基于plc的矿井通风机监控系统设计论文

基于plc的矿井通风机监控系统设计论文内容摘要：

(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 的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。 PLC 的工作原理 PLC 采用一种不同于一般微型计算机的运行方式即循环扫描技术，循环扫描技术是指当 PLC 投入运行后，其工作 过程一般分为三个阶段 输入采样，用户程序执行和输出刷新。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期，在整个运行期间， PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，各个阶段的功能如下： (l)输入采样阶段： PLC 将扫描的输入端子的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，一直到下一个扫描周期的输入采样阶段。 (2)程序执行阶段： PLC 根据读入的输入映像寄存器中的信号状态，按一定的扫描原则执行用户编写的程序，然后把执行结果存入元件映像寄存器中。 (3)输出刷新阶段：当所有的程序指令执行完后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段被转存到输出锁存器中，然后一次性的由输出端子输出，驱动外部负载。 本系统现场使用的传感器较多，如压力、温度、振动及转速等。 为减少传输误差，提高检测精度，均选用带变送器、性能可靠、寿命长、输出标准电流信号 4～ 20 mA 的传感器，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的可靠性。 其结构如图 3 所示： . . 图 3 传感器与 PLC扩展模块的连接 风压、风量参 数的检测 (这里主要测静压 ) 一般都是采取钻孔取压法，测点选择在风机的入口，将取得的压力信号通过压力传感 (变送 )器转换成电信号。 压力传感器的选型需考虑矿井通风机最大风压及测量精度的要求。 本设计中选用CYBZI系列中量程为 03KPa的压力传感器。 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，经严格精密的温度补偿，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处理，将很微小的差压信号可靠的转换成工业标准的420mA 电流或 0~10V电压信号输出，可测小于 100Pa 的压力 其主要技术指标： 测量范围 03Kpa 零点漂移 %FS4h 测量介质 非腐蚀性气体 零点温度漂移 %/CFS 输出信号 标准量程的 倍 非线性 %FS 输出信号 420mA 迟滞 %FS 供电 24VDC 重复性 %FS 精度 % 温度范围 20+85 2 风量 风量参数是利用风机入口静压差及入口温度计算得来的。 计算公式： . . 式中 错误 !未找到引用源。 为 CP201 测量到静压， 错误 !未找到引用源。 为入口压力CP202(表压 )的绝对值 (正值 )， 错误 !未找到引用源。 为入口温度，系数 k 因风机参数的不同而异。 风量监测采用 KGF2 型矿用智能风量传感器。 对于负压参数的采集主要用于与设定的负压值进行比较，调整风机的运行频率 ,使风机运行在指定的工况点，实现通风机的闭环控制。 振动参数的检测 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。 通过风机振动位移和振动周期可以反映风机潜在的故障，避免风机停机等严重故障发生。 常用的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。 根据所需测量的参数要求，一般在选用时应考虑以下因素： 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。 经过比较之后，本系统选择南京东大测振仪器厂生产的 MT3T 型电磁式速度传感器。 其技术指 标如下： 测量范围： 15～ 1000Hz 灵敏度： 30mv/mm/s 精度：线性误差： ≤177。 % 测量方向：水平或垂直 电源： 177。 12V DC， 20mA 容许加速度：沿工作方向： 10g 连续横向： 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的振动参数转换成 420mA 的直流电流信号或 05V的电压信号，以便于传送给 PLC 的模拟量模块。 本系统考虑到现场安装的需要，以及增强报警和显示等功能，又选择了南京东大测振仪器. . 厂生产的与 MT3 系列磁电式振动速度传感器配套使用的 30ZXPJ210 型 振动速度监控装置。 该监控仪主要用于对转速 600～ 6000 转 /分旋转机械的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取防范措施。 其具体参数如下： (1)量程： 0～ 10mm/s， 0～ 20mm/s， 0～ 50mm/s(均方根值 ) (2)频率范围： 10～ 1000Hz (3)信号输入： MT3 系列磁电式振动速度传感器的信号 (4)灵敏度： 30mV/mm/s≤3% (5)仪表显示显示方式：高分辨率 LCD 显示，精确度 177。 1 ％ (6)信号输出：电流输出 4～ 20mA，输出负载 ≤500Ω (7)精确度： 177。 % (8)报警输出：警告、危险两极报警； (9)继电器节点容量： DC30V/1A， AC125V/ (10)使用电源： AC220V/50HZ177。 10%20W 电气参数的检测 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。 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 MODBUSRTU协议进行通信，所以电气参数通过由 安装在各开关柜内的智能仪表单元与 PLC 以通讯的方式得到。 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。 该传感器利用金属铂在温度变化时自身阻值也随之改变的特性来测量温度，能够准确的测出轴承或定子的温度并将它们传给 PLC 模数转换电路，当被 测介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。 