I摘要煤礦的安全生產中，礦井通風系統起著極其重要的作用，它是煤礦安全生產的關鍵環節。而礦井通風機又是礦井通風系統的主要設備之一，因此對其進行PLC控制的變頻調速系統的設計和研究，不僅可以大大提高煤礦生產的機械化、自動化水平，還能節省大量的電能，具有較高的經濟效益。本系統將PLC與變頻器有機地結合起來，采用以礦井氣壓壓力和瓦斯濃度為主控參數，實現對電動機工作過程和運轉速度的有效控制，使礦井通風機通風高效、安全，達到了明顯的節能效果。且PLC控制系統具有對驅動風機的電機有過熱保護、故障報警、機械故障報警和瓦斯濃度斷電等功能特點，為煤礦礦井通風系統的節能技術改造提供一條新途徑。與常規繼電器實施的通風系統相比，PLC系統具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護方便等諸多優點，PLC的控制功能使通風系統的自動化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動強度。關鍵詞：PLC，變頻器，傳感器，通風機，壓力檢測全套圖紙加V信153893706或扣3346389411ⅡAbstractInthesafeproductionofcoalmine,themineventilationsystemplaysaveryimportantrole,itisthekeylinkofcoalminesafetyproduction.Themineventilationmachineisoneofthemainequipmentinthemineventilationsystem,sotheforthedesignandresearchofPLCcontrolsystemoffrequencycontrolofmotorspeed,notonlycangreatlyimprovethemechanizationandautomationlevelofthecoalmineproduction,butalsosavelargeamountsofelectricity,hashigheconomicbenefit.ThesystemPLCandinverterorganicallyarecombinedwiththepressureandthegaspressureinordertominetheconcentrationofcontrollingtheparametersoftheworkingprocessandoperationofthemotorspeedcontrol,somineventilationfanefficiency,safety,achievedsignificantenergysavings.AndthePLCcontrolsystemonthedrivefanmotorwithoverheatingprotection,faultalarm,mechanicalfailurealarmandtheconcentrationofpowerandotherfeaturesofgasforcoalmineventilationsystemtoprovideanewwaytoenergytransformation.Heretoentertheneedtotranslatewordsandgeneralrelayintheimplementationoftheventilationsystem,thesystemhastheplcfailureratelowandhighreliability,thesimple,easyandwiththeadvantageoftheplc,thecontrolfunctionoftheventilationsystemofautomationisgreatlyincreased,thepostsofstafflabourintensity.Keywords:PLC,Inverter,Sensors,Ventilationunits,Pressuretesting第1章緒論1.1礦井通風系統的簡介其通風系統的基本主要任務是：供給井下足夠的新鮮空氣，滿足人員對氧氣呼吸的需要，沖淡井下有毒有害粉灰及空氣，保證人員安全生存，調節礦井下的空氣環境創造保證安全的工作環境。礦井的通風系統是影響礦井安全生產的重要因素。礦井通風系統可以分為不同的類型，其劃分標準是不同的因素。如根據瓦斯的濃度、煤層的自燃還有高溫的因素等。一般礦井通風系統的分類：通俗一般型、相對降溫型、防火型、排放瓦斯型、防火及降溫型、排放瓦斯及降溫型、排放瓦斯及防火型、排放瓦斯與防火及降溫型幾種。礦井內部通風的方式根據得到的風力的動力來源的不同，分為兩種：自然風、機械輔助通風。自然通風：這是則是一種利用大自然氣壓的不同而產生的通風動力，使得空氣在井下巷道流動的流通方式叫做自然通風。自然通風的風壓一般都比較小，而且不穩定因素很多，所以在《煤礦安全規程》有規定：每一處礦井都必須要采用機械通風。機械通風：這是一種利用安裝主風扇用電機運轉帶動而產生的鼓風動力，從而致使空氣在井下各個巷道之間互相流動的流通方式叫做機械通風。礦井的通風系統一般要求是：1．每一個礦井，至少要有兩個安全出口，并且通到地面。2．進風井口要有利于防洪，不受粉塵，有害氣體污染。3．北方礦井、井口需裝供暖裝備。4．總回風巷不得作為主要人行道。5．工業廣場不得受扇風機噪音干擾。6．裝有皮帶機的井筒不得兼作回風井。7．裝有箕斗的井筒不應作為主要進風井。8.如果一個礦井可以獨立痛風病，必須獨立通風，堅決不能合并通風系統。保證系統能夠獨立地進行工作，這樣當一個礦井出現故障時，另一個礦井的通風工作不受影響,使生產不受大面積的受阻。1.2本課程設計的研究意義煤礦的礦井地下通風系統是否正常工作和礦井內的工作環境條件，生產效率，安全生產息息相關。隨著國家對各行業的安全生產監管不斷擴大，特別是對煤礦的生產安全越來越嚴，煤礦的礦井通風系統的技術改造，提高該系統運行穩定性，可靠性和節能性勢在必行。國內煤礦重大瓦斯事故造成的井下人員出現大量的傷亡大多數都是通風系統抵抗災難能力不強，使正常生產時，分區通風在瓦斯爆炸條件下受到破壞，爆炸氣體進入了爆源以外的地方從而導致其他通風分區或者全礦井下的人員中毒身亡。因此以各采掘工作面為核心的分區通風成為了煤礦通風的基本規定和實踐。在礦井災變條件下維持正常分區通風的能力是評價礦井通風系統抗災能力的基本考慮因素。除巷道布置這一重要但難以調整的因素之外分區通風及風量分配調節主要依靠于風門、風窗等通風設施的應用其類型、數量、分布上的合理性是影響通風系統合理性的基本因素扇風機及通風構筑物受礦井生產活動及災變影響而失去原定功能時礦井通風維持在合理水平上的能力則是通風系統可靠性的重要標志。