风机在线监测系统

1、项目情况：

项目名称:漳村矿新风井风机在线监测系统

招标编号：JDCJSK-04

资金来源:企业自筹

招标内容:风机在线监测系统1套

2、项目实施地点:山西潞安漳村煤矿新风井

3、工期(交货期)要求:签订合同后30天

4、在中国境内注册、具有独立的法人资格,具有相同设备生产或经销资格,有设计、制造与招标设备相同或相近设备并有3年以上的运行经验,在安装试运行中未发现重大的产品质量问题或问题已有有效改进措施。

5、招标文件于2007年12月14号起在山西潞安环能源开发股份有限公司机电办公室发售，每本标书300元人民币,标书售出后不退。

6、投标人需持本单位法人营业执照副本原件及复印件、税务登记证原件及复印件、法定代表人授权书原件及购买人身份证原件和复印件以及相关资质证件在上述时间到山两潞安环保能源开发股份有限公司机电办公室购买招标文件。

7、投标截止时间:2008年1月8日9:00,在山西潞安环保能源开发股份有限公司会议室。

8、开标时间:2008年1月8日9:00,在山西潞安环保能源开发股份有限公司会议室。

9、招标人:山西潞安环保能源开发股份有限公司

地址:山西省长治市襄垣县侯堡

邮编：046204

联系人:王韬

电话:0355-*******

传真:0355-*******

附件：漳村煤矿新风井风机在线监测系统技术规范

一、总则

1.1本规范书仅用于潞安环能股份公司漳村煤矿新风井风机在线监测系统项目的主要技术和相关要求。它提出了该设备的功能设计、结构、性能、安装和调试等方面的技术要求。

1.2本规范提出的是最低限度的技术要求，并未对一切技术细节作出规定，也未充分引述有关标准和规范的条文，乙方应提供符合本规范书和有关工业标准的优质产品。

1.3如果乙方没有以书面形式对本规范书的条文提出异议，则意味着乙方提供的设备完全符合本规范书的要求。如有异议，不管多么微小,都应在报价书中以?对规范书的意见和同规范书的差异?为标题的专门章节中加以详细描述。

1.4潞安环能股份公司要求乙方具有相同项目的设计、施工和调试经验，并提供近来风机在线监测系统工程业绩，同时出具用户证明文件。(注意：内容一定要真实。)

1.5在签订合同之后，甲方保留对本规范提出补充要求和修改的权利，如甲方提出修改，乙方应予以配合，具体项目和条件由甲乙双方商定。

1.6规范书所使用的标准如遇与乙方所执行的标准发生矛盾时，按较高标准执行。

1.7在合同签定后，甲方有权提出因标准、规程、规范发生变化而产生的修订要求，具体事宜由甲乙双方

协商解决。

1.8本规范书经甲乙双方确认后作为订合同的技术附件，与合同正文具有同等法律效力。

二、风机在线监测系统技术要求

（一）技术性能要求：

1、招标数量：1套风机在线监测系统

2、在线监测系统的性能要求

(1)、监测内容:

风量

负压、静压、动压、全压、风速、单电机功率、电机总功率

效率及工况曲线

风机轴承温度(西风井风机齿轮箱加装一个测温装置)

电机轴承及定子绕组温度

风机振幅(风机轴向,径向各一个监测点)

电机轴功率、电压、电流、功率因数

风机主电机的开停及正反转信号,反转电流值

风机转速及风机的耗电量

(2)监测点技术要求:

风量:2台风机,2个监测量;

负压、静压、动压、会压、风速、瓦斯每台风机各1个监测点,2台风机共12个,安装于风机风硐内;

电机轴承温度监测点包括:1级电机前轴、1级电机后轴、2级电机前轴、2级电机后轴,2台风机共8个,传感器已预设于风机内,不需重新安装,需加设转换装直在系统中实现监测;

定于绕组温度监测点包括:1级电机定子A、1级电机定子B、2级电机定子A、2级电机定子B、2台风机共8个,传感器已预设于风机内，不需重新安装，需加设转换装置在系统中实现监测;

风机振幅:风机轴向、径向各一个监测点,2台风机共四个;

电压包括:1段母线电压、2段母线电压；电流包括:1回进线电流、2回进线电流；1号风机1级电机电流、2级电机电流、反转电流、2号风机级1电机电流、2级电机电流、反转电流2台风机共10个监测点

2台风机主电机的开停及正反转信号,共6个监测点。

2台风机一、二级风机电机转速，共4个点;

2台风机的耗电量，共2个点;

2台风机电机轴功率,共2个量;

2台风机单电机功率,共4个量;

2台风机电机总功率,共2个量;

