基于plc风机监控系统文档格式.doc
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职称教授
工作单位平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）答辩委员会记录
平顶山函授站年级专业2012电气工程及自动化1班学生姓名宋乐天的（论文）于2014年5月日进行答辩。
设计（论文）题目：
煤矿6Kv变电站供电系统设计
答辩学生向毕业设计答辩委员会（小组）提交以下资料：
一、设计（论文）说明书共47页
二、设计（论文）图纸共0张
三、指导教师评阅意见共1张
根据学生所提供的毕业设计（论文）材料和指导教师意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）作出如下决议：
一、毕业设计（论文）的总评语：
二、毕业设计（论文）的总评成绩：
毕业答辩委员会主任（组长）签字：
委员（成员）签字：
年月日
河南理工大学成人教育学院毕业设计（论文）说明书
摘要
在煤矿的安全生产中，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。
而矿井主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的重要作用，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。
本文利用传感器技术、PLC控制技术、变频调速技术和组态监控技术，对矿井主通风机进行了PLC控制的变频调速系统的设计和研究。
首先，根据主通风机监控系统的功能要求，选择了合理的系统控制方案；
然后，根据选定的控制方案，设计了系统的控制电路，并对PLC、变频器、传感器等硬件进行了选型配置和接线；
接着，在硬件结构上，利用STEP-Micro/WIN编程软件完成了系统PLC控制程序的流程设计；
最后，根据系统的整体功能要求，结合组态王软件和PLC的应用，完成了主通风机监控系统的功能设计。
监控系统可实现风机的自动启/停、两台风机的自动切换、参数的实时采集以及根据给定的风量值实时调节风机转速等功能。
结合上位机界面，可实现各重要参数的显示、主要设备的故障报警、数据的存储和报表输出以及曲线绘制等功能，为工作人员提供良好的操作界面。
关键词：
主通风机；
PLC控制；
变频调速技术；
上位机
第46页-
目录
第一章绪论 1
1.1课题研究背景及研究意义 1
1.2变频调速技术在矿井通风机上的应用 1
1.3PLC控制技术在矿井通风机上的应用 2
1.4本论文研究的主要内容 3
1.5本章小结 4
第二章轴流式通风机的运行特性和理论 4
2.1轴流式通风机的工作特点 4
2.2轴流式通风机的性能曲线 5
2.3通风机性能参数相关计算、处理 6
2.4本章小结 13
第三章风机变频调速的原理及系统设计 13
3.1变频调速技术的原理及应用 13
3.1.1变频调速的基本原理 13
3.1.2变频调速的基本控制方式 14
3.1.3矿井通风机变频调速的节能原理 15
3.1.4变频器的结构和选型 17
3.1.5微能高压变频器特性 18
3.1.6WIN-HV的主电路结构 18
3.2PLC的工作原理及应用 19
3.2.1PLC的基本构成 19
3.2.2PLC的工作原理 19
3.2.3PLC控制器的选型 20
3.2.4PLC控制变频器的方式 21
3.3变频器的参数设置 21
3.4系统的总体设计 25
3.5本章小结 26
第四章风机监控系统硬件设计 26
4.1风机系统参数采集 26
4.1.1温度参数 27
4.1.2风量参数 29
4.1.3振动参数 30
4.1.4电压、电流及功率因数等电参数 31
4.2系统的主电路结构 31
4.3系统的控制电路结构 33
4.3.1PLC控制器I/O点的编址 33
4.3.2系统控制电路结构 33
4.4本章小结 35
第五章系统软件设计 36
