矿山空气压缩机智能监控控制仿真系统毕业论文设计说明书.docx

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矿山空气压缩机智能监控控制仿真系统毕业论文设计说明书

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吉林化工学院毕业设计说明书

矿山空气压缩机智能监控控制仿真系统设计

DesignofSimulationSystemfor Intelligent Control ofMineAircompressor

学生学号：

学生姓名：

专业班级：

测控

指导教师：

职称：

讲师

起止日期：

2014.2.24～2014.6.13

吉林化工学院

JilinInstituteofChemicalTechnology

摘要

空气压缩机的安全生产和保护对于厂矿企业的生产是十分重要的。

可编程控制器（PLC）将传统的继电器控制技术、计算机控制技术和通信技术融为一体，专为工业控制而设计。

利用传感检测仪表和PLC对矿山空气压缩机进行控制，实现空气压缩机监控系统设计，从而使生产系统获取良好的经济效益和安全性能。

本设计介绍了空气压缩机PLC控制系统组成、保护功能、控制原理、系统通信、系统信号的采集，以及控制系统软件设计思想。

本文给出了空气压缩机监控系统的总体设计方案硬件组态及网络通讯配置方案开发了空气压缩机公共参数系统。

PLC的监控软件，及基于WinCC（WindowsControlCenter）的空气压缩机上位机过程监控软件，完成了监控系统的安装与调试工作。

该方案充分利用将空压机与PLC控制器相连，能够灵活方便地实现对空压机的远程监控。

在对控制系统需求分析的基础上，设计出空压机监控系统的总体结构，给出了系统的软硬件配置，详细阐述了系统各功能模块的内容及作用，并对系统调试原理和方法进行了说明。

实际运行结果表明该控制系统运行良好，效果达到了预期要求。

关键词：

空气压缩机；PLC；控制系统；WinCC

Abstract

Thesafetyoperationandprotectionofaircompressorisofgreatimportancetotheproductionoffactoriesandminingenterprises.Integratingtheconventionalrelaycontrol,computercontrolandcommunicationcontroltechnologies,programmablelogiccontrol（PLC）isdesignedspeciallyforindustrialcontrol.SensingdetectioninstrumentsandPLCareusedtocontrolmineaircompressors,realizingthedesignofaircompressormonitoringsystemsoastosystemgaingoodeconomicbenefitsandsafetyperformance.Thepaperdescribesthecomposition,protectionfunction,controlprinciple,systemcommunication,collectionofsystemsignalsanddesignideaofthePLCsystemofaircompressors.

Thethesisgivesthetotaldesignplan,andnetworkcommunicationplanoftheaircompressormonitoringsystem,anditdevelopsthePLCmonitoringsoftwareofpublicparametersandthesupercomputermonitoringsoftwareoftheaircompressormonitoringsystembasedonWinCC（WindowsControlCenter）,andfinishestheinstallationanddebuggingofthesystem.ThismethodmakesuseofconnectaircompressorsandPLCcontrollerbywhichtheaircompressorscanbeeasilymonitored.Basedontheanalysisofrequirementsofthecontrolsystem,thispaperpresentsanoverallschemeofthemonitoringsystem,introducesthe,andillustratesthefunctionblocksandadjustingmethodofthesystemindetail.Theresultoftheoperationindicatesthemonitoringsystemworkswellandmeetstherequirementsdesired.

Keywords:

