矿井通风机监控系统设计方案.docx

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矿井通风机监控系统设计方案

矿井通风机监控系统设计方案

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。

国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年因泰莱电器股份为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

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

风机主要技术指标

1.风量

单位时间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的实际转数,以n表示,单位为r/min。

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

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〔对功率曲线在调节围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,在很大变工况围保持较高的效率,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

2.2.1PLC概述

国际电工委员会对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。

2.2.2PLC的基本构成

图2PLC的一般构成

中央处理单元

中央处理单元一般由控制器,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。

2.2.3PLC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：

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4～20mA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

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。

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：

±12VDC,<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

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的智能仪表单元与PLC以通讯的方式得到。

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围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