基于PLC的矿井通风机变频控制系统设计毕业设计论文

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毕业论文基本要求

1．毕业论文的撰写应结合专业学习，选取具有创新价值和实践意义的论题。

2．论文篇幅一般为8000字以上，最多不超过15000字。 3．论文应观点明确，中心突出，论据充分，数据可靠，层次分明，逻辑清楚，文字流畅，结构严谨。

4．论文字体规范按《广东金融学院本科生毕业论文写作规范》和“论文样板”执行。

5．论文应书写工整，标点正确，用微机打印后，装订成册。

指导教师评阅书

指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 指导教师： （签名） 单位： （盖章） 年 月 日

评阅教师评阅书

评阅教师评价： 一、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 评阅教师： （签名） 单位： （盖章） 年 月 日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价： 一、答辩过程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年 月 日 教学系意见： 系主任： （签名） 年 月 日

目 录

1 绪论 ................................................................... 1 1.1矿井通风系统简介 ...................................................... 1 1.2国内外研究状况 ........................................................ 2 1.3 课题的主要研究内容 .................................................... 3 2 通风系统及主扇风机控制方案 ............................................. 5 2.1通风系统的设计方案 .................................................... 6 2.2 矿井主扇风机的控制方案 ................................................ 7 2.2.1 矿井主扇风机概述 ................................................... 7 2.2.2 矿井主扇风机的供电系统 ............................................. 7 3 系统硬件构成及各部分功能 ............................................... 9 3.1 PLC可编程控制器部分 .................................................. 9 3.1.1 PLC概述 ............................................................ 9 3.1.2 PLC的应用 ......................................................... 10 3.1.3 典型的PLC产品 .................................................... 10 3.1.4 PLC外部 I/O 连接 .................................................. 11 3.1.5 I/O接线图 ......................................................... 13 3.2 变频器 ............................................................... 14 3.3 变频器的选型和容量的确定 ............................................. 14 3.4 离心风机 ............................................................. 16 3.5 模数转换模块 ......................................................... 16 4 通风系统硬件的设计 .................................................... 17 4.1 硬件电路 ............................................................. 17 4.2 系统控制电路设计 ..................................................... 18 5 软件设计 .............................................................. 19 5.1通风系统的主要参数监控 ............................................... 19 5.2 瓦斯浓度控制 ......................................................... 20 5.2 压力的监测 ........................................................... 21 5.3 温度的监测 ........................................................... 23 5.4 流量的监测 ........................................................... 24 5.5 电气参数的测量与监测 ................................................. 25 5.6 振动的监测 ........................................................... 25 5.7 信号采集设备 ......................................................... 25 6 矿井通风机远程监控系统设计 ............................................ 26 6.1矿井通风机自动监控系统的功能 ......................................... 26

6.2 通风机自动监控系统的技术指标 ......................................... 27 6.3 通风机自动监控系统的整体结构 ......................................... 27 6.4 通风机自动监控系统运行方式 ........................................... 28 7 矿井通风机自动监控系统硬件设计 ........................................ 29 7.1 系统的组成和特点 .................................................... 29 7.2 风机参数的监测 ....................................................... 30 7.3 风机监控系统所需监控的输入输出量 ..................................... 31 总 结 ................................................................... 32 致 谢 ................................................................... 33 参考文献 ................................................................ 34 附录A ................................................................... 35

基于PLC的矿井通风机变频控制系统设计

1 绪论

1.1矿井通风系统简介

矿井通风系统是矿井通风方式、通风方法和通风网络的总称，基本任务是： 供给井下足够的新鲜空气，满足人员对氧气的需要，冲淡井下有毒有害气体和粉尘，保证安全生产，调节井下气候，创造良好的工作环境，所以本设计主要是对通风系统内的风压风量及瓦斯浓度的控制。矿井通风系统由影响矿井安全生产的主要因素所决定。根据相关因素把矿井通风系统划分为不同类型。根据瓦斯、煤层自燃和高温等影响矿井生产安全的主要因素对矿井通风系统的要求，为了便于管理、设计和检查，把矿井通风系统分为一般型、降温型、防火型、排放瓦斯型、防火及降温型、排放瓦斯及降温型、排放瓦斯及防火型、排放瓦斯与防火及降温型几种，依次为1-8八个等级。矿井通风方式有串联通风和并连通风两种。

