首山矿地面压风机控制系统设计 毕业设计.doc

平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 摘 要矿业生活中压风机是不可缺少的设备，本文主要研究了压风机的监控保护和压风机组的调度，通过计算机房远程集中控制，对于压风运行进行管理调度，优化完善压风机系统的监控功能。系统采用两级计算机监控，以工控机作为监控系统中的上位机，而下位机则采用plc作为现场级的控制设备，配以可靠精确的传感器，实时监控压风机运行，实现温度、压力、断水、高压综合保护，通过远程通信把压风机的运行参数传送给上位机，上位机可以发出控制指令，远程控制压风机。上位机实时的以数据和图形的方式显示压风机的运行状态，对于故障几十产生报警并对压风机实施保护。整个系统采用s7-300系列可编程控制器的cpu315及扩展模块作为核心，综合相应的接口电路、传感器、通信装置、上位机软件设计完成。由可编程控制器实现形成报警和保护的判断，各种信号的检测和监视。同时完成压风机自动操作的控制。论文对压风机的原理分析进而提出设计思想，完成了控制系统的硬件设计和上下两级的程序编制。对于下位机可编程控制器中压风机监控系统的软件实现进行阐述，对于上位机人机人机界面所实现的监控显示、数据存储、和指令控制等设计也做了详细介绍。压风机控制系统自动化程度高，稳定可靠，大大减轻了劳动强度，提高了生产效率，保障了空压机的安全运行。关键词：压风机；可编程控制器；监控系统目 录第一章 绪论11.1课题的背景和意义11.2首山矿概述21.3首山矿压风机系统概况21.3.1基本情况21.3.2总体设计3第二章 空气压缩机52.1空气压缩机及分类52.2螺杆式空气压缩机52.2.1螺杆式空压机基本结构52.2.2螺杆式空压机的工作原理62.2.3螺杆压缩机的特点72.3活塞式空压机82.4首山矿美国寿力ts-32s型双螺杆压风机9第三章 压风机控制系统设计方案103.1系统简介103.2压风机系统控制方案133.3.1空压机切换工作过程143.3.2通信方式163.3.3 报警装置16第四章 控制系统硬件设计184.1主电路设计184.2 plc选型184.3变频器选型：214.4传感器的选取22第五章 控制系统的软件设计245.1 plc控制系统设计步骤245.2 系统控制原理24第六章 系统的使用及维护296.1 plc系统控制方式296.2 设备维护336.2.1压风机336.2.2 控制柜346.2.3外围执行机构346.2.4传感器部分35参考文献36附 录37致 谢39第一章 绪论1.1课题的背景和意义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组成。近些年来，由于煤矿的安全支护推广锚喷工艺，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豁然煤尘爆炸事故，也推广应用风动钻机。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。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、有害气体露出事故、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，从而对压缩空气的需求量进一步增多，压风系统的重要性越来越大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 24 h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。1.2首山矿概述首山一矿2002年8月经国家发展和改革委员会批准立项，2004年8月16日开工建设，农历二九年六月十一试生产，2009年9月23日联合试运转，2009年底移交，2010年7月14日顺利通过竣工验收，2010年8月9日正式投产。首山一矿由中国煤炭科工集团武汉设计研究院设计，中平能化建工集团施工，河南兴平工程管理有限公司监理。河南平宝煤业有限公司由平顶山天安煤业股份有限公司和上海宝钢国际经济贸易有公司共同出资组建，注册资本80，000万元，其中，平煤股份出资48，000万元，占注册资本的60%；宝钢国际出资32，000万元，占注册资本的40%。首山一矿位于河南省许昌市襄城县境内，由平宝公司投资建设，首山一矿建成总工期58个月。南距煤城平顶山25公里，北距古都许昌50公里，紧临许平南国道，漯宝、平禹铁路，交通十分便利。井田位于丘陵平原的过度部位，井田内可采及局部可采煤层5层， 矿井井田面积47平方公里，东西走向14.5公里，南北倾宽1.14.6公里，地质储量5.82亿吨，精查范围内可采储量3.08亿吨。