毕业设计基于s7300的田庄煤矿压风机监控系统.docx
- 文档编号:6617945
- 上传时间:2023-01-08
- 格式:DOCX
- 页数:48
- 大小:409.25KB
毕业设计基于s7300的田庄煤矿压风机监控系统.docx
《毕业设计基于s7300的田庄煤矿压风机监控系统.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计基于s7300的田庄煤矿压风机监控系统.docx(48页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
毕业设计基于s7300的田庄煤矿压风机监控系统
摘要
空气压缩机(简称空压机)是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的机械。
可编程控制器(PLC)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。
本设计方案采用PLC和变频器实现对空压机组的自动控制。
该方案采用变频器实现对空压机“一拖多”的控制,PLC实现变频器的工频与变频的转换控制,以及切换变频器对某台空压机进行控制。
系统利用压力传感器采集气包出口压力,通过变送器输出4~20毫安标准信号至PLC模拟输入端口,经过PLC内部PID算法逻辑运算,送出控制信号至变频器,变频器根据送来的信号改变输出电压的频率,来调节电机转速,以确保供气压力的恒定。
关键词:
空气压缩机;可编程控制器(PLC)控制系统;变频器;PID调节器
ABSTRACT
Pressurefanisthepowersourceofthecoalminepneumaticmachinery,isoneoftheimportantequipmentcoalmine.ProgrammableLogicController(PLC)tothetraditionalrelaycontroltechnology,computercontroltechnologyandcommunicationtechnologyintegration,specificallydesignedforindustrialcontrolanddesign.
ThedesignusesPLCandfrequencyconvertertorealizetheautomaticcontrolofaircompressor.Theprogramusesinverteroftheaircompressor"draggedmore"control,PLCtoachievetheinverterfrequencyandfrequencyconversioncontrol,andinverterswitchingcontrolofacompressorstation.CollectionsystemusingpressuresensorsOutletpressureairbag,transmitteroutputby4to20mAstandardsignaltothePLCanaloginputport,throughtheinternalPIDalgorithmPLClogicoperations,sendscontrolsignalstotheinverter.Accordingtothechangeoffrequencyconvertersentthesignaloutputvoltagefrequency,toadjustthemotorspeed,toensurethatthegussupplypressureconstant.
Keywords:
aircompressor;ProgrammableLogicController(PLC)controlsystem;inverter;PIDregulator
1绪论
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用。
同时,PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术、网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
同时,计算机监控系统是采用集中监测、集中控制、集中显示、集中管理、集中保存的系统,融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术,广泛应用在化工、供暖、机械、供水、水处理等多个领域,在工业生产中发挥越来越显著的作用。
1.1课题的背景和意义
1.1.1国内外压风机监控现状
空气压缩机是矿山生产重要的四大固定设备之一,它产生压缩空气,用以带动凿岩机、风动装岩机等设备及其他风动工具。
