基于plc的矿用通风机监控系统的设计.doc
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基于plc的矿用通风机监控系统的设计.doc
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学号
10212410310
毕业设计(论文)
基于PLC的矿用通风机监控系统的设计
教学系:
信息工程系
指导教师:
专业班级:
自动化1103
学生姓名:
二零一四年五月
毕业设计(论文)任务书
学生姓名
专业班级
自动化1103
指导教师
工作单位
设计(论文)题目
基于PLC的矿用通风机监控系统的设计
设计(论文)主要内容:
1、设计矿用通风机监控系统的总体方案;
2、设计系统的硬件电路;
3、设计系统的程序;
4、运行系统并调试。
要求完成的主要任务及其时间安排:
1、论文应包括以下几个部分:
任务书→开题报告→目录→摘要→ABSTRACT→绪论→正文→结论(或结束语)→致谢→参考文献→附录;
2、在论文的正文部分应包括:
系统的总体方案设计、PLC控制系统硬件及软件,组态监控部分、器件的选择、上下位机通信调试及结果分析等。
3、毕业设计成果在文字上要求字数10000字以上。
4、设绘工作量:
不少于3张图纸。
5、阅读文献不低于10篇,其中外文文献不少于2篇。
要求完成的主要任务及其时间安排:
1、第1-2周布置毕业设计任务书,查阅文献资料,了解设计选题的主要内容;
2、第3-4周完成开题报告;
3、第5-6周完成系统,硬件选择与设计;
4、第7-9周完成系统软件设计;
5、第10—13周系统或相关环节进行调试、仿真或试验,验证设计的正确性、可行性。
撰写毕业设计报告(初搞-修改-定搞);
6、第14周根据指导老师和答辩小组评阅的意见修改论文;
7、第15周毕业答辩。
必读参考资料:
[1]柳春生编著.电器控制与PLC.机械工业出版,2010.
[2]常斗南主编.PLC运动控制实例与解析(西门子).机械工业出版社,2009.
[3]李新光等.过程检测技术.北京:
机械工业出版社2004.9
[4]王志锋主编.工控组态软件.电子工业出版社,2007.
指导教师签名:
教研室主任签名:
毕业设计(论文)开题报告
题目
基于PLC的矿用通风机监控系统的设计
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析):
煤矿的安全生产中,矿井通风系统起着极其重要的作用,它是煤矿安全生产的关键环节。
而矿井通风机又是矿井通风系统的主要设备之一,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,因此对其进行PLC控制的变频调速系统的设计和研究,不仅可以大大提高煤矿生产的机械化、自动化水平,还能节省大量的电能,具有较高的经济效益。
我国煤矿通风机监控系统虽然有了较长时间的发展,但整体发展相比国外还是比较落后,据统计,煤矿事故70%以上是由于通风设备故障、通风管理不善等所造成,因此对井下通风系统以及通风设备的监测监控有了更高的要求。
现如今高压变频技术、智能控制技术、传感器技术、现场总线技术以及工业以太网技术的迅速发展,为煤矿生产规模的扩大、生产效率的提高提供了技术支持,煤矿生产中可以利用设备在线监测监控等相关技术,实时调节风机运行状态,及早发现故障隐患,这样不但提高了煤矿生产的安全性也提高了生产效率。
本监控系统就是在此背景下提出的。
国外很早就对风机进行了研究。
至90年代,一般的风机均配有在线监控系统,集保护、检测、控制于一体,不但能实现风量的自动调节,主要能进行故障诊断,预测使用寿命,预报维修极限,成功地对风机进行检测,有效的保证了矿井通风系统的安全运行。
美国煤矿使用的主风机以轴流式为主,近年来开始采用在运行中可以改变叶片角度的液压式动叶可调风机,这种风机的优势是节能效果突出。
德国以TLT公司为代表,采用液压式动叶调节的轴流通风机,其运行效率可保持在83%~88%以内[1]。
国内在风机的风速调节和运行效率方面起步比较晚,风量调节方法比较落后,需要在停机的情况下进行手动调节或者是隔一段时间才能调节一次。
这种人工操作方法只能做到阶段性调节而不能做到及时连续自动调节,这种方法实时性差,风量控制不准确,自动化程度不高;另外,我国煤矿主通风机一般都在远离煤矿管理部门的井田边缘,通风设备的管理由于风量参数不能实现在线监测而成为煤矿自动化管理的薄弱环节。
而且大部分厂家只对设备进行简单的点测,或是对风机进行简易的诊断,可想而知其风机的不可靠性。
近几年来,才陆续有几家大中型企业开始安装专用检测诊断设备对风机进行了长期检测,可以看出,我国自动化工艺与国外还是存在着一定的距离。
2.基本内容和技术方案:
图1控制结构图
基本内容:
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、负压、流量、轴承振动、轴承温度、定子温度、电压、电流、功率、效率等。
2控制系统能实现风机手动和自动变频运行的切换,使风机处于工频或变频运行状态。
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,电动机振动异常报警,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STEP7-Micro/WIN编程软件编出PLC梯形图。
3.进度安排:
第1-2周布置毕业设计任务书,查阅文献资料,了解设计选题的主要内容;
