瓦斯浓度检测与安全PLC控制系统.docx
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瓦斯浓度检测与安全PLC控制系统
瓦斯浓度检测与安全PLC控制系统
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内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书（毕业论文）
题目：
瓦斯浓度检测与安全控制系统
学生姓名：
程保辉
学号：
0867106209
专业：
自动化
班级：
自2008-2班
指导教师：
朱琳
摘要
本文是以矿井瓦斯浓度为研究对象而设计的基于PLC的矿井瓦斯浓度检测与安全控制系统，经过设计，该系统能实现以下功能：
（1）实现瓦斯浓度的实时检测；
（2）根据井下瓦斯浓度自动控制排风量，提供上限报警功能；
（3）实现地面调度中心对各矿井瓦斯浓度实时检测与控制。
首先，我们根据系统的控制功能要求，选择了合理的控制方案；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，利用STEP7-Micro/WIN4.O编程软件完成了系统PLC控制程序的设计；最后，根据矿井瓦斯浓度检测与安全控制系统的功能要求，结合组态王软件和PLC的应用，完成了瓦斯浓度监控系统的设计。
关键词：
瓦斯检测；PLC控制；变频调速；组态王软件
Abstract
MinegasconcentrationforthestudydesignbasedonPLC'sminegasconcentrationdetectionandsecuritycontrolsystems,bydesign,thesystemcanachievethefollowingfunctions:
（1）Real-timedetectionofgasconcentration;
（2）automaticcontroloftheexhaustvolumeaccordingtotheundergroundgasconcentration,theupperlimitalarmfunction;
（3）Grounddispatchcenterdetectionandcontrolofcoalminegasconcentrationinrealtime.
First,accordingtothecontrolfunctionsofthesystemrequirements,selectareasonablecontrolscheme;then,accordingtotheselectedcontrolscheme,thedesignofthesystemcontrolcircuit,andthePLC,inverter,sensorsandotherhardwareselectionoftheconfigurationandwiring,then,touseSTEP7-Micro/WIN4.OprogrammingsoftwaretocompletethedesignofthesystemPLCcontrolprogram;Finally,accordingtothefunctionalrequirementsofcoalminegasconcentrationdetectionandsecuritycontrolsystems,combinedwithconfigurationkingsoftwareandPLCapplicationstocompletethegasconcentrationmonitoringsystemdesign.
Keywords:
Gasdetection；PLCcontrol；Frequencyconversion；Configurationsoftware
第一章引言
一.1课题研究背景及研究意义
煤炭在我国的一次能源使用中占有50%左右，是我国最主要的一次能源，它对国民经济的可持续发展起着非常重要的作用。
随着工业的快速发展，对煤炭的需求量不断增加，使得煤矿的生产规模不断地扩大。
同时，煤矿生产中的安全问题也成为人们更加关注的问题。
大量的煤矿事故调查结果表明，煤矿发生的重大灾害事故都与矿井通风系统有着密切的关系。
在煤矿的安全生产中，瓦斯浓度的高低起着关键的作用，而矿井通风机是矿井安全控制系统中的重要设备。
矿井通风机的主要作用是：
一方面向矿井中输入足够的新鲜空气，以保证井下工人可以安全的进行生产；另一方面，把井下开采时产生的有毒瓦斯稀薄到安全的浓度，并将其排出矿井；同时，也将矿井中飞扬的煤尘排出井外，以利于改善井下的工作环境[]。
随着PLC和变频调速技术的快速发展，各种自动化控制领域都已广泛采用PLC和变频器。
而在煤炭行业中，利用PLC控制的变频器带动风机的运行，不仅可以实现风机无级调速，而且还可以依据瓦斯浓度的高低及时调节风量，降低风机的能源消耗，从而节省大量的电能。
变频调速技术用于交流异步电动机调速，其性价比高。
并且其构造简单，调速范围较宽，调速精度较高，安装使用时调试较为方便，保护功能较为完善，运行比较稳定可靠，节能效果较为显著，已经逐渐成为交流电机调速的一种最新潮流。
调频变压调速装置是一种现代化高技术电力节约能源的装置,即所谓的VVVF,我们通常称其为变频调速器。
若将其运用到暖通空调制冷行业,可达到明显的节能效果,故被称为80年代暖通制冷空调行业的两大突破之一[]。
