基于PLC矿井通风机监控系统设计样本.doc

毕业设计（论文）

题 目：基于plc矿井通风监控系统设计
院 系： 电子工程系
专业班级： 电气104班
指引教师： 黄俊梅
学生姓名： 李青洲
学 号：

摘 要
煤矿安全生产中，矿井通风系统起着极其重要作用，它是煤矿安全生产核心环节。而矿井通风机又是矿井通风系统重要设备之一，因而对其进行PLC控制变频调速系统设计和研究，不但可以大大提高煤矿生产机械化、自动化水平，还能节约大量电能，具备较高经济效益。
煤矿主通风机监控系统重要涉及风机性能检测和风机风量调节控制两某些。本文以一台矿用对旋轴流风机为控制对象，结合PLC控制技术、变频调速技术和组态监控技术，对矿井通风机进行了PLC控制状态监测和变频调速设计和研究。
监控系统采用上位机加下位机设计模式。下位机采用可靠性高可编程逻辑控制器，通过各种传感器和电量采集单元实时监测通风机性能参数和状态参数、电机电气参数并能实现远程通讯。上位机应用北京亚控科技公司开发KINGVIEW6.52组态软件编写人机界面，将风机工作流程以直观画面显示出来，实现数据采集和显示、核心数据记录和报警、生产数据存储和报表输出、为操作员提供良好操作界面，完毕了风机房无人值守自动化监控和管理设计和改造。
在变风量系统中，重要比较了风门调节与变频调节，显示出了变频调节系统不但能使风机工作在高效区，并且其节能效果要优于其他调节办法，具备很重要应用前景。风机调节控制由PLC+变频器控制电机转速实现风量控制。同步本文还研究了风量调节算法。
核心词：PLC控制；变频调速技术； 矿井通风机； 组态王软件。

目录
1 绪论 1
1.1选题背景和意义 1
1.2 风机监控系统国内外研究状况 1
1.3矿井主通风机在线监测监控展望 2
1.4本论文重要工作和安排 3
2 系统构成及各某些功能 4
2.1矿井主扇风机 4
2.1.1矿井主扇风机概述 4
2.1.2风机重要技术指标 4
2.1.3风机特性曲线 6
2.1.4风量调节办法 7
2.2可编程控制器应用 7
2.2.1 PLC概述 7
2.2.2 PLC基本构成 8
2.2.3 PLC工作原理 9
2.3风机参数检测 9
2.3.1风压、风量参数检测 10
2.3.2振动参数检测 10
2.3.3电气参数检测 12
2.3.4电机轴承和定子温度检测 12
2.3.5开关量检测 13
2.4 变频调速 13
2.4.1变频调速技术在矿井通风机上应用概述 13
2.4.2变频调速基本原理 14
2.4.3风机变频调速节能分析 15
2.4.4变频器构造 16
2.4.5 PLC控制变频器方式 17
3 通信网络实现 19
3.1 风机自动化监控系统整体构造 19
3.2基于现场总线和工业以太网控制系统 19
3.2.1现场总线控制系统和以太网技术 19
3.2.2现场总线与以太网互连 20
3.2.3网络详细实现办法 21
4 系统硬件设计 22
4.1系统硬件连接 22
4.2主电路 22
4.3控制电路设计 22
4.4 器件选型 25
4.4.1PLC选型 25
4.4.2变频器选型 26
4.5 变频器与PLC连接 26
4.6风量控制算法 27
4.6.1变频器输入值计算 27
4.6.2 U-P和Q-P曲线拟合 29
5主通风机监控系统软件设计 30
5.1 PLC软件设计 30
5.1.2子程序0和1程序流程 31
5.1.3子程序2和3程序流程 32
5.1.4子程序4程序流程 33
5.1.5中断子程序 34
5.2 组态软件设计 35
5.2.1 KINGVIEW 6.52操作界面 35
5.2.2煤矿主通风机在线监测系统主界面 35
5.2.3 PLC控制变频器调速系统主界面 36
结论 37
道谢 38
参照文献 39
附录 40

