大学毕业设计基于plc矿井压风机的自动控制系统.docx
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大学毕业设计基于plc矿井压风机的自动控制系统
毕业设计说明书
基于PLC的矿井压风机自动控制系统设计
专业
电气工程及其自动化
学生姓名
班级
学号
指导教师
完成日期
毕业设计说明书（毕业论文）
独创性声明
本人声明所呈交的毕业设计说明书（毕业论文）是本人在导师指导下进行的研究、设计工作后独立完成的。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，说明书中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究所做贡献集体和个人，均己在说明书中作了明确的说明并表示谢意。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
毕业设计说明书（毕业论文）作者签名（手写）:
日期:
年月日
指导教师签名（手写）:
日期:
年月日
基于PLC矿井压风机的自动控制系统
摘要:
空气压缩机是一种通过压缩气体来提高气体压力或输送气体的动力供给设备。
螺杆式空气压风机更以其损失小、效率高、适应性强等优点，广泛应用于工业生产领域。
随着应用规模的扩大，原有控制方式的效率低下、维修率增高等问题也日益突出。
同时电子技术和微电子技术的迅速发展，由PLC自动控制压风系统，具有较高的可靠性和较好的节能效果，PLC自动控制系统正是这种技术的产物。
本文在了解社会发展与需求的情况下，以山东某矿井压风机为项目背景，设计和开发了一种PLC自动控制压风机系统，取代了旧时代的手工控制和分散控制，从而提高了系统的自动化程度。
同时论文对压风机的几种控制方式进行了分析。
并进行了综述，同时，设计出了压风机自动控制的总体方案、硬件配置以及软件与程序的设计。
在该系统中，可编程控制器（西门子S7-300系列）作为下位机，较好的解决了自动控制等问题；上位机软件采用的是MCGS软件，通过此软件开发出一种可视化的监控画面。
两者有效的结合起来，采用以矿井气压压力为主控参数，实现对压风机工作过程和运转速度的有效控制和监控。
系统运行结果显示出本系统具有良好的可靠性和实用性，提高了整个压风机控制系统的自动化、智能化的水平。
从而最终能够实现压风机房的无人值守。
关键词：
螺杆式压风机；可编程控制器；组态软件；自动控制
AutomaticcontrolsystembasedonPLCoftheminepressurefan
Abstract:
Aircompressorisacompressedgasestoenhancegaspressureortransportgasespowersupplyequipment.Screwaircompressorismorewithitslowloss,highefficiency,theadvantagesofstrongadaptability,iswidelyusedinindustrialproductionfield.Withtheenlargementofthescale,thelowefficiencyoforiginalcontrolmode,repairrateincreasesandotherissuesarealsoincreasinglyprominent.Atthesametime,therapiddevelopmentofelectronictechnologyandmicroelectronicstechnology,automaticpressurecontrolsystembyPLC,withhighreliabilityandgoodenergysavingeffect,PLCautomaticcontrolsystemistheproductofthistechnology.Basedontheunderstandingofsocialdevelopmentandthedemandofcases,afanforminepressureinShandongprojectbackground,designanddevelopakindofPLCautomaticcontrolpressureblowersystem,replacingtheolddaysofmanualcontrolanddistributedcontrol,thusimprovethedegreeofautomationofthesystem.Atthesametimethepaperstudiesforcompressorcontrolseveralways,andweresummarized,atthesametime,designedthefanontheoverallschemeoftheautomaticcontrolofpressure,hardwareconfigurationandsoftwareandprogramdesign.Inthissystem,programmablecontroller（SiemensS7-300series）asthelowermachine,bettersolvedtheproblemssuchasautomaticcontrol;PCsoftwareUSESMCGSsoftware,throughthesoftwaretodevelopavisualsurveillanceimages.Botheffectivecombination,usingpressureasthemaincontrolparameter,totheminepressureintheworkingprocessofthecompressorandtheeffectivecontrolandmonitoringoftherunningspeed.Systemoperationresultsshowthatthissystemhasgoodreliabilityandpracticability,improvestheautomationandintelligenceofthewholecontrolsystemofcompressor.Soastoeventuallybeabletorealizepressurewindroomunattended.
