矿山压风机PLC控制系统设计.docx
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矿山压风机PLC控制系统设计
编号:
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本科生毕业设计(论文)
矿山压风机PLC控制系统设计
题目:
姓名:
学号:
班级:
二〇一〇年六月
中国矿业大学
本科生毕业论文
姓名:
学号:
学院:
专业:
论文题目:
矿山压风机PLC控制系统设计
专题:
指导教师:
职称:
2010年6月
中国矿业大学毕业论文任务书
毕业论文题目:
矿山压风机PLC控制系统设计
毕业论文专题题目:
毕业论文主要内容和要求:
主要设计内容:
1.熟悉压风机工作原理、组成部分和控制要求,了解用PLC进行工业过程控制的一般方式。
2.熟悉西门子S7-300PLC的硬件模块,学习并掌握STEP7编程监控软件的使用及控制软件的编制。
3.完成压风机控制系统PLC模块的配置,传感器选型,编制控制程序。
具体要求:
1.提交控制系统流程图,各控制单元原理图。
2.提交PLC控制软件。
3.翻译近5年的相关英文资料(或论文)一篇,中文字数不少于3000字。
4.完成毕业设计论文的撰写。
院长签字:
指导教师签字:
中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书
指导教师评语(①基础理论及基本技能的掌握;②独立解决实际问题的能力;③研究内容的理论依据和技术方法;④取得的主要成果及创新点;⑤工作态度及工作量;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
指导教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书
评阅教师评语(①选题的意义;②基础理论及基本技能的掌握;③综合运用所学知识解决实际问题的能力;④工作量的大小;⑤取得的主要成果及创新点;⑥写作的规范程度;⑦总体评价及建议成绩;⑧存在问题;⑨是否同意答辩等):
成绩:
评阅教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩:
答辩委员会主任签字:
年月日
学院领导小组综合评定成绩:
学院领导小组负责人:
年月日
摘要
空气压缩机是矿山生产重要的四大固定设备之一,它生产压缩空气,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。
影响压风机安全生产的要素主要有空压机的超温、超压、断水、断油等。
传统的保护主要采用分离仪表,可靠性差、集成度低、费用高,不能有效满足矿山设备投入的经济性和安全性的要求。
采用现代技术手段改进设备安全运行的管理方法,能无间隔地进行设备运行状况监测,且精度高、速度快。
PLC控制器以其技术成熟、通用性好、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点,在煤炭行业中得到了很大程度的推广。
本文主要介绍S7-300PLC对煤矿空压机进行控制,主要功能有控制、检测、超限、报警等功能,保证空压机正常运行,且系统本身可以在恶劣的环境下无故障地连续运行。
关键词:
空压机;集中控制系统;PLC
ABSTRACT
Aircompressorismineproductionequipmentisoneoftheimportantfourfixed,compressedairtodrive,productionandpneumaticoutfitrockequipmentandotherpneumatictools.Itcandirectlyaffecttheoperationsafetyofcoalproductionyieldandbenefit.Influenceofproductionsafetypressureblowerfreecompressorofthemainelementsofoverheating,overpressure,water,oil,etc.Theprotectionoftraditionalinstruments,mainlybytheseparationofpoorreliabilityandlowcost,highintegration,caneffectivelymeettheminingequipmentsefficiencyandsafetyrequirements.Usingmoderntechnologyimproveequipmentsafetyoperationmanagementmethod,cannotintervaltomonitorequipmentoperation,andhighprecisionandfastspeed.PLCcontrollertothematuretechnology,excellentversatility,installationconvenience,flexibility,expansionratio,aseriesofadvantagesinthecoalindustryinalargedegreeofpromotion.ThispapermainlyintroducesS7-300PLCcompressorofcoalmine,mainfunctionsarecontrolled,detection,overrun,alarmfunctions,ensurethenormaloperationofaircompressor,andthesystemitselfcanbeinharshenvironmentsandcontinuousrunningsmoothly.
