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摘要可编程控制器(PLC)是一种以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技术的通用工业控制装置。
它具有使用方便、维护容易、可靠性好、性能价格比高等特点,广泛应用于工业控制的众多领域。
煤矿主通风机是煤矿生产的重要设备，通风机能否正常工作，直接影响煤矿的生产活动。
因此对主通风机实现在线监控有很重要的意义。
本文针对通风机的工作环境和运行特点，以PLC为主控设备，介绍了可编程序控制器（PLC）在煤矿通风系统中的应用；探讨了通风机实现自动控制系统的系统组成和设计；涉及硬件设备的选型与组态；编制了通风机实现自动控制梯形图；并简要介绍了PLC与其他智能装置及个人计算机联网,组成的监控系统。
本系统提高了主通风机设备的自动化管理水平，有力地保证了主通风机设备的经济、可靠运行，为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据。
关键词：煤矿通风机； PLC；在线监控ABSTRACTProgrammable Logic Controller is a kind of universal industrial control apparatus,which taking microprocessor as its core, integrating information technology,automation control technology,networking communication technology. It is applied in more and more industry control fields with the characteristics such as easy application, easy maintenance, well reliability, high performance-price ratio.Primary ventilators are the most important instruments of the colliery.Their working state can directly influence the coal producing processs.Therefore, online monitoring of the main fan there is of much significance. this paper introduced the application of Programmable Logic Controller (PLC) in the coal mine ventilation system ; Discussed the system composition and the design of ventilator realization automatic control system ;Included selection and configureation of hardware; Established the LAD chart of the ventilator realization automatic control ; And briefly introduced the consisting of monitoring system , the system including PLC and other intelligent installments and the personal computer networking, This system raised the automatic management level of the main fanner equipments，guaranteeing the economy of the main fanner equipments circulate credibility. For the management of the equipments and maintained, this system can provide dependable scientific warranty.Keywords:Coal mine ventilator; PLC; Online monitoring目录1 绪论 (4)1.1煤矿通风概况 (4)1.2 PLC的基本概念 (4)1.2.1 PLC的组成部分 (4)1.2.2 S7-300的系统结构 (5)1.2.3 PLC的循环处理过程 (5)1.2.4 S7-300的编程语言 (6)1.2.5 PLC的供电及接地抗干扰问题 (7)1.3 目前国内外的通风机监控状况 (7)1.4本设计所作的工作 (8)2 矿井主通风机系统 (10)2.1主通风机概述 (10)2.1.1主通风机性能参数 (10)2.1.2对旋轴流式风机的结构和工作原理 (11)2.2风门 (11)2.3反风方法 (12)3 主通风机自动监控系统的硬件设计 (14)3.1系统的组成和特点 (14)3.2主通风机在线监控的运行方式的设计 (15)3.3风机参数的检测 (15)3.4该系统的输入/输出统计配置 (16)3.4.1数字/模拟输入点统计及模块选择 (17)3.4.2数字/模拟量输出点统计及模块选择 (20)3.4.3 PLC其它硬件模块统计 (22)3.4.4数字量输入/输出模块接线图 (23)4 主通风机自动化监控系统的软件系统 (27)4.1本设计所用STEP7编程器的相关知识 (27)4.2本监控系统的系统流程图 (28)4.2.1风机的启动流程图 (28)4.2.2自动控制方式流程图 (29)4.2.3反风控制流程图 (30)4.3主通风机监控系统的程序设计 (31)5 结论 (50)参考文献： (51)6 翻译部分 (53)英文原文 (53)中文译文： (63)致谢 (72)1 绪论1.1煤矿通风概况据统计,我国煤矿事故因瓦斯爆炸死亡人数是世界上主要采煤国家，死亡总人数的4倍,百万吨煤死亡率是美国的近20倍、印度的12倍。
基于PLC的矿井通风控制系统设计矿井通风控制系统是矿井安全管理的重要组成部分。
矿井中存在着各种有害气体，如果不及时排除，将极大地影响矿工的健康和劳动生产力，甚至引发事故。
因此，对矿井中气体的监测、控制和处理显得尤为重要。
本文将介绍基于PLC的矿井通风控制系统的设计。
系统组成基于PLC的矿井通风控制系统主要由以下组成部分组成：现场信号采集模块现场信号采集模块负责采集矿井中各种有害气体的浓度、氧气浓度、风速、风量等实时数据，并将这些数据传输给PLC。
PLCPLC作为控制核心，负责接收现场信号采集模块传输的数据，并根据事先设定的控制策略进行计算，输出控制信号。
目前，在矿井通风控制系统中广泛采用西门子、施耐德等知名品牌的PLC。
数据显示与记录模块数据显示与记录模块负责将PLC输出的控制信号转化为实际控制效果，并在屏幕上显示，方便操作人员了解控制效果。
同时，该模块还可将历史数据进行记录，以便对矿井通风控制系统的运行情况进行分析和评估。
控制执行模块控制执行模块负责执行PLC输出的控制信号，并对矿井风机等设备进行控制，以满足矿井通风要求。
系统设计系统设计的关键在于确定控制策略。
控制策略应该能够满足对有害气体的监测和处理，同时具备一定的灵活性，以应对不同的矿井环境。
以下为常见的控制策略：阈值控制阈值控制是指根据一定的阈值范围，对实时采集到的气体浓度、氧气浓度、风速、风量等参数进行监测，并根据阈值调节风量和风速等措施，达到矿井通风要求。
时间控制时间控制是指根据矿井不同部位的气体情况和产煤量等因素，设定不同的通风时间和通风量，以保证矿井通风安全。
预测控制预测控制是指通过数据处理和分析，根据矿井不同部位的气体情况，预测可能发生的有害气体浓度，提前进行调整，避免事故发生。
矿井通风控制系统的重要性不言而喻。
基于PLC的控制方式，具有实时性、稳定性和精确性等优点，已经成为矿井通风控制的主流。
通过合理的控制策略设计和系统组成部分配置，可以实现对矿井通风的有效监测、控制和处理，确保矿工的安全。
基于三菱FX-2N PLC的矿井通风控制系统设计摘要煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井内工作环境条件，生产效率，安全生产密切相关。
随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加大，尤其对煤矿生产的安全要求越来越高，对煤矿矿井通风系统进行技术改造，提高其运行稳定性，可靠性，节能性等势在必行。
本系统将三菱PLC与变频器结合起来，采用瓦斯浓度和井下压力为主要参数，实现对矿井通风机的工作过程和运转速度的有效控制，从而达到矿井下通风安全、稳定，同时使得资源最大的利用。
并且PLC对通风机有过热保护、故障报警、机械故障和瓦斯高浓度报警等功能，为矿井通风的安全节能技术改造提供新的技术。
关键词：PLC 变频器瓦斯传感器Design of Mine Ventilator Control System Based on Mitsubishi PLCAbstractWhether the mine ventilation system works normally or not is closely related to the working conditions, the production efficiency and the safety production . Along with the increasing on all kinds of production safety supervision, especially for the higher and higher safety requirements, it is imperative to carrying out the technical reformation of mine ventilation system, improving the operation stability, reliability, energy saving and so on.This system combines with