按进回风巷在井田位置不同，通风系统分为中央式 、对角式 、分区式 和 混合式矿井通风系统。

矿井通风系统是由通风机和通风网络两部分组成。风流由入风井口进入矿井后，经过井下各用风场所，然后进入回风井，由回风井排出矿井，风流所经过的整个路线称为矿井通风系统。

矿井通风方法以风流获得的动力来源不同，可分为自然通风和机械通风两种。（1）自然通风：利用自然气压产生的通风动力，致使空气在井下巷道流动的通风方法叫做自然通风。自然风压一般都比较小，且不稳定，所以《煤矿安全规程》规定：每一矿井都必须采用机械通风。（2）机械通风：利用扇风机运转产生的通风动力，致使空气在井下巷道流动的通风方法叫做机械通风。采用机械通风的矿井，自然风压也是始终存在的，而且也并在各个时期内影响着矿井的通风工作，在通风管理工作中应给予充分重视。矿井通风系统的基本要求是：

1．每个矿井，至少要有两个通到地面的安全出口。 2．进风井口要有利于防洪，不受粉尘，有害气体污染。 3．北方矿井、井口需装供暖装备。 4．总回风巷不得作为主要人行道。 5．工业广场不得受扇风机噪音干扰。 6．装有皮带机的井筒不得兼作回风井。 7．装有箕斗的井筒不应作为主要进风井。

8．可以独立通风的矿井，采区应尽量独立通风，不宜合并一个通风系统。保证系统能够独立地进行工作，这样当一个矿井出现故障时，另一个矿井的通风工作不受影响。使生产不受大面积的受阻。

9．通风系统要为防治瓦斯、火、尘、水及高温创造条件。 10．通风系统要有利用深水平或后期通风系统的发展变化。

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1.2国内外研究状况

矿井通风系统分析技术现状煤矿通风系统是保障安全生产的基础同时又受制于煤层地质条件及由此形成的矿山井巷系统的特点。近年来煤矿扩能及生产的集约化成为了普遍的趋势矿井装备水平迅速提高系统有了明显的简化。但是现在仍有大量开采多年的老矿系统极为复杂大量新井产能的高度集中造成了系统新的隐患矿井在日常生产中所遵从的分区通风格局抗灾能力不足在强烈的扰动面前有可能形成严重的风流紊乱因而需要有预先的判断和分析矿井主扇和通风构筑物作为矿井通风系统的重要构成部分其参数选取、布局、可靠性等均对系统的合理运行起着重要的作用。因此矿井通风系统的合理性、可靠性和抗灾能力分析对于防止通风瓦斯及煤层自燃等意外的出现对于矿井预防处理通风瓦斯意外及灾变的能力对于提高矿井安全管理水平均有着重要的作用。

我国煤矿的重、特大瓦斯事故所造成的井下人员大量伤亡均源于通风系统抗灾能力不足致使正常生产时的分区通风在瓦斯爆炸条件下受到破坏爆炸气体进入了爆源以外的广泛区域使其他通风分区乃至全矿井下的人员中毒死亡。研究瓦斯爆炸对分区通风的破坏机理对瓦斯爆炸条件下通风系统的抗灾能力予以定量评价和分级研究灾变条件下维持分区通风的条件和相应措施对于提高通风网络的抗灾能力有着现实的意义。 煤矿安全规程对煤矿通风有严格的要求和限制特别在高突矿井明确禁止使用串联通风。因此以各采掘工作面为核心的分区通风成为了煤矿通风的基本规定和实践。在矿井灾变条件下维持正常分区通风的能力是评价矿井通风系统抗灾能力的基本考虑因素。除巷道布置这一重要但难以调整的因素之外分区通风及风量分配调节主要依靠于风门、风窗等通风设施的应用其类型、数量、分布上的合理性是影响通风系统合理性的基本因素扇风机及通风构筑物受矿井生产活动及灾变影响而失去原定功能时矿井通风维持在合理水平上的能力则是通风系统可靠性的重要标志。矿井通风是一个古老的技术领域但对灾变条件下维持分区通风的相关技术、特别对于瓦斯爆炸与通风系统的相互作用缺乏必要的理论与实验研究。我国瓦斯爆炸频发许多爆炸力学工作者对气相爆轰进行过深入研究瓦斯爆炸方面的文献十分丰富但现有的成果与煤矿井下的实际尚有较大差距如井下特有的结构设施、巷道特征等等研究煤矿井下结构设施与瓦斯爆轰波及冲击波相互作用的成果较少井下通风设施抗爆强度的理论研究基本是空白现有的文献多限于事故现象的简单描述。深入系统地研究煤矿井下瓦斯燃爆的物理机制及其灾害效应对于正确评价分析煤矿预防瓦斯爆炸安全等级、科学地改进井下通风设施和巷道布置具有极其重要的学术价值和实际意义。在此基础上模拟了氢氧燃烧驱动的破膜过程以及破膜前后压缩波、稀疏波对火焰阵面的影响。同时也研究了瓦斯爆炸过程中压力波、火焰与障碍物的相互作用。近几年国内学者开展了瓦斯煤尘爆炸机理、传播规律及防治对策的研究工作同时也揭示了瓦斯爆炸火焰的结构特征及其影响因素揭示了瓦斯爆炸过程中爆炸波的特征参数变化规律及其影响因素开展了壁面热效应对瓦斯爆炸传播规律影响作用的实验研究建立了管内瓦斯爆炸能量平衡方程。通过理论分析、数值模拟和实验研究煤矿井下巷道条件对瓦斯爆炸及其冲击波衰减的影响规律研究各种通风设施结构与爆轰波、冲击波的相互