2台风机效率及工况曲线等。

（3）系统实现功能

1.PLC控制功能

通过PLCs7-300可编程控制器进行控制,和对模拟量、开关量的数据采集。

使用双PLC冗余结构,能够对风机、风门进行远程控制和工况监测。

新风井与西风井都需配备有以太网通讯模块,能够平滑接入以太网环网模拟量模块适应频率型、电流型及电压型信号输入。

2.系统监测及系统传输具体功能

该系统可实时监测各数据的动态图形及数字显示,并能绘制风机性能的特性曲线,通过打印机输出。

能方便地实现各种监测数据的存储及查询,历史数据可保存一年。

该系统具有oPC通讯协议，上位机通过工业以太网,采用规定的通讯协议，完成与个各现场控制站的通讯完全实现生产数据的共享。

PLC系统通过RS485端口和现场设备通讯,该系统能平滑地接入监测监控系统。

系统有完善的保护功能。当风机出现故障时,将故障信号送入计算机监控系统,由计算机进行处理并作出反应。

3.实现各工况显示、事故报警及追忆功能。可在风机性能曲线上显示风机运行的工况点,风机运行出现异常时,统在人机界面给予报警显示,并把距当前时刻二小时内的各种参数及日期、时间等进行记录。

4.该系统能实现与调度室的计算机联网。

（4）工控机2台,主要参数配置:P4处理器,120G硬盘,显示器为液晶PHLIPS17英寸,打印机。

（5）乙方提供图纸、说明书一式三份。

（6）对甲方操作及维护人员进行免费技术培训。

（7）监测系统出现故障时,乙方人员应保证24小时到矿解决问题。

（8）其它未尽事宜出双方另行协商解决。

KFJ风机在线监测系统既可独立运行，也可以作为KJ66N煤矿安全监控系统的一个子功能集中统一管理。KFJ系统用于采集现场风机的静压、全压、风量、电机功率、电机轴承温度、电机绕组温度、排气(总回风道)温度、电机定子温度、风机振动、风机的开停状态等数据，采集到的数据及通过采集数据计算出的二次数据通过显示画面或网络即使传递给管理人员，以便于及时采取措施，防患于未然，将灾害的几率降到最低。同时系统将计算结果传送给风机在线变频调速设备对风机进行最佳控制使其降低能耗。

电机温度测量：配置4个温度变送箱，每个变送箱有5路温度

传感器（PT100），测温范围-20 ~ +180℃。可对2台电机的

A、B、C相绕组温度及前后轴承的温度进行同时监测

风压测量：负压传感器2路，测量范围

-5~0Kpa，用于静压、全压的测量

风机振动测量：振动传感器2路，测定风机

水平、垂直振动速度

风机开停测量：设备开停传感器2路，用于

电机开停的监测。

风机设备运行参数测量：电力参数采集模块

2套，用于2台电机的电压、电流、功率、

功率因数及电量的测量

总回风道温度测量：配本安型温度传感器1

路，测量范围0~40℃

风道的瓦斯浓度测量：配管道瓦斯传感器1

路测量风道的瓦斯浓度

可靠性：在长期运行状态下不死机，具有抗

干扰措施和自恢复功能。

电源：AC220V±5%，43 ~ 67Hz

济南中泰电子科技有限公司主营产品：风速仪系列塔机风速仪塔机专用风速报警仪港口机械

风速仪起重机风速仪施工升降机配套产品施工升降机重量限制器超载保护器超重保护装置自

动平层电脑选层语音呼叫塔机配套产品塔机黑匣子力矩限制器塔机多功能行程限位器起重机

重量限制器塔机重量限制器

风速仪是建筑机械(起重机、履带吊、门吊、塔吊等）、铁路、港口、码头、电厂、气象、索道、环境、温室、养殖等领域用于测量风速的装置。用它可以实现设备风速指示数字化及自动化，是相关设备不可缺少的风速检测设备。

ZT-FS01风速仪是由智能测控仪表、风速传感器和电缆线三部分组成。智能测控仪表采用单片机及相应的外围电路模块组成，显示部分采用四窗口高亮数码显示。本风速传感器采用海洋军用的高精

度测量风速传感器，它与传统产品相比，具有精度高、量程宽、输入线电阻高、观测方便、稳定可靠等优点。

2）功能

本产品融电子技术、微电脑技术为一体。其主要功能如下：

? 能够自动检测风速信号并输入仪表进行微机处理;显示风速和风力及温度

? 仪表能自动报警预先设定的参数。如：预设风速上限报警值。

3）特点

? 主板核心采用自主开发 MS51单片机主板及其配套的标准I/O板卡，外加相应的信号调理模块，对数据采集及输出控制可灵活变更，可靠性进一步提高;

? 低功耗，数字电路全部采用 CMOS芯片;

? 有断电记忆功能，可以长期连续工作;

? 有很强的抗电磁干扰功能;

? 安装调试全部键盘操作，给用户更改起重机工况后调整带来极大方便;

? 仪表背板接线端子方便、清楚;

? 具有声音报警功能;

二、风速仪系统构成

ZT-FS01风速仪由风速传感器、主机、传输电缆等附属装置构成。

1、测风传感器

风速传感器的风杯由高耐候性、高强度、防腐蚀和防水金属制造，传感器壳体使用铝镁合金成形，内部电路均经过喷涂三防漆处理，整个传感器具有很好的耐恶劣环境的适应性。

风速传感器输出为TTL脉冲信号。

2、主机

风速仪主机由信号处理电路、单片机电路、数码管显示器、报警控制电路组成，机箱采用 ABS 工程塑料壳体，箱内配有高可靠供电电源，具有极可靠的抗电磁干扰能力，高低电压保护能力，能保证主机在－20℃～60℃，湿度10%─95%范围内均能正常工作。

