基于PLC的风机监控系统设计硬件毕业设计论文.docx
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基于PLC的风机监控系统设计硬件毕业设计论文
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
ProgrammableLogicControllerisakindofuniversalindustrialcontrolapparatus,whichtakingmicroprocessorasitscore,integratinginformationtechnology,automationcontroltechnology,networkingcommunicationtechnology.Itisappliedinmoreandmoreindustrycontrolfieldswiththecharacteristicssuchaseasyapplication,easymaintenance,wellreliability,highperformance-priceratio.
Primaryventilatorsarethemostimportantinstrumentsofthecolliery.Theirworkingstatecandirectlyinfluencethecoalproducingprocesss.Therefore,onlinemonitoringofthemainfanthereisofmuchsignificance.thispaperintroducedtheapplicationofProgrammableLogicController（PLC）inthecoalmineventilationsystem;Discussedthesystemcompositionandthedesignofventilatorrealizationautomaticcontrolsystem;Includedselectionandconfigureationofhardware;EstablishedtheLADchartoftheventilatorrealizationautomaticcontrol;Andbrieflyintroducedtheconsistingofmonitoringsystem,thesystemincludingPLCandotherintelligentinstallmentsandthepersonalcomputernetworking,Thissystemraisedtheautomaticmanagementlevelofthemainfannerequipments，guaranteeingtheeconomyofthemainfannerequipmentscirculatecredibility.Forthemanagementoftheequipmentsandmaintained,thissystemcanprovidedependablescientificwarranty.
Keywords:
Coalmineventilator;PLC;Onlinemonitoring
1绪论
1.1煤矿通风概况
据统计,我国煤矿事故因瓦斯爆炸死亡人数是世界上主要采煤国家，死亡总人数的4倍,百万吨煤死亡率是美国的近20倍、印度的12倍。
地面空气进入井下后,因发生物理和化学两种变化,使其混入了有毒性、窒息性和爆炸性的气体和粉尘,为创造井下良好的工作环境、防止各种伤害和爆炸事故,保障井下人员身体健康和生命安全,对通风设施进行系统化管理和监控的工作显得尤为重要。
矿井通风系统主要是为了解决矿井内空气的流通问题,使在井下作业的矿工能够正常工作并使有害气体能够及时地疏散到矿外大气中去。
煤矿主通风机是实现矿井通风的作业的重要的设备，它担负着向煤矿井下生产及生产辅助系统输送新鲜空气，并将粉尘和污浊风流抛弃出地面、为井下生产现场的工作人员创造较好的气候条件，使他们能保持良好的精神状态，提高生产效率，确保矿井安全生产。
矿井的气候条件常用风流的温度、湿度及风速三个参数进行综合评价。
井下工作地点最适宜的气候条件是：
空气温度为15~20℃，空气相对湿度是：
50﹪～60﹪，风速的大小应根据气温的高低而定，无提升设备的风硐其最高风速为15m/s。
这三个参数是影响人体散热的主要因素。
风速对人体散热及人体舒适又重要影响，风速还对矿尘悬浮、瓦斯集聚、井巷通风阻力等有较大影响。
因此，为了改善矿井气候条件，防止瓦斯集聚，要求井巷风速不能太低；为了防止井巷中落尘飞扬、产生较大的通风阻力等，要求风速也不能过大。
