基于PLC的矿井通风机监控系统设计 23.docx

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基于PLC的矿井通风机监控系统设计23

毕业设计（论文）

题目：

基于plc的矿井通风监控系统的设计

院系：

电子工程系

专业班级：

电气104班

指导教师：

黄俊梅

学生姓名：

李青洲

学号：

100433423

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。

上位机使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和变频调节，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方法，具有很重要的使用前景。

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。

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、计算机和自动控制和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，在实际使用中取得了很好的效果。

但和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,未和整个矿井通风系统、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，就能够和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使用软件发展趋势

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、煤和瓦斯突出、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实现信号采集和实时监测，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和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和伦比的优点，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，由叶片和气体的相互作用，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和轴功率的比值，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。