其能否安全运行直接影响着煤矿生产的产量和效益。
影响其安全生产的因素主要有空压机的超温、超压、断水、断油等。
随着煤矿现代化的发展,矿山企业对矿山设备的要求越来越高,建设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。
用继电器组成的控制电路可靠性差、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的控制器来代替继电器组成的电路。
随着电子技术、软件技术、控制技术的飞速发展,可编程控制器(PLC)发展迅猛,性能很高,价格较为合理,与继电器组的控制电路比具有非常大的优势。
当今国内外都注重PLC在矿山压风机集中监测中的应用,采用可编程控制器对压风机进行集中监测与控制改造,通过对现场出现的问题不断进行持续调整,达到了基本完善的集中监测与控制功能。
但国内起步较晚,在应用方面与国外发达国家相比还有一定差距.目前大部分煤矿未对矿井压风系统实施自动化技术改造,许多空压机组仍主要依靠就地分散式手工操作,需专人24h值班,根据井下用风量的需求手动启、停空压机,并定期巡检,记录运行状况。
传统的保护设备主要采用分离仪表,其可靠性差、集程度低、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。
空压机控制系统中PLC的引入极大地简化了空压机系统的操作,节省了人力并且提高了系统的安全性和稳定性。
基于PLC和变频器的空压机控制系统使工作人员可以在计算机集控下完成各项工作,大大减轻了工人的劳动强度,极大地节省了生产中所需的人力资源,也保障了生产和系统的安全。
1.1.2田庄煤矿及压风机房概况[1]
山东省田庄煤矿位于山东省济宁市高新区王因镇,于1997年3月建矿,采用地下开采,竖井开拓,生产能力为90万吨/年。
本区属山前冲积平原型地貌单元,暖温带半湿润季风气候,水文地质类型为岩溶裂隙类复杂类型。
矿区含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组,属于低瓦斯、低二氧化碳矿井。
田庄煤矿压风机房共设有中国上海英格索兰压缩机有限公司生产的空气压缩机3台,其中一台检修、一台备用、一台运行,在用机供风量为38.3m3/min,排气压力0.85MPa。
供风方式为集中供风,干管放射式,主干风管使用Ф150×6mm,沿副井井筒敷设至井下。
1.1和1.2为田庄煤矿压风机房技术特征。
表1.1压风机技术特征
(1)
压风机技术特征卡片
1
设备编号
3-1-02
3-1-03
3-1-01
2
设备类别
风力设备
风力设备
风力设备
3
型式
M200-2S-低压
M200-2S-低压
M200-2S-高压
4
制造厂
中国上海英格索兰压缩机有限公司
中国上海英格索兰压缩机有限公司
中国上海英格索兰压缩机有限公司
5
出厂编号
14918
11664FPBKAEL
31736GPBKAII
6
出厂日期
2005.9
2004.12
2008.09
7
安装地点
压风机房
压风机房
压风机房
8
使用日期
2008.11
2005.11
2005.1
9
风量
38.8m3/min
38.8m3/min
38.8m3/min
10
排气压力
0.85MPa
0.85MPa
0.85MPa
11
转速
1482r/min
1460r/min
1482r/min
12
轴功率
200KW
200KW
200KW
表1.2压风机技术特征
(2)
15
机体尺寸
4000*1930*2146
4000*1930*2146
4650*1930*2146
16
风压温度
压缩前为室温,压缩后小于105度
压缩前为室温,压缩后小于105度
压缩前为室温,压缩后小于105度
17
冷却方式
水冷
水冷
水冷
18
风包数目
1
1
1
19
风包容量
2.5
2.5
2.5
20
风管直径
出口89,吸口300
出口89,吸口300
出口89,吸口300
电动机
21
设备类别
电力设备
电力设备
电力设备
22
型 号
IY315M2-4
IY315M2-4
IY3553-4
23
容 量
200Kw
200Kw
200Kw
24
额定电压
380V
380V
6000V
25
额定电流
363A
363A
24A
26
额定转速
1482r/min
1482r/min
1482r/min
27
绝缘等级
F级
F级
F级
28
重量
970kg
970kg
1860kg
29
制造厂
英格索兰压缩机有限公司
英格索兰压缩机有限公司
英格索兰压缩机有限公司
30
出厂编号
22077747
22077747
22077762
31
出厂日期
2005.5
2004.11
2008.09
图1.1压风机房供电系统图
田庄煤矿设35KV变电所一座,两回路电源分别引自王因供电站(35KV)、济宁接庄变电所(220/35KV),采用LGJ-3×95架空线路,同杆架设。
