1、太原煤氣化公司東河煤礦主通風機在線監控系統應用研究報告二一一年十月十日1、概述通風機在線監測系統是依據國家標準工業通風機用標準化風道進行性能試驗GB/T1236-2000和煤炭行業標準煤礦用主要通風機現場性能參數測定方法MT 421-2004的要求，結合煤礦安全生產的實際情況而研制的新一代礦用主通風機在線監測系統。它利用高性能PLC構成前端數據采集和處理單元，以穩定、可靠、精確的方式將采集數據傳送給主控制計算機，主控制計算機對采集數據進行分析計算并顯示存儲，從而對通風機的運行狀態進行連續的在線監測，為通風機的安全、高效運行提供科學依據。 風機是礦井要害設備之一，風機的實時運行數據需要納入全礦井

2、自動化系統，傳統的設備無法與礦井自動化系統交換數據，只要依賴于計算機網絡技術，才可以將風機運行的實時信息數據傳送給礦調度室，并將其運行數據并入全礦井數據庫以供整體分析決策使用。所以，在線監測是實現全礦井自動化的必須設備。通風機微機監測系統是應用于大型通風機流量監測方法的裝置；系統以國家標準”通風機空氣動力性能試驗方法”和煤炭行業標準”煤礦用主要通風機現場性能參數測定方法”為依據，應用工業計算機檢測技術和獨特的專有研究成果對礦用大型通風機的運行狀態進行連續在線測量與處理，以多種方式提供通風機運行狀態的各種數據，保障通風機的安全運行和方便通風機的性能測試，并為多種功能擴充提供方便的條件。在線測量與

3、處理的風機運行參數包括：風量、負壓、靜壓、動壓、全壓、風速、瓦斯；風機振幅；電機電壓、電流、功率因數、軸功率、轉速、軸承溫度、定子繞組溫度、電能損耗、正反轉、效率等；電源配電柜母線電壓、電流；根據運行情況可實時輸出各種特性曲線。數據傳輸模式兼容滿足國際標準的多種數交換形式， FTP、局域網IE數據服務與廣域網IE數據服務功能，可與全礦井自動化系統實現靈活便捷的數據聯網，將風機的實時運行參數傳輸到礦總調度室，滿足自動管理的需求。通風機微機監測系統能夠在生產過程中隨時掌握通風設備的運行狀態，改變了傳統的設備管理方式，提高了通風設備的自動化管理水平，有力地保證了通風機設備的經濟、可靠運行，為設備的管

4、理和維修提供了可靠的科學依據，深受用戶歡迎。 本系統采用測控功能齊全，畫面、報表豐富多彩，方便現場操作人員使用和技術維護。煤礦風機在線監控系統是工業級煤礦風機自動監控系統。它實現了風機運行的實時監控、風機停運報警、風機遠程中心監控等功能。系統采用多種數據遠程傳輸模式，適合于各種煤礦通訊條件，為煤礦提供最及時、安全、可靠、便捷、經濟、易維護的安全監控手段，實現現場風機系統的無人值守在線監控。 2、基本參數：通風機為防爆對旋式軸流風機，數量兩臺，電壓AC660V,一臺工作，一臺備用。每臺電機為功率2X1320KW的異步電機，3、功能及特點：為了保證系統的可靠及穩定性，我們采用西門子公司S7-300

5、系列PLC，通過工業控制計算機進行設備的監測、監控，上位機采用雙機熱備的方式，當其中一臺出現問題時，另外一臺自動投入運行，工業控制計算機的配置為：CPU：P4 3.0GHZ，內存：1G，硬盤：320G，顯示器：22三星液晶高清晰度彩顯。31系統功能： 系統的主要功能有：實時監測通風系統參數、通風機的性能參數、電機的電氣參數、軸承溫度、電機振動、數據管理、報表管理、性能測試、遠程通訊等，詳述如下： 3.1.1、實時監測通風系統入口靜壓、入口溫度、風量。 3.1.2、實時監測通風機性能參數：流量、全/靜壓、效率。 3.1.3、實時監測風機配用電機的電氣參數：電流、電壓、功率。 3.1.4、實時監測