井田范围内主采煤层为戊9、10和己16、17(含己15)煤层，戊9、10煤层平均厚度2.5米，己16、17煤层平均厚度6.5米，矿井正常涌水量405.3立方米/小时，最大涌水量486.4立方米/小时。设计年生产能力240万吨，服务年限92年。地质报告初步预测己及戊煤层为有瓦斯突出危险煤层，己煤层底板埋深多在730m以下，钻孔实测岩温39.7050.57，全部处在二级高温区，戊煤层底板埋深多在550m以下，钻孔实测岩温32.6242.99，大部处在二级高温区，少部处在一级高温区。采煤方法以走向长壁综采一次采全高采煤法为主。矿区煤炭生产计划目标是到原煤产量达22.00mt/a，其中己组煤产量10.76mt/a。设计矿井年工作日300d,每天4班作业,每天净提升14h。1.3首山矿压风机系统概况1.3.1基本情况首山一矿目前地面有一个压风机房，配置4台螺杆式压风机，压风机自带控制系统，能实现单台压风机的参数监测及自动启停等，但四台压风机没有形成集中控制，大部分的设备没有进行自动化控制，地面压风机房的基本情况如下：表1-1压风机房基本情况设备名称基本情况数量说明压风机螺杆式压风机，美国寿力。4具备485通讯高压供电高压柜为森源产kyn28型，电压10kv，有综保，综保为珠海万力达产品，具备通讯和四遥功能，型号为mmpr-310hb系列8低压供电低压供电中的空开无电动5冷却回路阀门有8个dn50-16的阀门，有2个dn40-16的阀门和2个dn50-16的阀门为手动阀门需电动改造管网阀门dn150-164需电动改造排污阀门1寸阀门4需电动改造循环水机15kw，电压3802传感器/变送器需增加水池液位计、循环水压力、循环水温度、风管压力等1.3.2总体设计压风机控制系统总体目标是实现压风机的无人值守自动运行。为此需为压风机系统设计可靠的传感器、电动阀门、plc控制和远程监控。针对压风机组特点，本系统选用西门子s7-300 plc作为控制核心，融合现场传感器以及电控执行机构，实现对压风系统的监测监控。增设一台操作控制台，内设plc与触摸监控屏、ups电源；plc负责与压风机控制器进行通讯，采用rs485通讯，plc设一485通讯模块，负责与6kv开关上的综保进行通讯plc采集低压供电柜信息，并以硬件节点的方式，控制低压柜中具备电动条件的开关和接触器。改造部分低压柜中的开关，变为电动改造压风机输出及管网阀门对压风机的冷却水阀进行电动改造其他必要的阀门改为电动增加部分传感器plc负责监测和控制上述所有电动阀门的状态和动作plc设以太网通讯模块，负责与综合自动化网络相连，并配置光端机第二章 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）空气压缩机单螺杆式空压机双螺杆式空压机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旋叶式空压机其它图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空压机的组成： 空压机主要由压缩主机、高压电机、油气分离器、冷却器和电控系统等零部件组成。吸气系统由空气滤清器及进气控制阀组成（蝶阀、气缸调节机构）。排气系统由主机、油气分离器、蝶阀、 止逆阀、安全阀、放空阀、后冷却器、疏水阀和连接管路组成。蝶阀：最小压力阀，油分压力大于0.35mpa时打开排气。放空阀：卸载或停机时打开。疏水阀：有自动功能，异常时可手动打开。 油气分离器由罐体、初级和二级滤芯组成，进行油气分离，润滑油由两根回油管回到主机进气口，吸入工作腔。油路系统油路系统由主机、油气分离器、热力阀（温控阀）、油过滤器、油冷却器及管路组成。2.2.2螺杆式空压机的工作原理主机体内一对互相啮合的阴阳转子，在电机驱动下高速旋转，随着齿间容积的不断缩小，经空气滤清器过滤的空气不断被压缩而产生高压力，同时经过过滤的润滑油不断被喷入主机工作腔进行冷却、润滑和密封，当此间容积与主机排气口相通时，油气混合气便从排气口排出，再经油气分离器除油并经冷却器冷却后排入排气管道。图2.2螺杆空气压缩机的工作原理1.吸气过程：螺杆式的进气侧吸气口，必须设计得使压缩室可以充分吸气，而螺杆式压缩机并无进气与排气阀组，进气只靠一调节阀的开启、关闭调节，当转子转动时，主副转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子的齿沟空间与进气口之自由空气相通，因在排气时齿沟之空气被全数排出，排气结束时，齿沟乃处于真空状态，当转到进气口时，外界空气即被吸入，沿轴向流入主副转子的齿沟内。