毕业设计论文-基于plc的煤矿空压机控制系统设计

毕业设计论文-基于plc的煤矿空压机控制系统设计内容摘要：

能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制， PLC 采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。 以上两个主要原因，使得 PLC的 I/O 响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢得多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个 扫描周期甚至更长。 所谓 I/O 响应时间指从PLC 的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。 PLC 的主要特点 (1)高可靠性 1)所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离。 2)各输入端均采用 RC 滤波器，其滤波时间常数一般为 10～ 20ms。 3)各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 12 4)采用性能优良的开关电源。 5)对采用的器件进行严格的筛选。 6)良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况， CPU 立即采用有效措施，以防止故障扩大。 7)大型 PLC 还可以采 用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统 ,使可靠性更进一步提高。 (2)丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、 强电或弱电等。 有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人 机对话的接口模块。 为了组成工业局部，它还有多种通讯联网的接口模块等等。 (3)采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝 大多数 PLC均采用模块化结构。 PLC 的各个部件，包括 CPU、电源、 I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 (4)编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 (5)安装简单，维修方便 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。 使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。 各种模块上均有运行和故障指示装置，便 于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 13 4 基于 plc 的煤矿空压机控制系统设计方案 控制系统组成 控制系统由以下部分组成：变频器、可编程控制器、电抗器、压力变送器、接触器、空气开关、电流表、电压表、按钮、互感器等。 基于 PLC 的控制系统原理图如图 41 所示。 图 41控制系统简图 PLC 由电源、 CPU、模拟量 输入、输出模块、开关量输入、输出模块等组成。 其用来实现电气部分的控制。 包括五部分：起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。 起动：三台电机 M1， M2， M3 如图 41所示，可以通过转换开关选择变频 /工频启动。 运行：正常情况，电机 M1 处于变频调速状态，电动机 M M3 处于停机状态。 现场压力变送器检测管网出口压力，并与给定值比较，经 PID指令运算，得到空压机 空压机 空压机 M1 M2 M3 压力变送器 变频器 PLC 电源 储气与供气管道 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 14 频率信号，调节变频器的输出频率，以调节电动机的转速，达到所需压力的目的。 停止：按下停止按钮， PLC控制所有的接触器断开，变频器停止工作。 切换：实现 M1， M2， M3 工频、变频相互切换。 报警及故障自诊断：空压机内部一般有四个需要监测的量：冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。 控制系统的工作原理 启动前，将变频器的机组开关置于欲工作的机组，工作方式选择置于变频位置，将 PLC 的控制开关置于运行状态，按下启动按钮，机组运行。 1 空压机变频启动，转速从零开始上升，若达到预设的频率上限值 50Hz 时，延时一段时间后风包出口处的压力仍不能达到预设的压力值 (～ )，则由 PLC 通过控制中间继电器的通断将 1 空压机切换到 工频运行，同时将 2空气压缩机切换到变频状态，变频启动 2空压机。 若 2空压机达到频率上限时，延时一段时间后仍不能满足要求，再自动将 2空压机切换到工频运行，变频启动 3空压机。 当用风量减小，若 3台空压机同时运行时， 3 空压机变频运行而此时变频器的频率降到频率的下限值 20Hz 时，则自动停止 1空压机，若还不能满足要求，则自动停止 2 空压机的运行。 当空压机在运行的过程中出现机体温度过高，润滑油温度过高，风包温度过高，分包压力过高及润滑油压力过高，断水等故障时，系统会发出声光报警信号，提示有关的工作人员及时 地排除故障。 控制系统工作流程如图 42所示。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 15 图 42 控制系统流程图 开始 变频器启动 频率上限是否达到 频率下限是否达到 监测参数是否正常 是否有停机信号 停机 转化为工频运行并把变频器切换到下一台空压机 当前空压机停机并把变频器复位 报警延时 Y Y N Y Y N N 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 16 该系统具有手动和自动两种运行方式： (1)手动运行方式 选择此方式时，按启动按钮空压机或停止按钮，可根据需要而分别启停各空压机。 这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。 (2)自动运行方式 在自动运行方式下开始启动运行时，首先打开冷却水阀，关闭供气阀， 1空压机变频交流接触器吸合，电机与变频器连通（启动过程如图 43）变频器输出频率从 0Hz 开始上升，此时压力变送器检测压力信 号反馈 PLC，由 PLC 经PID 运算后控制变频器的频率输出；如压力不够，则频率上升至 50Hz， 延时一定时间后，将 1空压机切换为工频， 2空压机变频交流接触器吸合，变频启动 2空压机，频率逐渐上升，直至供气压力达到设定压力，依次类推增加空压机。 