Keywords:
Compressor;Centralizedcontrolsystem;PLC
1绪论
1.1课题的来源与背景
矿井压风系统是矿井生产必不可少的重要系统之一。
矿井压风系统主要由:
空气压缩机、压风管路、阀门、相关元件、空气过滤器、风包、冷却装置、润滑装置、安全保护装置及电气控制装置等构成。
近些年来,由于煤矿的巷道支护推广锚喷工艺;煤巷掘进中为了杜绝因煤电钻维护不到位而造成失爆发生瓦斯或煤尘爆炸事故,也推广应用风动钻机;为了减轻操作工人劳动强度、提高工作效率、推广应用风动扳手;为了保证当发生瓦斯、煤尘爆炸事故、煤与瓦斯突出事故、有害气体漏出事故、矿震(冲击地压)事故后,井下现场人员的安全自救而推广使用的“压风自救”等工艺。
从而对压缩气体的需求量进一步增多,压风系统的重要性越来越大。
压风系统主要是用来为风镐、气锤(空气锤)、气动凿岩机等风动机械和风动工具提供动力。
在煤矿使用的压风设备和机具比使用用电设备安全,尤其是在有瓦斯和煤尘爆炸危险、有害气体易涌出的矿井,更显示出它的优越性。
另外,像气动凿岩机这类风动工具的冲击力强,最适用于钻削坚硬的岩石,所以矿山岩石掘进工作离不开压风系统。
空压机是压风系统的核心,对他的控制更显得至关重要。
1.2空压机概述
压缩空气是工业上常用的能源介质之一,在矿井是用以驱动风镐、风钻等风动机械的原动力,其最大优点是能够利用取之不尽、用之不竭的自由空气。
与电力相比,它具有以下特点:
不产生火花;不怕超负荷;无触电危险:
在湿度大、温度高、灰尘多的环境中能很好地工作;风动机械排出的空气,在某种程度上有助于改善煤矿井下的通风状况。
空气压缩机(简称空压机)是一种将机械能转变为气体的能量用来给气体增压并输送气体的流体机械。
空压机的用途很广,几乎遍及工农业、国防、科技、民用等各个领域,如矿山、冶金、煤炭、石油、化工、机械、能源、交通、水利、灌溉、原子能、航空航天技术和城市给排水、冰箱等等。
空压机从原理上分可分为容积式与动力式。
动力式空压机的原理是空气被吸入高速旋转的压缩叶轮中去,并被加速到高的速度,然后气体通过扩压器排出,气体的动能变为静压,动力式压缩机有轴流与径流两种,均用于大容积流量。
容积式压缩机的原理是将气体封闭在一个容积中,借助缩小该封闭容积以提高压力。
空压机的主要类型包括:
离心式空压机、轴流式压缩机、活塞式压缩机、螺杆式压缩机、隔膜式压缩机、齿型压缩机、蜗旋压缩机、滑片式压缩机、液环式压缩机。
矿山空气压缩机设备的主要组成部分:
1)压缩机——除压缩机本身外,还包括中间冷却器、后冷却器、压力调节装置等。
2)拖动装置——一般采用电动机,附有启动和保护等设备。
3)辅助设备——包括空气过滤器、风包、冷却水循环系统等。
4)压缩空气管网——包括管道及其附件。
矿山空气压缩机系统示意图,如图1-1所示:
图1-1矿山空气压缩机系统示意图
1—进气管;2—空气过滤器;3—调节装置;4—低压缸;5—中间冷却器;6—高压缸;7—后冷却器;8—逆止阀;9—风包;10—压气管路;11—安全阀
空气通过空气过滤器时将空气中的尘埃和机械杂质清除,清洁的空气进入压缩机进行压缩,压缩到一定的压力而后排入风包。
风包是一个贮气器,它除能贮存压缩空气外,还能消除压缩机排送出来的气体压力的波动,并能将压缩空气中所含的油和水分离出来。
从风包出来的压缩气体沿管道送到井下供风动工具使用或送到其他使用压缩气体的场所。
1.3目前空压机面临的主要问题
空压机运转效率低、耗电量大、维修量大、成本高,特别是矿用大型空气压缩机,每天工作24小时不间断运行,其中相当长时间是在空载或轻载下运行,空压机的耗电量占全国总耗电相当大的比例。
由此可见,在使用中如何提高空压机的效率,减少压气管道内的压力损失和泄漏,节约压气的消耗量,提高压缩机的工作可靠性,维持其高效运行与降低能耗具有十分重要的意义,是其主要发展方向。
另外,空压机组工作过程不复杂,但其起动和停车过程有严格的要求。
现有空压机一般都由固定工人值守,平时起动和停车根据生产需要随时调度,由工人按要求的顺序操作相应开关、阀门和主电机而完成启停过程。
运行中,要求值班人员经常检测机组状况,在温度、压力、电机额定电流等超过允许值时应紧急停车。
因此,空压机每天24小时不间断运行需由工人24小时连续值守,显然,这是对人力资源的严重浪费。
