煤矿通风机在线监测控制系统汇总.docx

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煤矿通风机在线监测控制系统汇总

前言

第一章系统功能与技术指标

1.系统功能

2.技术指标

3.监测参数范围

4.系统特点

5.系统的组成

6.系统的工作原理

第二章气体流量的监测

1.气体流量计算的基本原理

2.负压测点的布置

3.系统负压测点的结构与物理位置

4.压力变送器的基本技术指标与使用方法

5.压力的采集与气体流量的计算

第三章电机的轴承温度、绕组温度的测量

1.PT100电阻介绍

2.温度采集模块

3.温度采集工作原理

第四章电气参数的测量

1.三相电参数采集模块

2.系统三相电参数的采集

第五章风机流量的计算

流量的计算

第六章振动的测量

振动的监测

第七章转速的测量

转速的监测

第八章模拟量的采集

模拟量采集模块

第九章场安装环境的选择及要求

1.安装环境的选择

2.安装程序、方法

3.信号线的接线方法

4.现场保养与维护

前言

风机是矿井要害设备之一，它的实时运行数据需要纳入全矿井自动化系统。

传统的设备无法与矿井自动化系统交换数据，只有依赖于计算机网络技术，才可以将风机运行的实时信息数据传送给矿调度室，并将其运行数据并入全矿井数据库以供整体分析决策使用。

所以，在线监测系统是实现全矿井自动化的必须设备之一。

通风设备配电在线监测系统是基于大型风机流量监测方法的装置。

系统以国家标准《通风机空气动力性能试验方法》、《煤炭行业标准》和《煤矿用主要通风机现场性能参数测定方法》为依据，应用工业计算机检测技术和独特的专有研究成果对矿用大型通风机的运行状态进行连续在线测量与数据处理，以多种方式提供通风机运行状态的各种数据，保障通风机的安全运行和方便通风机的性能测试，并为多种功能扩充提供方便的条件。

在线测量与处理的风机运行参数包括：

风机入口静压、风速、流量，电机的轴承温度、定子绕组温度、电机功率、电机振动烈度、风机的转速、进出气体温度等。

数据传输模式可与全矿井自动化系统实现灵活便捷的数据联网，将风机的实时运行参数传输到矿总调度室，以满足自动管理的需求。

通风设备配电在线监测系统能够在生产过程中随时掌握通风设备的运行状态，改变了传统的设备管理方式，提高了通风设备的自动化管理水平，有力地保证了通风机设备的经济、可靠运行，为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据，深受用户欢迎。