現在來說煤礦的礦井通風的控制系統，大部分采用繼電接觸器控制系統，但是這種控制系統體積大、機械的觸點很多、接線特別復雜、可靠性低、排除各種故障困難等很多缺點；如果通風機不應用變頻控制，則礦井通風量的調節方法，只能靠兩個垂直風門提起的高度、調節風機扇葉的數量和角度等。那么主通風機一直高速運行，備用通風機就會停止，不能輪流工作，很容易使通風機產生故障，降低其使用壽命。隨著電子技術和微電子技術的快速發展，PLC和變頻器逐漸成為通用、廉價和性能非常可靠的控制驅動設備，并且得到廣泛的應用。該系統將PLC和變頻器有機結合，通過以礦井氣壓為主控參數，然后對電動機的工作過程和運轉速度進行控制，使礦井中的通風機通風效率高、安全，非常明顯的達到節能效果。PLC控制的風機的通風系統，具有很高的可靠性和很好的節能效果，容易組建成整體自控系統，方便地實現各種控制和切換。PLC的控制系統還有對風機的電機有著過熱保護、機械故障報警、故障報警和瓦斯濃度斷電等功能特點。1.3國內外發展情況國內外礦井通風機發展歷史悠久，早在1902年愛爾蘭就研制成功了世界上第一臺多葉片礦井通風機，且將當時最初一臺多葉片礦用通風機用在英國Pelton煤礦，這臺通風機的安裝使井下通風發生了巨大的變化。從此多葉片風機對于發展整個通風技術做出了重大貢獻。1949年至1950年間，丹麥諾迪斯克公司研制生產了首臺運行中葉片能自動調整的軸流式風機，其后德國的TLT.K.K.等公司也相繼生產了這類風機。由于該風機的優越性，到50年代中期首先在歐洲一些國家得到應用。美國，前蘇聯，日本等國也相繼在1970年前后開始推廣使用這種風機。20世界50年代初至70年代末我國礦山使用的礦井軸流主扇幾乎是仿制蘇聯的BY型和K70型等風機，風量范圍7-160m3/S,靜壓范圍400-5900Pa，全國各類礦井共使用約5000臺左右。不過這類風機在20世紀的80年代被國家列為淘汰產品，早已不再生產。20世界的70年代開始沈陽鼓風機廠經技術研發與實驗，研制成功了62A型單級主扇。其全壓，風量以及各種參數標準非常基本適合我國國情的礦井通風網絡，在中條山有色金屬公司和邯鄲礦務局的一些風井上使用。因其本機效率未達到設計要求，相差甚遠，沒有進一步改進和完善就停止了生產，在此基礎上在20世界80年代該廠參考原蘇聯中央流體動力研究所提供的通風機啟動略圖和特性曲線又研制了2K60式軸流式通風機。在此期間沈陽風機廠研制了1K58和2K58型礦井軸流風機。第2章系統的結構和控制方案2.1系統的設計功能本控制系統采用通風機組的啟動、互鎖和過熱保護等功能。與常規繼電器實施的通風系統相比，PLC系統具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護方便等諸多優點，PLC的控制功能使通風系統的自動化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動強度。PLC和變頻器與空氣壓力變送器配合使用，使系統控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風機運行的故障率大大降低，不僅節約了電能，而且還提高了設備的運轉率。為滿足礦井通風系統自動控制的要求，系統的具體設計要求如下：（1）本系統采用手動／自動兩種工作模式，具有狀態顯示以及故障報警等功能。（2）模擬量壓力輸入經PID運算，輸出模擬量控制變頻器。（3）在自動方式下，當井下壓力低于設定壓力下限時，兩組風機將同時投入工作運行，同時并發出指示和報警信號。（4）模擬量瓦斯輸入，當礦井瓦斯濃度大于設定報警上限時，發出指示和報警。當瓦斯濃度大于設定斷電上限時，PLC將切斷工作面和風機組電源，防止瓦斯爆炸。（5）運用溫度傳感器測定風機組定子溫度或軸承溫度，當定子溫度或軸承溫度超過設定報警上線時，發出指示和報警信號。當定子溫度或軸承溫度超過設定風機組轉換溫度界線時，PLC將切斷指示和報警信號并自動切斷當前運行風機組，在自動方式下并能自動接入另一臺風機組運行，若在手動方式下，工作人員手動切換。（6）手動方式下，有防止風機組頻繁啟動功能。由于定子溫度或軸承溫度過高，若當前風機組停止運行后，當其溫度下降到設定下限時該風機組不能連續二次啟動，只有接入另一臺風機組進行工作，即防止溫度在臨界線狀態而頻繁啟動。手動控制手動控制溫度狀態采集瓦斯濃度采集PLC主程序通電初始化數據轉換數據轉換自動控制壓力中斷數據轉換PID轉換壓力濃度采集結束圖2.1系統設計流程圖2.2系統結構系統的結構框架如圖所示，整個控制系統主要由PLC、變頻器、瓦斯傳感器、壓力傳感器、電機組、通風機組等組成，該系統主控單元采用PLC，被控元件為變頻運行的通風電機，主控參數為瓦斯濃度。瓦斯傳感器、溫度傳感器、實現對電機和PLC的有效保護。1#定子溫度傳感器2#軸承溫度傳感器2#定子溫度傳感器1#定子溫度傳感器2#軸承溫度傳感器2#定子溫度傳感器1#軸承溫度傳感器空氣壓力傳感器瓦斯濃度傳感器2#通風機組1#通風機組聲光報警控制回路S7-200可編程控制器EM231擴展模塊開關信號EM235擴展模塊變頻器圖2.2系統功能塊框架圖第3章系統硬件選擇3.1.1主電路主電路中MA1，MA2為對旋式軸流風機的兩臺電機，交流接觸器QA4、QA6分別控制MA1、MA2的工頻運行；交流接觸器QA3、QA5分別控制MA1、MA2的變頻運行；QA1為主電路電源的隔離開關；FA為主電路的熔斷器；BB1、BB2為電機MA1、MA2的熱繼電器。圖3.1系統工作主電路圖3.1.2控制電路的設計在風機控制系統硬件電路的控制電路部分，利用PLC進行控制，可以大大提高系統的可靠性、節省大量的繼電器、實現較復雜的邏輯控制以及進行模擬量控制等功能。控制系統采用SiemensS7-200系列CPU226，同時外部擴展EM235和EM231模塊。本控制系統接線圖如下圖9所示。該PLC控制系統可以實現風機手動工頻、自動變頻和手動變頻運行的切換，其中手動變頻是指使用變頻器控制面板手動控制風機的變頻運行。在風機自動變頻運行時，是利用采集到的風壓信號進行通風機的變頻調速控制。其中按鈕SF0控制風機的自動變頻運行；按鈕SB1控制風機的手動變頻運行；按鈕SF2控制風機的工頻運行；按鈕SF3控制風機的停止；按鈕SF4為報警燈鈴的調試按鈕；SF5為消鈴按鈕；PG1、PG3分別為MA1、MA2變頻運行指示燈；PG2、PG4分別為MA1、MA2工頻運行的指示燈；PG5為變頻器故障報警指示燈；PG6為1#電機振動異常指示燈；PG7為2#電機振動異常指示燈；PG8為井巷壓力下限指示燈；PG9為1#電機溫度上限指示燈；PG10為2#機溫度上限指示燈；PB為報警電鈴。