矿区井道加热机组变频调速控制系统设计毕业设计说明书 精品.docx
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毕业设计说明书
设计题目:
矿区井道加热机组变频调速控制系统设计
0
毕业设计(论文)任务及指导书
题目
矿区井道加热机组变频调速控制系统设计
题目来源
■实际工程项目□科研课题□教学模拟题目□其它
题目类型
■工程设计型□科学研究型□调研综述型□其它类型
一、毕业设计(论文)任务(包括对工程图纸的具体要求)及设计参数
1.设计出风机的电气控制线图,选择相应的电器。
风机应既可变频运行又可工频运行,通过转换开关进行切换。
2.风机的自动切换由PLC完成。
选择PLC,编写相应的程序。
3.电气设备均应有过载保护、短路保护、缺相保护。
并给出报警信号。
选择变频器并设置参数。
4.应能显示井口温度、换热器进口、出口温度。
选择出合适的传感器和仪表。
5.画出电路图,编写设计说明书。
二、专题部分要求
某煤矿为了保证井下温度,在矿井井口用四台风机输送热风,四台风机为3用一备。
每台风机功率为15KW,要求其中一台变频器同时驱动2台风机,另一台 变频器驱动一台风机,变频器功率1大1小,四台风机由2台变频器驱动,当其中某台风机故障时,备用风机可切换过去。
在井下距离井口的10到20米处,装备1个温度传感器,用于测量井口温度。
使该处的温度控制在5到10度之间。
热风是由换热器加热的,当换热器进口温度低于20度时,应停止风机运行,并报警,只有当换热器进口温度高于30度时,风机才可以启动。
当气温较高时由小功率变频器驱动运行。
当气温较低时,由大功率变频器驱动运行。
当大功率变频器频率达到50HZ仍然不能满足要求时,启动小功率变频器;当大功率变频器降低到15HZ时,停止小功率变频器。
三、本题目的重点和难点以及与同组其他学生所做题目的关系
重点:
电气控制系统、仪表与控制、变频调调速器的应用设计
难点:
变频器的参数设置
四、可行方案的筛选方法提要
总结各种控制方法,进行比较,找出自己认为的最佳方法。
五、设计进程安排
1.第一周:
了解工艺过程及对电气控制系统的要求。
2.第二周:
熟悉电动机的各种起动方法及电气控制线路。
3.第三、四周:
完成设计要求的第1、2条。
4.第五、六、七周:
完成设计要求的第3条。
5.第七、八周:
完成设计要求的第4条。
6.第十、十一、十二、十三、十四周:
完成设计要求的第5条。
六、与本设计题目相关的理论知识(包括新知识)提要
电气控制、电机及拖动、交流调速、变频器应用、检测与仪表、自动控制原理、计算机控制技术
七、建议参考资料及使用方法
1.郑忠主编,《新编工厂电气设备手册》上、下册,兵器工业出版社,1994年。
2.天津电气传动设计研究所编著,《电气传动自动化技术手册》第2版,机械工业出版社,2006年。
3.宫淑贞等编著,《可编程控制器原理及应用》,人民邮电出版社,2002年。
4.《SIMATICS7-200可编程序控制器系统手册》,SIEMEMS,2002年。
5.《变频器行业应用实践》,李方圆编著,中国电力出版社,2006年5月,北京。
6.《变频器应用手册》第2版,吴忠智、吴加林编著,机械工业出版社,2003年。
7.韩安荣主编,《通用变频器及其应用》第2版,机械工业出版社,2003年。
八、答辩之前学生应作的准备工作提要
1.仔细检查图纸,完善电路图。
2.仔细检查说明书,找问题。
查错误。
3.对所做设计认真回顾,理清思路,理解原由。
4.对图纸及说明书所涉及内容都要知道为什么这样做,这样做的优缺点。
矿区井道加热机组变频调速控制系统设计
摘要
中国的大部分煤矿资源分布特点为东多西少、北富南贫,内蒙古、山西等北方寒冷地区的煤矿资源尤其丰富。
随着中国煤矿工业的发展,安全生产已经成为其中重要的组成部分。
而内蒙古、山西等北方寒冷地区冬天气温极低井口极易结冰或者低温导致安全隐患,为确保煤矿的安全生产,矿井防冻成为煤矿安全生产的重要要保障。
本设计针对某煤矿保证矿井井口温度控制在5到10度之间,设计出一种基于PLC控制的矿区井道加热机组变频调速控制系统。
该设计系统采用西门子S7—200PLC来设计矿井加热机组变频调速,以矿井井道内空气温度、矿井10M到20M处的井口温度换热器进口温度为主要参数,利用先进可靠的温度传感器进行监测,经过智能仪表显示并输入PLC,PLC将检测到的数值信号与设定参数进行比较来调节热风机组电机的启/停与转速从而实现最优控制,实现了实时监测及远程通讯,达到了安全监控与节能目的,保证了矿井下温度维持在需要温度从而使矿井能经济、可靠、安全地运行。
