通风子系统
一.1 主通风机在线监控系统
一.1.1 系统现状
通风子系统包含主通风机在线监控系统和井下局部通风机在线监控系统。两个系统均为本次新建控制系统，系统采用西门子PLC作为控制核心，并配备RJ45通讯接口。
根据现场的环境和实际硬件配置条件，经过分析，可以构建自动控制系统，实现无人值守。
一.1.2 系统概述
矿井通风机在线监控系统是风机的必要配套设备，它对主通风机的运行状态进行实时监测，并对其运行中出现的各种情况做出迅速合理的处理，为煤矿矿井安全生产、经济合理通风和火灾救灾通风提供信息依据和有力措施保障。
本方案设计的主通风机在线监控系统能够提供丰富的数据、图形、信息，让用户迅速了解风机当前的运行状态，当风机运行状态异常或带病运行时，系统给出可靠的报警信号以及相应的逻辑控制；为操作人员提供技术参考，有力保障矿井安全，成倍提高煤矿的生产效率。
一.1.3 系统监控对象
风机在线系统主要监控的对象为：通风机、驱动风机的电机、电机的驱动装置（需要预留PLC通讯接口）、风机风门、通风机的配电设备以及配套管路等的状态及参数。
一.1.4 系统组成
风机在线监控系统整体设计为三层架构：信息层（后台与触摸屏），控制层（PLC），设备层（现场传感器、智能监控仪表、综合保护装置等）。系统拓扑结构如图所示。
通风机在线监控系统拓扑结构
控制后台
在控制箱上配置触摸屏，就地显示与控制风机的运行状态及参数。触摸屏为10寸显示屏，TPC 1062KS触摸屏支持包括中文在内的32种语言组态，适用于多种安装环境。屏体镶嵌于控制机柜前端，安装触摸屏之前，需要根据屏体大小预留窗口。
控制机柜
系统配置西门子S7-300系列PLC作为控制核心，通过配置开关量输入模块完成对现场开关量信号的采集；配置开关量输出模块完成控制器对风机的逻辑控制，通过配置模拟量输入模块对现场模拟量传感器的值进行采集，通过配置profibus/RS485通讯模块，实现与现场智能综合保护装置、智能电量采集模块、电机驱动单元等的通讯。
控制机柜设计尺寸为800x600x2000mm，柜内布局如图所示。
控制柜外部正视图
控制柜内部正视图
一.1.5 传感设备
负压传感器
负压传感器用于检测主扇风机风筒内气体压力，选用DPT系列压力变送器，芬兰HK仪表单位的DPT系列微差压变送器体积小巧，性能非常稳定，可跳线对量程进行选择。
主要技术参数：
1. 4～20毫安，负载500欧姆；
2. 电气连接：4个螺丝终端，1.5平方毫米；
3. 线缆入口：M 16；
4. 供电电压：24VDC；
5. 操作温度：-10+50℃；
6. 存储温度：-20+70℃；
7. 外界湿度：0到95%RH。
差压传感器
差压传感器和取压装置配合使用，用于检测主扇风机风筒内气体压力，以便计算风筒风量，差压传感器选用DPT系列压力变送器，芬兰HK仪表单位的DPT系列微差压变送器体积小巧，性能非常稳定，可跳线对量程进行选择。
主要技术参数：
a) 4～20毫安，负载500欧姆；
b) 电气连接：4个螺丝终端，1.5平方毫米；
c) 线缆入口：M 16；
d) 供电电压：24VDC；
e) 操作温度：-10+50℃；
f) 存储温度：-20+70℃；
g) 外界湿度：0到95%RH。
风速传感器
GFW15煤矿用风量传感器是采用超声波测量原理。主要用于连续监测矿井通风总回风巷、井下主要测风站、扇风机等处的风速，是矿井通风安全参数测量的重要仪表。具有红外遥控调校功能和调校简单的特点。
主要技术指标
1) 测量范围：0.3-15m/s
2) 测量误差：小于±0.3m/s
3) 响应时间：小于40s
4) 显示：三位LED就地显示
5) 输出信号： 4-20mA
6) 工作电压：本安DC9V-21V
7) 工作电流：≤70mA
8) 信号传输距离：≤2km
震动监测仪及辅件