5.1PLC的编程语言 36
5.1.1PLC的编程方法 36
5.1.2STEP7-Micro/WIN4.0编程软件介绍 36
5.2PLC控制软件设计 37
5.2.1模拟量的采集与处理流程 37
5.2.2单个风机的启动/停止控制流程 39
5.2.3风机自动倒换控制流程 39
5.3监控系统的上位机设计 41
5.3.1组态王软件简介 41
5.3.2组态王软件的结构组成 41
5.3.3组态王软件的功能特点 41
5.3.4上位机的功能设计 42
5.4本章小结 44
第六章总结及应用展望 44
6.1全文总结 44
6.2应用展望 45
参考文献 46
第一章绪论
1.1课题研究背景及研究意义
近年来，随着国家经济的发展，能源危机越来越成为了制约国家经济发展的一个突出问题。
煤矿的生产和安全也愈显的重要，煤矿一方面向国家提供能源，另一方面煤矿生产的同时也存在着设备运行效率低下，电力等能源浪费严重的现象。
矿井设备的节能减排就显得尤为重要。
主通风机是矿井四大固定设备之一，它被称为“矿井肺脏”，负责向矿井井下输送新鲜空气、冲淡有害气体的浓度和带走飞扬的煤尘；
主通风机一般功率较大，处于连续运转状态，因而耗能大，耗电量一般占全矿井总耗电量的17%以上，因此其性能如何关系到工作人员的人身安全和运行是否经济。
然而，我国煤矿通风机监控系统虽然有了较长时间的发展，但是总体看来，整体发展还比较落后，很多矿井通风机带病运转，严重威胁着矿工生命安全。
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。
另外煤矿的重大安全事故中，约50%以上是由瓦斯爆炸而引起的，而在这些瓦斯爆炸事故中，造成瓦斯积聚的原因主要有10余种，其中因煤矿风机造成的事故占49.6%。
与此同时，多数通风机运行效率偏低，据统计，我国煤矿共有1000多台主通风机，其运转平均效率低于50％者占将近一半，平均效率在50％～60％者约占48％，平均效率大于60％者仅占2％。
主要原因：
首先，系统设计时，容量选择得较大，系统匹配不合理，这种“大马拉小车”的状况造成了大量的能源浪费；
其次，通风机多数运行工况点偏离设计点，致使运行效率偏低。
为此，必须对运行中的通风机进行有效的监测和控制，对通风机的各个参数和运行的工况建立一个完备的档案，为现场的管理和维护提供依据,以解决通风机运行中的安全性和经济性问题。
随着煤矿生产规模的扩大、生产效率的提高，井下通风系统对通风设备的监测监控也必须提出了更高的要求。
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，及早发现故障隐患十分必要。
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，为满足煤矿生产的上述要求提供了可能。
本监控系统就是在此背景下提出的。
1.2变频调速技术在矿井通风机上的应用
变频调速技术是根据交流电机电源频率与转速的关系，通过改变电源频率来改变电机转速的一种技术。
它是随着现代电力电子技术和计算机控制技术的展，而发展起来的一种高效节能的控制技术。
这项技术自上个世纪80年代投入工业应用以来，显示了强劲的竞争力和很大的发展空间，现在已经广泛地应用到各种工业生产领域，取得了显著的高效节能效果。
变频器是变频调速技术高度发展的结果。
近几年来，随着电力电子技术和计算机控制技术的迅速发展，变频器的价格不断下降，可选择的类型不断增多，其可靠性和功能性得到了不断提高和完善，使其在水泵、风机、电梯、空调等设备上得到了广泛的应用。
目前国内耗电量最大的电机，几乎一半为风机、泵类负载，因此变频器在它们上的应用和推广，有利于能源的节约利用。
通风机在煤矿上的使用占有很大的份量，是煤矿生产中最大的耗电设备。
采用传统的方法调节风量，使得大量能量从节流中损失掉了。
据统计，使用传统的方法调节风机的风量，运行效率通常为40%~60%，只有少数能达到70%，有的仅是30%，甚至更低，因此变频器在矿井通风机上的应用很有必要。