3、自动报警电路

当风速超过预警风速时，会声音自动报警，提示工作人员注意。

测量范围

0 ~ 30 m /S或0 ~ 60 m /S 或根据用户要求定做

测量精度

± 0. 2 m/ S

分辨率

0.1米/秒

启动风速

< 0.7米/秒

显示数据

风速风力设定风速温度

输入信号

TTL脉冲信号

2.风速仪传感器安装：风速仪传感器安装在塔机驾驶室上方，固定好(必要时可辅以固

定）。风速仪传感器安装后，应保证安装位置水平，塔机工作中不会脱落。 (风杯传感器尺寸: 220×87×230mm）

备注:风速传感器附带6米屏蔽电缆与主机连接.

◇接线端：

主要监测参数

实时监测风机性能参数：静压、全压、效率；

实时监测风机风量、入口温度；

实时监测电机运行电流、电压、功率；

实时监测风机、电机的轴承温度、电机绕组温度；

实时监测电机轴振动。

编辑本段主要监测功能

1、图形化显示功能：

风机电机工作状态实时显示：可将全部监测参数在计算机屏幕上实时显示，并提供历史数据的查询；

示意图显示：将监测参数在计算机屏幕上以机械示意图的形式显示；

录波显示：可定性显示各监测参数的变化曲线；

报警显示：各监测参数超限实时报警信息显示；

图形显示：图形显示各转子运动时的轴心轨迹；

远距离数码显示：可将所需监测参数以数显方式在其它地方显示。

2、查询功能：

能随时查询某一时间的历史数据并以表格形式显示。

3、打印记录功能：

超限值打印：监测系统中某一参数超过限值，则自动打印记录并记录超限

时刻；

跟踪打印：可随时打印当前的所有监测参数；

班报表统计打印：以每八小时为班，换班时刻自动打印该班工作中的各统

计数据。

4、统计分析功能：

各监测参数超限位的次数及最大值；

各点温度参数统计报表；

温度、振动参数的趋势分析；

振动参数的频谱分析。

5、存储功能：

监测参数硬盘存储8~24小时。

https://www.360docs.net/doc/db15952413.html,/p-40873040140.html

风压传感器26pca

https://www.360docs.net/doc/db15952413.html,/view/eccb4210a2161479171128f2.html

出风口

温湿度传感器sht71

电机，风机轴温

Max6577

https://www.360docs.net/doc/db15952413.html,/view/2c4fa6eeb8f67c1cfad6b8ae.html

煤矿风机主扇监控系统

作者：肖硕魏学业发布时间：2006-12-6 20:26:00

[摘要]：风机主扇是煤矿通风设备的主要部分，对其控制有两方面需求：一方面是可靠性；另一方面是实时性。本文通过对国内外风机主扇控制方法的分析、研究，确定了一种针对双冗余风机设备的控制方案。该方案实时监测风机轴温，工作电压，巷道风压等参数，实现了风机工作状态的全面监控。文章以嵌入式单片机为核心设计了这一系统，并给出了系统结构框图和软件程序。

关键词：风机监控煤矿安全可靠性

0 引言

煤炭是我国重要的基础能源和原料，在国民经济中具有重要的战略地位。在我国一次能源结构中，煤炭将长期是主要能源。近年来，我国煤炭工业取得了长足发展，煤炭产量持续增长。但是，每年煤矿事故总是接连不断，一些统计数据表明，瓦斯灾害事故是煤矿企业中经济损失最大、死亡比例最高的重大事故之一。而预防瓦斯爆炸最主要的措施就是加强矿井通风，降低瓦斯浓度，因此通风机在煤矿生产中就显得尤其重要。在实际生产中，如果风机出故障，必须立刻启动备用设备，这样要求工作人员24小时值守，时刻监视通风机的工作状态。为了减少人员投入、减轻工作强度、提高通风系统工作的可靠性，本文开发出一套风机监控系统。

1 风机的双冗余结构

矿用风机采用冗余结构，一主一备两套设备（如图1所示），在一套出现故障时另一套系统可以马上投人运行。主风机拥有两台电机（M1、M2），备风机也拥有两台电机（M3、M4），两台电机同时工作，增加通风效果。风机采用双回路供电，通过一个电源切换装置，进行主备电源的切换。风机和电源的双冗余结构，大大提高了风机装置的可靠性。

2 系统的实现

2．1 系统结构

控制系统结构如图2所示，系统以MCU为核心，实时监测电源电压、风压、电机轴温3种模拟量。综合考虑了成本和性能，选用Cygnal公司的C8051F单片机做系统的MCU；电压、电流的检测选用了电量检测专用芯片ADE7758；选用温度感应器DS181320完成4台电机的轴温和环境温度检测；选用煤矿专用的风压传感器KG9501B测量巷道内的风压。所有传感器检测到的参数传输到单片机中计算分析，并且在LCD上显示。控制系统通过RS485总线与变频器连接，控制电机调速。系统对风机工作状况全程记录，所有数据存储在数据存储器内，通过RS485总线传给上位机。

