通風(fēng)子系統(tǒng)

一.1 主通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)

一.1.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

通風(fēng)子系統(tǒng)包含主通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)和井下局部通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)均為本次新建控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用西門子PLC作為控制核心，并配備RJ45通訊接口。

根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境和實際硬件配置條件，經(jīng)過分析，可以構(gòu)建自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)無人值守。

一.1.2 系統(tǒng)概述

礦井通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)是風(fēng)機的必要配套設(shè)備，它對主通風(fēng)機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并對其運行中出現(xiàn)的各種情況做出迅速合理的處理，為煤礦礦井安全生產(chǎn)、經(jīng)濟合理通風(fēng)和火災(zāi)救災(zāi)通風(fēng)提供信息依據(jù)和有力措施保障。

本方案設(shè)計的主通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)能夠提供豐富的數(shù)據(jù)、圖形、信息，讓用戶迅速了解風(fēng)機當(dāng)前的運行狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)機運行狀態(tài)異常或帶病運行時，系統(tǒng)給出可靠的報警信號以及相應(yīng)的邏輯控制；為操作人員提供技術(shù)參考，有力保障礦井安全，成倍提高煤礦的生產(chǎn)效率。

一.1.3 系統(tǒng)監(jiān)控對象

風(fēng)機在線系統(tǒng)主要監(jiān)控的對象為：通風(fēng)機、驅(qū)動風(fēng)機的電機、電機的驅(qū)動裝置（需要預(yù)留PLC通訊接口）、風(fēng)機風(fēng)門、通風(fēng)機的配電設(shè)備以及配套管路等的狀態(tài)及參數(shù)。

一.1.4 系統(tǒng)組成

風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計為三層架構(gòu)：信息層（后臺與觸摸屏），控制層（PLC），設(shè)備層（現(xiàn)場傳感器、智能監(jiān)控儀表、綜合保護裝置等）。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖所示。

通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

控制后臺

在控制箱上配置觸摸屏，就地顯示與控制風(fēng)機的運行狀態(tài)及參數(shù)。觸摸屏為10寸顯示屏，TPC 1062KS觸摸屏支持包括中文在內(nèi)的32種語言組態(tài)，適用于多種安裝環(huán)境。屏體鑲嵌于控制機柜前端，安裝觸摸屏之前，需要根據(jù)屏體大小預(yù)留窗口。

控制機柜

系統(tǒng)配置西門子S7-300系列PLC作為控制核心，通過配置開關(guān)量輸入模塊完成對現(xiàn)場開關(guān)量信號的采集；配置開關(guān)量輸出模塊完成控制器對風(fēng)機的邏輯控制，通過配置模擬量輸入模塊對現(xiàn)場模擬量傳感器的值進行采集，通過配置profibus/RS485通訊模塊，實現(xiàn)與現(xiàn)場智能綜合保護裝置、智能電量采集模塊、電機驅(qū)動單元等的通訊。

控制機柜設(shè)計尺寸為800x600x2000mm，柜內(nèi)布局如圖所示。

控制柜外部正視圖

控制柜內(nèi)部正視圖

一.1.5 傳感設(shè)備

負壓傳感器

負壓傳感器用于檢測主扇風(fēng)機風(fēng)筒內(nèi)氣體壓力，選用DPT系列壓力變送器，芬蘭HK儀表單位的DPT系列微差壓變送器體積小巧，性能非常穩(wěn)定，可跳線對量程進行選擇。

主要技術(shù)參數(shù)：

1. 4～20毫安，***負載500歐姆；

2. 電氣連接：4個螺絲終端，***1.5平方毫米；

3. 線纜入口：M 16；

4. 供電電壓：24VDC；

5. 操作溫度：-10+50℃；

6. 存儲溫度：-20+70℃；

7. 外界濕度：0到95%RH。

差壓傳感器

差壓傳感器和取壓裝置配合使用，用于檢測主扇風(fēng)機風(fēng)筒內(nèi)氣體壓力，以便計算風(fēng)筒風(fēng)量，差壓傳感器選用DPT系列壓力變送器，芬蘭HK儀表單位的DPT系列微差壓變送器體積小巧，性能非常穩(wěn)定，可跳線對量程進行選擇。