一般地来讲，将变频器应用在矿井通风机上，具有以下的功能和优点：
1、可以实现风机的无级平滑调速，及时满足矿井生产的风量需求，提高风机的运行效率，节省大量的电能损耗。
2、限制风机的启动电流，减少启动时的峰值功率损耗，消除电机起动和停止时，对机械和电气元件的冲击，延长其使用寿命。
3、PLC控制技术和变频器结合使用，可以使通风系统具有完善的监控功能和高可靠性，减少通风机的检修和维护的工作量，节约设备的费用。
4、变频器自身的保护功能齐全，有欠电压保护、过电压保护、过电流保护、短路保护、风机轴承过热保护等，使风机安全运行的可靠性得到大大提高。
基于以上的优点，国内有许多研究所和高校都在致力于变频调速技术在矿井通风机上的应用和研究。
如变频调速技术结合模糊控制在矿井局部通风机上应用，以及重庆煤研所设计的KXJT型矿用通风机自动调速装置，在煤矿的安全生产中都具有比较好的节能、自动化控制效果。
变频调速技术在矿井通风机上的应用，不仅节省了大量的资金和电能，还大大提高了煤矿安全生产的自动化、机械化水平。
1.3PLC控制技术在矿井通风机上的应用
可编程控制器（ProgrammableLogicalcontroller简称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。
它具有其它控制器所无法相比的特点，简单的概括起来主要有以下的特点：
1、可靠性高，抗干扰能力强
PLC控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上PLC充分考虑了工业生产环境的电磁、粉尘、温度、噪声等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使PLC具有极高的可靠性。
2、通用性强，配置方便
由于PLC产品已经系列化和模块化，用户可以根据应用控制系统的要求，进行灵活选用不同的模块配置，不需要制作硬件装置，只要设计不同的程序，就可以满足不同的控制功能要求。
3、编程语言简单，方便
PLC的编程语言主要使用是梯形图语言，它与传统的继电器、接触器控制电路极为相似，直观易学，易于掌握。
4、功能齐全，扩展能力强
PLC的输入输出系统功能完善，性能可靠，除了能进行大量开关量的逻辑控制外，还能进行多路模拟量的运算与控制。
它可以很方便地与各种类型的输入、输出量接口，实现D/A、A/D转换及PID运算。
另外，通过PLC的通信联网功能，还可以对控制对象实现远程监控和远程诊断。
5、系统设计、安装、调试周期短
进行PLC控制系统的设计只是进行模块的适当配置，不用自己去设计具体的硬件装置，因此大大缩短了设计的周期。
用软件编程代替大量的继电器和接触器硬接线，可以使PLC控制系统中的接线工作大大减少，只要把设备与PLC相应的FO端口相连即可。
由于PLC软件的设计和调试大多可以在实验室进行，调试好以后，再进行现场连机调试，这样可以节省大量的时间。
6、体积小，维护操作方便
PLC的体积小，重量轻，使用和安装起来非常方便。
另外，PLC内部具有完善的自诊断和故障显示功能，一旦发生故障，我们可以根据报警信息，迅速查明原因，及时排除故障，维护和操作起来非常方便。
由于PLC具有以上一系列的优点，使得其在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中得到了广泛的应用。
PLC在矿井通风机上的应用，主要使用的是PLC的逻辑控制、过程控制、模拟量控制、数据处理和通讯联网的功能。
使用PLC的逻辑控制，可以实现风机变频和工频的切换以及风机有故障时的调换等；
使用PLC的过程控制，可以实现对风机风量、风压等的PID调节，使其实时的满足井下的作业要求；
使用PLC的模拟量控制，可以把风机运行时的压力、流量、温度等模拟量信号采集到A/D转换模块，然后转换成PLC可以处理的数字量。
这些数字量可以在PLC内部进行逻辑比较或数据运算，也可以根据一定的控制算法或拟合关系，对数字量进行运算处理，并把处理的结果经过D/A转换成模拟量，输出控制外部智能设备；