1 绪论
1.1选题背景和意义
通风机是煤矿四大固定设备之一，它肩负着向井下输送新鲜空气、排出粉尘和污浊气流重任，具备“矿井肺腑”之称。由于井下工作环境恶劣，主通风机工作电压较高，电流较大，浮现故障概率也较大。一旦发生故障，将会对整个矿区生产和安全导致重大影响。因而，有必要建立一套功能完善自动监控系统，实现矿井主通风机性能及状态在线实时监测，以便在生产过程中及时掌握主通风机运营参数和状态，这也是主通风机控制系统发展方向。据记录，煤矿事故70%以上是由于通风设备故障、通风管理不善等所导致。随着煤矿生产规模扩大、生产效率提高，井下通风系统对通风设备监测监控也必要提出了更高规定。运用设备在线监测监控等有关技术，实时调节风机运营状态，及早发现故障隐患十分必要。高压变频技术、智能控制技术、传感器技术、现场总线技术以及工业以太网技术迅速发展，为满足煤矿生产上述规定提供了也许。本监控系统就是在此背景下提出。
1.2 风机监控系统国内外研究状况
国外很早就对风机进行了研究。至90年代，普通风机均配有在线监控系统，集保护、检测、控制于一体，不但能实现风量自动调节，重要能进行故障诊断，预测使用寿命，预报维修极限，成功地对风机进行了检测，有效保证了矿井通风系统安全运营。美国煤矿使用主风机以轴流式为主，近年来开始采用在运营中可以变化叶片角度液压式动叶可调风机，节能效果好。德国以TLT公司为代表，采用液压式动叶调节轴流通风机，其运营效率可保持在83%～88%以内。国内在这两方面起步比较晚。风量调节办法都比较落后，需要在停机状况下进行手动调节或者是隔一段时间才干调节一次。其一这种人工操作办法只能做到阶段性调节而不能做到及时持续自动调节，并且实时性差，风量控制不精确，自动化限度不高；此外，国内煤矿主通风机普通都在远离煤矿管理部门井田边沿，通风设备管理由于风量参数不能实当前线监测而成为煤矿自动化管理薄弱环节。当前大某些厂家只对设备进行简朴点测，或是对风机进行简易诊断。近几年来，陆续有几家大中型公司开始安装了专用检测诊断设备对风机进行了长期检测。近几年来，陆续有几家大中型公司开始安装了专用检测诊断设备对风机进行了长期检测。南京因泰莱电器股份有限公司为银川力城电子煤矿设计了综合当代化通信、计算机和自动控制与检测技术全分布式计算机监控系统，它具备显示、打印、报警、状态辨认、趋势分析、现场动平衡等功能，在实际应用中获得了较好效果。但与国外还是存在着一定距离。
1.3矿井主通风机在线监测监控展望
随着科学技术发展,科技人员不断努力，矿井主通风机在线监测监控获得了一定成绩,但也明显存在某些局限性矿井主通风机在线监测监控重要还处在监测水平，其控制功能很弱，对主通风机控制和故障诊断基本上还处在研究阶段，矿井主通风机在线监测监控可靠性有待进一步提高，矿井主通风机在线监测监控是一种较独立系统,未与整个矿井通风系统、整个煤矿管理系统获得协调联系。
针对以上局限性，为了进一步提高煤矿自动化管理水平,提高生产安全限度，减少工人劳动强度，矿并主通风机在线监测监控应在如下几种方面发展：
(1)煤矿监测监控系统构造向集散化构造发展
新推出监测监控系统基本上都采用集散系统构造，普通由现场测控分站和控制中心主站构成。分站以脱离主站自动实现就地监测和控制功能，普通由中小型可编程控制器构成。主站普通采用PC机，重要负责监测数据收集、存储、显示、报警、解决、分析、报表打印等。
(2)煤矿安全监测监控系统开放化
新推出集散监测监控系统均采用开放系统互连原则模型、通信合同或规程，支持各种互连原则。任何集散测控系统，只要遵循这些规程，就可以与其他系统或计算机系统相连，以便地构成多节点计算机局域网络，实现系统间通信和数据共享。
(3)煤矿安全监测监控系统智能化
重要是指传感器智能化，如不断推出具备自动校正、敏捷度自动补偿、非线性自动补偿等功能智能传感器。
(4)煤矿安全监测监控系统应用软件发展趋势
涉及操作系统实时多任务化，控制软件组态化、智能化和图形化，软件系统开放化、原则化。
(5)煤矿安全监测监控系统向综合化方向发展
全矿井综合监控系统是一种可用于环境安全、轨道运送、皮带运送、提高运送、供电系统、排水系统、矿山压力、煤与瓦斯突出、自燃发火、大型机电设备运营状况等多方面综合监控系统，既可用于某一单方面监控，又可实现全面综合监控。
(6)发展专家诊断、专家决策系统软件
国内监测监控系统软件当前停留在对被监测量实时采集、存储、超限报警及断电、以曲线、图形和报表形式输出水平，实现了对数据最基本解决，在此基本上，国内正在开发专家系统和矿井安全预警系统。在矿难发生前就能对各种安全隐患进行预测，使安全隐患消灭在萌芽状态。
1.4本论文重要工作和安排
本论文以矿井对旋轴流风机为研究对象，以西门子 S7-200 可编程逻辑控制器作为监控核心，运用温度，压力，振动等传感器和电量采集单元对风机运营状态以及各种电量参数进行检测。同步，运用PLC和上位机之间通信实现通风机运营在线监控。本论文还讨论了运用变频器控制通风机变频运营，实现风机高效节能运营。详细地说，本论文重要研究内容如下：
1实现信号采集与实时监测，涉及风机运营状态、故障状态、负压、流量、轴承振动、轴承温度、定子温度、电压、电流、功率、效率等。
2控制系统能实现风机手动和自动变频运营切换，使风机处在工频或变频运营状态。在变频运营时，该系统能依照压力传感器模仿量输入，经PLC内部运算，计算出系统满足安全生产所需风量大小相应变频器输入电压值，经扩展模块模仿量输出控制变频器自动调节风机转速。
3本系统能实现各种报警功能，如风机定子，轴承温度超限，电动机振动异常报警，以及变频器浮现故障及时报警，及时解决功能。
4 用工程制图软件绘制系统主电路图和PLC及扩展模块接线图。
5 用STEP7-Micro/WIN编程软件编出PLC梯形图。
6 用PROFIBUS-DP现场总线和工业以太网完毕对PLC通信网络组建。
7模仿风机运营状况，用组态王软件绘制煤矿主通风机在线监测系统主界面和PLC控制变频器调速系统主界面。并生成性能参数实时曲线和历史趋势曲线，监测数据归档、数据报表查询及打印，以及瓦斯浓度、风量、风压等监控量趋势曲线、超限报警和数据报表功能。