所以,有必要对此过程进行全自动控制,并在远程操作室设置监控和报警装置,对断油、断水、超温、超压电机过流过载等意外情况进行有效保护,以实现现场无人值守和远程监控、报警。
1.4课题研究的意义
实现空压机集中监控的目的是提高空压机的工作稳定性,实现空压机的近程监控和远程监控,使其易于操作、管理和维护。
具体表现在以下几点:
1、提高空压机运行的可靠性和稳定性
适合现场的、稳定可靠的监控系统能及时准确地对故障进行报警处理,保证空压机的安全运行。
2、降低运行成本,提高生产效率
对空压机运行状况进行全面监控,尽量减少空压机的缸体磨损,从而降低配件费用和运行成本,进而可以较大限度的延长维修周期,提高生产效率。
3、提高系统的自动化、智能化和人性化的水平
集中监控系统实现了对空压机的近程监控和远程监控。
近程时,司机在控制柜上操作和监视现场设备的运行状况;远程时,通过计算机便可实现对现场所有设备的监控。
另外,在计算机上还可查询各种设备的运行记录和报警记录,取代了人工定时记录,节约了人力和物力;管理员还可以通过网络远程浏览空压机的监控画面,从而给管理带来了极大的方便,提高了整个控制系统的自动化、智能化和人性化的水平。
1.5本章小结
本章主要叙述了课题的来源与背景,空压机的概述及目前空压机面临的主要问题,最后阐述了课题研究的意义。
2设计方案的比较与选择
空压机集中监控系统的目的是解决目前空压机运行的不稳定性及压风机房操作、运行和管理效率低下,浪费人力、物力的问题,加快信息传递、交换和处理速度,保证监控系统的安全性和可靠性,提高控制系统的自动化、智能化和人性化水平。
2.1以单片机为控制核心的监控系统
以单片机为控制核心的监控系统结构如图2-1所示:
图2-1以单片机为控制核心的监控系统结构
这种控制方式应用也比较多,是因为单片机应用比较灵活、功能强、响应速度快、硬件体积小、重量轻。
但是采用单片机来控制,还有许多不足之处:
首先,需要自己设计各种检测和控制电路,系统开发周期较长;其次,单片机本身的抗干扰性较差,如果用于矿山控制,要求具有较高的硬件和软件设计水平,需要采用大量的硬件、软件方面的抗干扰措施,才能保证系统长期稳定可靠的运行;最后,单片机电路非模块化结构,故障查找比较困难,给维护带来很多不便。
2.2以PLC为控制核心的监控系统
可编程逻辑控制器(ProgrammableLogierController,简称PLC)是一种成熟的工业控制器,它以微处理器为核心,是微机技术与继电器常规控制概念相结合的产物,主要应用于工业控制。
以PLC为控制核心的监控系统,是将空压机的参数信息经各类传感器或变送器转换成标准信号或数字逻辑信号后再进PLC。
从价格来说,对于低端应用,PLC比单片机的价格要贵许多,但比起PC机,则具有较好的性价比。
2.2.1可变程序控制器的构成
PLC的基础是微机技术,其构成与计算机控制系统一样,有中央处理器CPU、存储器、I/O接口、编程器、外围设备(简称为“外设”)构成,见图2-2:
图2-2PLC构成
2.2.2PLC的基本工作原理
PLC实施控制实质上是采用了对整个用户程序循环制执行的工作方式即循环扫描方式,即执行用户程序不是只执行一遍,而是一遍一遍不停地循环执行。
每执行一遍称为扫描一次,扫描一遍全部用户程序的时间叫做扫描周期。
扫描周期的长短,与程序中指令的数量以及每条指令执行时间的长短有关。
应保障用户程序的扫描周期足够短,以确保在前一次扫描中刚好为捕捉到的某变量的变化状态,在下一次扫描过程中必定被捕捉到。
PLC的扫描工作方式可以按固定的顺序运行,即每扫描一遍立即执行一遍,这种方法多用于小型PLC,其优点是提高了系统抗干扰能力;而对于大型系统,当I/O点数很多时,响应的及时性则较难于满足。
此时,也可以采用分时分批扫描执行的方法,以缩短扫描周期、提高系统实时响应性。
此外,也可以直接使用专门指令执行一个I/O映像区的及时采样输入、直接刷新输出,或中断输入输出,或运用专门的智能化快速响应I/O模块等方法来提高系统实时响应性。
2.2.3PLC的主要特点
1)全系统采用模块化标准结构,从主机、输入输出模块到通信接口、电缆及附件都标准化,系统设计基本上是选件和通用设计。
组装是通用件标准化作业。
维护更换以模块更换为主,非常方便。
2)具有针对生产过程的系列化I/O接口模块,包括数字量、模拟量模板,能适用于各种电压等级。
3)具有越来越丰富的智能接口模板。
把大量特殊检测、运算控制、人机联系、打印报表等功能纳入智能模板功能之中。