使用PLC的数据处理功能，主要是在控制过程中，对一些设定参数进行转换、传送、比较、运算等处理，实现对矿井通风机某些参数的实时监控、修改以及与各种外部设备之间的通讯等功能；
使用PLC通讯联网功能，可以使用不同的协议，如PPI协议、MPI协议、Profibus协议、自用通讯协议，USS协议，实现PLC与计算机、PLC与PLC、以及PLC与各种外部智能设备如变频器、智能仪表等的通讯连接。
总之，PLC控制技术以其独特的特点和功能，可以大大提高矿井通风机的自动化控制程度，特别是PLC和变频器的结合使用，可以使矿井通风机取得明显的高效、安全、节能的运行效果。
1.4本论文研究的主要内容
本论文以矿井轴流式主通风机为控制对象，用PLC控制变频器去驱动通风机变频运行，以满足井下安全生产所需的风量。
同时，还利用PLC和组态软件实现通风机运行的在线监控，以及实现风机、变频器的在线控制和故障报警功能。
具体地来说，本论文的主要研究内容如下：
1、了解轴流式通风机的性能特点及变频调速的基本原理
2、矿井主通风机PLC控制变频调速系统的设计
该控制系统包括变频器接入的主电路和PLC接入的控制电路两部分。
要求能实现手动和自动的切换，使风机处于工频或变频运行。
无论风机处于变频或工频运行，都能在需要时顺利实现反风。
在变频运行时，该系统能根据上位机给定的风量值，自动调整风机的转速，满足安全生产所需的风量。
当变频器出现故障时，系统能自动甩掉变频器，实现工频运行。
两台风机自动切换运行，当一台运行时，另一台作为备用。
还要实现变频器和风机运行的实时在线监控，以及出现故障及时报警，及时处理的功能。
3、可编程控制器和变频器硬件部分的设计
根据系统的功能要求，完成其硬件电路的设计。
系统电路设计好以后，首先要根据系统的要求进行PLC、变频器、传感器及其它电气元件的选型，然后根据系统的整体要求，确定PLC控制变频器的方式。
最后，完成系统硬件部分的接线工作。
4、可编程控制器和变频器软件部分的设计
整个控制系统的硬件部分设计好以后，要进行系统软件部分的设计，包括系统主程序的设计，静压差、温度以及振动等模拟量采集处理，以及风机自动切换运行程序的设计。
5、上位机的监控功能及主界面设计
结合PLC和组态王软件，在上位机（PC）上完成主通风机在线监控系统的主界面的设计。
1.5本章小结
本章详细地介绍了课题的选题背景和选题意义，阐述了变频调速技术在矿井通风机上应用的必要性和其所能起到的作用和优点，同时，还介绍了PLC控制技术的特点和应用功能，以及其在矿井通风机上的应用现状。
最后，在此基础上，提出了本课题主要的研究内容和任务。
第二章轴流式通风机的运行特性和理论
2.1轴流式通风机的工作特点
轴流风机主要用作矿井主通风机，用来往井下输送新鲜空气。
主要由集流器、流线罩、前导流器（P）、叶轮（R）、后导流器（s）、机壳和扩散器组成，其中前导流器（P）、叶轮（R）、后导流器（S）组成轴流风机一个完整的级。
轴流式通风机叶轮上的叶片做成螺旋面，叶轮旋转时，气体从轴向吸入，在叶片的作用下又沿着轴向吸入和排出，获得动能及压力势能。
轴流式通风机的转速较高，气流沿轴向吸入和排出，转折较小；
而且根据气体动力学的计算，可使叶轮叶片有最佳的翼型，故在流量较大的情况下，仍有较高的效率。
因此，轴流式通风机的效率比离心式风机的高，结构上也比较紧凑。
宜在要求风量大，风压低的情况下使用。
2.2轴流式通风机的性能曲线
轴流式风机在设计工况下，基本上能消除气流的径向流动，但当流量大于设计值时，叶轮下游侧气流将由内向外朝直径较大处偏斜；
反之，气流将朝较小处偏转，情况严重时，会发生二次回流现象。
轴流式风机的性能曲线特点如下：
1、Q-H线大都属于陡降型曲线
流量偏小时，气流将部分地发生二次回流现象，回流的液体被叶轮二次加压，是流量较小的情况下，压头上升的缘故。
2、Q-N曲线在流量为零时最大
当流量增大时，H下降很快，轴功率也有所下降，这样往往使轴流式风机在零流量下启动时的轴功率为最大。