震动监测仪用于检测风机风筒的轴向震动和径向震动幅度，选择江阴中泰科技单位生产的ZT6305型振动烈度监控仪和配套速度传感器选择CD-6型。
主要技术参数：
1. 灵敏度：20mV/mm/s±5%；
2. 频响：10～1000Hz；输入阻抗：>100KΩ；
3. 测量范围：0～50.0mm/s(真有效值)；
4. 测量精度：线性误差≤±1%(满度值)；
5. 显示方式：3位数码管显示；
6. 电流输出：4～20mA输出负载：≤500Ω；
7. 报警接点容量：DC28V3A；
8. 工作环境：温度：0～65℃相对湿度：≤85%；
9. 工作电源：交流220VAC±10%50Hz功耗≤20W；
10. 安装方式：盘式；
11. 整机尺寸：160(宽)×80(高)×300(深)mm；
12. 开孔尺寸：151(宽)×75(高)mm。
主要功能：
1. 显示功能：振动测量值、Ⅰ值报警、Ⅱ值报警设定值，可分别在LED数码管上显示；
2. 报警功能：当振动幅度超过报警设定值时，报警指示灯亮，同时在后面输出开关信号，保护被监控设备；
3. 报警延时时间设定功能：报警延时时间调整范围0～3秒，以防止现场干扰引起误报警；
4. 自诊断功能：具备上电、掉电检测功能，同时断开报警输出回路，能有效地抑制仪表的误报警。
一.1.6 系统原理
1．采用压力法测定风量原理，在1号和2号通风机的进风巷或扩散器上安装有取压管，通过差压变送器测定扩散筒变异截面压力差，计算风量；
在矿井风硐中装有静压取压管，利用压力变送器可以连续监测矿井总负压；
3．在1号和2号通风机轴承上和电动机定子绕组上应该预埋有温度检测元件，通过安装在PLC柜中的热电阻输入模块采集温度信号，当任一个温度超过设定的温度报警值时，能够进行声光报警；
4．利用设备开停传感器监测矿井1号和2号通风机的开停状态；
5．通过监测矿井总负压的变化，利用计算机软件可以判断矿井反风、或电动机反转状态；
6．由安装在通风机轴承上的振动速度传感器测定振幅，由振动烈度监测仪器转换为振动速度，并以标准电信号输出给PLC。
一.1.7 测量方法
对现场模拟量以及数字量的测量的精确度影响到整个系统运行状况，因此选择正确的测量方法至关重要，以下简要的介绍系统中几个参数的测量方法：
1．静压测量
对于抽出式通风矿井的总负压的测量就是测定其通风机风峒内平均静压。测量风峒某点的平均静压值，可使用皮托管和各种静压感受管。静压测量要注意两个问题：
由于静压为风流作用于管壁上的法向压力值，故测量静压值的关键在于选择一个合适的测压断面，保证所安装的测压管的感受孔中心线和气流方向垂直。
静压取压管可以用静压取压管，也可以用壁孔方式。
静压测量用差压变送器测量，通风机房现有一套测量矿井负压的水柱压力计，如果取压管安装满足使用要求，可以利用原来的引压管，连接方法见下图所示。用引压橡胶管连接置于风硐的静压取压装置，通过一个三通分为两路，其中一路连接到通风机房的水柱计上，另一路经过过滤器连接到静压变送器的低压端(L)上，变送器高端(H)通向大气，变送器输出4～20mA电信号对应风峒中的相对静压值。
静压测量连接方法
2．差压测量及通风机排风量测量
轴流式通风机的风量测定选用落差法。通过测定逐渐收缩风道两近距离异径断面的静压差求算风量，在流体力学中称为落差法。
在通风机锥形扩散器的断面1(大)和断面2(小)上分别开若干个静压孔(视断面大小而定)见下图所示。用金属管或橡胶管将全部静压管并联起来并用橡胶管引至压差传感器上，根据伯努利方程和连续方程可以得到小断面上的平均风速V2的计算公式如下：
式中：
A1、A2：1、2断面的面积，m2；
P1、P2：1、2断面的静压，Pa。
ξ两断面上的压力损失系数，由实验确定(可忽略)。
输入2--2断面(小断面)面积，即可计算出主通风机的排风量。
风机锥形扩散器取压孔