2 系统构成及各某些功能
本论文设计矿井主扇风机监控涉及风机运营状态监测和风机风量调节两某些。
本系统中风机运营状态监测以工控领域可编程控制器(PLC)和组态软件为核心，以原则控制柜作为信号采集和控制输出装置,辅以传感器、中间继电器和其他辅助设备构建整个监控系统。通过煤矿主通风机计算机监控管理系统,实现了通风机计算机实时监控以及通风机房与工业以太网和煤矿安全监控网络系统信息共享。
风机风量调节中引入变频器对风机风速调节，据所需风量和风压大小通过变频器来调节风机转速在节能和提高风机效率方面具备无与伦比长处，还能实现风机软启动和保护等规定。
2.1矿井主扇风机
2.1.1矿井主扇风机概述
矿井通风机按构造来分，有离心通风机和轴流通风机，当前矿上使用最多是轴流通风机。轴流通风机是气体沿轴向进入旋转叶片通道，由叶片与气体互相作用，使气体被压缩并沿轴向排出通风机。在两级轴流通风机中，有一种性能比较好轴流通风机—对旋式轴流通风机，它一种叶轮装在另一种叶轮背面，同步两个叶轮旋转方向彼此相反。它具备构造尺寸短，效率高，反风性能好特点。当前矿井中主扇风机大某些采用对旋式轴流风机。
本论文中采用某实验风机，其技术参数如下：
风机基本性能参数
转速（r/min）
风量（/h）
全压（Pa）
效率（%）
直径（mm）
2900
5400-9000
1200-2400
85.5
400
配用电机基本参数
型号
转速（r/min）
功率（Kw）
额定电压（V）
额定电流（A）
Y112M2
2900
4×2
380
8.5
2.1.2风机重要技术指标
1.风量
单位时间内通风机吸入气体体积称为通风机风量，以Q表达，单位为m/
2.风压
在通风中所称风压是指单位体积空气所具备能量，按其类型可分为静压、动压和全压，其单位为Pa。
1)静压
通风网络中单位体积流体所具备压力能量，即为气体静压力，以表达，在实际通风网路中，通风截面普通不是很大，可以忽视同一截面上任意两地之间气体位能之差，因而在缓变流条件下，同一过流截面上个点静压值可以以为相等。
2)动压
指单位体积流体所具备动能，携带该能量气体微团被滞止后体现压力，故称为动压，其大小用下式计算：
=
式中：
——气体中某点动压，Pa；
——动压测量处空气密度，kg/；
——气体流速，m/s
3)全压
气流中某一点滞止压力，亦是该点静压和动压代数和，以表达：
=
3功率
通风机功率分为轴功率和有效功率。轴功率是指原动机传递给通风机轴上功率，有功功率是指风机在单位时间内对气体做有用功，通风机全压有效功率用下式计算:
=
——通风机全压有效功率，kW；
——通风机全压，Pa；
——通风机风量，m/。
若通风机风压用静压表达，则通风机静压有效功率可用下式计算:
=
式中:
——通风机静压有效功率，kW。
4效率
效率是全压有效功率或静压有效功率与轴功率比值，前者称为全压效率，后者称为静压效率，计算公式如下：