双回路均能承担矿井全部负荷。
井下-167中央变电所由地面35KV变电站6KV两段母线供电,两路电缆沿副井井筒敷设至井下-167中央变电所6KV两段母线上,地面和井下各变电所均采用分列运行方式。
压风机房1#压风机电源引自35KV变电所高压室6KV6916开关柜,中间加有HIGU-IR75A型断路器。
2#和3#压风机采用双回路供电,分别引自副变电所低压室和35KV高压室6KV6905开关柜。
2空气压缩机
2.1空气压缩机及分类
空气压缩机(空压机)是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。
作为基础工业设备,空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用。
空压机分为螺杆式空压机(螺杆式空压机又分为单螺杆式空压机及双螺杆式空压机)、离心式空压机、活塞式空压机、滑片式空压机、涡旋式空压机和旋叶式空压机等(如图2.1所示)
图2.1空气压缩机分类
2.2螺杆式空气压缩机
2.2.1螺杆式空压机基本结构
在压缩机机体中,平行的配置着一对互相咧合的螺旋形转子通常把节圆外具有凸齿的转子,称为阳转子或阳螺杆。
把节圆内具有凹齿的转子,称为阴转子或阴螺杆。
一般阳转子与原动机连接,由阳转子带动阴转子转动。
转子上的最后一对轴承实现轴向定位,并承受压缩机中的轴向力。
转子两端的圆柱滚子轴承使转子实现径向定位,并承受压缩机中的径向力。
在压缩机机体的两端,分别开设一定形状和大小的孔口。
一个供吸气用,称为进气口;另一个供排气用,称作排气口。
螺杆式空气压缩机的核心部件是压缩机主机,空气的压缩是靠装置于机壳内互相平行啮合的阴阳转子的齿槽之容积变化而达到[9]。
2.2.2螺杆式空压机的工作原理
螺杆压缩机的工作循环过程可分为进气,压缩和排气三个过程。
随着转子旋转,每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环。
(1)进气过程:
转子转动时,阴阳转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时其
空间最大,此时转子齿沟空间与进气口的相通,因在排气时齿沟的气体被完全排出,排气完成时,齿沟处于真空状态,当转至进气口时,外界气体即被吸入,沿轴向进入阴阳转子的齿沟内。
当气体充满了整个齿沟时,转子进气侧端面转离机壳进气口,在齿沟的气体即被封闭。
(2)压缩过程:
阴阳转子在吸气结束时,其阴阳转子齿尖会与机壳封闭,此时气体在齿沟内不再外流。
其啮合面逐渐向排气端移动。
啮合面与排气口之间的齿沟空间渐渐减小,齿沟内的气体被压缩,压力提高。
(3)排气过程:
当转子的啮合端面转到与机壳排气口相通时,被压缩的气体开始排出,直至齿尖与齿沟的啮合面移至排气端面,此时阴阳转子的啮合面与机壳排气口的齿沟空间为0,即完成排气过程,于此同时转子的啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长,进气过程又再进行。
从上述工作原理可以看出,螺杆压缩机是一种工作容积作回转运动的容积式气体压缩机械。
气体的压缩依靠容积的变化来实现,而容积的变化又是借助压缩机的一对转子在机壳内作回转运动来达到。
2.2.3螺杆压缩机的特点
就气体压力提高的原理而言,螺杆压缩机与活塞压缩机相同,都属容积式压缩机。
就主要部件的运动形式而言,又与离心压缩机相似。
所以,螺杆压缩机同时具有上述两类压缩机的特点。
(1)螺杆压缩机的优点
①可靠性高:
螺杆压缩机零部件少,没有易损件,因而它运转可靠,寿命长,大修间隔期可达4~8万小时。
②操作维护方便:
操作人员不必经过专业培训,可实现无人值守运转。
③动力平衡性好:
螺杆压缩机没有不平衡惯性力,机器可平稳地高速工作,可实现无基础运转。
④适应性强:
螺杆压缩机具有强制输气的特点,排气量几乎不受排气压力的影响,在宽广范围内能保证较高的效率。
⑤多相混输:
螺杆压缩机的转子齿面实际上留有间隙,因而能耐液体冲击,可压送含液气体,含粉尘气体,易聚合气体等。
(2)螺杆压缩机的缺点
①造价高:
螺杆压缩机的转子齿面是一空间曲面,需利用特制的刀具,在价格昂贵的专用设备上进行加工。
另外,对螺杆压缩机气缸的加工精度也有较高的要求。
②不适合高压场合:
由于受到转子刚度和轴承寿命等方面的限制,螺杆压缩机只能适用于中,低压范围,排气压力一般不能超过3.0MPa。
③不能制成微型:
螺杆压缩机依靠间隙密封气体,目前一般只有容积流量大于0.2m3/min,螺杆压缩机才具有优越的性能[9]。
2.2.4我矿MM200-2S型双螺杆压风机技术参数
我矿工业广场压风机房共设有3台空气压缩机,其中2台M200-2S-低压型双螺杆压风机,1台M200-2S-高压型双螺杆压风机。