这中温度传 感器的特点：耐振动，可靠性高，同时具有精确的灵敏性，稳定性好等。 其性能指标如下： 连续监测风机工作时的轴承温度和电机的轴承温度，也是风机工况监测的一项重要任务。 温 度参数检测时，主要由温度检测元件和变送器、电压调理电路构成的检测电路与 PLC进行通信，将温度参数上传至工控机。 常用的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，但由于它们的阻值对温度的变化是非线性的，故热. . 敏电阻通常所用的温度范围较狭窄。 热电偶式传感器在中温或高温外露条件使用时的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。 热电偶外露线必须使用沟环才能与热电偶仪器或控制设备相连。 当周围温度变化时，所使用的仪器导线 (镀铜 )将会带来测量误差。 因此，结合本系统的监测要求，选择热电阻式热电传感器检测风机温度。 在目前广泛使用的热电阻中，铂电阻的化学稳定性好 ，耐温高，易提纯，因而通常采用铂电阻作为一般温度计量仪器的温标基准。 按照不同测点对温度测量范围的要求，本系统选择日本林电的 PT100 铂电阻，具体型号选择如 下 ： 测点 型号 测量范围 风机主轴承温度 STTSAIT 0~150℃ 电机轴承温度 STTSAIT3 50~200℃ 电机三相绕组温度 STTSAIT3 50~200℃ 另外，在检测温度参数时 ，还需要有变送器将测量的温度参数转换成 420mA 的电流信号或 05V的电压信号，以便于传送给 PLC 的模拟量模块。 本系统考虑到现场安装的需要，选择性能 /价格比较高的日本林电的 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： %／ V 精度： %， %， % 工作环境：温度： 20℃ ～ 80℃ ；湿度： 95%RH 开关量检测 监控系统的输入开关量主 要包括一些开关、继电器的动作信号，如：泵站电机运行、主电机正反向合闸反馈、制动器限位开关、风门的打开和关闭、风门过力矩、叶片执行器自动以及测振器报警等。 监控系统的输出开关量主要包括：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，由于本系统涉及的开关量较多，在此不进行讨论。 . . 变频调速 变频调速技术在矿井通风机上的应用概述 近几年来，随着电力电子技术和计 算机控制技术的迅速发展，变频器的价格不断下降，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的应用。 通风机在煤矿上的使用占有很大的份量，是煤矿生产中最大的耗电设备，采用传统的方法调节风量，风机运行效率低，流失大量电能，因此变频器在矿井通风机上的应用很有必要。 一般地来讲，将变频器应用在矿井通风机上，具有以下的功能和优点： (l)可以实现风机的无级平滑调速，及时满足矿井生产的风量需求，提高风机的运行效率，节省大量的电能损耗。 (2)限制风机的启动电流，减少启动时的峰值功率损耗，消 除电机起动和停止时，对机械和电气元件的冲击，延长其使用寿命。 (3)PLC 控制技术和变频器结合使用，可以使通风系统具有完善的监控功能和高可靠性，减少通风机的检修和维护的工作量，节约设备的费用。 (4)变频器自身的保护功能齐全，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，使风机安全运行的可靠性得到大大提高。 变频调速的基本原理 交流异步电机以其体积小、重量轻、价格低廉、运行性能稳定等优点，在机械的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，可以很方便地进行调速，它的 调速问题一直比较困难。 经过几十年的研究和发展，出现了许多交流电机的调速方式，如异步电机的变极调速、定子电压调速、转子串电阻调速、串级调速、变频调速等。 目前，使用最广泛，效果最好的还是变频调速，变频调速技术的迅速发展，使交流电机调速困难的问题得以解决。 由电动机的拖动原理，可知交流异步电机的转速表达式为 : (21) . . 由上式 (21)、 (22)和 (23)可以看出，如果改变输入到异步电机定子绕组的电源频率 错误 !未找到引用源。 ，就可以改变异步电动机的同步转速 错误 !未找到引用源。 和转子转速 n 由电机学知识可知，交流异步电动机的转速 n总是小于同步转速 错误 !未找到引用源。 ， 而且它是随着同步转速的变化而变化的。 当电源频率 错误 !未找到引用源。 增加时，同步转速 错误 !未找到引用源。 增加，交流异步电机的实际转速 n 也增加。 反之，当电源频率 错误 !未找到引用源。 降低，同步转速 错误 !未找到引用源。 降低，交流异步电机的实际转速 n也降低。 这种通过改变电源频率来改变交流电动机转速的调速方式称 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的电源，去改变电动机的转速。 风机变频调速节能分析 阀门调节与变频调速的节能比较： 图 4 为一矿井通风机的压力－流量 (H－ Q)特性曲线图，其中曲线 a、 b 为管网阻力的特性曲线 (错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 )，曲线 2 为风机在转速为错误 !未找到引用源。 和 错误 !未找到引用源。 时压力－流量特性曲线 (错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 )， 交点 A、 B、 C 为矿井通风机的工况点。 . . 图 4 风机及管网的 H－ Q 特性曲线图 图 4 中曲线 1 为风机开始调节前的风压一风量 (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 错误 !未找到引用源。 为 100%，对应的轴功率 错误 !未找到引用源。 从与风量 错误 !未找到引用源。 和风压 错误 !未找到引用源。 的乘积面积 A 错误 !未找到引用源。 成正比。 如果生产要求风量从 错误 !未找到引用 源。 减少到 错误 !未找到引用源。 时，若采用关小风机管路阀门的方法调节，相当于增加管网阻力，使管网阻力特性曲线变化到 b，系统工况点也由 A 点。