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（4）联络柜：实现风机供电系统的母线联络。

（5）换向柜：两台换向柜，由接触器组成。主要实现两台风机电机的正反转。 （6）箱变房：采用一体化设计，外观整洁大方，按功能划分为高压配电室，低压配电室，变压器室，PLC控制室。

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3 系统硬件构成及各部分功能

3.1 PLC可编程控制器部分

3.1.1 PLC概述

PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

（1）CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

（2）I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

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模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。

除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少。但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

（3）电源模块：PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 3.1.2 PLC的应用

（1）在制造工业（以改变几何形状和机械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现的程序化，这就是第一代可编程序控制器，英文名字叫Programmable Controller（PC）。

（2）随着电子技术和计算机技术的发生，PC的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。

（3）上世纪80年代，个人计算机发展起来，也简称为PC，为了方便，也为了反映或可编程控制器的功能特点，美国A-B公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器Programmable Logic Controller（PLC），并将“PLC”作为其产品的注册商标。现在，仍常常将PLC简称PC。

（4）上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30～40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

（5）近年，工业计算机技术（IPC）和现场总线技术（FCS）发展迅速，挤占了一部分PLC市场，PLC增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

（6）目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。

3.1.3 典型的PLC产品 （1）国外

施耐德公司， Quantum、Premium、Momentum等；

罗克韦尔（A-B公司），SLC、MicroLogix、Control Logix等；

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西门子公司， SIMATIC S7-400/300/200系列； GE公司日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。 （2）国内

PLC生产厂约30家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产。

考虑到性能和稳定性，硬件采用西门子公司的S7-300系列PLC，同时采用光电隔离、接地、变压器隔离等硬件抗干扰措施和数字滤波等软件抗干扰措施，系统可靠性高，稳定性好。

3.1.4 PLC外部 I/O 连接

根据系统的要求，选取 S72200 PLC CPU224作为控制核心，CPU224的I/O点数是14 /10;扩展了1个EM 231模拟量输入模块，它是A /D转换模块，具有4个模拟量输入，12位A /D，其采样速度25μs，空气压力传感器、瓦斯浓度传感器采集的信号经过变送器调理和放大处理后，成为0 ～5 V的标准信号，再经过EM231模块自动完成A /D转换；同时扩展了1个EM222数字量输出模块，它有8个数字量的输出点，作用是提供附加的输出点，这样完全可以满足系统的要求。煤矿矿井通风控制系统的设计主要涉及10个数字量输入和2个模拟量输入，15个数字量输出。设置6个操作键、4个开关量传感器和2个模拟量。

传感器作输入信号，如表1所示。这6个操作键分别是自动方式开关、手动方式开关、停机按钮、消音按钮及2个在手动控制下控制通风机运行的按钮开关，4 个开关量传感器为拖动通风机的吸风电机和增风速电机发生堵转故障时热继电器的控制开关，其中扩充了1个EM231的模拟量输入模块，主要是用于转换气压信号和瓦斯浓度信号的。

表3.1 PLC I/O接口分配表

输入 序 号 1 2 3 4 A风机1电机状态 A风机2电机状态 B风机1电机状态 B风机2电机状态 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 4 报警 3 低气压显示 2 中高气压显示 1 故障显示 名称 地址 序号 名称 址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 输出 地 11

