与故障诊断仪”，1999年，中国矿业大学研究了可以将采集、处理、显示融为一体的控制系统即“KJZ-型矿井主通风机在线监测与通讯系统”，2000年，又研究出了具有软硬件及采集振动、电流、瓦斯浓度、电压和轴温的特点。同时具有提供各个曲线及报表功能的“KJZ-2型矿井主通风机在线监测与通讯系统”。控制系统的发展，由原来的单一化控制向现在的融合有多种控制算法的控制系统发展。国内对通风机在线监控系统的研究起步于1996年，针对矿井通风监测环境恶劣的现象，在试验研究的基础上提出了风道局变环节差压风量监测的方法，解决了矿井主要通风机监测的关键技术难题风量的在线监测。当前，国内煤矿主要通风机在线监控系统设计合理、保护齐全。系统结构历经以工控机为核心的集中监控模式向以PLC为核心的分布式监控模式的转变。监控系统所配备的在线式UPS可以在正常供电的情况下，对电源整形、滤除有害成分，提供洁净、稳定的电源；在系统供电突然中断的情况下迅速投入，保证供电的可靠性。监测系统选配的多级防雷模块可以实现从信号级到电源级的保护，遏制高电压的引入，保证监控系统自身的工作安全。国内监控系统投放现场的实际应用表明，监控系统可靠性提高，自身的故障率逐渐降低。国外对通风机在线监控系统的研究起步较早，技术相对成熟，系统的可靠性高。典型代表为法国HDR280-69型动叶可调轴流通风机、德国矿用轴流通风机和丹麦HowdenVariax轴流式通风机所配套的在线监控系统。其中HDR280-69型动叶可调轴流通风机可以实现在不停机的情况下工况点的连续可调和当通风机停机时，备用通风机自动投入运行；ANN系列矿用轴流通风机电气控制设备全为ABB电气控制，通风机的启动、停止、反风操作控制、监测监控全部采用PLC及计算机自动控制，风量采用液压控制的动叶方式调节；而德国矿用轴流通风机配套的电控系统则采用了冗余控制技术，二台PLC作为下位机互相备用对通风机进行控制，上位机用于设定通风机的运行参数，监视通风机的运行状态和故障信息。1.2.2发展趋势1.发展全面的监测监控专家系统目前，我国已经有20余家生产监控系统的公司，其产品主要有监测安全参数、断电控制和实现报警功能，与煤矿生产过程实行监测监控差距还挺大。在软件应研究开发出能根据现场情况进行危险判别和分析的解决方案，同时系统向网络化发展，按统一的格式进行监测的监控系统。发展全面的监控系统是我国监测监控的发展任务之一1。2.研制高可靠性、品种齐全的矿用传感器我国当前使用的传感器度出现品种不全和精度差、可靠性不高的缺陷。特别是用于瓦斯检测的甲烷传感器，一直存在工作稳定性差、使用寿命短和调校频繁等缺点，严重影响矿井瓦斯浓度的监测和控制。发展配置齐全、高可靠性的矿用传感器是监测监控系统发展的关键技术之一。3.合理的规范通信协议现在厂家的监控系统都采用自己的通信协议，没有兼容性，很多系统出现的问题都是通讯协议不规范的后果造成的。所以指定统一通信标准迫在眉睫。4.实现全面化的网络管理现在许多煤矿都处于一矿一系统的境况，没有与外界联系，其功能也很简单。今后的发展趋势就是生产功能统一、完整、先进的计算机网络系统，实现真正意义上的煤矿资源共享。1.3本论文主要内容及安排本文通过研究煤矿主通风机监控系统，确定针对通风机监控系统需要监测的运行参数以及对应的检测方法。在课题进展过程中，论文的主要研究内容安排如下：1.实时监测风机风压风量、温度（轴承温度、定子温度）、瓦斯浓度、振动参数、电参数（电机电流、电压、功率、风机效率等）风机运行各种参数；检测风门位置、风机开停状态。2.自行设计风机风门位置、控制风机启停、风门开闭。3.对风压风量、轴承温度、定子温度、瓦斯浓度、振动参数这六个量进行超限报警。1.4本章小结在这一章我首先对课题背景按照我自己的理解进行了阐述，其次简单介绍了国内外对煤矿主通风机监控系统的研究与发展。最后，一一列出了导师给我的任务书中的要求，我将在以下章节完成这些内容。