圖3.1.2控制電路系統的I/O地址分配如下表3.1.2所示：表3.1.2I/O地址分配輸入信號自動變頻按鈕SF0I0.0名稱代碼地址編碼手動變頻按鈕SF1I0.1工頻運行切換按鈕SF2I0.2停止運行按鈕SF3I0.3變頻器1故障輸入1RL1I0.4變頻器2故障輸入2RL1I0.5試燈鈴按鈕SF4I1.0消鈴按鈕SF5I1.1振動變送器輸入TFAIW0負壓傳感器輸入BP1AIW2壓力傳感器輸入BP2AIW41#電機定子溫度輸入BT1AIW61#電機軸承溫度輸入BT2AIW82#電機定子溫度輸入BT3AIW102#電機軸承溫度輸入BT4AIW12名稱代碼地址編碼輸出信號1#風機變頻運行接觸器指示燈QA3，PG1Q0.01#風機工頻運行接觸器指示燈QA4，PG2Q0.12#風機變頻運行接觸器指示燈QA5，PG3Q0.22#風機工頻運行接觸器指示燈QA6，PG4Q0.3變頻器1啟動1DIN1Q0.4變頻器1故障復位1DIN3Q0.5變頻器2啟動2DIN1Q0.6續變頻器2故障故障復位2DIN3Q0.7變頻器故障信號燈PG5Q1.01#電機振動異常指示燈PG6Q1.12#電機振動異常指示燈PG8Q1.2井巷壓力下限指示燈PG8Q1.31#電機溫度上限指示燈PG9Q1.42#電機溫度上限指示燈PG10Q1.5報警電鈴PBQ1.6風壓模擬量輸出AQW03.2.1PLC概述國際電工委員會(IEC)對PLC的定義是：可編程邏輯控制器是一種數字運算操作的電子系統，是用來取代電機控制的順序繼電器電路的一種器件，專為在工業環境下應用而設計。它采用一種可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算，順序控制，定時，計數和算術操作等面向用戶的指令，并通過數字式或模擬式輸入輸出來控制各種類型的機械或生產過程。3.2.2PLC的基本構成(l)中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)一般由控制器，運算器和寄存器組成，它是PLC的核心部分。它的主要任務有:控制接收和存儲編程設備輸入的用戶程序和數據；診斷PLC內部電路的工作故障和編程中的錯誤;掃描I/O接收的現場狀態，并按照用戶程序對信息進行處理，然后刷新輸出接口，對執行部件進行控制。(2)存儲器存儲器是PLC存放程序和數據的地方，它包括系統程序存儲器和用戶程序存儲器。系統存儲器用來存放PLC生產廠家編寫的系統程序，并固化在PROM或EPROM存儲器中，用戶不可訪問和修改。用戶程序存儲器主要包括用戶程序存儲區和數據存儲區二個部分。用戶程序存儲區用于存儲用戶編寫的控制程序，數據存儲區用于存放用戶程序中使用器件的ON/OFF狀態和各種數值數據等。(3)I/O接口輸入，輸出接口電路是PLC與現場I/O設備相連接的部件，它的作用是將輸入信號轉換位PLC能夠接收和處理的信號，將CPU送來的弱電信號轉換為外部設備所需的強電信號。(4)電源單元電源單元是PLC的電源供給部分。它的作用是把外部供應的電源轉換成CPU、存儲器等電路工作所需要的直流電，及向外部器件提供24V直流電源。(5)外設接口與擴展接口PLC可以通過外設接口與監視器、打印機、PLC或計算機相連。擴展接口用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活，以滿足不同控制系統的需要。3.2.3PLC的工作原理PLC采用一種不同于一般微型計算機的運行方式即循環掃描技術，循環掃描技術是指當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段輸入采樣，用戶程序執行和輸出刷新。完成上述三個階段稱作一個掃描周期，在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段，各個階段的功能如下：(l)輸入采樣階段：PLC將掃描的輸入端子的狀態存入映像寄存器，然后進入程序執行階段，在此階段和輸出刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，其內容保持不變，一直到下一個掃描周期的輸入采樣階段。(2)程序執行階段：PLC根據讀入的輸入映像寄存器中的信號狀態，按一定的掃描原則執行用戶編寫的程序，然后把執行結果存入元件映像寄存器中。(3)輸出刷新階段：當所有的程序指令執行完后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態在輸出刷新階段被轉存到輸出鎖存器中，然后一次性的由輸出端子輸出，驅動外部負載。3.2.4PLC選型及性能指標根據系統的應用領域、采集數據的類型和大小、I/O點數、以及設置數據需要得內存大小，本文中所選用的PLC是西門子公司的產品S7-200系列，CPU的型號是CPU226[1]。表3.2.4I/O接口分配表輸入輸出風機啟動SB1I0.0風機組1輸出KM1Q0.0風機停止SB2I0.1風機組2輸出KM2Q0.1手動自動轉換SB3I0.2工頻輸出KM3Q0.2風機組選擇SB4I0.3壓力下限指示燈L1Q0.4變頻工頻轉換SB5I0.4風機組1運行指示燈L2Q0.5報警解除按鈕SB6I0.5風機組2運行指示燈L3Q0.6風機組1轉子測速器輸入SB7I0.6風機組1溫度上限指示燈L4Q0.7風機組2轉子測速器輸入SB8I0.7風機組2溫度上限指示燈L5Q1.0急停SB9I1.0蜂鳴器1SpeakerQ1.1壓力傳感器輸入AIW0急停指示燈L6Q1.2瓦斯濃度傳感器AIW2風機組錯選指示燈L7Q1.3風機組1軸溫度傳感器輸入AIW4風機組1機械故障指示燈L8Q1.4風機組1定溫度傳感器輸入AIW6風機組2機械故障指示燈L9Q1.5風機組2軸溫度傳感器輸入AIW8手動自動指示燈L10Q1.6風機組2定溫度傳感器輸入AIW10瓦斯上限指示燈L11Q1.7壓力模擬量輸出QW0CPU226集成了24點輸入和16點輸出，共有40個數字量I/O點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248點數字量I/O點或35路模擬量I/O。CPU226有13KB程序和數據存儲空間，6個獨立的30kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。CPU226配有2個RS-485通信編程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，用于較高要求的中小型控制系統。其性能指標如表。所以在規模不太大的領域是較為理想的控制設備，但由于其設計上有不少獨到之處，其產品特點可以歸納為以下幾點：（1）豐富指令系統在FP0系列PLC中，即使是小型機，也具有近200條指令。除能實現一般邏輯控制外，還可以進行運動控制，復雜數據處理，甚至可以直接控制變頻器實現電動機調速控制。此外，FP0可以單臺使用，也可以多模塊組合，最多可增加3個擴展模塊，I/O口從最小10點可擴大到128點。