主通风机自动监控系统的硬件设计

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；实时监控1绪论1.1研究背景及意义生产及生产辅助系统与井外环境，从而排出粉尘和污浊气体流通出地面创造较好的呼吸条件使之保持较好的工作状态并确保工人的生产安全。矿井主扇风机是实现井下通风换气的重要的设备，具有“矿井肺腑”之称，主通风机工作电压高电流大，出现故障的概率也相应加大。一旦风机发生故障，地面空气进入井下后，因发生物理和化学两种变化，使其混入了有毒性、窒息性和爆炸性的气体和粉尘，瞬间就会对整个矿井下的生产和生命安全造成重大伤害。其次，通风机的运行工况点多数偏离设计点，这就导致了运行效率低。随着煤矿生产效率的提高及生产规模的扩大，井下通风系统必须提出对通风设备的更优秀的监控要求。在自动化领域，许多企业从工厂现场设备层建立了包括控制层、管理层等各层的综合自动化网络控制平台，有必要构筑以工业控制网络技术为基础的信息集成化企业管理系统。这就需要改变传统的方式来进行设备的管理，提升主风扇设备的自动管理能力，主要就是必须保证主风扇设备的经济性、运行的可靠性，为设备的管理和维护提供有依据的科学理论。本文基于S7-200系列可编程序控制器（PLC）设计了一种安全可靠、操作便捷的矿井下主扇监控系统。1.2国内外研究现状主扇风机在国外已进行很长一段时间的研究了。1990年代，普通风扇安装了在线监测、保护、检测、集装箱系统。这是一种功能，它不仅能够自动调整气流，而且还可以执行故障排除操作、预测有用的使用寿命、预测时间维修限制，正确检测风扇.保证了矿井通风系统的安全性。煤矿使用的主要风扇美国是以树为基础的，近年来人们开始使用高压液压风扇来改变叶片角度和节能。德国人以TLT公司为代表，并设有液压调节的通风系统。效率可以保持在83%，不超过88%。尽管监控系统从中国的煤矿风机长期以来，总体发展仍相对落后。许多矿扇破损运行，对矿下工人的安全构成严重威胁。据统计，中国的煤矿有1000多台主风扇。平均效率国家的平均效率不到50%，“平均效率”约为48%，“平均效率”超过60%的仅为全部的2%。某些企业和单位对矿用主扇风机监控系统进行了深入的研究。逐渐研制出了一系列比如：“KFC型通风机监测仪”能对主扇风机的运行相关参数进行集中监测；以8051单片机为核心的“FJZ型矿井主要通风机在线监测与故障诊断仪”能够实现现场监测和故障报警；“KJZ型矿井主通风机在线监测与通讯系统”可以将采集、处理和显示融为一体进行控制；“KJZ-2型矿井主通风机在线监测与通讯系统”具有软件和硬件特性能收集振动、电流、气体浓度、电压和温度，还有在线监测和报告，提供各种报告和报告功能。在过去几年中，有几家大中型企业已开始安装用于长期风扇检测的诊断设备。2005年，南京ElectricCo.Ltd.为银川力城矿山设计了一个现代化和全面的通讯。计算机和控制和自动控制技术的全范围分布式计算机监控系统，具有“查看”功能、印刷、报警、状态识别、趋势分析、现场动态平衡等对实际应用有积极影响。但与国外的技术还是有一段差距。目前，一些主要煤矿在线监控系统设计合理，保护效果好。国家应用程序监测系统实际适用范围表明，监测系统的可靠性提高了，故障率逐渐降低。1.3PLC的基本概念生产设施和自动化生产的控制系统必须具有很高的可靠性和灵活性，市场的需要对其进行快速的响应。生产批量小、多品种、多规格、低成本、高质量的产品，为满足这些要求，可编程逻辑控制器的设计正是在这种情况下所出现的，国际电工委员会(EMC)的定义是：可编程逻辑控制是一个数字控制系统设施。是用来取代顺序继电器电路的一种电机控制器件，这是专门为工业环境中的应用设计的。它使用的是一种可设计编程的存储器，用其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作之类的面向用户的指令，以及通过数字或模拟入口控制不同类型的机械或生产过程。图1.1PLC的一般构成Figure1.1GeneralcompositionofPLC1.3.1PLC的组成部分1.3.2PLC控制器的选型S7-200型中央处理器是将一个微型处理器、一个总电源和数字量输入输出点集成紧密的一体，封装成了一个功能全面的微型可编程控制器，如图1.2所示。本设计选用西门子S7-200系列中CPU226作为主控制器。