2．2 温度检测

系统需要监测电机主轴的温度，取每个主轴的前端和后端作为温度监测点。同时监测室内和室外温度。考虑到监测点多，需要大量导线，为了克服这一缺点便于安装和提高检测精度使用了DS18820单总线的温度传感器。在多点测温时，多个DS18820同时挂接在单一总线上，系统之所以能够识别出每个DS18820，主要是根据每个传感器中存有的全球唯一的地址码。在测温前一个很重要的工作就是对传感器进行编码，把DS18820的地址码和其安装位置一一对应。把传感器编码写在DS18820内部的2BYTE的E2RAM中。

在读取温度参数时，即可以通过“Search Rom”指令，自动寻出总线上传感器的个数和其唯一的位地址码，但此时单片机并不知道传感器对应的位置，所以当单片机寻到地址码后马上向总线上发送此地址码，用于选中该传感器与单片机进行通讯。此时，单片机发送“Read Rom”指令，将该传感器的E2RAM中所存放的传感器位置参数读出，因为E2RAM，事先已进行了传感器编码，存放着各个传感器所对应的测点位置。通过以上的步骤，即可自动寻出总线上全部传感器地址码以及事先写入的传感器的位置编码和温度值。

2．3 电压、电流检测

控制系统需要实时监测电网电信号的质量，并掌握风机所消耗的电能。ADI公司生产的三相电量检测专用芯片ADE7758满足了这一需求。ADE7758的每个电流、电压输入信号首先经过一个可编程增益放大器，然后进入24位∑－ΔADC。信号经过滤波、积分、相位补偿调理后进入ADE7758的DSP内核，它能自行计算出有功功率、无功功率、电压有效值和电流有效值等参数。首次使用时要对ADE7758芯片进行校准，把校准参数写入

相应的校准寄存器来减小外部元器件引起的误差。电量检测原理：

（1）电网上的电流、电压为正弦交流信号，其瞬时值表达式：

（2）一旦电流和电压存在相位则会产生无功功率，假设相位差为θ则电压电流的表达式：

ADE7758把测得的功率值通过脉冲输出到单片机的计数器，单片机根据脉冲频率和个数可以换算出风机的功率和消耗的电能。假如三相交流电信号存在缺相、欠压、过压、过流等异常情况，ADE7758可以产生外部中断。单片机通过SPI接口和ADE7758进行数据交换，程序如下：

ADE7758的写寄存器子程序：

Void WriteSPI（unsigned char regaddr，unsigned char recdata）

｛

0N_ADE7758（）；

/*写寄存器地址*/

SPIF＝0；//使能SPI

regaddr＝regaddr 0x80；//地址最高位为1

SPIODAT＝regaddr；

while（SPIF＝＝0）；//判断是否发送完毕

SPIF＝0；

/*写寄存器数据*/

SPI0DAT＝recdata；

while（SPIF＝＝0）；

SPIF＝0；

OFF_ADE7758（）；

｝

ADE7758的读寄存器子程序：

Unsigned char ReadSPI（unsigned char regadd）

｛

/*写寄存器地址*/

unsigned char recdata；

0N_ADE7758（）；

SPIF＝0；

regaddr＝regaddr & 0x7f；//地址最高位为0

/*读寄存器地址*/

SPIODAT＝regaddr；

while（SPIF＝＝0）；

SPIF＝0；

Delay（20）；//延时

OFF_ADE7758（）；

return recdata；

｝

2．4 RS485通讯

RS485采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好，最大传输距离1200m，最大传输速率10Mbps，

半双工通信方式。本系统有两套RS485通讯线路，一路是控制系统和变频器的通讯，另一路是控制系统和上位机的通讯。

控制系统和变频器的通讯以控制系统为主机变频器为从机，采用一主四从的设计，每个从机对应一个地址，使用主机“轮询”，从机“应答”的点对点通信方式。采用艾默生公司的变频器作为执行设备，该变频器留有RS485接口，组网方便，采用异步、半双工的通讯方式，数据传输率为1200bps。

控制系统和上位机的通讯以上位机为主机，由于煤矿电磁干扰严重，环境恶劣，同时风机房和上位机所在的控制中心距离较远，为了抑制电磁场对信号线的干扰，应避免使用平行电缆，而是采用同轴电缆或双绞线。如果距离仍不能满足现场需求，就使用光纤作为传输介质，使通信距离大大增加。上位机每隔一段时间发送一次命令，下位机根据接收到的命令上传最新采集的运行数据。

3 系统软件设计

本控制系统要完成数据采集，风机控制工作。系统功能靠多个模块来实现，子模块主要包括：数据采集模块、

参数记录模块、变频器控制模块，通讯模块。主程序则完成系统的初始化和各模块的调用，流程如图3所示

在数据采集模块中，系统需要检测电压、轴温、风压、电机的运行状况，每5s循环检测一次。在参数记录模块中，单片机记录所得数据和对应时间，以备事故追忆。在变频器控制模块中，通过RS485总线向变频器发出命令，根据风压的大小实现电机转速的闭环控制。在数据传模块中，PC机通过RS485接口把AT24C512内的数据上传到控制中心。