关键词:
西门S7-200PLC、热风机、变频器、传感器
Mineshaftheatingunitvariablefrequencyspeedcontrolsystemdesign
Abstract
MostofChina'scoalresourcesdistributioncharacteristicsfortheEastWest,richNorthSouthlean,coalresourcesinInnerMongolia,Shanxiandothernortherncoldregionsespeciallyrich.WiththedevelopmentofChinesecoalindustry,productionsafetyhasbecomeoneofthemostimportantparts.InnerMongoliaShanxinorthcoldareainwinterthetemperatureisverylowwellheadeasilyiceorcoldcausessafetyhazards,toensurethesafetyproductionincoalmine,minehasbecomeimportanttoguaranteethecoalminesafetyproduction.Thedesignforaminetoensurecontrolintheminetemperature5to10degrees,designakindofmineshaftheatingunitvariablefrequencyspeedcontrolsystembasedonPLCcontrol.ThedesignofthesystemtodesignthevariablespeedpumpsmineheatingisadoptedSiemensS7-200PLC,withthewellheadtemperatureofairtemperature,the10Mto20Mmineshaftinsidetheheatexchangerinlettemperatureasthemainparameter,themonitoringisconductedbyuseoftemperaturesensorisadvancedandreliable,throughtheinputPLCandintelligentinstrumentdisplay,PLCnumericalsignalthedetectedandsettingparametersarecomparedtostart/stopandspeedsoastoachievetheoptimalcontroloftheairheatermotor,realizedthereal-timemonitoringandremotecommunication,achievesthegoalofsafetymonitoringandenergysaving,theminetemperaturemaintainedattherequiredtemperaturesothattheminecaneconomic,reliable,safeoperation.
Keywords:
SimonS7-200PLC,hotairmachine,inverter,sensors
AbstractII
第一章、前言1
第二章、系统结构和控制方案2
2.1系统的设计功能2
2.2系统组成及方案3
2.3电气器件的选择4
第三章、热风机组部分7
3.1.1风机分类7
3.1.2通风机分类8
3.2本设计热风机选型8
第四章、系统硬件构成及各部分功能10
4.1PLC可编程控制器部分10
4.1.1PLC10
4.1.2PLC的一般构成和基本工作原理12
4.1.3S7-200系列PLC概述15
4.1.4CPU模块的外部连接19
4.2温度传感器部分21
4.2.1常州汇邦温控仪智能温度控制器仪表21
4.2.2汇邦表功能、尺寸分类表21
4.2.3CHB系列智能温度调节仪接线图22
4.2.4汇邦表使用参数及选型表格22
4.2.5本设计选型24
4.3变频器部分25
4.3.1变频器的基本构成25
4.3.2SVF-EV系列高性能矢量通用变频器26
4.3.3变频器选型30
4.3.4变频器参数设定31