在气候条件三要素中，湿度与温度密切相关，但由于湿度控制比较困难，故改善气候条件的重点就是将井下、特别是采掘工作面的气温和风速进行适当调节，为采掘一线工作人员创造良好的工作环境。
通过风量调节实现按需分风，决定各工作面的风量，所以对矿井主通风机的在线监控在煤矿安全生产中起着重要的核心作用。
1.2PLC的基本概念
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛几乎所有的工业领域，现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的响应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
1.2.1PLC的组成部分
可编程控制器简称为PLC，它的应用广泛、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用。
它具有以下特点:
编程简单易学、功能强、性价比高、硬件配套齐全、可靠性高、抗干扰能力强、系统的设计、安装工作量少、维修方便、体积小、功耗低。
本设计使用的是西门子S7-300，它是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。
它有以下几部分组成：
1）中央处理单元（CPU）
CPU用于存储和处理用户程序，控制集中式I/O和分布式I/O。
2）电源模块（PS）
用于将AC220V的电源转化为DC24V电源，供CPU模块和I/O模块适用。
3）信号模块（SM）
是数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压电流于PLC内部的信号电平匹配。
数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关和限位开关等来的开关量输入信号。
数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、指示灯等输出设备。
模拟量输入模块是接收传感器和变送器等提供的连续变化的模拟量电流，电压等信号。
模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。
4）功能模块（FM）
是智能的信号处理模块，不占用CPU的资源，对来自现场的信号进行控制和处理，并将信息传送给CPU。
5）通信处理器（CP）
用于PLC之间、PLC和计算机或其它智能设备之间的通信。
6）接口模块（IM）
用于多机架配置时连接主机架和扩展机架。
1.2.2S7-300的系统结构
采用的是紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块、CPU、信号模块、功能模块、接口模块和通信处理器都安装在导轨上。
导轨是一种专用的金属机架，只需将模块钩在DIN标准的安装导轨上，然后用螺栓锁紧就可以了。
电源模块安装在最左边，CPU模块紧接着电源模块，如果有接口模块，它放在CPU模块的右侧。
S7-300用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。
每个机架最多只能装8个信号模块、功能模块或通信处理器模块，组态时系统自动分配模块的地址。
如果这些模块超过8个，可以增加扩展模块。
除了中央机架最多可以增加扩展3个扩展机架，因此最多可以安装32个模块。
其中0号机架的DC5V电源由CPU模块产生，其额定电流与CPU的型号有关。
扩展机架的背板总线电源由接口模块IM361产生。
1.2.3PLC的循环处理过程
CPU中的程序分为操作系统和用户程序。
操作系统用来处理PLC的启动、刷新过程映像输入/输出区、调用用户程序、处理中断错误、管理存储区和通信等任务。
用户程序由用户生成，用来实现用户要求的自动化任务。
STEP7将用户编写的程序和程序所需要的数据放置在块中，功能块FB和功能FC是用户编写的子程序，系统功能块SFB和系统功能SFC是操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块统称为逻辑块。
PLC得电或由STOP模式切换到RUN模式时，CPU执行启动操作，清除没有保持功能的位存储器和定时器等内容，复位保存的硬件中断等。
此外还要执行一次用户生成的“系统启动”组织块OB100,完成用户指定的初始化操作。
以后PLC采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也成为扫描工作方式。
