基于PLC的矿井通风机监控系统设计

摘  要 煤矿的安全生产中，矿井通风系统起着极其重要的作用，它是煤矿安全生产的关键环节。而矿井通风机又是矿井通风系统的主要设备之一，因此对其进行PLC控制的变频调速系统的设计和研究，不仅可以大大提高煤矿生产的机械化、自动化水平，还能节省大量的电能，具有较高的经济效益。 煤矿主通风机监控系统主要包括风机性能检测和风机风量调节控制两部分。本文以一台矿用对旋轴流风机为控制对象，结合PLC控制技术、变频调速技术和组态监控技术，对矿井通风机进行了PLC控制的状态监测和变频调速的设计和研究。 监控系统采用上位机加下位机的设计模式。下位机采用可靠性高的可编程逻辑控制器，通过各种传感器和电量采集单元实时监测通风机的性能参数和状态参数、电机的电气参数并能实现远程通讯。上位机应用北京亚控科技公司开发的KINGVIEW6.52组态软件编写人机界面，将风机工作流程以直观的画面显示出来，实现数据采集和显示、关键数据的记录和报警、生产数据的存储和报表输出、为操作员提供良好的操作界面，完成了风机房的无人值守自动化监控和管理的设计和改造。 在变风量系统中，主要比较了风门调节与变频调节，显示出了变频调节系统不仅能使风机工作在高效区，并且其节能效果要优于其它调节，具有很重要的应用前景。风机调节控制由PLC+变频器控制电机转速实现风量控制。同时本文还研究了风量调节的算法。 关键词：PLC控制；变频调速技术； 矿井通风机； 组态王软件； ABSTRACT As the key component of coal mine safety，mine ventilation system plays an important role in coal mine safety. It is one of the main equipments in the system. So research and design of its variable frequency speed regulation system with PLC control have good economic benefits. It not only improves the mechanical and automatic level of coal production, but also saves large electrical energy. Mine main ventilator monitoring system includes testing and adjusting air volume fan control in two parts. In this paper, a rotating axial flow fan of mine as a control object，combined with PLC control， frequency conversion technology and configuration monitoring technology，PLC control of the mine fan was the state of monitoring and frequency control design and research. Monitoring system uses the host computer plus lower machine design patterns. High reliability and lower machine using programmable logic controller，through a variety of sensors and real-time monitoring of power acquisition unit fan performance parameters and state parameters，the motor electrical parameters and to achieve long-distance communication. We used KINGVIEW6.52 written man-machine interface configuration software developed by Beijing Asia PC application control technology company，the fans to an intuitive work flow screen display， data acquisition and display, record and alarm of critical data，production data storage and Report output for the operator to provide a good user interface，completed the fan room unattended automated monitoring and management of the design and reconstruction. In VAV systems，the main damper adjustment compared with the frequency adjustment，frequency regulation system shows not only make the fans work in high areas，and its energy is more effective than other adjustment methods，a very important application. Regulation and control by the PLC + fan drive motor speed to achieve control of air volume control. At the same time we study the air volume control algorithm. 朗读 显示对应的拉丁字符的拼音 字典 Keywords：  PLC control；  Variable frequency speed regulation technology；  Mine ventilator；  Kingview software； 目    录 1 绪论    1 1.1选的背景和意义    1 1.2风机监控在国内外研究状况      1 1.3矿井主风机在线监控的展望     1 1.4本论文的主要工作和安排    2 2系统构成及各部分功能    4 2.1矿井主扇风机    4 2.1.1矿井主扇风机概述    4 2.1.2风机主要技术指标    4 2.1.3风机的特性曲线    5 2.1.4风量的调节方法    7 2.2可编程控制器的应用    7 2.2.1 PLC概述    7 2.2.2 PLC的基本构成    7 2.2.3 PLC的工作原理    8 2.3风机参数的检测    8 2.3.1风压、风量参数的检测    9 2.3.2振动参数的检测    10 2.3.3电气参数的检测    10 2.3.4电机轴承和定子温度检测    10 2.3.5开关量检测    11 2.4 变频调速    11 2.4.1变频调速技术在矿井通风机上的应用概述    11 2.4.2变频调速的基本原理    11 2.4.3风机变频调速节能    12 2.4.4变频器的结构    14 