4.3.5变频器与PLC外部连接46
4.4电路图47
4.4.1主电路图47
4.4.2电气控制回路49
4.4.3S7-200接线图51
4.4.4温度监测电路图52
第五章、软件设计56
5.1温度控制部分56
5.1.1温度控制工频实现57
5.1.2温度控制变频实现57
5.2温度控制程序实现部分58
第六章、控制过程简析61
第七章、结束语63
参考文献64
第一章、前言
当冬季地表室外气温低于0℃时,井下巷道壁淋水在低温冷空气作用下容易冷凝结冰结块,尤其是晚上气温进一步降低,且行车行人减少,冷空气流动缓慢,巷道淋水或低速流动更容易凝固结冰井道防冻是矿井冬季安全生产的一个重要保证,在我国华北东北等严寒地区都存在井道结冰现象当采暖室外计算温度等于或低于-4℃地区的进风立井,等于或低于-4℃地区的进风斜井和-6℃地区的进风平峒,当有淋帮水排水管和排水沟时,应设置加热设备进行井道防冻的设计进风巷冬季的空气温度高于2℃,低于2℃时,应有暖风设施不应采用明火对进入井空气直接加热在严寒地区,主要井口(所有提升井和作为安全出口的风井)应有保温措施,防止井口及井筒结。
对此,本设计提出了矿井加热机组变频调速控制系统,基于S7-200,通过对矿井井口温度、矿井空气温度、加热机进口温度检测控制风机的启/停和变频调速来实现井口温度保持在符合要求的温度范围内,从而让矿井得以安全作业。
矿井安全工程必将以自动化和智能化成为发展趋势。
第二章、系统结构和控制方案
2.1系统的设计功能
本矿区井道加热机组变频调速控制系统通过变频器驱动风机使风机启动、暂停、互锁和变频调速等功能来实现维系矿井温度。
与常规继电器实施的矿井恒温系统相比,PLC控制的系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点,PLC的控制功能使矿井防冻、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,使矿井安全运行更加有保障。
PLC和变频器与温度传感器配合使用,使矿区井道加热机组变频调速控制系统控制的安全性、可靠性大大提高,也使矿井热风机组运行的故障率大大降低,节约了电能,设备寿命得以更长节约了设备折损经费,而且还提高了设备的运转率。
为满足矿区井道加热机组变频调速控制系统人性化控制的要求,系统的具体设计要求如下:
某煤矿为了保证井下温度,在矿井井口用四台风机输送热风,四台风机为3用一备。
每台风机功率为15KW,要求其中一台变频器同时驱动2台风机,另一台 变频器驱动一台风机,变频器功率1大1小,四台风机由2台变频器驱动,当其中某台风机故障时,备用风机可切换过去。
在井下距离井口的10到20米处,装备1个温度传感器,用于测量井口温度。
使该处的温度控制在5到10度之间。
热风是由换热器加热的,当换热器进口温度低于20度时,应停止风机运行,并报警,只有当换热器进口温度高于30度时,风机才可以启动。
当气温较高时由小功率变频器驱动运行。
当气温较低时,由大功率变频器驱动运行。
当大功率变频器频率达到50HZ仍然不能满足要求时,启动小功率变频器;当大功率变频器降低到15HZ时,停止小功率变频器。
要符合以上要求则主要要点如下:
(1)本设计控制系统采用手动/自动两种工作模式,具有状态显示以及故障报警等功能。
当变频器或者PLC有故障时采用手动运行,设备正常时根据温度传感器检测到的温度数字以及设置的变频器参数对热风机转速进行调速控制。
(2)4台风机工作模式为三用一备,大变频器同时控制两台风机,小变频器控制一台风机,其中一台风机故障时备用风机自动切换过去以保证矿井温度维系在需要温度。
(3)在自动方式下,当换热器温度低于设定温度20度下限时,风机立即停止运行,同时并发出指示和报警信号。
只有当换热器进口温度高于30度时风机才可以启动。
(4)当气温较高时,由小功率变频器驱动风机运行。
当气温较低时,由大功率变频器驱动两台风机运行。
(5)当大功率变频器频率达到50HZ时仍然不能满足要求时,则同时启动小功率变频器;当大功率变频器频率降到15HZ时,则停止小功率变频器。
(6)手动方式下,通过选择控制风机运行台数启、停来保证矿井井道温度维系在安全温度。
2.2系统组成及方案
矿区井道加热机组变频调速控制系统主要由加热机组,可编程控制器(S7-200PLC)、温度传感器,变频器、,接触器、中间继电器、热继电器、、断路器等系统保护电器等组成。
热源由换热器提供,加热机组由4台风机组成,每台通风机有1台电机,每台电机驱动1组扇片,对矿井井道进行供风。