式中
,——通风机全压效率和静压效率；
N——通风机轴功率，kW。
5转速
转速是指通风机在单位时间内实际转数，以n表达，单位为r/min。
2.1.3风机特性曲线
轴流式风机在设计工况下，基本上能消除气流径向流动，但当流量不不大于设计值时，叶轮下游侧气流将由内向外朝直径较大处偏斜；反之，气流将朝较小处偏转，状况严重时，会发生二次回流现象。轴流式风机性能曲线如图1所示。
1.Q－H曲线大都属于陡降型曲线
流量偏小时，气流将某些地发生二次回流现象，回流液体被叶轮二次加压，是流量较小状况下，压头上升缘故。
2.Q－N曲线在流量为零时最大
当流量增大时，H下降不久，轴功率也有所下降，这样往往使轴流式风机在零流量下启动时轴功率为最大。因而与离心式风机相比，轴流式风机应当在管路畅通下开动，尽管如此当启动与停车时，总是会通过最低流量，因此轴流式风机所配用电机要有足够裕量。
3.Q－n曲线在最高效率点附近迅速下降
流量不在设计工况下气流状况迅速变坏，以至效率下降不久，因此轴流式风机最佳工作范畴较窄，普通都没有调节阀门来调节流量。因而，Q－H曲线和Q－N曲线都是在流量从小到大增长时先下降，再上升，然后再下降，有两个拐点，正常工作工况点应选在Q－H曲线二次下降段，也就是驼峰点右侧，它可近似用三次方程来拟合，但在整个趋势中它和Q-H曲线拟合办法同样，选用有两个拐点三次方程，能较好反映风机工作状况性能。Q－n曲线在整个流量变化过程中是先增大后减少，为此可用二次方程来拟合它形状。普通工作工况点选在效率不不大于60%曲线段。
至此，由Q－H曲线和Q－n曲线也就决定了轴流式风机正常工作范畴，即在Q－H曲线驼峰点右侧和Q门曲线效率不不大于60%公共某些。同样是由于在风量较小状况下，风机二次回流现象影响，使得到某一流量时，在风机转速增大和减小回答，这也就是风机喘振点，在风机性能测试过程中，普通由此点开始或到此点结束，因此大多数风机性能曲线流量不是从零开始。

图1 轴流式风机性能曲线
2.1.4风量调节办法
通风机调节是为了变化通风机流量，以满足实际工作需要，故通风机调节又称流量调节。反映在通风机性能曲线图上就是变化风机工况点，流量调节重要有两个目：第一，满足矿井用风量规定，第二，提高风机运营效率。重要调节办法或变化风机运营工况有两大类：变化管网性能曲线和变化通风机性能曲线。
变化管网曲线重要是在通风机管路上设立节流阀或风门来调节流量，风门调节是运用风门来增大风道阻力，以较少风量，这种调节最不经济，人为增长网络阻力也就是增大了每立方米空气所消耗电能。固然这比不进行调节而供应过多风量还是有利（对功率曲线在调节范畴内随风量增长而上升风机而言）。变化风机性能曲线是通过变化风机自身运营曲线，重要有定速和变速两类。定速调节涉及入口导叶调节及动叶调节。变速调节是管路特性曲线不变时，用变转速来变化风机性能曲线，从而变化风机工况点。变速调节大大减少附加节流损失，在很大变工况范畴内保持较高效率，与老式节流调节相比，不产生其她调节方式附加损失，减少了功率消耗，节约了电能，具备良好经济效益。由于高压变频器发展，煤矿主通风机变频调节系统由于在节能和提高风机效率方面具备无与伦比长处，还能实现风机软启动和保护等规定，已开始应用在风机监控系统当中。本文所研究风机监控系统当中，风机风量调节选用变频调节。
2.2可编程控制器应用
2.2.1 PLC概述
国际电工委员会(IEC)对PLC定义是：可编程逻辑控制器是一种数字运算操作电子系统，是用来取代电机控制顺序继电器电路一种器件，专为在工业环境下应用而设计。它采用一种可编程存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定期，计数和算术操作等面向顾客指令，并通过数字式或模仿式输入输出来控制各种类型机械或生产过程。
2.2.2 PLC基本构成