2.4.5 PLC控制变频器的方式    15 3通信网络的实现    16 3.1风机自动化监控系统的整体结构    16 3.2基于现场总线和工业以太网的控制系统    16 3.2.1现场总线控制系统和以太网技术    16 3.2.2现场总线与以太网的互连    17 3.2.3网络的具体实现方法    18 4系统的硬件设计    19 4.1系统硬件连接    19 4.2主电路    19 4.3控制电路的设计    19 4.4 器件的选型    22 4.4.1PLC的选型    22 4.4.2变频器的选型    22 4.5变频器与PLC的连接    23 4.6风量的控制算法    23 4.6.1变频器输入值计算    23 4.6.2 U-P和Q-P曲线的拟合    25 5主通风机监控系统的软件设计    26 5.1 PLC软件设计    26 5.1.1主控制程序流程    26 5.1.2子程序0和1程序流程    27 5.1.3子程序2和3程序流程    28 5.1.4子程序4程序流程    29 5.1.5中断子程序    30 5.2组态软件设计    30 5.2.1KINGVIEW 6.52操作界面    30 5.2.2煤矿主通风机在线监测系统主界面    30 5.2.3 PLC控制变频器调速系统主界面    31 结论    33 参考文献    34 附录    35 翻译部分    40 英文原文    40 中文译文    46 致谢    52 1 绪论 1.1选题的背景和意义 通风机是煤矿的四大固定设备之一，它担负着向井下输送新鲜空气、排出粉尘和污浊气流的重任，具有“矿井肺腑”之称。由于井下工作环境恶劣，主通风机工作电压较高，电流较大，出现故障的概率也较大。一旦发生故障，将会对整个矿区的生产和安全造成重大影响。因此，有必要建立一套功能完善的自动监控系统，实现矿井主通风机性能及状态的在线实时监测，以便在生产过程中及时掌握主通风机的运行参数和状态，这也是主通风机控制系统的发展方向。据统计，煤矿事故70%以上是由于通风设备故障、通风管理不善等所造成。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也必须提出了更高的要求。利用设备在线监测监控等相关技术，实时调节风机运行状态，及早发现故障隐患十分必要。高压变频技术、智能控制技术、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 风机监控系统国内外研究状况 国外很早就对风机进行了研究。至90年代，一般的风机均配有在线监控系统，集保护、检测、控制于一体，不但能实现风量的自动调节，主要能进行故障诊断，预测使用寿命，预报维修极限，成功地对风机进行了检测，有效的保证了矿井通风系统的安全运行。美国煤矿使用的主风机以轴流式为主，近年来开始采用在运行中可以改变叶片角度的液压式动叶可调风机，节能效果好。德国以TLT公司为代表，采用液压式动叶调节的轴流通风机，其运行效率可保持在83%～88%以内。国内在这两方面起步比较晚。风量调节方法都比较落后，需要在停机的情况下进行手动调节或者是隔一段时间才能调节一次。其一这种人工操作方法只能做到阶段性调节而不能做到及时连续自动调节，而且实时性差，风量控制不准确，自动化程度不高；另外，我国煤矿主通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。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。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。05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。但与国外还是存在着一定的距离。 1.3矿井主通风机在线监测监控的展望 随着科学技术的发展,科技人员的不断努力，矿井主通风机在线监测监控取得了一定的成绩,但也明显存在一些不足矿井主通风机在线监测监控主要还处在监测水平，其控制功能很弱，对主通风机的控制和故障诊断基本上还处在研究阶段，矿井主通风机在线监测监控的可靠性有待进一步提高，矿井主通风机在线监测监控是一个较独立的系统,未与整个矿井通风系统、整个煤矿管理系统取得协调的联系。 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，矿并主通风机在线监测监控应在如下几个方面发展： (1)煤矿监测监控系统结构向集散化结构发展 新推出的监测监控系统基本上都采用集散系统结构，一般由现场测控分站和控制中心主站组成。分站以脱离主站自动实现就地监测和控制功能，一般由中小型可编程控制器组成。主站一般采用PC机，主要负责监测数据的收集、存储、显示、报警、处理、分析、报表打印等。 (2)煤矿安全监测监控系统开放化 新推出的集散监测监控系统均采用开放系统互连的标准模型、通信协议或规程，支持多种互连标准。任何集散测控系统，只要遵循这些规程，就能够与其它系统或计算机系统相连，方便地组成多节点的计算机局域网络，实现系统间的通信和数据共享。 (3)煤矿安全监测监控系统智能化 主要是指传感器的智能化，如不断推出的具有自动校正、灵敏度自动补偿、非线性自动补偿等功能的智能传感器。 (4)煤矿安全监测监控系统应用软件发展趋势 包括操作系统的实时多任务化，控制软件的组态化、智能化和图形化，软件系统的开放化、标准化。 (5)煤矿安全监测监控系统向综合化方向发展 全矿井综合监控系统是一种可用于环境安全、轨道运输、皮带运输、提升运输、供电系统、排水系统、矿山压力、煤与瓦斯突出、自燃发火、大型机电设备的运行状况等多方面综合监控的系统，既可用于某一单方面的监控，又可实现全面综合监控。 (6)发展专家诊断、专家决策系统软件 我国监测监控系统软件目前停留在对被监测量的实时采集、存储、超限报警及断电、以曲线、图形和报表形式输出的水平，实现了对数据的最基本处理，在此基础上，国内正在开发专家系统和矿井安全预警系统。在矿难发生前就能对各种安全隐患进行预测，使安全隐患消灭在萌芽状态。 1.4本论文的主要工作和安排 本论文以矿井对旋轴流风机为研究对象，以西门子 S7-200 可编程逻辑控制器作为监控核心，运用温度，压力，振动等传感器和电量采集单元对风机运行状态以及各种电量参数进行检测。同时，利用PLC和上位机之间的通信实现通风机运行的在线监控。本论文还讨论了利用变频器控制通风机的变频运行，实现风机的高效节能运行。具体地说，本论文的主要研究内容如下： 1实现信号采集与实时监测，包括风机的运行状态、故障状态、负压、流量、轴承振动、轴承温度、定子温度、电压、电流、功率、效率等。 2控制系统能实现风机手动和自动变频运行的切换，使风机处于工频或变频运行状态。在变频运行时，该系统能根据压力传感器的模拟量输入，经PLC内部运算，计算出系统满足安全生产所需的风量大小对应的变频器输入电压值，经扩展模块模拟量输出控制变频器自动调整风机的转速。 3本系统能实现多种报警功能，如风机定子，轴承温度超限，电动机振动异常报警，以及变频器出现故障及时报警，及时处理的功能。 4 用工程制图软件绘制系统主电路图和PLC及扩展模块接线图。 5 用STEP7-Micro/WIN编程软件编出PLC梯形图。 6 用PROFIBUS-DP现场总线和工业以太网完成对PLC通信网络的组建。 7模拟风机运行情况，用组态王软件绘制煤矿主通风机在线监测系统主界面和PLC控制变频器调速系统主界面。