（2）快速的CPU處理速度FP0系列PLC各種機型的CPU速度均優于同類產品，小型機尤為突出，超小型FP0的幾ms/千步，對于大型機，處理速度會更快。FP0的運行速度在同類產品中是最快的，每個基本指令執行速度為0.9μs。500步的程序只需0.5ms的掃描時間。還可讀限制50μs的窄脈沖，即FP0有脈沖捕捉功能。（3）大程序容量FP0系列機的用戶程序容量也較同類機型大，其小型機一般都可達3千步左右，最高可達到5千步。FP0具有大容量的數據寄存器，可用于復雜控制及大數據量處理。（4）功能強大的編程工具FP0系列無論采用的是手持編程器還是編程工具軟件，其編程及監控功能都很強。其FP0-II型手持編程器還有用戶程序轉存功能。其編程軟件除已漢化的DOS版NPST-GR外，還推出了Windows版的FPSOFT，最新版的FPWIN-GR也已進入市場。這些工具都為用戶的軟件開發提供了方便的環境。（5）強大的網絡通信功能FP0系列機的各種機型都提供了通信功能，而且它們所采用的應用層通信協議又具有一致性，這為構成多級PLC網絡，開發PLC網絡應用程序提供了方便。松下電工提供了多達6種的PLC網絡產品，在同一子網中集成了幾種通信方式，用戶可根據需要選用。盡管這些網絡產品的數據鏈路層與物理層各不相同，但都保持了應用層的一致性。FP0可經RS232口直接連接調制解調器。通信時若選用“調制解調器”通信方式，則FP0可使用AT命令自動拔號，實現遠程通信[4]。3.2.5PLC內部分配CPU226I/O接口及內部寄存器分配如表2和表3。表3.2.5內部存儲器使用觸摸屏PID參數設定置VW10風機組啟動位M0.0觸摸屏PID參數增益VW12瓦斯濃度報警位M0.1觸摸屏PID參數采樣時間VW14瓦斯濃度斷電位M0.2觸摸屏PID參數積分時間VW16自動風機組1啟動位M1.0觸摸屏PID參數微分時間VW18自動風機組2啟動位M1.1PID反饋量（PVn）VD100手動風機組1啟動位M1.2PID給定置（SPn）VD104手動風機組2啟動位M1.3PID輸出置（Yn）VD108防止風機組1頻繁啟動位M1.4PID增益（KC）VD112防止風機組2頻繁啟動位M1.5PID采樣時間（T）VD116壓力下限位M2.0PID積分時間（TI）VD120風機組1軸溫報警位M20.0PID微分時間（TD）VD124風機組1軸溫斷電切換位M20.1模擬輸入壓力值存儲VD128風機組1定溫報警位M20.2壓力下限存儲VD132風機組1定溫斷電切換位M20.3風機組1軸承溫度VD180風機組2軸溫報警位M20.4續風機組1定子溫度VD184風機組2軸溫斷電切換位M20.5風機組2軸承溫度VD188風機組2定溫報警位M20.6風機組2定子溫度VD192風機組2定溫斷電切換位M20.7瓦斯濃度存儲VD1963.2.7擴展模塊的外部連接CPU226接線規則如下：（1）DC輸入端中1M、I0.0～I1.4為第1組，2M、I1.5～I2.7為第2組組成，1M、2M分別為各級公共端。DC24V的負極接公共端1N或2M。輸入開關的一端接天DC24V的正極，輸入開關的另一端連接到CPU226各個輸入端。DC輸出端中1M、1L+、Q0.0～Q0.7為第1組，2M、2L+、Q1.0～Q1.7為第2組組成。1L+、2L+分別為公共端。第1組DC24V的負極接1M端，正極接1L+端。輸出負載的一端接到1M端，輸出負載的另一端接到CPU226各輸出端。第2組的接線與第1組相似。2LQ0.62LQ0.6L3Q0.4L1L2Q0.7L4Q1.0L53LQ1.6L10Q1.7L11Q1.2L6Q1.3L7Q1.4L8Q1.5L9Q1.1SpeakerEM231模數轉換溫度傳感器1溫度傳感器2溫度傳感器3溫度傳感器4KM1Q0.0KM2Q0.11LKM3Q0.21MI0.0SB1I0.1SB2I0.2SB3I0.3SB5I0.5SB7I0.6SB8I0.7SB9I1.0SB10I0.4SB6EM235模擬量輸入輸出模塊瓦斯濃度傳感器傳感器4壓力傳感器QW0+QW0-AIN1+AIN-M3～～220VQ34MM440KM3S7-PLC圖3.2.7PLC輸入/輸出和變頻器接線圖（2）DC輸入繼電器輸出端與CPU226的DC輸入DC輸出的相同。繼電器輸出端由3組構成，其中N（—）、1L、Q0.0～Q0.3為第1組，N（—）、2L、Q0.4～Q1.0為第2組，N（—）、3L、Q1.1～Q1.7為第3組。各組的公共端為1L、2L和3L。第1組負載電源的一端N接負載的N（—）端，電源的另一L（+）接繼電器輸出端的1L端。負載的另一端分別接到CPU226各繼電器輸出端子。第2組、第3組的接線與第1組相似。3.3傳感器部分概述該控制系統中存在大量的模擬量信號，這些信號的輸入都要通過傳感器進行模擬量采集，將采集的模擬量信號送入PLC輸入模塊進行模數轉換，將連續的變化量（大部分為4－20mA的電流信號，0－5V或0－10V的電壓信號）轉換離散的數字量，存儲到PLC內存里；輸出是由模擬量輸出模塊將我們要輸出的存儲在內存中的數字離散信號轉換為電壓信號或者電流信號。3.3.1瓦斯濃度傳感器本系統模擬量傳感器選用有KGJ16B型瓦斯傳感器用于檢測煤礦井下空氣中的瓦斯含量，HM23Y礦井專用型壓力變送器用于檢測礦井的井巷氣壓，Pt100鉑熱電阻作為測量溫度用的傳感器用于檢測風機組軸承和定子溫度。要想正確的使用它們，首先了解各個傳感器的性能指標。KGJ16B型瓦斯濃度傳感器用于檢測礦井下空氣中的瓦斯含量，具有多種標準信號制式輸出，聯檢后能與煤礦安全檢測系統，風電瓦斯閉鎖裝置及瓦斯斷電儀器配套使用。該傳感器是一種智能型檢測儀表，具有穩定可靠，使用方面等特點。性能指標如表3.3.1所示：表3.3.1KGJ16B型瓦斯濃度傳感器性能指標防爆型式礦用隔爆兼本質安全型工作電壓DC9～24V測量范圍0～4%CH工作電流DC18V不大于65mA測量誤差0.001.000.10標定流量1.003.000.10%真值3.004.000.30響應時間小于20外形尺寸26612045(mm)遙控范圍距離不大于5m，角度不大于120重量1kg報警點0.3～4.00%CH可任意設置（出廠調至1.0%CH）斷電點0.3～4.00%CH可任意設置（出廠調至1.5%CH）復電點0.3～4.00%CH可任意設置（出廠調至1.0%CH）輸出信號KGJ16B－1型：200～1000Hz頻率，負載電阻大于1.5KΩ時，輸出高電平大于3V。紅色發光二極管

H10為頻率輸出指示，發光二極管亮時，有頻率輸出，反之則無輸出KGJ16B－2型：1～5mA恒流，負載電阻0～500Ω