图2 PLC普通构成
(l)中央解决单元(CPU)
中央解决单元(CPU)普通由控制器，运算器和寄存器构成，它是PLC核心某些。它重要任务有:控制接受和存储编程设备输入顾客程序和数据；诊断PLC内部电路工作故障和编程中错误;扫描I/O接受现场状态，并按照顾客程序对信息进行解决，然后刷新输出接口，对执行部件进行控制。
(2)存储器
存储器是PLC存储程序和数据地方，它涉及系统程序存储器和顾客程序存储器。系统存储器用来存储PLC生产厂家编写系统程序，并固化在PROM或EPROM存储器中，顾客不可访问和修改。顾客程序存储器重要涉及顾客程序存储区和数据存储区二个某些。顾客程序存储区用于存储顾客编写控制程序，数据存储区用于存储顾客程序中使用器件ON/OFF状态和各种数值数据等。
(3)I/O接口
输入，输出接口电路是PLC与现场I/O设备相连接部件，它作用是将输入信号转换位PLC 可以接受和解决信号，将CPU送来弱电信号转换为外部设备所需强电信号。
(4)电源单元
电源单元是PLC电源供应某些。它作用是把外部供应电源转换成CPU、存储器等电路工作所需要直流电，及向外部器件提供24V直流电源。
(5)外设接口与扩展接口
PLC可以通过外设接口与监视器、打印机、PLC或计算机相连。扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC配备更加灵活，以满足不同控制系统需要。
2.2.3 PLC工作原理
PLC采用一种不同于普通微型计算机运营方式即循环扫描技术，循环扫描技术是指当PLC投入运营后，其工作过程普通分为三个阶段----输入采样，顾客程序执行和输出刷新。完毕上述三个阶段称作一种扫描周期，在整个运营期间，PLCCPU以一定扫描速度重复执行上述三个阶段，各个阶段功能如下：
(l)输入采样阶段：PLC将扫描输入端子状态存入映像寄存器，然后进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，其内容保持不变，始终到下一种扫描周期输入采样阶段。
(2)程序执行阶段：PLC依照读入输入映像寄存器中信号状态，按一定扫描原则执行顾客编写程序，然后把执行成果存入元件映像寄存器中。
(3)输出刷新阶段：当所有程序指令执行完后，元件映像寄存器中所有输出继电器状态在输出刷新阶段被转存到输出锁存器中，然后一次性由输出端子输出，驱动外部负载。
2.3风机参数检测
本系统现场使用传感器较多，如压力、温度、振动及转速等。为减少传播误差，提高检测精度，均选用带变送器、性能可靠、寿命长、输出原则电流信号4～20 mA传感器，直接采集现场信号，并配以二线制RVVP电缆单独传送，以进一步提高整套系统可靠性。其构造如图3所示：

图3 传感器与PLC扩展模块连接
2.3.1风压、风量参数检测
1.风压(这里重要测静压)
普通都是采用钻孔取压法，测点选取在风机入口，将获得压力信号通过压力传感(变送)器转换成电信号。
压力传感器选型需考虑矿井通风机最大风压及测量精度规定。本设计中选用CYBZI系列中量程为0-3KPa压力传感器。CYBZI系列微差压变送器采用进口高精度、高稳定性微压力敏芯片，经严格精密温度补偿，线性补偿，信号放大，V/I转换，逆极性保护，压力过载限流等信号解决，将很微小差压信号可靠转换成工业原则4-20mA电流或 0~10V电压信号输出，可测不大于100Pa压力
其重要技术指标：
测量范畴
0-3Kpa
零点漂移
0.025%FS4h
测量介质
非腐蚀性气体
零点温度漂移
0.006%/CFS
输出信号
原则量程1.5倍
非线性
0.0378%FS
输出信号
4-20mA
迟滞
0.0500%FS
供电
24VDC
重复性
0.0320%FS
精度
0.3%
温度范畴
-20-+85
2风量
风量参数是运用风机入口静压差及入口温度计算得来。计算公式：