6、軸承溫度并在超限時報警。 3.1.5、實時監測定子溫度并在超限時報警。 3.1.6、實時監測電機振動。 3.1.7、數據實時顯示、存儲、查詢、打印。 3.1.8、報表自動生成、存儲、查詢、打印 3.1.9、兼容多種國際計算機通訊協議（DDE、OPC、FTP）。 3.1.10、局域網IE瀏覽功能 3.1.11、 Internet信息發布與存貯功能 32、 技術指標 3.2.1、工作電壓：220V±10% 3.2.2、環境溫度：1050 3.2.3、環境濕度：85% 3.2.4、變送器精度：0.5級 33、系統特點： 3.3.1、采用了先進的計算機技術，功能強大，智能化程度高；以圖形界面

7、顯示工作狀態，畫面豐富，直觀生動。 3.3.2、采用模塊化設計方案，系統抗干擾能力強，運行精度高，使用維護方便。 3.3.3、采用了先進的計算機技網絡技術，實現了全礦數據共享。 3.3.4、采用了多種抗干擾措施，因此系統的抗干擾能力強，可靠性高，監測準確。 3.3.5、 流量監測措施獨特、新穎，可靠性好、精度高。 3.3.6、選用了可靠性好、精度高的傳感（變送）器。 3.3.7、軟件設計安全性高。 3.3.8、操作簡單快捷、維護方便。 3.3.9、各功能模塊用高性能的PLC進行控制，功能強大、可擴充性好，系統抗干擾能力強，運行精度高，使用維護方便。 3.3.10、軟件以圖形界面的形式顯示工作狀

8、態，畫面豐富，直觀生動，操作簡單快捷、使用方便。 3.3.11、系統的輸入信號有：高低配電系統的參數及狀態；通風機的開停信號；電機的軸承溫度、電流等；風門信號、負壓信號、風速信號、瓦斯信號等，系統的輸出信號有：主電機的開停控制；風門控制。 3.3.12、系統實現以下功能：1、運行方式分為自動、手動檢修兩種控制方式，自動控制是按預先編制的程序進行集中控制；手動控制是當監控管理計算機和控制PLC全部癱瘓時，在主要保護由繼電器的完成情況下的緊急開車方式。檢修是系統自動檢測全控制過程，并可模擬起機，也可進行風機分功能進行調試或風機測試。2、每臺通風機配置一套變頻裝置。兩臺通風機可設一臺集中操作臺，可實

9、現主機的啟動、正常停止、緊急停止等控制。PLC自動運行故障時，不得影響通風機的手動運行。操作臺上兩套通風機的手動運行系統應相互獨立。3.3.13、系統起車及停車：當風機集中操作臺顯示允許合閘信號時，發出啟動聯絡信號，啟動主電機。主機停止有兩種方式：正常停止、緊急停止。正常停機：發出停機指令后，自動切斷主電機電源。緊急停機：在風機集中操作臺設緊急停止按鈕，發出停機指令后，立即切斷主電機電源。3.3.14、和其他系統通訊：采用可編程序控制器，對風機、風門等信號進行采集監測和控制。通過RS485通訊接口與風機參數測試儀、高低壓配電柜的智能電力監測儀、電力監控單元等連接。PLC配置以態網通訊模板。通過

10、Ethernet/IP協議，與礦井待建的工業以太環網無縫銜接，實現與礦井調度中心的上位監控計算機互通，監測、控制通風機，并支持遠程編程和遠程診斷。3.3.15、 系統與上級網絡互聯系統采用OPC協議通過一根網線與礦井綜合自動化以太網絡進行數據通訊，實現與全礦井整個工業以太網絡中的數據共享和交互（要有防病毒措施）。系統全部信息上傳，能在網上瀏覽查詢系統運行狀況實時數據、歷史數據圖表等；同時能接受上級以太網絡中授權終端（或某一監控系統）傳來的各種動作指令和保護調試指令并可靠執行，實現遠方操作、接受解鎖命令后能修改參數設定等。當上級以太網絡遙控失效（或與接口不連接）時，實現本系統安全運行及整定調試。