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5 6 7 8 9 10 11 12 A风机控制开关 B风机控制开关 消音开关 自动开关 手动开关 停止按钮 气压信号 瓦斯信号 I0.4 I1.5 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I2.0 I2.1 12 13 14 15 手动状态显示 自动状态显示 瓦斯浓度值 B风机2电机显示 11 B风机1电机显示 10 A风机2电机运行显示 9 A风机1电机运行显示 8 继电器KM4 7 继电器KM3 6 继电器KM2 5 继电器KM1 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3

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3.1.5 I/O接线图

图3.2 I/O接线图

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3.2 变频器

异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。近年来，随着变频器生产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。

n＝60 f(1－s)/p (1)

式中n———异步电动机的转速；

f———异步电动机的频率； s———电动机转差率；

p———电动机极对数。

由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。

变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

3.3 变频器的选型和容量的确定

本系统选用的是西门子全新一代标准变频器MicroMaster440功能强大，应用广泛。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。

在电机的容量确定并选定其型号后，接下来就要确定变频器的容量。确定变频器容量的主要依据是输出电流，其原则为：变频器的输出额定电流应大于或等于电机的额定电流。但在连续的变动负载或断续负载中，因电动机允许有短时间的过载，而且这种过载的时间经常超过变频器一般允许的一分钟。故应考虑选择变频器的额定电流大于或等于电动机运行过程中的最大电流。

电动机的型号确定后，其额定电流可以从制造商提供的样本中查到。或者，也可从电机的输出功率由下式计算

P?3UIcos?? (2)

式中，P为额定输出功率（KW）；U为额定电压（KV）； I为额定电流（A）；η为电机效率；

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cos?为功率因数。

S7-200PLC 作为核心控制部件，它有总线访问权，可以读取或改写变频器的状态，控制软起动器的运行状态，从而达到控制和监视设备运行状态的目的。系统采用总线式拓扑结构，两台变频器采用总线接插件连入总线。S7-200 选用 S7-222CPU，软件采用通信口功能，即 RS485 通信口。由用户程序实现USS协议与两台MM430变频器通信。在硬件连接完毕后，需要对两台MM430变频器的通信参数进行设置，如表 3.3所示。

表3.3 变频器参数的设定

参数号 参数值 说明 Fr 13 固定频率1 P01 10 第一加速时间设定 P02 10 第一减速时间设定 P03 FF 频率范围(v/f方式) P05 20 DC提升水平 P08 1 变频器起停正反转控制方式 P15 200 电动机运行最大频率 P16 50 电动机运行基本频率 P18 2 多段速率加速连动运行 P32 170 固定频率2 P33 10 固定频率3 P34 23 固定频率4 P35 130 固定频率5 P39 5 第二加速时间设定 15

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P40 5 第二减速时间设定 3.4 离心风机 我国矿井使用的离心式通风机主要就是G4 —73系列离心式通风机，G4 —73系列离心式通风机最初是为锅炉通风(引风) 设计的，后来被引用到矿井通风中并拥有一定的市场占有量。该系列离心式通风机的特点是特性曲线较平缓、无驼峰、运行噪声较小、效率高。启动时关闭调节门(也叫前导器)，具有启动功率较小，启动容易的特点。运行时调节门可在 0°～70°范围内调节，用以改变运行工况，还可通过配置不同转速的电动机来改变其运行工况,适应性较好。G4 —73系列通风机的特性曲线较平缓，运行噪声较小，效率高，适用于通风阻力不是太大的中小型矿井。我国地方煤矿的矿井中使用该系列通风机较多，由于机型小，配置电动机的容量也小,可配用380V或660V电压的电动机，特别适用于无高压(6000V)供电的矿井使用。但对初、后期风压变化大的矿井，离心通风机的调节性能差。离心风机的作用：离心风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。

离心风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。

离心风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由于气体流速较低，压力变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。离心风机可制成右旋和左旋两种型式。从电动机一侧正视，叶轮顺时针旋转，称为右旋转风机，逆时针旋转，称为左旋。