4)具有模块化软件功能和面对普通电气人员的专用编程语言。
5)大中小型系列化,系列内不同型号之间很容易联网。
6)适应工业环境,安装维护容易。
7)可靠性高,故障率低,特别适合于重要生产过程。
8)系统扩充、更新容易,往往不必整体推倒重来。
9)在线调控修改容易,极大地缩短了调试周期,降低了调试成本。
以PLC为控制核心的监控系统结构如图2-3所示:
图2-3PLC监控系统结构图
2.3PLC与传统的继电器系统的比较
表2-1PLC与传统的继电器系统的比较
比较项目
继电器系统
PLC
控制方式
继电器连锁
程序控制
设计组装
继电器盘、柜,非标准化
选用通用件设计组装
功能变动
变动继电器连线
变动程序
控制水平
一般连锁
复杂功能
扩展
加盘、柜等
加模板等
故障测试
有一定故障率
人工
低
自诊断为主
学习掌握
容易
需要一定时间的学习
维护
有一定维护量
容易
数表管理
无
可以
通信、人机对话
无
可以
体积
大
小
2.4PLC与计算机控制系统的比较
表2-2PLC与计算机控制系统的比较
比较项目
计算机系统
PLC
硬件设计
作计算机接口设计
选用通用设计
软件
缺乏针对控制的执行软件
有功能强的执行软件
编辑语言
高级语言、汇编语言
面向过程的专用语言、高级语言
扩展
接口设计麻烦
加模板容易
故障率
低
很低
对环境要求
高
与一般电器、仪表相同
学习掌握
技术人员
一般电工以上水平
系列化
较困难
大中小齐全
通信管理
强
强
2.5现代PLC的发展趋势
随着科学技术的发展和市场需求的增加,PLC的结构和功能也不断改进,生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品,平均3~5年就更新换代一次,如西门子公司在S5系列PLC的基础上又推出了S7系列PLC,性能价格比越来越高,S7-PLC属中小型PLC,有很强的模拟量处理能力和数字运算功能,用户程序存储容量达24kB,具有许多过去大型PLC才有的功能,它的扫描速度为1000条指令0.3ms,超过了许多大型PLC。
现代PLC的发展有两个主要趋势:
其一是向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微小型PLC方面发展;其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性、多功能方面发展。
(1)大型网络化
主要是朝DCS方向发展,使其具有DCS系统的一些功能,网络化和强化通信能力是PLC发展的一个重要方面,向下将多个PLC、多个I/O框架相连;向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统,现场总线技术在工业控制中将会得到越来越广泛的应用。
S7-300PLC可以通过多点接口MPI直接与多个计算机、编程器、操作员面板及其他PLC相连,也可通过通信处理器连成更大的、范围更广的SINECH1以太网,或通过现场总线构成灵活实用的分布式SINECL2网路。
(2)多功能
为了适应各种特殊功能的需要,各个公司陆续推出了多种智能模块,智能模块是以微处理器为基础的功能部件,它们的CPU与PLC的CPU并行工作,占用主机CPU的时间很少,有利于提高PLC的扫描速度和完成特殊的控制要求,智能模块主要有模拟量I/O、PID回路控制、通信控制、机械运动控制(如轴定位、步进电机控制等)、高速计数、中断输入等,由于智能I/O的应用,使过程控制的功能和实时性大为增强,某些PLC的过程控制还具有自适应、参数自整定功能,使设计、调试时间减少,控制精度提高,如S7-300的模拟量输入模块可以直接输入电流、电压、热电偶、热电阻等多达18种不同类型不同范围的信号,适应性很强。
(3)高可靠性
由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视,一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛地应用到现有产品中,推出了高可靠性的冗余系统,并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
S7-400PLC即使在恶劣、不稳定的工业环境下,坚固、全部密封的模板依然可正常工作,在操作运行过程中模板还可热插拔。
