矿山空气压缩机智能监控控制仿真系统毕业设计说明书(编辑修改稿)

矿山空气压缩机智能监控控制仿真系统毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

36 变频器工作原理 36 工艺要求 36 参数设置介绍 36 变频器的下位机设计 37 结 论 39 参考文献 40 致 谢 41 吉林化工学院毕业设计说明书 1 第 1 章 绪论 引言 在煤矿采煤生产中，空气压缩机（简称：空压机）主要负责向矿井大量的风动机械提供动力，其工作的可靠 性和安全性直接影响着矿山的正常生产和经济效益。 目前大部分空压机 存在着控制方式落后、操作不方便的问题。 控制回路大多为继电器控制，控制方式采用就地分散式人工操作，由固定人员 24 小时值守，值守人员根据井下用风量的需求手动启动或者停止空压机， 并且定时巡检、记录运行状况。 另外，空压机 耗电量很大，其中有相当长时间是在空载或轻载状态下运行，导致能耗大、机器受 损严重、运行成本较高。 因此，设计一个操作方便、功能完善的全自动集中监控系统，对空压机 进行监控和保护，提高空压机的工作效率，降低能耗，延长使用寿命，有着重要的现实意义 [1]。 可编程控制器（ PLC）是一种新型的通用控制装置，他将传统的继电器控制技术、计算 机控制技术和通信技术融为一体，专为 工业 控制而设计，具有功能强、通用灵活、可靠性强、环境 适应性好、编成简单、使用方便、体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。 近年来，随着可编程控制器的日渐成熟，越来越多设备的控制都采用 PLC 控制器来代替传统的继电器控制，并取得了很好的经济效益。 随着煤矿 现代 化的 发展 ，矿山对矿山设备的要求越来越高 ,建设本质安全性矿山已成为煤矿生产建设的核心。 矿山设备不断更新，不断进步，可靠性、易操作性、 可监视性、易维护性等已是最基本的要求了。 用继电器搭成的控制电路具有可靠性差、不易维护、不易监视，已不能适应当前的要求。 现在迫切需要可靠性高、易维护、易操作、可监视并且价格不高这样的控制器来代替继电器搭成的电路 [2]。 随着 电子 技术、软件技术、控制技术飞速发展，可编程控制器（ PLC）发展迅猛，性能很高，价格较为合理，与继电器搭的控制电路比具有非常大的优势。 许多矿山设备已选用了 PLC 来代替比较重要的设备控制。 传统的 保护主要采用分离仪表，其可靠性差、 集成 度低、费用高，不能有效的满足矿山设备投入的经济性和安全性的要求。 课题背景及意义 本设计研究的主要内容是矿山空气压缩机的智能监控 系统，主要是设计一套独立的由可编程控制器 PLC、智能调节器、调节阀及各种检测仪表组成的机组监控系统，以保证压缩机组的安全可靠地运行。 对于空气压缩机的正常运行，我们主要关心各个参数（温度，压力 ）是否正常。 以往的操作人员不得不亲自到现场去检测各个表的读数，不但费时费力，而且对操作人员矿山空气压缩机智能监控 控制仿真 系统 设计 2 的耳膜有损坏，一旦有些参数发生异常情况不能及时反映给操作 人员，就很容易损坏机器，影响机器的运行，造成成本过高。 同时，操作人员还得对某些参数进行记录 ， 这是一项繁琐的工作，不仅增加了工作量，还增加了运行成本。 随着计算机应用在工业领域的日益发展， SIMATIC WinCC 工业组态软件顺应而出。 它的出现，大大简化了人员和设备配置。 高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据使其具有高度的实用性 [3]。 WinCC 组态软件能充分利用 Windows 强大的图形编辑功能，以动画形式显示监控设备的运行状态，方便构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据等，为工业监控软 件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。 此外，它还具有高度的开放性和可扩充性，可以连接第三方设备。 