Aircompressor；PLC；Controlsystem；WinCC

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1引言1

1.2课题背景及意义1

第2章硬件选型和地址符号表3

2.1PLC模块的选择3

2.2系统软件设计4

2.3通信5

2.4地址和变量的配置6

2.4.1输入地址6

2.4.2输出地址6

2.4信号采集7

第3章下位机程序设计8

3.1矿山空气压缩机控制系统的工艺流程8

3.2下位机程序设计9

3.2.1S7-300硬件的配置9

3.2下位机程序设计10

3.2.1S7-300硬件的配置10

3.2.2S7-300程序的设计11

第4章矿山压缩机控制系统监控界面的设计13

4.1WinCC对本设计的意义13

4.2WinCC资源管理器的组成与相应功能13

4.3创建矿山空气压缩机控制系统监控项目15

4.3.1创建步骤15

4.3.2相关设置15

4.4建立逻辑连接16

4.4.1驱动的功能16

4.4.2添加SIMATICS7ProtocolSuite驱动程序的步骤17

4.5建立变量连接18

4.6图形界面的设计20

4.6.1图形编辑器的介绍20

4.6.2压缩机主界面22

4.6.3报警画面23

4.6.4曲线画面24

4.6.5导航界面26

4.7组态图形界面27

4.7.1变量组态27

4.7.2常量组态28

4.8组态报警30

4.8.1报警记录的内容和功能30

4.8.2组态过程值归档31

4.8.3用户归档32

第5章变频器控制36

5.1变频器工作原理36

5.1.1工艺要求36

5.1.2参数设置介绍36

5.2变频器的下位机设计37

结论39

参考文献40

致谢41

第1章绪论

1.1引言

在煤矿采煤生产中，空气压缩机（简称：

空压机）主要负责向矿井大量的风动机械提供动力，其工作的可靠性和安全性直接影响着矿山的正常生产和经济效益。

目前大部分空压机存在着控制方式落后、操作不方便的问题。

控制回路大多为继电器控制，控制方式采用就地分散式人工操作，由固定人员24小时值守，值守人员根据井下用风量的需求手动启动或者停止空压机，并且定时巡检、记录运行状况。

另外，空压机耗电量很大，其中有相当长时间是在空载或轻载状态下运行，导致能耗大、机器受损严重、运行成本较高。

因此，设计一个操作方便、功能完善的全自动集中监控系统，对空压机进行监控和保护，提高空压机的工作效率，降低能耗，延长使用寿命，有着重要的现实意义[1]。

可编程控制器（PLC）是一种新型的通用控制装置，他将传统的继电器控制技术、计算机控制技术和通信技术融为一体，专为工业控制而设计，具有功能强、通用灵活、可靠性强、环境适应性好、编成简单、使用方便、体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。

近年来，随着可编程控制器的日渐成熟，越来越多设备的控制都采用PLC控制器来代替传统的继电器控制，并取得了很好的经济效益。

随着煤矿现代化的发展，矿山对矿山设备的要求越来越高,建设本质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，不断进步，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。

用继电器搭成的控制电路具有可靠性差、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这样的控制器来代替继电器搭成的电路[2]。

随着电子技术、软件技术、控制技术飞速发展，可编程控制器（PLC）发展迅猛，性能很高，价格较为合理，与继电器搭的控制电路比具有非常大的优势。

许多矿山设备已选用了PLC来代替比较重要的设备控制。

传统的保护主要采用分离仪表，其可靠性差、集成度低、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。

1.2课题背景及意义

本设计研究的主要内容是矿山空气压缩机的智能监控系统，主要是设计一套独立的由可编程控制器PLC、智能调节器、调节阀及各种检测仪表组成的机组监控系统，以保证压缩机组的安全可靠地运行。

对于空气压缩机的正常运行，我们主要关心各个参数（温度，压力）是否正常。

以往的操作人员不得不亲自到现场去检测各个表的读数，不但费时费力，而且对操作人员的耳膜有损坏，一旦有些参数发生异常情况不能及时反映给操作人员，就很容易损坏机器，影响机器的运行，造成成本过高。

同时，操作人员还得对某些参数进行记录，这是一项繁琐的工作，不仅增加了工作量，还增加了运行成本。

随着计算机应用在工业领域的日益发展，SIMATICWinCC工业组态软件顺应而出。

它的出现，大大简化了人员和设备配置。

高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据使其具有高度的实用性[3]。

WinCC组态软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能，以动画形式显示监控设备的运行状态，方便构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。

