煤矿通风机监控系统的总体设计

1、煤矿通风机监控系统的总体设计张艳丽摘要：本文以煤矿的实际生产情况为基础，针对煤矿通风机监控系统现存的问题，首先通过对通风机结构和故障形式的分析，确定了监控系统的待测参数以及参数的测量方法，其次介绍了传感器的选型及布局优化、可编程控制器的工作原理及选型，最后设计了以组态王6.55软件为平台的通风机监控系统，实现了对矿井通风机风速、风量、风压、振动等运行参数的实时监测和异常数据的记录、报警等功能，并以SQL Server 2008数据库软件为后台数据库，对数据的存储技术、备份以及还原方法进行了研究。关键词：通风机； 组态王； SQL Server 2008数据库；监控系统AbstractThis

2、paper is based on the actual situation of the coal mine production and aims at the existing problems. First of all, through the analysis of the fan structure and fault form, this paper determines the measuring parameters and measurement methods of the monitoring and control system. Secondly, th

3、is paper introduces the sensor selection, layout optimization and working principle of the programmable controller. Finally, the monitoring and control system for coal mine ventilator has been designed by kingview 6.55, which realized real time monitoring on operation parameters such as ventilator v

4、ibration, motor temperature and so on. Besides, it also realized abnormal data recording and alarming and other functions. The stored fault data can be studied in the background database that is SQL Server 2008 database software. 1 矿井通风机的概述1.1 通风机的分类风机是一种能将机械能传递给气体，以达到压送或者抽吸气体目的的机械。通风机是风机的一种，根据通风机在应

5、用范围、工作原理、功能范围等方面的差异，可将通风机分为如下几种： (1)根据其应用范围和功能范围的不同来分，分为主要通风机、辅助通风机、局部通风机三种。 (2)根据其工作原理不同来分，有离心式通风机、轴流式通风机。两者分别应用在不同场合下，离心式通风机多用在需要风量较小，系统外界阻力比较大的情况下；而在需要风量较大、系统阻力比较小的情况下，多采用轴流式通风机。(3)根据压力大小来分，分为低、中、高压通风机三种。低压通风机一般用于送、排风系统或空调系统；中压通风机多用在除尘系统以及大阻力、长管路的通风系统中；高压通风机多用在锻造炉和加热炉的鼓风、物料的气力输送系统或阻力比较大的除尘系统中。 1.

6、2 通风机的原理及应用特点(1)离心式通风机的原理及特点离心式通风机主要由叶轮、蜗壳体、主轴和扩散器等部件构成。轴向空气顺着流道进入叶轮的叶片之间，在叶片的旋转离心力的作用下，空气从叶根部流经叶端部，直至扩散到整个机壳，然后通过扩散器，沿径向排出Error! Reference source not found.。离心式通风机的空气流动方向是：轴向流入通风机内，径向流出通风机。它的主要特点是风的压力高，噪声低，成本低，易于维修，但是体积比较大。(2)轴流式通风机轴流式通风机主要由进风口、叶轮、整流罩、集流器等部件组成。外界空气顺着轴向流入通风机的叶轮，经过风机叶片，获得向前的动力，通过扩散器排

7、出Error! Reference source not found.。（轴向进入，轴向流出），轴流式通风机主要特点是结构紧凑，便于调节风量、风压。但构造复杂，较难维护。(3)对旋式通风机对旋式通风机是一种特殊的轴流式通风机，与一般的轴流式通风机比起来，它的工作效率高，功能性强，风压、风量较大，噪音低，易于安装、维修。通风机运行时，一级、二级工作轮的驱动力来自于两台电动机，这两台电动机的容量和转速相等，旋转方向相反，空气经集流器流入一级工作轮，获得能量，再通过第二个工作轮加压流出。经一级工作轮流出的空气存在一个旋转速度，通过反向旋转的二级工作轮消除掉，最后沿轴向流出。图1-1 BDK65系列对

8、旋式主要通风机装置图Fig.1-1Counter rotating main ventilator of BDK65 series1-集风器 2-导流体 3-进风筒 4-隔爆电机 5-轮毂 6-稳流环 7-保护环 8-通风机叶片 9-密封罩 10-排风筒 11-通气道 12-内扩散器 13-外扩散器14-轨道2通风机监控系统的理论基础2.1 矿井通风机主要运行参数的确定能够反映通风机工作性能的基本参数有4个，即通风机的流量q、压力p、功率P、效率和转速n 。(1)通风机流量流量q表示单位时间流过通风机入口的体积，它的单位用m³/s、m³/min、m³/h

9、来表示。(2)通风机压力通风机的压力分为静压ps、动压pd、全压pt三种。来自于气体对物体表面的作用力称为静压，并且这个作用力的方向与气流方向相平行，一般是通过垂直于物体表面的孔测量出来的。动压的计算公式如式（1-1）所示： （1-1）式中, pd动压（Pa）； 气体的密度（kg/m³）； 气体的速度（m/s）。 全压就是通风机所给出的全压增量，也就是风机进、出口全压之差。 全压等于动压和静压的代数和，即： （1-2）(3)通风机的功率P通风机的功率分为两种，分别为有效功率和轴功率。通风机在单位时间内提供给它所输送气体的有效能量，称为通风机的有效功率。有效功率还分为全压有效功率Pe(

