PLC通用设备系统状态监测系统设计.docx

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PLC通用设备系统状态监测系统设计

信息科技大学

毕业设计（论文）

题目：

PLC通用设备系统状态监测系统设计

学院：

机电工程学院

专业：

机电一体化

学生某：

指导老师/督导老师：

徐小力X凤山

起止时间：

2010年3月15日至2010年6月15日

摘要

作为煤矿“四大件”的主扇（风机）和水泵各自有着其重要且不可替代的作用，风机具有“矿井肺腑”之称的主扇风机是煤矿的四大固定设备之一,它担负着向井下输送新鲜空气、排出粉尘和污浊气流的重任。

由于井下工作现场条件恶劣,主扇风机一旦发生故障,将会对整个矿区生产和安全造成重大影响。

煤矿井下地质结构复杂，一般深井都会有漏水情况，而且透水和涌水事故也时有发生。

另外，为了降低煤尘的污染，经常要对采煤工作面及输煤胶带

喷洒水，因而会造成井下巷道积水，影响安全生产。

为了尽快地将巷道的积水排出，必须建立排水泵站。

可编程控制器即PLC是在计算机技术，通信技术和继电器控制技术的发展的基础上开发出来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。

它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、技术和算术运算等，并通过数字量和模拟量作为输入./输出来控制设备或生产过程。

由于风机和水泵的至关重要的作用，但是环境条件恶劣,噪音较大,气温偏高,工人容易疲劳,特别在发生水灾的情况下,留人值守泵房也是很危险的，无法采用人工监控，所以急需设计出一套功能完善的通用监控系统，既可适用于风机监控系统也能适用于水泵监控系统，和许多在本系统监控X围内的系统。

实现状态的在线实时监测,以便在生产过程中及时掌握主扇和水泵的运行参数和状态,来对其进行控制。

现采用先进、可靠的传感器，结合可编程控制器技术设计一个既适用于风机又适用于水泵的通用监控系统。

该系统具有安装简单，维修方便，可靠性高，实时性等特点。

关键词:

风机;水泵;通用;自动控制;PLC可编程控制器

ABSTRACT

Asacoalmine"fourpieces"ofthemainfan（fan）,andwaterpumphasitsownimportantandirreplaceablerole,fanswith"theheartofmine,"saidthemainminefanisoneofthefourfixedequipment,whichassumesfreshairtotheundergroundtransportation,dischargetheheavydustanddirtyair.Isbadinthemineshaftjobsitecondition,oncethemainairmachinebreaksdown,andhasthemajorimpactsafelytotheentireminingareaproduction.Thecoalmineshaftgeologystructureisplex,generallythedeepwellwillhavethewaterleakagesituation,moreoverthewaterpercolationandwillwellupthewateraccidentalsotosometimesoccur.

Todischargeassoonaspossibletunnel'swater,mustestablishthedrainingwaterpumpingstation.

PLCprogrammablelogiccontrollerthatisintheputertechnology,municationstechnologyandtherelaycontroltechnologydevelopedonthebasisofthe,nowwidelyusedinindustrialcontrolfields.Ittakethemicroprocessorasthecore,carriesonthelogicalcontrolwiththepilationprocedure,fixedtime,thetechnologyandthearithmeticoperationandsoon,andtakestheinputthroughthedigitalquantityandthesimulationquantity./losesthecontroldeviceortheproductionprocess.

Asaresultofairblowerandwaterpump'sveryimportantfunction,buttheenvironmentalconditionisbad,thenoiseisbig,thetemperatureishigh,workereasyweary,inhasinspeciallythefloodsituation,keepsthepersonvaluetodefendthepumphouseisalsoverydangerous,isunabletousethemanualmonitoring,thereforedesignsasetoffunctionperfectgeneralsupervisorysystemurgentlyneeded,alsocanbesuitablesuitablyintheairblowersupervisorysystemforthewaterpumpsupervisorysystem,withmanyinthissystemmonitorareasystem.Toachievethestateofonlinereal-timemonitoringoftheproductionprocessinordertograspthemainfanandpumpoperatingparametersandstatus,togaincontrol.Isadvanced,reliablesensors,binedwiththetechnicaldesignofaprogrammablelogiccontrollerissuitedtothefanstheyapplytothegeneralcontrolsystempump.Thissystemhastheinstallmenttobesimple,theserviceisconvenient,thereliabilityishigh,characteristicsandsoontimeliness.