此外，它还具有高度的开放性和可扩充性，可以连接第三方设备。

相比于以往的监测控制系统，我们只要在组态好的计算机图形界面上轻轻一点鼠标，就可以获需所要的信息，进行相应的操作。

它不仅降低了运行成本，而且增加了系统的可靠性、稳定性和容错性。

它具有的报警记录使我们能及时得知异常情况并找出错原因，它所具有的变量归档和报表打印使我们能大量存档并随时打印出来，以供分析。

WinCC组态软件已成为远程监控应用和大型过程控制的理想选择[4]。

第2章硬件选型和地址符号表

2.1PLC模块的选择

PLC通过设计程序的梯形图逻辑以及上位机发出的指令，完成对现场设备的控制和数据采集。

下位机PLC在系统中要完成数据采集、状态控制、数据计算、向上位机传输数据及状态信号、功能保护连锁，以及接受上位机传递来的相关地址内的数据，并通过对应的地址模块进行处理和输出，控制各个阀门的开关及电机的起动停止。

下位机全部采用西门子SIMATICS7系列PLC。

在对控制对象和控制任务进行了分析和统计后，采用以下S7-300系列模块来组成本系统[5]。

系统原理图如图2-1所示。

图2-1系统原理图

1．电源模块PS307将120230交流电压转变为24V直流电压，为S7-300提供电源。

考虑到负载模块不是很多，故选取5A的电源。

2．CPU模块CP315-2DP具有24K字节的RAM程序存储容量，通过背板总线为其提供5V电源后，可以通过MPI口、PROFIBUS主从口与上位机进行通讯。

3．数字量输出（DO）模块SM322本系统选择直流16路继电器输出型数字量输出模块，其型号为：

SM332DO16*DC24V0.5A6ES7322-8BH01-0AA0。

本设计共4个数字量输出，故选用一块该模块。

4．数字量输入（DI）模块SM321本系统采用16个数字量输入块。

其型号为：

SM321DI16*DC24V6ES7321-1BH01-0AA0。

本次系统用了两个数字量输入。

5．模拟量输入（AI）模块SM331本系统采用12位模拟量输入模块。

其型号为：

SM331AI8*12bit6ES7331-7KF02-0AB0。

本次设计共26个模拟量输入，故选用四块该模块。

6．模拟量输出（AO）模块SM332本系统采用12位模拟量输入模块。

其型号为：

SM332AO2*12bit6ES7332-5HB01-0AB0。

本次设计共2个模拟量输入，故选用一块该模块。

2.2系统软件设计

计算机系统是整个系统的核心，包括两个部分：

上位机监测系统和PLC控制系统。

上位机软件采用德国SIMATIC公司的WinCC（WindowsControlCenter）软件，定时采集各种仪表和监测传感器检测的信号。

可以进行监测报表的查询、打印以及压风机多种状态的图形输出。

此外，本系统还实现了与企业内部局域网的链接，PLC采集到的信号经过工业以太网传输到远程调度室，使企业授权人员能浏览或者控制压风机的运行状况。

下位机全部采用西门子SIMATICS7系列PLC，S7-300控制器实现对空气压缩机的监控以及冷却水、气压等外围参数进行检测与控制[6]。

PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP-7V5.4编程软件开发。

PLC主程序主要由系统初始化程序、集中控制程序、远程控制程序、全自动控制程序、误操作提示程序、模拟量（压力、液位、温度等）采集处理程序、参数设置程序和报警程序等构成。