式中为CP201测量到静压，为入口压力CP202(表压)绝对值(正值)，为入口温度，系数k因风机参数不同而异。风量监测采用KGF-2型矿用智能风量传感器。
3.负压
对于负压参数采集重要用于与设定负压值进行比较，调节风机运营频率,使风机运营在指定工况点，实现通风机闭环控制。
2.3.2振动参数检测
风机轴承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振动峰值、均方根值或均值，将这些测量值与事先标定出容许门槛值作比较，批示出轴承运营状况正常与否。详细测试办法为：通过安装在轴承部位速度传感器拾取振动烈度信号，通过振动变送器送到PLC中，以便实时监控电动机运营状况。通过风机振动位移和振动周期可以反映风机潜在故障，避免风机停机等严重故障发生。
惯用振动测量传感器有电涡流式传感器、速度式传感器、加速度式传感器。依照所需测量参数规定，普通在选用时应考虑如下因素：
若需测量振动位移值则应选用电涡流式传感器；
若需测量振动速度或烈度值则应选用速度式传感器；
若需测量振动加速度值则应选用加速度式传感器。
通过比较之后，本系统选取南京东大测振仪器厂生产MT3T型电磁式速度传感器。其技术指标如下：
测量范畴：15～1000Hz
敏捷度：30mv/mm/s
精度：线性误差：≤±0.5%
测量方向：水平或垂直
电源：±12V DC，<20mA
容许加速度：沿工作方向：10g持续横向：30g短时
此外，在检测机械振动参数时，还需要有变送器和检测仪表将测量振动参数转换成4-20mA直流电流信号或0-5V电压信号，以便于传送给PLC模仿量模块。本系统考虑到现场安装需要，以及增强报警和显示等功能，又选取了南京东大测振仪器厂生产与MT-3系列磁电式振动速度传感器配套使用30ZXP-J210型振动速度监控装置。该监控仪重要用于对转速600～6000转/分旋转机械振动烈度进行长期监测当振动值超限时，本仪器可外接声光报警器以提示现场操作人员采用防范办法。其详细参数如下：
(1)量程：0～10mm/s，0～20mm/s，0～50mm/s(均方根值)
(2)频率范畴：10～1000Hz
(3)信号输入：MT-3系列磁电式振动速度传感器信号
(4)敏捷度：30mV/mm/s≤3%
(5)仪表显示显示方式：高辨别率LCD显示，精准度±1％
(6)信号输出：电流输出4～20mA，输出负载≤500Ω
(7)精准度：±0.5%
(8)报警输出：警告、危险两极报警；
(9)继电器节点容量：DC30V/1A，AC125V/0.3A
(10)使用电源：AC220V/50HZ±10%<20W
2.3.3电气参数检测
电气参数指配套电机负载和空载电流、电压、励磁电流和电压、功率、功率因数等。电量参数监测采用EDA9033电量参数监测模块。该模块采用电磁隔离和光电隔离技术，电压输入、电流输入及输出三方完全隔离。在该系统中，PLC通过CP341模块与EDA9033通过MODBUS-RTU合同进行通信，因此电气参数通过由安装在各开关柜内智能仪表单元与PLC以通讯方式得到。
2.3.4电机轴承和定子温度检测
温度传感器选用Pt100铂电阻传感器。该传感器运用金属铂在温度变化时自身阻值也随之变化特性来测量温度，可以精确测出轴承或定子温度并将它们传给PLC 模数转换电路，当被测介质中存在温度梯度时，所测得温度是感温元件所在范畴内介质层中平均温度。这中温度传感器特点：耐振动，可靠性高，同步具备精准敏捷性，稳定性好等。其性能指标如下：
持续监测风机工作时轴承温度和电机轴承温度，也是风机工况监测一项重要任务。温度参数检测时，重要由温度检测元件和变送器、电压调理电路构成检测电路与PLC进行通信，将温度参数上传至工控机。惯用温度检测传感器有热电阻式热电传感器、热电偶式传感器和热敏电阻传感器等。