KEYWORDS:

fan;pump;General;control;PLCprogrammablecontroller

摘要（中文）…………………………………………………………………………………І

（英文）………………………………………………………………………………..ІІ

第一章概述……………………………………………………………………..

1.1引言………………………………………………………………………………5

1.2目的和意义………………………………………………………………………5

1.3课题研究的内容及特点…………………………………………..…………….7

第二章通用设备监控系统方案的确定

2.1监控对象的介绍………………………………………………………………..8

2.2风机性能参数…………………………………………………………………..8

2.3风机性能参数的计算…………………………………………………………8

2.3.1风机性能测试的环境参数………………………………………………………………..8

2.3.2风机性能测试中的结构参数……………………………………………………………..9

2.3.3风机性能参数的计算……………………………………………………………………..9

2.3.4风机特性曲线绘制………………………………………………………………………....9

2.3.5有因次曲线与无因次曲线的转换………………………………………………………..10

2.4风机总体方案……………………………………………………………………10

第三章硬件系统设计

第四章软件系统设计

第五章调试

第六章结束语

第一章概述

1.1引言

可编程控制器（ProgrammableLogicContrller）,简称PLC。

它是20世纪70年代以来，在集成电路，计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。

由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，、国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。

近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快、除有许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多地采用PLC控制系统取代传统的继电-接触器控制系统。

与继电-接触器系统相比系统更加可靠；占用空间比继电-接触器控制系统小；价格上能与继电接触控制系统竞争；易于在现场变更程序，安装、维修更加方便，能直接驱动电磁阀、接触器和与之相似的执行机构，能向中央处理器传输信号。

采用可编程控制器来实现的矿井下通用监控系统，可以实时获得风机和水泵的运行参数和状态，进行显示并通过处理进行相应的操作，达到无人值守的目标。

本系统具有实时性，可靠性高，自动监测等特点。

拓展了PLC在自动化行业的应用领域，具有一定的理论和经济意义。

1.2目的和意义

PLC监控对象纷繁复杂，监控系统也随之而变，那么稍有不同的对象，就需设计一种监控系统，为解决这一问题可以设计出有一定通用性的监控系统，节省新对象新开发的人力和物力，而PLC通用设备监控系统的作用会随着PLC在工业监控系统进一步应用而得到显现。

本设计介绍了针对于矿井中风机和水泵的通用监控系统，其中包括方案选择，硬件和软件设计。

煤炭在我国是国民经济和社会发展的基础，并在相当长的时间内仍将是我国的主要能源。

所以，煤炭的安全生产和科学利用在我国具有现实的和战略性的重要意义。

然而由于瓦斯爆炸事故时有发生，轻则伤亡几人，重则伤亡几十人、上把人，一些统计表明，瓦斯灾害事故是煤矿企业经济损失最大，死亡比例最高的重大事故之一，也是造成社会影响最大的重大事故，给国家财产和人民的生命安全造成了极大的损失。

对于煤矿瓦斯灾害，我国政府历来十分重视其防治。

瓦斯事故的主要原因是矿井通风不畅，瓦斯浓度超标。

矿井的通风主要依靠井口的风机，如果井口风机正常工作，瓦斯事故将会大大减少。

而很多煤矿矿主为了降低自己的生产成本经常关闭风机，造成矿井通风不畅，事故多发。

大部分地方煤监局目前只能采取抽查或巡查的方式来检查下属矿井风机工作的情况。

但是这样做同样会有很多弊端：

一.耗费大量的人力物力；二.不能实时监测风机的情况；三.容易发生检查人员徇私舞弊的情况。

如果安排人员去检查，费时费力，大大增加自己的管理成本，而且也很难做到面面俱到。

安装风机监测系统后，可实现高度统一管理，风机的工作状况完全由风机监测器自动监测，而监测器直接和监测中心联系，所有信息直接反馈到安管部门，管理人员可以坐在电脑前就知道下属所有矿井风机的工作情况，大大提高了工作效率，减少了事故隐患。