第3-4周完成开题报告;
第5-6周完成系统,硬件选择与设计;
第7-9周完成系统软件设计;
第10—13周系统或相关环节进行调试、仿真或试验,验证设计的正确性、可行性。
撰写毕业设计报告(初搞-修改-定搞);
第14周根据指导老师和答辩小组评阅的意见修改论文;
第15周毕业答辩
4.指导老师意见:
指导教师签名:
年月日
郑重声明
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。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
本人签名:
日期:
目录
摘要……………………………………………………………………………………………………1
Abstract…………………………………………………………………………………………………2
1绪论 8
1.1矿井通风系统简介 11
1.2国内外研究状况 11
1.3课题的主要研究内容 12
2通风系统及主扇风机控制方案 3
2.1通风系统的设计方案 4
2.2矿井主扇风机的控制方案 5
2.2.1矿井主扇风机概述 5
2.2.2矿井主扇风机的供电系统 5
3系统硬件构成及各部分功能 6
3.1PLC可编程控制器部分 6
3.1.1PLC概述 6
3.1.2PLC的应用 7
3.1.3典型的PLC产品 7
3.1.4PLC外部I/O连接 7
3.1.5I/O接线图 9
3.2变频器 10
3.3变频器的选型和容量的确定 10
3.4离心风机 11
3.5模数转换模块 13
4通风系统硬件的设计 14
4.1硬件电路 14
4.2系统控制电路设计 15
5软件设计 15
5.1通风系统的主要参数监控 25
5.2瓦斯浓度控制 15
5.3压力的监测 16
5.4温度的监测 18
5.5流量的监测 19
5.6电气参数的测量与监测 20
5.7振动的监测 20
5.8信号采集设备 20
6结论 22
参考文献 22
附录A 23
致谢...............................................................................31
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
ABSTRACT
Programmable 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
1绪论
1.1矿井通风系统简介
矿井通风系统是矿井通风方式、通风方法和通风网络的总称,基本任务是:
供给井下足够的新鲜空气,满足人员对氧气的需要,冲淡井下有毒有害气体和粉尘,保证安全生产,调节井下气候,创造良好的工作环境,所以本设计主要是对通风系统内的风压风量及瓦斯浓度的控制。
矿井通风系统由影响矿井安全生产的主要因素所决定。
根据相关因素把矿井通风系统划分为不同类型。
根据瓦斯、煤层自燃和高温等影响矿井生产安全的主要因素对矿井通风系统的要求,为了便于管理、设计和检查,把矿井通风系统分为一般型、降温型、防火型、排放瓦斯型、防火及降温型、排放瓦斯及降温型、排放瓦斯及防火型、排放瓦斯与防火及降温型几种,依次为1-8八个等级。
矿井通风方式有串联通风和并连通风两种。
按进回风巷在井田位置不同,通风系统分为中央式、对角式、分区式和混合式矿井通风系统。
矿井通风系统是由通风机和通风网络两部分组成。
风流由入风井口进入矿井后,经过井下各用风场所,然后进入回风井,由回风井排出矿井,风流所经过的整个路线称为矿井通风系统。
矿井通风方法以风流获得的动力来源不同,可分为自然通风和机械通风两种。
(1)自然通风:
利用自然气压产生的通风动力,致使空气在井下巷道流动的通风方法叫做自然通风。
自然风压一般都比较小,且不稳定,所以《煤矿安全规程》规定:
每一矿井都必须采用机械通风。
(2)机械通风:
利用扇风机运转产生的通风动力,致使空气在井下巷道流动的通风方法叫做机械通风。
采用机械通风的矿井,自然风压也是始终存在的,而且也并在各个时期内影响着矿井的通风工作,在通风管理工作中应给予充分重视。
矿井通风系统的基本要求是:
1.每个矿井,至少要有两个通到地面的安全出口。
2.进风井口要有利于防洪,不受粉尘,有害气体污染。
3.北方矿井、井口需装供暖装备。
4.总回风巷不得作为主要人行道。
5.工业广场不得受扇风机噪音干扰。
6.装有皮带机的井筒不得兼作回风井。
7.装有箕斗的井筒不应作为主要进风井。
8.可以独立通风的矿井,采区应尽量独立通风,不宜合并一个通风系统。
保证系统能够独立地进行工作,这样当一个矿井出现故障时,另一个矿井的通风工作不受影响。
使生产不受大面积的受阻。
9.通风系统要为防治瓦斯、火、尘、水及高温创造条件。
10.通风系统要有利用深水平或后期通风系统的发展变化[6]
1.2国内外研究状况
矿井通风系统分析技术现状煤矿通风系统是保障安全生产的基础同时又受制于煤层地质条件及由此形成的矿山井巷系统的特点。
近年来煤矿扩能及生产的集约化成为了普遍的趋势矿井装备水平迅速提高系统有了明显的简化。
但是现在仍有大量开采多年的老矿系统极为复杂大量新井产能的高度集中造成了系统新的隐患矿井在日常生产中所遵从的分区通风格局抗灾能力不足在强烈的扰动面前有可能形成严重的风流紊乱因而需要有预先的判断和分析矿井主扇和通风构筑物作为矿井通风系统的重要构成部分其参数选取、布局、可靠性等均对系统的合理运行起着重要的作用[1]。