4 结束语

目前国内大部分矿井采用恒速运转的风机。这种不能根据实际需要调整排风量；在风机出现故障时需要手工切换工作设备，并人工上报故障信息，可靠性和实时性都无法满足需要。本文以单片机为核心设计开发风机控制系统，可以采集多种参数，记录风机运行状况，并和上位机通讯。系统在实现自动控制的同时，也可通过操作按键进行手动操作，进一步保证了风机的稳定运行，解决了可靠性和实时性的需求。

通风机是煤矿的四大固定设备之一，它担负着向井下输送新鲜空气、排出粉尘和污浊气流的重任，具有"矿井肺腑"之称。由于井下工作环境恶劣，主通风机工作电压较高，电流较大，出现故障的概率也较大。一旦发生故障，将会对整个矿区的生产和安全造成重大影响。因此，有必要建立一套功能完善的自动监控系统，实现矿井主通风机性能及状态的在线实时监测，以便在生产过程中及时掌握主通风机的运行参数和状态。

系统描述

煤矿井下主通风机在线监控系统通过对风井主扇风机各运行参数及风量的实时监控，确保通风系统稳定供风，减少瓦斯事故发生，保证安全生产。系统方案设计面临以下四方面难度：

1、煤矿井下环境特殊比如强震动、强干扰、高机械强度为设备稳定可靠运行带俩很大难度。

2、煤矿主通风机一般都在远离煤矿管理部门的井田边缘，这就要求主通风机监控系统必须是集保护、检测、控制及远程数据传输和监控于一体的自动监测系统。

3、井下操作者的文化水平不是很高，对新科技的接受能力上不是很好，要求人机交互界面简单直观。

4、设备的容错能力要强：电气设备的设计上应该屏蔽一切有可能的人为误操作，并在井下发生供电故障的情况下应该能正常。

主通风机自动监控系统以控制器为核心，主要由信号监测装置、传感器、PAC、通信装置、上位机及其它设备组成，可分为风机变电站监控系统和风机风速、负压、振动、风机电机温度监控系统。

■风机数据采集和控制系统：采用研华PAC产品APAX-5520KW实现对各设备状态的数据采集和控制。APAX-5520KW通过工业以太网接口连接到上位机或矿统调系统。同时，通过以太网数据采集模块ADAM-6000系列模块实现了其它分散点数据的采集，并与上位机系统连接。

■本地服务器：本地服务器是由工业级嵌入式工业电脑UNO-2174G和基于以太网组态软件WebAccess组成的上位机系统。本地服务器实现数据分析、处理和故障诊断，并提供维护

信息。人机界面实现监测参数的实时显示，并将监测参数存储到数据库中；同时以数据、趋势图及报表等多种方式实现风机运行参数监测结果的再现。

■数据远传系统：数据远传系统由WebAccess组态软件和GPRS无线工业模块EKI-1321

组成，实现了风机数据的远传，并与矿山管理系统无缝连接。

■高开柜监控系统高压部分采用微机保护单元，该单元可就地显示相电压、线电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等参数，通过RS485、网络通讯，把本地数据发送到上位机，在上位机实现综合智能监测与控制。

项目实施

系统架构图

研华煤矿井下主通风机监控系统解决方案

总结

研华提供的自动化产品和整体解决方案在煤矿井下主通风机自动化在线监控系统中得到了应用，该系统集保护、检测、控制于一体，不但能实现风量的自动调节，还能进行故障诊断，预测使用寿命，预报维修极限，成功地对风机进行了检测，有效的保证了矿井通风系统的安全运行，完全满足井下对主通风机自动化监控系统的要求。

https://www.360docs.net/doc/db15952413.html,/p-742870877050.html

华阳煤业有限公司主扇风机电控系统

一、概述

科达公司是集科研开发、系统设计、外协加工、成套装配、系统调试的综合性企业，在太原高新区拥有2000余平方米的办公及生产厂房等成套装配基地。科研仪器有DELL工作站、电器安全性能综合测试台SH4212、数字示波器、热网试验仿真系统、仿真系统、耐压测试仪SH4501、绝缘电阻测试仪SH2300等。公司获得ISO 9001、3C、煤安标志认证；工程施工等资质近20个。与西门子、艾默生等国际公司有业务合作关系；与太原理工大学、浙江中控研究院有限公司等多家科研院所有产学研合作项目。

针对本项目公司申请的1项发明专利进入实质审查阶段，2项实用新型专利与1项软件著作权已获得授权（见专利证件复印件）。该项产品技术经过山西省科技厅组织专家进行鉴定，技术水平达到国际先进水平，获得成果鉴定证书（见附件鉴定证书复印件）。