本系统测控功能齐全，画面和报表丰富多彩，方便现场操作人员使用和技术维护。

第一章系统功能与技术指标

1系统功能

系统的主要功能有：

实时监测通风系统参数、通风机的性能参数、电机的电气参数、轴承温度、数据管理、报表管理、性能测试、远程通讯等，详述如下：

⏹实时监测通风系统风压、风量。

⏹实时监测通风机性能参数：

流量、静压、效率。

⏹实时监测风机配用电机的电气参数：

电流、电压、功率。

⏹实时监测轴承温度并在超限时报警。

⏹实时监测定子温度并在超限时报警。

⏹数据实时显示、存储、查询、打印。

⏹历史数据报表查询。

⏹实时显示风压-风量、效率-风量等曲线。

⏹数据全矿共享

⏹实时监测矿井瓦斯浓度

2技术指标

⏹工作电压：

～220V±10%

⏹环境温度：

－10℃～＋50℃

⏹环境湿度：

≯85%

⏹变送器精度：

≮0.5级

监测精度：

⏹流量：

1.5级

⏹压力：

0.5级

⏹电参数：

0.25级

⏹温度：

0.5级

⏹振动：

1级

3监测参数范围

⏹流量：

4000～125000m3/min

⏹压力：

0～6000Pa

⏹温度：

0～150℃

⏹电压：

0～10kV

⏹电流：

由互感器确定

⏹功率：

无限制

⏹振动：

0～50mm/s

⏹瓦斯

4系统特点

⏹采用了先进的计算机技术，功能强大，智能化程度高；以图形界面显示工作状态，画面丰富，直观生动。

⏹采用模块化设计方案，系统抗干扰能力强，运行精度高，使用维护方便。

⏹采用了先进的计算机技网络技术，实现了全矿数据共享。

⏹采用了多种抗干扰措施，因此系统的抗干扰能力强，可靠性高，监测准确。

⏹流量监测措施独特、新颖，可靠性好、精度高。

⏹选用了可靠性好、精度高的传感（变送）器。

⏹软件设计安全性高。

操作简单快捷、维护方便

5系统的组成

本系统以PLC为核心，主要由信号测取装置和传感（变送）器、信号采集及转换装置、通讯装置、供电装置、显示器等组成。

信号测取装置和传感（变送）器主要包括取压装置、模拟量采集器、压力变送器、温度采集器等。

信号采集及转换装置主要包括滤波环节和电压/电流变换。

通讯装置主要包括10mbps/100mbps自适应网卡。

供电装置主要包括交流稳压电源。

6系统的工作原理

该系统以PLC为核心，配以各种外围设备组成，在软件的控制下，完成数据的采集、分析等工作，以图表等多种形式显示在显示器上，并传输到指定地点。

各部分的工作过程简述如下。

电气参数的监测

电气参数指配套电机的电流、电压、功率、功率因数等。

选用精度高、可靠性好的电量采集模块将来自电压、电流互感器的电压、电流换成标准电信号，再送给计算机进行处理。

气体流量的监测

在系统中，气体流量的监测是依据气体流经变截面构件时所形成的动压计算获得。

风机振动的监测

通过电磁电式振动速度传感器，对风机轴承振动绝对峰-峰值进行连续监视和测量。

转速的监测

采用霍尔效应，当金属齿经过霍尔传感器前端时，引起磁场变化，霍尔元件检测到磁场变化，并转换成一个交变电信号，传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，安装简单，防油防水。

信号采集与转换

由各种集成化的模块将数据采集后送PLC进行处理，最后由计算机显示出来。

系统的供电

由开关电源为各种变送器、传感器提供直流电源。

第二章气体流量的监测

1气体流量计算的基本原理

系统对流量监测的核心任务是监测气体在流经风机时经过断面时所产生的压力值。

系统工作流程如图一所示。

图一

系统使用压力变送器，分别将两台风机的4个断面处的压力转换为频率信号，送到PLC进行数据处理，换算得到对应的数值。

最后交由计算机显示出来。

2负压测点的布置

根据《煤矿用主要通风机现场性能参数测定方法》MT421—1996，中华人民共和国煤炭工业部1996—12—30批准，Ｐ1测点布置在一级风机环形断面测点分布见图二a，测点布置在水平、垂直的两条直径与硐壁和芯筒外缘的交点a、b、c、d、e、f、g、h处；P2测点布置在连接风筒圆形断面见图1b，测点布置在水平、垂直的两条直径与硐壁的交点a、b、c、d处，见图二b；

3系统负压测点的结构与物理位置

系统在工厂设计时是在风机内部的理论位置放置负压引压环，负压引压环是使用Φ40mm的金属管弯圆焊接制成，并在理论位置上打孔，然后引通到相应位置的风机顶部，用以连接测量器件，工艺已标准化。