当空气充满整个齿沟时，转子之进气侧端面转离了机壳之进气口，在齿沟间的空气即被封闭。2.封闭及输送过程：主副两转子在吸气结束时，其主副转子齿峰会与机壳闭封，此时空气在齿沟内闭封不再外流，即封闭过程。两转子继续转动，其齿峰与齿沟在吸气端吻合，吻合面逐渐向排气端移动。3.压缩及喷油过程：在输送过程中，啮合面逐渐向排气端移动，亦即啮合面与排气口间的齿沟间渐渐减小，齿沟内之气体逐渐被压缩，压力提高，此即压缩过程。而压缩同时润滑油亦因压力差的作用而喷入压缩室内与室气混合。4.排气过程：当转子的啮合端面转到与机壳排气相通时，（此时压缩气体之压力最高）被压缩之气体开始排出，直至齿峰与齿沟的啮合面移至排气端面，此时两转子啮合面与机壳排气口这齿沟空间为零，即完成（排气过程），在此同时转子啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，其吸气过程又在进行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48万小时。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。2.3活塞式空压机活塞式空压机主要由三部分组成：运动机（曲轴、轴承、连杆、十字头、皮带轮或联轴器等）、工作机构（气缸、活塞、气阀等）与机身。此外还有3个辅助系统，即润滑系统、冷却系统及调节系统。活塞式空压机是一种最常见的容积式压缩机。它由曲柄连杆机构将驱动机的旋转运动变为活塞的往复运动。活塞与气缸共同组成压缩机工作腔，依靠活塞在气缸内的往复运动，并借助进、排气阀的自动开闭，使气体周期性的进入工作腔，进行压缩和排出。活塞在气缸内一次往复的全过程分为吸气、压缩和排气三个过程，合称一个工作过程，如图2.3所示。12345133445a单作用式b双作用式1气缸 2活塞 3进气阀 4排气阀 5活塞杆图2.3 单级活塞式空压机原理简图一个工作循环周期如下：1.吸气过程。当活塞2向右边移动时，汽缸左边的容积增大，压力下降,当压力降到稍低于进气管中空气压力时，管内空气便顶开进气阀3进入气缸，并随着活塞的向右移动继续进入气缸，直到活塞移至右边的末端为止。2.压缩过程。当活塞向左移动时，气缸左边容积开始缩小，空气被压缩，压力随之上升。由于进气阀的止气作用，缸内空气不能倒流回进气管中。同时，因排气管内的空气压力又高于气缸内空气压力，空气无法从排气阀4流出缸外，排气管中的空气也因排气阀的止逆作用而不能流回缸内，所以这时气缸形成一个密闭的容积。当活塞继续向左移动，气缸容积缩小，空气体积也随之缩小，压力不断提高。3.排气过程。随着活塞不断左移压缩缸内空气，使压力继续升高。当压力稍高于排气管中的压力时，缸内空气便顶开排气阀排入排气管中，并继续排出到活塞移至左边的末端为止。然后，活塞又向右移动，重复上述吸气、压缩和排气工作过程。活塞式的传动机构是曲轴连杆往复运动结构，其主要特点有：流量较小，气流速度低，损失小，效率高; 压力范围广，适用于从低压到超高压；适应性强，排气压力变动较大时，排气量不变；机组零件多用普通金属材料，制造精度要求不太高；外形尺寸及重量较大，结构复杂，易损失件多。活塞式空压机与螺杆式空压机的比较：1.零部件的数量多，零部件的损坏的机率大，产品的可靠性低。这样必然增加用户的维修费用。2. 曲轴连杆往复运动结构，由于其往复运动的特性，限制了其转速的提高，致使机器笨重，同时，该运动结构所产生的惯性力能以平衡，剩余的惯性力，会使机器产生振动、噪声以及零部件的不正常的损坏。所以活塞式振动大，机械性噪音大、可靠性低。鉴于以上原因，本系统选用螺杆式空压机。2.4首山矿美国寿力ts-32s型双螺杆压风机我矿工业广场压风机房共设有4台美国寿力螺杆式压风机空气压缩机，空压机型号：ts32s-600l水冷型双螺杆水冷低压型空压机空压机参数：公称容积流量：84.8m3/min功率：450kw电压：10000v润滑油：sullube32第三章 压风机控制系统设计方案3.1系统简介首山一矿目前地面有一个压风机房，配置4台美国寿力螺杆式压风机，压风机自带控制系统，能实现单台压风机的参数监测及自动启停等，四台压风机已经形成半智能化控制，但其他外围的设备没有进行自动化监控，其整体设计方案如图3.1所示。1#、2#、3#、4#、高压开关通信触摸屏井下交换机ps307 5acpu315-2dpim360cp340-485/422cp340-485/422cp340-485/422cp340-485/422ps307 5aim153sm321sm321sm322sm322sm331cp343-1水泵、风扇、高、低压供电柜、压风机等的工作状态与启闭位置1#、2#、3#、4#、压风机水泵、风扇水位；风包压力；循环水压力；水温度传感器图3.1整体设计方案图考虑到运行、维护特点，在地点上该系统采用三级控制结构，用户可以在调度中心、plc控制柜以及就地箱完成对系统的监控。