该机集成24输入/16输出，I/O共计40点，它的数据存储容量为10KB，具有两个通信口，因此通信能力大大增强。图1.2S7-200系列PLC的硬件外观Figure1.2hardwareappearanceofS7/200SeriesPLCCPU226的主要特点：供电电压：有两种，即直流时为24V而交流时为20V的供电电源。输出方式：有晶体管和继电器两种输出类型的输出方方法。集成电源：封装机内置了24V的直流电源，可以直接用于封装机内传感器和传动装置的电流供应。高速计数：这是通常的输入输出端子，能够捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号，进行高速计数，输入脉冲频率。频率可以达到200kHz。脉冲输出：2号路线最大100kHz的高频脉冲输出，可以精确驱动步进电机和伺服电机来实现正确的定位任务。集成模拟电位器：可以在模块上的电位器上改变与其对应的特殊寄存器中的数值，实时地运行程序中的几个参数，例如，控制计时器/计数器的设定值和程量可以变更参数等。实时时钟：在信息上添加时间标签，可以记录机器的运行时间，也可以对程序进行时间控制。另外，本系统还采用了一个模拟量扩展模块EM235，它具有四路模拟量输入和一路模拟量输出，可以直接对输入的多种模拟量信号进行A/D转换，转换成对应的数字量后，供CPU读取。1.3.3PLC处理系统原理计算机以太网开关量信号继电保护计算机以太网开关量信号继电保护PLC电气运行控制变频器报警模拟量信号模拟量扩展模块传感器Fig.1.3principleofmainfanmonitoringsystemincoalmine煤矿主风扇监测系统的原理是上位机运用工业控制计算机，配备打印机和不间断的电源，监视软件收集现场的实时数据，然后生成显示、记忆、印刷、警报，生成实时和历史曲线，通过网络通信等功能，对矿山送风机进行了远程监视。下位机采用PLC，主要收集各阶段参数的监视数据，控制数据的输入和输出为了实现对风机的实时监测，控制主风扇运行，以2×185kW的对置式轴流主扇风机为例，本设计选择了S7－20PLC、气压传感器和变形。频率器等构成完整的闭环控制系统。系统中包括接触器、中间继电器、热继电器、断路器等系统保护装置，实现了对电机和PLC的有效保护，以及电机的切换控制。满足自动控制的要求系统提供手动、自动2种动作模式，并具有现场控制功能、状态显示和故障警报等功能。1.3.4PLC控制变频器的方式2矿井主通风机系统通风系统利用各种通风设备，使地面新鲜空气时常按一定路线，将一定的风量送往井下各风处，把井下风泄到地里。把井下各种有害气体稀释到<煤矿安全规程>的容许浓度以下，保证井下工作人员的身心健康和设备的正常运转.通风可以调节井下的温度，改善井下的工作环境。因此，坑道完全可靠需要自动换气系统。在本论文中设计的坑道主风扇的监视中，包含了风机驾驶状态的监视和风扇的量的调节。本系统的送风机运转状态的监视以工业控制领域的可编程控制器(PLC)和配置软件为核心，将标准控制机柜作为信号收集和控制输出装置，通过传感器、中间继电器和其他辅助设备构建整个监视系统。通过的石头煤矿主要通风机的电脑监控管理系统是：实现通风机的电脑实时监视以及通风机室和工业以太网和煤矿安全监视网络系统的信息共享。在风扇的风量调节中导入逆变器来调节风扇的风速，根据必要的风量和风压的大小用频率转换器调节主扇风机的旋转速度，风扇在节约能源和提高效率方面具有无与伦比的优点.另外，主扇风机的可以实现软件启动和保护等要求。2.1主通风扇机概述矿山送风机根据构造划分，有离心送风机和轴流送风机，现在，矿山中最常用的是轴流送风机。轴流送风机是，气体在轴方向上进入旋转叶片通路，通过叶片和气体的相互作用压缩气体，向轴方向排出的通风机。[发明的公开][发明要解决的课题]在两段轴流送风机中，为了两个叶轮的旋转方向相互相反，一个叶轮是另一个叶轮的有安装在后面的旋转式轴流送风机。它具有结构尺寸短，效率高，反风性能好的特征。现在的矿山中主风扇主扇风机大部分采用对转式轴流风机2.1.1对旋轴流式风机的结构和工作原理轴流风扇由节流、叶片车、叶片、整流体、集风器及扩散筒等构成。关于旋转轴流风扇，由于一个叶片车安装在另一个叶片车的后面，叶片车的转向是相互相反的，所以需要两个容量，模型完全相同，具有爆发作用的电机需要向相反方向旋转驱动。即，第1叶轮顺时针方向旋转，第2段叶轮逆时针方向旋转。