2PLC概述2.1PLC定义及分类2.1.1PLC定义1969年，第一台可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC）在美国诞生2，由美国数字设备（DEC）公司研制，并在通用汽车的自动装配线上试用成功，到了七十年代初，已广泛应用于食品、冶金等工业。当时的PLC主要用来代替继电器实现逻辑控制，但随着计算机技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置远超出了逻辑控制的范围成为了实际意义上的一种工业控制计算机。所以，美国电器制造商协会（NEMA）将其命名为可编程控制器（ProgrammableController,PC），但为了与个人计算机（PersonalComputer,PC）区分，工业上多称其为PLC。1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee,IEC）在PLC的标准草案中对其的标准定义为：PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算的电子装置3。其采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类机械及生产过程。PLC及有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。2.1.2PLC分类目前市场上PLC的种类繁多，可根据其结构形式、容量和功能来分类。1.按PLC的结构形式，可分为以下几种：(1)整体式：这种类型的PLC把CPU、I/O和电源等集中装在机壳内，常称为主机。通常小型PLC使用这种结构，虽然体积小、质量轻、结构紧凑，但I/O点数固定，使用不灵活。(2)模块式：该类型PLC把CPU、I/O、电源、底板、机架等部分以模块的形式分开，这些模块可以按照一定的规则进行组合配置。大型PLC常用这种结构，其特点是配置灵活、便于扩展、装配方便，但结构相对来说较复杂，价格也比较高。(3)叠装式：吸收了前两种结构的优点，不用基板，只用扁平电缆，拼装后组成一个整齐的长方体，输入、输出点数的配置灵活。2.根据功能的强弱，PLC可分为以下三种：(1)低档机：具有逻辑运算、定时、计数、移位等基本功能，还有少量的算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制和定时计数等单机控制系统。(2)中档机：除低档机的功能外，还具有较强的算术运算、模拟量输入/输出、数制转换、子程序、通信联网等功能。有的可增设PID控制、中断控制等功能，适用于较复杂的控制系统。(3)高档机：除了有中档机的功能外，还有矩阵运算、位逻辑运算、带符号算术运算、制表等功能，具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制、远程控制或构成分布式控制系统，实现工厂自动化。3.按容量分类PLC的容量是指输入/输出点数，按照点数的多少，可以分为小型、中型和大型PLC三种。小型PLC的I/O点数不超过256点；中型PLC在256到1024点之间；大型PLC的点数大于1024点。2.2基本结构及特点2.2.1基本结构不同类型的PLC虽然各有特点，但在组成和工作原理等方面基本相同，主要都是由CPU、I/O模块、存储器等组成。其组成示意图如图2-1所示。中央处理单元(CPU)编程器输入输出存储器系统程序用户程序数据图2-1PLC硬件系统结构图中央处理单元（CPU）是PLC的核心单元，主要有接收和存储用户程序与数据、诊断用户程序的语法错误并检查电源故障、将读取的数据和输入状态存入相应的存储区中、完成用户程序中的运算，并根据运算结果更新状态标志位和数据寄存器，实现输出控制等功能；存储器单元由系统程序存储器和用户程序存储器两个部分构成，其容量是衡量PLC性能的一个重要指标，其中系统程序存储器用于存放PLC出厂时被固化在PROM或EPROM中的系统程序，不能访问和修改，用户程序存储器又可分为程序存储区和数据存储区，主要用于存放用户自己编的程序和程序运算执行过程中产生的数据；电源模块将外部电源转换成PLC工作所需的直流电源；输入/输出模块是PLC与工业现场设备的接口，输入模块将现场开关、按钮等的电信号转换为CPU能接收的电平信号，若是模拟信号，则需要先经过A/D转换成数字信号，再传送给CPU处理；。