综合考虑系统对于实时性、可靠性以及传输距离等的要求，监控网络工业以太网相的形式。用户在就地控制箱完成对于单台水泵运行方式的设定，可以将其设定为就地、半自动、全自动三种方式中的任意一个。当设定为全自动时，压风机及其附属设备将根据运行时间、风压、水位等条件自动启停。所以三级控制结构主要是针对就地和半自动两种方式。就地方式下，用户在操作面板上对压风机等就地操作；半自动方式分为触摸屏集控和调度中心集控两种（在触摸屏进行设定），分别对应触摸屏一键启停和集控中心一键启停。压风机系统需采集寿力压风机数据有：电机电流、电机电压、电机温度、电机振动、润滑油压力、润滑油温度、冷却水压力、冷却水温度、风包温度、风包压力、管网压力等，其中有关压风机本身的参数可通过与压风机控制器通讯方式采集，其他需为上述需采集的数据配置合适的传感器，传感器输出信号一律采用标准电量输出。需要增加的传感器包括水池液位计、循环水压力、循环水温度、风管压力等。针对压风机组特点，本系统选用西门子s7-300 plc作为控制核心，融合现场传感器以及电控执行机构，实现对压风系统的监测监控。系统由plc（可编程逻辑控制器）及其远程扩展模块、触摸屏、检测部分（模拟量和开关量）、执行部分等组成。基于plc的控制系统原理图如图3.2所示plc压力变送器变频器空压机空压机空压机空压机m1m1m1m1m2m3m4储气与供气管道图3.2控制系统简图plc由电源、cpu、模拟量输入、输出模块、开关量输入、输出模块等组成。其用来实现电气部分的控制。包括五部分：起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。起动：四台电机m1，m2，m3，m4如图3.1所示，可以通过转换开关选择变频/工频启动。运行：正常情况，电机m1处于变频调速状态，电动机m2、m3，m4处于停机状态。现场压力变送器检测管网出口压力，并与给定值比较，经pid指令运算，得到频率信号，调节变频器的输出频率，以调节电动机的转速，达到所需压力的目的。停止：按下停止按钮，plc控制所有的接触器断开，变频器停止工作。切换：实现m1，m2，m3，m4工频、变频相互切换。1. plc及其远程扩展模块系统的核心部分，完成对于监测量的处理、运算和存储，并根据监测结果控制水泵启停等。采用西门子s7-300系列plc作为控制系统。在风机房设置一台plc控制柜，负责所有风机的监测、控制、启停、保护、轮值以及集中控制，plc控制系统的主要功能是：能对各风机状态进行监测，包括温度、电流、电压等，并处理报警、故障的信息能设定工作风压，并能根据风压情况，自动启停风机。能自动启停与风机运行相关的阀门及冷却系统。能制定风机轮值机制，实现自动定期轮值。能够实现用户提供的所有压风机的保护功能（包括一级、二级、风包、冷却水、润滑油、电机温度，一级、二级、冷却水、润滑油压力，断水等）。能够实现对冷却、水处理系统进行监控，能实现冷却风扇的其他及补充清水、补充自来水等功能能实现远程监测和远程控制2.触摸屏plc的延伸外围设备，实时生动的显示水泵当前状态，并为用户提供水泵控制的平台。3.检测部分压风机系统需采集数据有：电机电流、电机电压、电机温度、电机振动、润滑油压力、润滑油温度、冷却水压力、冷却水温度、风包温度、风包压力、管网压力等，其中有关压风机本身的参数可通过与压风机控制器通讯方式采集，其他需为上述需采集的数据配置合适的传感器，传感器输出信号一律采用标准电量输出（如10v，020ma，420ma），必要的时候可通过变送器转换后输出。需要增加的传感器包括水池液位计、循环水压力、循环水温度、风管压力等模拟量检测部分传感器包括风包温度传感器、循环水温度变送器、循环水压力变送器、风包压力变送器、水池液位计、温度巡检仪等。主要完成对监控需要的模拟量的采集和处理，并送入plc。1)压力传感器：日常注意施工时不要压断压力传感器的信号线；发现管路漏水或者巷道渗水，及时对压力传感器进行防水处理。2)超声波液位仪：日常注意施工时不要压断液位仪的信号线；防止射流管将水喷射至液位仪上。3)温度传感器：日常注意施工时不要压断温度传感器的信号线。4)温度巡检仪：定期检查巡检温度是否正常，根据cp340指示灯运行情况检查并判断出错原因。数字量检测部分将电动闸阀、电动球阀、高低压供电柜、压风机等的工作状态与启闭位置等开关量信号接入plc，监测系统当前运行状态。4. 执行部分由plc柜的外围电控机构组成,可完成对压风机、电动闸阀、电动球阀、高低压供电柜等控制。