2段叶轮是相互的叶片，由第1段形成的旋转速度，通过第2段的逆转被除去，形成单一的轴向流动排出。本系统采用的是燕京风机厂生产的BD(K)系列煤矿用防爆对旋式主通风机2台，这是一种典型的轴流式通风机。BD(K)系列抽出式对旋式主通风机具有压力增益大，效率高，结构简单和轴向尺寸小等优点：该系列对旋轴流主通风机的特点：具有气力性能优良、静压效率高、振动小、噪音低、高效区域广的特点。该主扇风机的设计效率达到85%以上，有明显的节能效果。2）采用直接连接电机和叶轮的简单传动结构，安装简单，使用和检查方便，同时节省了主扇风机的占地面积。3）风扇可以直接反转反风。矿井有害气体急剧增大时，由主扇风机送入能够置换为风，其反风量达到正风量的78%以上，不需要反风道的基础，而节省了基础投资。在马达上安装防爆制动装置后，主扇风机可以在5分钟内实现反风。当电机配带防爆制动装置后，风机可在5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。4）风机既可以两台电机一起开启，也可以单台电机分别单独运转使用，扩宽了运行的性能范围。5）在主扇风机的叶轮旋转部分的筒体上，追加花的铜环装置，气体中的异物在羽毛车高速运行时与筒壁碰撞，避免发生火花，从而引起事故6）叶片通过8.8级以上的高强度螺栓连接固定在轮毂上，可以安全可靠。同时，轮毂上有明显的叶身角度指示线，实现了对叶片设置角的无阶段调节，用户根据生产用风量的大小人工调整叶片的设置角长在设计中，考虑到6种固定的调整角度，可以作为用户的参考。7）采取风机+电机一体化设计开发，针对过去对旋风机配套电机存在的质量问题，特殊设计了专用电机，从根本上解决了原用风机的缺陷，并在主风筒中开设了多个散热孔，确保设备的长期运行。本论文中采用某实验风机，其技术参数如下：表2.1风机基本性能参数Table2.1basicperformanceparametersofFan转速（r/min）风量（QUOTE/h）全压（Pa）效率（%）直径（mm）29005400-90001200-240085.5400配用电机基本参数型号转速（r/min）功率（Kw）额定电压（V）额定电流（A）Y112M229004×23808.52.1.2煤矿通风系统构成矿坑主要的通风系统主要由通气机、风门、风井等部分构成，其中主通风机是系统的核心零件。根据叶轮内部风流的流动方向，可以分为离心式和轴流式。由于坑道的主通风机是矿坑通风系统的核心设备，自然成为风机监视系统的主要监视对象。考虑到煤炭安全生产中通风作业的重要作用，通风系统的设计无一例外显示了茎的冗余。也就是说，两个相同的通风机被重复放置并相互备份。确保通风工作的连续性煤矿井下通风系统如图2.1所示，主扇由两组对旋式轴流通风机组成，其中一组为工作机，另一组为备用每组通风机采用两台电机实现拖动，并分别安置在两个独立的风道中，最终汇入主风道。在每组风机入口处设有闸门，以便于进行调节风量及调换风机等操作。在两个风道的出口处均配置了静压传感器和差压传感器，用于测量并采集风机运转时的负压和流量等参数。主扇的通气量一般可以分为一级和二级。风量一级，一台马达运行。风量二级时，两台马达同时运行。送风机正常运行时的通风方式是吸入式的，这种通风方式可以起到抑制气体的作用。另外，送风机通过变更马达的转向器，可以实现反风控制。1号风机1号风机1号风门通风口电机1-2电机1-1主风道通风口电机2-2电机2-12号风机2号风门Fig.2.1Coalmineventilationsystem2.1.3主通风机性能参数主通风机的特性主要是风压、风量、功率、旋转速度这5个动作参数。1)主扇风机工作风量在风扇叶口断面将动压换算为平均风速，直接测定平均风速后，乘以吸气口的截面积，求出风扇的工作风量。（2.1）式中Q表示风量，A表示进气口截面积，V表示通风机的风速。2）主扇风机工作风压风机的风压通过入口风流的压力参数打开并反映出来。呼生物分为全压，静压分为风和风。主扇风机的总压是主扇风机对1个空气进行的工作，用来克服管网的阻力和动能的损失。主扇风机静压是在主扇风机的总压中克服管网阻力的部分。风动压力是风扇的全压力中的出口动能损失部分。（2.2）3）主扇风机的轴向功率（2.3）式中N是风机轴的功率，是电机有功功率，是电机效率，是传动效率。 4）主扇风机效率风流在机体内流动时发生冲击、摩擦等各种能量损失。