(4)好的兼容性
现代PLC已不再是单个的、独立的控制装置,而是整个控制系统中的一部分或一个环节,好的兼容性是PLC深层次应用的重要保证,SIMATICM7-300PLC采用与SIMATICS7-300相同的结构,能用SIMATICS7模块,其显著特点是与通用微型计算机兼容,可运行MS-DOS/Windows程序,适合于处理数据量大、实时性强的工程任务。
(5)小型化、低成本、简单易用
随着应用范围的扩大和用户投资规模的不同,小型化、成本低、简单易行的PLC将广泛应用于各行各业,小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展,增加了配置的灵活性,SIMATICS7-200微型PLC的最小配置为8DI/6DO,可扩展2~7个模块,最大I/O点数为64DI/DO;12AI/4AO。
(6)编程语言向高层次发展
PLC的编程语言在原有梯形图语言、顺序功能块语言和指令表语言的基础上,不断丰富并向高层次发展,西门子SIMATICS7-300PLC的编程语言STEP7,可运行在个人计算机Windows环境,界面极为有好,提供了强大的梯形图和语句两种形式的编程、调试、诊断等功能,并备有丰富的随机帮助信息,可支持位、字节、字、双字、字符串、整数、双整数、实数、日期、数组和结构等数据类型,SIMATICM7则使用C/C++等高级语言进行编程,体现了面向未来的种种特征。
通过比较和分析显然可编程控制器(PLC)作为控制核心是实现集中控制系统的最佳方案。
2.6系统方案的确定
下位机采用PLC进行控制3台LU320W螺杆式空压机和水泵。
PLC与传感器、执行机构等共同完成对现场的检测和控制。
2.6.1运行状态监测部位与主要参数
空压机运行状态监测部位与参数如图2-4所示:
图2-4运行状态检测部位
2.6.2运行监测系统构成
1)温度监测自动控制系统
a.设立两个压气温度监测点,对空压机运行中的排气温度、储气罐(风包)气体温度进行监测、处理和显示。
当排气温度超过限值165℃时或储气罐气体温度超过120℃,自动声光报警,并自动停机。
b.设立一个冷却器排水温度监测点,对冷却回路中的排水温度进行监测,机内水温超过40℃自动报警。
另外,在回路中有断水保护装置,冷却水供水突然中断时自动报警、停机。
若被监测温度在限值范围内,发光二极管发出绿光,数字显示温度值跟随变化,表示自动监控正常,空压机运转正常。
当二极管发出红光和声响报警时,表明监测信号超限,发生故障。
此时,保护控制电路动作,切断电源,空压机自动停机。
操作维修人员应立即查明原因,检修处理。
2)压力监测自动控制系统
压力监测自动控制系统如图2-5所示:
图2-5压力检测自动控制系统
a.设立压风机排气压力以及储气罐压力监测点,对压力进行监测,排气压力的合理值为0.8MPa,当高于或低于限值时,声光报警或数字显示。
超限严重时,自动停机。
b.对于矿用空压机,在保护调节系统中装设压力自动调节监测,储气罐上装有安全阀。
当排气压力达到调定值或排气压力超过限定值时,空压机进入卸荷运行或安全阀放气,以保证空压机不致过载和损坏。
只要调节系统工作正常,被测压力就不会严重超限。
c.设立润滑油压力监测点,对机械传动系统润滑油的状态进行监测。
当压力高于或低于限定值时,就声光报警。
严重时,自控停机。
d.设立冷却器进水压力监测点,对冷却回路中的进水压力进行监测,冷却水供水突然中断时自动报警、停机。
2.6.3压风机自动控制系统功能
1)自动联动控制
实现压风机及相关冷却和气路系统阀门的自动联动控制,按程序执行启动/停止压风机操作,提高操作的准确性和安全性。
2)具备就地手动/远方控制两种控制方式。
3)实现压风机网络监控功能
机组可自动根据系统中的耗气量,通过容调装置自动调节排气量:
正常供风时开动两台压风机;当满足风压≥0.65MPa时,停止一台工作;当风压低于0.5MPa时,恢复两台压风机供风;当风压持续1h达不到0.65MPa时,实现自动启动第三台运行。
这样可以达到压风机房无人值守。
4)可连续在线监测
风机工况检测自动控制系统可以完成对压力(包括压风机出风压力、风包压力、润滑油压力、冷却水进口压力)、温度(包括压风机出风温度、风包温度、冷却水出口温度)、震动、空压机
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