通風子系統
一.1 主通風機在線監控系統
一.1.1 系統現狀
通風子系統包含主通風機在線監控系統和井下局部通風機在線監控系統。兩個系統均為本次新建控制系統，系統采用西門子PLC作為控制核心，并配備RJ45通訊接口。
根據現場的環境和實際硬件配置條件，經過分析，可以構建自動控制系統，實現無人值守。
一.1.2 系統概述
礦井通風機在線監控系統是風機的必要配套設備，它對主通風機的運行狀態進行實時監測，并對其運行中出現的各種情況做出迅速合理的處理，為煤礦礦井安全生產、經濟合理通風和火災救災通風提供信息依據和有力措施保障。
本方案設計的主通風機在線監控系統能夠提供豐富的數據、圖形、信息，讓用戶迅速了解風機當前的運行狀態，當風機運行狀態異常或帶病運行時，系統給出可靠的報警信號以及相應的邏輯控制；為操作人員提供技術參考，有力保障礦井安全，成倍提高煤礦的生產效率。
一.1.3 系統監控對象
風機在線系統主要監控的對象為：通風機、驅動風機的電機、電機的驅動裝置（需要預留PLC通訊接口）、風機風門、通風機的配電設備以及配套管路等的狀態及參數。
一.1.4 系統組成
風機在線監控系統整體設計為三層架構：信息層（后臺與觸摸屏），控制層（PLC），設備層（現場傳感器、智能監控儀表、綜合保護裝置等）。系統拓撲結構如圖所示。
通風機在線監控系統拓撲結構
控制后臺
在控制箱上配置觸摸屏，就地顯示與控制風機的運行狀態及參數。觸摸屏為10寸顯示屏，TPC 1062KS觸摸屏支持包括中文在內的32種語言組態，適用于多種安裝環境。屏體鑲嵌于控制機柜前端，安裝觸摸屏之前，需要根據屏體大小預留窗口。
控制機柜
系統配置西門子S7-300系列PLC作為控制核心，通過配置開關量輸入模塊完成對現場開關量信號的采集；配置開關量輸出模塊完成控制器對風機的邏輯控制，通過配置模擬量輸入模塊對現場模擬量傳感器的值進行采集，通過配置profibus/RS485通訊模塊，實現與現場智能綜合保護裝置、智能電量采集模塊、電機驅動單元等的通訊。
控制機柜設計尺寸為800x600x2000mm，柜內布局如圖所示。
控制柜外部正視圖
控制柜內部正視圖
一.1.5 傳感設備
負壓傳感器
負壓傳感器用于檢測主扇風機風筒內氣體壓力，選用DPT系列壓力變送器，芬蘭HK儀表單位的DPT系列微差壓變送器體積小巧，性能非常穩定，可跳線對量程進行選擇。
主要技術參數：
1. 4～20毫安，負載500歐姆；
2. 電氣連接：4個螺絲終端，1.5平方毫米；
3. 線纜入口：M 16；
4. 供電電壓：24VDC；
5. 操作溫度：-10+50℃；
6. 存儲溫度：-20+70℃；
7. 外界濕度：0到95%RH。
差壓傳感器
差壓傳感器和取壓裝置配合使用，用于檢測主扇風機風筒內氣體壓力，以便計算風筒風量，差壓傳感器選用DPT系列壓力變送器，芬蘭HK儀表單位的DPT系列微差壓變送器體積小巧，性能非常穩定，可跳線對量程進行選擇。
主要技術參數：
a) 4～20毫安，負載500歐姆；
b) 電氣連接：4個螺絲終端，1.5平方毫米；
c) 線纜入口：M 16；
d) 供電電壓：24VDC；
e) 操作溫度：-10+50℃；
f) 存儲溫度：-20+70℃；
g) 外界濕度：0到95%RH。
風速傳感器
GFW15煤礦用風量傳感器是采用超聲波測量原理。主要用于連續監測礦井通風總回風巷、井下主要測風站、扇風機等處的風速，是礦井通風安全參數測量的重要儀表。具有紅外遙控調校功能和調校簡單的特點。
主要技術指標
1) 測量范圍：0.3-15m/s
2) 測量誤差：小于±0.3m/s
3) 響應時間：小于40s
4) 顯示：三位LED就地顯示
5) 輸出信號： 4-20mA
6) 工作電壓：本安DC9V-21V
7) 工作電流：≤70mA
8) 信號傳輸距離：≤2km
震動監測儀及輔件