11、3.3.16、自動控制功能 由PC自動完成對通風機的起停控制及工況監測，并通過接口向上傳送數據。3.3.17、手動控制功能 根據實際需要也可以從自動控制方式切換到手動控制方式。此方式下操作人員可在PC站的觸摸屏上人工手動控制。或者通過控制臺的按鈕進行操作，當切換風機時，在PC站人工操作。3.3.18、遙控將工作方式切轉到遙控時，可在地面監控主機上控制系統中的各設備。此時各分站仍處于自動狀態，當保護信號動作時仍報警停機。3.3.19、就地手動控制工作方式打到就地位置時，可直接在開關柜上人工手動控制。此方式主要用于設備檢修時。3.3.20、組網功能該監控站通過以太網口直接掛接在全礦綜合自動化系統網

12、絡上。3.3.21、計量/時間/運行統計 圖形曲線顯示可實時顯示各設備運行圖。并提供開放式的圖形制作軟件，用戶可隨心所欲描繪各種動態圖形、靜態圖形，同時支持多種圖形格式（Bmp、Jpg、Gif、Icon、Avi等等），圖形畫面具有鏈接功能，可以很方便地切換其它畫面顯示。可顯示實時曲線，可顯示年、月、日各時間段的歷史曲線和具體數據表。3.3.22、實時報警/報警記錄可顯示現場單元當前的報警信息以及保存的報警記錄。4、 系統的組成本系統以工業控制計算機為核心，主要由信號測取裝置和傳感（變送）器、信號采集及轉換裝置、通訊裝置、供電裝置、顯示器等組成。如圖一所示。(圖一) 信號測取裝置和傳感（變送）器

13、主要包括取壓裝置、電壓及電流互感器、差壓變送器、溫度變送器、電量采集模塊等。 信號采集及轉換裝置主要包括濾波環節和電壓/電流變換。 通訊裝置主要包括10mbps/100mbps自適應網卡。 供電裝置主要包括直流穩壓電源。5、系統的工作原理 該系統以工業控制計算機為核心，配以各種外圍設備組成，在軟件的控制下，完成數據的采集、分析等工作，以圖表等多種形式顯示在顯示器上，并傳輸到指定地點。各部分的工作過程簡述如下。 5.1、電氣參數的監測 電氣參數指配套電機的電流、電壓、功率、功率因數等。選用精度高、可靠性好的電量采集模塊將來自電壓、電流互感器二次側的電壓、電流換成標準電信號，再送給計算機進行處理。

14、 5.2、氣體流量的監測 在該系統中，氣體流量的監測是依據氣體流經變截面構件時所形成的靜壓差計算獲得。如圖2所示，當流體流經變截面構件時有：式中Qv為風速，P2為靜壓，P1為全壓。當流量足夠大時式中系數k值為常數。K的大小可通過測量兩個不同截面的面積求得，并聯合通過實驗室模擬實驗和現場實驗校對。5.3、風機振動的監測選用優質的振動變送器監測風機的振動烈度，再交由計算機處理。5.4、信號采集與轉換由變送器輸出與各種被測信號成比例的電流量，低通濾波和電壓/電流變換后送到安裝在工業控制計算機內的數據采集模塊，在軟件的配合下完成將被測的模擬電壓/電流量轉換為數字量。5.5、系統的通訊監測結果可通過網卡

15、實現局域網內或Internet上的數據公享。5.6、系統的供電由開關電源為各種變送器、傳感器提供直流電源。6、氣體流量的監測6.1、氣體流量計算的基本原理：系統對流量監測的核心任務是監測氣體在流經風機時經過兩個截面積不同的斷面時所產生的負壓力值。變截面靜壓測點選取在風機連接風筒的圓形斷面處與一級風機的環形斷面處(內有隔流腔)。在連接風筒的圓形斷面處取靜壓P2，在一級風機的環形斷面處取全壓P1。系統工作流程如圖三所示。系統使用4只微差壓變送器，分別將兩臺風機的4個斷面處的負壓力轉換為420mA的電流信號，送到模擬量轉換模塊中進行A/D轉換。轉換后的數據_信號通過485總線方式交與計算機處理。計算

