通風(fēng)子系統(tǒng)

一.1 主通風(fēng)機(jī)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(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)和井下局部通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)。兩個(gè)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(shí)際硬件配置條件，經(jīng)過分析，可以構(gòu)建自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人值守。

一.1.2 系統(tǒng)概述

礦井通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)的必要配套設(shè)備，它對主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對其運(yùn)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(jì)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(jì)的主通風(fēng)機(jī)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(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)異?；驇Р∵\(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)給出可靠的報(bào)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(jī)在線系統(tǒng)主要監(jiān)控的對象為：通風(fēng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的電機(jī)、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置（需要預(yù)留PLC通訊接口）、風(fēng)機(jī)風(fēng)門、通風(fēng)機(jī)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(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(hù)裝置等）。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。

通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(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(jī)的運(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行采集，通過配置profibus/RS485通訊模塊，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場智能綜合保護(hù)裝置、智能電量采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元等的通訊。

控制機(jī)柜設(shè)計(jì)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(fù)壓傳感器

負(fù)壓傳感器用于檢測主扇風(fēng)機(jī)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(jìn)行選擇。

主要技術(shù)參數(shù)：

1. 4～20毫安，***負(fù)載500歐姆；

2. 電氣連接：4個(gè)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(jī)風(fēng)筒內(nèi)氣體壓力，以便計(jì)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(jìn)行選擇。

主要技術(shù)參數(shù)：

a) 4～20毫安，***負(fù)載500歐姆；

b) 電氣連接：4個(gè)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(jī)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(diǎn)。

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(shí)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(dòng)監(jiān)測儀及輔件

震動(dòng)監(jiān)測儀用于檢測風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的軸向震動(dòng)和徑向震動(dòng)幅度，選擇江陰中泰科技單位生產(chǎn)的ZT6305型振動(dòng)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(fù)載：≤500Ω；

7. 報(bào)警接點(diǎn)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(jī)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(dòng)測量值、Ⅰ值報(bào)警、Ⅱ值報(bào)警設(shè)定值，可分別在LED數(shù)碼管上顯示；

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

3. 報(bào)警延時(shí)時(shí)間設(shè)定功能：報(bào)警延時(shí)時(shí)間調(diào)整范圍0～3秒，以防止現(xiàn)場****引起誤報(bào)警；

4. 自診斷功能：具備上電、掉電檢測功能，同時(shí)斷開報(bào)警輸出回路，能有效地抑制儀表的誤報(bào)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(jī)的進(jìn)風(fēng)巷或擴(kuò)散器上安裝有取壓管，通過差壓變送器測定擴(kuò)散筒變異截面壓力差，計(jì)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(fù)壓；

3．在1號和2號通風(fēng)機(jī)軸承上和電動(dòng)機(jī)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(gè)溫度超過設(shè)定的溫度報(bào)警值時(shí)，能夠進(jìn)行聲光報(bào)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(jī)的開停狀態(tài)；

5．通過監(jiān)測礦井總負(fù)壓的變化，利用計(jì)算機(jī)軟件可以判斷礦井反風(fēng)、或電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)狀態(tài)；

6．由安裝在通風(fēng)機(jī)軸承上的振動(dòng)速度傳感器測定振幅，由振動(dòng)烈度監(jiān)測儀器轉(zhuǎn)換為振動(dòng)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)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(gè)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(fù)壓的測量就是測定其通風(fēng)機(jī)風(fēng)峒內(nèi)平均靜壓。測量風(fēng)峒某點(diǎn)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(gè)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(gè)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(jī)房現(xiàn)有一套測量礦井負(fù)壓的水柱壓力計(jì)，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(gè)三通分為兩路，其中一路連接到通風(fēng)機(jī)房的水柱計(jì)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(jī)排風(fēng)量測量

軸流式通風(fēng)機(jī)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(jī)錐形擴(kuò)散器的斷面1(大)和斷面2(小)****別開若干個(gè)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(jì)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(shí)驗(yàn)確定(可忽略)。

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

風(fēng)機(jī)錐形擴(kuò)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(gè)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(gè)斷面上的三個(gè)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(gè)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(jī)出廠時(shí)，一般都會(huì)在軸承與電機(jī)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(jī)電機(jī)軸承與繞組的溫度。

4．風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測

運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測包括主通風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制。監(jiān)控中心可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)檢查和查閱該該主扇的運(yùn)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(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測和記錄機(jī)房主扇運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量、負(fù)壓、電機(jī)溫度、軸承溫度、振動(dòng)、風(fēng)機(jī)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(shí)時(shí)直觀地模擬顯示機(jī)房主扇的運(yùn)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(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)表打印。

5．數(shù)據(jù)處理功能：并能實(shí)現(xiàn)主要監(jiān)測參數(shù)實(shí)時(shí)曲線和歷史趨勢曲線生成，如通風(fēng)機(jī)的負(fù)壓動(dòng)態(tài)曲線、風(fēng)量動(dòng)態(tài)曲線、電機(jī)和軸承溫度動(dòng)態(tài)曲線、電機(jī)電流動(dòng)態(tài)曲線、功率動(dòng)態(tài)曲線、效率動(dòng)態(tài)曲線等實(shí)時(shí)曲線，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)故障。同時(shí)對主要性能參數(shù)生成歷史趨勢曲線。

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

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

? 自動(dòng)方式：該控制方式下，系統(tǒng)會(huì)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(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、停止、定期輪換、定時(shí)反風(fēng)、故障報(bào)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(yuǎn)程遙控通風(fēng)機(jī)及其相關(guān)設(shè)備的啟動(dòng)、停止、報(bào)警等工作。

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

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

8．自動(dòng)調(diào)節(jié)控制程序具有倒換風(fēng)機(jī)預(yù)警、定時(shí)反風(fēng)預(yù)告、風(fēng)量調(diào)節(jié)預(yù)報(bào)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(shí)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(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)

一.2.1 系統(tǒng)組成

局部通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(hù)裝置等）。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。

局部風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(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(jī)的遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制。監(jiān)控中心可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)檢查和查閱該該主扇的運(yùn)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(shí)時(shí)直觀地模擬顯示局扇的運(yùn)行狀態(tài)圖，畫面清晰、直觀。

3．控制功能：系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和就地手動(dòng)兩種控制方式。

? 遠(yuǎn)程控制：該控制方式下，可在調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)局扇的啟停。 

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

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