下面是循环处理各个阶段的任务：
（见图1.1）
1）操作系统启动循环时间监控。
2）CPU将过程映像输出区的数据写到输出模块,CPU读取输入模块的输入状态，并存入过程映像输入区。
3）CPU处理用户程序，执行用户程序的指令。
4）在循环结束时，操作系统执行所有挂起的任务。
5）CPU返回第一阶段，重新启动循环时间监控。
在启动完成后，不断的循环调用组织块0B1,OB1是用户程序的主程序，它可以调用别的逻辑块。
循环程序处理过程可以被某些事件中断。
如果有中断事件出现，当前正在执行的块被暂停执行，并自动调用分配给该事件的组织块。
该组织块被执行完后，被暂停执行的块将从被中断的地方继续开始执行。
图1.1扫描过程
1.2.4S7-300的编程语言
STEP7是S7-300系列PLC的编程软件。
梯形图、语句表和功能图是这个软件包中的3中基本编程语言，这3种语言可以在STEP7中相互转换。
在本设计中，我采用了梯形图编程语言。
梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令框组成。
触点代表逻辑输入条件，线圈通常代表逻辑运算的结果，指令框用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。
触点和线圈等组成的独立电路称为网络。
梯形图种的触点和线圈可以使用物理地址，如果用符号表定义了某些地址的符号，可以用符号地址来代替物理地址，可以使程序易于阅读和理解。
如果没有跳转指令，程序段内的逻辑运算按从左往右执行，与能流的方向一致。
程序段之间按从上到下的顺序执行，执行完所有的程序段后，下一次返回最上面的程序段1，重新开始执行。
1.2.5PLC的供电及接地抗干扰问题
可编程控制系统组成的控制系统以交流220V作为基本的工作电压，电源开关选择的是两相单开关，然后通过隔离变压器和交流稳压器或UPS电源。
通过交流稳压器输出的电源分为两路：
一路为PLC电源模块供电，另一路为PLC的输入/输出模块、现场检测单元、执行机构供电。
采用隔离变压器可以隔离掉供电电源中的各种干扰信号，从而提高系统的抗干扰性能。
PLC的控制部分供电包括PLC的CPU工作电源、各种I/O模块的控制回路工作电源、各种接口模块和通信智能模块的工作电源。
这些工作电源都是由电源模块供电。
一般PLC的电源模块都有三个进线端子，分别用L1、N、PE表示。
其中L1和N为交流220V进线端子，PE为系统接地，并与机壳相连，它的接地端应选择铜导体并尽可能短的与交流稳压器、UPS电源、隔离变压器和系统接地相连。
在实际控制系统中，接地是抑制干扰是系统可靠工作的主要方法。
接地设计有两个基本目的：
消除各电路电流流经公共地线阻抗所产生的噪声电压和避免磁场与电位差的影响，使其不形成地环路。
对于PLC的控制系统，接地电阻一般不小于4
。
同时要保证足够的强度，并有耐腐蚀及防腐处理。
PLC组成的系统要单独设计接地。
1.3目前国内外的通风机监控状况
最近20年，各国煤矿通风监测系统发展迅速，为预防事故起了重要的作用。
现在我们先来看一下各国通风监测系统的发展状况：
（1）英国MINOS监测系统。
MINOS监测系统是英国有代表性的先进的监测系统，他能对井下环境进行连续监测，包括:
①低浓度瓦斯；②高浓度瓦斯；③瓦斯抽放系统的负压；④风速；⑤风压；⑥烟雾及粉尘。
（2）德国TF-200瓦斯监测系统。
TF-200系统是YF-24系统的更新产品，功能扩大，传输通道由24个增加到52个。
主要传感器：
高浓度瓦斯、低浓度瓦斯、CO、风速等传感器。
主要设备为计算机、打印机、记录仪、模拟盘，传输系统的传输方式为调频。
（3）波兰CMM-20m瓦斯监测系统。
适合于小煤矿，可配接20个测点，可用循环方式监测各测点的参数，包括瓦斯浓度和风速。
（4）美国SCADA监测系统。
是集中监测系统，分为标准型和扩展性两种。
国外在不断完善煤矿安全的跟踪预测的基础上，开展了研究瓦斯突出的动态预测技术和突出危险区域预测技术。
俄罗斯建立了区域预测预报专家系统。
德国研发的“超越现实”是一种高安全性的通讯技术，可以完全改变井下矿工的工作方式。
矿工通过“数字眼镜”（检测机器故障的装置）查看出现故障的机器。
电脑会给出非常详细的、有动画演示的维修步骤。
矿工不需要亲自去检查机器，完全由电脑来检查并处理数据。
在新近研发的井下新技术中，特别引人注目的是一种“井下WLAN无线局域网系统”。
这种技术利用安装在矿工头盔上的摄像头传送地下煤矿实时图像，并通过手机、耳麦等移动通讯设备，借助微型电脑进行数据传输等。
专家可以借助矿工头盔上的摄像头传送的实时图片进行观察与诊断，并通过耳麦指导操作。