16、機通過采集模擬量模塊送來的電流數據，換算得到對應的靜/全壓值，進而通過運算得出氣體的流量值。6.2、負壓測點的布置根據煤礦用主要通風機現場性能參數測定方法MT 4211996，中華人民共和國煤炭工業部19961230批準，1測點布置在一級風機環形斷面測點分布見圖四a，測點布置在水平、垂直的兩條直徑與硐壁和芯筒外緣的交點a、b、c、d、e、f、g、h處；P2測點布置在連接風筒圓形斷面見圖1b，測點布置在水平、垂直的兩條直徑與硐壁的交點a、b、c、d處，見圖四b；6.3、系統負壓測點的結構與物理位置系統在工廠設計時是在風機內部的理論位置放置負壓引壓環，負壓引壓環是使用40mm的金屬管彎圓焊接制成，

17、并在理論位置上打孔，然后引通到相應位置的風機頂部，用以連接測量器件 ，工藝已標準化。系統的負壓P2與P1引壓環路在風機實體上的物理位置如圖五。在本系統中為描述方便分別稱為全壓P2與靜壓P1 （注：全壓的最終值并不是這里P1的測量結果）。6.4、微差壓變送器的基本技術指標與使用方法在系統中，負壓的測量采用LLD-EX防爆型微差壓變送器，其性能與技術指標如下：特 點、長期穩定性好、激光調阻溫度補償，使用溫域寬、防浪涌電壓和極性反相保護、抗干擾設計、靈敏度高，溫漂小主要技術參數、 輸出形式：420mADC、 供電電源：24VDC、準 確 度：±0.25、介質溫度：2085、環境溫度：106

18、0、 響應時間：30mS、負載能力：600、過載壓力：2倍、 過程連接：M20X1.5外螺紋外形及尺寸接線（圖七）系統所使用的4只微差壓變送器分別位于兩臺風機4個引壓環路的頂部，使用非導體管箍與引壓管路相連。這樣的設計其一避免了使用長距離管路將負壓引到室內的作法管路中冬季容易積水堵塞的現象；其二使用非導體管箍可使差壓變送器與風機機體作到電氣隔離，降低了電機工作時引入的電氣干擾，降低了測量誤差。在風機工作時，微差壓變送器接受到來自引壓環內的負壓，將此壓力信號轉換為420mA的電流信號，交與模擬量轉換模塊作A/D轉換及進一步處理。6.5、模擬量采集模塊系統的模擬量轉換采用西門子PLC專用的 模擬量

19、測量模塊。該模塊可廣泛應用于各種工業控制與測量系統中。它能測量壓力、溫度、電量等變送器輸出的420mA或010V信號。模塊外形圖輸入信號、 輸入：8路020mA電流及4路010V電壓。輸入信號為直流或交流（頻率 2575Hz）。、信號處理：16位A/D采樣；采樣速率: 3000次采樣/S。輸出真有效值。、 測量周期：每通道0.1秒，12通道循環測量。、過載能力：1.2倍量程可正確測量；過載 3倍量程輸入1s不損壞。、隔離：信號輸入與通訊接口輸出之間隔離，隔離電壓1000V DC。A/T、B/R、VCC、GND為輸出端，與GND端共地；12路信號輸入共地端為AGND端子。、電流通道：輸入阻抗 1

20、10。、電壓通道：輸入阻抗 > 100K。、測量精度：電流、電壓：0.2級 或更高。、工作環境：工作溫度：-20+70； 存儲溫度：-40+85； 相對濕度：5%95%不結露。、安裝方式：導軌卡裝 。7、氣體溫度的測量與JWB系列溫度變送器因為氣體的溫度是氣體流量計算中的一個參數，為了精確計算流量，系統中包含了對氣體溫度測量的項目。風機入口氣體溫度測量使用JWB系列一體化溫度變送器，JWB一體化溫度變送器是一種接觸式測量溫度的現場用儀表，與其相應的計算機采集測量系統配套使用，可準確測量風機入口處的氣體的溫度（使用范圍-200 1600）。JWB一體化溫度變送器是在裝配式溫度傳感器的防水或

21、隔爆接線盒內裝入放大變送模塊，與傳感器連接形成一體化，輸出標準420mA DC（兩線制）。本系列產品參照國家頒布的相關GB標準和JJG規程的相關內容，同時參照并符合IEC相關文件標準，并參考國外同類產品的優點進行優化設計，使整個產品更加可靠、精確，非常適合各種環境現場的溫度測量。JWB系列溫度變送器處形圖JWB系列溫度變送器技術參數、 輸出：二線制420mA DC、 供電： 24V DC （12V 36V DC）、精度： A級0.2% B級0.5%、負載： 650（24V DC）、輸出保護：最大23mA、量程：-50100、基本結構、基本結構：傳感器+ （連接裝置+接線盒+保護管）+ 變送模塊