一般的高压离心风机，其主要的动力设备是电动机，此外还包括用来控制风机风阀位置的电动或手动执行器、风机阀门限位开关等部件。风机动力设备的传统控制方法是通过手动或继电器控制，存在可靠性和灵活性较差的问题，比如：由于电机的容量大，就存在启动时间长、启动电流大、运行安全可靠性差等问题，为了解决这些问题，需要采取在启动离心风机时减少启动负荷、通过星—三角降压启动来降低启动电流、进行安全互锁控制等措施。离心通风机工作时，动力机(主要是电动机)驱动叶轮在蜗形机壳内旋转，空气经吸气口从叶轮中心处吸入。由于叶片对气体的动力作用，气体压力和速度得以提高，并在离心力作用下沿着叶道甩向机壳，从排气口排出。因气体在叶轮内的流动主要是在径向平面内。

风机的用途：一般用于高压强制通风，如冶炼、送料、矿井、隧道、地下室、铁路等，亦可输送空气及其它无腐蚀性、不含粘性物质、非易燃、易爆之气体，介质温度最高不超过八十度，介质中硬质颗粒物中大于150mg/m3。

3.5 模数转换模块

模数转换模块分为A/D转换模块和D/A转换模块。PLC模拟量处理功能主要通过模

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拟量输入输出模块及用户程序来完成。模拟量输入模块接受各种传感器输出的标准电压信号或电流信号，并将其转换为数字信号存储到PLC中。PLC根据生产实际要求，通过用户程序对转换后的信息进行处理并将处理结果通过模拟量输出模块转换为标准电压或电流信号去驱动执行元件。

4 通风系统硬件的设计

4.1 硬件电路

本系统的硬件电路如下图所示，它由4台电动机，一台智能型电控柜（包括西门子变频器、PLC、交流接触器、继电器等），一套压力传感器、断相相序保护装置以及供电

主回路等构成。该系统的核心是S7-200（CPU224）和MICROMASTER 440。MICROMASTER 440是泵和风机类专用变频器，扩展功能强．CPU224集成了14点输入10点输出，共有24点数字量I/0，其模拟量扩展模块具有较大的适应性和灵活性，且安装方便，满足设计需要。

图4.1 系统主电路

该系统有4台电动机，分别拖动4台电动机。合上空气开关后，当交流接触器KM1、

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KM3, KM5、KM7主触点闭合时，电动机为工频运行；当KM2、KM4、KM6、KM8主触点闭合时，电动机为变频运行。4个热继电器KR1～KR4分别对4台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。

4.2 系统控制电路设计

（1）系统控制电路

如图4.2所示，Q0.0～Q0.7为PLC输出软继电器触点，其中Q0.0, Q0.2, Q0.4, Q0.6控制变频运行电路；Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7控制工频运行电路。SA为转换开关，实现手动、自动控制切换。当SA切在手动位时，通过SB1～SB4按钮分别起动4台水泵工频运行,SB5～SB8按钮分别停止4台离心风机工频运行．当SA在自动位时，由PLC控制水泵进行变频或工频状态的起动、切换、停止运行，实现了系统的自由切换和工作状态的灵活选择。

图4.2 系统控制电路

（2）PLC及变频器控制模块电路

PLC及变频器控制模块是本系统的核心，它包括时间控制电路、故障报警保护电路、断相相序保护电路。

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5 软件设计

该系统除部分为顺序控制外，从总体上来看具有随机离散控制的特点。控制系统软件结构的流程图如下图所示。设定由瓦斯浓度传感器传送来的瓦斯浓度值为D，用户设定不能超过的瓦斯浓度值为D0，气压传感器传来的压力为F1，用户要求的矿井内气压值为F2。由图5可知，按下启动键后，首先检测是否手动，如果是则手动控制操作，否则就自动正常运行;接着检测矿井内瓦斯浓度值和大气压力值，进行处理判断。若 D> D0，则通风机与矿井下供电电源联锁停止工作并报警，否则比较判断F1与F2的大小，若F1> F2，进入风机轮休控制子程序，启动A风机，A风机运行一定时间后，启动B组风机工作，A组风机停止。否则两台通风机同时参与工作。系统的流程图如下

图5.1 系统总流程图

开始 N 是否手动 Y 数据采集子程序 Y D>D0 ? N N F1>F2? Y 风机轮休控制子程序 N F1>F2? 结束 Y 两组风机同时运行 风机连锁停止并报警 转手动控制 5.1通风系统的主要参数监控

矿井主要通风机装置性能测试工作是复杂多变的，涉及主要通风机装置进、出口空

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气的温度和湿度、大气压等气象参数，风压参数、流经主要通风机前后的风量，电气参数，还有电动机和主要通风机的转速及传动效率等参数。