3.2压风机系统控制方案风机房设置简易操控台，实现对风机的操作。操作台上安装有触摸屏，正常情况下均通过触摸屏进行集中操作，应急情况下，可通过按钮或旋钮对每个设备进行手动操作。触摸屏同时作为就地监控中心，可实时显示各风机的状态以及风压变化曲线，并以授权方式对压风系统进行有关设置和控制。压风系统的控制方式分为手动控制、plc控制和远程控制，其中手动控制方式下，所有风机、阀门等的开启都是通过按钮或旋钮完成，操作员在专设的操作台上进行控制。风压的控制完全由操作人员根据情况进行参与，不再实现风压闭环控制。plc控制方式为由plc完成所有压风系统相关电机、阀门、开关柜等的启停控制，实现风压闭环控制，无须人为参与，只需设定风压值，并启动总的启动开关即可，系统将根据风压的上下限设置，自动启停风机以保证风压在设定值允许的范围内。远程控制模式是在plc控制的基础上，远程设定风压，并远程控制总的启动开关。启动前，将变频器的机组开关置于欲工作的机组，工作方式选择置于变频位置，将 plc 的控制开关置于运行状态，按下启动按钮，机组运行。1#空压机变频启动，转速从零开始上升，若达到预设的频率上限值50hz时，延时一段时间后风包出口处的压力仍不能达到预设的压力值 0.83mpa，则由plc 通过控制中间继电器的通断将 1#空压机切换到工频运行，同时将2#空气压缩机切换到变频状态，变频启动2#空压机。若2#空压机达到频率上限时，延时一段时间后仍不能满足要求，再自动将2#空压机切换到工频运行，变频启动3#空压机。当用风量减小，若4台空压机同时运行时，4#空压机变频运行而此时变频器的频率降到频率的下限值20hz时，则自动停止1#空压机，若还不能满足要求，则自动停止2#空压机的运行。当空压机在运行的过程中出现机体温度过高，润滑油温度过高，风包温度过高，分包压力过高及润滑油压力过高，断水等故障时，系统会发出声光报警信号，提示有关的工作人员及时地排除故障。工作流程如图3.3所示。图3.3 控制系统流程图3.3.1空压机切换工作过程开始时，若1#空压机变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率达到50hz而此时空气压力还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起的误动作）后，1#空压机切换为工频运行，同时变频器频率由50hz下降至0hz，2#号空压机变频起动，如气压仍不满足，则会启动3#空压机，切换过程同上；同样，若3台空压机（假设1#、2#、3#）都在运行，3#空压机变频运行降到0hz，此时气压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#空压机停止，变频器频率从0hz迅速上升，若此时供气压力仍处于上限值，则延时一段时间后使2#空压机机停止。这样的切换过程，有效的减少空压机的频繁启停，同时在实际管网对供气压力波动做出反应之前，由于变频器迅速调节，使气压平稳过渡，从而有效的避免了井下风动工具供气不足的情况发生。切换过程流程图如图3.4所示。图3.4 空压机切换流程图在自动状态下系统启动时，首先1#空压机在变频器控制下起动，延时 5s（延时是为了让压力稳定下来） plc 对变频器的输出频率进行检测。当检测到变频器下限频率信号则关闭 1#空压机；反之当检测到变频器上限频率信号则 plc 执行增加空压机动作，1#空压机改为工频运行并延时 1s（延时一是为了让开关充分熄弧，另一方面是为了让变频器减速为 0，变频启动2#空压机。为了保护空压机及变频器，1#空压机变频与工频之间进行了电气互锁。当2#空压机投入变频运行后，延时 5s plc 继续对变频器输出频率进行检测，当检测到变频器下限频率信号则关闭1#空压机，剩下2#空压机在变频状态下运行，延时 5s 如果 plc 再次检测到变频器下限频率信号则把2#空压机也关闭；反之当检测到变频器上限频率信号则 plc 再执行增泵动作， 2#空压机改为工频运行并延时 1s，变频启动3#空压机。依此类推，当3#空压机投入变频运行后，延时 5s，plc 继续对变频器输出频率进行检测以决定执行增加或减少空压机动作来满足恒压供气目的。另外为了方便故障检查维修。在设计中增加了故障指示和故障报警输出，变频器本身具有短路保护、过载保护等功能，只需把变频器的故障输出点、接触器、热继电器等辅助触点接到 plc 即可。plc通过程序扫描这些输入点，如果发生故障则作出相应的动作。如检测到一台空压机出现过载情况，则切断该空压机的接触器并投入备用空压机，同时输出故障信号，以方便检查及时维修。3.3.2通信方式1.