22、由于變送模塊的工作溫度為-20 75，ARJC通過適當選擇變送器的冷端長度使溫場到接線盒之間的傳導和輻射溫度降低，保護變送模塊正常工作。依據實際需求，選擇50mm的冷端長度。、溫度變送器的安裝系統氣體溫度變送器安裝在風機的連接風筒頂端靠近蝶閥處，插入部分以不影響蝶閥的開啟為宜。在風機生產制造的過程中已標準化了該項工作，保證了系統完美的物理結構。、入口氣體溫度的信號處理風機工作的時候，礦井中抽出的氣體溫度直接作用于溫度變送器后使溫度變送器輸出的420mA的電流信號，送到模擬量采集模塊。計算機捕獲到這個信號后可監測到當前氣體的溫度，得到計算風量時所需要的氣溫參數。詳細內容見氣體流量的監測一節相關內

23、容。8、 負壓的采集與氣體流量的計算、風機工作的時候，由引壓環路中的負壓作用于差壓變送器后使差壓變送器輸出的420mA的電流信號，其中靜壓送至模擬量轉換模塊的0通道、全壓送至1通道，氣溫變送器輸出的電流信號送到2通道。這三個信號經PLC作A/D處理后。使用計算機的com1串口與CPU通訊。、對原始信號的處理：系統使用西門子的上位機軟件WINCC編程，對所有采集到的信號進行換算與處理。計算所得到的結果將在屏幕上顯示及作其它更多處理，見后文在系統的實際應用中，為達到系統具有雙機雙備要求的目的，系統共使用兩塊模擬量，每塊模塊有8個電流采集通道，服務于一臺風機，兼顧振動信號的采集任務。其通道與地址的分

24、配如下：通道分配表0 通道 1 通道 2 通道 3 通道 4 通道 5 通道 6 通道 7 通道地址9 JY10 QY10 QW10 ZD11X ZD11Y ZD12X ZD12Y 保留地址10 JY20 QY20 QW20 ZD21X ZD21Y ZD22X ZD22Y 保留表說明：JY表示靜壓，QY表示全壓，ZD表示振動。后面的序號依次是風機編號、風機級數編號、方向。例ZD21Y表示2號風機1 級風機垂直振動。9、 電機的軸承溫度、繞組溫度的測量9.1、電機繞組溫度、軸承溫度的感知元件為在電機出廠時預埋的PT100鉑熱電阻，并以三線制的方式引出風機機體處接線盒內，具體位置下圖所示。9.2、

25、每臺電機共有兩個軸承溫度測點與三個定子繞組溫度測點，每個測點均預埋有兩支PT100鉑熱電阻，其中一支為備用。兩臺風機共4臺電機共有二十個測點，分別使用4塊6路溫度測量模塊EDA9018與之連接，采集電機工作時的工作溫度。9.3、 PT100電阻介紹、概述：鉑熱電阻根據使用場合的不同與使用溫度的不同，按照繞制的骨加來區分，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作為測溫元件，它具有良好的輸出性能，可作為顯示儀、記錄儀、調節儀以及其它”電腦”之類儀表提供精確的輸入值。若配接一體化溫度變送器，可輸出420mA和010V等標準電流和電壓信號，使用更為方便。、結構和原理裝配式熱電阻是由感溫元件、不銹鋼保護管、接線盒以

26、及各種用途的固定裝置組成。鎧裝式鉑熱電阻比裝配式鉑熱電阻直徑小、易彎曲、適宜安裝在裝配式無法安裝的場合，它的外保護管采用不銹鋼，內充滿高密度氧化物質絕緣體因此它具有很強的抗污染和優良的機械強度，能在環境較為惡劣的場合使用。隔爆式鉑熱電阻通常用于生產現場伴有各種易燃、易爆等化學氣體、蒸氣的場合，如使用普通鉑熱電阻極易引起環境氣體爆炸，因此在這種場合必須使用隔爆式的鉑熱電阻，隔爆鉑熱電阻，能適用在dBT16以及dCT16溫度組別區間內具有爆炸性氣體危險場所內。鉑電阻是一種溫度傳感器，其工作原理：在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨之變化而變化，且電阻與溫度的關系即分度特性完全和IEC標準等同，因此P