Keywords:
Screwcompressor;Programmablecontroller;Configurationsoftware;Theautomaticcontrol
1前言
1.1项目背景
本学位论文的课题来源于山东某矿井压风机房。
刚压风机房具有4台英格索兰生产的MM300-2S型螺杆式压风机，每台压风机独立控制，为矿井建设提供动力。
由于对4台压风机的操作要进行现场调试，给整个压风机房的操作、维护和管理带来了不变。
此外，原控制系统是继电器—接触器控制，这些年，器件经常容易损坏，在控制也出现落落很多的问题，严重影响了压风机的正常运行。
另外矿用压风机需要长时间的运行，而且煤矿每时的风量又都不一样，则会出现供风压力不稳定的现象，为避免这种情况，压风机就要在空载（或轻载）和负载状态下切换，经常这样使用会导致设备使用时间的减短，对国家电力资源造成浪费。
针对上述情况，就需要设计出对于压风机的自动控制同时又能智能检测的系统，以提高空压机的工作效率。
该系统能够根据风量的变化实现自动化控制，并能够远程操作、监控和报警，对于过压、过热、电流过载等情况进行有效保护，以达到提高生产效率，稳定了压风机的工作性能，能够让工作人员得到更多的休息，提高了工作人员对工作的热情。
1.2课题研究意义
煤矿矿井压风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分，压风机在其中又起到至关重要的作用，压风机一般用在气动设备的动力提供上，将空气压缩成一定压力的气体，使之运转。
例如供井下风镐、风泵等气动设备。
可以把井下的粉尘冲淡，这样就能给工作人员创造出一个好的工作环境，保证了他们的健康。
所以压风机是矿井系统安全运行的重要保障。
设备运行的平稳性将直接决定整个生产是否能够完成指标。
PLC作为驱动设备，凭借着其通用性和可靠性等优点，在这个电子技术和微电子技术的迅速发展的社会中得到广泛应用。
由PLC自动控制压风系统，提高了可靠性和节能效果，在整个自控系统中，通过远程控制能够更好的完成生产需求。
本文通过一个实例——基于PLC的矿井压风机自动控制进行分析。
矿井中工作环境的好坏，将直接决定了工作效率与工作人员的身体健康，所以压风机的使用就显得越发的至关重要。
我国是煤矿大国，煤矿安全与生产效率是我国政府一再强调的问题，因此提高生产安全性和生产效率是至关重要的。
所以提高矿井系统的安全性。
可靠性和快速性是势在必行的。
之前的煤矿压风机控制系统中，多采用继电器和接触器控制方式，这种控制方式体积庞大；由于触电过多，会出现接触不良等故障的发生，同时当故障产生时也不利于检修；而且运行速度慢，生产效率低下。
PLC与上位机有效的结合在一起将解决这一系列的问题，通过PLC对现场设备的控制，并把工作状态上传给上位机，我们就可以通过上位机进行实时监控，这样使得压风机的使用寿命增加，故障排除简单，工作效率提高。
为煤矿矿井压风系统的节能技术改造提供一条新途径。
1.3PLC的发展状况
在工业生产过程中，存在着大量的开关量信号。
这些信号遵循一定的逻辑条件和逻辑关系按顺序做出相应的动作，根据动作的结果来驱动。
在PLC出现之前，传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
工厂自动化控制的初期阶段采用继电器进行控制，但是这种控制方式存在着很多的弊端，这个继电器控制组体积过于庞大、耗电量多、继电器由于长时间的吸合断开导致寿命短、运行的速度也不尽人意等，所以后期就急需研发出一种可以替代继电器控制的控制方式。
随着工业现代化的发展，企业规模的不断扩大，对生产率的要求也越来越高，控制系统的可靠性也要随之提高，以至于原有的继电器控制方式渐渐不能满足这些需求。
1969年，美国数字设备公司把继电接触器控制的有点与计算机功能齐全、灵活、通用的特点结合起来研制出了一种新型工业控制装置，并在其他行业很快得到了推广应用，这就是第一代可编程控制器。
社会在发展进步，各个领域都向着自动化、信息化的方向发展，其中工业生产一直强调提高工作效率，减少人力，这就更大大的强调了自动化的重要性。