Mitsubishi PLC and inverter, the concentration of gas and downhole pressure are the major parameters. The working process and the running speed of the mine ventilator is controlled effectively of, so as to achieving the safety and stability of mine ventilation, and making the most use of resources. And PLC has overheating protection, fault alarm, fault and high gas concentration alarm function, providing a new technology for technological transformations of safety and energy saving of mine ventilation.Keywords：PLC；Inverter；Gas；Sensor。
基于PLC的矿井通风控制系统的设计作者：程莉来源：《消防界》2020年第12期摘要：井下空气参数的控制是矿井开采、掘进行业不可获取的部分，尤其在对瓦斯的含量需要重点调控的工作场所，矿井内的空气流通条件以及瓦斯气体浓度是对在矿井内作业人员的生命安全起决定性作用的。
PLC是把微型处理器当作中枢使用的数字化调控的工业上专门使用的处理器，即便是处于条件非常差的作业环境中，依然能够工作。
关键词：通风控制;火灾隐患;调控系统一、课题的背景及意义矿井通风的作用是把新鲜的外界空气源源不断地传送到井下，由此提高矿井内空气中氧气的含量，同时把矿井产生的有害气体排出来。
因此，矿井通风是矿井生产过程中一个尤为重要的环节，在矿山的初步建设和运营中起着非常重要的作用。
矿井的通风系统还关系着矿井的消防能力。
火灾燃烧时形成火风压，容易引起局部风流状态紊乱，甚至造成整个通风系统风流状态混乱。
矿井火灾会使井下污染区域内的人员被烧伤、中毒或窒息，会对矿井的人员和设备造成极大的损害，也会造成巨大的经济和社会损失。
良好的通风系统能有效减少火灾隐患和避免火灾事故的发生，且能抑制火势蔓延。
所以，合理地选择评价矿井通风系统对矿井的生产与安全工作至关重要。
本调控系统采用调控变频调速器，把电网供应的常规频率的交流电改变为多个频率特性进行输出，可以做到对交流电机的无级调速。
为了对矿井风机进行智能控制，变频控制系统选用开环控制，该装置可设定任意频率控制电机转速;但若变频调控系统设计成闭环模式时，会根据控制命令和反馈的信息的动态变化，自主获得适合的电机调控频率。
二、国内外发展现状近年来，煤矿产能的扩大和生产的集约化已成为趋势。
矿山设备水平迅速提高，系统得到简化，但是依然存在许多已经挖掘很长时间的老矿，系统很复杂，和许多新矿井的生产能力相比，具有比较高的集中度，给矿井作业系统带来了新的安全隐患。
矿井通风按照作用区域可以划分为三种：用于整个矿井的称之为主要通风机;在矿井内某些分支中用于调控风量、弥补主通风机不足的称之为辅助通风机;用于矿井内某些局部区域通风的称之为局部通风机。
基于PLC的煤矿瓦斯浓度监控系统摘要煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井内工作环境条件，生产效率，安全生产密切相关。
随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加大，尤其对煤矿生产的安全要求越来越高，对煤矿矿井通风系统进行技术改造，提高其运行稳定性，可靠性，节能性等势在必行。
本系统将三菱PLC与变频器结合起来，采用瓦斯浓度和井下压力为主要参数，实现对矿井通风机的工作过程和运转速度的有效控制，从而达到矿井下通风安全、稳定，同时使得资源最大的利用。
并且PLC对通风机有过热保护、故障报警、机械故障和瓦斯高浓度报警等功能。
为了矿井通风的安全节能技术改造提供新的技术。
关键词：PLC, 瓦斯浓度, 传感器，通风机Coal-mine Gas Concentration Monitoring System based on PLCABSTRACTThe working conditions, the normal work of mine ventilation system and whether thecoal mine production efficiency, safety production is closely related to. Along with the Chinese government on all kinds of production safety supervision increased, especially for coal mine production safety requirements more and more high, the technical reformation of coal mine