主要技術(shù)參數(shù)：

a) 4～20毫安，***負載500歐姆；

b) 電氣連接：4個螺絲終端，***1.5平方毫米；

c) 線纜入口：M 16；

d) 供電電壓：24VDC；

e) 操作溫度：-10+50℃；

f) 存儲溫度：-20+70℃；

g) 外界濕度：0到95%RH。

風(fēng)速傳感器

GFW15煤礦用風(fēng)量傳感器是采用超聲波測量原理。主要用于連續(xù)監(jiān)測礦井通風(fēng)總回風(fēng)巷、井下主要測風(fēng)站、扇風(fēng)機等處的風(fēng)速，是礦井通風(fēng)安全參數(shù)測量的重要儀表。具有紅外遙控調(diào)校功能和調(diào)校簡單的特點。

主要技術(shù)指標(biāo)

1) 測量范圍：0.3-15m/s

2) 測量誤差：小于±0.3m/s

3) 響應(yīng)時間：小于40s

4) 顯示：三位LED就地顯示

5) 輸出信號： 4-20mA

6) 工作電壓：本安DC9V-21V

7) 工作電流：≤70mA  

8) 信號傳輸距離：≤2km

震動監(jiān)測儀及輔件

震動監(jiān)測儀用于檢測風(fēng)機風(fēng)筒的軸向震動和徑向震動幅度，選擇江陰中泰科技單位生產(chǎn)的ZT6305型振動烈度監(jiān)控儀和配套速度傳感器選擇CD-6型。

主要技術(shù)參數(shù)：

1. 靈敏度：20mV/mm/s±5%；

2. 頻響：10～1000Hz；輸入阻抗：>100KΩ；

3. 測量范圍：0～50.0mm/s(真有效值)；

4. 測量精度：線性誤差≤±1%(滿度值)；

5. 顯示方式：3位數(shù)碼管顯示；

6. 電流輸出：4～20mA輸出負載：≤500Ω；

7. 報警接點容量：DC28V3A；

8. 工作環(huán)境：溫度：0～65℃相對濕度：≤85%；

9. 工作電源：交流220VAC±10%50Hz功耗≤20W；

10. 安裝方式：盤式；

11. 整機尺寸：160(寬)×80(高)×300(深)mm；

12. 開孔尺寸：151(寬)×75(高)mm。

主要功能：

1. 顯示功能：振動測量值、Ⅰ值報警、Ⅱ值報警設(shè)定值，可分別在LED數(shù)碼管上顯示；

2. 報警功能：當(dāng)振動幅度超過報警設(shè)定值時，報警指示燈亮，同時在后面輸出開關(guān)信號，保護被監(jiān)控設(shè)備；

3. 報警延時時間設(shè)定功能：報警延時時間調(diào)整范圍0～3秒，以防止現(xiàn)場****引起誤報警；

4. 自診斷功能：具備上電、掉電檢測功能，同時斷開報警輸出回路，能有效地抑制儀表的誤報警。

一.1.6 系統(tǒng)原理

1．采用壓力法測定風(fēng)量原理，在1號和2號通風(fēng)機的進風(fēng)巷或擴散器上安裝有取壓管，通過差壓變送器測定擴散筒變異截面壓力差，計算風(fēng)量；

在礦井風(fēng)硐中裝有靜壓取壓管，利用壓力變送器可以連續(xù)監(jiān)測礦井總負壓；

3．在1號和2號通風(fēng)機軸承上和電動機定子繞組上應(yīng)該預(yù)埋有溫度檢測元件，通過安裝在PLC柜中的熱電阻輸入模塊采集溫度信號，當(dāng)任一個溫度超過設(shè)定的溫度報警值時，能夠進行聲光報警；

4．利用設(shè)備開停傳感器監(jiān)測礦井1號和2號通風(fēng)機的開停狀態(tài)；

5．通過監(jiān)測礦井總負壓的變化，利用計算機軟件可以判斷礦井反風(fēng)、或電動機反轉(zhuǎn)狀態(tài)；

6．由安裝在通風(fēng)機軸承上的振動速度傳感器測定振幅，由振動烈度監(jiān)測儀器轉(zhuǎn)換為振動速度，并以標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出給PLC。

一.1.7 測量方法

對現(xiàn)場模擬量以及數(shù)字量的測量的精確度影響到整個系統(tǒng)運行狀況，因此選擇正確的測量方法至關(guān)重要，以下簡要的介紹系統(tǒng)中幾個參數(shù)的測量方法：