而PLC作为工业控制中的电控装置，其重要性更是不言而喻的。
而且随着技术的发展和市场需求的增加，可编程控制器也随之更新，体积越来越小，功能越来越全，可靠性越来越高、运行速度越来越快、稳定性也越来越强。
1.4效果预测
本系统通过智能传感器对设备层的一些数据进行检测，通过背板总线上传给PLC控制单元，PLC存储器中是可以进行程序编写的，通过对测量数据的比较，对压风机组进行轮流工作，以达到自动化控制的目的。
控制结果上传给上位机，上位机界面对压风机进行实时监控，工作人员通过对观察上位机就可以准确的了解到每个压风机的工作状态和实时数据，还可以通过对上位机界面的控制来实现对压风机组的远程控制。
当故障出现时，可以及时确定故障所在，并把压风机组的自动控制切换到手动控制，放便检修。
通过此系统能够达到矿井压风机的无人值守，提高压风效率、节能减排、减员增效的目的。
2系统的总体方案设计
2.1方案的比较与选择
在本次设计中，对于压风机的控制系统的方案，按控制核心的不同，大致可分为以PC机为核心控制系统，以单片机为核心控制系统，以PLC为核心控制系统这三种。
2.1.1以PC机为核心控制系统
以PC机为核心控制系统的简略系统结构图如图2-1所示。
图2-1基于PC机为核心结构图
以PC机为核心的控制系统在大小型工业控制中占有一定的比例，基于其技术开放、操作方便、结构简单，并且具有丰富的软件资源。
主要特点是：
把I/O装置做成板卡的形式，这样就能将它直接和PC机上的总线相连接，也就是说可以直接插在计算机的扩展槽上使用。
这种方案以其结构简单、器件少而立足，但是也正是由于它过于简单，所以存在着很多的不足之处：
1、我们所要检测点信号都集中到一起，信号线过多造成现场信号相互之间存在一定的干扰，并且维护也不方便；2、控制中心只有一台PC机，当计算机出现故障，系统整体就有可能出现瘫痪，风险高；3、工作现场不能够看到检测数据，也不能报警，灵活性差。
2.1.2以单片机为核心控制系统
以单片机为核心控制系统简略结构图如图2-2所示。
图2-2以单片机为核心控制系统结构图
运用单片机控制方案，是因为单片使用起来结构简单，成本低。
但是采用单片机控制，还有很多不足之处：
1、在对此系统进行设计时，扩展电路和系统配置电路这两部分设计比较复杂，耗费了大量的时间，影响了工作进程。
2、由于此次系统设计的使用环境是矿井，工作环境比较恶劣，所以对系统的抗干扰性的要求就比较高，而用单片机控制方案抗干扰性差，虽然我们采取了一些措施减少干扰，但总体效果并不是怎样理想。
3、系统的电源模块还需要自己设计，这就更增加了设计者的工作量，而且系统的稳定性和可靠性都得不到保障。
4、每个系统在长时间运转之后都有一个维修周期，而单片机控制方案维修不方便，给维修人员带来了不便。
2.1.3以PLC为核心控制系统
以PLC为核心控制系统的简略系统结构图如图2-3所示。
图2-3以PLC为核心控制系统结构图
PLC是适合于工业生产控制的一个电子装置，通过在其内部村存储器中编写程序来进行逻辑运算、计时、算法运算等操作，同时通过外部设备对一些数字量和模拟量的提取，并通过输出对现场控制。
把PLC和外部设备有效的结合运用，使得整个系统适用于各种大中小的工业控制。
PLC具备以下特点见表2-1所示。
表2-1PLC特点
1）、集成电路式样可靠性高，抗干扰能力强是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
2）、配套齐全，功能完善，适用性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
3）、易学易用，深受工程技术人员的欢迎
采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。
另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
4）、系统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。