ventilation system, improve the operation stability, reliability, energy saving and so be imperative.This system will bine with Mitsubishi PLC inverter, the concentration of gas and down hole pressure as the major parameter, achieve effective control of working process and the running speed of the mine ventilator, so as to achieve the mine ventilation and safety, stability, and makes use of the most resources. And PLC overheating protection, fault alarm, fault and high gas concentration alarm function of fan. Provide a new technology for technological transformation of mine ventilation and safety and energy savingKEY WORDS:PLC，Gas，Transducer，ventilate目录前言1第1章瓦斯相关介绍21.1瓦斯气体21.1.1瓦斯气体性质21.1.2瓦斯气体的爆炸21.1.3本课题研究的意义3第2章监控系统控制方案4第3章系统硬件设计53.1控制核心PLC概述53.1.1三菱PLC FX2N—16MR简介53.1.2 A/D转换模块FX2N—4AD63.2矿井主扇风机概述73.3触摸屏概述83.4传感器部分概述93.4.1瓦斯浓度传感器103.4.2 温度传感器103.4.3 空气压力传感器11第4章PLC软件设计124.1系统启动及停止124.2模拟量编程及应用134.3瓦斯浓度的监测144.4压力的监测164.4.1风压给定及依据164.4.2风压测定及控制164.5温度的监测17第5章运行结果与调试18结论21辞22参考文献23附录23前言随着煤矿开采规模的扩大和数量的增加,瓦斯灾害问题日益突出。
学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
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对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明.本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
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3．论文应观点明确,中心突出，论据充分，数据可靠，层次分明,逻辑清楚，文字流畅，结构严谨。
1 绪论煤矿矿井通风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分，煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井内工作环境条件、生产效率、安全生产密切相关。
随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加强，尤其对煤矿安全生产的要求越来越高，对煤矿矿井通风系统进行技术改造，提高其运行稳定性、可靠性、节能降耗等势在必行。
目前在煤矿矿井通风系统中，大多仍采用继电接触器控制系统，但这种控制系统存在着体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故障困难等很多的缺陷；且因工作通风机一直高速运行，备用通风机停止，不能轮休工作，易使工作通风机产生故障，降低使用寿命。
针对这一系列问题，本系统将PLC与变频器有机地结合起来，采用以矿井气压压力为主控参数，实现对电动机工作过程和运转速度的有效控制，使矿井通风机通风高效、安全，达到了明显的节能效果。
PLC控制系统具有对驱动风机的电机过热保护、故障报警、机械故障报警和瓦斯浓度断电等功能特点，为煤矿矿井通风系统的节能技术改造提供一条新途径。
2 系统结构和控制方案2.1 系统的设计功能本控制系统具有通风机组的启动、互锁和过热保护等功能。
与常规继电器实施的通风系统相比，PLC系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点，PLC的控制功能使通风系统的自动化程度大大提高，减轻了岗位人员的劳动强度。
PLC和变频器与空气压力变送器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。
为满足矿井通风系统自动控制的要求，系统的具体设计要求如下：（1）本系统提供手动／自动两种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功能。