相比于以往的监测控制系统，我们只要在组态好的计算机图形界面上轻轻一点鼠标，就可以获需所要的信息，进行相应的操作。 它 不仅降低了运行成本，而且增加了系统的可靠性、稳定性和容错性。 它 具有的报警记录使我们能及时得知异常情况并找出错原因，它所具有的变量归档和报表打印使我们能大量存档并随时打印出来，以供分析。 WinCC组态软件已成为远程监控应用和大型过程控制的理想选择 [4]。 吉林化工学院毕业设计说明书 3 第 2 章 硬件选型 和地址 符号表 PLC模块的选择 PLC通过设计程序的梯形图逻辑以及上位机发出的指令 ， 完成对现场设备的控制和数据采集。 下位机 PLC在系统中要完成数据采集、状态控制、数据计算、向上位机传输数据及状态信号、功能保护连锁 ， 以及接受上位机传递来的相关地址内的数据 ， 并通过对应的地址模块进行处理和输出 ， 控制各个阀门的开关及电机的起动停止。 下位机全部采用西门子 SIMATIC S7系列 PLC。 在对控制对象和控制任务进行了分析和统计后，采用以下 S7300系列模块来组成本系统 [5]。 系统 原理 图如图 21所示。 图 21 系统原理图 1． 电源模块 PS307将 120/230交流电压转变为 24V直流电压，为 S7300提供电源。 考虑到负载模块 不是很多 ，故选取 5A的电源。 2． CPU模块 CP3152DP具有 24K字节的 RAM程序存储容量，通过背板总线为其提供5V电源后，可以通过 MPI口、 PROFIBUS主 /从口与上位机进行通讯。 3． 数字量输出 (DO)模块 SM322 本系统选择直流 16路继电器输出型数字量输出模块，其型号为： SM332 DO 16*DC24V/ 6ES7 3228BH010AA0。 本设计共 4个数字量输出，故选用 一 块该模 块。 4．数字量输入（ DI）模块 SM321本系统采用 16个数字量输入块。 其型号为： SM321 DI16* DC24V 6ES7 3211BH010AA0。 本次系统用了两个数字量输入。 矿山空气压缩机智能监控 控制仿真 系统 设计 4 5． 模拟量输入 (AI)模块 SM331 本系统采用 12位模拟量输入模块。 其型号为： SM331 AI8*12bit 6ES7 3317KF020AB0。 本次设计共 26个模拟量输入，故选用 四块 该模 块。 6． 模拟量输 出 (AO)模块 SM332 本系统采用 12位模拟量输入模块。 其型号为： SM332 AO2*12bit 6ES7 3325HB010AB0。 本次设计共 2个模拟量输入，故选用 一块 该模 块。 系统软件设计 计算机系统是整个系统的核心，包括两个部分：上位机监测系统和 PLC 控制系统。 上位机软件采用德国 SIMATIC公司的 WinCC(Windows Control Center)软件，定时采集各种仪表和监测传感器检测的信号。 可以进行监测报表的查询、打印以及压风机多种状态的图形输出。 此外，本系统还实现了与企业内部局域网的链接， PLC采集到的信号经过工业以太网传输到远程调度室，使企业授权人员 能浏览或者控制压风机的运行状况。 下位机全部采用西门子 SIMATIC S7系列 PLC， S7300控制器实现对空气压缩机的监控以及冷却水、气压等外围参数进行检测与控制 [6]。 PLC控制程序采用 SIEMENS公司提供的。 PLC主程序主要由系统初始化程序、集中控制程序、远程控制程序、全自动控制程序、误操作提示程序、模拟量 (压力、液位、温度等 )采集处理程序、参数设置程序和报警程序等构成。 图 22 S7300 组态中导入智能仪表的 GSD 文件 PLC与温度、压力等参数的采集模 块的通信是采用 PROFIBUS现场总线进行数据交吉林化工学院毕业设计说明书 5 换。 对于本系统，根据煤矿现场条件、传输距离、传输速率、传输可靠性等要求， PROFIBUS总线是最经济最适合本系统的监控层的网络结构。 在本 S7300PLC控制系统中，只需要在 STEP7中导入智能仪表的 GSD文件然后进行相应的组态即可。 如图 22所示。 