因此与离心式风机相比，轴流式风机应当在管路畅通下开动，尽管如此当启动与停车时，总是会经过最低流量的，所以轴流式风机所配用电机要有足够的裕量。
3、Q-曲线在最高效率点附近迅速下降
流量不在设计工况下的气流情况迅速变坏，以至效率下降很快，所以轴流式风机的最佳工作范围较窄，一般都没有调节阀门来调节流量。
因此，Q-H曲线和Q-N曲线都是在流量从小到大增加时先下降，再上升，然后再下降，有两个拐点，正常工作工况点应选在Q-H曲线的二次下降段，也就是驼峰点的右侧，它可近似用三次方程来拟合，但在整个趋势中它和Q-H曲线的拟合方法一样，选用有两个拐点的三次方程，能很好的反映风机工作情况的性能。
Q-曲线在整个流量变化过程中轴流式通风机运行特性和理论是先增大后减少，为此可用二次方程来拟合它的形状。
一般工作的工况点选在效率大于60%的曲线段。
图2-1轴流式通风机的一般性能曲线
至此，由Q-H曲线和Q-曲线也就决定了轴流式风机的正常工作范围，即在Q-H曲线驼峰点右侧和Q-曲线效率大于60%的公共部分。
同样是由于在风量较小的情况下，风机二次回流现象的影响，使得到某一流量时，在风机转速的增大和减小的回复，这也就是风机喘振点，在风机性能测试过程中，一般由此点开始或到此点结束，所以大多数的风机性能曲线的流量不是从零开始。
轴流式风机的性能曲线如图2-1所示。
2.3通风机性能参数相关计算、处理
本系统中通过传感器和测量仪器、仪表和执行机构，采集风机系统的工况参数：
如静压差、温度、机械振动、以及电压、电流、功率因数、功率和开关状态等。
采集的数据远传给上层监控管理层的工控机。
通风机的流量、压力、功率、效率和转速是用以表示通风机性能的主要参数，统称为通风机的性能参数。
在绘制曲线以及进行分析处理时要用到如下相关理论和公式。
1、参数换算
l）实测状态与标准状态的换算
通风机的性能参数或性能曲线总是在给定的进气状态下给出的，即通风机的性能与进气状态有关。
当进气状态变化时候，即使同一台通风机，其性能参数或性能曲线也是不一样的。
描述通风机性能时最常用的状态是所谓的标准进气状态。
标准进气状态规定通风机进口气流的状态参数如下：
空气温度：
℃20
绝对压力：
Pa101.325
相对湿度：
%50
气体常数:
J/（Kg·
K）288.5
气体密度：
Kg/m1.2
目前国内多数矿用轴流式通风机（如2K60，2K58，KZS等）其性能参数和性能曲线均是在上述状态下给定的。
实测状态是指对通风机进行试验时，通风机进口气流状态，为了便于对通风机性能进行比较，应将通风机实测进气状态下的参数换算到标准进气状态下的参数。
在叶轮直径D保持不变的条件下，换算公式如下：
=（2-1）
=（2-2）
=（2-3）
=（2-4）
式中：
——标准进气状态下的通风机转速，r/min；
——标准进气状态下的通风机流量，m/s；
——标准进气状态下的通风机全压，Pa；
——标准进气状态下的通风机静压，Pa；
——标准进气状态下的通风机轴功率，KW；
——标准进气状态下通风机的进口气流密度，Kg/m
2）有因次参数与无因次参数的换算
无因次性能参数用来表达同类通风机的共同特性，实用中有时需要进行有因次性能与无因次性能参数之间的相互换算。
有因次性能参数与无因次性能参数之间具有如下关系：
=（2-5）
=（2-6）
=（2-7）
=（2-8）
、、、分别为通风机装置的流量系数、全压系数、静压系数和功率系数；
——标准状态下通风机的流量，m/s；
——标准状态下通风机的全压，Pa；
——标准状态下通风机的静压，Pa；
——标准状态下通风机的轴功率，KW；
——通风机叶轮外径，m；
——通风机叶轮外圆线速度，m/s；
——标准状态下通风机进口气流密度，Kg/m；
在对通风机的特性曲线进行换算时可采用坐标变换法。
方法如下：
有因次特性曲线变换为无因次特性曲线时，风压坐标值统一除以，功率坐标值统一除以，流量坐标值统一除以，效率坐标不变，这样即得通风
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