而输出模块则是将用户程序的运算结果转换成现场的控制电平或模拟信号；扩展模块主要在PLC的I/O点数不够的情况下用来扩展输入或输出点数的；通信模块可与编程器、上位机、PLC、人机界面等连接，实现PLC与上述设备的信息与数据交换。2.2.2特点1.灵活、通用在继电器控制系统中，使用的控制装置是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电气控制图，由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成，其过程费时费力。如果因为工艺上少许变化，需要改变电气控制系统时，原先整个电气控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，耗费大量人力、物力、和时间。而PLC是通过在存储器中的程序实现控制功能，若控制功能需要改变，只需修改程序及少量接线即可。而且，同一台PLC还可用于不同控制对象，通过改变软件则可实现不同功能的控制要求。因此，PLC具有很大的灵活性和通用性，结构形式多样化，可以适用于各种不同规模、不同工业控制要求。2.可靠性高、抗干扰能力强可靠性是工业控制器件的重要指标。因此，PLC被要求在各种恶劣工作环境和条件（如电磁干扰、灰尘等）下可靠工作，将故障率降至最低。PLC具有很高的可靠性和抗干扰能力，不会出现继电器与接触器控制系统中接线老化、脱焊、触点电弧等现象，故被称为“专为适应恶劣工业环境而设计的计算机”。3.编程简单、使用方便PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。目前，PLC大多采用梯形图语言编程方式，它既继承了继电器控制线路的清晰、直观的特点，又考虑到电气技术人员的读图习惯和应用实际，电气技术人员易于编程，程序修改灵活方便。这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与汇编语言相比，虽然增加了解释程序和程序执行时间，但对大多数机电控制设备来说，PLC的控制速度还是足够快的。此外，PLC的I/O接口可直接与控制现场的用户设备连接，如继电器、接触器、电磁阀等，具有较强的驱动能力。4.接线简单PLC只需将输入设备（如按钮、开关等）与输入端子连接，将输出设备（如接触器、电磁阀等）与输出端子连接。接线极其简单、工作量极少。5.功能强PLC不仅具有条件控制、定时、计数、步进等控制功能，而且还能完成A/D，D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等。因此，PLC既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。可控制一台单机、一条生产线，也可控制一个机群、多条生产线。可用于现场控制，也可用于远距离控制。可控制简单系统，又可控制复杂系统。6.体积小、重量轻、易于实现机电一体化PLC具有体积小、重量轻、功耗低等特点4。由于PLC是专为工业控制而设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用，以及有很强的可靠性和抗干扰能力，易于嵌入机械设备内部。因此，PLC在机电一体化产品中被广泛应用。2.3PLC的工作原理PLC有两种运行模式：RUN（运行）和STOP（停止）模式。RUN模式下通过执行用户程序实现控制功能，STOP模式下，CPU不执行用户程序，可编辑或创建用户程序，设置硬件功能，并下载到PLC。