10、kw)和静压有效功率Pes(kw)，它们的计算公式如（1-3）、（1-4）所示： （1-3） （1-4）式中,Pe全压有效功率；Pes静压有效功率；pt风机全压；ps风机静压； q风机流量。(4)通风机的效率通风机的效率分为全压效率、静压效率。全压效率是风机全压有效功率与轴功率的比值，静压效率是风机静压有效功率与轴功率的比值。公式如（1-5）、（1-6）所示： （1-5） （1-6）式中,t全压效率；s静压效率；P轴功率。机械效率体现着通风机轴承以及传动过程损失的程度，它也是设计机械传动系统的一个重要指标。此外，通风机的内部阻力越小，效率越高。效率的高低还反映着通风机性能的好坏，效率越高，性能

11、越好。 (5)通风机转速n通风机的转速是指通风机叶片一分钟内转过的转数，习惯上常用n表示，单位是r/min。2.2 矿井通风机主要性能参数的测定(1)通风机风速、风量的测量目前，常用于测量风速和风量方法是传感器法和静压差法。选择风速传感器对风速进行测量时，测风点尽量选择在风流平稳、靠近通风机进、出风口的地方，以便减小因风量漏损、外界阻力造成的通风机性能参数测量的误差。进风口若无适合的测点可选取，也可以选取在通风机扩散器出口处。将风速传感器的感受元件固定在风硐上的某一点，测得这一点的风速。由于风速传感器的价格昂贵，并且测量现场湿度较大，传感器易受潮，影响测量，所以本文选择静压差法。静压差法就是通

12、过测量通风机入口处集流器两侧截面的静压差，再由静压差和风量之间的关系，测得风量的大小。依据流体力学中的原理，任何流体在经过变径管道时，受流速变化和阻力的影响，流体的能量就会发生转变，例如噪声就是能量转化的一种形，并且能量转化与流体的流量以及变径管的大小尺寸有关。当流体从大的截面流向小的截面，静压能由小变大，动压能由大变小。可以把通风机内的流动的气体当成不可压缩的黏性流体，它就满足不可压缩黏性流体总流伯努利方程。以此原理为基础，将差压传感器的输入端连接至通风机整流环外壳两端的静压管口，测得通风机的风速及风量，如图2-4 所示。 图1-2通风机静压差法测风示意图Fig.1-2Measure air

13、 flow with static pressure difference method由于两个选取截面间的距离较小，阻力损失也就减少，依据流体力学中原理，写出两个断面S1和 S2断面上的伯努利方程： （1-7）式中，P1、P2截面S1、 S2处的静压；1、2截面S1、 S2处的密度；h1、h2截面S1、 S2处的标高；1、2截面S1、 S2处的速度；hr截面S2处的局部阻力损失。因为两截面距离比较近，而且又在同样的标高水平上，则有：，令，并且，代入公式（1-7） 中得， （1-8）式中，hi两个截面静压差，Pa；Q通风机风量，m³/s；S1、S2两截面面积，m2；空气密度，Kg/m

14、3；阻力损失系数，取0.98。(2)通风机全压的测量 通风机全压的测量选择毕托管与压力传感器相结合的方式，首先要在通风机入风口处确定合理的测压截面，然后在此截面上固定支架，测量全压的点数取决于所选定的测压截面的大小，一般情况下取9到16个点，全压测孔正面迎风，还要保证测孔中心线与风流方向平行，如图1-3 所示。通过软管将皮托管标有“+”的一端与压力传感器输入端相连接，测量通风机入口处各测点的全压，然后求取平均值。图1-3全压测点分布Fig1-3 Total pressure measuring point distribution(3)通风机静压的测量通风机的静压测量时，测压截面可以选在通风机

15、进、出风口处，不同的测压截面有不能的测孔分布方式。若测压截面为圆形，风硐壁一般比较薄，四个静压测孔应均匀分布在截面圆周上；若测压截面为矩形，测压孔选在矩形截面每个壁的中心位置上，如图1-4 所示，将每个静压孔的一端与静压管相连，再将静压管的另一端全部连接在一起，再连接到静压传感器的输入端。图1-4 静压测点分布Fig1-4Static pressure measuring point distribution(4)功率的测量通过公式（1-9），可以求得通风机的轴功率： （1-9）式中，Pa风机轴功率；tr机械传动效率；m电动机效率；Pe电动机输入功率。电动机的两种功率由功率变送器直接测得，但是