S7300PLC通过 RS485与通风机房各高压柜中的微机保护装置通信，收集各高压柜的遥测、遥信数据 [7]。 解析上传的遥测、遥信等报文，并分类存储在内部存储器中。 通过配备的触摸屏系统可以实现遥测、远程信息的现场 集中显示。 通信 PLC与 WinCC的通信中，在对过程驱动程序进行配置以前，应满足以下条件： 1． PLC配备一个通讯接口， WinCC通过过程驱动程序来支持该通讯接口； 2． PLC的通讯接口必须适当配置，以便使控制程序能借助于通讯调用功能访问该接口； 3． WinCC所要访问的标签地址（取决于使用的 PLC）必须正确； 4． 在 WinCC内部安装相应的通讯硬件； 5． 为了能够在运行方式下访问标签， PLC必须与过程取得连接，并与 WinCC系统的物理连接安装完好 [6]。 WinCC与 PLC之间的过程通讯结 构如图 23所示。 W i n C C 应 用 程 序W i n C C 数 据 管 理器通 讯 驱 动 程 序（ W i n C C ）通 道 单 元（ W i n C C ）硬 件 驱 动 程 序（ W i n C C ）通 讯 模 块控 制 程 序P L C 图 23 WinCC 与 PLC 之间的过程通讯结构 矿山空气压缩机智能监控 控制仿真 系统 设计 6 地址和变量的配置 输入地址 输入地址 （ AI） 如表 21 所示： 表 21 输入地址符号表 输入符号 输入地址 1风压模拟量输入值 PIW2 1二级排气模拟量输入值 PIW4 1一级气压模拟量输入值 PIW6 1缸体压力模拟量输入值 PIW8 1出水管温度模拟量输入值 PIW10 1总水管压力模拟量输入值 PIW12 1风包温度模拟量输 入值 PIW14 1电机温度模拟量输入值 PIW16 1一级气缸温度模拟量输入值 PIW18 1缸体温度模拟量输入值 PIW20 1出水管温度模拟量输入值 PIW22 1二级温度模拟量输入值 PIW24 2风压模拟量输入值 PIW26 2二级排气模拟量输入值 PIW28 2一级气压模拟量输入值 PIW30 2缸体压力模拟量输入值 PIW32 2出水管温度模拟量输入值 PIW34 2总水管压力模拟量输入值 PIW36 2风包温度模拟量输入值 PIW38 2电 机温度模拟量输入值 PIW40 2一级气缸温度模拟量输入值 PIW42 2缸体温度模拟量输入值 PIW44 2出水管温度模拟量输入值 PIW46 2二级温度模拟量输入值 PIW48 1液位模拟量输入值 PIW50 2液位模拟量输入值 PIW52 输出地址 输出地址 （ AO/DO） 如表 22 所示： 吉林化工学院毕业设计说明书 7 表 22 输出地址符号表 输出符号 输出地址 1报警 2报警 1停车 2停车 1阀开度输出值 PQW2 2阀开 度输出值 PQW4 信号采集 S7300为每个本机数字量输入提供脉冲捕捉功能。 脉冲捕捉功能允许 PLC捕捉到持续时间很短的脉冲。 而在扫描周期的开始，这些脉冲不是总能被 CPU读到。 当一个输入设置了脉冲捕捉功能时，输入端的状态变化被锁存并一直保持到下一个扫描循环刷新。 这就确保了一个持续时间很短的脉冲被捕捉到并保持到 S7300读取输入点 [8]。 矿山空气压缩机智能监控 控制仿真 系统 设计 8 第 3 章 下位机程序 设计 矿山空气压缩机控制系统的工艺流程 其流程图如图 31所示。 图 31 程序流程图 启动 检测传感器信号 启动变频器 超限 空压机启动 泵和气镐启动 检测信号 检测报警信号 检测停机信号 空压机报警 空压机停机 确认报警 是 否 检测故障 吉林化工学院毕业设计说明书 9 首先传感器启动，采集信号对于空压机是否超限，如果不超限则启动变频器，启动电机来带动空压机运动，产生气流给气泵和气镐提供气源。 气镐 用于矿山开矿。 气泵 用于 从山下输送水。 保证正常的生活用水。 当空压机启动后，实时检测数据，当出现报警或者停机时及时检查或者停止空压机。 确认错误以后重新启动空压机。 下位机程序设计 S7300 硬件 的配置 1． 打开桌面上的 SIMATIC Manager 快捷图标，按照。