当PLC完成初始化工作后，为了让PLC的输出能及时响应输入信号的变化，需要反复执行用户程序，此外PLC还要完成通信处理等工作，这样的循环工作方式叫做扫描，具体的扫描过程如图2-2所示。内部处理通信服务输入处理程序执行输出处理内部处理通信服务RUNSTOP图2-2PLC扫描过程图从上图可以看出，PLC的扫描工作可分为自诊断检查、处理通信请求、读取输入、执行用户程序和输出处理5个阶段。为确保设备的可靠性，PLC有自监视功能，主要由时间监视器完成，其在每一个扫描周期前都会被复位。每次在扫描用户程序前，PLC都会先执行故障自诊断程序，包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，若发现异常，则停机并报错，若正常，则继续向下扫描。在处理通信请求这一阶段，PLC将接收到的通信请求进行相应的处理。在读取输入的过程中，PLC将所有输入端子的状态存入输入状态映像寄存器，这一过程称为输入采样，接着进入执行用户程序阶段，在这一阶段如果没有跳转指令，PLC将按顺序执行用户程序，此时输入端口已经关闭，即使输入状态有所变化，输入状态映像寄存器的内容也不会发生改变，只能在下一个扫描周期时被读入。在输出处理阶段，用户程序执行完后产生的结果在输出刷新阶段从输出状态映像寄存器中转存到输出锁存器中，再经过输出电路驱动负载。2.4本章小结由于我设计的这个煤矿主通风机监控系统是基于PLC理论的，所以在这一章我对PLC的定义、分类、基本结构和工作原理做了较为详尽的表述。只有知道了如何运用PLC技术，才能做好对整个主通风机主要参数的数据采集和处理工作。3主通风机选型与风门设计3.1设计的整体思路我认为要着手基于PLC的煤矿主通风机监控系统硬件设计的论文撰写，首先要弄明白这一题目的研究意义在什么地方，即搞清楚为什么要对煤矿主通风机进行监控，针对这一点我在第一章阐述了我的课题背景和国内外主通风机监控系统的发展现状。其次，我认为要着手设计就要想清楚我的技术核心是什么，即确定我将要采用何种技术手段去监控主通风机，所以我在第二章对我将采用的PLC技术做以简单介绍并对它的工作原理予以阐述。然后，我将开始我的设计主体，即采用什么硬件、哪些原理对哪些重要参数进行检控，针对这一部分，我分别用四章篇幅对温度，风压风量，振动参数，瓦斯浓度，风机启停，风门位置检测，风机工作电压电流等电参数七大块用不同的检测原理进行数据采集，并把数据传给PLC，让PLC对它们加以存储和分析，并在高于或低于限定值时进行光报警，以上这些就是我这份论文的重要工作。3.2通风机选型及概述3.2.1通风机选型本系统针对某低瓦斯矿井而设计，其矿井需风量8800m3/min。采用的是山西龙达节能防爆风机有限公司生产的FBCDZ（原BDK）系列矿用防爆轴流式主通风机两台。其技术参数如表3-1：表3-1通风机技术参数表风机基本性能参数型号电压（V）转速（r/min）静压（Pa）功率（Kw）风量（m3/min）FBCDZ-8-No.25B660V7504490400217800其结构示意图如图3-1所示。1234567图3-1轴流式通风机结构示意图1.集流器2.一级主机3.一级叶轮4.二级叶轮5.二级主机6.扩散器7.扩散塔它是一种典型的轴流式通风机，主要由叶轮、机壳、电动机等零部件组成。工作原理是：当叶轮旋转时气体从进风口轴向进入叶轮，受到叶轮上叶片的推挤而使气体的能量升高，然后流入导叶。导叶将偏转气流变为轴向流动，同时将气体导入扩压管，进一步将气体动能转换为压力能，最后引入工作管路。3.2.2通风机特点FBCDZ（原BDK）主通风机主要性能特点：1.具有静压效率高、振动小、噪声低等特点。2.风机可以直接反转反风。其反风量达正风量的78%以上，不需要反风道基础。风机可在五分钟内实现反风。满足煤矿安全规程规定的十分钟内必须反风。3.风机既可以两台电机一起开启，也可以每台电机分别单独运转使用。4.风机叶轮回转部分的筒体上，增加了防火花的铜环装置，以防止引发事故。5.可根据生产用风量的大小任意调节叶片的安装角。6.采取风机+电机一体化设计开发，并在主风筒中开设了多个散热孔，确保设备的长期运行。