变频调速系统将管网压力作为控制对象，装在储气管出气口的压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给 PLC内部 PID 调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按既定的 PID 控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和逆变频率。 当压力小于设定值时，频率升为 50HZ，延时30s 后，若测量值仍小于设定值，则变频器切换为工频运行，同时变频器启动下一台空压机，依次启动各台空压机。 当压力大于设定值时，通过 PID 调节降低频率，当频率降为 20HZ，延时 30s 后，若测量值仍大于设定值，则变频器切换到下一正在运行的空压机进行调速，同时关闭当前机。 依次关闭各台空压机。 从而使实际压力始终维持在给定压力。 另外，采用该方案后，空气压缩机电动机从静止到稳定转速可由变频器实现软启动，避免了启动时的大电流和启动给空气压缩机带来的机械冲击。 正常情况下，空气压缩机在变频器调速控制方式下工作。 变频器一 旦出现故障， 煤炭生产 不允许空气压缩机停机，因此，系统设置了工频与变频切换功能，这样当变频器出现故障时，可由工频电源通过接触器直接供电，使空气压缩机照常工作。 整个控制过程如下： 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 17 用气需求 ↑ —— 管路气压 ↓ —— 压力设定值与 反 馈值的差值 ↑ —— PID输出 ↑ —— 变频器输出频率 ↑ —— 空压机电机转速 ↑ —— 供气流量↑ —— 管路气压趋于稳定 特别注意 ：为防止电机频繁起制动和变速， 在压力容差范围内，变频器的输出频率不变。 图 43启动过程 开始 上电初始化 冷却水压力 润油压力 电气故障 启动运行 报警及故障处理 N Ｎ Ｙ Ｎ Ｙ Ｙ 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 18 空 压机变频调速系统原理如图 44所示。 图 44 空压机变频调速原理图 空压机变频调速的要求： (1)空压机是大转动惯量负载，这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，故采用具有高启动转矩的无速度矢量变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，又可保证设备可靠稳定的运行； (2)空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转速过低，一方面使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损。 所以工作下限应不上位机 报警装 置 PLC 变频器 1空压机 2空压机 1空压机 检测变送装置 检测变送装置 检测变送装置 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 19 低于 20Hz； (3） 功率选用比空 压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁跳闸的情况； (4)为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音，提高电机的稳定性； (5)设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳保护时，不影响生产。 空压机切换工作过程 开始时，若 1空压机变频启动，转速从 0 开始随频率上升，如变频器频率达到 50Hz 而此时空气压力还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起的误动作）后， 1空压机切换为工频运行，同时变 频器频率由 50Hz下 降至 0Hz，2号空压机变频起动，如气压仍不满足，则会启动 3空压 机，切换过程同上；同样，若 3台空压机（假设 3）都在运行， 3空压 机变频运行降到 0HZ，此时气压仍处于上限值，则延时一段时间后使 1空压机 停止，变频器频率从 0HZ迅速上升，若此时供气压力仍处于上限值，则延时一段时间后使 2空压机 机停止。 这样的切换过程，有效的减少空压机的频繁启停，同时在实际管网对供气压力波动做出反应之前，由于变频器迅速调节，使气压平稳过渡，从而有效的避免了井下风动工具供气不足的情况发生。 切换过程 流程图如图 45所示。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 20 图 45 空压机切换流程图 开始 1空压机变频运 行 添加工作空压 机 1空压机变频运行 1空压机停止运行 减少工作空压机 变频器输出频率 变频器输出频率 变频器输出频率 上限 上限 延时 5s 延时 5s 延时 5s 上限 延时 5s 延时 5s 下限 下限 正常 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 21 在自动状态下系统启动时，首先 KM2 吸合， 1空压机在变频器控制下起动，延时 5s（延时是为了让压力稳定下来） PLC 对变频器的输出频率进行检测。 当检测到变频器下限频率信号则关闭 1空压机；反之当检测到变频器上限频率信号则 PLC 执行增加空压机动作： KM2 断开、 KM1 吸合， 1空压机改为工频运行并延时 1s（延时一是为了让开关充分熄弧，另一方面是为了让变频器减速为 0，KM4 吸合变频启 动 2空压机。 为了保护空压机及变频器， 1空压机的 KM1 与 KM2 之间进行了电气互锁。 当 2空压机投入变频运行后，延时 5s PLC 继续对变频器输出频率进行检测，当检测到变频器下限频率信号则关闭 1空压机，剩下2空压机在变频状态下运行，延时 5s 如果 PLC 再次检测到变频器下限频率信号则把 2空压机也关闭；反之当检测到变频器上限频率信号则 PLC 再执行增泵动作： KM3 断开、 KM4 吸合， 2空压机改为工频运行并延时 1s， KM6 吸合变频启动 3空压机。 依此类推，当 3空压机投入变频运行后，延时 5s， PLC 继续对变频器输出频率进行检测以决定执行增加或减少空压机动作来满足恒压供气目的。 另外为了方便故障检查维修。 在设计中增加了故障指示和故障报警输出，变频器本身具有短路保护、过载保护等功能，只需把变频器的故障输出点、接触器、热继电器等辅助触点接到 PLC 即可。 PLC 通过程序扫描这些输入点，如果发生故障则作出相应的动作。 如检测到一台空压机出现过载情况，则切断该空压机的接触器并投入备用空压机，同时输出故障信号，以方便检查及时维修。 通信方式 (1)上位机与 PLC 的通信 在工控领域中 PLC通常 作为下位机使用，工业计算机作为上位机，通过网络在线监视空压机的运行状况，查看压力、温度、运行时间、电机电压、电机电流、输出功率等实时数据，记录并存储历史数据，提供数据的查询和打印功能。 当现场设备有动作或者出现故障时能够弹出提示消息并记录存储下来。 在远程控制允许的情况下，值班人员还可以远程控制空压机。 远程监控方便了调度，提高了管理自动化水平，是煤矿信息化发展的需要。 其他元件包括手自动转换开关、紧急停止按钮、。