基于PLC的矿用通风机在线监控系统的设计本科毕业设计论文.docx

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基于PLC的矿用通风机在线监控系统的设计本科毕业设计论文

摘要

矿井主通风机是煤矿生产的关键性设备，其可靠性及安全性直接关系到矿井生产的正常化及煤矿工人的人身安全。

随着中国煤炭工业的不断发展，国家对安全生产治理力度的加大,煤矿企业对矿井通风监控系统提出了更高的要求。

风机在线监控系统能够使操作人员更为直观地了解风机当前的运行状况，并通过观测风机系统相关参数、历史数据来分析风机工作情况，预测风机可能发生的故障隐患。

监控系统的实时报警功能能够使风机操作人员及时发现风机出现的故障并加以解决，确保风机可靠、稳定地运行。

本文设计了基于PLC的煤矿主扇风机在线监控系统。

该通风机在线监测系统可以实现对通风机性能参数、工矿参数的在线实时监测和对于风机的远程控制。

可以根据用户需要绘制出通风机的性能曲线和打印数据报表方便用户管理。

文中给出了系统的总体设计情况，并详细的介绍了传感器、PLC的选型、以及PLC软件的设计和上位Wincc组态软件设计过程，而后从理论上分析了风机运行的相关参数及测量方法。

监测系统界面友好、操作方便、功能齐全，既实现了对现场数据的实时监测、控制，又提高了矿井现代化管理水平，对于同类系统的设计具有一定的借鉴意义。

关键词：

煤矿主通风机Wincc组态软件PLC监控系统设计

Abstract

Thecoalminemainfanisthecoalmineproductioncrucialequipment,itsreliabilityandsafetyisdirectlyrelatedtothenormalizationofmineproductionnormalizedandcoalminer'spersonalsafety.AlongwiththeChinacoalindustryunceasingdevelopment,thecountrytosafetyinproductiongovernmentdynamicsenlarging,thecoalmineenterpriseahigherrequesttomineventilationequipment.

Onlinemonitoringandcontrolsystemofcoalminesprovidesoperatorsamoreintuitiveunderstandingofcurrentworkingofthefan.Monitoringhistoricaldataofparametersofcoalminesfanwillhelptoanalyzetheworkingstatusoffansandpredictpossiblefailureshiddeninfan.Real-timealarmmonitoringsystemenablestheoperatortofindtheproblemsofthefanandresolveproblemstoensureworkingofthefaninareliableandstableway.

Thisarticledevisesthemineventilatorsupervisorysystem,whichisbasedontheprogrammablecontrollerandthetouchscreenasthecore.Thisventilatorperformanceobservationsystemmayrealizetheonlinereal-timemonitorofventilatorperformanceparameterandtheoperatingmodeparameter,aswellastheremotecontrolofairblower.Accordingtotheuserneed,itcandrawuptheventilator'sperformancecurveandtheprintingdatareportform,anditismuchconvenientforuser’smanagement.Thearticlehasshownthegeneraldesignsituationbythenumbers,andintroductionsensor,PLCshaping,aswellasPLCsoftware'sdesignandsuperiorWinccconfigurationsoftwaredesignprocessindetail,andanalysisoftherelevantparametersofcoalminesfanandtheirmeasurementmethods.Theobservationsystemcontactsurfaceisfriendlywiththeeaseofoperation,andthefunctionisalsocompleted.Itdoesnotrealizethefielddatareal-timemonitorandcontrol,butalsoraisestheminepitmodernmanagementlevel,besides,ithasthesignificantmeaningforthesimilarsystem'sdesign.

Keywords:

coalmine;mineventilator;Winccconfigurationsoftware；PLC;monitoringandcontrolsystem;design

1绪论

主通风机是煤矿的四大固定设备之一，担负着向井下输送新鲜空气、排出粉尘和污浊气流的重任。

主通风机若发生故障停车，将会对整个矿井的生产和安全构成严重威胁。

因此，需建立一套功能完善的主通风机在线监测系统，以保障主通风机的安全、可靠运行。

本文将介绍一种基于PLC的主通风机在线监测系统的设计。

该系统投入运行后，可使工作人员随时掌握主通风机的运行状态，并且对该系统进行远程的控制，对设备的故障进行诊断，还能对设备传动系统存在的隐患进行分析并给予预警，使工作人员合理安排检修计划，从而降低了设备的运行和维护成本。