图2-2S7-300组态中导入智能仪表的GSD文件

PLC与温度、压力等参数的采集模块的通信是采用PROFIBUS现场总线进行数据交换。

对于本系统，根据煤矿现场条件、传输距离、传输速率、传输可靠性等要求，PROFIBUS总线是最经济最适合本系统的监控层的网络结构。

在本S7-300PLC控制系统中，只需要在STEP7中导入智能仪表的GSD文件然后进行相应的组态即可。

如图2-2所示。

S7-300PLC通过RS-485与通风机房各高压柜中的微机保护装置通信，收集各高压柜的遥测、遥信数据[7]。

解析上传的遥测、遥信等报文，并分类存储在内部存储器中。

通过配备的触摸屏系统可以实现遥测、远程信息的现场集中显示。

2.3通信

PLC与WinCC的通信中，在对过程驱动程序进行配置以前，应满足以下条件：

1．PLC配备一个通讯接口，WinCC通过过程驱动程序来支持该通讯接口；

2．PLC的通讯接口必须适当配置，以便使控制程序能借助于通讯调用功能访问该接口；

3．WinCC所要访问的标签地址（取决于使用的PLC）必须正确；

4．在WinCC内部安装相应的通讯硬件；

5．为了能够在运行方式下访问标签，PLC必须与过程取得连接，并与WinCC系统的物理连接安装完好[6]。

WinCC与PLC之间的过程通讯结构如图2-3所示。

图2-3WinCC与PLC之间的过程通讯结构

2.4地址和变量的配置

2.4.1输入地址

输入地址（AI）如表2-1所示：

表2-1输入地址符号表

输入符号

输入地址

1#风压模拟量输入值

PIW2

1#二级排气模拟量输入值

PIW4

1#一级气压模拟量输入值

PIW6

1#缸体压力模拟量输入值

PIW8

1#出水管温度模拟量输入值

PIW10

1#总水管压力模拟量输入值

PIW12

1#风包温度模拟量输入值

PIW14

1#电机温度模拟量输入值

PIW16

1#一级气缸温度模拟量输入值

PIW18

1#缸体温度模拟量输入值

PIW20

1#出水管温度模拟量输入值

PIW22

1#二级温度模拟量输入值

PIW24

2#风压模拟量输入值

PIW26

2#二级排气模拟量输入值

PIW28

2#一级气压模拟量输入值

PIW30

2#缸体压力模拟量输入值

PIW32

2#出水管温度模拟量输入值

PIW34

2#总水管压力模拟量输入值

PIW36

2#风包温度模拟量输入值

PIW38

2#电机温度模拟量输入值

PIW40

2#一级气缸温度模拟量输入值

PIW42

2#缸体温度模拟量输入值

PIW44

2#出水管温度模拟量输入值

PIW46

2#二级温度模拟量输入值

PIW48

1#液位模拟量输入值

PIW50

2#液位模拟量输入值

PIW52

2.4.2输出地址

输出地址（AODO）如表2-2所示：

表2-2输出地址符号表

输出符号

输出地址

1#报警

Q0.2

2#报警

Q0.3

1#停车

Q0.4

2#停车

Q0.5

1#阀开度输出值

PQW2

2#阀开度输出值

PQW4

2.4信号采集

S7-300为每个本机数字量输入提供脉冲捕捉功能。

脉冲捕捉功能允许PLC捕捉到持续时间很短的脉冲。

而在扫描周期的开始，这些脉冲不是总能被CPU读到。

当一个输入设置了脉冲捕捉功能时，输入端的状态变化被锁存并一直保持到下一个扫描循环刷新。

这就确保了一个持续时间很短的脉冲被捕捉到并保持到S7-300读取输入点[8]。

第3章下位机程序设计

3.1矿山空气压缩机控制系统的工艺流程

其流程图如图3-1所示。

图3-1程序流程图

首先传感器启动，采集信号对于空压机是否超限，如果不超限则启动变频器，启动电机来带动空压机运动，产生气流给气泵和气镐提供气源。

气镐用于矿山开矿。

气泵用于从山下输送水。

保证正常的生活用水。

当空压机启动后，实时检测数据，当出现报警或者停机时及时检查或者停止空压机。

确认错误以后重新启动空压机。

3.2下位机程序设计

3.2.1S7-300硬件的配置

1．打开桌面上的SIMATICManager快捷图标，按照“新建项目向导”添加一个新的项目。

2．鼠标左键单击“SIMATIC300站点”，双击右边的“硬件”对SIMATIC300的站点进行组态，在SIMATIC300站点界面中的左上部分添加“机架”，然后在右边选择我们已经选型好的硬件，选择“SIMATIC300”，在PS-300中选择电源模块，CPU-300中选择CPU模块，在SM-300中可以添加数字量输入、数字量输出，以及模拟量输入输出模块。