热敏电阻传感器虽然价格低廉，但由于它们阻值对温度变化是非线性，故热敏电阻普通所用温度范畴较狭窄。
热电偶式传感器在中温或高温外露条件使用时稳定性不如热电阻式传感器。对于控制条件下校验热电偶性能，其可移动性或测试行较差。热电偶外露线必要使用沟环才干与热电偶仪器或控制设备相连。当周边温度变化时，所使用仪器导线(镀铜)将会带来测量误差。
因而，结合本系统监测规定，选取热电阻式热电传感器检测风机温度。在当前广泛使用热电阻中，铂电阻化学稳定性好，耐温高，易提纯，因而普通采用铂电阻作为普通温度计量仪器温标基准。按照不同测点对温度测量范畴规定，本系统选取日本林电PT100铂电阻，详细型号选取如下：
测点
型号
测量范畴
风机主轴承温度
STT-S-AI-T
0~150℃
电机轴承温度
STT-S-AI-T3
-50~200℃
电机三相绕组温度
STT-S-AI-T3
-50~200℃
此外，在检测温度参数时，还需要有变送器将测量温度参数转换成4-20mA电流信号或0-5V电压信号，以便于传送给PLC模仿量模块。本系统考虑到现场安装需要，选取性能/价格比较高日本林电STWB系列温度变送器模块，其技术参数如下：
输入信号：Pt100、Pt1000、Cu50、K、E、S
供电电压：24V
负载电阻：0～500Ω
输出信号：DC4～20mA
电压误差：<0.005%／V
精度：0.1%，0.2%，0.5%
工作环境：温度：-20℃～80℃；湿度：<95%RH
2.3.5开关量检测
监控系统输入开关量重要涉及某些开关、继电器动作信号，如：泵站电机运营、主电机正反向合闸反馈、制动器限位开关、风门打开和关闭、风门过力矩、叶片执行器自动以及测振器报警等。监控系统输出开关量重要涉及：泵站电机控制、风门打开和关闭控制、主电机正反向合闸、主电机正反向分闸、主电机正反向跳闸、制动器控制以及声光报警等。
在PLC控制系统中，输入输出开关量可通过开关量输入输出模块与PLC连接，由于本系统涉及开关量较多，在此不进行讨论。
2.4 变频调速
2.4.1变频调速技术在矿井通风机上应用概述
近几年来，随着电力电子技术和计算机控制技术迅速发展，变频器价格不断下降，其可靠性和功能性得到了不断提高和完善，使其在水泵、风机、电梯等设备上得到了广泛应用。通风机在煤矿上使用占有很大份量，是煤矿生产中最大耗电设备，采用老式办法调节风量，风机运营效率低，流失大量电能，因而变频器在矿井通风机上应用很有必要。普通地来讲，将变频器应用在矿井通风机上，具备如下功能和长处：
(l)可以实现风机无级平滑调速，及时满足矿井生产风量需求，提高风机运营效率，节约大量电能损耗。
(2)限制风机启动电流，减少启动时峰值功率损耗，消除电机起动和停止时，对机械和电气元件冲击，延长其使用寿命。
(3)PLC控制技术和变频器结合使用，可以使通风系统具备完善监控功能和高可靠性，减少通风机检修和维护工作量，节约设备费用。
(4)变频器自身保护功能齐全，有欠电压保护、过电压保护、过电流保护、短路保护、风机轴承过热保护等，使风机安全运营可靠性得到大大提高。
2.4.2变频调速基本原理
交流异步电机以其体积小、重量轻、价格低廉、运营性能稳定等长处，在机械电力传动中应用最为普遍。但是交流电机不象直流电机那样，可以很以便地进行调速，它调速问题始终比较困难。通过几十年研究和发展，浮现了许多交流电机调速方式，如异步电机变极调速、定子电压调速、转子串电阻调速、串级调速、变频调速等。当前，使用最广泛，效果最佳还是变频调速，变频调速技术迅速发展，使交流电机调速困难问题得以解决。
由电动机拖动原理，可知交流异步电机转速表达式为:

(2-1)

由上式(2-1)、(2-2)和(2-3)可以看出，如果变化输入到异步电机定子绕组电源频率，就可以变化异步电动机同步转速和转子转速n由电机学知识可知，交流异步电动机转速n总是不大于同步转速，并且它是随着同步转速变化而变化。当电源频率增长时，同步转速增长，交流异步电机实际转速n也增长。反之，当电源频率减少，同步转速减少，交流异步电机实际转速n也减少。这种通过变化电源频率来变化交流电动机转速调速方式称为变频调速。在变频调速技术中，使用变频器向电动机提供频率可变电源，去变化电动机转速。
2.4.3风机变频调速节能分析
阀门调节与变频调速节能比较：
图4为一矿井通风机压力－流量(H－Q)特性曲线图，其中曲线a、b为管网阻力特性曲线(<)，曲线1、2为风机在转速为和时压力－流量特性曲线(>)，交点A、B、C为矿井通风机工况点。

图4 风机及管网H－Q特性曲线图
图4中曲线1为风机开始调节前风压一风量(H一Q)特性曲线，曲线a为管网风阻特性曲线(管网阻力最小)。假设风机设计工作在A点效率最高，输出风量为100%，相应轴功率从与风量和风压乘积面积A成正比。
如果生产规定风量从减少到时，若采用关小风机管路阀门办法调节，相称于增长管网阻力，使管网阻力特性曲线变化到b，系统工况点也由A点变到B点。从图中可以看出，风量虽然减小了，风压反而增长了，代表轴功率面积B比调节前减少不多。 若采用变频调速控制局部通风机运营，随着风机转速下降，风压－风量特性变为曲线
系统工况也由A点变到C点，代表轴功率面积C比采用前一种办法调节明显减少，两者之差即是节约气体功率。
当通风机稳定运营时，风机风量、风压、功率与转速有如下比例关系：
=
=
=
式中：
、—通风机调节先后转速，r/min；
、—通风机转速调节先后风压，Pa；
、—通风机转速调节先后功率，W。
由以上比例关系，可以看出风机风量与转速成正比，风压与转速平方成正比，功率与转速三次方成正比。如果通风机转速减少为本来50%，则风量也变为本来50%，功率减少为本来12.5%，这阐明通过变化通风机转速方式，可以变化通风机功率输入，可以节约大量电能。依照上述变频调速原理，矿井通风机转速。变化，可以通过变化通风机输入电源频率f1来变化，这一过程可以通过变频器来完毕。
2.4.4变频器构造
变频器按构造来分，分为交一交变频器和交始终一交变频器两种。交一交变频器可将工频交流电直接转变成频率和电压均可控制交流电，又称为直接变频器。交始终一交变频器是把工频交流电经整流器先转换成直流电，然后经滤波环节后，再把直流电转换成频率、电压可控制交流电，又称为间接变频器。当前，使用最多通用变频器多是交始终一交变频器，它由主电路，涉及整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路构成，其基本构造如下图所示

图5 变频器基本构造图
(1)整流器
整流器即是网侧变流器，它作用是把三相或单相交流电整流成直流电。整流电路有可控整流电路和不可控整流电路两种
(2)逆变器
逆变器即是负载侧变流器，它重要作用在控制电路控制下将直流电转变成频率、电压调节后交流电，输出给外部设备。六个半导体主少干关器件构成桥式电路是常用逆变电路，通过控制电路控制开关器件通、断，可以得到所需频率交流电输出。
(3)中间直流环节
中间直流环节又称为中间储能环节，这是由于逆变器负载多为感性负载，其功率因数不大于1，使得在中间直流环节和电动机之间存在着无功率互换。这种无功能量需要中间直流环节中电容器或电抗器来进行缓冲
(4)控制电路
控制电路是变频器核心，它普通由运算电路、检测电路、门极驱动电路、外部接口电路和保护电路等构成，其作用重要是完毕对逆变器开关控制和频率控制、对整流器电压控制以及完毕各种保护功能等
2.4.5 PLC控制变频器方式
在许多工程应用中，为了提高控制系统自动化水平，需要把PLC和变频器结合起来使用，对异步电机进行变频调速控制。总来说，PLC控制变频器方式重要有如下三种方式：
(1)频率输出控制端子逻辑组合方式
大多数变频器均有几种不同频率输出控制端子，咱们可以通过变频器参数设定，设立控制端子不同频率输出。通过对变频器控制端子逻辑输入口逻辑组合，可以实现电机启停控制和输出频率变化网。其逻辑组合控制是用PLC输出去控制变频器控制端子ON/OFF状态，使变频器输出不同频率电源，进而控制异步电机转速。由于变频器控制端子输出频率是预先设定，它输出频率也只是某些固定数值，不能实现异步电机无级平滑调速。因而，这种控制方式只适合不需要电机持续调速就能满足生产规定场合。
(2)通讯方式
当前普通变频器都带有RS485接口，大多数PLC也都支持RS485通讯。通过串行电缆把PLC和变频器RS485通讯接口连接起来，用通讯方式把频率由PLC传给变频器，这就是PLC控制变频器通讯方式。在这种控制方式中，要占用PLC一种通讯接口，如果PLC通讯接口为RS232接口，加一种转换器转换成RS485接口就可以了。如PLC通过通讯方式来监控变频器，可以传送大量信息，持续地监控多台变频器，还可以通过通讯修变化频器参数，实现多台变频器联动控制和同步控制。由于变频器种类诸多，不同厂家生产变频器使用不同通信合同，有Modbus从站合同、USS合同和顾客自定义合同等，必要用变频器支持合同来完毕PLC和变频器通讯。
(3)模仿量控制方式
当前生产PLC普通都具备模仿量信号解决功能，模仿量信号通过A/D模块和D/A模块转换后，输出0~10V电压或4~20mA电流，把输出信输入到变频器相应模仿量输入端子，可以控制变频器输出电源频率，这种PLC控制变频器方式，称为模仿量控制方式。它规定PLC和变频器控制距离不是很远，且是一对一控制场合，但这种控制方式使用起来比较简朴，对PLC规定也不是很高。由于本控制系统中采用是两台变频器控制对旋轴流风机两台电机方案，是一对一控制，为阐明问题，本系统采用PLC控制变频器模仿量控制方式。

3 通信网络实现
3.1 风机自动化监控系统整体构造
系统共分三层：设备层，控制层，监控层
设备层即现场测量层重要实现风机变量参数测量和风机控制，由各种传感