3.2.3主通风机性能参数确定1.风机工作风量在风机风口断面上测出动压换算成平均风速，或直接测出平均风速，然后乘以进风口的断面积，得出风机的工作风量。（3-AVQ1）式中，Q风量；A进风口断面积；V通风机风速。2.风机工作风压风机的风压是用其入口风流的压力参数来反映的。分为风机全压、风机静压和风机动压。风机全压是风机对空气所做的功，用于克服管网阻力和动能消耗。风机静压是风机全压中用于克服管网阻力的部分。风机动压是风机全压中的出口动能损失部分。（3-dlldPP22）式中，P2出口静压；Pd2出口动压；P1进口静压；Pd1进口动压。3.风机的轴功率（3-cdN3）式中，N风机轴功率；电机有功功率；电机效率；传动效ddc率。4.风机效率风流在风机机体内流动时会产生冲击、摩擦等各种能量损失。风机的输出功率必小于输入功率，二者的比值反映了风机的实际工作状况。分为静压效率和全压效率。（3-4）NPQ（3-5）Jj式中，风机全压效率；风机静压效率。3.3风门的设计方案风门装置图如图3-3所示。主风井地面风门地面风门立风门立风门2号电机1号电机4号电机3号电机1号风机2号风机图3-3风门装置位置图我给两台通风机均设计了一个地风门和一个立风门，立风门为通风而设计，在通风机启动时要打开，停机时关闭。地风门为倒换风机检修电机而设计，在风机启动时关闭，在停机时打开。3.4本章小结在这一章，我首先表述了我对于这份设计整体思路，然后根据我的设计思路，对我将监控的通风机型号、工作原理及特点、主要性能参数做了资料收集和汇总归纳，并结合其特点设计了相应的风门，并说明了如此设计的理由，结合我所画的风门位置示意图能更清晰明了得看出整个风机风道中电机与风门位置的布局。4主通风机安全检测4.1安全检测思路我的检测流程是首先把主通风机重要参数的检测分成七部分，它们分别是：1.温度的检测，包涵两台风机共四台电机的轴温和定子绕组温度检测；2.风压风量检测，这部分我首先对公式进行变换，把风机总静压视为零，可得出风压、风量均与风速直接相关的比例关系式，从而把风压风量的检测转换成对风速的检测；3.振动的检测，包涵两台风机共四台电机轴承底座垂直和水平两个方向振动幅值的检测；4.风机开停的检测，包涵对两台风机的开停状态的检测；5.电参数的检测，利用模块检测一并得到包涵电动机的三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数等在内的各项电参数；6.瓦斯浓度的检测7.风门位置的检测，包涵对两个立风门、两个地风门的开闭状态的检测。检测方案如图4-1所示。PLCAD转换温度检测通风机风压风量检测电参数检测风门位置检测振动检测瓦斯浓度检测风机起停检测风机启停控制风门开关控制数字显示越限报警图4-1检测方案框图4.2温度检测温度检测包括：1#电机轴温的检测、2#电机轴温的检测、3#电机轴温的检测、4#电机轴温的检测、1#电机定子绕组的温度检测、2#电机定子绕组的温度检测、3#电机定子绕组的温度检测、4#电机定子绕组的温度检测。它们是评价风机是否正常工作的重要性能参数，其检测原理完全一样。其检测示意图如图4-2所示。温度变送器EM231S7-200PLC电机定子温度数显电机轴承温度数显复位报警灯com图4-2温度检测示意图4.2.1温度传感器选型我选用Pt100铂电阻传感器。铂电阻传感器是中低温区常用的一种温度检测器，其主要特点：测量精度高、性能稳定。PT100是精度、稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器，可以工作在-200至850的范围。大部分电阻式温度检测器是以金属作成的，其中以铂（Pt）作成的电阻式温度检测器最为稳定，它耐酸碱、不会变质、相当线性，最受用户欢迎。PT100温度感测器属于正电阻系数传感器，其电阻和温度变化的关系式如下：（4-1）=(1+)式中，=0.003851；Ro100（铂在0的电阻值）；T摄氏温度。