并生成性能参数实时曲线和历史趋势曲线，监测数据归档、数据报表查询及打印，以及瓦斯浓度、风量、风压等监控量的趋势曲线、超限报警和数据报表功能。 2 系统构成及各部分功能 本论文设计的矿井主扇风机的监控包括风机运行状态的监测和风机风量的调节两部分。 本系统中风机运行状态的监测以工控领域的可编程控制器(PLC)和组态软件为核心，以标准控制柜作为信号采集和控制输出装置,辅以传感器、中间继电器和其它辅助设备构建整个监控系统。通过的煤矿主通风机的计算机监控管理系统,实现了通风机的计算机实时监控以及通风机房与工业以太网和煤矿安全监控网络系统的信息共享。 风机风量的调节中引入变频器对风机风速的调节，据所需风量和风压大小通过变频器来调节风机的转速在节能和提高风机效率方面具有无与伦比的优点，还能实现风机的软启动和保护等要求。 2.1矿井主扇风机 2.1.1矿井主扇风机概述 矿井通风机按结构来分，有离心通风机和轴流通风机，目前矿上使用最多的是轴流通风机。轴流通风机是气体沿轴向进入旋转叶片通道，由叶片与气体的相互作用，使气体被压缩并沿轴向排出的通风机。在两级的轴流通风机中，有一种性能比较好的轴流通风机—对旋式轴流通风机，它的一个叶轮装在另一个叶轮的后面，同时两个叶轮的旋转方向彼此相反。它具有结构尺寸短，效率高，反风性能好的特点。目前矿井中主扇风机大部分采用对旋式轴流风机。 本论文中采用某实验风机，其技术参数如下： 风机基本性能参数 转速（r/min） 风量（ /h） 全压（Pa） 效率（%） 直径（mm） 2900 5400-9000 1200-2400 85.5 400 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） Y112M2 2900 4×2 380 8.5           2.1.2风机主要技术指标 1.风量 单位时间内通风机吸入的气体的体积称为通风机的风量，以Q表示，单位为m/ 2.风压    在通风中所称的风压是指单位体积的空气所具有的能量，按其类型可分为静压、动压和全压，其单位为Pa。 1)静压 通风网络中单位体积流体所具有的压力能量，即为气体的静压力，以 表示，在实际的通风网路中，通风截面一般不是很大，可以忽略同一截面上任意两地之间气体的位能之差，因此在缓变流条件下，同一过流截面上个点的静压值可以认为相等。 2)动压 指单位体积的流体所具有的动能，携带该能量的气体微团被滞止后表现的压力，故称为动压，其大小用下式计算： = 式中： ——气体中某点的动压，Pa； ——动压测量处的空气密度，kg/ ； ——气体的流速，m/s 3)全压 气流中某一点的滞止压力，亦是该点静压和动压的代数和，以 表示： = 3功率 通风机的功率分为轴功率和有效功率。轴功率是指原动机传递给通风机轴上的功率，有功功率是指风机在单位时间内对气体做的有用功，通风机的全压有效功率用下式计算: = ——通风机全压有效功率，kW； ——通风机的全压，Pa； ——通风机的风量，m/ 。 若通风机的风压用静压表示，则通风机静压有效功率可用下式计算: = 式中: ——通风机静压有效功率，kW。 4效率 效率是全压有效功率或静压有效功率与轴功率的比值，前者称为全压效率，后者称为静压效率，计算公式如下： 式中 , ——通风机的全压效率和静压效率； N——通风机的轴功率，kW。 5转速 转速是指通风机在单位时间内的实际转数，以n表示，单位为r/min。 2.1.3风机的特性曲线 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如图1所示。 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曲线在流量为零时最大 当流量增大时，H下降很快，轴功率也有所下降，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－n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曲线和Q－N曲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－n曲线在整个流量变化过程中是先增大后减少，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60%的曲线段。 至此，由Q－H曲线和Q－n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门曲线效率大于60%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。 图1 轴流式风机的性能曲线 2.1.4风量的调节方法 通风机的调节是为了改变通风机的流量，以满足实际工作的需要，故通风机的调节又称流量调节。反映在通风机性能曲线图上就是改变风机工况点，流量调节主要有两个目的：第一，满足矿井用风量的要求，第二，提高风机的运行效率。主要的调节方法或改变风机运行工况有两大类：改变管网性能曲线和改变通风机性能曲线。 改变管网曲线主要是在通风机的管路上设置节流阀或风门来调节流量，风门调节是利用风门来增大风道阻力，以较少风量，这种调节最不经济，人为的增加网络的阻力也就是增大了每立方米空气所消耗的电能。当然这比不进行调节而供给过多的风量还是有利的（对功率曲线在调节范围内随风量增加而上升的风机而言）。改变风机性能曲线是通过改变风机自身运行曲线，主要有定速和变速两类。定速调节包括入口导叶调节及动叶调节。变速调节是管路特性曲线不变时，用变转速来改变风机的性能曲线，从而改变风机的工况点。变速调节大大减少附加的节流损失，在很大变工况范围内保持较高的效率，与传统的节流调节相比，不产生其他调节方式附加损失，降低了功率消耗，节约了电能，具有良好的经济效益。由于高压变频器发展，煤矿主通风机变频调节系统由于在节能和提高风机效率方面具有无与伦比的优点，还能实现风机的软启动和保护等要求，已开始应用在风机监控系统当中。本文所研究的风机监控系统当中，风机风量调节选用变频调节。 2.2可编程控制器的应用    2.2.1 PLC概述 国际电工委员会(IEC)对PLC的定义是：可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，是用来取代电机控制的顺序继电器电路的一种器件，专为在工业环境下应用而设计。它采用一种可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出来控制各种类型的机械或生产过程。 2.2.2 PLC的基本构成 图2  PLC的一般构成 (l)中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)一般由控制器，运算器和寄存器组成，它是PLC的核心部分。它的主要任务有:控制接收和存储编程设备输入的用户程序和数据；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的错误;扫描I/O接收的现场状态，并按照用户程序对信息进行处理，然后刷新输出接口，对执行部件进行控制。 (2)存储器 存储器是PLC存放程序和数据的地方，它包括系统程序存储器和用户程序存储器。系统存储器用来存放PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在PROM或EPROM存储器中，用户不可访问和修改。用户程序存储器主要包括用户程序存储区和数据存储区二个部分。用户程序存储区用于存储用户编写的控制程序，数据存储区用于存放用户程序中使用器件的ON/OFF状态和各种数值数据等。 (3)I/O接口 输入，输出接口电路是PLC与现场I/O设备相连接的部件，它的作用是将输入信号转换位PLC 能够接收和处理的信号，将CPU送来的弱电信号转换为外部设备所需的强电信号。 (4)电源单元 电源单元是PLC的电源供给部分。它的作用是把外部供应的电源转换成CPU、存储器等电路工作所需要的直流电，及向外部器件提供24V直流电源。 (5)外设接口与扩展接口 PLC可以通过外设接口与监视器、打印机、PLC或计算机相连。扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。 2.2.3 PLC的工作原理 PLC采用一种不同于一般微型计算机的运行方式即循环扫描技术，循环扫描技术是指当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段----输入采样，用户程序执行和输出刷新。完成上述三个阶段称作一个扫描周期，在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，各个阶段的功能如下： (l)输入采样阶段：PLC将扫描的输入端子的状态存入映像寄存器，然后进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，其内容保持不变，一直到下一个扫描周期的输入采样阶段。 (2)程序执行阶段：PLC根据读入的输入映像寄存器中的信号状态，按一定的扫描原则执行用户编写的程序，然后把执行结果存入元件映像寄存器中。 (3)输出刷新阶段：当所有的程序指令执行完后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段被转存到输出锁存器中，然后一次性的由输出端子输出，驱动外部负载。 2.3风机参数的检测 本系统现场使用的传感器较多，如压力、温度、振动及转速等。为减少传输误差，提高检测精度，均选用带变送器、性能可靠、寿命长、输出标准电流信号4～20 mA的传感器，直接采集现场信号，并配以二线制RVVP电缆单独传送，以进一步提高整套系统的可靠性。其结构如图3所示： 图3  传感器与PLC扩展模块的连接 2.3.1风压、风量参数的检测 1.风压(这里主要测静压) 一般都是采取钻孔取压法，测点选择在风机的入口，将取得的压力信号通过压力传感(变送)器转换成电信号。 压力传感器的选型需考虑矿井通风机最大风压及测量精度的要求。本设计中选用CYBZI系列中量程为0-3KPa的压力传感器。CYBZI系列微差压变送器采用进口高精度、高稳定性微压力敏芯片，经严格精密的温度补偿，线性补偿，信号放大，V/I转换，逆极性保护，压力过载限流等信号处理，将很微小的差压信号可靠的转换成工业标准的4-20mA电流或 0~10V电压信号输出，可测小于100Pa的压力 其主要技术指标： 测量范围 0-3Kpa 零点漂移 0.025%FS4h 测量介质 非腐蚀性气体 零点温度漂移 0.006%/CFS 输出信号 标准量程的1.5倍 非线性 0.0378%FS 输出信号 4-20mA 迟滞 0.0500%FS 供电 24VDC 重复性 0.0320%FS 精度 0.3% 温度范围 -20-+85         2风量 风量参数是利用风机入口静压差及入口温度计算得来的。计算公式： 式中 为CP201测量到静压， 为入口压力CP202(表压)的绝对值(正值)， 为入口温度，系数k因风机参数的不同而异。风量监测采用KGF-2型矿用智能风量传感器。 3. 负压 对于负压参数的采集主要用于与设定的负压值进行比较，调整风机的运行频率,使风机运行在指定的工况点，实现通风机的闭环控制。 2.3.2振动参数的检测 风机轴承的振动监测与故障诊断功能及原理：通过速度传感器测量轴承的振动峰值、均方根值或均值，将这些测量值与事先标定出的允许门槛值作比较，指示出轴承运行情况的正常与否。具体测试方法为：通过安装在轴承部位的速度传感器拾取振动烈度信号，经过振动变送器送到PLC中，以便实时监控电动机的运行情况。通过风机振动位移和振动周期可以反映风机潜在的故障，避免风机停机等严重故障发生。 常用的振动测量传感器有电涡流式传感器、速度式传感器、加速度式传感器。根据所需测量的参数要求，一般在选用时应考虑以下因素： 若需测量振动位移值则应选用电涡流式传感器； 若需测量振动速度或烈度值则应选用速度式传感器； 若需测量振动加速度值则应选用加速度式传感器。 经过比较之后，本系统选择南京东大测振仪器厂生产的MT3T型电磁式速度传感器。其技术指标如下： 测量范围：15～1000Hz 灵敏度：30mv/mm/s 精度：线性误差：≤±0.5% 测量方向：水平或垂直 电源：±12V DC，<20mA 容许加速度：沿工作方向：10g连续横向：30g短时 此外，在检测机械振动参数时，还需要有变送器和检测仪表将测量的振动参数转换成4-20mA的直流电流信号或0-5V的电压信号，以便于传送给PLC的模拟量模块。本系统考虑到现场安装的需要，以及增强报警和显示等功能，又选择了南京东大测振仪器厂生产的与MT-3系列磁电式振动速度传感器配套使用的30ZXP-J210型振动速度监控装置。该监控仪主要用于对转速600～6000转/分旋转机械的振动烈度进行长期监测当振动值超限时，本仪器可外接声光报警器以提示现场操作人员采取防范措施。其具体参数如下： (1)量程：0～10mm/s，0～20mm/s，0～50mm/s(均方根值) (2)频率范围：10～1000Hz (3)信号输入：MT-3系列磁电式振动速度传感器的信号 (4)灵敏度：30mV/mm/s≤3% (5)仪表显示显示方式：高分辨率LCD显示，精确度±1％ (6)信号输出：电流输出4～20mA，输出负载≤500Ω (7)精确度：±0.5% (8)报警输出：警告、危险两极报警； (9)继电器节点容量：DC30V/1A，AC125V/0.3A (10)使用电源：AC220V/50HZ±10%<20W 2.3.3电气参数的检测 电气参数指配套电机的负载和空载的电流、电压、励磁电流和电压、功率、功率因数等。电量参数监测采用EDA9033电量参数监测模块。该模块采用电磁隔离和光电隔离技术，电压输入、电流输入及输出三方完全隔离。在该系统中，PLC通过CP341模块与EDA9033通过MODBUS-RTU协议进行通信，所以电气参数通过由安装在各开关柜内的智能仪表单元与PLC以通讯的方式得到。 2.3.4电机轴承和定子温度检测 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，能够准确的测出轴承或定子的温度并将它们传给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。这中温度传感器的特点：耐振动，可靠性高，同时具有精确的灵敏性，稳定性好等。其性能指标如下： 连续监测风机工作时的轴承温度和电机的轴承温度，也是风机工况监测的一项重要任务。温度参数检测时，主要由温度检测元件和变送器、电压调理电路构成的检测电路与PLC进行通信，将温度参数上传至工控机。常用的温度检测传感器有热电阻式热电传感器、热电偶式传感器和热敏电阻传感器等。 热敏电阻传感器虽然价格低廉，但由于它们的阻值对温度的变化是非线性的，故热敏电阻通常所用的温度范围较狭窄。 热电偶式传感器在中温或高温外露条件使用时的稳定性不如热电阻式传感器。对于控制条件下校验热电偶性能，其可移动性或测试行较差。热电偶外露线必须使用沟环才能与热电偶仪器或控制设备相连。当周围温度变化时，所使用的仪器导线(镀铜)将会带来测量误差。 因此，结合本系统的监测要求，选择热电阻式热电传感器检测风机温度。