震動監測儀用于檢測風機風筒的軸向震動和徑向震動幅度，選擇江陰中泰科技單位生產的ZT6305型振動烈度監控儀和配套速度傳感器選擇CD-6型。
主要技術參數：
1. 靈敏度：20mV/mm/s±5%；
2. 頻響：10～1000Hz；輸入阻抗：>100KΩ；
3. 測量范圍：0～50.0mm/s(真有效值)；
4. 測量精度：線性誤差≤±1%(滿度值)；
5. 顯示方式：3位數碼管顯示；
6. 電流輸出：4～20mA輸出負載：≤500Ω；
7. 報警接點容量：DC28V3A；
8. 工作環境：溫度：0～65℃相對濕度：≤85%；
9. 工作電源：交流220VAC±10%50Hz功耗≤20W；
10. 安裝方式：盤式；
11. 整機尺寸：160(寬)×80(高)×300(深)mm；
12. 開孔尺寸：151(寬)×75(高)mm。
主要功能：
1. 顯示功能：振動測量值、Ⅰ值報警、Ⅱ值報警設定值，可分別在LED數碼管上顯示；
2. 報警功能：當振動幅度超過報警設定值時，報警指示燈亮，同時在后面輸出開關信號，保護被監控設備；
3. 報警延時時間設定功能：報警延時時間調整范圍0～3秒，以防止現場干擾引起誤報警；
4. 自診斷功能：具備上電、掉電檢測功能，同時斷開報警輸出回路，能有效地抑制儀表的誤報警。
一.1.6 系統原理
1．采用壓力法測定風量原理，在1號和2號通風機的進風巷或擴散器上安裝有取壓管，通過差壓變送器測定擴散筒變異截面壓力差，計算風量；
在礦井風硐中裝有靜壓取壓管，利用壓力變送器可以連續監測礦井總負壓；
3．在1號和2號通風機軸承上和電動機定子繞組上應該預埋有溫度檢測元件，通過安裝在PLC柜中的熱電阻輸入模塊采集溫度信號，當任一個溫度超過設定的溫度報警值時，能夠進行聲光報警；
4．利用設備開停傳感器監測礦井1號和2號通風機的開停狀態；
5．通過監測礦井總負壓的變化，利用計算機軟件可以判斷礦井反風、或電動機反轉狀態；
6．由安裝在通風機軸承上的振動速度傳感器測定振幅，由振動烈度監測儀器轉換為振動速度，并以標準電信號輸出給PLC。
一.1.7 測量方法
對現場模擬量以及數字量的測量的精確度影響到整個系統運行狀況，因此選擇正確的測量方法至關重要，以下簡要的介紹系統中幾個參數的測量方法：
1．靜壓測量
對于抽出式通風礦井的總負壓的測量就是測定其通風機風峒內平均靜壓。測量風峒某點的平均靜壓值，可使用皮托管和各種靜壓感受管。靜壓測量要注意兩個問題：
由于靜壓為風流作用于管壁上的法向壓力值，故測量靜壓值的關鍵在于選擇一個合適的測壓斷面，保證所安裝的測壓管的感受孔中心線和氣流方向垂直。
靜壓取壓管可以用靜壓取壓管，也可以用壁孔方式。
靜壓測量用差壓變送器測量，通風機房現有一套測量礦井負壓的水柱壓力計，如果取壓管安裝滿足使用要求，可以利用原來的引壓管，連接方法見下圖所示。用引壓橡膠管連接置于風硐的靜壓取壓裝置，通過一個三通分為兩路，其中一路連接到通風機房的水柱計上，另一路經過過濾器連接到靜壓變送器的低壓端(L)上，變送器高端(H)通向大氣，變送器輸出4～20mA電信號對應風峒中的相對靜壓值。
靜壓測量連接方法
2．差壓測量及通風機排風量測量
軸流式通風機的風量測定選用落差法。通過測定逐漸收縮風道兩近距離異徑斷面的靜壓差求算風量，在流體力學中稱為落差法。
在通風機錐形擴散器的斷面1(大)和斷面2(小)上分別開若干個靜壓孔(視斷面大小而定)見下圖所示。用金屬管或橡膠管將全部靜壓管并聯起來并用橡膠管引至壓差傳感器上，根據伯努利方程和連續方程可以得到小斷面上的平均風速V2的計算公式如下：
式中：
A1、A2：1、2斷面的面積，m2；
P1、P2：1、2斷面的靜壓，Pa。
ξ兩斷面上的壓力損失系數，由實驗確定(可忽略)。
輸入2--2斷面(小斷面)面積，即可計算出主通風機的排風量。
風機錐形擴散器取壓孔