下面以低压型为例介绍其主要技术参数。
(1)风量:
38.8m3/min
(2)排气压力:
0.85MPa
(2)转速:
1482r/min
(3)轴功率:
200KW
(4)机体尺寸:
4000*1930*2146
(5)风压温度:
压缩前为室温,压缩后小于105度
(6)风包容量:
1个风包,2.5
(7)风管直径:
出口89,吸口300。
其电动机的参数为:
(1)容量:
200Kw
(2)额定电压:
380V
(3)额定电流:
363A;(4)额定转速:
1482r/min
3.可编程控制器(PLC)
3.1PLC的产生和发展
美国电气制造商协会作出的定义是:
①可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
②它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
③可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充功能的原则设计[2]。
(1)发展史
长期以来,计算机控制和传统PLC控制一直是工业控制领域的两种主要控制方法,PLC自1969年问世以来,以其功能强、可靠性高、使用方便、体积小等优点在工业自动化领域得到迅速推广,成为工业自动化领域中极具竞争力的控制工具。
但传统的PLC体系结构是封闭的,各个PLC厂家的硬件体系互不兼容,编程语言及指令系统各异,用户选择了一种PLC产品后,必须选择与其相应的控制规程,学习特定的编程语言,不利于终端用户功能的扩展。
近年来,工业自动化控制系统的规模不断扩大,控制结构更趋于分散化和复杂化,需要更多的用户接口。
同时,企业整合和开放式体系的发展要求自动控制系统应具有强大的网络通讯能力,使企业能及时地了解生产过程中的诸多信息,灵活选择解决方案,配置硬件和软件。
我国工业控制自动化的发展道路,大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收,然后进行二次开发和应用。
目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展,我国工业计算机系统行业已经形成。
工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。
(2)发展趋势
1、功能向增强化和专业化的方向发展,针对不同行业的应用特点,开发出专业化的PLC产品。
以此来提高产品的性能和降低产品的成本,提高产品的易用性和专业化水平。
2、规模向小型化和大型化的方向发展,小型化是指提高系统可靠性基础上,产品的体积越来越小,功能越来越强;大型化是指应用在工业过程控制领域较大的应用市场,应用的规模从几十点扩展到上千点,应用功能从单一的逻辑运算扩展几乎能满足所有的用户要求。
3、系统向标准化和开放化方向发展,以个人计算机为基础,在windows平台上开发符合全新一体化开放体系结构的PLC。
通过提供标准化和开放化的接口,可以很方便地将PLC接入其它系统。
3.2PLC的功能特点
3.2.1PLC的功能
随着自动化技术、计算机技术及网络通信技术的迅速发展,PLC的功能日益增多。
它不仅能实现单机控制,而且能实现多机群控制;不仅能实现逻辑控制,还能实现过程控制、运动控制和数据处理等,其主要功能如下:
(1)开关量逻辑控制
这是PLC的最基本的功能。
PLC具有强大的逻辑运算能力,它提供了与、或、非等各种逻辑指令,可实现继电器触点的串联、并联和串并联等各种连接的开关控制,常用于取代传统的继电器控制系统。
使用PLC提供的定时、计数指令,可实现定时、计数功能,其定时值和计数值既可由用户在编程时设定,也可用数字拨码开关来设定,其值可进行在线修改,操作十分灵活方便。
(2)模拟量控制
在工业生产过程中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
PLC提供了各种智能模块,如模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入输出模块、热电阻用模拟量输入模块、热电阻用模拟量输出模块等,通过使用这些模块,把现场输入的模拟量经A/D转换后送CPU处理;而CPU处理的数字结果,经D/A转换成模拟量去控制被控设备,以完成对连续量的控制。
(3)闭环过程控制
使用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制,而且还可以进行闭环控制。
配置PID控制单元或模块,对控制过程中某一变量(如速度、温度、电流、电压等)进行PID控制。
(4)定时、定位、计数控制
PLC具有定时控制的功能,它为用户提供了若干个定时器,定时器的时间可以由用户在编写程序时设定,也可以用拨盘开关在外部设定,实现定时或延时控制。