我公司一直以来就是从事节能项目设计开发和推广应用，对于煤矿主扇通风系统的节能项目，已经做过大量的技术考察和试验工作。对于不同风机的能耗情况做过系统的分析和调研，根据调节方式的不同，进行了详细的比对计算。而且根据不同的工作模式设计了工作模型，分别针对风叶角度的调节和变频调速的调节，不同的工作原理做了节能分析。但是由于目前的系统还不具备自动调节的功能，所以系统采用人工调节的方式进行试验。而且针对百万吨煤矿和千万吨级的煤矿分别设计了对应的控制系统，并设计开发了专用的控制系统。产品已成功应用于省内各大型煤炭企业，并取得良好效果。随着节能减排和数字矿山概念的不断推进，必将成为市场上的主流产品。

1.1、项目提出的背景

矿井主要通风机在煤矿生产中有着重要的地位，是煤矿的四大主要设备之一，它担负着向井下输送新鲜空气、排出粉尘和污浊气流，确保矿井安全生产的重任。具有“矿井肺脏”之称，其运行工况直接关系到煤矿生产安全。传统的矿井主要通风机控制系统自动化程度低、能源浪费严重、切换时间长，设备冲击大。随着动力制动、电力电子技术和自动化水平的提高，为系统的更新换代提供了技术基础。

矿井主要通风机由于功率大，且昼夜连续运转，因而耗能很大。据统计，主通风机的耗电量约占全矿总耗电量的15%～20%，有的高达30%以上。多数矿井主要通风机还采用调节叶片角度、挡板或阀门的方法调节通风量，这种调节方法操作复杂、技术装备比较落后、能耗高，能源浪费严重。采用变频调速技术，取代原来的挡板及阀门调节，实现闭环调节，降低能耗，减少二氧化碳排放。

主通风机在煤矿生产中都设置主、备风机，由于风机为大惯性负载，在故障切换时，自由停车方式不能满足《煤矿安全规程》的要求（≤10min），必须人工去风机现场操施手动闸。操作复杂，风机的切换采用手动按顺序单步操作来完成。新系统采用动力制动技术，缩短了停车切换时间，将系统切换时间缩短在4.2 min，保证通风系统的运行，提高了安全性。

原来的控制以人工操作为主，不能实现自动化控制，本系统采用高可靠性的控制技术和嵌入式软件，以自动控制为主，提高了可靠性，达到了无人值守的效果。

风机喘振是运行中非正常工况，严重时会造成风机叶片断裂或机械部件损坏，原来系统全部靠人工经验判断，本系统通过风量、出口风压、电机电流幅度波动、震动的监测，运行中一旦发现风机进入喘振区，应立即调整风机运行工控，使得风机运行点避开喘振区。提高了设备使用寿命，运行稳定。

1.2、技术开发状况

本项目采用国际上先进的控制监测技术和高压变频器调速技术，与其它系统比较有显著的节能效果，可节电30%以上。系统由五大部分组成，即集控部分、传动部分、控制部分、信息采集部分和实时监测部分。传动部分完成了对系统四台电动机变频调速，实现了节能运行，并对风量进行优化控制；控制部分通过PLC完成各种控制算法、现场开关动作的闭锁和保护，电机运转参数的实时采集及数据处理；信息采集部分用各种传感器和检测装置，对系统各部分的信息进行实时采集，并通过PLC进行数字化转换；集控部分采用网络技术，并具有冗余工业以太网拓扑结构，保证在一条网线不通的情况下，仍然能对系统进行监控，在各种工况下都能实现主要通风机的软起、软停，保证了无人值守的可靠性，改变了传统设备管理方式，提高了自动化水平，并能与地中央集控室联通，实现了远程监视和控制。

本项目在矿井生产过程中实时掌握主通风机的运行参数和状态，改变了传统的控制系统，提高了系统

的自动化水平，有力地保证了主通风机的经济、可靠运行，并达到了无人值守的效果。

1.3、现有产业规模

本通风机无人值守自动控制系统已经成功运行于山西左权佳瑞煤业、山西安瑞节能风机有限公司、山西西山晋兴斜沟煤矿、山西路安集团石圪节煤业公司及吕梁东义集团煤气化有限公司等客户，通过在5个客户现场工业试验与运行，证明属于节能产品，技术含量高，得到了客户的一致认可。考虑到目前在煤矿的整合形势下，市场需求量大，公司计划完成产品的成果推广与转化工作，产品化和标准化是下一步的重点工作。而且针对转化工作已经进行了前期的初步设计，所以公司将在短时间内投入足够的人力和物力，尽快完成产品的转化工作。通过前期的工业性试验与运行，已经为产品的产品化积累了大量的经验，为今后的工作打下了很好的基础。