采用落差法的取壓裝置示意圖見下圖所示。由于落差法是測定兩個截面的靜壓差只需要靜壓測頭，靜壓測頭的取壓孔軸線應與風流方向垂直，應避免筒壁面不規整而形成的渦流區影響氣流穩定。在A、B二個斷面上的三個靜壓取壓管均呈120度安裝。分別通過三通連接到引壓管上，二根引壓管分別連接在差壓變送器的兩個取壓口上，其中，A斷面引壓管連接在高端。
落差法的取壓裝置圖
3．溫度監測
通風機出廠時，一般都會在軸承與電機繞組上預埋入測溫元件—PT100，將溫度傳感器的輸出信號連接到PLC熱電阻輸入模塊即可以測量得到主通風機電機軸承與繞組的溫度。
4．風機運行狀態監測
運行狀態監測包括主通風機設備開停監測、反風狀態監測、風硐風門狀態監測等。
通風機開停監測：開停傳感器選用KGT9-E煤礦用設備開停狀態傳感器2臺，分別非電接觸卡在主、備用通風機的高壓電纜上，通過監測電纜電流，確定設備開停。
一.1.8 系統功能
1．通訊與接口功能：系統提供標準的RJ45接口和軟件OPC接口，實現遠程監測控制。監控中心可通過網絡實時檢查和查閱該該主扇的運行狀態。并提供WEB模式，供內網用戶瀏覽。
2．數據采集功能：通過配置傳感器或通過將現場設備預配置的傳感器的接入，實時自動監測和記錄機房主扇運行時的風量、負壓、電機溫度、軸承溫度、振動、風機開停信號及風門開閉狀態信號等參數。
3．顯示功能：通過在后臺和現場控制柜上的觸摸屏做畫面，實時直觀地模擬顯示機房主扇的運行狀態圖，畫面清晰、直觀。
4．數據存儲功能：可存儲和查詢通風機及相關設備的各種監測數據，系統能保存兩年以上的數據，以便用戶進行數據報表打印。
5．數據處理功能：并能實現主要監測參數實時曲線和歷史趨勢曲線生成，如通風機的負壓動態曲線、風量動態曲線、電機和軸承溫度動態曲線、電機電流動態曲線、功率動態曲線、效率動態曲線等實時曲線，有利于及時發現通風系統故障。同時對主要性能參數生成歷史趨勢曲線。
6、報表功能：可以生成日報、月報、年報，為用戶提供數據依據。
7．控制功能：系統可實現自動方式、授權遙控、現場集中、就地手動等多種控制方式。
? 自動方式：該控制方式下，系統會根據現場傳感器采集的數據，按照編制的邏輯程序，對通風機進行啟動、停止、定期輪換、定時反風、故障報警等操作，無需人為干預。
? 授權遙控：該控制方式下，可在監控中心的組態畫面上，通過輸入用戶名（該用戶需有此遙控權限）和授權密碼，遠程遙控通風機及其相關設備的啟動、停止、報警等工作。
? 現場集中：現場風機監控柜設有觸摸顯示屏，可在風機房現場通過觸摸顯示屏現場集中顯示風機及其相關設備的運行狀態，并對通風機及其相關設備進行控制。
? 就地手動：當監控系統出現故障或者檢修時，從機旁手動控制通風機及其相關設備的開停等工作，屬于電氣回路。
8．自動調節控制程序具有倒換風機預警、定時反風預告、風量調節預報三類程序。
9．幫助功能：具有完善的在線幫助系統，操作人員可隨時查詢幫助文件，解決操作中遇到的疑難問題。
一.2 局部通風機在線監控系統
一.2.1 系統組成
局部通風機在線監控系統整體設計為三層架構：信息層（后臺），傳輸層，設備層（現場傳感器、智能監控儀表、綜合保護裝置等）。系統拓撲結構如圖所示。
局部風機在線監控系統拓撲結構：
控制后臺
監控后臺采用綜合智能化軟件平臺開發，用于通風機的遠程監測和控制。 
一.2.2 系統功能
1．通訊與接口功能：系統提供標準的RJ45接口和軟件OPC接口，實現遠程監測控制。監控中心可通過網絡實時檢查和查閱該該主扇的運行狀態。并提供WEB模式，供內網用戶瀏覽。
2．顯示功能：通過在后臺做畫面，實時直觀地模擬顯示局扇的運行狀態圖，畫面清晰、直觀。
3．控制功能：系統可實現遠程控制和就地手動兩種控制方式。
? 遠程控制：該控制方式下，可在調度中心實現局扇的啟停。
? 就地手動：當監控系統出現故障或者檢修時，從機旁手動控制風機及其相關設備的開停等工作，屬于電氣回路。