Pt100传感器主要技术参数如表4-1：表4-1Pt100传感器主要技术参数防爆型式矿用本质安全型“ExibI”测量范围-200850精度0.25%FS工作电压+24VDC输出信号420mA4.2.2PT100传感器工作原理PT100引出的三根导线截面积和长度均相同（即r1=r2=r3），测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻（Rpt100）作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根（r1）接到电桥的电源端，其余两根（r2、r3）分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，电桥处于平衡状态，从而消除了导线电阻对传感器精度的影响。原理如图4-3所示。UR1R2RxRpt100r1r2r3E图4-3PT100内部接线原理图4.2.3温度超限报警分析本设计对风机的电机轴承和定子两个部位进行检测，每个部位报警限制如表4-2所示：表4-2温度报警分度表0110正常温度电机轴承温度110报警温度电机定子温度080正常温度80报警温度报警功能实现可以在软件设计中根据每个传感器的检测信号，通过编程使PLC处理不同温度范围，超过设定值即进行光报警。4.3通风机风压风量监测通风机的风量风压是规范井下主通风机的管理以及主通风机所在巷道通风量配置的重要依据。因此,在通风机上安装风量风压测量装置具有重要的现实意义。4.3.1风压风量传感器的选择本设计选择AFC-1型风压风量传感器，具有结构简单，使用方便，检出量不受环境温度、粉尘影响，测量精度高以及维护方便等优点。其检测原理示意图如图4-4所示。发射换能器接收换能器振荡器风流调幅接收器脉冲正形输出电路U发生杆风机EM231S7-200PLC风机风压数字显示风机风量数字显示报警电路图4-4风压风量检测原理示意图4.3.2AFC-1传感器工作原理这个传感器是基于卡门涡街原理和超声波检测原理两部分来实现对风量风压检测的。卡门涡街原理是指在无限流场中，垂直于流向插入一根非流线型分布阻力体（漩涡发生器）。在一定的雷诺数范围内，当流体通过漩涡发生体时，在其下游会产生两排内旋的、相交替的漩涡列。其原理示意图如图4-5所示。漩涡发生体流动方向漩涡图4-5涡街原理示意图在漩涡发生杆（即阻力体）的后面一侧安装有超声波发射换能器，发射出连续等幅的超声波束；另一侧安装有一个相同的接收换能器如图4-4。当有风时，在发生杆后面形成漩涡，导致通过漩涡部分的超声波束被周期性改变，形成调幅波。因此，调幅波频率即为漩涡频率，从而根据公式得到风速大小。即：=1/（41）式中，f漩涡频率，Hz；v气流速度，m/s；d漩涡发生体直径，mm；S1斯特拉哈尔系数。得到风速后再根据以下公式分别得出风量风压。=（31）式中，Q风量，A进风口断面积，V通风机的风速。此式为标准风压公式：=0.5/（42）在标准状态下，气压为101.3kPa，温度为15C；空气重度r=0.01225（kN/m）；纬度为45处的重力加速度g=9.8（m/s），我们带入常数可以得到：=/1600（43）主要技术参数如表4-3：表4-3AFC-1传感器主要技术参数工作电压+24VDC测量的风压范围0-3000Pa测量的风量范围0-999999m3/h输出信号420mA4.3.3风压与风量报警分析由上面的公式可以看出风压与风量均与风速有关，消除风速v后可知风压与风量存在着这样的比例关系：（4-4）2160pQWA而对于任一选定的矿井来说进风口截面积是一固定不变的常量，故可以得到这样的比例关系：(为常数)（4-5）2pK所以若均对风压风量做低限报警或超限报警就失去了衡量通风机是否正常供风的意义，故而我在本设计中利用风量与风压间的制约关系对风压做超限报警，对风量做低限报警，结合本矿最低所需风量值8800m3/min（=528000m3/h），报警方案如表4-4：表4-4风压风量报警方案风量低限报警（低于限定值时报警）528000m3/h风压超限报警（高于限定值时报警）2500Pa4.4振动参数的检测4.4.1振动传感器选型本设计采用TMS-HZD一体化振动变送器，TMS-HZD一体化振动变送器是将传统的振动传感器、精密测量电路集成在一起，实现了高精度振动测量系统，该产品可与PLC直接连接使用。