主扇风机的输出功率一定比输入功率小，两者的比反映了主扇风机的实际工作状况。分为静压效率和全压效率。（2.4）（2.5）式中是风机全压效率，是风机静压效率。2.1.4风机的特性曲线轴流主扇风机在设计状况下，几乎是气流的放射状流，当流量大于设计值时，叶轮下游侧的气流从内向外从直径大的地方倾斜。相反，当气流偏向小的地方，状况严重时，会发生二次回流现象。轴流主扇风机的性能曲线如图2.2所示。Q-H曲线多为急降型曲线当流量较小时，气流部分产生二次回流现象，回流液体被叶轮二次加压，流量较小时，压力上升。Q-N曲线中流量为零时最大最大流量增加时，H的下降非常快，轴的电力也有可能在一定程度上下降。经常在零流量下启动轴流主扇风机时，轴的功率最大。因此，与离心式主扇风机相比，轴流主扇风机应该在管道开通下运转，即使如此，启动和停车时，总是通过最低流量，因此，轴流式主扇风机配用的莫塔需要充足的余地。3.Q－n曲线在效率最高点附近急速下降流量在设计模式下的气流状况急速恶化，效率下降后，轴流风扇的最佳动作范围很窄，一般来说，不能调节阀门的流量。因此，当流量从小增加到大时，Q-H曲线和Q-N曲线都下降，进一步上升，进一步下降，有2个反曲点。正常的动作模式点应该在Q―H曲线的二次峰值，即记号点的右侧进行选择。它可以近似地用三次方程式进行拟合，但在整个方向上与Q-H曲线的拟合方法一样，采用两个反曲点的三次方程式，很好地反映了主扇风机的运转情况。性能.Q-n曲线在整体的流量变化过程中先增大后减少，因此用二次方程式对其形状进行痕迹可以说。一般工作情况选择效率超过60%的曲线段。到目前为止，从Q―H曲线和Q―n曲线确定轴流式主扇风机的正常工作范围，即Q―H曲线的骆驼峰值点右侧和Q门曲线的效率为60％以上的共同部分。此时，轴流风机的正常工作范围由q≤H曲线和q≤H曲线确定，即在q≤H曲线的驼峰点的右侧和公共部分。Q栅曲线的效率在60%以上。这也是由于风机在小风量条件下的二次回流现象的影响，使风机的恢复正常。风机转速在一定流量下的增减，即风机的喘振点，在风机性能试验的过程中，通常在这个点开始或结束，所以流量。大多数风扇性能曲线的速率不是从零开始的。图2.2轴流式风机的性能曲线Fig.2.2performancecurveofaxialflowfan2.1.5风量的调节方法通风机的调整使送风机的流量变化，为了满足实际的动作的需要，送风机的调节也被称为流量调节。风机性能曲线的反映是改变主扇风机的工作状况点,流量调节主要有两个目的:第一,满足矿坑使用风量的要求,第二,提高主扇风机的运行效率。主要调节方法或改变主扇风机运行情况有两种不同：管网性能曲线的改变和主扇风机的性能曲线的变更。变更管网曲线主要是在通气机的管路上设置节水阀门或风门来调节流量，风闸的调节加大了风道的阻力，通过减少风量，这种调节最不经济。人为地增加网络的抵抗，是增加每立方米消耗的电能。当然，这是不进行调节而供给过多的风量。比电力曲线更有利(对于电力曲线在调节范围内随着风量的增加而上升的风扇来说)。主扇风机的性能曲线的变更通过改变主扇风机自身的驾驶曲线，主要有定速和变速两种。定速调节包括入口导叶调节和动叶调节。变速调节在管路特性曲线不变的情况下，改变旋转速度，改变主扇风机的性能曲线，变更主扇风机的情况点。变速的调节可以大幅度减少附加的节流损失，大幅度变化。在景气的范围内维持高效率，与以前的节流调节相比，不发生其他调节方式的附加损失，能够降低电力消费，节约电力。由于具有良好经济效果的高压转换器的发展，煤矿主送风机的变频调整系统在节能和风扇效率的提高方面具有无与伦比的优势，另外，可以实现主扇风机的软件启动和保护等要求。开始应用于主扇风机监视系统。本论文的讨论在主扇风机监视系统中，风机的量调节选择了频率变化调节。3主通风机自动监控系统的硬件设计3.1系统硬件选型要实现对风机系统的监测和控制，首要的任务就是采集风机运行过程中的各个参数。各种类型的传感器在这个过程中发挥着至关重要的作用，它们负责将风机运行中的各种参数准确收集起来，以电压或电流信号准确、快速的上传至PLC的模拟量模块，为PLC的逻辑处理提供最基本的依据。将PLC、触摸屏与监控软件相结合，应用于石煤矿的主扇监测系统，实现了风机运行参数和驱动电机的电参数的实时监测，并且能够显示当前运转的送风机号、正反转信号、送风机的开锁状态。实现变电站高低压设备的运行参数、状态、同时远程监控和操作。