27、T100主要用來測量-200+600的溫度。、主要技術指標：鉑熱電阻在0時的電阻值稱R（0）和100時的電阻值稱R（100）以及R（100）/R（0）叫作比值W100。Pt100其含義為（0）時的名義電阻值為100，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。國際標準規定的PT100測量精度允許偏差如下：A級R（0）=100 ±0.06 ±(0.15+0.002t) B級R（0）=100 ±0.12 ±(0.30+0.005t) 比值W100=1.3850 A級±0.0000006 B級0.00012上式中”t”為實際溫度的絕對值9.4、溫度采集模塊、溫度

28、采集模塊可測量：8路三線制PT100(PT500，PT1000等)輸入；模塊可廣泛應用于各種工業控制與測量系統中。它能測量PT100，PT500，PT1000。控制模塊掛在同一導軌上，便于CPU采集信號及計算機編程。、功能與技術指標1、溫度信號輸入： 8路獨立的溫度電壓信號輸入；對輸入信號順序進行放大與AD轉換；2、 信號處理：16位A/D采樣；3、測量周期：每通道0.15秒，數字濾波，8通道循環測量。4、 隔離：信號輸入與通訊接口輸出之間隔離，隔離電壓1000V DC。SLT、DATA+、DATA-、VCC、GND為輸出端，與GND端共地；8路測量信號輸入共地端為AGND端子。5、 測量精度

29、： 0.5級，溫度分辨率0.1。6、 量程：-50300。7、工作環境：工作溫度：-2070； 相對濕度：-5%95%不結露。9.5、溫度采集工作原理對電機繞組及軸承溫度的測量使用電機中預埋的PT100熱電阻與溫度采集模塊配合實現。由于風機距離控制柜較遠（一般為40m左右），所以采用三線制接法。其中IX-端為補償端，在PT100的電阻引出腳處短接，用以低消線路電阻引起的測量誤差。PT100的三條引線分別接于模塊的信號輸入正端、信號輸入負端、模擬地端。電機溫度的變化將引起PT100阻值的變化，模塊將測量到的PT100的阻值變化信號在內部經過處理，輸出當前PT100所處位置的實際值，通過CPU處理

30、后傳輸至計算機。計算機將獲取的數據處理并顯示出來。通道分配表0 通道 1 通道 2 通道 3 通道 4 通道地址5 WZ111 WZ112 WD111 WD112 WD113地址6 WZ121 WZ122 WD121 WD122 WD123地址7 WZ211 WZ212 WD211 WD212 WD213地址8 WZ221 WZ222 WD221 WD222 WD223表說明：WZ表示軸溫，WD表示繞組溫度，后面和序號依次是風機編號、風機級數編號、項目序號。例：WZ121的含義為：1號風機三級電機軸承1溫度。10、電氣參數的測量對風機電參數的測量內容包括電機運行時的供電電壓、運行電流、有功功率

31、三個主要參數。根據用戶要求可擴充顯示頻率、功率因數、無功功率等。系統的電參數采集模塊采用互感器變送輸出到采集模塊，變送器及測量這些變送器標準輸出信號的模入模塊，可大大降低系統成本， 方便現場布線，提高系統的可靠性。且便于計算機編程，使你輕松地構建自己的測控系統。采用電磁隔離和光電隔離技術，電壓輸入、電流輸入及輸出三方完全隔離。10.1、系統電參數的采集在系統中，工作時所要采集的電壓、電流信號直接來自風機配電屏上的電壓與電流互感器。由于每套風機共有4臺電機，每塊模塊擔負1臺電機的電參數采集任務，10.2、來自風機配電屏的電壓電流信號經測量后送到CPU，經轉換后與計算機連接。工作中由計算機發出讀指令，相應地址的模塊便將所采集到的原始數據送與計算機。計算機在獲得原始數據后，根據相應的電壓、電流變比，計算得到真實的電壓、電流與有功功率值并顯示出來。11