煤礦通風機監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計

1、煤礦通風機監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計張艷麗摘要：本文以煤礦的實際生產(chǎn)情況為基礎，針對煤礦通風機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)存的問題，首先通過對通風機結(jié)構(gòu)和故障形式的分析，確定了監(jiān)控系統(tǒng)的待測參數(shù)以及參數(shù)的測量方法，其次介紹了傳感器的選型及布局優(yōu)化、可編程控制器的工作原理及選型，最后設計了以組態(tài)王6.55軟件為平臺的通風機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對礦井通風機風速、風量、風壓、振動等運行參數(shù)的實時監(jiān)測和異常數(shù)據(jù)的記錄、報警等功能，并以SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫軟件為后臺數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)的存儲技術(shù)、備份以及還原方法進行了研究。關鍵詞：通風機； 組態(tài)王； SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫；監(jiān)控系統(tǒng)AbstractThis

2、paper is based on the actual situation of the coal mine production and aims at the existing problems. First of all, through the analysis of the fan structure and fault form, this paper determines the measuring parameters and measurement methods of the monitoring and control system. Secondly, th

3、is paper introduces the sensor selection, layout optimization and working principle of the programmable controller. Finally, the monitoring and control system for coal mine ventilator has been designed by kingview 6.55, which realized real time monitoring on operation parameters such as ventilator v

4、ibration, motor temperature and so on. Besides, it also realized abnormal data recording and alarming and other functions. The stored fault data can be studied in the background database that is SQL Server 2008 database software. 1 礦井通風機的概述1.1 通風機的分類風機是一種能將機械能傳遞給氣體，以達到壓送或者抽吸氣體目的的機械。通風機是風機的一種，根據(jù)通風機在應

5、用范圍、工作原理、功能范圍等方面的差異，可將通風機分為如下幾種： (1)根據(jù)其應用范圍和功能范圍的不同來分，分為主要通風機、輔助通風機、局部通風機三種。 (2)根據(jù)其工作原理不同來分，有離心式通風機、軸流式通風機。兩者分別應用在不同場合下，離心式通風機多用在需要風量較小，系統(tǒng)外界阻力比較大的情況下；而在需要風量較大、系統(tǒng)阻力比較小的情況下，多采用軸流式通風機。(3)根據(jù)壓力大小來分，分為低、中、高壓通風機三種。低壓通風機一般用于送、排風系統(tǒng)或空調(diào)系統(tǒng)；中壓通風機多用在除塵系統(tǒng)以及大阻力、長管路的通風系統(tǒng)中；高壓通風機多用在鍛造爐和加熱爐的鼓風、物料的氣力輸送系統(tǒng)或阻力比較大的除塵系統(tǒng)中。 1.

6、2 通風機的原理及應用特點(1)離心式通風機的原理及特點離心式通風機主要由葉輪、蝸殼體、主軸和擴散器等部件構(gòu)成。軸向空氣順著流道進入葉輪的葉片之間，在葉片的旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，空氣從葉根部流經(jīng)葉端部，直至擴散到整個機殼，然后通過擴散器，沿徑向排出Error! Reference source not found.。離心式通風機的空氣流動方向是：軸向流入通風機內(nèi)，徑向流出通風機。它的主要特點是風的壓力高，噪聲低，成本低，易于維修，但是體積比較大。(2)軸流式通風機軸流式通風機主要由進風口、葉輪、整流罩、集流器等部件組成。外界空氣順著軸向流入通風機的葉輪，經(jīng)過風機葉片，獲得向前的動力，通過擴散器排

7、出Error! Reference source not found.。（軸向進入，軸向流出），軸流式通風機主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊，便于調(diào)節(jié)風量、風壓。但構(gòu)造復雜，較難維護。(3)對旋式通風機對旋式通風機是一種特殊的軸流式通風機，與一般的軸流式通風機比起來，它的工作效率高，功能性強，風壓、風量較大，噪音低，易于安裝、維修。通風機運行時，一級、二級工作輪的驅(qū)動力來自于兩臺電動機，這兩臺電動機的容量和轉(zhuǎn)速相等，旋轉(zhuǎn)方向相反，空氣經(jīng)集流器流入一級工作輪，獲得能量，再通過第二個工作輪加壓流出。經(jīng)一級工作輪流出的空氣存在一個旋轉(zhuǎn)速度，通過反向旋轉(zhuǎn)的二級工作輪消除掉，最后沿軸向流出。圖1-1 BDK65系列對