如图3.1所示，在主扇风机监视系统中，风扇入口、出口风压、风量、采集由风机轴承温度以及振动强度，电机旋转数，绕线温度以及电机轴承温度，以及电机轴承温度组成的参数，还有诸如电压、电流、功率因数等电量参数。由传感器所直接收集的模拟信号并不能直接上传至PLC的模拟量模块，需要经过变送器，变送器的作用就是把这些模拟量信号转换成标准的电压和电流信号。这样，这些运行参数就能最终上传至PLC，供PLC计算，处理并最终发出控制命令。本监视系统的主送风机采用冗长结构，一支配备两套设备，一组发生故障时，另一组设备可以立即运行。在台台上安装2台11KV的高压异步电动机，在电动机上安装三相定子和前后轴承温度传感器(出厂时已经填埋)，在各送风机风路上安装1个地板风板快门，调整风量和送风风扇。每个垂直门一个11KW的低压三相交流电动机分别进行拖动，各回转阻尼采用40KW的交流电动机进行拖动，在风扇风路上安装测量差压、负压的空气样导管。流体温度传感器；同时，为了保证附属设备能够切实运转，设置了2台50KVA的干式变压器综合保护装置。下面，将详细介绍各个参数的采集方法以及传感器的选型等。图3.1参数采集框图Fig.3.1Blockdiagramofparameteracquisition本设计根据功能的区分：控制、通信、传动和检测的四个部分控制部的核心是设置在现场的PLC机柜的西门子S7-300可编程控制器。该任务包括系统设备的逻辑控制，输入输出的逻辑关闭保护，包括实现通风机运转参数的实时收集以及数据的格式化处理等方面。通信部分：MPI(作为PLC与上级机之间的通信)多点界面)其物理层是RS-485.用PROFIBUS电缆连接PLC上的MPI端口和上级CP5611卡的9针D型接口。传动部分：是4个1kV的非同步电动机拖动主扇风机叶轮。检测部分：为各种传感器和变送器、各种数字量/模拟量计等设备。这些信息是PLC发送和处理I/O模块。风机自动监测系统的硬件系统的主要特征如下：1）采用先进的计算机技术，工作强大，智能指导的程度高。2）采用模块化设计方案，各部分相对独立，确保预备通道，易扩张。3）由于采用了多种干扰对策，系统抗千干扰能力强，可靠性高，监控测量准确。4）流量监视措施独特，新颖，可信度高，精度高。5）采用了可靠性高、精度高的传感(传输)器。6）操作容易、维修便易。温度传感器选用Pt100铂电阻传感器。该传感器利用金属铂在温度变化时自身阻值也随之改变的特性来测量温度，能够准确地测出轴承或定子的温度，并将测量值传送至PLC模数转换电路。当被测介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。这种温度传感器的特点为耐振动，可靠性高，稳定性好，同时具有精确的灵敏性。根据本系统的具体情况，最后仔细比较，选定热电偶传感器，用工业测量中最广泛使用的温度传感器，与被测定对象直接接触，不受中间介质的影响，具有很高的精度测量范围广，能够从-50°C~160°C连续测量，作业端的被测量介质温度变化时，热电位变化将热电位送入PLC进行处理，可以得到温度值。连续工作时检测和测量风机的轴承和轴承的温度是监视风机状况的一个重要任务。检测时，进行由温度检查元件和发送器、电压变调电路构成的检测电路和PLC的通信，将温度参数上传到工学机上。根据本系统的监测要求，选择热阻式热电传感器检测主扇风机温度。风量传感器选择KGF2型矿用智能风量传感器，采用超声波测量原理，技术先进，使用方便，长期使用稳定可靠具有不需要维护等特点。风量传感器主要用于煤矿井下各巷道、风口、井口等风速、风量的检测、测定,以确保煤矿下通风的安全,可以与各种煤矿的监测和测量系统结合使用。选择KGY4型负压传感器对主扇风机压力进行测量,为测量负压的大小,为本质安全型产品,适用于煤矿井下系统。这个传感器是高安定采用性微扩散硅压力传感器元件,具有精度高、稳定可靠、使用方便等特点。负压传感器可与各种煤矿的安全和生产监控系统配套使用。气体传感器选用KGJ15型苏马三莫特甲烷传感器,用于检测煤矿井下气体浓度。该传感器主要是黑白元件、检测桥、运算放大器、模拟数字信号转换、微波由控制器、显示、输出等部分构成，是智能型检测仪器，具有自动零、自动调整灵敏度、非线性补偿等功能，使用方便，稳定可靠气体传感器可以与国内外各种煤矿监控系统结合使用。在进行主扇风机轴承的振动监测和故障诊断时，用速度传感器测量轴承的振动峰值、平均平方根值或平均值，并粗略测量这些测量值。