1．靜壓測量

對于抽出式通風(fēng)礦井的總負壓的測量就是測定其通風(fēng)機風(fēng)峒內(nèi)平均靜壓。測量風(fēng)峒某點的平均靜壓值，可使用皮托管和各種靜壓感受管。靜壓測量要注意兩個問題：

由于靜壓為風(fēng)流作用于管壁上的法向壓力值，故測量靜壓值的關(guān)鍵在于選擇一個合適的測壓斷面，保證所安裝的測壓管的感受孔中心線和氣流方向垂直。

靜壓取壓管可以用靜壓取壓管，也可以用壁孔方式。

靜壓測量用差壓變送器測量，通風(fēng)機房現(xiàn)有一套測量礦井負壓的水柱壓力計，如果取壓管安裝滿足使用要求，可以利用原來的引壓管，連接方法見下圖所示。用引壓橡膠管連接置于風(fēng)硐的靜壓取壓裝置，通過一個三通分為兩路，其中一路連接到通風(fēng)機房的水柱計上，另一路經(jīng)過過濾器連接到靜壓變送器的低壓端(L)上，變送器高端(H)通向大氣，變送器輸出4～20mA電信號對應(yīng)風(fēng)峒中的相對靜壓值。

靜壓測量連接方法

2．差壓測量及通風(fēng)機排風(fēng)量測量

軸流式通風(fēng)機的風(fēng)量測定選用落差法。通過測定逐漸收縮風(fēng)道兩近距離異徑斷面的靜壓差求算風(fēng)量，在流體力學(xué)中稱為落差法。

在通風(fēng)機錐形擴散器的斷面1(大)和斷面2(小)****別開若干個靜壓孔(視斷面大小而定)見下圖所示。用金屬管或橡膠管將全部靜壓管并聯(lián)起來并用橡膠管引至壓差傳感器上，根據(jù)伯努利方程和連續(xù)方程可以得到小斷面上的平均風(fēng)速V2的計算公式如下：

式中：

A1、A2：1、2斷面的面積，m2；

P1、P2：1、2斷面的靜壓，Pa。

ξ兩斷面上的壓力損失系數(shù)，由實驗確定(可忽略)。

輸入2--2斷面(小斷面)面積，即可計算出主通風(fēng)機的排風(fēng)量。

風(fēng)機錐形擴散器取壓孔

采用落差法的取壓裝置示意圖見下圖所示。由于落差法是測定兩個截面的靜壓差只需要靜壓測頭，靜壓測頭的取壓孔軸線應(yīng)與風(fēng)流方向垂直，應(yīng)避免筒壁面不規(guī)整而形成的渦流區(qū)影響氣流穩(wěn)定。在A、B二個斷面上的三個靜壓取壓管均呈120度安裝。分別通過三通連接到引壓管上，二根引壓管分別連接在差壓變送器的兩個取壓口上，其中，A斷面引壓管連接在高端。

落差法的取壓裝置圖

3．溫度監(jiān)測

通風(fēng)機出廠時，一般都會在軸承與電機繞組上預(yù)埋入測溫元件—PT100，將溫度傳感器的輸出信號連接到PLC熱電阻輸入模塊即可以測量得到主通風(fēng)機電機軸承與繞組的溫度。

4．風(fēng)機運行狀態(tài)監(jiān)測

運行狀態(tài)監(jiān)測包括主通風(fēng)機設(shè)備開停監(jiān)測、反風(fēng)狀態(tài)監(jiān)測、風(fēng)硐風(fēng)門狀態(tài)監(jiān)測等。

通風(fēng)機開停監(jiān)測：開停傳感器選用KGT9-E煤礦用設(shè)備開停狀態(tài)傳感器2臺，分別非電接觸卡在主、備用通風(fēng)機的高壓電纜上，通過監(jiān)測電纜電流，確定設(shè)備開停。

一.1.8 系統(tǒng)功能

1．通訊與接口功能：系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的RJ45接口和軟件OPC接口，實現(xiàn)遠程監(jiān)測控制。監(jiān)控中心可通過網(wǎng)絡(luò)實時檢查和查閱該該主扇的運行狀態(tài)。并提供WEB模式，供內(nèi)網(wǎng)用戶瀏覽。