（2）模拟量压力输入经PID运算，输出模拟量控制变频器。
（3）在自动方式下，当井下压力低于设定压力下限时，两组风机将同时投入工作运行，同时并发出指示和报警信号。
（4）模拟量瓦斯输入，当矿井瓦斯浓度大于设定报警上限时，发出指示和报警。
基于PLC的矿井通风控制系统设计摘要本文提出了一种基于PLC的矿井通风控制系统设计。
首先，对矿井通风控制的基本原理进行了介绍和分析；其次，结合矿井通风控制的特点，设计了系统的硬件和软件；最后，通过实验验证了系统的可行性和稳定性。
结果表明，该系统具有较高的控制精度和反应速度，能够有效地保障矿工的生命安全和矿井的正常运行。
关键词：PLC；矿井；通风控制；可行性；稳定性AbstractThis paper proposes a design of mine ventilation control system based on PLC. Firstly, the basic principles of mine ventilation control are introduced and analyzed; secondly, the hardware and software of the system are designed with the characteristics of mine ventilation control; finally, the feasibility and stability of the system are verified through experiments. The results show that the system has highcontrol accuracy and response speed, which can effectively ensure the safety of miners' lives and the normal operationof the mine.Keywords: PLC; mine; ventilation control; feasibility; stability1. 前言矿井通风控制是保障矿工生命安全和矿井正常运行的关键环节。
基于PLC的矿井通风机监控系统设计【摘要】在煤矿的生产中，矿井通风系统作用极为重要，它是煤矿安全生产的重要部分。
而矿井通风机更为矿井通风系统的主要设备之一，所以针对这里的PLC控制的变频调速系统的设计和研究既能大大提高煤矿生产的机械化、自动化水平，又可以节省大量的电能，可以大大提高经济效益。
本文基于PLC对矿井通风机对PLC监测系统进行了设计。
【关键词】PLC控制；变频调速技术；矿井通风机1 系统的硬件设计1.1 主电路主电路中MA1、MA2为对旋式轴流风机的两台电机，交流接触器QA4、QA6控制MA1、MA2工频运行；交流接触器QA3、QA5控制MA1、MA2变频运行；QA1为主电路电源隔离开关；FA为主电路熔断器；BB1、BB2为电机MA1、MA2热继电器。
1.2 控制电路的设计在控制电路部分利用PLC进行控制可提高系统可靠性、节省大量的继电器、实现复杂逻辑控制及模拟量控制等。
控制系统为SiemensS7-200系列CPU226，同时外部扩展EM235和EM231模块。
控制系统接线。
1.3 变频器与PLC的连接以变频器的故障信号输出接PLC的I0.4端口，PLC的输出端口Q0.4与Q0.5接变频器的数字输入端DIN1和DIN3，用于变频器启动和停止控制。
压力传感器采集的信号经PLC处理后，由EM235模块的3口和5口输出，连接MM430变频器的AIN+和AIN-端口，进而控制两台电机的运行。
1.4 风量的控制算法通风机稳定运行时，风机的风量、风压、功率与转速有以下关系：Q1/Q2=n1/n2 ；P1/P2=（n1/n2）2 ；N1/N2=（n1/n2）2n1、n2—通风机调节前后的转速，r/min；P1、P2—通风机转速调节前后的风压，Pa；N1、N2—通风机转速调节前后的功率，W。
风机工频运行时在稳定工作区出气静压为88.2一2296.0Pa，风机管道出气风量为1.50-2.66m3/s设某井下工作要19人，每人每分钟需出气风量5m3/s，可算出要求的出气风量为Q=1.6m3/s。
20 届本科毕业设计（论文）文
献综述
题目基于三菱PLC矿井通风机监控系统的设计
学院
年级专业
班级学号
姓名
指导教师职称
一、课题背景意义
煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井内工作环境条件，生产效率，安全生产密切相关。
随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加大，尤其对煤矿生产的安全要求越来越高，对煤矿矿井通风系统进行技术改造，提高其运行稳定性，可靠性，节能性等势在必行。
我国煤矿的重、特大瓦斯事故所造成的井下人员大量伤亡均源于通风系统抗灾能力不足致使正常生产时的分区通风在瓦斯爆炸条件下受到破坏爆炸气体进入了爆源以外的广泛区域使其他通风分区乃至全矿井下的人员中毒死亡。
煤矿安全规程对煤矿通风有严格的要求和限制特别在高突矿井明确禁止使用串联通风。