与确定的容许值进行了比较。表示轴承运行状况是否正常的具体测试方法:通过安装到轴承部的速度传感器采集振动强度信号，经由振动转换器发送PLC，实时监控马达的运行状况。通过主扇风机的振动位移和振动周期，可以反映主扇风机的潜在故障，防止风机停机等严重故障的发生。比较的结果是，系统把MT3T型电磁式速度选定的传感器。3.2系统的主电路结构如图3.2所示，为本系统的主电路结构图。系统有两台高压异步电动机，一主一备，每台电动机均可实现变频和工频运行。其中，QS、QS1、QS2为三台高压隔离开关，其一端接在6KV母线上，另一端接熔断器（FU、FU1、FU2）。WIN-HV为微能高压变频器，L1、L2、L3为其电源输入端，U、S、W是变频器经过整流逆变后的电源输出端，其输出电压为6KV，输出频率可调。FR1、FR2为保护电机的热继电器，采用热继电器，既可充分发挥电动机的过载能力，又能防止电动机出现长时间过载。KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6为可开合大电流的接触器，其中，KM1、KM2可分别实现一号、二号风机的变频运行，KM4、KM3可分别实现一号、二号风机的工频正转运行，KM5、KM6可分别实现一号、二号风机在工频状态下的反风运行。图3.2主电路结构图Fig.3.2maincircuitstructurediagram3.3系统的控制电路结构3.3.1PLC控制器I/O点的编址S7-200系统扩展对输入输出的地址空间分配规则如下：1、按顺序地址指定同类输入或输出点的模块。2、对于数字量，输入输出图像寄存器的单位长为8比特。本模块的高位实际位数不足8位时，无法将未使用的比特分配到I/O链的后续模块中。后续地址排列必须从新连续的字节开始有必要。3、对于模拟量，输入或输出以2点或2个通道递增方式来分配空间。本模块中未使用的通道地址不能被后续的同类模块继续使用，后续地址的编排须重新从新的2个字节以后的地址开始。表3.1系统各输入输出点的地址编排Table3.1addressarrangementofinputandoutputpointsinthesystem主机I/OI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7I2.0I2.1I2.2I2.3I2.4I2.5I2.6I2.7Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5Q1.6Q1.7EM235AIW0AIW2AIW4AIW6AQW03.3.2系统控制电路结构该系统以S7-200系列PLC中的CPU226为核心，配备扩展模块EM235。WIN-HV为微能高压变频器，由PLC控制，可实现电动机的启动、停车以及反转等功能（如图4-6所示）。EM235可顺利实现现场模拟量的采集，经A/D变换后，送到PLC进行分析和计算。控制电路配合主电路，还可实现主/备风机自动切换运行，变频器故障时自动切换为工频运行，以及实现故障报警等功能。图3.3系统控制电路结构Fig.3.3systemcontrolcircuitstructureEM235采集的模拟量信号有3路。其中，静压差信号用于进行风量计算，振动信号和温度信号用来判定风机的运行状况，当这些参数异常时，就报警，如果参数已超过设定值，还可强制停机。另外，还需要说明的是，在本系统中，变频器的频率控制采取模拟量直接给定的方式。在PLC计算好所需风量后，通过变换，经EM235的输出端送到变频器的电流模拟量给定端，只要控制给定的电流模拟量，就可实现频率的控制，进而实现风机的变频调速。表3.2WIN-HV的输入控制端子功能Table3.2inputControlTerminalfunctionofWIN-HVRUN运行“1”外部端子运行STOP停止“1”停止F/R正反转控制端子“1”正转GND给定及反馈公共端信号电源地IG电流模拟给定输入4~20mA/100%RST复位端子“1”系统复位EER外部故障输入“1”外部故障表3.3PLC的输入输出端子功能Table3.3inputandoutputterminalfunctionsofPLC输入端点功能说明输出端点功能说明I0.01#启动Q0.0RUNI0.11#停车Q0.1STOPI0.21#反风运行Q0.2F/RI0.3故障复位Q0.3KM1I0.4自动/手动切换Q0.4KM2I0.5远程/就地切换Q0.5KM3I0.6变频器故障输入Q0.6KM4I0.7一号风机风门Q0.7KM5I1.0二号风机风门Q1.0KM6I1.12#启动Q1.1RSTI1.22#停车Q1.2EERI1.32#反风运行Q1.3风机故障报警3.3.3PLC其它硬件模块统计本设计我选择一块CP343-1TCP作为与工业以太网的连接。