1.1矿井主通风机在线监控现状

近年来,许多学校、科研院所研制出了多种主通风机的监测、监控和故障诊断系统或仪器仪表,并通过许多单位的试验,在现场应用中取得了良好的效果。

中国矿业大学胡亚非教授等人研制的矿井主通风机性能在线监测与通讯系统,方法新颖独特,其风量的监测方法解决了矿井恶劣通风条件下,在线监测风流含尘、潮湿、脉动、可靠性及准确性差的关键技术难题,提高了矿井通风设备自动化、科学化管理水平。

该系统可以进行主通风机性能参数的在线监测、通风机性能曲线的定期测定、可实现通风机房与机电科、通风科、调度室等管理部门的通讯联网。

计算机操作界面友好,可以查看历史记录,按需打印监测结果数据或曲线图形。

该系统在充州矿务局鲍店煤矿南北风井、济宁二号煤矿中央风井、济宁许厂煤矿、山东里彦煤矿投入使用,至今系统性能可靠、功能较全,在国内矿井主通风机在线监测监控方面处于前列。

煤科总院抚顺分院研制的ZF-1型智能通风多参数测试仪可同时测量压力、温度及风速三个通风参数。

淮南矿务局1995年从德国AEG公司引进的配套风机电控系统（风机是德国TLT公司生产的矿用轴流风机,采用绕线式异步电动机拖动,转子串液体电阻的起动方案）采用两台PLC作下位机对风机进行冗余控制,通过上位PLC设定风机的运行参数,监视风机的运行状态和故障信息。

东滩煤矿引进的4台法国HDR280-69型动调轴流风机,用于北、西风井。

其动叶片角度调节采用伺服电机+机械连杆系统,连续可调采取调节动叶片角度反风,取消了反风道;当一台风机停机时,另一台风机能自动投入运行;叶片角度测量分就地显示和控制柜显示两种。

运行情况良好,年运行费用低,在不停机的情况下实现工况点的连续可调或反风,调节灵活方便。

此外,煤科总院上海分院、山西矿业学院、辽宁工程技术大学、西安矿业学院等科研机构和学校也都研制出不同的矿井主通风机在线监测监控系统,经应用也取得了良好的效果。

测试是故障诊断的前提,故障诊断是测试的更好应用。

近些年,故障诊断在矿井主通风机在线监测监控方面也有一定程度的应用。

如煤科总院重庆分院研制的FJZ型矿井主通风机在线监测与故障诊断仪,对通风机的振动烈度、轴心轨迹、轴温、风量、负压、电流、电压等多种参数进行实时监测,对常见的“初始不平衡”、“转子偏心”等14种机械故障进行自动诊断,在和全矿监测主系统联网后,能及时将通风机运行状况信息送至地面中心站,应用情况很好。

由于故障诊断系统可以较早的发现故障、预报故障、尽快地找到故障源,无疑大大增强了矿井主通风机在线监测、监控的功能,提高了煤矿自动化管理水平。

1.2矿井主通风机在线监控的展望

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：

1.矿井主通风机在线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。

2.矿井主通风机在线监控的可靠性有待进一步提高。

3.矿井主通风机在线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,我们认为矿井主通风机在线监控应在如下几个方面发展。

1.2.1矿井主通风机故障诊断智能化

监控系统的一个重要分支就是故障诊断技术。

故障诊断技术在矿井主通风机中的应用,使得通风机的定期检修变成了故障维修。

通风机的故障很多,如喘振、叶片产生裂纹、轴承温度过高、轴承磨损、失效、主轴故障、润滑油缺少、叶片撕裂、焊缝开焊及支杆折断、电源的欠压过流及断路器的故障等。

而目前的风机故障诊断技术,如振声诊断法、红外线热成象技术、油样分析等,大多是一种完全基于检测数据处理的传统诊断方法。

这种传统的单独诊断技术往往仅考虑某一种信息,再根据计算结果和极简单的因果推理来进行诊断,所得到的诊断结果难免具有片面性,这对于并发性故障的诊断、监测系统本身的故障诊断是十分不利的。

人工智能技术的发展,特别是基于知识的专家系统和并行分布处理为特征的人工神经网络技术在故障诊断中的应用,使得故障诊断技术进入一个智能化发展阶段。

近几年,国内外在知识库的建立、模式识别技术、计算机语言方面进行了大量研究,并取得了很大进展。

在知识库建立方面,面向对象的智能数据库的研究和发展,使得今后的数据库本身就具备知识的表达、存取、检索、查询、分类、推理、演绎等功能,并且利用神经网络模型对数据库实现高速检索在模式识别技术方面,人工神经网络以其并行计算、分布贮存和自适应学习的特点,应用于模式识别,人工神经网络与模糊理论相结合应用于知识表达等在计算机语言方面,面向对象的编程语言为人们提供了一种全新的能够更自然、更直接、更充分地表达现实世界事物的方法,其优越性表现在信息的隐藏与封装、抽象数据、继承性、多形化、完善的模块化。