如图3-2所示。

在界面的左下角可以看到填入机架内的模块的订货号。

添加完成后，点击“保存并编译”。

如果添加的正确的话，编译无误，如果添加错误的话，组态的硬件无法被编译或保存，必须组态正确才可以保存[17]。

图3-2SIMATIC300硬件配置

3.2下位机程序设计

3.2.1S7-300硬件的配置

1.打开桌面上的SIMATICManager快捷图标，按照“新建项目向导”添加一个新的项目。

2.鼠标左键单击“SIMATIC300站点”，双击右边的“硬件”对SIMATIC300的站点进行组态，在SIMATIC300站点界面中的左上部分添加“机架”，然后在右边选择我们已经选型好的硬件，选择“SIMATIC300”，在PS-300中选择电源模块，CPU-300中选择CPU模块，在SM-300中可以添加数字量输入、数字量输出，以及模拟量输入输出模块。

如图3-3所示。

在界面的左下角可以看到填入机架内的模块的订货号。

添加完成后，点击“保存并编译”。

如果添加的正确的话，编译无误，如果添加错误的话，组态的硬件无法被编译或保存，必须组态正确才可以保存[10]。

图3-3SIMATIC300硬件配置

3.2.2S7-300程序的设计

对S7-300的硬件配置完成之后，可以进行下一步程序的编写了，下面介绍一下本系统中的主要程序的设计。

手动控制变频器来控制电机启动空压机的正常运行。

来带动气泵和气镐运作[11]。

为矿山的作业提供了方便。

下面简单介绍一下S7的编程。

首先在PLC程序中都有OB100对初始数据进行初始化，它的作用是启动系统的时候一次值。

给报警限定值赋值。

如图3-4所示。

图3-4初始化

然后将模拟量信号采集经过FC105转换为数字量存入DB块中，FC105是将0-27648模拟量转换成你所要求的数字量即采集来的现场数据，再将DB块中的数字量与限定模拟量值比较进行报警及停机判断。

如图3-5所示。

图3-5模拟量转换

其次控制变频器启动电机，来启动空压机，实时监空压机的各个数据参数，进行报警和停机。

最后是PID控制：

在实际的工程应用中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

通过PID控制对矿山的用水库中的液位进行控制，能保真矿山的居民正常的用水和工业用水。

M7.0是手自动切换如图3-6所示。

图3-6PID控制图

第4章矿山压缩机控制系统监控界面的设计

4.1WinCC对本设计的意义

WinCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全[12]。

用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。

它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。

WinCC最引人注目之处还是其广泛的应用范围。

独立于工艺技术和行业的基本系统设计，模块化的结构，以及灵活的扩展方式。

使其不但可以用于机械工程中的单用户应用，而且还可以用于复杂的多用户解决方案，甚至是工业技术中包含有几个服务器和客户机的分布式系统[13]。

WinCC对本课题的意义：

1．多任务：

这意味着我们在一台计算机上除了监控压缩机外，还可以执行其他应用项目。

2．多处理平台：

WindowsNT可在一个平台上支持2到32个处理器，同时，WinCC支持均衡的多处理系统[14]。

也就是说我们可以用两台或者两台以上的计算机同时监控轴流压缩机。

当其中一台出现故障时，另外一台计算机仍然可以继续监控压缩机，从而不影响压缩机的正常运行。

3．使工业应用更加安全：

WindowsNT是模块化的操作系统，它允许用户关掉某些应用而不影响其它应用。

这保证了压缩机检测系统运行的独立性[15]。

4．开放体系：

Windows支持公共接口：

ODBC、OPC、DDE、ActiveX、OCX和SQL。

这意味着我们可以根据需要随时扩展和升级轴流压缩机防喘振控制系统[16]。

5．强大的API（应用编程接口）：

WinCC可以通过脚本语言直接采用Win