基于所有模块吸收的电流，消耗电力选择了CPU模型:CPU3146ES7314-1AF10-0AB0。电源模块的额定输出必须大于CPU模块。根据所有的I/O模块，各种智能模块等的总消耗电力的合计，且有30%左右的富余这一选择原则，我选择的电源模块是PS30710A。其详细模块类型统计如表3.4表3.4模块详细型号表Table3.4Moduledetailedmodeltable模块名称型号规格数量主要功能电源PS3076ES7307-1KA00-OAAO1为S7-300各模块

提供24V/10A直流电源CPUCPU3146ES7314-1AF10-OABO1程序处理、参数采集计算、通信数据处理等功能点对点通信CP340

RS422/4856ES7340-1CH00-OAEO2用于与高压开关柜和温度巡检仪的通信以太网通信CP343-16GK7343-1EX11-OXEO1接入工业以太网数字量输入块SM3216ES7321-1BL00-OAAO2用于接收开关信号数字量输出块SM3226ES7322-1FL00-OAAO

6ES7322-1FH01-OAAO2用于发出开关量

控制信号模拟输入模块SM3316ES7331-7KF02-OABO4用于采集4～20mA

模拟量过程参数模拟量输出块SM3326ES7332-5HF00-OAAO1用于将数字输出值

转换为模拟信号这些模块分别安装在0、1、2三个机架上，主机架通过IM3606ES7360-3AA00-0AA0与1号扩展机架相连，1号通过IM361与2号机架相连，2号机架安装有IM361与1号机架相连。4主通风机自动化监控系统的软件系统主换气机监视系统软件设计包括PLC软件设计和构成软件设计2部分.PLC软件部分包括STEP7-Mi用cro/WIN进行编程。构成软件采用了北京亚洲控制公司的KINGVIE6.52。4.1PLC软件设计程序为主控制程序、参数初始化子程序0、模拟量模块检查子程序1、电机轴承、求定子温度取样平均值的子程序2，求振动传感器取样平均值的子程序3，风压取样以及模拟输入电压和风量计算子程序4，频率变换器模拟输入电压中断程序0以及警报中断程序。4.1.1主控制程序流程主控制程序包括鼓风机的自动频率变换，手动频率变换和频率转换的控制，子程序的呼叫和中断时间的设定，以及电机温度的超限度警报。实现频率变换器和鼓风机故障的警报、频率变换器故障复位等功能。主控制程序的程序流程如图4.1所示。PLC主控程序在执行时，判断鼓风机是否进行自动频率变换。如果，自变量的初始化子程序0和调用模块连接检查子程序1，在EM235和EM231模块的连接中存在错误的情况下，程序结束。检查EM235和EM231模块的连接是否存在错误时，确保没有错误的调用子例程2、3和4表示电动机定子轴承温度。采集了振动参数和鼓风机的管网压力大小．并且设置的定时中断时根据间隔，连接逆变器的模拟输入电压中断程序0，逆变器有无故障，马达温度是否过极限，判定马达是否振动异常。否则，将基于采集风压计算出的模拟电压值输出到频率转换器，进行鼓风机的频率变调速度控制，鼓风机不进行自动频率变换驾驶时，判断是否进行手动频率变换驾驶。如果是这样，那么程序就是频率开始判断有无数故障，如果不是，则以动作频率运行鼓风机。图4.1主程序流程图Figure4.1mainprogramflowchart4.1.2子程序0和1程序流程子程序0的作用是与寄存器相关的参数的初始化，温度抽样平均值初始化，风压采样平均值初始化，包括模拟电压以及风量计算系数初始化、振动参数抽样初始化等。主控制程序开始执行时，如果鼓风机处于自动频率变换驾驶状态，则调用该程序一次。在调用子程序进行信号收集之前，调出子程序1，进行此扩展模块。尔检查是否存在EM235和EM231模块，用户电源是否有错误。如果有错误，控制系的主程序将立即终止，若没有错误，则进行子程序2、3、4的调用。子程序0和子程序1的程序流程如图4.2所示。