1.4、产品的主要用途、性能

该产品主要适用于煤矿主扇通风机正常通风及排放瓦斯生产过程的全自动化控制和对风机等设备在线监测。

功能指标：

1）可连续调速，即在0-50Hz范围连续可调，并可根据风量要求选择最佳速度；

2）开发了电气制动快速停车技术，使风机切换时间≤4.2min（煤矿安全规程规定小于10min）；

3）采用闭环控制技术，自动调节风量，提高风机运行效率，相对于工频运行状况节能30～50%；

4）采用故障安全容错与冗余技术，提高系统的可靠性；

5）根据在线监测的数据分析，自动避开风机的喘振区。

1.5、成果产业化带来的预期经济效益

本项目为煤矿生产提供了一个关键的智能设备，加快煤矿集约化和自动化水平的提高。并为煤矿生产过程中的安全监控创造有利条件，从而有效的预防和控制煤矿安全生产事故。

我省的煤矿数量到目前有1053座，2009年,山西省形成了4个年生产能力亿吨级的特大型煤炭集团和3个年生产能力5000万吨以上的大型煤炭集团,产业结构得以优化。主要通风系统属于煤矿的大型设备，设备功率大，一般设备功率范围在300千瓦到1000千瓦之间，平均按照一台500KW设备计算，单台设备投资在350万元左右，仅我省的市场需求就在35-40个亿。全国市场超过100个亿，本系统有巨大的市场需求。节能减排计算：以一台500KW设备，一年运行300天为标准计算，年节电量=500×24×300×30%=1080000 kWh 。以电价0.7元/ kWh计算，年节约电费75.6万元，节约原煤378吨，减少1188吨CO2排放。如全省1053座煤矿都使用该控制系统，可年节省8亿元电费，减少大量的CO2排放。另外，该系统可实现无人值守，班组可减员9人，以每人年工资10万计，一个矿每年可节约90万元。节能减排效果良好，减轻了矿井下人员劳动强度，提高了安全系数和生产效率，所以与国民经济发展关联紧密。目前全国的煤炭行业正处于整合阶段，是个非常有利的市场机遇，对于好产品和新技术的推广是个很好的机会。及早的完成成果转化，提高市场占有率，进一步使产品得到提升。对我公司的发展将有很大的促进作用。希望得到大力支持。

二、成果创新性分析

2.1、技术方案

1、采用高压变频调速技术，实现风量调节

新建矿井为了满足或适应通风网络变化的要求，通风机及其拖动电机在设计选型时都有一定余量，而且矿井现在正在开采初期，形成“大马拉小车”的不经济运行现象。煤矿主通风机传统的控制方式是全速运行，通过调节风叶安装角度或风门开度调整所需风量，这种运行方式能耗大，并且调节不方便。此次项目通过采用高压变频调速器，风机运行频率40HZ，就满足矿井通风要求，与全速运行相比，节能50%，而且，风机起停平稳，减少了机械冲击，风机噪音大幅减低，运行电流降低，延缓了电机寿命。

2、增加切换柜，保证风机长期、连续运行

如果主用风机的一台电机故障和备用风机的变频故障，在这种情况下，主用风机就切换不到备用风机，而矿井主通风机正常运行不能停机超过10Min，保证连续运行，由于电压等级不同，不能使用工频切换控制，系统配置四台切换柜，每台切换柜内配置两台真空接触器，通过操作两台真空接触器的分、合，控制变频选择拖动电机，这样每台变频就能拖动主、备风机任意一台电机，不影响矿井通风，为安全生产提供保障。

3、降低谐波干扰

谐波是无用和有害的电压和电流，一般频率变化并且和基波叠加在一起，谐波产生于非线性负载，使得电流和电压不成比例，高压变频器输入整流环节都为非线性的，会对电网产生谐波，其输入谐波的幅值与变频器整流环节的脉冲数(或多重化的次数)密切相关。

整流电路脉冲数至少多于18脉冲(包括18脉冲)才能满足输入谐波的标准。6KV系列变压器的18个二次绕组，采用延变三角形联结，分成6个不同的相位组，互差10度电角度，形成36脉波的二极管整流电路结构，36脉冲输入谐波远远小于规定的标准，在不用滤波器情况下一般在2%以内，不会对电网产生影响。

另外，在设计时，动力电缆与控制信号电缆，分开电缆沟敷设，在不可避免的敷设场合，采用分层敷设，而且，把控制信号电缆都采用屏蔽双绞，使现场谐波干扰降到最低。

4、采用多种控制线路

系统控制变频方式分：Profibus-DP通讯总线控制方式、连锁控制和操作台手动控制，通常使用Profibus-DP通讯控制，如果通讯故障时，系统可以无扰动切换到连锁控制，不影响风机运行，如果PLC系统也出现故障，把操作台上的换开关旋至操作台位置，此时，可通过操作台手动控制风机。

5、通讯故障诊断

风机控制系统对于风机正常运行尤为重要，而正常情况，我们使用通讯控制，所以，自动检测通讯故障很重要，在软件中，通过使用通讯诊断功能块，实时监测四台变频从站地址5-8状态，如果状态变为1，说明对应#地址的变频通讯故障，再通过控制器把信号传到上位机，上位机接收到站通讯故障，弹出通讯故障画面，并发出声光报警，提示操作人员通讯故障，切换到硬件端口控制。