在很大程度上保护了国家财产，对于矿井工作者来说有了安全保障。

对于煤炭管理部门领导来说应该是做了一件功德无量的好事。

而且这笔投资对于其它的投资可以说是九牛一毛的事情。

为了配合煤监局更好的监测各矿井风机的情况，本课题设计了PLC煤矿风机监测系统。

本系统完全解决了上述问题：

一.节约人力物力，风机监测器完全不需要人为操作和维护；二.实时监测风机各种工作情况；三.完全真实的上报风机工作情况，一旦风机停止马上向监测中心报警，不能人为干预。

本系统实时可靠的监测风机情况，有效地避免了通风设备不正常而造成的严重后果。

井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，担负着井下积水排除的重要任务。

然而，目前我国的井下排水系统仍由很多依靠传统的人工操作方式。

本章分析这种排水系统的组成及工作过程，指出其存在的问题，为井下主排水系统自动控制的研究提供依据。

在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下。

矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关系，涌水量在不同的季节也呈现不同。

在一些大水矿井，矿井涌水量可达到每秒17立方米，甚至超过每秒20立方米。

另外，煤炭开采过程中，由于地层结构被破坏，岩层断裂，使采区与储水层连通，发生突水事故，涌水量会突然增加。

如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产就可能受到阻碍，井下的安全就会得不到保障，严重者会造成重大事故。

给人民的生命、国家的财产都带来了极大的威胁。

因此，井下排水就显得尤为重要。

井下自动排水系统的任务就是把流入井下煤矿巷道中的矿井积水排送至地表。

根据统计，每开采1吨煤就要排出2--7吨矿井水，有时甚至要排出30--40吨矿井水。

井下排水设备所配备电机的功率，小的几千瓦到几十千瓦，大的几百千瓦到上千千瓦、在我国煤炭行业中，井下排水用电量占原煤生产总耗电量的18%--41%，一般为20%左右。

因此，井下排水设备运转的可靠性（安全运转）与经济性（效率高、电耗量小），具有十分重要的意义。

这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础，泵站的起停时间判断，完全依赖于工人的经验和已有的操作规程。

当水仓水位到达设定的高水位时，工人打开射流泵（或真空泵），为水泵抽真空，同时观测真空表的读数。

真空度达到要求后，起动水泵机组，使水泵运转。

当水泵出水口压力表读数达到要求时，开起闸阀进行排水，同时关闭抽真空的射流泵（或真空泵）。

停泵过程要进行相反的操作。

当水仓积水降至低水位时，先将闸阀关死，再停水泵机组。

根据现场涌水量的不同，工人还要判断同时投入几台水泵工作，以便于既能及时排出积水，又能使泵站合理使用，避免过度频繁的起停。

其存在的问题有如下几点：

①效率低、可靠性差。

这种排水系统的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的完成各个执行件的操作。

另外，对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验。

作业过程比较复杂，要求工人具有很强的责任心，否则可能出现误操作，甚至发生大的事故。

②工人劳动强度大。

人工操作无法避免高强度的劳作。

尤其是闸阀的操作，劳动量最大。

而且，水泵房要时时有人值守，以便在发生异常情况时，及时报警检修。

针对上述排水系统存在的问题，本课题提出了基于PLC的矿井主排水自动控制系统的设计。

自动控制系统的应用，将使得排水系统可靠性增强，整个工作流程通过软件的编程来实现，程序确定后，水泵机组将按给定的程序自动启停水泵、开合阀门，极大的减小工人的劳动强度。