在目前广泛使用的热电阻中，铂电阻的化学稳定性好，耐温高，易提纯，因而通常采用铂电阻作为一般温度计量仪器的温标基准。按照不同测点对温度测量范围的要求，本系统选择日本林电的PT100铂电阻，具体型号选择如下： 测点 型号 测量范围 风机主轴承温度 STT-S-AI-T 0~150℃ 电机轴承温度 STT-S-AI-T3 -50~200℃ 电机三相绕组温度 STT-S-AI-T3 -50~200℃       另外，在检测温度参数时，还需要有变送器将测量的温度参数转换成4-20mA的电流信号或0-5V的电压信号，以便于传送给PLC的模拟量模块。本系统考虑到现场安装的需要，选择性能/价格比较高的日本林电的STWB系列温度变送器模块，其技术参数如下： 输入信号：Pt100、Pt1000、Cu50、K、E、S 供电电压：24V 负载电阻：0～500Ω 输出信号：DC4～20mA 电压误差：<0.005%／V 精度：0.1%，0.2%，0.5% 工作环境：温度：-20℃～80℃；湿度：<95%RH 2.3.5开关量检测 监控系统的输入开关量主要包括一些开关、继电器的动作信号，如：泵站电机运行、主电机正反向合闸反馈、制动器限位开关、风门的打开和关闭、风门过力矩、叶片执行器自动以及测振器报警等。监控系统的输出开关量主要包括：泵站电机控制、风门打开和关闭控制、主电机正反向合闸、主电机正反向分闸、主电机正反向跳闸、制动器控制以及声光报警等。 在PLC控制系统中，输入输出开关量可通过开关量输入输出模块与PLC连接，由于本系统涉及的开关量较多，在此不进行讨论。 2.4 变频调速 2.4.1变频调速技术在矿井通风机上的应用概述 近几年来，随着电力电子技术和计算机控制技术的迅速发展，变频器的价格不断下降，其可靠性和功能性得到了不断提高和完善，使其在水泵、风机、电梯等设备上得到了广泛的应用。通风机在煤矿上的使用占有很大的份量，是煤矿生产中最大的耗电设备，采用传统的方法调节风量，风机运行效率低，流失大量电能，因此变频器在矿井通风机上的应用很有必要。一般地来讲，将变频器应用在矿井通风机上，具有以下的功能和优点： (l)可以实现风机的无级平滑调速，及时满足矿井生产的风量需求，提高风机的运行效率，节省大量的电能损耗。 (2)限制风机的启动电流，减少启动时的峰值功率损耗，消除电机起动和停止时，对机械和电气元件的冲击，延长其使用寿命。 (3)PLC控制技术和变频器结合使用，可以使通风系统具有完善的监控功能和高可靠性，减少通风机的检修和维护的工作量，节约设备的费用。 (4)变频器自身的保护功能齐全，有欠电压保护、过电压保护、过电流保护、短路保护、风机轴承过热保护等，使风机安全运行的可靠性得到大大提高。 2.4.2变频调速的基本原理 交流异步电机以其体积小、重量轻、价格低廉、运行性能稳定等优点，在机械的电力传动中应用最为普遍。但是交流电机不象直流电机那样，可以很方便地进行调速，它的调速问题一直比较困难。经过几十年的研究和发展，出现了许多交流电机的调速方式，如异步电机的变极调速、定子电压调速、转子串电阻调速、串级调速、变频调速等。目前，使用最广泛，效果最好的还是变频调速，变频调速技术的迅速发展，使交流电机调速困难的问题得以解决。 由电动机的拖动原理，可知交流异步电机的转速表达式为: (2-1) 由上式(2-1)、(2-2)和(2-3)可以看出，如果改变输入到异步电机定子绕组的电源频率 ，就可以改变异步电动机的同步转速 和转子转速n由电机学知识可知，交流异步电动机的转速n总是小于同步转速 ，而且它是随着同步转速的变化而变化的。当电源频率 增加时，同步转速 增加，交流异步电机的实际转速n也增加。反之，当电源频率 降低，同步转速 降低，交流异步电机的实际转速n也降低。这种通过改变电源频率来改变交流电动机转速的调速方式称为变频调速。在变频调速技术中，使用变频器向电动机提供频率可变的电源，去改变电动机的转速。 2.4.3风机变频调速节能分析 阀门调节与变频调速的节能比较： 图4为一矿井通风机的压力－流量(H－Q)特性曲线图，其中曲线a、b为管网阻力的特性曲线( < )，曲线1、2为风机在转速为 和 时压力－流量特性曲线( > )，交点A、B、C为矿井通风机的工况点。 图4 风机及管网的H－Q特性曲线图 图4中曲线1为风机开始调节前的风压一风量(H一Q)特性曲线，曲线a为管网风阻特性曲线(管网阻力最小)。假设风机设计工作在A点效率最高，输出风量 为100%，对应的轴功率 从与风量 和风压 的乘积面积A 成正比。 如果生产要求风量从 减少到 时，若采用关小风机管路阀门的方法调节，相当于增加管网阻力，使管网阻力特性曲线变化到b，系统工况点也由A点变到B点。从图中可以看出，风量虽然减小了，风压反而增加了，代表轴功率的面积B 比调节前减少不多。    若采用变频调速控制局部通风机的运行，随着风机转速的下降，风压－风量特性变为曲线2，系统工况也由A点变到C点，代表轴功率的面积C 比采用前一种方法调节显著减少，两者之差即是节省的气体功率。 当通风机稳定运行时，风机的风量、风压、功率与转速有以下比例关系： = = = 式中： 、 —通风机调节前后的转速，r/min； 、 —通风机转速调节前后的风压，Pa； 、 —通风机转速调节前后的功率，W。 由以上的比例关系，可以看出风机的风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。如果通风机的转速降低为原来的50%，则风量也变为原来的50%，功率降低为原来的12.5%，这说明通过改变通风机的转速的方式，可以改变通风机的功率输入，可以节省大量的电能。根据上述变频调速的原理，矿井通风机的转速。的改变，可以通过改变通风机输入电源的频率f1来改变，这一过程可以通过变频器来完成。 2.4.4变频器的结构 变频器按结构来分，分为交一交变频器和交一直一交变频器两种。交一交变频器可将工频交流电直接转变成频率和电压均可控制的交流电，又称为直接变频器。交一直一交变频器是把工频交流电经整流器先转换成直流电，然后经滤波环节后，再把直流电转换成频率、电压可控制的交流电，又称为间接变频器。目前，使用最多的通用变频器多是交一直一交变频器，它由主电路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路组成，其基本结构如下图所示 图5  变频器基本结构图 (1)整流器 整流器即是网侧变流器，它的作用是把三相或单相交流电整流成直流电。整流电路有可控整流电路和不可控整流电路两种 (2)逆变器 逆变器即是负载侧的变流器，它的主要作用在控制电路的控制下将直流电转变成频率、电压调节后的交流电，输出给外部设备。六个半导体主少干关器件组成的桥式电路是常见的逆变电路，通过控制电路控制开关器件的通、断，可以得到所需频率的交流电输出。 (3)中间直流环节 中间直流环节又称为中间储能环节，这是因为逆变器的负载多为感性负载，其功率因数小于1，使得在中间直流环节和电动机之间存在着无功率的交换。这种无功能量需要中间直流环节中的电容器或电抗器来进行缓冲 (4)控制电路 控制电路是变频器的核心，它通常由运算电路、检测电路、门极驱动电路、外部接口电路和保护电路等组成，其作用主要是完成对逆变器的开关控制和频率控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等 2.4.5 PLC控制变频器的方式 在许多工程应用中，为了提高控制系统的自动化水平，需要把PLC和变频器结合起来使用，对异步电机进行变频调速控制。