KGJ16B－3型：RS485接口，通信波特率1200bps報警方式蜂鳴器斷續鳴叫，響度大于80dB（18V供電，距離1m）3.3.2溫度傳感器Pt100鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變的特性來測量溫度的，能夠準確的測出軸承或定子的溫度并將它們傳給PLC模數轉換電路。當被測介質中存在溫度梯度時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內介質層中的平均溫度。這樣型號傳感器特點：耐振動、可靠性高，同時具有精確靈敏、穩定性好、產品壽命長和安裝方便等優點[4]。性能指標表4所示：表3.3.2Pt100鉑電阻溫度傳感器性能指標型號WZPM-201測溫范圍-60℃～175℃熱響應時間6秒用途軸承測溫3.3.3壓力傳感器的選擇HM23Y型壓力變送器采用歐洲先進的濺射薄膜壓力傳感器作為敏感元件，和電子線路做成一體化結構該型號壓力變送器為全不銹鋼圓柱型結構，使用方便。特別適用于井田測井、制藥、紡織等粘稠宜堵、強振動的工業現場。并在國內礦井得到很好的應用效果。該壓力變送器有高溫、高壓、高精度、高穩定性、抗振動、沖擊、耐腐蝕全不銹鋼結構、體積小、重量輕直接過程安裝等特點。性能指標如表3.3.3所示：表3.3.3HM23Y型壓力變送器性能參數測量范圍0～0.5MPa～220MPa過載能力2倍滿量程壓力(其中100Mpa以上過壓為1.1倍)壓力類型表壓或絕壓測量介質與316不銹鋼兼容的氣體或液體供電電源12～36VDC(一般為24V)信號輸出4～20mA/1～5VDC/0～5VDC/0.5～4.5VDC綜合精度±0.1%FS±0.25%FS±0.5%FS長期穩定性±0.1%FS/年使用溫度范圍-40～+150℃補償溫度范圍-40～+120℃溫度性能零點溫度系數：≤±0.02%FS/℃靈敏度溫度系數：≤±0.02%FS/℃接液材料膜片:17-4PN

連接件:1Cr18Ni9Ti響應時間≤2毫秒負載電阻≤(U-10)/0.02Ω絕緣電阻100MΩ；50VDC外殼防護插頭型（IP65）；電纜型（IP67）安全防爆ExiaⅡ；CT5重量約0.25公斤3.4變頻器部分本系統選用的是西門子全新一代標準變頻器MicroMaster440功能強大，應用廣泛。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合。變頻器的選用：變頻器的選用應滿足以下規則，變頻器的容量應大于負載所需的輸出；變頻器的容量不低于電機的容量；變頻器的電流大于電機的電流。由于本設計以風機組2×30kW為例，因此可選用37kW，額定電流75A的變頻器。考慮到改進設計方案的可行性，調速系統的穩定性及性價比，我們采用西門子MM440、37kw，額定電流為75A的通用變頻器。該變頻器采用高性能矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，同時具備超強的過載能力，可以控制電機從靜止到平滑起動期間提供3S，有200％的過載能力。表3.4Pt100鉑熱電阻溫度傳感器性能指標型號WZPM-201測溫范圍-50℃～180℃分度號PT100精度等級A0℃阻值100Ω?0.06Ω熱響應時間6秒絕緣電阻≥200MΩ測溫端Φ6X18螺紋M8X0.75引線長度引線長度用戶規格3X0.2mm材料F46導線耐溫200℃用途軸承測溫傳感器工作電流≤1mA變頻器參數的設置：負載為一大慣性負載，在停車時，為防止因慣性而產生的回饋制動使泵升電壓過高的現象，加入制動電阻，斜坡下降時間設定長一些。外接制動電阻的阻值和功率可按公式R≥2Ud／1P≥(0.3—0.5)選取。式中：U為變頻器直流側電壓，d為變頻器的額定電流。本次設計采用西門子與37kW電機配套的制動電阻響和對轉速調整的要求，系統用模擬量輸入作為附加給定，與固定頻率設定相疊加以滿足不同型號模具特殊要求。調速系統電路圖如圖2。制動電阻的熱敏開關4BD22-2EAO，1.5Q，2.2kW[4]。變頻器的各項參數設置如表3所示。第4章通風機總體結構設計4.1結構方案簡圖設計采用多段式殼體。已知設計參數Q=25m3/s、全壓達到H=3000Pa，一般的礦用軸流式風機主要氣動部件有葉輪，外殼，集流器，疏流罩以及出口處的擴散器組成軸流通風機。但對旋通風機兩級葉輪使用兩個電動機驅動，以電機直接驅動，并且兩個葉輪之間互為導葉。將風機葉輪、電動機、集流器、擴散器等分別裝各段殼體，殼體與法蘭焊接在一起，然后用螺栓將這些零件緊固在一起。對旋軸流的條件下，設計所需風機風壓。4.1.1擴散器軸流通風機級的出口動壓在全壓中所占的比例比離心通風機大的多，這是因為軸流風機工作時，通風機級的出口氣流軸向速度相當大，與之相對應的動壓約占通風機全壓的30%-50%為了減少軸流風機出口流速，提高靜壓，同時由于井下的空氣潮濕有毒,所以作為擴散器口消聲器的吸聲材料應具有防潮，防腐和阻燃性質。此外由于通風機的出口處安裝擴散器還可以顯著降低通風機的排氣噪音。一般由錐形筒芯和風筒組成,裝在風機出口側。因此對于對旋的軸流通風機更要加擴散器以減少噪音。（1）擴散筒的形式。擴散筒的結構形式隨外筒和芯筒（整流體）的型式不同而異，如圖3-4所示。等直徑外筒及錐形或等直徑整流體，比流線型整流體制造更方便。從工藝考慮，流線型外殼加工不方便，增加成本；從工作環境考慮，采礦掘進面工作空間相對狹小，不適用流線體外殼。再者通風機的后面還要連接管道，流線體連接管道有一定的不方便。（2）擴散筒尺寸的確定。擴散筒的長度L可以按經驗公式選擇：，式中，L-擴散筒長度，D-擴散筒進口直徑。由于后導葉出來的氣流，其扭矩很小，故通常認為氣流是軸向流入擴散筒。為了保證在擴散筒中流動時流動損失較小，擴散筒的擴壓不能太大。4.1.2集流器與流線罩集流器與流線罩一起，組成了光滑的漸縮形流道。其作用是使氣流在其中得到加速，以便在損失很小的條件下，能在軸流通風機級的入口前面建立起均勻的速度場和壓力場。通風機級的入口條件對于通風機的工作有很大的影響，如果在設計中缺少其中任何一個部件，以及設計不甚合理，都會惡化級的入口條件，使得通風機性能變壞。集流器對于軸流通風機的性能有很大的影響，實驗表明沒有集流器的軸流通風機比具有集流器的通風機的全壓及全壓效率分別低10%-12%及10%-15%。有急流氣的通風機的流量系數也要增加一些[4]。集流器是強力風機上的一個關鍵部件，它是用2mm厚的A3鋼板，通過剪板、焊接、翻邊制成。由于其直徑較大，板厚較薄，在翻邊時容易起皺和出現裂紋，這是不允許的。以前生產廠家做了一付工裝，焊成喇叭口，將圓弧部分在工裝上用手工一點一點敲成的。作用是使氣流順利地進入風機的環行入口信道，并在葉輪入口處,形成均勻的速度場。目前，礦用通風機集流器型線為圓弧形，疏流罩的型面為球面或橢球。這里為了提高通風量和通風效率采用橢圓形的流線罩,集流器為圓弧形。4.1.3葉輪葉輪是風機的主要部件，決定著風機性能的主要因素是風機翼型，葉輪外徑，外徑對輪轂直徑的比值和葉輪轉速。