8、旋式主要通風機裝置圖Fig.1-1Counter rotating main ventilator of BDK65 series1-集風器 2-導流體 3-進風筒 4-隔爆電機 5-輪轂 6-穩(wěn)流環(huán) 7-保護環(huán) 8-通風機葉片 9-密封罩 10-排風筒 11-通氣道 12-內(nèi)擴散器 13-外擴散器14-軌道2通風機監(jiān)控系統(tǒng)的理論基礎2.1 礦井通風機主要運行參數(shù)的確定能夠反映通風機工作性能的基本參數(shù)有4個，即通風機的流量q、壓力p、功率P、效率和轉(zhuǎn)速n 。(1)通風機流量流量q表示單位時間流過通風機入口的體積，它的單位用m³/s、m³/min、m³/h

9、來表示。(2)通風機壓力通風機的壓力分為靜壓ps、動壓pd、全壓pt三種。來自于氣體對物體表面的作用力稱為靜壓，并且這個作用力的方向與氣流方向相平行，一般是通過垂直于物體表面的孔測量出來的。動壓的計算公式如式（1-1）所示： （1-1）式中, pd動壓（Pa）； 氣體的密度（kg/m³）； 氣體的速度（m/s）。 全壓就是通風機所給出的全壓增量，也就是風機進、出口全壓之差。 全壓等于動壓和靜壓的代數(shù)和，即： （1-2）(3)通風機的功率P通風機的功率分為兩種，分別為有效功率和軸功率。通風機在單位時間內(nèi)提供給它所輸送氣體的有效能量，稱為通風機的有效功率。有效功率還分為全壓有效功率Pe(

10、kw)和靜壓有效功率Pes(kw)，它們的計算公式如（1-3）、（1-4）所示： （1-3） （1-4）式中,Pe全壓有效功率；Pes靜壓有效功率；pt風機全壓；ps風機靜壓； q風機流量。(4)通風機的效率通風機的效率分為全壓效率、靜壓效率。全壓效率是風機全壓有效功率與軸功率的比值，靜壓效率是風機靜壓有效功率與軸功率的比值。公式如（1-5）、（1-6）所示： （1-5） （1-6）式中,t全壓效率；s靜壓效率；P軸功率。機械效率體現(xiàn)著通風機軸承以及傳動過程損失的程度，它也是設計機械傳動系統(tǒng)的一個重要指標。此外，通風機的內(nèi)部阻力越小，效率越高。效率的高低還反映著通風機性能的好壞，效率越高，性能

11、越好。 (5)通風機轉(zhuǎn)速n通風機的轉(zhuǎn)速是指通風機葉片一分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)，習慣上常用n表示，單位是r/min。2.2 礦井通風機主要性能參數(shù)的測定(1)通風機風速、風量的測量目前，常用于測量風速和風量方法是傳感器法和靜壓差法。選擇風速傳感器對風速進行測量時，測風點盡量選擇在風流平穩(wěn)、靠近通風機進、出風口的地方，以便減小因風量漏損、外界阻力造成的通風機性能參數(shù)測量的誤差。進風口若無適合的測點可選取，也可以選取在通風機擴散器出口處。將風速傳感器的感受元件固定在風硐上的某一點，測得這一點的風速。由于風速傳感器的價格昂貴，并且測量現(xiàn)場濕度較大，傳感器易受潮，影響測量，所以本文選擇靜壓差法。靜壓差法就是通

12、過測量通風機入口處集流器兩側(cè)截面的靜壓差，再由靜壓差和風量之間的關系，測得風量的大小。依據(jù)流體力學中的原理，任何流體在經(jīng)過變徑管道時，受流速變化和阻力的影響，流體的能量就會發(fā)生轉(zhuǎn)變，例如噪聲就是能量轉(zhuǎn)化的一種形，并且能量轉(zhuǎn)化與流體的流量以及變徑管的大小尺寸有關。當流體從大的截面流向小的截面，靜壓能由小變大，動壓能由大變小?？梢园淹L機內(nèi)的流動的氣體當成不可壓縮的黏性流體，它就滿足不可壓縮黏性流體總流伯努利方程。以此原理為基礎，將差壓傳感器的輸入端連接至通風機整流環(huán)外殼兩端的靜壓管口，測得通風機的風速及風量，如圖2-4 所示。 圖1-2通風機靜壓差法測風示意圖Fig.1-2Measure air