总的来说，PLC控制变频器的方式主要有以下三种方式： (1)频率输出控制端子的逻辑组合方式 大多数变频器都有几个不同的频率输出控制端子，我们可以通过变频器参数的设定，设置控制端子不同的频率输出。通过对变频器控制端子逻辑输入口的逻辑组合，可以实现电机的启停控制和输出频率的改变网。其逻辑组合控制是用PLC的输出去控制变频器控制端子的ON/OFF状态，使变频器输出不同频率的电源，进而控制异步电机的转速。由于变频器控制端子的输出频率是预先设定的，它的输出频率也只是一些固定的数值，不能实现异步电机的无级平滑调速。因此，这种控制方式只适合不需要电机连续调速就能满足生产要求的场合。 (2)通讯的方式 目前一般的变频器都带有RS485接口，大多数的PLC也都支持RS485的通讯。通过串行电缆把PLC和变频器的RS485通讯接口连接起来，用通讯的方式把频率由PLC传给变频器，这就是PLC控制变频器的通讯方式。在这种控制方式中，要占用PLC的一个通讯接口，如果PLC的通讯接口为RS232接口，加一个转换器转换成RS485接口就可以了。如PLC通过通讯的方式来监控变频器，可以传送大量的信息，连续地监控多台变频器，还可以通过通讯修改变频器的参数，实现多台变频器的联动控制和同步控制。由于变频器的种类很多，不同厂家生产的变频器使用不同的通信协议，有Modbus从站协议、USS协议和用户自定义协议等，必须用变频器支持的协议来完成PLC和变频器的通讯。 (3)模拟量控制的方式 现在生产的PLC一般都具有模拟量信号处理的功能，模拟量信号通过A/D模块和D/A模块转换后，输出0~10V的电压或4~20mA的电流，把输出的信输入到变频器相应的模拟量输入端子，可以控制变频器输出电源的频率，这种PLC控制变频器的方式，称为模拟量的控制方式。它要求PLC和变频器的控制距离不是很远，且是一对一的控制场合，但这种控制方式使用起来比较简单，对PLC的要求也不是很高。由于本控制系统中采用的是两台变频器控制对旋轴流风机两台电机的，是一对一控制，为说明问题，本系统采用PLC控制变频器的模拟量控制方式。 3通信网络的实现 3.1风机自动化监控系统的整体结构 系统共分三层：设备层，控制层，监控层 设备层即现场测量层主要实现风机变量参数的测量和风机的控制，由各种传感器，电量监测设备，变频器等组成，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的采集。 中央控制层由带有以太网接口的PLC组成，PLC作为总站，就地站以及远程输入站作为从站，采用PROFIBUS-DP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。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。 远程监控管理层直接接入矿调度室，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。 图6  网络结构 3.2基于现场总线和工业以太网的控制系统 3.2.1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DCS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。 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PC、PLC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。工业以太网是基于以太网技术和TCP/IP技术开发出来的一种工业通信网络。工业以太网广泛应用于工厂的控制级通信，以实现PLC与PLC之间，PLC与PC机之间的通信。 3.2.2现场总线与以太网的互连 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。其互连模型如图7所示： 图7现场总线与以太网互联 3.2.3网络的具体实现方法 本系统现场总线采用PROFIBUS-DP总线。PROFIBUS-DP一般用于车间设备级的高速数据通信，主站（PLC或IPC等）通过标准的PROFIBUS-DP专用电缆与分散的现场设备（远程I/O，驱动器，阀门，智能传感器等）进行通信，对整个DP网络进行管理和控制。DP采用双绞线或光缆作为传输介质，传输速率从9.6kbit/s到12Mbit/s。S7-200 PLC可以通过EM277  PROFIBUS-DP通信模块连接到PROFIBUS-DP网络中。 同时本系统中采用CP243-1 以太网通信模块将S7-200 PLC连接到工业以太网中。借助于CP243-1，S7-200可以用于远程组态，编程和诊断。 4系统的硬件设计 4.1系统硬件连接 系统的硬件连接见附录1。 4.2主电路 主电路中MA1，MA2为对旋式轴流风机的两台电机，交流接触器QA4、QA6分别控制MA1、MA2的工频运行；交流接触器QA3、QA5分别控制MA1、MA2的变频运行；QA1为主电路电源的隔离开关；FA为主电路的熔断器；BB1、BB2为电机MA1、MA2的热继电器。 图8  主电路图 4.3控制电路的设计 在风机控制系统硬件电路的控制电路部分，利用PLC进行控制，可以大大提高系统的可靠性、节省大量的继电器、实现较复杂的逻辑控制以及进行模拟量控制等功能。控制系统采用Siemens S7-200系列CPU226，同时外部扩展EM235和EM231模块。本控制系统接线图如下图9所示。 该PLC控制系统可以实现风机手动工频、自动变频和手动变频运行的切换，其中手动变频是指使用变频器控制面板手动控制风机的变频运行。在风机自动变频运行时，是利用采集到的风压信号进行通风机的变频调速控制。其中按钮SF0控制风机的自动变频运行；按钮SB1控制风机的手动变频运行；按钮SF2控制风机的工频运行；按钮SF3控制风机的停止；按钮SF4为报警灯铃的调试按钮；SF5为消铃按钮；PG1、PG3分别为MA1、MA2变频运行指示灯；PG2、PG4分别为MA1、MA2工频运行的指示灯；PG5为变频器故障报警指示灯；PG6为1#电机振动异常指示灯；PG7为2#电机振动异常指示灯；PG8为井巷压力下限指示灯；PG9为1#电机温度上限指示灯；PG10为2#电机温度上限指示灯；PB为报警电铃。 图9    控制电路 系统的I/O地址分配如下表所示： 名称 代码 地址编码 输入信号 自动变频按钮 SF0 I0.0 手动变频按钮 SF1 I0.1 工频运行切换按钮 SF2 I0.2 停止运行按钮 SF3 I0.3 变频器1故障输入 1RL1 I0.4 变频器2故障输入 2RL1 I0.5 试灯铃按钮 SF4 I1.0 消铃按钮 SF5 I1.1 振动变送器输入 TF AIW0 负压传感器输入 BP1 AIW2 压力传感器输入 BP2 AIW4 1#电机定子温度输入 BT1 AIW6 1#电机轴承温度输入 BT2 AIW8 2#电机定子温度输入 BT3 AIW10 2#电机轴承温度输入 BT4 AIW12       名称 代码 地址编码 输出信号 1#风机变频运行接触器 指示灯 QA3，PG1 Q0.0 1#风机工频运行接触器 指示灯 QA4，PG2 Q0.1 2#风机变频运行接触器 指示灯 QA5，PG3 Q0.2 2#风机工频运行接触器 指示灯 QA6，PG4 Q0.3 变频器1启动 1DIN1 Q0.4 变频器1故障复位 1DIN3 Q0.5 变频器2启动 2DIN1 Q0.6 变频器2故障故障复位 2DIN3 Q0.7 变频器故障信号灯 PG5 Q1.0 1#电机振动异常指示灯 PG6 Q1.1 2#电机振动异常指示灯 PG8 Q1.2 井巷压力下限指示灯 PG8 Q1.3 1#电机温度上限指示灯 PG9 Q1.4 2#电机温度上限指示灯 PG10 Q1.5 报警电铃 PB Q1.6 风压模拟量输出 --- AQW0       表1  I/O 地址分配 4.4 器件的选型 4.4.1PLC的选型 在进行PLC型号的选择时，要考虑控制系统实现的功能，选择低档机、中档机还是高档机。