適用于礦用風機的翼型有對稱翼型，CLARK-Y翼型，LS翼型和RAF-6E等。葉輪外徑和風機軸轉速決定圓周速度，直接影響到風機全壓。輪轂比與風機比轉數有關。一般說來,輪轂比大時,軸向速度Ca增大，葉片數目z和葉片相對寬度b/l(b為弦長，l為葉展)也相應增大,風機的風壓系數提高；反之。輪轂比小,多數取0.6，風壓系數也較低。葉輪葉片安裝角直接影響旋繞速度的增量，影響風機全壓。通常，可在10～45°范圍內調整[4]。這里的選用LS翼型與輪轂直接直接用鋁合金鑄造而成，之后再進行修整由于葉輪是通風機一個重要的部件因此要對其的加工要有嚴格的要求。對于一臺軸流式通風機而言，葉輪是其核心的部件，也是最難加工的部件，在鑄造葉輪的時候為了加強葉輪的強度，因此在葉輪的中心加一個已經用車床車好一個心，這樣即加強了葉輪的強度，同時也提高加工的精度，加少了鑄造工藝的難度。這樣減輕了鑄造后的加工量特提高了加工的精度。在材料方面由于近年來鎂合金的價格不斷地下降因此和鋁合金的價格相差不多，但性能卻遠優于鋁合金。其特點是：密度小（1.8g/cm3左右），比強度高，彈性模量大，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機物和堿的腐蝕性能好。質量輕、剛性好、具有一定的耐蝕性和尺寸穩定性、抗沖擊、耐磨、衰減性能好及易于回收；另外還有高的導熱和導電性能、無磁性、屏蔽性好和無毒的特點。因此這里選用鎂合5A06金進行鑄造。4.1.4外殼對旋通風機的噪音問題也比其它的軸流通風機的噪音大，因此要在通風機的殼體上加裝消音裝置，以減少通風機產生的噪音對人身體產生的危害。為了減少體積選擇把消音材料放在外殼體與內殼體之間，這樣能具有良好的消音效果還能不會影響通風機的體積。同時由于我要設計的風機要應用于井下，由于井下的掘進面是一個粉塵很大的空間，通風機的消音材料要求一個小粉塵的工作環境，以發揮其良好的靜音效果。風機外殼呈圓筒形,重要的是葉輪外緣與外殼內表面的徑向間隙應盡可能地減小。這樣也會降低風機的噪音。4.1.5確定通風機各級風壓比風機的風壓比是決定各級葉輪和導葉的主要參數之一。通常，前后兩級葉輪分別用等功率、等轉速的電動機驅動，因而他們的轉速比n1/n2=1.對旋軸流通風機的全壓為兩個葉輪全壓之和，從合理分配前后兩級葉輪的壓力負載角度看，兩個葉輪最佳的理論全壓各位通風機理論全壓的一半，這樣設計不僅能夠保證通過兩級葉輪氣流比較平穩，滿足對旋軸流通風機氣流的連續性條件，有利于提高風機的全壓效率，因此兩個葉輪的全壓各為通風機全壓的一半。4.2第一級葉輪的設計4.2.1確定葉輪轂比及輪轂直徑在軸流通風機中，葉輪輪轂直徑通常用它的相對值來表示，稱為通風機的輪轂比。當通風機的比轉數為341時，可選用=0.6。按表4-1當=0.3時=0.5-0.6.取=0.6是合適的。表4-1不同全壓系數時所推薦采用的輪轂比0.20.2-0.4>0.40.35-0.450.5-0.60.6-0.7由此得到葉輪輪轂直徑=0.60.6=0.36m（4-1）為判斷葉輪葉片和后導流器根部是否會發生氣流分離，應該驗算是否所取的輪轂比：求得通風機的軸向速度m/s（4-2）則得到通風機的無因次軸向速度（4-3）由表3-1的計算結果得到通風機的全壓效率=0.85，則通風機的理論全壓系數為：（4-4）最佳計算參數，查得。[4]可計算出第一級風機葉輪的計算函數為（4-5）可以計算葉輪的最小允許輪轂比為（4-6）由于所決定的輪轂比,所以滿足葉輪的最小允許輪轂比。對于導流器，可計算函數為：（4-7）可以得到導流器的最小允許輪轂比為：（4-8）由于所決定的輪轂比=0.6＞，所以在后導流器葉片根部也不會產生氣流分離4.2.2確定計算截面將整個葉片分成5個計算截面，其中相對半徑為（4-9）其它計算截面半徑可按（4-10）式中——第個計算半徑；——從輪轂截面算起的計算截面序號，=1，2，……N；N——計算截面數，常取5-7個。各計算截面葉片環氣流參數和空氣動力負荷系數計算，各計算截面的空氣動力負荷系數均未超過1.0，所以按孤立。翼型法設計是合適的。4.2.3葉片幾何尺寸的計算計算結果列于表4-2中。選用LS翼型，該翼型的性能曲線可見是光滑的，翼型的斷面坐標值列于表4-4。根據前述對翼型相對厚度的選取原則，在葉根及葉頂截面分別為0.1和0.8，中間各截面的可按直線規律變化，通過差值計算得出。葉根及葉頂的葉片總寬度由計算得到而中間各截面的可按直線規律變化，通過差值計算得出。對于葉片數目的選擇計算，由表4-3，當時，Z=6-12。又由式（4-11）當=0.5-0.7時，=0.9-1.5[4]所以取Z=8。表4.2.3葉輪氣流參數和幾何尺寸計算表項目及公式單位計算截面備注12345m0.1800.2160.2470.2750.3m；0.60.720.820.921m為葉輪半徑m/s55.9567.1476.7885.4893.26r/minm/s26.2821.9019.1517.2015.76等環量設計時沿葉高為常數m138.26138.26138.26138.26138.26等環量設計時沿葉高為常數m/s144.74149.24153.73158.17162.50C1u=0(°)72.8067.8864.0760.9458.300.360.300.250.220.20續項目及公式單位計算截面備注123451.025———0.870.35———0.230.660.600.540.480.43中間各界面差值計算m0.350.320.290.250.231.030.940.910.890.87(°)6.536.215.925.685.46(°)79.3374.0969.9966.6263.76mm82.57567.56053.8mm8.37.56.86.05.4表4.2.4葉片數目與輪轂比之間的關系0.30.40.50.60.7Z2-64-86-128-1610-20葉輪強度計算軸流通風機的葉輪旋轉，葉片受離心力和氣流流動引起的壓力，前者引起拉伸，后者導致彎曲。葉片根部的離心力最大，一般來說，葉片根部的拉伸應力也最大。式中—葉片根部的離心拉應力，單位為N/m3—葉片根部所受離心力，單位為N—葉片根部最小截面積，單位為m2由于本設計的葉片均為變截面葉片，所以要按照變截面的離心力算法計算離心力。將葉片近似看成葉片截面弦長和相對厚度從葉根到葉頂線性變化（葉根大、葉頂小），葉片弦長、相對厚度可以表示為：式中—半徑處的截面弦長，單位為m；—葉根截面弦長，單位為m；—弦長沿徑向變化的系數；—葉片任意截面所在半徑，單位為m—葉根半徑，單位為m；—半徑處的截面的相對厚度；—葉根截面相對厚度；—相對厚度沿徑向變化的系數；—葉輪半徑處葉片截面離葉根的距離，單位為m那么，如果葉片截面輪廓線是按弦長b及厚度c線性變化的，葉根截面面積為則葉輪半徑r處的葉片截面積為（1+k1x）2（1+k2x）(4-12)整個葉片的體積V（單位為m3）按下式計算(4-13)葉片質心與葉輪旋轉中心距離（單位為m）=(4-14)計算葉片所受的離心力（4-15)式中—葉片長度，單位為m。