完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
在本次设计方案的选取中，考虑到现场工作环境的恶劣，抗干扰性强，价格经济等方便，故选取PLC控制系统是更为适合。
2.2系统方案
由于空压机在矿井建设中起到至关重要的作用，设计的成功与否对该矿的生产起到一个关键作用。
因此，安全、稳定、高校是贯穿本次设计的一个宗旨。
电气系统方面：
使用PLC做为下位机的主控制机对4台压风机进行控制,现场通过不同传感器对数据进行采集，然后传输给PLC进行A/D转换，现场设备的检测和控制便通过执行机构、传感器和PLC共同实现。
监控系统方面：
上位机是在一台计算机上通过MCGS软件设计出主监控画面，从而工作人员便可以在控制室通过计算机对现场进行监控和控制。
PLC接有触摸屏，也可以通过对触摸屏上软按钮的操作以达到对压风机的就地控制。
系统的组成：
本方案采用分布控制系统。
当PLC或者控制对象某一个环节出现故障的时候不会影响其它压风机的正常工作。
控制系统按功能划分成了现场设备层，中央控制层，数据呈现层这三个层次。
其具体的系统结构图如图2-4所示。
1、现场设备层
现场设备层由执行机构和传感器组成。
主要包括开关、传感器、压风机、电磁阀等现场设备。
因为生产环境的恶劣，所以对现场设备层的质量和工作的稳定性要求都比较高，我们在硬件设计中对硬件的选取就非常重要。
2、中央控制层
作为整个系统的核心部分，PLC的功能就是对模拟信号和开关信号的检测和控制。
初次之外每个PLC除了对现场设备层进行控制意外，还要和触摸屏、PC机进行实时通讯，每个PLC把采集的数据信息通过现场总线传给上位机进行数据分析，上位机通过分析结果向PLC传达指令，PLC执行指令操作设备层。
3、数据呈现层
由触摸屏和上位机组成。
与下位机PLC进行通讯，获取现场设备的实时数据，利用MCGS软件，可以观察压风机的工作状态，也可以根据不同的需求进行参数设置，同时还具有报警画面、历史曲线等功能，工作人员可以通过触摸屏上的软按钮对压风机进行远程控制。
图2-4系统结构图
2.3本章小结
本章节通过分析现场设备的工作环境和设计的具体要求，我们分析并比较不同核心的控制系统最终选取PLC作为控制核心；而且我们了解到现场环境时恶劣的对硬件的抗干扰性和稳定性的要求是比较高的。
最终我们在现有的技术基础上研究并确立了本次设计的具体系统方案。
3系统的硬件设计
3.1控制系统的主电路的设计
本系统可编程控制器、空压机组、传感器、接触器控制柜以及触摸屏等构成。
系统可以通过远程控制和手动控制对压风机进行操作。
所谓远程控制，现场设备层的器件采集模拟信号或开关信号传达给PLC，PLC进行运算之后再次上床给上位机，上位机根据数据汇总分析发布执行指令。
工作人员通过对上位机的操作来完成压风机启停和风压的改变。
同时PLC上也接有触摸屏，触摸屏上装有监控软件，通过触摸屏上的软按钮也可以对压风机进行操作。
当工作人员在现场操作时，遇到突发事件或进行器件的检修时我们可以采用手动控制。
具体电气原理图如图3-1所示。
图3-1主电路图
3.2系统硬件配置
确定了系统方案之后，首先对系统的硬件进行选取设计，其中包括检测技术与传感器的选型以及PLC选型。
3.2.1检测技术与传感器的选型
传感器是能够按照一定的规律把外部的模拟量转换成数字量的器件和装置，传感器的产生方便了我门对信号的测量与控制，是工业控制中必不可少的一部分。
1、压力传感器的选型
现场需要对进出压力、润滑油压力和总管压力进行测量，然后把压力信号转化为4~20mA电流信号输出给PLC，PLC再传输给上位机。
压力信号要求范围为0-1.0MPa，精度要在0.5%以上。
本次设计中所采用的是GRT压力变送器，下面简单介绍一下GRT压力变送器。
表3-1压力变送器基本特性
1）、主要特性：
传感器为316不锈钢膜片结构，适用被测的介质可以使腐蚀性气体、液体，测量范围在20KPa~20MPa，测量精度为0.1%、0.25%、0.5%，三倍过压范围。
2）、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。
3）、工作环境特性：