1、空气密度测定

分别用空盒气压计、水银温度计、湿度计测量大气物理条件、大气压力、温度和湿度，然后计算空气的密度。

在距风压测试点20m内的巷道内，用气压计测量绝对静压，用干、湿温度计测量干、湿温度。每调节工况一次测量三次，取其算术平均值来计算。

5.2 瓦斯浓度控制

瓦斯浓度给定范围及依据：瓦斯爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限为5%～16% 。

当瓦斯浓度低于5%时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯浓度为9.5%时，其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反应)；瓦斯浓度在16%以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。

瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及煤尘、其它可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响。

瓦斯浓度控制部分和温度控制部分相似。本设计用到的瓦斯浓度传感器为KGJ16B 型，其性能参数见硬件设计部分，瓦斯浓度传感器将连续变化的瓦斯浓度信号转换为4～20毫安的电流，然后经A/D转换模块EM235，通过其内部的采样、滤波，转换为PLC能识别的二进制信号存储到VD196中。在离心风机运行过程中若矿井工作面的瓦斯浓度大于设定的报警瓦斯浓度上线时，M0.1闭合，Q1.1也闭合，系统将发出指示并报警。以警示工作人员工作面瓦斯涌出量已有安全隐患，做好排放瓦斯的准备。若井巷工作面瓦斯浓度继续增大，当VD196的存储值大于设定的断电瓦斯浓度上线时，M0.2闭合，PLC将发出切断电源的指令，将PLC所有输出和内部位复位，并切断风机电源各井巷工作面的电源，防止有明火引起与其爆炸。同时并发出报警。抽放瓦斯后，当瓦斯浓度VD196的存储值再次下降到小于断电瓦斯浓度上线时，风机组并不能重新运行工作。只有当瓦斯浓VD196的存储值下降到小于瓦斯浓度报警上线时，PLC才恢复风机组再次启动并将风机组运行工作。

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图5.2 瓦斯浓度控制程序

5.2 压力的监测

（1）风压给定及依据

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。矿井自然风压的计算

但是矿井进、回风井的空气柱的的容重差（容重差又主要由温度差造成）以及高差和其它自然因素所形成的压力差称为自然风压.它对矿井主扇的工况点会产生一定的影

式中： hn——自然风压，单位Pa， Z1——矿井最高点至最低水平间的距离， Z2——出风阶段的垂高，

r1 r2——表示进、回风流的平均重率，N/m3 2、主扇静风压计算：

容易时期：东翼通风容易时期主扇静风压； 西翼通风容易时期主扇静风压；

困难时期：东翼通风困难时期主扇静风压； 西翼通风困难时期主扇静风压； （2）风压测定及控制

为求得主要通风机装置的静压，应测出主要通风机进风端空气的相对静压，其测定位置应布置在工况调节装置与主要通风机进风口之间直线段上，尽量选择在接近主要通风机进风口而又风流稳定处。通常轴流式主要通风机可在距离进风口一倍叶轮直径处测量。对单吸风口的离心式风机则应布置在控制闸门后两倍叶轮直径以外处测量。对双吸风口的离心式风机应在风道分支一倍叶轮直径处的稳定处的稳定风流中测量。

压力是本控制系统的主控参数，在压力数据处理过程中运用到PID算法。所谓的PID就是比例、积分、微分的总称。

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响，因此设计中应考虑自然风压对主扇的影响。其计算公式为： hn＝z1r1- z2r2

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PID运算中的积分作用可以消除系统的静态误差，提高精度，加强对系统参数变化的能力，而身分作用可以克服惯性滞后，提高抗干扰能力和系统的稳定性，可改善系统动态响应速度。因此，对于速度、位置等快过程扩温度、化工合成等慢过程，PID控制都具有良好的实际效果。在系统稳态运行时PID控制器的作用就是通过调节其输出使偏差为零。偏差由定量（SP，希望值）与过程变量（PV，实际值）之差来确定。系统PID调节的微分方程式由比例项、积分项和微分项组成。在自动方式下，利用远传空气压力传感器检测矿井内的气压信号，用变送器将现场的模拟压力信号变换成统一的1～10V直流电压信号，送人A／D转换模块进行模数转换，转变为PLC内部能识别的二进制信号。压力参数的设置与矿井的深度、巷道的截面等诸多因素有关，所以本设计利用触摸屏进行PID参数参数设置。