提高了矿工工作效率也降低了危险概率。
波兰和法国对煤层突出危险进行了分级，实现了科学管理。
我国监测监控技术应用较晚，起初从波兰、法国、德国、英国和美国等（如DAN6400,TF200,MINOS和Senturion-200）引进了一批通风安全监控系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研出KJ2,KJ4,KJ8KJ10,KJ13,KJ19,KJ38,KJ66,KJ75,KJ80,KJ92等监控系统，在我国煤矿已大量使用。
实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局矿已把它作为一项重大安全装备。
随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各单位相继研制出KJ90,KJ95,KJ101,KJF2000,KJ4/KJ2000和KJG2000等监控系统，以及MSNM,WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。
截至目前，黑龙江煤矿安全监察局利用黑龙江移动的GSM和GPRS网络己对全省812处矿井实现了风机主扇监控和瓦斯浓度监控，占全省煤矿计划实现安全监控总数的74%，并已实现了全部联网。
由于实现了对各类煤矿的远程动态监控，有效地消除了很多事故隐患，在一定程度上控制了瓦斯爆炸事故的数量。
1.4本设计所作的工作
1）实时监测风机风压（静压、全压）、风速风量、轴承温度、定子温度、电网电流、电压、功率、电机与风机效率、风峒大气参数（温度、湿度、大气压力）等风机运行各种参数；
2）监测风门位置、风机开停状态、反风信号和电机编号等风机运行多种状态信息；
3）控制风门开/关、风机启/停；
4）自动闭锁控制，保证系统安全；
5）具有现场控制，手动控制等多种控制方式。
2矿井主通风机系统
2.1主通风机概述
通风系统是利用各种通风设备，不断地把地面的新鲜空气按着一定的路线、一定的风量送到井下各用风地点，同时把井下的乏风排至地面，并将井下的各种有害气体稀释到《煤矿安全规程》所允许的浓度以下，以保证井下工作人员身心健康和设备的正常运转。
通风还可以调节井下的温度，改善井下工作环境。
为此，矿井必须要有完整可靠的通风系统。
矿井主通风系统主要有通风机、风门、风井等几部分组成，其中主通风机是系统的核心部件。
根据风流在叶轮内部的流动方向可分为离心式和轴流式。
矿井主通风机通风机是矿井通风系统的核心设备，因此自然成为风机监测系统的首要监测对象。
鉴于通风作业在煤矿安全生产中占据的至关重要的地位与作用，在通风系统的设计中都毫无例外地体现了系统冗余的思想，即重复配置两台相同的通风机组，互为备用，确保通风作业的不间断性。
2.1.1主通风机性能参数
主通风机的特性主要有风压、风量、功率、和转速五个工作参数。
1）风机工作风量
在风机风口断面上测出动压换算成平均风速，或直接测出平均风速，然后乘以进风口的断面积，得出风机的工作风量。
（2.1）式中Q表示风量,A表示进风口断面积,V表示通风机的风速。
2）风机工作风压
风机的风压是用其入口风流的压力参数开反映的。
分为风机全压、风机静压和风机动压。
风机全压是风机对1空气所做的功，用于克服管网阻力和消耗于动能损失。
风机静压是风机全压中用于克服管网阻力的部分。
风机动压是风机全压中的出口动能损失部分。
（2.2）
3）风机的轴功率
（2.3）
式中N是风机轴功率，
是电机有功功率，
是电机效率，
是传动效率。
4）风机效率
风流在风机机体内流动时会产生冲击、摩擦等各种能量损失。
风机的输出功率必小于输入功率，二者的比值反映了风机的实际工作状况。
分为静压效率和全压效率。
（2.4）
（2.5）
式中
是风机全压效率，
是风机静压效率。
2.1.2对旋轴流式风机的结构和工作原理
轴流风机由整流罩、叶轮、导叶、整流体、集风器及扩散筒等组成。
对旋轴流式通风机是将一个叶轮装在另一叶轮的后面，而叶轮的转向彼此相反，因此需要两个容量、型号完全相同的有隔爆作用的电动机按相反方向旋转驱动。
即第一叶轮顺时针方向旋转，第二级叶轮逆时针方向旋转。
两级叶轮互为导叶，第一级形成的旋转速度由第二级反向旋转消除并形成单一的轴向流动排出。
本系统采用的是燕京风机厂生产的BD（K）系列煤矿用防爆对旋式主通风机2台，这是一种典型的轴流式通风机。
BD（K）系列抽出式对旋式主通风机具有压力增益大，效率高，结构简单和轴向尺寸小等优点：
该系列对旋轴流主通风机的特点：
1）具有优良的气动性能、静压效率高、振动小、噪声低、高效区域广的特点。