根据矿井井口温度的要求不同,采用不同型号的风机。
本设计以风机组4×15kW为例,选用1台西门子S7—200可编程控制器(PLC),温度智能仪表、温度探头、2台深川变频器等组成一个完整控制系统[。
温度传感器、温度探头、温度智能仪表、中间继电器、热继电器实现对电机和PLC的有效保护,以及对电机的切换控制。
控制流程图如下图所示:
控制流程图
2.3电气器件选择
1.接触器的选择
根据本设计主电路中风机均为15KW,允许通过最大电流大概为30A。
选用CJX8(B)系列中的CJX8-30,允许电流为30A。
以下为CJX8系列的产品介绍及图片。
CJX8(B)系列交流接触器(以下简称接触器),主要用于交流50Hz(或60Hz),额定工作电压至660V,额定工作电流至250A的电力系统中接通和分断电路。
并与适当的热继电器或电子式保护装置组合成电动机起动器,以保护可能发生过载的电路。
接触器CJX8-30
2.热继电器的选择
根据电路中电机功率要求,电路中的电流流过大约是30A左右,而热继电器要略高于电路额定电流要求,大约为32A,根据要求,我们选择JR28(LR2-D)系列热继电器,此继电器价格便宜,电流设定可以自由选择,完全符合要求。
JR28(LR2-D)系列热继电器用于交流50/60Hz,电压至660V,电流至93A及以下的电路中,供交流电动机热保护作用,并且有差动机构和温度补偿环节,可与CJX2(LC1-D)交流接触器配装,也可独立安装。
3.中间继电器的选择
根据系统要求,选择的是电压继电器,在控制回路中,选择的是220V的中间继电器,而在连接PLC输出的继电器与变频器集电极端子的输出继电器均为24V电压型继电器,所以最终选择220V继电器为HH63P-AC220V,24V的中间继电器为HH63P-DC24V。
JQX-13F-1Z(LY1)。
3.空气开关的选择
主电路中我们需要选择的是三相380V的空气开关,允许通过的电流大概为33A左右,根据选择要求,在价格较为便宜的情况下,我们选择了施耐德空气开关断路器,该空气开关性能优秀,性价比高,普遍用于工程上,根据选择要求,我们选择宽度为6mm,额定电流为32A的EA9AN3C32系列空气开关断路器。
其具体参数如下:
4.电缆的选择
电缆的选择是根据流过的电流不同,其选择的导线横截面积也不同。
需要流过的电流越大,所需要的导线横截面积也就越大,根据导线安全载流表的显示,1平的导线可流过约20A的电流,控制电路选择1平的即可,而对于主回路来说,由于选择有大变频器同时驱动两台功率均为15kw的风机以及小变频器驱动一台15KW的风机。
大变频器所在主电路所流过的电流大约为2X30A,小变频器所在主电路所流过电流为30A.根据要求,大变频器所在主电路与外部电源之间需要使用10平的导线,其余主电路所用导线均为4平的即可。
5.开关电源的选择
设计过程中所使用的为PLC24V输入端,所以需要将电源220V转成24V用于连接PLC电源和变频器的外加电源,需要将220交流转变成24V直流输出,在此选择的是福来雅开关电源220V转24V直流开关电源,功率为50W。
产品特性:
性能好,效率高,温度低,体积小,重量轻,105度输出电容器,软启动电流,有效降低AC输入冲击,100%满负荷烧机测试,全球适用AC输入电源,有短路保护,过载保护,内装EMI滤波器,纹波极小。
该产品的特点:
(1)本电源采用脉宽调制(PWM)开关技术控制,由专业集成电路组成,主要元件均为原装、进口、工作稳定可靠,是一种高可靠性的电源。
内部专业设计散热,内部有足够的空间散热。
因此可以做到比防水电源更加稳定工作的效果。
寿命更长,使用方便,可以悬挂在墙壁上。
(2)高效节能:
电源效率高,待机功耗低。
使用寿命长,与普通变压器相比,可以节省能源约40%左右。
(3)适用电压范围宽,电网电压在100--250V(50/60HZ)变化时,均能稳定地工作。
(4)输出电压波动小,高稳定性的输出电压。
提高LED发光效果,减小光衰,延长寿命。
(5)外壳材质为铁壳配大型散热片,可更好的保护电源和提供更好的散热条件。
第三章、热风机组部分
3.1.1风机分类
1、按风机工作原理分类
按风机作用原理的不同,有叶片式风机与容机式风机两种类型。
叶片式是通过叶轮旋转将能量传递给气体;容积式是通过工作室容积周期性改变将能量传递给气体。
两种类型风机又分别具有不同型式。
离心式风机
叶片式风机轴流式风机
混流式风机