因此矿井通风系统的合理性、可靠性和抗灾能力分析对于防止通风瓦斯及煤层自燃等意外的出现对于矿井预防处理通风瓦斯意外及灾变的能力对于提高矿井安全管理水平均有着重要的作用。
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。
研究瓦斯爆炸对分区通风的破坏机理对瓦斯爆炸条件下通风系统的抗灾能力予以定量评价和分级研究灾变条件下维持分区通风的条件和相应措施对于提高通风网络的抗灾能力有着现实的意义。
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。
矿井通风是一个古老的技术领域但对灾变条件下维持分区通风的相关技术、特别对于瓦斯爆炸与通风系统的相互作用缺乏必要的理论与实验研究。
我国瓦斯爆炸频发许多爆炸力学工作者对气相爆轰进行过深入研究瓦斯爆炸方面的文献十分丰富但现有的成果与煤矿井下的实际尚有较大差距如井下特有的结构设施、巷道特征等等研究煤矿井下结构设施与瓦斯爆轰波及冲击波相互作用的成果较少井下通风设施抗爆强度的理论研究基本是空白现有的文献多限于事故现象的简单描述。
深入系统地研究煤矿井下瓦斯燃爆的物理机制及其灾害效应对于正确评价分析煤矿预防瓦斯爆炸安全等级、科学地改进井下通风设施和巷道布置具有极其重要的学术价值和实际意义。
在此基础上模拟了氢氧燃烧驱动的破膜过程以及破膜前后压缩波、稀疏波对火焰阵面的影响。
同时也研究了瓦斯爆炸过程中压力波、火焰与障碍物的相互作用。
近几年国内学者开展了瓦斯煤尘爆炸机理、传播规律及防治对策的研究工作同时也揭示了瓦斯爆炸火焰的结构特征及其影响因素揭示了瓦斯爆炸过程中爆炸波的特征参数变化规律及其影响因素开展了壁面热效应对瓦斯爆炸传播规律影响作用的实验研究建立了管内瓦斯爆炸能量平衡方程。
通过理论分析、数值模拟和实验研究煤矿井下巷道条件对瓦斯爆炸及其冲击波衰减的影响规律研究各种通风设施结构与爆轰波、冲击波的相互作用研究各种通风设施结构在冲击波载荷下的破坏过程和极限强度将能够对矿井分区通风的抗灾能力对矿井通风系统的合理性、可靠性及抗灾能力予以定量的评价和分级这些都是当前该研究领域的前沿课题。
[10]
1.3课题的主要研究内容和机构安排
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。
目前煤矿矿井通风系统的控制系统,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;如果工作通风机不采用变频控制,那么矿井通风量的调节方法,只能依靠两个垂直风门提起的高度,和调节风机扇叶的数量和角度。
那么主通风机就会一直高速运行,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,也会造成很大的能源浪费。
针对这一系列问题,随着电子技术和微电子技术的迅速发展,PLC和变频器正成为通用、廉价和性能可靠的控制和驱动设备,得到广泛的应用。
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,使矿井中用的离心通风机通风高效、安全,达到了明显的节能效果。
由PLC控制的变频调速离心风机的通风系统,具有较高的可靠性和较好的节能效果,易于组建成整体的自控系统,很方便地实现各种控制切换和远程监控。
PLC控制系统还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。
1.3.2本文结构安排
本论文以矿井对旋轴流风机为研究对象,以西门子S7-200可编程逻辑控制器作为监控核心,运用温度,压力,振动等传感器和电量采集单元对风机运行状态以及各种电量参数进行检测。
同时,利用PLC和上位机之间的通信实现通风机运行的在线监控。
本论文还讨论了利用变频器控制通风机的变频运行,实现风机的高效节能运行。
具体地说,本论文的主要研究内容如下:
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、负压、流量、轴承振动、轴承温度、定子温度、电压、电流、功率、效率等。
2控制系统能实现风机手动和自动变频运行的切换,使风机处于工频或变频运行状态。
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,电动机振动异常报警,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STEP7-Micro/WIN编程软件编出PLC梯形图。
6用PROFIBUS-DP现场总线和工业以太网完成对PLC通信网络的组建。
7模拟风机运行情况,用组态王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。
并生成性能参数实时曲线和历史趋势曲线,监测数据归档、数据报表查询及打印,以及瓦斯浓度、风量、风压等监控量的趋势曲线、超限报警和数据报表功能。
2通风系统及主扇风机控制方案
本论文设计的矿井主扇风机的控制主要是对风压、风量及瓦斯浓度的的调节和控制两部分。
风机风量的调节中引入变频器对风机风速的调节,据所需风量和风压大小通过变频器来调节风机的转速在节能和提高风机效率方面具有无与伦比的优点。
本控制系统具有离心通风机组的启动、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
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