PLC将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统的遥测、遥控。

1.3课题研究的内容及特点

随着电子技术和计算机技术的发展，我国工业自动化程度越来越高，使得PLC监控风机和水泵参数的自动采集成为可能。

为适合现代测试系统的要求，本课题选大型风机监控系统和大型水泵监控系统为研究对象，旨在完成一个能适用于两个对象的通用设备状态监控系统。

难点在于要想得到更高的通用性，外部传感器就会相应增加，且内部程序也会随之复杂。

系统完成以下工作：

1）

1.自动采集大型风机性能试验数据，且各项参数指标达到国家规定标准;

2.自动调整大型风机运行工况;

3.自动控制大型风机转速;

4.自动进行数据处理，且实现数据的存储、查询等功能;

2）

1.自动采集大型水泵性能试验数据，且各项参数指标达到国家规定标准；

2.自动故障保护功能；

3.电机启动与闸阀操控；

本测试系统研究的主要特点有:

1.充分利用原有资源，节约开发成本

本测试系统很好的利用了原有的试验设备，采用串口通信技术，解决了仪器接口和输入信号复杂，计算机通讯资源紧X的问题，同时避免了硬件设备的重复投资。

2.试验数据精确可靠，实用性强

系统较好地解决了数据采集的同步问题，提高了试验数据的精度，试验数据达到标准的要求，有良好的实用性。

3.将PLC（可编程控制技术）技术成功地应用于监控系统

由于PLC有功能强，性能价格比高可靠性高，抗干扰能力强系统的设计、安装、调试工作量少等优点，所以PLC监控系统与继电-接触器系统相比系统更加可靠；占用空间比继电-接触器控制系统小；价格上能与继电接触控制系统竞争；更易于在现场变更程序，安装、维修更加方便，能直接驱动电磁阀、接触器和与之相似的执行机构。

矿井风机是向井下送风的重要设备，也是大型耗能设备，对其实现在线监测监控，使之始终运行在良好状态，对于保障煤矿安全生产，保护矿工生命和企业财产安全，降低风机能耗具有重要意义。

第二章通用设备状态监控总体方案的确定

2.1系统设计的基本步骤

在通用设备状态监控系统设计与调试过程中最重要的是先列出设计的主要步骤流程图，如图1所示。

在通用设备状态监控系统设计与调试过程中主要考虑以下几点：

1深入了解和分析风机和水泵的工作条件和控制要求。

2确定I/O设备，根据通用设备状态监控系统设计的功能要求。

确定系统所学的用户输入、输出设备。

常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯。

3根据I/O点选择合适的PLC类型。

4分配I/O点，分配PLC输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子接线图。

5设计通用设备状态监控系统的梯形图程序，根据工作要求设计周密完整的梯形图程序，指示整个自动门系统设计的核心工作。

6将程序输入PLC惊醒软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。

7通用设备状态监控系统整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题逐一排除，直至调试成功。

图1

2.2通用设备状态监控系统功能方案确定

本课题设计的通用设备状态监控系统旨在两个或两个以上系统间实行通用，同一个系统换了输入设备和输出设备，再简单改变一下程序便变成了另外一个系统，这样一来省去了大量的人物力，只要系统输入输出在本系统X围内即可实现通用。

本课题选用的例子是矿井风机和水泵监控系统。

2.2.1矿井风机监控系统方案确定

矿井风机是向井下送风的重要设备，也是大型耗能设备，对其实现在线监测监控，使之始终运行在良好状态，对于保障煤矿安全生产，保护矿工生命和企业财产安全，降低风机能耗具有重要意义。

矿井主扇风机自动监控系统以PLC为核心,主要由信号监测装置、传感（变送）器、PLC、通信装置、显示屏等。

由传感器监测风道压力，电机温度，流量，风机主轴扭矩通过PLC在显示屏进行显示，并根据参数对风机进行操作，实现以下功能。

输入信号分别由压力，流量，应变，温度传感器变成电压信号传给PLC模拟输入模块，再由PLC传送给显示屏进行显示，经过数据处理再对风机电机进行控制。

风机电机控制由变频器来实现，可以进行启停。

正反转、调速等操作。

数X围可按实际要求确定。

（1）实现风机运行参数的实时监测与风机主辅设备控制的一体化;