13、 flow with static pressure difference method由于兩個選取截面間的距離較小，阻力損失也就減少，依據(jù)流體力學中原理，寫出兩個斷面S1和 S2斷面上的伯努利方程： （1-7）式中，P1、P2截面S1、 S2處的靜壓；1、2截面S1、 S2處的密度；h1、h2截面S1、 S2處的標高；1、2截面S1、 S2處的速度；hr截面S2處的局部阻力損失。因為兩截面距離比較近，而且又在同樣的標高水平上，則有：，令，并且，代入公式（1-7） 中得， （1-8）式中，hi兩個截面靜壓差，Pa；Q通風機風量，m³/s；S1、S2兩截面面積，m2；空氣密度，Kg/m

14、3；阻力損失系數(shù)，取0.98。(2)通風機全壓的測量 通風機全壓的測量選擇畢托管與壓力傳感器相結(jié)合的方式，首先要在通風機入風口處確定合理的測壓截面，然后在此截面上固定支架，測量全壓的點數(shù)取決于所選定的測壓截面的大小，一般情況下取9到16個點，全壓測孔正面迎風，還要保證測孔中心線與風流方向平行，如圖1-3 所示。通過軟管將皮托管標有“+”的一端與壓力傳感器輸入端相連接，測量通風機入口處各測點的全壓，然后求取平均值。圖1-3全壓測點分布Fig1-3 Total pressure measuring point distribution(3)通風機靜壓的測量通風機的靜壓測量時，測壓截面可以選在通風機

15、進、出風口處，不同的測壓截面有不能的測孔分布方式。若測壓截面為圓形，風硐壁一般比較薄，四個靜壓測孔應均勻分布在截面圓周上；若測壓截面為矩形，測壓孔選在矩形截面每個壁的中心位置上，如圖1-4 所示，將每個靜壓孔的一端與靜壓管相連，再將靜壓管的另一端全部連接在一起，再連接到靜壓傳感器的輸入端。圖1-4 靜壓測點分布Fig1-4Static pressure measuring point distribution(4)功率的測量通過公式（1-9），可以求得通風機的軸功率： （1-9）式中，Pa風機軸功率；tr機械傳動效率；m電動機效率；Pe電動機輸入功率。電動機的兩種功率由功率變送器直接測得，但是

16、高壓電路一般不能直接接入功率變送器，所以可以把高壓電路先接入電壓、電流互感器后再接入功率變送器，這樣就彌補了功率變送器對高電壓、高電流的限制。電動機的功率因數(shù)可由公式（2-10）求得： （1-10）式中，cos功率因數(shù)；P有功功率；Q無功功率；S視在功率。(5)溫度的測量軸承溫度異常可能預示著通風機的運行存在安全隱患，所以對風機和電機的軸承溫度的實時監(jiān)測顯得十分必要。引起軸承溫度過高的原因很多，例如潤滑效果不佳、軸承裝配問題、密封毛氈太緊、軸承本身存在質(zhì)量問題或者是軸承冷卻水供應不足、不及時等。軸承在過高溫度下運轉(zhuǎn)，容易導致軸承跑內(nèi)外圈、軸承損壞，這樣就會引起通風機異常振動，或者出現(xiàn)通風機抱軸

17、的現(xiàn)象。此外，由于電動機定、轉(zhuǎn)子繞組表面的絕緣材料存在一定的極限值，所以有必要對電機三相繞組的溫度進行實時監(jiān)測。(6)風機振動的測量振動故障是煤礦通風機常見故障之一，引發(fā)機械振動故障的原因有多種，其中包括間隙、旋轉(zhuǎn)部件失衡、支撐不穩(wěn)定等。轉(zhuǎn)子是通風機旋轉(zhuǎn)的核心部分，很多機械故障都與它有關系，轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子失衡、摩擦等都可能引發(fā)通風機的振動故障，這種振動信號一般會傳遞到軸承座上。結(jié)合現(xiàn)場測量條件，通風機監(jiān)控系統(tǒng)中風機振動的測量主要通過測量風機機體的振動來實現(xiàn)，測量分為水平和垂直振動測量，分別通過兩個位移傳感器測得，如圖 1-5所示。圖1-5 通風機振動信號的測量Fig1-5The ventil

18、ator vibration signal measurement3 通風機的常見故障分析3.1 轉(zhuǎn)子不平衡故障在工業(yè)生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)子不平衡是引起旋轉(zhuǎn)機械振動的主要原因之一，而導致轉(zhuǎn)子不平衡的因素較多，比較常見的有如下幾種：生產(chǎn)過程中的誤差引起的轉(zhuǎn)子本身材質(zhì)不均勻；在轉(zhuǎn)子工作過程中產(chǎn)生變形和磨損；在轉(zhuǎn)子安裝過程中存在誤差，由于軸頸不同導致偏心。這些原因都造成了轉(zhuǎn)子與其旋轉(zhuǎn)中心失衡，從而引發(fā)通風機的振動故障Error! Reference source not found.。3.2 轉(zhuǎn)子不對中故障轉(zhuǎn)子不對中會在設備的運行過程中產(chǎn)生不良影響，例如軸承的劇烈磨損、聯(lián)軸器的偏轉(zhuǎn)、油膜不平衡等，這些都會造成