另外，还要考虑IO点数的要求，一般在确定控制系统的IO点数后，还要留有15%一20%备选IO点数。同时，还要考虑PLC的存储容量，还要留有30%一50%的裕量。最后还要根据系统的功能要求，考虑是否要选择模拟量输入/输出模块和特殊功能模块。 CPU226具有24输入/16输出，共40个数字量IO点；有2个RS485通信/编程接口；有PID控制器，具有PID自整定的功能；也有PPI/MPI和自由方式通信的能力。更大的存储空间，更强的扩展能力及更快的运行速度和强大的内部集成特殊功能，使其可以满足复杂的中小型控制系统的要求。 在本设计中共有8输入/11输出，7点模拟量输入和1点模拟量输出。综合上述条件，本系统选用Siemen公司S7-200系列CPU226的PLC。另外选用EM235模块和EM231模块。EM235模块有4点模拟量输入，1点模拟量输出。EM231有4点模拟量输入。同时由于本系统要求100～230V AC电源， DC24V输入，继电器输出，选择CPU226中ES7 216-2BD23-0XB0型号。CPU系统配置具体如下： 功能 型号 数量 主控单元 CPU226 AC/DC/RELAY 1 模拟量扩展 EM235 4AI/1DO EM231 4AI 1 1 通讯模块扩展 以太网CP243-1 EM227 1 1       表2  CPU单元选型 4.4.2变频器的选型 1.变频器的容量选择 风机在某一转速下运行时,其阻转矩一般不会发生变化,只要转速不超过额定值,电动机也不会过载,一般变频器在出厂标注的额定容量都具有一定的余量安全系数,所以选择变频器容量与所驱动的电动机容量相同即可。若考虑更大的余量,也可以选择比电动机容量大一个级别的变频器,但价格要高出不少 2.变频器的运行控制方式选择 风机采用变频调速控制后,操作人员可以通过调节安装在工作台上的按钮或电位器调节风机的转速,操作十分简易方便。变频器的运行控制方式选择，可依据风机在低速运行时，阻转矩很小，不存在低频时带不动负载的问题，故采用V/F（恒压频比）控制方式即可。并且，从节能的角度考虑，V/F控制方式是最低的。 风机、泵类负载在一定的速度范围内运转时，空气或液体所产生的阻力大致与转速n的平方成正比，转矩按转速平方的变化而变化，这类负载称为平方转矩负载。根据变频器的选择原则，该系统中选用的是两台型号为Siemens MM430风机和泵类变转矩负载专用变频器。使用V/F控制方式的变频器来控制风机的转速。MicroMaster430是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家，功率范围7.5kW至250kW。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高度可靠性和灵活性。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。 本系统中实验风机的功率为2×4Kw，因此可以选择同样功率的变频器。 4.5变频器与PLC的连接 图10 变频器与PLC的连接 图10中变频器的故障信号输出接PLC的I0.4端口，PLC的输出端口Q0.4与Q0.5接变频器的数字输入端DIN1和DIN3，用于变频器启动和停止控制。压力传感器采集的信号经PLC处理后，由EM235模块的3口和5口输出，连接MM430变频器的AIN+和AIN-端口，进而控制两台电机的运行。 4.6风量的控制算法 4.6.1变频器输入值计算 上面提到：当通风机稳定运行时，风机的风量、风压、功率与转速有以下比例关系： = = = 式中： 、 —通风机调节前后的转速，r/min； 、 —通风机转速调节前后的风压，Pa； 、 —通风机转速调节前后的功率，W。 风机工频运行时，在稳定工作区的出气静压为88.2一2296.0Pa，风机管道的出气风量为1.50-2.66 /s假设某煤矿一井下掘进工作面需要19人工作，根据《煤炭安全规程》规定每人每分钟需要的风量应不少于 /s，如设定为5 /s，可计算出要求风机管道的出气风量为 Q=1.6 /s。令 =2900r/min， =2.66 /s， =50Hz， =1.60 /s，根据风机的比例定律，可求出掘进巷道开始掘进时，风机变频调速的起始速度 =( / ) =1744r/min。再根据风机转速与输入电源频率的线性关系，可估算出 =1.60 /s时，变频器输出给风机的电源电压频率 =( / ) =30Hz。 当巷道中的管网阻力增加时，风机的风量随之减小，为了满足所需风量的要求，要调节风机的转速控制风机的风量。为了实现这一目的，本系统采用根据风机出气风压的变化进行风量的控制。首先，用压力传感器采集风机的出气风压。然后，根据风机的比例定律，把风压转换到风机额定转速卞的压力。接着，根据风机额定转速下的压力一流量特性曲线方程，求出此风压下对应的风量大小。最后，再根据风机的比例定律，求出风量达到设定的1.6 /s时，风机需要调整的转速大小。由于变频器0-10V的模拟输入电压对应 0-50Hz的输出电压频率，而0~50Hz的电压频率又对应风机0-2900r/min的转速。根据此线性关系，可以求出风机达到需要调整的转速时，变频器需要的模拟输入电压值。其具体的理论算法如下图11所示。 图11  风机及管网风量-风压特性曲线 风机在刚开始启动时，风机的管网阻力最小为 ，输入电源电压频率为30Hz(变频器设定)，其工作的工况点为0。由以上表4中的实验数据，可知此工况点的风量 =1.60 /s，风压 =33.8Pa，风机转速 =1744r/min。根据变频器的输出频率与其输入模拟电压的线性关系，可知 =30HZ时，对应变频器的模拟输入电压 =30/50 10=6.0V。当风机的管网阻力由 增加到 ，时，工况点由0到1，风量由 减小到 。此时，压力传感器采集的压力为 ，可由下面风机的比例关系式求出工况点3的压力值。 (4-1) 式中： ， —工况点1、3时出气风压，Pa； ， —工况点1、3时风机转速，r/min； ， —工况点1、3时变频器输出电压频率，HZ； ， —工况点1、3时变频器输入模拟电压，V。 (4-2) 其中，工况点3为风机工频运行是的工况点， =2900r/min， =50HZ， =10V，并且 = ， = ， = ， 是由压力传感器测得的。 根据风机工频的P-Q特性曲线方程把由式(4-2)求得的 代入，可求得此压力对应的风量 到设定的1.60 /s时，需要给变频器的模拟输入电压 。 式中： ， 工况点2、3时风机风量， /s； ， 工况点2、3时风机转速，r/min； ， 工况点2、3时变频器输出电压频率，HZ； ， 工况点2、3时变频器输入模拟电压，V。则 (4-3) 最后，把由(4-3)式求得的模拟输入电压值输出给变频器的模拟量控制端，便可使风机的转速调节到 ，使风机的风量达到设定的1.60 /s。同理，当风机的管网阻力再变化时，根据采集的风压大小，依据此算法即可及时地调节风机的转速，控制风机的风量。 4.6.2 U-P和Q-P曲线的拟合 在PLC程序中，变频器模拟输入电压值是根据其与采集出气风压(U一P)的拟合函数方程求得的。该拟合方程是根据以上所述算法，理论计算出不同出气风压对应的变频器模拟输入电压值，然后对这些理论数据进行拟合求得的。