（2）实时监测风机的电动机各种电气参数;

（3）实时监测电动机和风机前后轴承温度、振动参数,并超限报警;

（4）显示当前运行机号、正反转信号、风机开停状态;

（5）实时监测通风机流量、压力、振动等气动参数;

（6）实现定子电压低于5.1kV、定子电流超过上下限报警的功能;

（7）实现远程通信,监测参数可上传到地面显示屏。

2.2.1矿井水泵监控系统方案确定

现泵房内设备的运行与管理以及水仓水位的观察,普遍采用人工操作方式,操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长、自动化程度低、不适应现代化矿井管理。

PLC自动监控系统解决了这一难题。

井下中央泵房水泵自动控制系统是以单个水泵的自动运作为基础的,每个水泵在启动前,PLC模块先启动抽真空系统,检测真空度。

如果没有达到所需的真空度则继续等待并适时检测,当达到所需的真空度,则启动水泵。

然后检测水泵出水口压力,如果压力参数没有达到要求,则继续等待,并适时检测,当压力参数满足要求,则打开水泵出水口电动闸阀同时停止抽真空系统。

通常由两套抽真空系统组成,即射流泵系统和电动真空泵系统,两者由管路并联使用,通过阀门可相互切换。

对于前一个系统的启停,可通过在泵的射流水源处设置电磁阀或电动阀等电动机构来实现。

由于射流泵所使用的水源来自水泵排水管道,其压力较高,因此可选用电动阀门。

而后一个系统一般由一用、一备两台真空泵组成,其功率较小,可由接触器直接启停。

2）真空度的检测

主要是开关量检测和模拟量检测。

前者是在水泵抽真空处设置电接点真空表,将真空表的限位指针设于与水满相对应的真空值处,通过电接点开关量信号来判断;后者是将电接点真空表改为模拟真空表,系统可实时检测水泵真空度,并根据水仓水位计算出每次水泵启动前所需达到的真空度值,将实测值与之比较,可较准确判断启泵时机。

3）启动水泵

矿井排水泵多采用6kV、大功率电机,其降压启动由高压软启动器和智能开关自动完成。

自动控制时,只需将控制信号接入高压软启动器并将状态信号返回控制系统即可。

4）检测出水口压力

通过设置于水泵出水口处压力表,可判断水泵启动与运行是否正常。

主要检测出水口电动阀尚未打开时的压力值和电动阀打开后的压力值。

水泵正常启动与运行时,此两个值应超过或等于设计值。

5）打开电动阀

当水泵启动完成后方可打开出水口电动阀。

将电动阀控制器的控制和工作状态信号与水泵控制系统相连,即可实现控制。

在电动头上设置能够反映螺杆转数的计数器,就能较为可靠、准确地检测阀门的开度,水泵控制系统即可根据水泵运行参数,通过调节阀门的开度来调整水泵的工作效率和扬程。

（2）运行参数的检测

通过传感器和变送器,可检测水泵排水流量、轴温、转速、电机温度,电流、功率等水泵与电机的工作参数,以监测水泵机组的运行状况,并对其进行调节。

（3）自动控制的实现

泵房内的吸水小井与水仓相连,通过在吸水井设置水位传感器,控制系统即据此和其它参数合理调度水泵,所设置的传感器由模拟量传感器和开关量传感器传感器组成。

模拟量传感器用于水泵控制;开关量传感器用于上、下限水位极限报警,以防止由于模拟量传感故障而引发的事故和危险。

1.自动采集大型水泵性能试验数据，且各项参数指标达到国家规定标准；

2.自动故障保护功能；

3.电机启动与闸阀操控；

第三章系统硬件设计

3.1可编程控制器（PLC）选型

3.1.1PLC概述

可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而展起来的一种新型工业控制装置，它将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已跃居工