6、使用变频，降低风机切换时间

为适应矿井主通风机设备运行要求，系统设置主、备风机自动切换程序，当发现变频或者电机侧有报警或者故障时，可通过人工或PLC控制切换风机，由于风机为大惯性负载，自由停车要在5-10分钟，必须人工去风机现场操作手动闸，应用本系统之后，对风机采用动力制动，使减速停车控制在2分钟内，加上开、关蝶阀时间,启动备用风机，耗时不到4分钟，使切换时间大为减少，停风时间缩短。

7、实现电量数据采集

此系统包括主通风机在线监测部分，包括一次高压柜电量数据的采集，通过高压柜上配置综合保护器和通讯管理机的RS485接口，采用MODBUS-RTU协议，能就地显示相电压、线电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等参数；通讯管理机采集各台综保上面的电量数据，进行归整在一起，我们配置通讯采集模块可通过模块上的RS485接口使用MODBUS-RTU协议与管理机连接通讯，把所有电量数据采到通

讯采集模块，系统主站再对配置通讯采集模块的数据进行处理，根据通讯规约每次传送数据量最大为输入、输出各64个字节，系统分时传输机制，把数据分别打包传送，对每批做唯一标识，按标识把每次传送的数据分别放在不同存储区，实现数据的在线采集和连续记录。

2.1.1、改进结果：

经过这段时间的运行和分析，以上技术问题都已得到充分考验和证实，基于PLC的风机变频驱动系统及风机自动监控系统实现了触摸屏和上位机两级集中监测和控制，为通风系统及时维护和有效调节提供了可靠依据。本系统具有监测实时性好，数据准确，通信可靠，达到了节能的预期效果。实践证明，风机自动监控系统有力地保证了主通风机经济、可靠地运行，提高了矿井主通风机设备的自动化管理水平。

2.1.2、研究内容：

2.1.2.1系统硬件部分

硬件主要包括四台交流防爆电动机，四台高压变频器、六台高压柜、四台低压柜，一台PLC控制柜，UPS不间断电源两套，风门电动机两台，四台切换柜，一台信号采集柜，一台现场操作台。

2.1.2.2、系统软件

软件部分主要包括上位机软件、触摸屏软件及PLC控制软件三大部分，它们基于以太网的大型实时监控系统中，完成远程控制和数据的实时监测，以及在此基础上的故障诊断和系统数据的各种报表打印等。还完成各种控制算法，各开关动作的闭锁保护、电机参数的实时采集和数据的格式化处理等。

高压配电部分由三台变压器、两台进线柜、一台母联柜组成，每台高压柜均配备自动化综保装置。为了保证无人值守过程中的参数采集及设备实时检测和故障诊断的顺利进行，实时检测各高压柜的电流、电压、功率、开关位置，以及相应的故障状态，然后通过PLC的485总线上到PLC，每台高压柜都支持就地、远程两种分合闸方式，远程控制信号接到PLC，实现对高压柜的分合闸控制。

低压配电由两台进线柜，一台母联柜、一台抽出式多功能柜组成，每台低压柜都支持就地、远程两种分合闸方式，其开关信息及电流、电压信号输入PLC。再由PLC经以太网上传到集控室。

变频调速采用完美无谐波高压变频器，变频器具有现场总线通讯接口，通过该接口可以将变频器运行信息连接到全矿的综合自动化系统，并可作为主设备或从设备。通过以太网接口模块，实现总线型以太网或冗余型以太网结构，为实时数据的快速、大量远程交换提供可靠的传输网络。还具有丰富的用户端子，如数字量输入输出的端子，继电器输出端子，模拟量输入输出端子，辅助电源端子等。

集控系统的硬件主要包括上位机，ups不间断电源，以太环网及光电转换器等。采用冗余型以太网拓扑结构，从通信网络的结构形式上保证了无人值守的实现。上位机系统包括二台数据服务器，一台历史数据服务器，一台监控用工控机，一台工控管理机。

2.1.3、试验过程、数据分析：

①静压差测风量

1) 测试原理

根据流体力学理论，流体在通过变径管道时，其各种能量的转化及大小与流体流量和变径管的几何尺寸存在着相应的关系。用伯努利方程可描述为:当流体从大断面一端流向小断面一端时，静压能将由大变小，而动压能则由小变大。此处选择的是两个流体截面，应该用不可压缩粘性流体总流的伯努利方程。为了便于研究，将通风机内的气体作为不可压缩粘性流体。基于这一原理，通过风机整流环外壳两端的静压管口分别引出两路压力至差压传感器输人端，则不难求得风机的平均风速以及风机风量。由图3可列出两断面之间的不可压缩粘性流体总流的伯努利方程:

P1+ρ1Z1g+ρ1V12 /2= P2+ρ2Z2g+ρ2V22 /2+hr

式中，P1, ρ1, Z1 ,V1分别为断面1一1处的静压、密度、标高和风速; P2, ρ2, Z2 ,V2分别为断面2一2处的静压、空气密度、标高和风速;hr是断面2一2处的局部阻力损失及其系数。由于断面1一1,2 一2处于相同标高并且相距又很近，所以:

ρ1=ρ2=ρ, Z1= Z2, hr≈0

P1 -P2 = ρ2V22 /2-ρ1V12 /2 (1)