工作时只需要供给DC24V的电源，具有安装、维护容易等特点。本设计的振动参数检测分水平振动和垂直振动两个方向，安装在风机轴承底座出，分别拾取水平和垂直两个方向上的振动数据。变送器实体如图4-6所示。图4-6TMS-HZD一体化振动变送器其主要技术指标如表4-5：表4-5一体化振动变送器主要技术指标防爆型式矿用本质安全型“ExibI”测量范围020.0mm/s最大可测位移1mm/s频率范围101000Hz工作电压+24VDC输出信号420mA4.4.2一体化振动变送器工作原理一体化振动变送器内含电涡流传感器，它是利用高频电磁场与被测导体的涡流效应原理而制成的。传感器探头通过支架固定在所要检测的电机底座上，传感器的位置尽可能靠近轴承座附近。当轴承振动时，将周期性地改变轴和传感器探头间的距离，从而使传感器输出电压相应地发生变化，此电压经过前置器放大和检波处理后，在前置器输出端输出与检测距离的变化成正比的电压信号，经变送器把信号转变成420mA的标准电流信号，然后把信号传输给PLC。4.4.3振动报警方案我在本设计中把风机的电机轴承底座振动报警值设为10mm/s，意思是在一体化变送器测得电机的振动参数超过10mm/s时视为电机的非正常运行，即要开始报警。报警方案如表4-6：表4-6振动报警方案振动一体化变送器检测量程超限报警0-20mm/s10mm/s4.5瓦斯浓度的检测矿井瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。有时单独指甲烷（沼气）。它是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体5。在成煤的过程中生成的瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。另外，在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。矿井瓦斯的危害主要有三个方面：1.当空气中瓦斯浓度很高时，空气中的氧含量会相对降低，导致人员窒息。2.当空气中的瓦斯含量达到一定值时遇火就会燃烧或爆炸，瓦斯爆炸时能产生1850以上的高温和高压的强大冲击波，从而造成人员伤亡和设备、设施的损坏，如果爆炸源附近的沉积煤尘被扬起，还将导致煤尘爆炸。3.瓦斯爆炸将产生大量的有毒有害气体，氧气含量减少，一氧化碳、二氧化碳等有害气体显著增加，会造成大量人员中毒伤亡。由此可以看出，井下瓦斯的监控对于煤矿生产安全起着至关重要的作用，所以我们要对瓦斯浓度予以密切关注，并设置报警机制及时排除隐患。4.5.1瓦斯传感器选型由于本设计所选矿型为低瓦斯矿井，所以我选用GJ4型矿用本质安全型低浓度甲烷传感器来检测风机出风口瓦斯浓度。图4-7矿用低浓度瓦斯传感器其主要技术参数如表4-7：表4-7瓦斯传感器技术参数：选用仪器矿用低浓度甲烷传感器电源DC24V测量范围瓦斯浓度0%-4%输出420mA的标准信号4.5.2甲烷传感器工作原理GJ4矿用低浓度甲烷传感器采用催化和热导原理测量甲烷浓度。由热催化元件、热导元件分别和金属膜电阻及可调电位器组成惠斯登电桥，当环境中甲烷混和气体以扩散方式进入气腔后，与敏感元件反应，引起敏感元件内阻发生变化，由于桥路电压恒定，必然导致惠斯登电桥的元件臂一侧中心点电压发生变化，输出电讯号，该电讯号就反映了此时环境混和气体中甲烷的浓度。当检测沼气浓度小于3.7%CH4时，催化元件工作；当沼气浓度大于3.7%CH4时；热导元件工作；该电讯号经A/D转换器转换变成数字信号后送到PLC中的CPU进行数据运算、处理、显示。并根据报警值和断电值的设置进行相应的处理。4.5.3瓦斯报警方案我对主通风机瓦斯的浓