这些新理论、新技术的应用,大大地推进了风机故障诊断专家系统的开发,如华中理工大学研制的基于“浅知识”（即专家的经验知识）的故障诊断系统、东北工学院研制的基于随机法的故障诊断系统。

中国矿业大学的研发人员把小波变换、傅立叶分析和模糊理论作为信号处理手段提取振动信号特征,将多层感知器和演化算法作为故障模式识别手段,开发了一个通用型智能旋转机械故障诊断系统。

又如煤科总院重庆分院研制的型矿井主通风机在线监测与故障诊断仪采用了灰色理论,对通风机故障类型进行快速定位,首先利用高精度加速度传感器测出通风机敏感部位的振动加速度,计算烈度值,按ISO2372标准,若超标便进行1024点的FFT变换,计算其振动的加速度功率谱,再根据功率谱的分布与存入机内的设备标准故障模式（专家系统）进行灰色关联分析,根据关联度的大小,诊断通风机机械故障类型。

下一步的工作就是完善这些技术并达到现场应用的程度。

在科研人员的努力下,应用人工神经网络、模式识别、计算机技术的智能故障诊断系统将逐渐发展,其在风机故障诊断中的应用也会愈来愈广。

可以预见,基于知识的信号智能分析技术与智能化诊断是风机故障诊断的重要发展向。

1.2.2矿井主通风机可控制化、控制智能化

目前,我国已有的通风机监控系统主要是监测功能,实时反映通风机的工况,而未充分发挥其控制功能。

当然,其中的原因是多方面的。

一是矿井主通风机是煤矿的关键设备,《煤矿安全规程》要求其是万无一失的,因此对计算机监测监控系统的可靠性要求十分高。

但现在的科学水平,还不能使计算机监测监控系统达到万无一失,如东滩煤矿引进的风机监测系统是世界上处于领先水平的风机监测系统,却发生了在风机运行停止个多小时的情况下竟然没有报警,造成了重大事故。

造成这些情况的原因有①矿井环境中干扰多。

如矿井环境恶劣,风流含尘潮湿等,高压电器设备、大功率设备的运转和起停都会给计算机监控系统带来干扰,降低了系统工作的安全性其次是开发的软件的可靠性较低再就是系统传感器、二次仪表的可靠性较低⋯⋯。

这些都是迫切需要解决的问题。

②矿井主通风机的操作要求特殊。

操作要求特殊,操作过程复杂,受《煤矿安全规程》的制约。

《煤矿安全规程》第条规定“备用扇风机或备用电动机配套扇风机,必须能在10min内开动”第124条规定“生产矿井主要扇风机必须装有反风设施,必须能10min在内改变巷道中的风流方向”。

井下风流潮湿含尘,对风门及其操作机构具有腐蚀性,时间一长,风门及其操作机构锈蚀甚至锈死,控制信号发出后,执行机构有可能“怠工”,如机构卡死、执行不到位（如风门在开关过程中就遇到这些情况）,而当这些情况发生时,再由管理人员前去处理,时间已来不及了,严重的会造成重大井下事故。

这些情况严重制约着监控系统的应用,也是现阶段研制出控制系统而未应用的重要因。

简单的测量通风机的环境参数、电参数和通风机的控制是远远不够的,还需要发展风机控制的智能化。

智能是人们认识客观事物并运用知识解决实际问题的能力,它表现在运用知识、认识新情况、解决新问题、学习新方法、预见新趋势、创造新思维的能力。

人工智能则是运用人工手段模仿人类的智能行为。

矿井主通风机控制系统智能化表现在：

（1）根据环境监测参数自动动作。

根据井下监测到的环境参数如风量、瓦斯浓度、CO浓度、CO2浓度、粉尘、湿度等,从而完成对通风机的调节、倒机（能够在风机启动前自动进行盘车）、倒换风门等一系列动作。