利用上式可以比較精確的求出葉根的離心力。由于葉片是邊截面的，應根據文獻[4]的變截面葉片的葉根離心力的計算公式計算離心力。如前所述，可以知道的已知條件為：B=0.102m，m,m,m,m。可以得到=6.0105N通過CAD軟件計算葉根截面面積。60MPa式中為5A06的拉伸極限強度。所以葉輪選擇5A06可以滿足條件。4.2.4鍵的校核選用鍵18×50(GB/T1095-1979)，其機構如圖3-5所示鍵的尺寸為b=18mm,h=7mm,a=60mm，l=50mm。1.計算鍵的剪切力：式中—鍵所傳遞的扭矩，N/m2；—軸徑，m；—鍵的寬度,m；—剪切應力,N；圖4.2.4.1鍵結構簡圖—鍵的許用剪切應力，一般鍵為45號鋼，可取。可知鍵是安全的。2.計算鍵的擠壓應力：N/m2—許用擠壓應力，一般應按輪轂材料進行校核，因為輪轂材料的許用擠壓應力較鍵的要求，45號鋼的許用擠壓應力可取鍵的選用符合設計要求。電動機的軸是經過校核的，所以不用再慮，所以電動機軸上的鍵也是安全的4.3第二級葉輪的設計4.3.1確定葉輪轂比及輪轂直徑在對旋通風機中前后兩級葉輪由于在同一個風筒能工作因此葉輪的輪轂比保持一致=0.6，軸向速度相等。但前后兩級葉輪所處的環境不相同因此還要進行下面的計算。為判斷葉輪葉片和后導流器根部是否會發生氣流分離，應該驗算是否所取的輪轂比：則得到通風機的無因次軸向速度由式3-3為最佳計算參數，查得取n1=-0.6。[4]可計算出第二級風機葉輪的計算函數為可以計算葉輪的最小允許輪轂比由式4-6為由于所決定的輪轂比,所以在葉輪葉片根部不會產生氣流分離。對于導流器，可計算函數為：==可以得到導流器的最小允許輪轂比由式4-8為：由于所決定的輪轂比=0.6＞，所以在后導流器葉片根部也不會產生氣流分離4.3.2確定計算截面將整個葉片分成5個計算截面，其中相對半徑由式4-9為其它計算截面半徑可按式3-10計算各計算截面葉片環氣流參數和空氣動力負荷系數計算，各計算截面的空氣動力負荷系數均未超過1.0，所以按孤立翼型法設計是合適的。4.3.3葉片幾何尺寸的計算計算結果列于表4-7中。選用LS翼型，該翼型的性能曲線可見是光滑的，翼型的斷面坐標值列于表根據前述對翼型相對厚度的選取原則，在葉根及葉頂截面分別為0.1和0.8，中間各截面的可按直線規律變化，通過差值計算得出：表4.3.3葉輪氣流參數和幾何尺寸計算表項目及公式單位計算截面備注12345m0.1800.2160.2470.2750.3m0.60.720.820.921.0m為葉輪半徑m/s55.9567.1576.7885.4993.26r/minc1um/s-26.28-21.90-19.15-17.20-15.78m/s26.2821.9019.1517.2015.78等環量設計時沿葉高為常數m138.26138.26138.26138.26138.26等環量設計時沿葉高為常數m/s154.56158.79163.01167.23171.30C1u為常數(°)63.4560.5458.0155.7553.81續項目及公式單位計算截面備注123450.340.280.230.210.181.025———0.870.330.300.270.240.210.370.410.420.430.45中間各界面的差值計算m0.3270.3020.2710.2490.2291.0390.9280.8480.8430.786(°)6.506.316.145.905.40(°)69.9566.8563.1561.6558.82mm52.958.660.061.464.3mm5.35.96.06.26.5葉根及葉頂的葉片總寬度由計算得到而中間各截面的可按直線規律變化，通過差值計算得出。對于葉片數目的選擇計算，由表3-3，當=0.6時，Z=6-12。又由式4-11當=0.5-0.7時，=0.9-1.5[4]所以取Z=7。4.3.4葉片的繪制根據所選擇的翼型坐標，計算結果列于表4-3中。表4.3.4弦長b在葉柵額線及葉柵軸向方向的投影B投影單位相對半徑mm49.7053.9054.5356.0457.10mm18.1423.0427.1029.1633.29根據計算所得到的上述數據，繪制各計算截面的翼型，如圖4-2所示。計算出各計算截面的翼型向何尺寸，翼型重心位置等，最后結合各計算截面上的葉片寬度和葉片安裝角即可繪制各計算截面的葉片翼型圖。上述計算結果實際上給出了不同半徑上長度為的葉片，將這些葉片依次組合在一起便構成了一個完整的葉片。為了改善葉片的受力情況，可把各計算截面上的翼型重心都放在同一個徑向線上，繪制出各截面翼型的投影，并用光滑曲線連接，便可得到葉片的投影圖。根據表4.3.5的LS翼型斷面坐標值。對旋通風機前后的葉輪選用相同的翼型，相同的材質。表4.3.5氣流參數及葉片幾何尺寸沿相對半徑的變化項目單位相對半徑mm23.5426.026.7027.3229.62mm2.22.42.52.62.8mm22.0722.723.324.025.34mm8.1010.2212.0612.9715.34mm27.6330.231.232.0433.12mm10.0412.8215.0416.2017.854.4電機的選擇1電動機種類及臺數的選擇1）電動機種類的選擇通常選擇電動機時，應考慮通風機調節及其功率因數補償的要求，當計算得到的電動機最大功率Ndmax>400-500kw時,最好選用同步電動機，其功率為Ndmax。優點是，當電動機在低負荷狀態下運轉時，可以利用它來改善礦井變電所母線上的功率因數，可使礦井能夠經濟運行；缺點是初期投資較大。當電動機功率位于200kw左右時，宜選用低壓鼠籠式電動機；在250—400kw之間宜選用高壓鼠籠式電動機或同步電動機。當礦井風壓變化較大時，可考慮分期選擇電動機，但每臺電動機的使用年限一般不少于10年。電動機臺數的選擇較多的情況下，則選用異步電動機。選用異步電動機時，當Ndmin/Ndmax≥0.6時，可選2臺電動機，其功率為Ndmax；當Ndmin/Ndmax≤0.6時，可選2臺電動機，初期的電動機功率為Nd：Nd=KW后期的電動機功率為Ndmax。電動機選擇計算1）通風機輸入功率按通風容易及困難時期，分別計算通風機所需輸入功率、。式中—為通風機靜壓效率；、—分別為礦井通風容易時期和通風困難時期通風機的輸入功率，KW。得出：（2）電動機的臺數及種類當時，可選一臺風機，電動機功率為當時，選兩臺電動機，其功率分別為初期后期式中—電動機容量備用系數，；—電動機效率，（大型電動機取較高值）；—傳動效率，電動機與通風機直聯時；皮帶傳動時。