图5.3 PID参数设置

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其设置调用了压力子程序见附图。PID参数设置好后要分别对压力设定值、增益值、采样值、积分时间和微分时间进行填表。程序图如图5.4所示。

图5.4 压力中断子程序

本系统的压力控制是用SMB34定时设定的时间周期进行中断处理的，利用SMB34固定的时间间隔作为采样周期，对模拟量AIW0输入进行采样，然后通过A/D转换模块进行模数转换。中断子程序如图8所示。

压力中断程序分两部分进行处理数据，一部分将转换后的数据存储到VD128中与设定的压力值进行比较处理。假设矿井内的气压在一个大气压或在设定的某个大气压力数值以上，PLC通过控制变频器，工作通风机与备用通风机循环工作，由矿井的气压参数通过PLC运算去控制变频器来达到风机的转速的控制；当出现突发事故，或矿井内的气压低于设定的某个气压参数时，VD128的压力值与工频压力值VD136进行比较，若VD128小于或等于VD136的值，则当前运行通风机将由变频转到工频运行，此时如果仍满足不了通风的需要时，工作通风机与备用通风机不再循环工作，并自动切换为同时工作，另外，接入的备用通风机根据矿井的气压参数进行变频运行，加大对矿井内的通风量，直至矿井内的气压生至设定的大气压力数值以上，工作通风机与备用通风机恢复循环工作。

图5.5 压力中断程序

5.3 温度的监测

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本设计的风机组设有轴承温度和定子温度过热保护。综合所选用的风机组自身特性和国家规定标准，设置了风机组轴承温度和定子温度报警温度和跳闸温度。

轴承温度保护设置85℃为报警温度，90℃为跳闸温度。定子温度保护设置120℃为报警温度，125℃为跳闸温度。由于PLC所能识别的是数字量信号，所以要对传感器采集的电压或电流信号的输入信号进行转换。若输入电压范围为0～10V的模拟量信号，则对应的数字量结果应为0～32000或需要的数字。若数据格式为单极性，模拟量信号的类型为电压信号，满量程为0～10V，那么根据公式1可得轴承温度和定子温度报警温度和跳闸温度所对应的数量和电压的关系如表5.6所示。

表5.6 工程值与数字量对应关系

温度值（℃） 120 125 85 90 数字量 23652.2 24347.8 18782.6 19478.3 电压值（V） 7.39 7.61 5.87 6.09 模拟量和数字量的转换公式为： (y-AL)/(AH-AL)=(X-0)/(65535-0) y:转换过后的工程值（多少电流） AH：工程值的上限（电流的上限） AL：工程值的下限（电流的下限）

X：工程转换后的数字量值（电流转换后的数字值）

若数据格式为单极性，模拟量信号的类型为电压信号，满量程为0～10V，那么根据公式1可得轴承温度和定子温度报警温度和跳闸温度所对应的数量和电压的关系如表3所示。

模拟量信号的类型及范围是通过模拟量模块右下侧的DIP设定开关进行输入和输出信号选择的 。

5.4 流量的监测

（1）风量给定及依据

根据《煤矿矿井采矿设计手册》中，采用压入式通风方式计算公式进行计算：

21.4QSLVy=t，其中Vy：压入通风量计算，m3/min

Q:爆破装药量，Kg，为54Kg；

S:隧洞断面面积，m2，断面面积按照11.66 m2； L:隧洞长度，m，施工支洞长按照670m

t：通风时间,min，最大通风时间按照60min计算，

根据上述计算的工作面需要风量要求，进行局部通风机风量的给定。 （2）风量测定

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风量指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m3/min。

流量测量一般在符合要求的平直段如井下总回卷内巷进行，煤矿主要选用机械表皮托管等标准仪表，分点布置测量流量。

而流量监测就意味着必须长期的工作因此其技术措施受到众多因素的约束，其要求非常严格。第一，煤矿主通风机的流量监测只能放在地面，但地面缺少较长的平直段，所以限制了标准流量仪表的应用。第二，煤矿井下气体成分复杂，湿度大、风尘含量大，且仪表必须长期的工作，所以就要求流量监测仪表无运动部件。第三，煤矿通风断面大多达10m左右，如此大口径的流量计不仅少见，而且价格太贵，无论技术上还是经济上均不可行。第四，不仅要求在正风，而且要求在反风时也能胜任流量监测的要求。同理，若采取分点布置若干流量计也难以实行。综上所述确定合理的流量监测手段是非常关键的，同时满足上述要求也是比较困难的。