2．數(shù)據(jù)采集功能：通過配置傳感器或通過將現(xiàn)場設(shè)備預(yù)配置的傳感器的接入，實時自動監(jiān)測和記錄機房主扇運行時的風(fēng)量、負壓、電機溫度、軸承溫度、振動、風(fēng)機開停信號及風(fēng)門開閉狀態(tài)信號等參數(shù)。

3．顯示功能：通過在后臺和現(xiàn)場控制柜上的觸摸屏做畫面，實時直觀地模擬顯示機房主扇的運行狀態(tài)圖，畫面清晰、直觀。

4．數(shù)據(jù)存儲功能：可存儲和查詢通風(fēng)機及相關(guān)設(shè)備的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能保存兩年以上的數(shù)據(jù)，以便用戶進行數(shù)據(jù)報表打印。

5．數(shù)據(jù)處理功能：并能實現(xiàn)主要監(jiān)測參數(shù)實時曲線和歷史趨勢曲線生成，如通風(fēng)機的負壓動態(tài)曲線、風(fēng)量動態(tài)曲線、電機和軸承溫度動態(tài)曲線、電機電流動態(tài)曲線、功率動態(tài)曲線、效率動態(tài)曲線等實時曲線，有利于及時發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)故障。同時對主要性能參數(shù)生成歷史趨勢曲線。

6、報表功能：可以生成日報、月報、年報，為用戶提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

7．控制功能：系統(tǒng)可實現(xiàn)自動方式、授權(quán)遙控、現(xiàn)場集中、就地手動等多種控制方式。

? 自動方式：該控制方式下，系統(tǒng)會根據(jù)現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)，按照編制的邏輯程序，對通風(fēng)機進行啟動、停止、定期輪換、定時反風(fēng)、故障報警等操作，無需人為干預(yù)。

? 授權(quán)遙控：該控制方式下，可在監(jiān)控中心的組態(tài)畫面上，通過輸入用戶名（該用戶需有此遙控權(quán)限）和授權(quán)密碼，遠程遙控通風(fēng)機及其相關(guān)設(shè)備的啟動、停止、報警等工作。

? 現(xiàn)場集中：現(xiàn)場風(fēng)機監(jiān)控柜設(shè)有觸摸顯示屏，可在風(fēng)機房現(xiàn)場通過觸摸顯示屏現(xiàn)場集中顯示風(fēng)機及其相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)，并對通風(fēng)機及其相關(guān)設(shè)備進行控制。

? 就地手動：當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者檢修時，從機旁手動控制通風(fēng)機及其相關(guān)設(shè)備的開停等工作，屬于電氣回路。

8．自動調(diào)節(jié)控制程序具有倒換風(fēng)機預(yù)警、定時反風(fēng)預(yù)告、風(fēng)量調(diào)節(jié)預(yù)報三類程序。

9．幫助功能：具有完善的在線幫助系統(tǒng)，操作人員可隨時查詢幫助文件，解決操作中遇到的疑難問題。

一.2 局部通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)

一.2.1 系統(tǒng)組成

局部通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計為三層架構(gòu)：信息層（后臺），傳輸層，設(shè)備層（現(xiàn)場傳感器、智能監(jiān)控儀表、綜合保護裝置等）。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖所示。

局部風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)：

控制后臺

監(jiān)控后臺采用綜合智能化軟件平臺開發(fā)，用于通風(fēng)機的遠程監(jiān)測和控制。

一.2.2 系統(tǒng)功能

1．通訊與接口功能：系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的RJ45接口和軟件OPC接口，實現(xiàn)遠程監(jiān)測控制。監(jiān)控中心可通過網(wǎng)絡(luò)實時檢查和查閱該該主扇的運行狀態(tài)。并提供WEB模式，供內(nèi)網(wǎng)用戶瀏覽。

2．顯示功能：通過在后臺做畫面，實時直觀地模擬顯示局扇的運行狀態(tài)圖，畫面清晰、直觀。

3．控制功能：系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程控制和就地手動兩種控制方式。

? 遠程控制：該控制方式下，可在調(diào)度中心實現(xiàn)局扇的啟停。 

? 就地手動：當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者檢修時，從機旁手動控制風(fēng)機及其相關(guān)設(shè)備的開停等工作，屬于電氣回路。

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