4压力变送器的基本技术指标与使用方法

在系统中，负压的测量采用压力变送器，其性能与技术指标如下：

特点

⏹长期稳定性好

⏹防浪涌电压和极性反相保护

⏹抗干扰设计

⏹灵敏度高，温漂小

主要技术参数

⏹输出形式：

频率信号

⏹供电电源：

＋24VDC+12VDC

⏹准确度：

±0.25％

⏹介质温度：

－20～85℃

⏹环境温度：

－10～60℃

⏹响应时间：

≥30mS

⏹负载能力：

≤600Ω

⏹过载压力：

2倍

在风机工作时，压力变送器接受到来风机的压力，将此压力信号转换为频率信号，交由PLC进一步处理。

5压力的采集与气体流量的计算

风机工作的时候，由风机的风速压力作用于压力变送器后交由PLC的高速采集口来采集。

这样，PLC便获得了系统监测静压与平均动压（P）的原始信号。

对原始信号的处理：

系统使用PLC编程，对所有采集到的信号进行换算与处理。

数据最终由工控组态软件显示出来

第三章电机的轴承温度、绕组温度的测量

电机的轴承温度、绕组温度的测量

电机绕组温度、轴承温度的感知元件为在电机出厂时预埋的PT100铂热电阻，并以三线制的方式引出风机机体处接线盒内。

每台电机共有两个轴承温度测点与三个定子绕组温度测点，每个测点均预埋有2个PT100铂热电阻，其中一支为备用。

两台风机共4台电机共有二十个测点，分别使用4块6路温度测量模块与之连接，采集电机工作时的工作温度。

1PT100电阻介绍

概述：

铂热电阻根据使用场合的不同与使用温度的不同，按照绕制的骨加来区分，有云母、陶瓷、簿膜等元件。

作为测温元件，它具有良好的输出性能，可作为显示仪、记录仪、调节仪以及其它”电脑”之类仪表提供精确的输入值。

若配接一体化温度变送器，可输出4～20mA和0～10V等标准电流和电压信号，使用更为方便。

结构和原理

装配式热电阻是由感温元件、不锈钢保护管、接线盒以及各种用途的固定装置组成。

铠装式铂热电阻比装配式铂热电阻直径小、易弯曲、适宜安装在装配式无法安装的场合，它的外保护管采用不锈钢，内充满高密度氧化物质绝缘体因此它具有很强的抗污染和优良的机械强度，能在环境较为恶劣的场合使用。

隔爆式铂热电阻通常用于生产现场伴有各种易燃、易爆等化学气体、蒸气的场合，如使用普通铂热电阻极易引起环境气体爆炸，因此在这种场合必须使用隔爆式的铂热电阻，隔爆铂热电阻，能适用在dⅡBT1—6以及dⅡCT1—6温度组别区间内具有爆炸性气体危险场所内。

铂电阻是一种温度传感器，其工作原理：

在温度作用下，铂热电阻丝的电阻值随之变化而变化，且电阻与温度的关系即分度特性完全和IEC标准等同，因此PT100主要用来测量-200—+600℃的温度。

主要技术指标：

铂热电阻在0℃时的电阻值称R（0℃）和100℃时的电阻值称R（100℃）以及R（100℃）/R（0℃）叫作比值W100。

Pt100其含义为（0℃）时的名义电阻值为100Ω，目前使用的一般都是这种铂热电阻。

国际标准规定的PT100测量精度允许偏差如下：

A级——R（0℃）=100Ω±0.06Ω±（0.15+0.002︱t︱）℃

B级——R（0℃）=100Ω±0.12Ω±（0.30+0.005︱t︱）℃

比值W100=1.3850A级±0.0000006B级0.00012

上式中”︱t︱”为实际温度的绝对值

2温度采集模块

温度采集模块主要性能

温度采集模块可测量：

5路三线制PT100（PT500，PT1000等）输入；1路内置环境温度测量（通道号为5）；模块不具备测量热电偶传感器的功能。

温度采集模块同时具有：

2路开关量输出（温度上下限报警，可设置为按任一路报警或无报警，报警值等可设置），为无源光耦输出；其中DO0代表报警下限，DO1代表报警上限输出。

温度采集模块可广泛应用于各种工业控制与测量系统中。

它能测量PT100，PT500，PT1000。

其输出为485总线方式。

双协议：

ASCII码协议与十六进制LC-04协议，其ASCII码指令集兼容于NuDAM、ADAM等模块，可与其他厂家的控制模块挂在同一485总线上，便于计算机编程。

温度采集模块外形图

功能与技术指标

⏹温度信号输入：

5路独立的温度电压信号输入；对输入信号顺序进行放大与AD转换；

⏹信号处理：

16位A/D采样；

⏹测量周期：

每通道0.15秒，数字滤波，6通道循环测量。

⏹隔离：

信号输入与通讯接口输出之间隔离，隔离电压1000VDC。

SLT、DATA+、DATA-、VCC、GND为输出端，与GND端共地；5路测量信号输入共地端为AGND端子。

2路开关量输出共地端为DGND端子；

⏹通讯输出:

接口：

EDA485C接口，二线制，±15KVESD保护。

⏹协议：

双协议：

ASCII码协议与十六进制LC-04协议。

由SLT悬空或接地选择。

⏹速率：

1200、2400、4800、9600、19200Bps，可软件设定。

⏹模块地址：

00～FF可软件设定。

⏹测量精度：

0.5级，温度分辨率0.1℃。

⏹量程：

-50℃～300℃。

⏹模块电源：

+8～30VDC*功耗：

典型电流消耗<110mA。

⏹工作环境：

工作温度：

-20℃～70℃；相对湿度：

-5%～95%不结露。

3温度采集工作原理

对电机绕组及轴承温度的测量使用电机中预埋的PT100热电阻与EDA9018温度采集模块配合实现。

原理框图如下所示。

由于风机距离控制柜较远（一般为40m左右），所以采用三线制接法。

其中IX-端为补偿端，在PT100的电阻引出脚处短接，用以低消线路电阻引起的测量误差。

PT100的三条引线分别接于EDA9018的信号输入正端、信号输入负端、模拟地端。

电机温度的变化将引起PT100阻值的变化，EDA9018将测量到的PT100的阻值变化信号在内部经过处理，输出当前PT100所处位置的实际值，通过485总线传输至计算机。