为此我们选择了工程监测方法，如阿钮巴管组，文丘里管等，即利用流量与差压存在对应关系这一物理现象监测流量。通过压力变送器将差压，负压信号转换成电信号。用皮托管和压差计测风，压差计的种类很多，测定动压宜采用单管倾斜式压差计，它操作方便、易于读数。若用微差计测动压，当波动较大时调节困难，测值不易读准。在流速均匀的测定断面安装支撑架和皮托管。皮托管的测头应超前支撑架100mm,其全压孔应迎风正对气流，允许偏角不大于5度。用干净、畅通、不漏气的软管，将皮托管的正负接头与压差计的正负接头对应连接，测量动压。

5.5 电气参数的测量与监测

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。由于高压开关采用南瑞的综保装置，可以实现电量参数的采集和线路的保护，所以电气参数通过和南瑞综保的485串行通讯得到。转速测定如，主要通风机的实际转数可用转速表直接测量，也可以用闪影法测量。测量前在电动机或主要通风机轴头上加装一硬纸圆盘，黑白相间地涂满数个扇形。电扇频率变化对测值有影响，所以还要用频率计测定电源频率。

5.6 振动的监测

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。

5.7 信号采集设备

1）变送器的选用

全部选择高精度的变送器将一次信号转换成标准的0～20mA电流。 2）软件设计

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系统的专用软件主要完成数据的采集、分析等工作，从而实现系统的各项功能。 3）系统抗干扰措施

所用变送器为电流输出，传输信号采用屏蔽电缆，以减弱电磁耦合干扰。 选用了隔离变压器和高精度稳压电源，改善了电源特性。 选用了变送器专用电源，提高了系统工作的稳定性。 4）系统的通讯

通过光纤与中央控制室工业控制计算机联网，实现通风机的远程监视和控制，达到无人值守的目的

6 矿井通风机远程监控系统设计

6.1矿井通风机自动监控系统的功能

煤矿主扇风机在煤矿生产中有着重要的作用，因此必须保证主扇风机自动监控系统的安全可靠。

控制系统分为风机变电站的监控和风机各种参数的测量两个部分。风机变电站包括11台高压柜，其中有9台高压柜装有南瑞的综保装置，因此需要将每台开关柜的信息通过综保装置可靠的传输到控制中心；风机本体振动速度、流量和负压由传感器监测，并需要把传感器的信息传输到控制中心；风机的轴温、风机电机的定子温度由测温仪来测量，因此需要把测温仪的信息传输到控制中心。风机系统的运行信息需传输到集控室，以便于及时进行调度管理。

系统的主要功能有：

1．实现风机运行参数的实时监测与风机主辅设备控制的一体化。 2．实时监测风机配用电机的电气参数：电流、电压、功率。

3. 实时监测设备的运行参数：电机和风机前后轴承温度、振动参数以及超限报警 4．显示当前运行机号、正反转信号，风机开停状态。

5. 实时监测通风机气动参数：负压、流量、全（静）压、全（静）压效率、轴功

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率。

6. 实现定子电压低于5.1KV报警，定子电流超过上下限报警。

7. 上述监测参数通过通信线路传送到集控室上位机，经上位机接入矿局域网。

6.2 通风机自动监控系统的技术指标

工作电压：~220V 环境温度：0-50监测精度： 流 量 2.5级

压 力 0.5级 电参数 0.25级 其他 1.5级 监测参数范围：按用户要求确定。

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6.3 通风机自动监控系统的整体结构

系统采用集中管理、分散控制的系统结构。整个系统分为三层，即现场测量控制层，中央控制层和远程监控层。系统结构配置图3.3所示。

现场测量层：

现场测量层主要实现风机变量参数的测量，主要采用的是开关柜的综保装置和测温仪和传感器装置。

中央控制层：

中央控制层由带有以太网接口的 西门子S7-200系列PLC组成，通过PLC完成对风机系统的实时监控和数据采集和数据处理，以及与控制中心的实时通信。

远程监控层：

远程监控层直接接入矿调度室，上位监控软件选择Wonderware公司的组态软件Intouch开发的监控软件，通过监控软件完成功能块之间的连接，实现风机系统的集中

监控管理。在运行过程中，实时监测风机的运行状况，实现对风机的控制，同时还实现 报警、曲线和报表功能。

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