采用落差法的取压装置示意图见下图所示。由于落差法是测定两个截面的静压差只需要静压测头，静压测头的取压孔轴线应与风流方向垂直，应避免筒壁面不规整而形成的涡流区影响气流稳定。在A、B二个断面上的三个静压取压管均呈120度安装。分别通过三通连接到引压管上，二根引压管分别连接在差压变送器的两个取压口上，其中，A断面引压管连接在高端。
落差法的取压装置图
3．温度监测
通风机出厂时，一般都会在轴承与电机绕组上预埋入测温元件—PT100，将温度传感器的输出信号连接到PLC热电阻输入模块即可以测量得到主通风机电机轴承与绕组的温度。
4．风机运行状态监测
运行状态监测包括主通风机设备开停监测、反风状态监测、风硐风门状态监测等。
通风机开停监测：开停传感器选用KGT9-E煤矿用设备开停状态传感器2台，分别非电接触卡在主、备用通风机的高压电缆上，通过监测电缆电流，确定设备开停。
一.1.8 系统功能
1．通讯与接口功能：系统提供标准的RJ45接口和软件OPC接口，实现远程监测控制。监控中心可通过网络实时检查和查阅该该主扇的运行状态。并提供WEB模式，供内网用户浏览。
2．数据采集功能：通过配置传感器或通过将现场设备预配置的传感器的接入，实时自动监测和记录机房主扇运行时的风量、负压、电机温度、轴承温度、振动、风机开停信号及风门开闭状态信号等参数。
3．显示功能：通过在后台和现场控制柜上的触摸屏做画面，实时直观地模拟显示机房主扇的运行状态图，画面清晰、直观。
4．数据存储功能：可存储和查询通风机及相关设备的各种监测数据，系统能保存两年以上的数据，以便用户进行数据报表打印。
5．数据处理功能：并能实现主要监测参数实时曲线和历史趋势曲线生成，如通风机的负压动态曲线、风量动态曲线、电机和轴承温度动态曲线、电机电流动态曲线、功率动态曲线、效率动态曲线等实时曲线，有利于及时发现通风系统故障。同时对主要性能参数生成历史趋势曲线。
6、报表功能：可以生成日报、月报、年报，为用户提供数据依据。
7．控制功能：系统可实现自动方式、授权遥控、现场集中、就地手动等多种控制方式。
Ø 自动方式：该控制方式下，系统会根据现场传感器采集的数据，按照编制的逻辑程序，对通风机进行启动、停止、定期轮换、定时反风、故障报警等操作，无需人为干预。
Ø 授权遥控：该控制方式下，可在监控中心的组态画面上，通过输入用户名（该用户需有此遥控权限）和授权密码，远程遥控通风机及其相关设备的启动、停止、报警等工作。
Ø 现场集中：现场风机监控柜设有触摸显示屏，可在风机房现场通过触摸显示屏现场集中显示风机及其相关设备的运行状态，并对通风机及其相关设备进行控制。
Ø 就地手动：当监控系统出现故障或者检修时，从机旁手动控制通风机及其相关设备的开停等工作，属于电气回路。
8．自动调节控制程序具有倒换风机预警、定时反风预告、风量调节预报三类程序。
9．帮助功能：具有完善的在线帮助系统，操作人员可随时查询帮助文件，解决操作中遇到的疑难问题。
一.2 局部通风机在线监控系统
一.2.1 系统组成
局部通风机在线监控系统整体设计为三层架构：信息层（后台），传输层，设备层（现场传感器、智能监控仪表、综合保护装置等）。系统拓扑结构如图所示。
局部风机在线监控系统拓扑结构：
控制后台
监控后台采用综合智能化软件平台开发，用于通风机的远程监测和控制。
一.2.2 系统功能
1．通讯与接口功能：系统提供标准的RJ45接口和软件OPC接口，实现远程监测控制。监控中心可通过网络实时检查和查阅该该主扇的运行状态。并提供WEB模式，供内网用户浏览。
2．显示功能：通过在后台做画面，实时直观地模拟显示局扇的运行状态图，画面清晰、直观。
3．控制功能：系统可实现远程控制和就地手动两种控制方式。
Ø 远程控制：该控制方式下，可在调度中心实现局扇的启停。
Ø 就地手动：当监控系统出现故障或者检修时，从机旁手动控制风机及其相关设备的开停等工作，属于电气回路。
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