计算机将获取的数据处理并显示出来。

第四章电气参数的测量

对风机电参数的测量内容包括电机运行时的供电电压、运行电流、有功功率三个主要参数。

系统的电参数采集模块采用三相电功率采集模块，三相电功率采集模块性能介绍如下：

1三相电参数采集模块

三相电功率采集模块是一种智能型三相电参数数据综合采集模块；三表法准确测量三相三线制或三相四线制交流电路中的三相电流、三相电压（真有效值）、有功功率、无功功率、功率因数、有功电度等电参数。

其输入为三相电压（0～500V）、三相电流（0～1000A）；输出为EDA485C或RS-232接口的数字信号，支持的通讯规约有3种：

ASCII码协议、十六进制LC-01协议、MODBUS-RTU协议，3种协议可同时识别使用，无需配置。

三相电功率采集模块可广泛应用于各种工业控制与测量系统及各种集散式/分布式电力监控系统。

三相电功率采集模块是一款高性价比的智能电参数变送器，他能替代过去的电流、电压、功率、功率因数、电量等一系列变送器及测量这些变送器标准输出信号的模入模块，可大大降低系统成本，方便现场布线，提高系统的可靠性。

其可与其他厂家的控制模块挂在同一485总线上，且便于计算机编程，使你轻松地构建自己的测控系统。

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。

2系统电参数的采集

在系统中，三相电功率采集模块工作时所要采集的电压、电流信号直接来自风机配电屏上的电压与电流互感器。

使用电压量程（相电压）为250V、电流量程为5A、工作电源24V的EDA9033A。

对风机配电屏来说，如果使用380V的电源，其相电压为220V，在模块的量程范围之内；如果使用高压电源，则电压互感器输出0-100V电压，亦在模块量程范围之内。

而电流互感器无一例外都是0-5A的规格。

所以本量程的模块可满足所有场合的需要。

来自风机配电屏的电压电流信号经EDA9033测量后送到PLC，经PLC转换后。

将数据传送到工控电脑上，由工控组态软件显示具体的电流、电压、有功功率等参数

三相电功率采集模块会准确测量当前的功率因数，所以给出的有功功率是物理值。

从三相绕组的三个端头引出的三根导线叫做相线

而从星形接法的三相绕组的中性点N引出的导线叫做中性线

每相绕组两端的电压叫相电压

通常规定从始端指向末端为电压的正方向。

相线与相线间的电压称为线电压。

每相线圈两端的电压叫做相电压。

通常用UA、UB、UC分别表示。

端线与端线之间的电压称为线电压。

一般用UAB、UBC、UCA表示。

凡流过每一相线圈的电流叫相电流，流过端线的电流叫线电流。

第五章流量的计算

将在通风机出口测的平均动压由公式

式中v为通风机风速，

；P为通风机出口的平均动压，Pa；

为大气密度（现场实际测量计算所得），

；

式中Q为通风机风量，

;A为通风机出口的侧测风截面的面积，

；

第六章振动的测量

振动的测量

系统要求四个单级风机（两台风机）的水平与垂直振动烈度，振动信息的检出原理如下图所示：

在风机工作时，风机的振动引起振动变送器输出电流的变化。

由振动变送器输出的4-20mA的电流信号送入模拟量采集模块，模拟量采集模块将输入的模拟电流信号经A/D转换后与PLC通讯，PLC获得振动检测的原始信号。

应用程序将此原始信号处理后得到实际的振动烈度，交由工控机由工控组态软件显示出来。

第七章转速的测量

霍尔转速传感器采用霍尔效应，当金属齿经过霍尔传感器前端时，引起磁场变化，霍尔元件检测到磁场变化，并转换成一个交变电信号，传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定输出信号交由模拟量模块采集。