因此以各采掘工作面为核心的分区通风成为了煤矿通风的基本规定和实践。
在矿井灾变条件下维持正常分区通风的能力是评价矿井通风系统抗灾能力的基本考虑因素。
除巷道布置这一重要但难以调整的因素之外分区通风及风量分配调节主要依靠于风门、风窗等通风设施的应用其类型、数量、分布上的合理性是影响通风系统合理性的基本因素扇风机及通风构筑物受矿井生产活动及灾变影响而失去原定功能时矿井通风维持在合理水平上的能力则是通风系统可靠性的重要标志。
二、课题的主要任务和目标
本论文设计的主要任务是针对矿井通风系统中主扇风机的运行的控制。
通过对通风机电机定子温度的实时监控，良好的掌握风机电机的工作状态，保证风机能正常的工作，在风机出现工作疲软或者效率降低的情况下切换风机的运行，达到整个通风系统的稳定运行，从而为井下工作创造良好的环境，保证生产的安全。
同时还通过传感器对井内空气压力，瓦斯浓度等数据进行实时的监控，以保证安全的工作条件，减少事故的发生。
同时使用触摸屏对系统进行控制，监控，提高了系统的稳定性及可视性。
其中通过变频器对电机速度的调节达到调整风机转速的目的，最终实现风量的调节，根据风量和风压的调节能使在节能和提高风机效率方面性能大大提高。
本控制系统具有通风机组的启动、互锁和过热自动切换等功能。
因设计系统中使用了PLC所以与使用常规继电器实施的通风系统相比，具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点，PLC的自动控制功能和程序话工作方式使通风系统的自动化程度大大提高，降低了岗位人员的劳动强度。
PLC和变频器与空气压力变送器，以及瓦斯浓度检测器的配合使用，使系统控制的可靠性和安全性一级稳定性大大提高，降低了通风机运行的成本，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。
三、矿井通风机的特点及分类
地面主扇风机其整体性好，并且采用内置防爆电机拖动,不受外界干扰。
风机的主要特点是：
浴炉。
盐浴炉是以熔融盐为加热介质将工件浸入盐浴内加热的一种工业浴炉。
工作
1、本设计采用电机与叶轮直联的方法，简化了传动结构，改变了当前煤矿抽出式轴流风机全部采用皮带轮传动或长轴传动的复杂结构，使维修和操作方便。
2、本设计配套电机为YB系列的YBFe派生系列，隔爆型三相异步电机。
电机置于全封闭型，并具有一定耐压强度的密闭散热罩中并于外界非瓦斯气相通。
使电机始终处于无瓦斯空气之中运行，起到了双重隔爆效果。
3、风机与扩散器之间设置后导叶，以提高静压效率，使得节能效果显著。
与目前使用的局扇群相比，可节电六倍，与离心式风机相比可节电40%。
4、该机可以反转反风，不必另设反风道，具有节约基建投资和反风速度快的优点。
5、叶轮的叶片安装角度可以调整，其范围为：30度、33度、36度、39度、42度五个角度级。
在使用同一规格风机中，可根据生产扩大的要求来调整叶片安装角度。
6、该机配置了防止摩擦火花装置，确保了整机安全防爆性能。
7、该机采用特殊设计，性能曲线无驼峰，在任何网络阻力情况下，均能稳定运行。
四、课题实现的基本要求
通过启动按钮启动系统后，空气和瓦斯传感器开始监测井下工作环境，同时控制变频器1开始运行，1#风机开始工作，同时定子温度传感器监测1#风机电机定子温度，并通过温度变送器将定子温度的模拟值转换为标准的模拟信号4-20Ma，并且送至PLC 模数转换模块FX2N-4AD中，FX2N-4AD将送达的标准模拟信号转换为PLC可以读取的二进制形式的数字语言，并且通过程序设定，将此温度值与预先设置的温度值进行比较，并且送至触摸屏一个信号进行显示使用。
若改温度值大于预先设置的温度值，说明风机温度过高，系统通过程序的运行自动切换2#风机变频器运行，2#风机开始工作，同时1#风机停止运行。
当2#风机电机定子温度达到预设值时再次切换1#风机，如此循环往复，使两个风机轮流投入工作。
保证整个系统的稳定运行。
风机运行的工作过程中，空气压力压力传感器与瓦斯浓度检测器也通过变送器将其检测值送人PLC中进行运算及格式转换，当空气压力低于预设值时，同时强制两风机同时工作增大鼓风量，直至空气压力大于设定值，当瓦斯浓度值高于设定值时，切断井下电源，保证安全，同时通过触摸屏以及报警器输出报警信号。
五、主要完成任务：
1实现信号采集与实时监测，包括风机的运行状态、故障状态、轴承温度、定子温度、电压、电流、功率、效率等。
2在变频运行时，该系统能根据压力传感器的模拟量输入，经PLC内部运算，计算出系统满足安全生产所需的风量大小对应的变频器输入电压值，经扩展模块模拟量输出控制变频器自动调整风机的转速。
3本系统能实现多种报警功能，如风机定子，轴承温度超限，瓦斯浓度过高报警，以及变频器出现故障及时报警，及时处理的功能。
4 用工程制图软件绘制系统主电路图和PLC及扩展模块接线图。
5 用三菱FX2N编程软件编出PLC梯形图。
6模拟风机运行情况，用步科触摸屏软件绘制煤矿主通风机在线监测系统主界面和PLC控制变频器调速系统主界面。
瓦斯浓度、风压、轴承温度等监控量的趋势曲线、超限报警和数据报表功能
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学生（签名）。