上位机与plc的通信在工控领域中plc通常作为下位机使用，工业计算机作为上位机，通过网络在线监视空压机的运行状况，查看压力、温度、运行时间、电机电压、电机电流、输出功率等实时数据，记录并存储历史数据，提供数据的查询和打印功能。当现场设备有动作或者出现故障时能够弹出提示消息并记录存储下来;在远程控制允许的情况下，值班人员还可以远程控制空压机。远程监控方便了调度，提高了管理自动化水平，是煤矿信息化发展的需要。其他元件包括手自动转换开关、紧急停止按钮、声光报警器等。在plc和上位机之间的通讯中，plc通过以太网模块cp343-1接入工业以太网，上位机通过网络实现远程监控功能。选择接口类型为工业ethernet，通信速率为100mbps，设置plc和上位机的ip地址。在煤矿空压机组的监控系统中，用来控制空压机的plc系统作为下位机，与调度室内的监控系统即上位机组成一个小型的工业以太网，进行plc系统工作状态的反馈和对plc系统发送控制信号。2.plc与变频器的通信本系统中plc对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的，plc通过rs-485通讯口方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数。3.3.3 报警装置系统装有压力传感器和电流传感器，结合plc内部时间继电器，由plc根据程序进行逻辑判断，可对电机过载、电机过流、电机起动过载、电机运行过载、空压机断水、断油、油水超温等故障报警，并执行相关保护动作。由于上述两种传感器正常工作时，均输出420ma电流信号给plc模拟输入模块。经plc内部a/d转换为2001000数字信号，而当传感器损坏或断线时，将不能给plc输出信号，plc所检测到的输入信号数字值将低于200。据此可判断传感器断线等故障。考虑到传感器精度、调整值及外界干扰等因素，plc程序中将电流或电压信号持续1秒钟低于3ma(即plc内部数值150)视为传感器故障。plc程序中，当给出电机运行信号，而电机不在运行(电流信号小于2oa)。即判断为外部第四章 控制系统硬件设计4.1主电路设计在硬件设计中，采用一台变频器控制四台空压机的电机运行，四台电机的运行都有变频/工频两种状态，每台电机都需要通过两个接触器与工频电源和变频输出电源相连。变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。还需要在工频电源下面接入同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通。在plc的220v输入电源前也需要接入自动空气开关，保证plc的正常运行。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。（主电路如4.1,见下页）由于每台电机的工作电流都在几百安以上，为了显示电机当前的工作电流，必须在每台电机三相输入电源前面都接入一个电流互感器，电流互感器和热继电器、电流表连接。电流表安装在控制柜上，可以方便地观察电机的三相工作电流，便于操作人员监测电机的工作状态。同时热继电器可以实现对电动机的过热保护。变频器主电路电源输入端子(u1，v1，w1)经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子(u2，v2，w2)经接触器接至三相电动机上。对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键来操作，不得以主电路的通断来进行。4.2 plc选型根据被控对象的i/o点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，采用siemens公司的s7-300系列plc。s7编程软件组态主架导轨硬件时，电源，cpu和im分别放在导轨的1号槽、2号槽和3号槽上。一条导轨共有11个槽号：1号槽至11号槽，其中4号槽至11号槽可以随意放置除电源、cpu和im以外的其他模块。如：di（数字量输入）、do（数字量输出）、ai（模拟量输入）、ao（模拟量输出）、fm（功能模块）和cp（通信模块）等。km1图4.1 控制系统主电路图图4.2 s7-300基本结构1.s7-300的cpucpu模块是控制系统的核心，负责系统的中央控制责任，存储并执行程序，实现通信功能，为u形总线提高5v电源。cpu有4种操作模式：stop（停机），startup（启动），run（运行）和hold（保持）。在所有的模式中，都可以通过mpi接口与其他设备通信。有各种不同性能分级(直到高性能)的cpu可供控制器使用。 通过高效处理速率，cpu能提供很短的机器时钟时间。