2.技术参数

⏹工作电压：

5～24V 

⏹测量范围：

0～20KHz

⏹感应距离：

0～3mm

⏹测速齿轮形式：

模数2 ～ 4（渐开线齿轮）

⏹输出信号：

方波，其峰峰值等于工作电源电压幅度，与转速无关，最大输出电流20mA

第八章模拟量采集

模拟量采集模块

系统的模拟量转换采用模拟量测量模块。

模拟量测量模块可广泛应用于各种工业控制与测量系统中。

它能测量压力、温度、电量等变送器输出的4～20mA或0～10V信号。

通讯接口为RS485或RS232，电源为DC8～30V，通讯协议采用十六进制LC-02协议。

模拟量测量模块外形图

输入信号

⏹输入：

8路0～20mA电流及4路0～10V电压。

输入信号为直流或交流（频率25～75Hz）。

⏹信号处理：

16位A/D采样；采样速率:

3000次采样/S。

输出真有效值。

⏹测量周期：

每通道0.1秒，12通道循环测量。

⏹过载能力：

1.2倍量程可正确测量；过载3倍量程输入1s不损坏。

⏹隔离：

信号输入与通讯接口输出之间隔离，隔离电压1000VDC。

A/T、B/R、VCC、GND为输出端，与GND端共地；12路信号输入共地端为AGND端子。

⏹电流通道：

输入阻抗110Ω。

⏹电压通道：

输入阻抗>100KΩ。

通讯输出

⏹接口：

RS485C接口，二线制，±15KVESD保护；或RS-232接口，±2KVESD保护。

⏹协议：

十六进制LC-02协议

⏹速率：

9600由软件设定。

⏹模块地址：

01。

⏹测量精度：

电压：

0.2级或更高。

⏹模块电源：

+8～30VDC；功耗：

典型电流消耗为15mA。

⏹工作环境：

工作温度：

-20℃～+70℃；存储温度：

-40℃～+85℃；相对湿度：

5%～95%不结露。

⏹安装方式：

DIN导轨卡装体积：

122mm*70mm*43mm。

通讯方式为RS485时，将PLC串口接转换器EDA485C（RS-232/RS485），转换器输出DATA+端和所有模块的A/T端连接，DATA-端和所有模块的B/R端连接，并在两终端接入匹配电阻（距离较近时，也可不用），接入电源。

第九章瓦斯浓度监测

瓦斯浓度监测

在风机进风口处安装瓦斯传感器，瓦斯传感器输出4-20mA标准信号到模拟量采集器，模拟量采集器通过485与PLC进行通讯，由PLC来进行数据处理，最终交由上位机组态王来显示处理。

第十章现场安装环境的选择及要求

1安装环境的选择

⏹主机一般选择在在不防碍司机正常操作风机的前提下选择安装位置,并且有利于相关人员的观察;

⏹应远离散热片及各种取暖设施;

⏹主机周围保持通风、清洁,不能将各种物品放在主机上方（茶杯,饭盒等）

2安装程序、方法

安装原则

⏹将各路传感器安装固定；

⏹选择合适位置安放装置主机；

⏹连接好各路传感器及主机的连线。

走线要标准、美观不影响通风机房的设备维修及人员的走动。

主机及传感器信号线尽量远离大于380V的供电电路；

⏹连接好主机与传感器的连线；

⏹总接地线的连接；

⏹电源线的连接；

用线总则：

⏹各路传感器至主机连线需全部使用RVVP屏蔽电缆；

⏹动压与静压的连接导管必须用厂家提供的PVC压力管；

接线顺序：

⏹传感器与信号电缆一端的连接；

⏹信号电缆的另一端与主机接线端子排连接；

⏹主机总接地点接地；

⏹装置电源线的连接。

；

3信号线的接线方法

⏹传感器信号线的屏蔽层，通过与航空插头的连接，经航空插座、主机外壳与总接地点相连接，且禁止在其他部分与大地及其他导体相连接；

⏹总接地线的连接：

选用≥1.5mm²的铜线，最好选择最近的距离接地，接地点必须与大地良好连接。

4现场保养与维护

⏹通风机监控装置的正常运行，与合理使用、日常的维护检查是分不开的。

使用单位应选派相关技术人员参加安装调试，并负责检修、维护等工作；

⏹通风机监控装置的主机上机设计年限为25000～30000小时，传感器设计使用年限为15000～20000小时，但是考虑到现场的状况应定期维护和检查相关部件；

⏹风压传感器的进风口必须正对风向；定期检查传感器进风口，避免煤泥堵塞进风口；

⏹定期检查风压传感器的固定，确保固定良好