定位控制是PLC不可缺少的控制功能之一。
PLC提供了定位模块、脉冲输出模块等智能模块,以实现各种需求的定位控制。
PLC具有计数控制的功能,它为用户提供了若干个计数器或高速计数模块。
计数器的计数值可以由用户在编写程序时设定,也可以用拨盘开关在外部设定,实现计数控制。
(5)顺序(步进)控制
在工业控制中,选用PLC实现顺序控制,可以采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言——顺序功能图进行设计,可以用移位寄存器和顺序控制指令编写程序。
(6)网络通信
现代PLC具有网络通信的功能,它既可以对远程I/O进行控制,又能实现PLC与计算机之间的通信,从而构成“集中管理,分散控制”的分布式控制系统,实现工厂自动化。
PLC通过RS232接口可与各种RS232设备进行通信。
PLC还可与其它智能控制设备(如变频器、数控装置)实现通信。
PLC与变频器组成联合控制系统,可提高交流电动机的自动化控制水平。
(7)数据处理
现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。
3.2.2PLC的特点
(1)通用性强、灵活性好、功能齐全
PLC是专为在工业环境下应用而设计的,具有面向工业控制的鲜明特点。
通过选配相应的控制模块便可适用于各种不同的工业控制系统。
同时,由于PLC采用存储逻辑,其控制逻辑以程序方式存储在内存中,当生产工艺改变或生产设备更新时,不必改变PLC的硬件,只需改变程序,改变控制逻辑,其连线少,体积小,加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无限制,因此,灵活性和扩展性都很好。
(2)可靠性高、抗干扰能力强
为了确保PLC在恶劣的工业环境下能可靠的工作。
在设计中强化了PLC的抗干扰能力,使之能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰。
PLC能承受电网电压的变化,可直接由交流市电供电,直接取自电控箱电源。
即使在电源瞬间断电的情况下,仍可正常工作。
PLC在设计、生产过程中除了对元器件严格筛选外,硬件和软件还采用屏蔽、滤波。
光电隔离和故障诊断、自动恢复等措施,有的PLC还采用了冗余技术等,进一步增强了PLC的可靠性。
(3)编程简单、使用方便
PLC在基本控制方面采用梯形图语言进行编程,这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的,形式简单、直观性强,广大电气人员容易接受。
用梯形图编程出错率比汇编语言低得多。
梯形图、流程图、语句表之间可以有条件的相互转换,使用极其方便。
(4)模块化结构、安装简单、调试方便
PLC的各个部件,包括CPU、电源、I/O等均采用模块化结构设计,由机架和电缆将各模块连接起来,由于配置灵活,使扩展、维护更加方便。
另外,PLC的接线十分方便,只需将输入信号的设备(如按钮、开关等)与PLC的输入端子相连,将接受控制的执行元件(接触器、电磁阀等)与输出端子相连即可。
调试工作大部分是室内调试,用模拟开关模拟输入信号,其输入状态和输出状态可以观察PLC上相应的发光二极管,可以根据它进行测试、排错和修改。
3.3PLC工作原理
3.3.1PLC基本结构
PLC主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。
其基本结构框图如图3.1所示。
图3.1PLC结构简图
PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式,即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开,该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作,必须等扫描到该触点时才会动作。
PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms,因此,PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术如图3.2所示。
3.3.2扫描技术[2]
当PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
图3.2 扫描过程
(1)输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 基于 s7300 田庄 煤矿 风机 监控 系统
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)