图4.2子程序0与子程序1流程图Figure4.2flowchartofsubroutine0andsubroutine14.1.3子程序2和3程序流程子程序2和3的程序流程如图4.3所示。子程序2采集发动机定子和轴承温度，将采集的数值作为累积平均值作为一次采集值。在这个流程图中，以1#发动机定子温度采集为例，其他温度采集是类似的。子程序3采集轴承的振动参数，将采取的数值作为累积平均值，作为一次采集值。最后用PLC分析数据，定子和轴承的温度超过基准值。有无，分析轴承振动是否异常，判断是否发出警报或进行停电处理。图4.3子程序2与子程序3流程图Figure4.3flowchartofsubroutine2andsubroutine34.1.4子程序4程序流程子程序4从压力传感器中采集风压信号，累积每次采集的数值，次数达到10次时，求其平均值，取1次恶心压力值。由于用PLC采集的电压值为0-320之间的数字量，所以根据由传感器采集的压力值和输出电压的线形关系，有必要将PLC采集的数值变换为实际的风压值。根据风量，在1.6QUOTE/s时，频率转换器需要的模拟输入。求出电压值和排气风压的近似方程式，求出与该风压相对应的模拟输入电压值。同时，通过采取风压，转换为与工作频率风压相对应的风量和采取风压的近似方程式，求出与该风压相对应的风量。该程序的流程如图4.4所示。图4.4子程序4流程图Figure4.4flowchartofsubroutine44.1.5中断子程序满足风量要求的模拟输入电压值是子程序4计算出的模拟电压值，将计算出的模拟电压值转换为0-32000之间的数字量，发送到PLC模拟量模块的输出端AIWO。输出到频率转换器的模拟量控制端子对鼓风机进行频率变调控制。中断子程序的流程图省略了。4.2组态软件设计组态软件选用的是北京亚控制公司的KING采用VIEW6.52。组态王6.52是具有丰富功能的HMI/SCADA软件，可以用于工业自动化的程序控制和管理监视。组态王6.52为系统工程师提供集成、灵活、易于使用的开发环境和广泛的功能，迅速提供建立、测试和引进的自动化应用，并进行连接，可以传达实时信息进行记录。用户实时呈现工业生产流程可以显示和控制。构成王还提供了新的综合报告系统，为内部提供了丰富的报告函数，用户需要工程的必要变更报告的外观。配置王的WEB屏幕不要求设计者或操作员以不同的方式分发和浏览Web站点。WEB发布的安全管理分为两个级别：一般用户可以浏览画面不能修改数据。高级用户(厨房、厂长办公室)可以看到所有发表的画面，而且可以读取相关数据和操作的原画面中的权限设定的图案等。系统中构成软件的主要功能是模拟动作画面，提供良好的人机界面，接收从PLC传送来的实时数据并显示在画面上。满足需要记录实时监控数据，记录包括报警量、报警值、报警时间、恢复时间和运行人员等的报警事件。操作者可以在该人机接口上直接发出风选开关，停止风扇，进行正反转的命令，PLC接收来自状态软件的命令，可以驱动相应的继电器。执行机制是命令。执行PLC接收操作完成后的信号，显示构成软件送还。4.2.1KINGVIEW6.52操作界面组态王软件开始需要新建工程，然后建立“矿井主风机监控系统”和“PLC控制变频器调速系统”两个界面。运用组态王自带的图库搭建界面图形。4.2.2煤矿主通风机在线监测系统主界面煤矿主通风机的在线监视系统的主界面如图16所示。主界面实现了鼓风机的在线监视功能，通过PLC和上位的工控机的通信，实现了矿坑通风系统的无人。主界面包括风量、风压、负压、马达定子温度、轴承温度、振动参数的实时显示，以及电机的三相电压、电流、包含力量等各种参数。趋势曲线，警报也包含了窗口、报告检索等选项。图4.5煤矿主通风机在线监测系统主界面Fig.4.5maininterfaceofon-linemonitoringsystemforcoalminemainventilator4.2.3PLC控制变频器调速系统主界面图4.6PLC控制变频器调速系统主界面Fig.4.6maininterfaceoffrequencyconverterspeedregulationsystemcontrolledbyPLC频率调制主接口包括马达的起动、停止按钮、以及马达的频率变换/动作频率运转按钮、故障复位、包含报警解除按钮以及对应的灯。实现鼓风机的远距离频率变换控制和故障警报等功能。4.3系统程序设计基于系统编程PLC的煤矿主风扇监视系统采用STEP7编程软