环境温度补偿范围：
0~50℃，环境温度工作范围：
-20~80℃，工作环境湿度范围：
0~80%。
4）、外型结构与典型接线：
探头外型尺寸：
59mm×120mm，重量：
650g；GPT过程连接外螺纹规格M20×1.5；GPT过程连接内螺纹规格M12×1.25。
2、温度传感器的选型
铂电阻具有适用范围广、测量范围大、稳定性高、重复性好、价格低廉、使用方便等优点，成为目前工业和实验室中温度测量应用最广泛普遍的传感元件之一。
本系统选择用PT100作为本次设计的温度传感器。
3.2.2可编程控制器的分析
1、可编程控制器（PLC）工作原理
PLC是一种工业控制用的计算机。
PLC的工作方式有周期扫描方式、定时中断方式、输入中断方式和通信方式等，最主要的方式是周期扫描方式。
周期扫描方式大致分为7个过程，如图3-2所示
图3-2PLC工作过程
PLC启动后，要进行第一次启动的初始化处理。
在启动处理过程通过以后，要进到共同处理过程，共同处理的主要任务是复位监视计时器、检查I/O总显示否正常、检查扫描周期是否过长和检查程序存储器是否有异常等。
由于PLC采用的是扫描工作过程，所以当一个扫描周期结束之后，即使此时外部设备传输进来的输入发生改变，但此时的输入状态映射寄存器中的内容也不会发生改变，等到下一个周期到达时才会随之改变。
2、PLC的基本结构
PLC的硬件组成是由7部分组成，如图3-3所示。
表3-2简单的介绍了部分硬件。
图3-3PLC的组成
表3-1PLC组成硬件简介
CPU模块
CPU是PLC的核心部分，它不断采集输入信号，执行用户程序，并根据执行结果控制输出设备响应外部设备的，同时进行各种内部诊断。
存储器
PLC的存储器分为两类，一种是系统程序存储器，主要存储系统管理，监控程序和用户程序编译程序，这类程序用户不能更改；另一种是用户程序及数据存储器，主要存储用户编制的应用程序和各种数据。
电源
PLC的电源一般使用AC22V或DC24V，直流24V电源不仅可以供应内部使用，还可以供输出/输入单元和传感器使用。
输入/输出接口
输入/输出接口时PLC与外部设备信息交换所需的连接部件。
PLC通过输入接口把外部设备的工作状态读入到中央处理器。
输出接口将CPU处理的结果传输到执行机构。
外部设备接口
外部设备接口可以连接不同的外部设备以达到更好的人机交互。
，存储器接口可以扩展存储器；通信接口使得PLC可与计算机及其他PLC等设备实现通信。
I/O扩展接口
扩展输入/输出单元，可以配置开关量I/O单元，也可配置其他特殊I/O单元，它使得PLC的控制规模配置更加灵活。
3.2.3PLC的选型
目前，PLC种类繁多，几乎可以满足各种工业控制的需求，因此，PLC的选型一般遵循见表3-3所示。
表3-3PLC选型原则
序号
选型原则
1
I/O点数的确定。
确定I/O点数时应考虑到为以后扩展留有余量，通常根据统计的输入输出点数，然后再增加10%~20%的扩展余量，作为I/O点数估算数据。
当然，在实际购买时，还需要根据厂商PLC的产品特点，对I/O点数进行圆整。
2
存储器容量的确定。
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于村粗器容量。
由于设计阶段应用程序还未编制，因此，通常用来估算存储器的容量。
许多文献资料都给出了不同的估算公式，但是大体上都是按照I/O点数的10~15倍，加上模拟I/O点数的100倍，再按此数的25%考虑余量，一次作为存储器的容量估算。
3
控制能力的确定。
一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。
对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A／D和D／A单元。
具有加减算术运算。
数据传送功能的增强型低档PLC。
对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视
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