变频调速技术与其他交流调速方式相比具有高效、高精度的优点,能够实现无级调速,其调速比一般能达到20∶1,变频调速方式起动时能耗较小、寿命长、可靠性比较高,电子元器件能够高度集成化,几乎不需要维修；并且其占地面积较小、无噪声,无机械换向器，有很高的经济性；变频调速可采用微机控制,并可以遥控,一机多控；保护功能较多,能达到较高的节能效果,收回投资快，技术发达国家70年代末80年代初已广泛采用变频调速技术[]。
若再使用组态监控技术和网络通讯技术对矿井瓦斯浓度进行监控，可使其达到高效、节能、安全运行的效果，大大提高煤矿自动化安全生产的水平。
一.2系统设计目标及技术要求
我们研究的主要内容是瓦斯浓度检测和瓦斯浓度控制两部分模块。
瓦斯浓度检测部分主要由瓦斯传感器、变送器组成，瓦斯浓度的控制部分主要由PLC、变频器和风机组成。
对于目标控制量，主要是通过调节风机的转速来改变矿井的通风量，带走井下的瓦斯，即间接地调节了矿井的瓦斯浓度，使它低于我们所要求的浓度。
根据具体的工业需要，我们设定一个预期的瓦斯浓度值，要通过系统的硬件部分和软件部分的共同作用使矿井瓦斯浓度低于设定值，并且当瓦斯浓度过高时，PLC控制变频器频率输出最大值，且报警指示灯亮。
系统的工作原理如图1.1所示。
图1.1系统工作原理
一.3技术综述
为了实现对矿井瓦斯浓度的控制，我们采用调节风机的转速来控制瓦斯浓度，使其小于给定浓度，为此我们提出两种控制方法进行比较。
方案一：
用PLC+风机控制
此方案通过PLC给出转动的指令来驱动风机转动，根据给定的不同，风机的转速按实验的要求发生变化，从而达到对风机的转速的控制。
它的调速是通过对预先在PLC中设定的程序的调用的调速方式，瓦斯传感器检测到矿井瓦斯的浓度，与给定的浓度进行比较，根据差值的符号来确定控制线圈的通断，从而驱动风机的启停。
这种方式结构简单，以PLC直接控制风机运转，操作控制方式既简单又实惠，运算只在PLC中运行，简化了程序流程。
但其有很多缺点，例如它的控制指令只是根据差值符号启停风机，这就导致风机的频繁启停，这样的控制过程会对风机造成较大的损害，并且会对电网造成较大的冲击。
其方案示意图如图1.2所示。
图1.2控制方案一示意图
方案二：
PLC+变频器+风机控制
针对方案一的不足进行改进，提出了PLC+变频器+风机的方式。
虽只是加上了一个变频器，但它在调速性能上起到了很大的作用，其优点是能更好地保障矿井作业的安全。
其控制方案示意图如图1.3所示。
图1.3控制方案二示意图
综上所述，方案二比方案一优越，为此我们选方案二进行设计。
一.4本章小结
本章详细地介绍了课题的选题背景和选题意义，概述了PLC控制技术的特点和应用功能，以及其在矿瓦斯浓度控制上的应用现状。
同时，又阐述了变频调速技术在矿井风机上应用的必要性和其所能起到的作用和优点。
最后，在此基础上，提出了本课题主要的设计方案。
第二章系统设计
二.1设计步骤
本论文以矿井瓦斯浓度为研究对象，在实验室中根据模拟井下瓦斯浓度的变化，用PLC控制变频器来驱动风机变频运行，以控制矿井瓦斯浓度低于设定值。
同时，还可以利用PLC和组态软件实现瓦斯浓度的在线监控，以及实现瓦斯浓度的超限报警和变频器故障报警功能。
本论文的主要研究步骤如下:
l）矿井瓦斯浓度控制系统设计
该部分主要包括变频器、风机主电路和PLC控制电路两部分。
要求能实现工频或变频运行，在变频运行时，该系统能根据矿井各巷道中瓦斯浓度的变化，自动控制风机的转速。
当采集到的瓦斯浓度低于规定的安全标准时，PLC给变频器输出一个较小的输出，控制风机以较低转速运行；当采集到的瓦斯浓度达到规定的安全标准时，PLC根据一定的逻辑关系调整风机的转速；当瓦斯浓度超过了规定的报警标准时，PLC控制风机以最大转速运转，同时报警灯亮；当变频器发生故障时，系统停止变频运行。
除此之外，系统还要实现矿井瓦斯浓度的实时在线监控。
2）可编程控制器相应硬件电路设计
系统电路设计好以后，首先要根据该系统的要求进行PLC、变频器、传感器、风机及其它电气元件的选型，然后再根据矿井下的实际作业状况，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。
3）可编程控制器软件设计
可编程控制器和变频器硬件电路部分设计好以后，还要进行系统软件部分的设计，包括该系统的PLC开关量控制，瓦斯浓度的PLC模拟量采集处理，以及变频器参数的设定和调试等。
在编写瓦斯浓度的PLC控制程序时，需要根据一定的逻辑关系进行设计。
4）上位机监控系统设计
结合PLC和组态王软件，在上位机（PC）上完成矿井瓦斯浓度的在线监控系统的设计，以实现各巷道瓦斯浓度的在线控制，以及瓦斯浓度的曲线、超限报警和变频器故障报警功能。
二.2控制原理
控制原理如图1.1，首先由上位机给PLC一个瓦斯浓度的期望值，它与经瓦斯传感器以及变送器送来的实际瓦斯浓度进行比较运算后，生成控制命令，将控制命令以电压的形式送给变频器实现变频，变频器通过输入的电压计算出对应的频率，控制风机的转动速度，不同转动速度对应不同的抽风量，从而实现了瓦斯浓度的控制。
例如：
根据系统的设计理论，当瓦斯浓度高于给定值时，风机的转速增加，风量增大带走较多的瓦斯气体使其浓度降低；当浓度低于给定值时，风机以较小的速度转动，以保持矿井的空气畅通。
二.3采样信号和控制量分析
本系统的PLC共有36个开关量，包括16个输入，20个输出，其中输出量包括16个继电器输出和4个中间继电器输出；模拟量模块有4个输入，4个输出。
系统的变量表如表2.1所示。
表2.1系统变量表
序号
信号名称
信号性质
占用硬件资源
说明
1
1号巷道变频运行
开关量
I0.0
2
1号巷道工频运行
开关量
I0.1
3
1号巷道停止
开关量
I0.2
4
1号巷道变频器故障
开关量
I0.3
5
2号巷道变频运行
开关量
I0.4
6
2号巷道
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