19、通風機的振動故障。造成風機轉(zhuǎn)子不對中的原因很多，包括：在轉(zhuǎn)子安裝過程中，各種原因引發(fā)的軸系不對中；設備安裝后不久，設備的基礎部分出現(xiàn)的下沉現(xiàn)象引發(fā)的轉(zhuǎn)子不對中；在安裝過程中，轉(zhuǎn)子與軸承不對中；設備運轉(zhuǎn)時間較長或者長時間處于高溫作業(yè)環(huán)境之中，設備的各部件就因膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生不同程度的膨脹，從而引發(fā)轉(zhuǎn)子的不對中Error! Reference source not found.。轉(zhuǎn)子不對中的類型大體上可分為兩種：平行不對中和角度不對中，如圖 1-6 所示。圖1-6 轉(zhuǎn)子不對中常見情況Fig.1-6 These common cases in the rotor3.3 轉(zhuǎn)子彎曲故

20、障轉(zhuǎn)子的彎曲類型有弓形彎曲和臨時彎曲兩種，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子弓形彎曲的原因包括：轉(zhuǎn)軸的設計不符合要求；轉(zhuǎn)子存在較大的生產(chǎn)誤差和制造誤差；轉(zhuǎn)子在長時間不用時，放置不合理；轉(zhuǎn)子長時間運轉(zhuǎn)時，出現(xiàn)自然的彎曲變形。轉(zhuǎn)子臨時性彎曲產(chǎn)生的原因可能是啟動時暖機時間不足、轉(zhuǎn)子的預加載荷過大、加速太快、轉(zhuǎn)軸的熱變形不均勻等Error! Reference source not found.。3.4 油膜渦動、振蕩故障滑動軸承在一定負載下工作，低速運轉(zhuǎn)時，軸頸能夠在受到外界干擾后恢復平衡，但是當轉(zhuǎn)速達到一定的水平，軸頸就不能從干擾中恢復平衡，而是產(chǎn)生渦動或者振動故障，從而導致軸承不能夠平穩(wěn)運行Error! Referenc

21、e source not found.。由于油膜渦動所引起的振幅不大，但是會產(chǎn)生動力載荷，易使零部件松動、失效。油膜震蕩引起的振幅突然增大，會產(chǎn)生較大振動，極易導致軸承和轉(zhuǎn)子的損壞，從而導致通風機不能正常運行。4 礦井通風機監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計方案通過不同類型的傳感器對通風機的各個參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，然后將這些數(shù)據(jù)信號傳至PLC測控系統(tǒng)，再經(jīng)過可編程控制器的數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換模塊，最后將這些輸出信號寫入組態(tài)王軟件，以組態(tài)王軟件為平臺建立通風機的監(jiān)控界面，實時監(jiān)測通風機的運行狀態(tài)Error! Reference source not found.。此外，該系統(tǒng)還具備自動報警，歷史數(shù)據(jù)查詢、報表生成、

22、局域網(wǎng)內(nèi)資源共享等功能，系統(tǒng)的總體設計圖如圖1-7 所示。圖1-7 通風機監(jiān)控系統(tǒng)總體設計圖Fig.1-7The overall design of ventilator monitoring system軟件系統(tǒng)的主要功能模塊如下Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.： 用戶登錄模塊：進入系統(tǒng)之前，要經(jīng)過登錄密碼驗證，不同的用戶有不同的權(quán)限，不同的用戶設置不同的安全區(qū)，這是系統(tǒng)安全的重要保障。故障報警模塊：運行參數(shù)出現(xiàn)異常時，自動產(chǎn)生報警，記錄報警的時間以及類型等。報表模塊：報表是記錄并分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)的一種重要形式，本系統(tǒng)設計的是一分鐘報表，一秒鐘記錄一條數(shù)據(jù)，自動更新。畫面監(jiān)測模塊：以動畫的形式模擬現(xiàn)場通風機的工作狀態(tài)，此畫面能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡共享，在局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺計算機上能觀看到監(jiān)測界面。數(shù)據(jù)庫管理模塊：將歷史數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中定時備份，防止數(shù)據(jù)丟失。一旦丟失，還可以進行備份還原，找回丟失的數(shù)據(jù)。趨勢曲線模塊：將數(shù)據(jù)信號以曲線