（2）根据风机性能监测参数而自动动作。

根据监测到的风机参数如风量、负压、效率、风叶角度,能够确定风机是否工作在喘振区、工作状态是否满足矿并需要,并能进行自校正。

（3）根据监测的电参数而自动动作。

根据监测到电参数如电机功率、电机转速、励磁电流、励滋电压、定子电流、定子电压、功率因数等,能够确定电机工作是否正常,并能进行自校正。

（4）监测监控智能化与故障诊断智能化紧密结合。

故障诊断系统将诊断到的风机或电机的故障反馈给监测监控系统或风机管理人员,进行自调整或报警。

随着机械执行机构可靠性的提高,以及材料技术、传感器及测试技术、计算机硬件软件技术、通讯技术、人工智能技术等先进技术的发展和应用,必然促进矿井主通风机控制系统的智能化的发展和广泛应用。

1.2.3矿井主通风机在监测监控系统与整个矿井系统的协调

矿井主通风机是通过管网构成生产保障系统所以不能只考虑其本身,而应作为一个完整的系统去考虑,其目标应包含整个通风系统优化（如效率、节能的优化等）以及通风系统运行的高可靠性和柔性。

鉴于此,利用监控系统对井下环境如通风、沼气及自然发火进行监测,再根据并下对风量的需求对主通风机的动力进行恰当的调整,也就是对主通风机进行适当的自动调节,以节约能源。

在发生异常时可发出报警并自动调整风门。

矿井主通风机在线监控系统还应和整个矿井计算机监控系统联网进行通讯,能够实时将监测结果传输到主控室或总工室,并接受执行从主控室或总工室传来的指令。

矿井主通风机在线监控系统还可建成一个网站,作为整个企业网的一部分,负责风机房及相应部分的监控和管理。

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1.3本课题研究目的和意义

设备运行状态监测与故障诊断技术是目前保证大型机组安全运行，防止恶性事故发生的有效手段。

它可以及时发现机组的运行故障先兆，诊断产生故障的原因，为生产和维修提供决策依据，同时也避免了定期检修引起的生产停顿。

近年来，计算机及网络技术的迅猛发展，为实时在线监测与故障诊断提供了良好的条件。

将计算机网络技术用于实时状态监测，实现关键设备运行状态的集中管理、集中分析，必将极大的提高设备维修人员的工作效率。

同时为企业的正常生产提供了可靠的保证，并避免了一些不必要的损失。

采取监测这种经济、简便的方法，可以实现“移动的是数据而不是人”，通过计算机把现场数据及时送到专家手中，就可以像专家在现场一样准确、及时地做出判断，采取有效措施解决问题。

建立风机在线监测系统，使我们可以通过现有的网络对该设备进行实时监测和诊断，利用计算机诊断网络有利于数据积累、资源共享，并且对监测者和分析者的计算机无需安装分析软件，这为实现多方专家对议论设备进行同时监测和会诊提供可能，从而使故障诊断更及时、更可靠。

2通风机在线监控系统的设计需求分析

2.1通风机简介

从能量转换观点看，通风机是把原动机的机械能转变为流体的动能、压力能和位能的一种机械。

目前，矿用通风机大多是利用旋转叶轮传递能量的。

按介质在风机旋转叶轮内部流动方向可分为:

（1）离心式——介质沿轴向进入叶轮，在叶轮内转为径向流出；

（2）轴流式——介质沿轴向进入叶轮，经叶轮后仍沿轴向流出；（3）混流式——介质在叶轮中斜向流动

通风机的工作状况可用流量、风压、功率、效率、转速和其他参数表达。

由通风机的实际特性可知，它的流量、风压、轴功率和效率诸参数都是可变的，而且按一定规律变化。

但通风机在一定的管网中工作时，这些参数都有确定值。

这些确定值可由通风机的实际特性的风压特性曲线在同一坐标图上的管网特性的交点决定，称此点为工况点。

由工况点决定的各参数称为工况参数。

在正常生产情况下，矿用通风机的作用可概括为三个方面：

（1）为井下工作人员提供新鲜空气；

（2）冲淡和排除生产过程中产生的各种有害气体和粉尘；（3）调节井下微气候。

而当井下发生爆炸、火灾等重大灾害时，通风机还是救灾决策者用于调控灾变范围、减少灾害损失的重要工具之一。

因此矿用通风机无论在平常还是非常情况下，对于保证矿用正常安全生产，维护广大矿工的生命安全和身体健康都具有无可替代的作用。

正因为如此，对矿用通风机的选型、安装和使用管理，也要提出以下几点基本要求：

（1）能力满足生产要求；

（2）性能和风网相匹配；（3）高效、节能；（4）可靠性高，确保不间断运行；（5）适应防灾、救灾需要。

满足这些基本要求，是进一步采用新技术的前提。

在目前技术水平下，主要体现在通风机的在线监测和性能测定等方面。

目前全世界都面临着能源紧缺和能源危机。

我国人口众多，经济发展迅速，能源消费大幅增加，但能源的开发和利用水平较低、煤炭行业更是首当其冲，节能提效的任务十分迫切。

因此，矿用通风机这一矿山耗能大户也就自然成了人们关注的重点。

近年来，各个集团公司、矿都在采取措施，努力提高矿用通风机的综合运行效益。

特别是要解决风机与风网不匹配、“大马拉小车”和通风机综合效率低下等问题。

在这方面需要做的工作很多，其中之一就是如何准确测定通风机的性能问题。

2.2主通风机主要性能参数的测量

2.2.1电动机温度检测

电动机温度是指电动机轴承温度。

电动机长时间运行轴承温度会上升，如果电动机轴承长时间高温运行会使轴承迅速老化所以，要及时检测电动机轴承温度，出现温升过高现象及时排除。

我们可以采用贴片式温度传感器（Pt100），在经过外围电路的设计，把温度转换为标准的电量信号。

2.2.2通风机振动量采集

通风机运行期间小的振动是正常的，但长时间工作电动机的松动会增加，电动机振幅就会加大，如果继续运行会对电动机底座造成损坏。

所以，对通风机振动量的检测是必要的。

（1）通风机的振动量的检测包括两个方向振动量的检测：

横向（X方向，纵向（Y方向）；

图2.1通风机振动的两个方向

（2）每个巷道有两台通风机，这两台通风机按在同一个底座上，所以两台通风机同方向上的振动量可一同检测。

（3）选用嵌入式振动传感器，检测振动量信号，选用传感器可直接把振动量信号转化为标准的电量信号。

2.2.3巷道通风风量检测

巷道通风量的满足是矿下安全作业的重要保证（减小瓦斯浓度等），实时检测矿井通风量，是保证高安全系数的有效措施。

（1）通风量的检测采用换算的方法，即选用差压检测流量法计算通风风量，通过测量巷道两个不同截面处的风力压力差，交给上位机计算出通风风量。

（2）风量测量理论依据

风机的入口结构对入口的局部阻力和如流条件都有很大影响，对轴流式通风机其入口都有流线型的集流器，一般都加工成圆弧形或双曲线形如图2.2所示，目的是降低入口局部阻力系数，改善风机入图2.2风机的入口结构

流条件。

入口局部阻力系数ζ与圆弧曲线半径r和风筒直径D的比值有关，并随着r/D的增大而减小，当r/D＝0.2时，ζ一般保持在0.2左右。

由此可见，入口局部阻碍力很小，假设局部阻碍力为零，有伯努利方程知动压差＝静压差

ΔHS,Ⅰ,Ⅱ=Δhv,Ⅰ,Ⅱ（2.1）

根据断面上风流压与平均风速的关系

ΔhvⅠ=

Ⅰ2　　　　　　　　　　（2.2）

ΔhvⅡ=

Ⅱ2（2.3）

又νⅠ＝

，νⅡ=

（2.4）

有上述3.1，3.2，3.3，3.4各式可得

Q＝

ＳⅠＳⅡ（2.5）

式中：

Q－通风机风量，m3/s;

ΔHＳ，Ⅰ，Ⅱ－集流器两断面间静压差，Pa；

ρ－空气密度，kg/m3；

SⅠ，SⅡ断面过滤面积，m3

（c）压差的测量可直接采用压差传感器，把压力信号转化为标准的电量信号。

测量方法如图2.2

2.2.4风机效率的计算

在选择风机时，常常会遇到静压、动压、全压这三个概念。

根据流体力学知识，流体作用在单位面积上所垂直力称为压力。

当空气沿风管内壁流动时，其压力可分为静压、动压和全压，单位是mmHg或kg／m2或Pa，我国的法定单位是Pa。

通过检测通风巷道的静压和动压，获得相应数据，再根据数学公式计算出风所获得的机械能，从而为解决风机效率计算问题做好准备。

（1）静压（Pi）

由于空气分子不规则运动而撞击于管壁上产生的压力称为静压。

计算时，以绝对真空为计算零点的静压称为绝对静压。

以大气压力为零点的静压称为相对静压。

空调中的空气静压均指相对静压。

静压高于大气压时为正值，低于大气压时为负值。

（2）动压（Pb）

指空气流动时产生的压力，只要风管内空气流动就具有一定的动压，其值永远是正的。

（3）全压（Pq）

全压是静压和动