16、高压电路一般不能直接接入功率变送器，所以可以把高压电路先接入电压、电流互感器后再接入功率变送器，这样就弥补了功率变送器对高电压、高电流的限制。电动机的功率因数可由公式（2-10）求得： （1-10）式中，cos功率因数；P有功功率；Q无功功率；S视在功率。(5)温度的测量轴承温度异常可能预示着通风机的运行存在安全隐患，所以对风机和电机的轴承温度的实时监测显得十分必要。引起轴承温度过高的原因很多，例如润滑效果不佳、轴承装配问题、密封毛毡太紧、轴承本身存在质量问题或者是轴承冷却水供应不足、不及时等。轴承在过高温度下运转，容易导致轴承跑内外圈、轴承损坏，这样就会引起通风机异常振动，或者出现通风机抱轴

17、的现象。此外，由于电动机定、转子绕组表面的绝缘材料存在一定的极限值，所以有必要对电机三相绕组的温度进行实时监测。(6)风机振动的测量振动故障是煤矿通风机常见故障之一，引发机械振动故障的原因有多种，其中包括间隙、旋转部件失衡、支撑不稳定等。转子是通风机旋转的核心部分，很多机械故障都与它有关系，转子不对中、转子失衡、摩擦等都可能引发通风机的振动故障，这种振动信号一般会传递到轴承座上。结合现场测量条件，通风机监控系统中风机振动的测量主要通过测量风机机体的振动来实现，测量分为水平和垂直振动测量，分别通过两个位移传感器测得，如图 1-5所示。图1-5 通风机振动信号的测量Fig1-5The ventil

18、ator vibration signal measurement3 通风机的常见故障分析3.1 转子不平衡故障在工业生产中，转子不平衡是引起旋转机械振动的主要原因之一，而导致转子不平衡的因素较多，比较常见的有如下几种：生产过程中的误差引起的转子本身材质不均匀；在转子工作过程中产生变形和磨损；在转子安装过程中存在误差，由于轴颈不同导致偏心。这些原因都造成了转子与其旋转中心失衡，从而引发通风机的振动故障Error! Reference source not found.。3.2 转子不对中故障转子不对中会在设备的运行过程中产生不良影响，例如轴承的剧烈磨损、联轴器的偏转、油膜不平衡等，这些都会造成

19、通风机的振动故障。造成风机转子不对中的原因很多，包括：在转子安装过程中，各种原因引发的轴系不对中；设备安装后不久，设备的基础部分出现的下沉现象引发的转子不对中；在安装过程中，转子与轴承不对中；设备运转时间较长或者长时间处于高温作业环境之中，设备的各部件就因膨胀系数不同产生不同程度的膨胀，从而引发转子的不对中Error! Reference source not found.。转子不对中的类型大体上可分为两种：平行不对中和角度不对中，如图 1-6 所示。图1-6 转子不对中常见情况Fig.1-6 These common cases in the rotor3.3 转子弯曲故

20、障转子的弯曲类型有弓形弯曲和临时弯曲两种，出现转子弓形弯曲的原因包括：转轴的设计不符合要求；转子存在较大的生产误差和制造误差；转子在长时间不用时，放置不合理；转子长时间运转时，出现自然的弯曲变形。转子临时性弯曲产生的原因可能是启动时暖机时间不足、转子的预加载荷过大、加速太快、转轴的热变形不均匀等Error! Reference source not found.。3.4 油膜涡动、振荡故障滑动轴承在一定负载下工作，低速运转时，轴颈能够在受到外界干扰后恢复平衡，但是当转速达到一定的水平，轴颈就不能从干扰中恢复平衡，而是产生涡动或者振动故障，从而导致轴承不能够平稳运行Error! Referenc

21、e source not found.。由于油膜涡动所引起的振幅不大，但是会产生动力载荷，易使零部件松动、失效。油膜震荡引起的振幅突然增大，会产生较大振动，极易导致轴承和转子的损坏，从而导致通风机不能正常运行。4 矿井通风机监控系统的总体设计方案通过不同类型的传感器对通风机的各个参数进行数据采集，然后将这些数据信号传至PLC测控系统，再经过可编程控制器的数字量/模拟量转换模块，最后将这些输出信号写入组态王软件，以组态王软件为平台建立通风机的监控界面，实时监测通风机的运行状态Error! Reference source not found.。此外，该系统还具备自动报警，历史数据查询、报表生成、

22、局域网内资源共享等功能，系统的总体设计图如图1-7 所示。图1-7 通风机监控系统总体设计图Fig.1-7The overall design of ventilator monitoring system软件系统的主要功能模块如下Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.： 用户登录模块：进入系统之前，要经过登录密码验证，不同的用户有不同的权限，不同的用户设置不同的安全区，这是系统安全的重要保障。故障报警模块：运行参数出现异常时，自动产生报警，记录报警的时间以及类型等。报表模块：报表是记录并分析生产数据的一种重要形式，本系统设计的是一分钟报表，一秒钟记录一条数据，自动更新。画面监测模块：以动画的形式模拟现场通风机的工作状态，此画面能够实现网络共享，在局域网内的任何一台计算机上能观看到监测界面。数据库管理模块：将历史数据存入数据库，在数据库中定时备份，防止数据丢失。一旦丢失，还可以进行备份还原，找回丢失的数据。趋势曲线模块：将数据信号以曲线