取决于眼前的任务，可提供带集成i/o 以及集成技术功能和集成通信接口的cpu。s7-300的cpu模块大致可以分为以下几类：表4-1 s7-300的cpu模块分类cpu集成的i/o集成的技术功能集成的接口cpu 312mpcpu 312c数字量计数mpicpu 313c数字量，模拟量计数mpicpu 313c-2 ptp数字量计数ptp，mpicpu 313c-2 dp数字量计数dp，mpicpu 314mpcpu 314c-2 ptp数字量，模拟量计数，定位ptp，mpicpu 314c-2 dp数字量，模拟量计数，定位dp，mpcpu 315-2dpdp，mpicpu 318-2dpdp，mpi2.s7-300的模拟量输入模块在生产过程中有大量的连续变化的模拟量需要用plc来测量或控制。有的是非电量，例如温度、压力、流量物体的成分和频率等。有的是强电量，例如发电机组的电流、电压、有功功率和无功功率等。变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换成标准的量程的直流电流和直流电压信号，例如dc15v和dc420ma。模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为cpu内部处理用的数字信号，其主要组成部分是a/d转换器。模拟量输入模块的输入信号一般都是模拟量变送器输出的标准量程的直流电压，直流电流信号。模拟量输入/输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进制补码来表示最高位为符号位。模拟量输入模块的模拟值与百分数表示的模拟量之间的对应关系为：双极性模拟量量程的上下限(100%和-100%)分别对应模拟值27648和-27648。单极性模拟量量程的上下限(100%和0%)分别对应于模拟值27648和0。3.程序设计step 7编程软件用于西门子是供西门子s7-300编程、监控和参数设置的标准工具，是simatic工业软件的重要组成部分。 step 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。step 7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按f1可以得到该对象的在线帮助。 在step 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。step 7用simatic管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览simatic s7、m7、c7和winac的数据。实现step 7各种功能所需的simatic软件工具都集成在step 7中。 step 7的硬件接口：pc/mpi适配器用于连接安装了step 7的计算机的rs-232c接口和plc的mpi接口。计算机一侧的通信速率为19.2kbit/s或38.4kbit/s，plc一侧的通信速率为19.2kbit/s1.5mbit/s。除了pc适配器，还需要一根标准的rs-232c通信电缆。4.该系统plc选型 考虑到以后的扩展要求，选用cpu315型号plc其技术参数为：1）微处理器：每条二进制指令执行时间约100ns，每条浮点数运行指令约3微秒。 2)128 kb ram (相当于约 43 k 语句) ：用于程序执行的扩展 ram 可以显著提高用户程序空间。微存储卡(最大8mb)，可作为程序使用的装载存储器，同时也可以在cpu中存储项目数据(全部的符号和注释)，可用于数据归档和配方管理。 3)扩展灵活：多达 32 个模块，（4机架结构） 4)多点接口 mpi：集成的 mpi 接口可以最多同时建立 16 个与 s7-300/400 或与 pg、pc、op 的连接。在这些连接中，总要分别为 pg 和 op 各保留一个连接。通过“全局数据通讯”，mpi可以用来建立最多16个cpu组成的简单网络。 5)profibus dp接口：带有 profibus dp 主/从接口的 cpu 315-2 dp 可以用来建立高速、易用的分布式自动化系统。 用户的角度来看，分布式i/o的处理与集中式i/o没有区别（相同的配置，编址及编程）。支持 profibus dp v1 标准。这将增加 dp v1 标准从站在诊断和参数赋值能力的范围。 4.3变频器选型：本设计变频器选择西门子mm440变频器。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。创新的bico（内部功能互联）功能有无可比拟的灵活性。 1.