因故選兩臺電動機取、、初期：后期：電動機功率在400~500Kw以上時宜選用同步電動機。其優點是在低負荷運轉時，可用來改善電網功率因數。第5章主通風機系統的軟件設計本控制系統的軟件設計是分四部分實現的，主要包括手動自動控制部分、溫度轉換控制部分、瓦斯濃度控制部分和壓力PID控制部分。由系統流程圖可以看出本控制系統的軟件設計是由六部分來實現的，主要包括手動/自動控制部分、溫度轉換控制部分、瓦斯濃度控制部分、壓力PID控制部分、PLC與變頻器通信和機械故障處理部分。本控制系統的軟件設計是分四部分實現的，主要包括手動自動控制部分、溫度轉換控制部分、瓦斯濃度控制部分和壓力PID控制部分。由系統流程圖可以看出本控制系統的軟件設計是由六部分來實現的，主要包括手動/自動控制部分、溫度轉換控制部分、瓦斯濃度控制部分、壓力PID控制部分、PLC與變頻器通信和機械故障處理部分。其中手動和自動控制部分是在溫度、瓦斯和壓力控制中使用的。所以下面僅對溫度、瓦斯、壓力和通信控制子程序進行分析。本系統控制程序可見附錄。5.1溫度控制部分本設計的風機組設有軸承溫度和定子溫度過熱保護。綜合所選用的風機組自身特性和國家規定標準，設置了風機組軸承溫度和定子溫度報警溫度和跳閘溫度（本系統是風機組切換溫度）。軸承溫度保護設置85℃為報警溫度，90℃為跳閘溫度。定子溫度保護設置120℃為報警溫度，125℃為跳閘溫度。表5.1工程值與數字量對應關系溫度值（℃）數字量電壓值（V）12023652.27.3912524347.87.618518782.65.879019478.36.09由于PLC所能識別的是數字量信號，所以要對傳感器采集的電壓或電流信號的輸入信號進行轉換。若輸入電壓范圍為0～10V的模擬量信號，則對應的數字量結果應為0～32000或需要的數字。模擬量和數字量的轉換公式為：(y-AL)/(AH-AL)=(X-0)/(32000-0) （1）y：轉換過后的工程值（多少電流）AH：工程值的上限（電流的上限）AL：工程值的下限（電流的下限）X：工程轉換后的數字量值（電流轉換后的數字值）若數據格式為單極性，模擬量信號的類型為電壓信號，滿量程為0～10V，那么根據公式1可得軸承溫度和定子溫度報警溫度和跳閘溫度所對應的數量和電壓的關系如表10所示。模擬量信號的類型及范圍是通過模擬量模塊右下側的DIP設定開關進行輸入和輸出信號選擇的[6]。續圖5.1溫度控制程序本系統有自動/手動兩種控制方式。在自動狀態下，根據風機選擇按鈕的選擇風機組運行工作。在沒有出現異常的情況下，風機組1和風機組2根據需要所設定的時間交替運行工作。主程序每次掃描都要調用溫度子程序。調用子程序后首先對程序中反復用到的累加器AC0清零。若運行的是風機組1，那么風機組1運行后其定子溫度和軸承就會上升，溫度傳感器將其連續變化的溫度轉換為0～10V的電壓送入A/D轉換模塊EM231，由EM231將連續的電壓信號轉換為PLC能識別的離散數字量，并將其存入AIW4和AIW6。為了提高運算精度，將AIW4和AIW6存儲的數據轉換為實數進行處理，分別存儲到VD180和VD184中。溫度控制子程序圖如圖4所示。自動方式下，存儲到VD180和VD184中的數據與設定的報警溫度上線進行比較，當軸承溫度VD180或定子溫度VD184的值過高超出設定置上線時，M20.0或M20.2閉合，指示燈Q0.7閉合，蜂鳴器Q1.1也閉合，系統發出報警并有指示燈指示。若溫度繼續上升，當其溫度超過風機組轉換溫度上線時，M20.1或M20.3閉合，PLC將自動將風機組1的電源切斷，并將風機組2接入運行。此時，若風機組選擇按扭仍選風機組1，系統將發出指示并報警，只有工作人員將其按鈕撥到風機組2才能解除報警和指示。同理，當風機組2的軸承溫度或定子溫度超出設定的報警溫度或風機切換溫度時，將出現同上情況。其控制程序如圖5所示。在手動方式下，若風機組選擇按扭撥到風機組1，按下啟動按鈕后風機組1將投入運行。風機組1的軸承溫度和定子溫度經溫度傳感器將連續變化的溫度轉換為1～10V的電壓，然后送入EM231模擬量輸入模塊，通過內部的采樣，濾波，轉換為PLC能識別的二進制信號。當風機組1的軸承溫度或定子溫度超出設定的報警溫度或風機切換溫度時，風機組將報警并指示。當其溫度超過一切風機組的溫度時，PLC將切斷風機1的控制回路。風機組1停止工作，同時發出指示和報警。此時，當風機組1的軸承溫度或定子溫度降低，即便再次低于設定的報警溫度或風機切換溫度時，風機組1也不能再次啟動，只有工作人員將風機組選擇按扭撥向風機組2時，風機組2投入運行工作。同時并切斷風機組1的指示和報警。同理，若風機組2的軸承溫度或定子溫度超限時，處理方式同上。其控制程序見附圖1的網絡6和網絡7。5.2瓦斯濃度控制部分瓦斯濃度控制部分和溫度控制部分相似。本設計用到的瓦斯濃度傳感器為KGJ16B型。其性能參數見硬件設計部分。其原理分析參見附圖1。瓦斯濃度傳感器將連續變化的瓦斯濃度信號轉換為4～20毫安的電流，然后經A/D轉換模塊EM235，通過其內部的采樣、濾波，轉換為PLC能識別的二進制信號存儲到VD196中。在風機運行過程中若礦井工作面的瓦斯濃度大于設定的報警瓦斯濃度上線時，M0.1閉續圖5.2瓦斯濃度控制程序合，Q1.1也閉合，系統將發出指示并報警。以警示工作人員工作面瓦斯涌出量已有安全隱患，做好排放瓦斯的準備。若井巷工作面瓦斯濃度繼續增大，當VD196的存儲值大于設定的斷電瓦斯濃度上線時，M0.2閉合，PLC將發出切斷電源的指令，將PLC所有輸出和內部位復位，并切斷風機電源各井巷工作面的電源，防止有明火引起與其爆炸。同時并發出報警。抽放瓦斯后，當瓦斯濃度VD196的存儲值再次下降到小于斷電瓦斯濃度上線時，風機組并不能重新運行工作。只有當瓦斯濃度VD196的存儲值下降到小于瓦斯濃度報警上線時，PLC才恢復風機組再次啟動并將風機組運行工作。PID壓力給定量SP偏差ePID輸出Y過程變量壓力反饋量PV_+PID壓力給定量SP偏差ePID輸出Y過程變量壓力反饋量PV_+變頻調速系統圖5.3.1PID控制系統結構圖壓力是本控制系統的主控參數，在壓力數據處理過程中運用到PID算法。所謂的PID就是比例、積分、微分的總稱。PID運算中的積分作用可以消除系統的靜態誤差，提高精度，加強對系統參數變化的能力，而身分作用可以克服慣性滯后，提高抗干擾能力和系統的穩定性，可改善系統動態響應速度。因此，對于速度、位置等快過程擴溫度、化工合成等慢過程，PID控制都具有良好的實際效果。在系統穩態運行時，PID控制器的作用就是通過調節其輸出使偏差為零。偏差由定量（SP，希望值）與過程變量（PV，實際值）之差來確定。系統PID調節的微分方程式由比例項、積分項和微分項組成。本系統的壓力控制是用SMB34定時設定的時間周期進行中斷處理的，利用SMB34固定的時間間隔作為采樣周期，對模擬量AIW0輸入進行采樣，然后通過A/D轉換模塊進行