工频风量的求解则是由工频风量与采集压力(Q一P)的拟合方程求得的。其拟合方程是把采集的不同出气风压转换到工频风压，然后根据风机工频的压力流量特性曲线方程求出所对应的风量值，对理论计算数据进行拟合求得的。 5主通风机监控系统的软件设计 主通风机监控系统的软件设计包括PLC软件设计和组态软件设计两部分。 5.1 PLC软件设计 PLC软件部分用STEP7-Micro/WIN编程。 程序包括主控制程序、参数初始化子程序0、模拟量模块检查子程序1、电机轴承，定子温度采样求平均值子程序2、振动传感器采样求平均值子程序3、风压采样及模拟输入电压和风量计算子程序4、变频器模拟输入电压中断程序0以及报警中断程序。 5.1.1主控制程序流程 图12  主程序流程图 主控制程序用来控制风机的自动变频、手动变频和工频运行、子程序的调用和中断时间的设置，以及实现电机温度超限报警、变频器和风机故障报警、变频器故障复位等功能。主控制程序的程序流程如图12所示。PLC主控制程序在执行时，先判断风机是否自动变频运行。若是，则调用参数初始化子程序0和模块连接检查子程序1，如果EM235和EM231模块连接有错误，则程序结束；如果检查EM235和EM231模块连接无错误，则调用子程序2、3、4采集电机定子轴承温度，振动参数和风机的管网压力大小。然后根据设置的定时中断时间，定时连接变频器的模拟输入电压中断程序0，再判断变频器是否有故障，电机温度是否超限以及电机是否振动异常。若都不，则把根据采集风压计算的模拟电压值输出给变频器，进行风机的变频调速控制；当风机不进行自动变频运行时，判断其是否手动变频运行。若是，则程序开始执行判断频器是否有故障；若不是，则风机进行工频运行。 5.1.2子程序0和1程序流程 子程序0的作用是寄存器中有关参数的初始化，包括温度采样平均值初始化、风压采样平均值初始化、模拟电压及风量计算系数初始化、振动参数采样初始化等。当主控制程序在开始执行时，若风机处于自动变频运行状态，该程序即被调用一次。在调用子程序进行信号采集前，要调用子程序1检查该扩展模块EM235和EM231模块是否存在，用户电源是否有错。若有错，则控制系统的主程序立即结束；若无错，则进行子程序2、3和4的调用。子程序0和子程序1的程序流程如图13所示。 图13 子程序0与子程序1流程图 5.1.3子程序2和3程序流程 子程序2和3的程序流程如图14所示。 子程序2用于采集电机定子和轴承温度，然后把采集的数值进行累加求平均值，作为一次采集值。本流程图中以1#电机定子温度采集为例，其它温度采集与之类似。而子程序3则是用来采集轴承的振动参数， 然后把采集的数值累加求平均值，作为一次采集值。最后由PLC对数据进行分析，包括定子和轴承的温度是否超标，轴承振动是否异常，进而判断是否报警或进行断电处理。 图14  子程序2与子程序3流程图 5.1.4子程序4程序流程 子程序4用来从压力传感器中采集风压信号，并把每次采集的数值进行累加，次数达到1000次时，求其平均数值，作为一次采集的出气压力值。由于PLC采集的电压值为0-32000之间的数字量，需要根据传感器采集的压力值与输出电压的线性关系，把PLC采集的数值转换成实际的风压值。然后，根据风量达到1.6 /s时变频器需要的模拟输入电压值与出气风压的拟合方程，求出此风压对应的模拟输入电压值。同时，根据采集风压转换到工频风压所对应的风量与采集风压的拟合方程，求出此风压对应的风量。其程序的流程如图15所示。 图15 子程序4流程图 5.1.5中断子程序 满足风量要求的模拟输入电压值为子程序4中计算的模拟电压值，把计算所得的模拟电压值转换成0-32000之间的数字量，送给PLC模拟量模块的输出端AIWO，输出给变频器的模拟量控制端子，对风机进行变频调速控制。中断子程序流程图略。 5.2组态软件设计 组态软件选用北京亚控公司的KINGVIEW 6.52。组态王6.52是一个具有丰富功能HMI/SCADA软件，可用于工业自动化的过程控制和管理监控。组态王6.52为系统工程师提供了集成、灵活、易用的开发环境和广泛的功能，能够快速建立、测试和部署自动化应用，来连接、传递和记录实时信息。用户可以实时查看和控制工业生产过程。组态王还提供了一套全新的、集成的报表系统，内部提供丰富的报表函数，用户可以根据工程的需要任意改变报表的外观。组态王的WEB画面采用分组式发布、网站式浏览的形式，设计者和操作人员无需做更多的事情。WEB发布的分为两级：普通用户只能浏览画面，不能修改数据；高级用户(调度中心、厂长办公室)则可以看到所有发布的画面，而且可以读写相关数据和操作原画面中的有权限设置的图素等。组态软件在系统中的主要功能是：模拟运行画面，提供良好的人机界面，接收从PLC传送的实时数据在画面上显示，按需求记录实时监测数据，记录报警事件，包括报警量、报警值、报警时间、恢复时间和操作人员等。操作人员可以在此人机界面上直接发出风门开关、启停风机和正反转的命令，PLC接收到从组态软件传出的命令后，驱动相应的继电器，执行机构执行命令。PLC接收操作完成的信号并传送给组态软件显示。 5.2.1KINGVIEW 6.52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。 5.2.2煤矿主通风机在线监测系统主界面 煤矿主通风机在线监测系统主界面如图16所示。主界面实现风机的在线监控功能，通过PLC与上位工控机的通信，实现矿井通风系统的无人值守。主界面中包含风机各种参数如风量，风压，负压，电机定子温度，轴承温度，振动参数的实时显示，以及电机的三相电压，电流，功率等。同时含有趋势曲线，报警窗口，报表查询等选项。 图16煤矿主通风机在线监测系统主界面 5.2.3 PLC控制变频器调速系统主界面 图17  PLC控制变频器调速系统主界面 变频调速主界面中包含电机的启动，停止按钮，以及电机的变频/工频运行按钮，故障复位，报警解除按钮以及对应的指示灯。用以实现风机的远程变频调控和故障报警等功能。 结论 本论文通过下位机与上位机的组合，完成了矿井通风机的在线监测，实现通风机房的无人值守。同时，本文引入变频器实现对风机的变频调速，不仅节省电能，提高了风机的工作效率，同时还能实现风机的软启动及风机的无级平滑调速。文章中，根据风机的压力-流量曲线提出了风机变频运行时，根据压力传感器检测的风量，计算变频器的输入电压值。最后，本论文给出了设计流程图。本论文还有许多地方值得进一步研究： 1变频器的自动变频调速方面，为了提高调速系统的精确度，可以进一步引入各种算法，如神经网络等。也可以运用PLC内部自带的PID调节器。 2 在下位机部分，本文是将传感器所检测的数据传送到PLC进行分析处理，并传与上位机显示，报警，在现场中可以在下位机部分引入液晶屏以显示系统参数及实现报警功能。 3 本论文为了说明问题，在传感器选择方面仅介绍温度，振动等大方向的测量，现场中需要测量的参数跟多，比如温度方面包括风机主轴承温度，电机轴承温度，定子三相温度，转子温度，入口温度等；振荡参数的测量也包括东西轴xyz三个方向。 4 本论文中PLC与变频器的连接采用模拟量输入电缆连接的方法，这种方法受距离限制且容易受到干扰，现场中一般考虑采用PLC与变频器通信的控制方式 5 在PLC与上位机通信方面，本文仅给出简单的设计思路和方法，具体的实现还有待研究。 参考文献 [1] 王永华.现代电气控制及PLC应用技术(第二版).北京：北京航空航天大学出版社，2008.2 [2] 全国煤炭技工教材编审委员会.矿井通风与安全.北京：煤炭工业出版社，2003.1 [3] 钱德群.矿井通风安全仪器及监控系统.北京：煤炭工业出版社，1992