主要特征 200v-240v 10%，单相/三相，交流，0.12kw-45kw； 380v-480v10%，三相，交流，0.37kw-250kw；矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制； 高过载能力，内置制动单元； 三组参数切换功能。控制功能： 线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式； 标准参数结构，标准调试软件； 数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；独立i/o端子板，方便维护；采用bico技术，实现i/o端口自由连接；内置pid控制器，参数自整定；集成rs485通讯接口，可选profibus-dp/device-net通讯模块； 具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；可实现主/从控制及力矩控制方式；在电源消失或故障时具有自动再起动功能；灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；快速电流限制（fcl），防止运行中不应有的跳闸； 有直流制动和复合制动方式提高制动性能。 2.保护功能 过载能力为200额定负载电流，持续时间3秒和150额定负载电流，持续时间60秒；过电压、欠电压保护；变频器、电机过热保护；接地故障保护，短路保护；闭锁电机保护，防止失速保护；采用pin编号实现参数连锁。4.4传感器的选取传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。作为一个参数监测系统，传感器占有非常重要的地位。下面对本系统中所涉及的传感器作简要比较并最终选型。(1)压力传感器的选型现场所需要测量的压力参数有主机进水压力、储气罐气体压力。压力信号要求范围为01mpa，精度为0.5%以上。本系统采用北京科热测控技术有限责任公司研制的gpt压力变送器。gpt压力变送器压力测量特性如下：传感器为316不锈钢膜片结构，适用被测介质可以是腐蚀性气体、液体、蒸汽，测量范围在20kpa20mpa，测量精度分为0.1%，0.25%，0.5%，三倍过压范围。信号输出特性：电流型输出：dc/420ma，最大负载电阻测算(含传输线内阻)：rmax= ( v -12 ) /0.02（其中v为供电电压）。供电特性：推荐工作供电电压：dc/24v，空载工作电压：dc/12v，最高过载电压：dc/40v，最大输出限流：30ma，内设电压极性反接保护。工作环境特性：环境温度补偿范围：050，环境温度工作范围：-2080。工作环境湿度范围：080外型结构与典型接线：探头外型尺寸：59mm120mm，重量：650g; gpt过程连接外螺纹规格m201.5(或定制)；dpt过程连接内螺纹规格m121.25。(2)温度传感器的选型现场的温度信号范围为0105，所以温度传感器采用pt100标准电阻温度传感器。pt10是铂电阻温度传感器，可测量-60到+400之间温度。 第五章 控制系统的软件设计5.1 plc控制系统设计步骤设计plc控制系统的一般步骤如下所示。plc控制系统设计步骤：(1) 根据生产的工艺过程分析控制要求。如需要完成的动作（动作时序、动作条件、必须的保护和联锁等）、操作方式（手动、自动、连续、单周期、单步等）。(2) 根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备。据此确定plc的i/o点数。(3) 选择plc。(4) 分配plc的i/o点，设计i/o连接图。这一步可结合第2步进行。(5) 进行plc程序设计，同时可进行控制台的设计和现场施工。在设计继电器控制系统时，必须在控制线路（接线程序）设计完成后，才能进行控制大的设计和现场施工。可见，采用plc控制，可以使整个工程的周期缩短。5.2 系统控制原理1半自动控制方式（如图5.1）1）i/o分配表5-1半自动控制i/o分配i0.0启动i0.1停止q0.0水泵q0.1压风机q0.2压力阀q0.3风扇2）程序调用子程序，开启水泵 当水位达到1.52m，开启压风机。当水位达到1.83m，关闭水泵。当压力达到0.452mpa，压力阀打开。当温度达到85，开启风扇。5.1半自动方式控制流程图2全自动控制方式（如图5.2）5.2全自动方式控制流程图第六章 系统的使用及维护6.1 plc系统控制方式1、就地操作。运行前的准备：当不需远方控制时即可采用就地操作，需将压风机控制面板，低压控制柜，球阀打入就地位置，并检查高、低压，球阀是否带电，plc是否正常把要开启的设备送上电，待一切准备好后，