往复式风机
容积式风机
回转式风机
2、按风机工作压力(全压)大小分类
(1)风扇标准状态下,风机额定压力范围为
98Pa(10mmH2O)。
此风机无机壳,又称自由风扇,常用于建筑物的通风换气。
(2)通风机设计条件下,风机额定压力范围为98Pa
14710Pa(1500mmH2O)。
一般风机均指通风机而言,也是本章所论述的风机。
通风机是应用最为广泛的风机。
空气污染治理、通风、空调等工程大多采用此类风机。
(3)鼓风机工作压力范围为14710Pa
196120Pa。
压力较高,是污水处理曝气工艺中常用的设备。
(4)压缩机工作压力范围为
196120Pa,或气体压缩比大于3.5的风机,如常用的空气压缩机。
3.1.2通风机分类
通风机通常也按工作压力进行分类。
低压风机
980Pa(100mmH2O)
离心式风机中压风机980Pa
2942Pa(300mmH2O)
高压风机2942Pa
14710Pa(1500mmH2O)
通风机
低压风机
490Pa(50mmH2O)
轴流式风机
高压风机490Pa
4900Pa(500mmH2O)
3.2本设计热风机选型
热风机(又称热风发生机,工业热风机,热风器,因各国各地区习惯及用途不同而有不同的名称)基本上由加热器,热风机,送风机,控制电路及组合载体装置而成。
针对不同的需要,热风机已衍生出多种机种:
热风机按用途类型分类:
一般用途型热风机:
一般出风100~250℃(最高350℃)
轻便手提型热风机:
小巧轻便单相型,适合小型加热需要
650℃高温型热风机:
适合热收缩或高温加热需要
防爆型热风机:
用于须防爆场所
热风循环型热风机:
热风可加热后再吹出,省电也降低周边温度
高压型热风机:
可适用于长短距离管道的加热干燥
强风型热风机:
可加大热量,提高干燥效率
铸型专用型热风机:
因应铸型车间之特殊环境(粉尘大,环境温度高等)而设计
冷冻型热风机:
因应环境温度低于—40℃而设计
高压型热风机:
因应海拔1000m以上地区(如西藏)而设计
矿用型热风机:
特别针对煤矿企业专业设计的热风机,适合各类型煤矿使用,使用度非常安全。
本次设计要求:
某煤矿为了保证井下温度,在矿井井口用四台风机输送热风,四台风机为3用一备。
每台风机功率为15KW,要求其中一台变频器同时驱动2台风机,另一台 变频器驱动一台风机,变频器功率1大1小,四台风机由2台变频器驱动,当其中某台风机故障时,备用风机可切换过去。
在井下距离井口的10到20米处,装备1个温度传感器,用于测量井口温度。
使该处的温度控制在5到10度之间。
热风是由换热器加热的,当换热器进口温度低于20度时,应停止风机运行,并报警,只有当换热器进口温度高于30度时,风机才可以启动。
当气温较高时由小功率变频器驱动运行。
当气温较低时,由大功率变频器驱动运行。
当大功率变频器频率达到50HZ仍然不能满足要求时,启动小功率变频器;当大功率变频器降低到15HZ时,停止小功率变频器。
而由风机类型特点以及结合矿井环境特点本次设计所选风机为4台矿用型热风机功率均为15KW。
主要适用于矿井井道温度控制过程全自动化控制。
由变频调速器、S7-200系统组成。
外接温度传感器、热风机,实现了按设定温度值,自动调节热风机转速,达到按需定量温度的目的。
同时实现在矿井通风,安全、有效、快速地保证矿井井口温度。
为煤矿的安全生产需要提供高效节能、安全经济的自动化控制装备。
第四章、系统硬件构成及各部分功能
本控制系统有可编程控制器(PLCS7-200CPU226)、变频器、温度传感器部分、热风机和电气控回路组成。
4.1PLC可编程控制器部分
4.1.1PLC
一、PLC的产生极其特点
1、可编程控制器的名称演变
1969年时被称为可编程逻辑控制器,简称PLC(ProgrammableLogicController)。
70年代后期,随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展,称其为可编程控制器,简称PC(ProgrammableController)。
但由于PC容易和个人计算机(PersonalComputer)相混淆,故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。
2、可编程控制器定义
(1987年国际电工委员会)可编程序控制器是一种数字运
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