该风机设计效率高达85%以上，具有明显的节能效果。
2）采用电机与叶轮直联的简捷传动结构，安装简单，使用与检修方便，同时节省了风机的占地面积。
3）风机可以直接反转反风。
当矿井有害气体急剧增大时，可将风机由送风置换成抽风，其反风量达正风量的78%以上，不需要反风道基础，节约了基建投资。
当电机配带防爆制动装置后，风机可在5分钟内实现反风。
满足煤矿安全规程规定的十分钟内必须反风。
4）风机既可以两台电机一起开启，也可以单台电机分别单独运转使用，扩宽了运行的性能范围。
5）风机叶轮回转部分的筒体上，增加了防火花的铜环装置，以防止气体中异物在叶轮高速运行时与筒壁撞击产生火花，引发事故。
6）叶片在轮毂上采用8.8级以上的高强度螺栓联接固定，安全可靠。
同时在轮毂上刻有明显的叶片角度指示线，实现了对叶片安装角的无级调节，用户可根据生产用风量的大小停机人工任意调节叶片的安装角。
设计上考虑了6种固定的调节角度，可供用户参考选用。
7）采取风机+电机一体化设计开发，针对过去对旋风机配套电机存在的质量问题，特殊设计了专用电机，从根本上解决了原用风机的缺陷，并在主风筒中开设了多个散热孔，确保设备的长期运行。
2.2风门
在人员和车辆可以通行，风流不能通过的巷道中至少要建立两座风门，间距要大于运输工具的长度。
风道的通断完全以来风门的开合来实现。
在本设计方案中两台通风机各有一个通道，每个通道各有三个风门，一个立式风门，一个斜风门，一个地面风门，其中前两个风门是通常系统设计中的冗余考虑，最后一个风门是调节风量和倒换风机时所用。
三者都是电动风门，其中立式风门各有一台11KW的低压三相交流电动机拖动，采用的是左右水平推拉式，无转速调节，由左右限位开关来检测风门的位置斜风门采用40KW的交流电动机拖动，由上下限位开关检测风门的位置，限位开关的常开或常闭触点向PLC发出信号并切断电机供电回路。
其布局如图所示：
2.3反风方法
当矿井进风口附近、进风井口或井底车场发生火灾或瓦斯突出、煤尘爆炸时，将会产生大量的有毒、有害气体，这些有毒、有害气体随风流进入工作面将危及人的生命，从而造成严重事故。
为防止烟火和有害气体随着风流进入工作面，危害井下工人的生命安全，必须在很短的时间内，改变风流方向，防止灾害的蔓延，缩小灾害范围，以保障井下工作人员的安全撤出。
改变通风系统正常风流的方向叫做反风。
用于反风的各种设备和设施叫做反风装置。
它主要由反风道、闸门和慢速绞车等组成。
为了保证矿井的安全生产，矿井必须安装反风装置。
“《煤矿安全规程》规定，生产矿井主要通风机必须装有反风设施，并能在10min内改变巷道中的风流方向；当风流方向改变后，主要通风机的供给风量不应小于正常供风量的40%。
”
通风机的反风方法一般来说有两种：
一种是利用反风道反风，另一种是利用风机反转反风。
前者的优点是风量大（等于正常风量），风机不停不反转，缺点是需另外开拓一段巷道，安装风门和风门绞车，而这些风门和风门绞车平时根本不用，用时往往不灵活，甚至起动不起来，故《煤矿安全规程》规定，凡利用反风道反风的每年要进行一次反风演习。
后者的优点是取消了反风巷道和风门，大大简化了反风系统，只要措施得当，完全可以满足反风要求，只是这种方法只适用于对旋轴流式通风机。
本设计方案正是采取的这种反风措施。
用反转电动机反风时，要做到：
1）立即依次拉开正在运转的风机的油开关、隔离开关和正转隔离开关，使电机断电，并锁住正转隔离开关，用刹车装置将风机停稳。
2）用地锁将防爆门（盖）固定牢固。
3）依次合上反转隔离开关（注意正反转隔离开关严禁同时合上），下隔离开关和油开关，使风机反转启动。
4）各风门保持原状不变。
5）对于导翼固定的通风机直接反转启动通风机；对于导翼可调角度的通风机，则先调整导翼调整器，改变导翼角度，然后反转启动电机。
3主通风机自动监控系统的硬件设计
3.1系统的组成和特点
本系统以PLC为核心，主要由信号测取装置和传感（变送）器、上位机及通讯装置及其他设备组成。
其自动化监控系统图如3.1
图3.1风机自动监控系统硬件图
本监控系统的主通风机采用的是冗余结构，一主一备两套设备，在一套出现故障时，另一套可以马上投入运行。
每台风机安装有2台11KV的高压异步电动机,电动机上安装了三相定子和前后轴承温度传感器（出厂时已预埋），每个风机风道配有1扇地面风道闸门,用来调节风量和倒换风机，每个立式风门各有一台11KW的低压三相交流电动机拖动，每个旋转风门采用40KW的交流电动机拖动，在风机风道处安装测量差压、负压的气样管道及流体温度传感器；同时,为了保证附属设备可靠地
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