【正文】 過本次設(shè)計(jì)，我學(xué)習(xí)到了當(dāng)我們要對某系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要進(jìn)行市場調(diào)查，無論你的設(shè)計(jì)多么完美，但是沒有適用價(jià)值那就是一堆廢紙；其次要確立好整體框架，由于我們現(xiàn)有知識與實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的匱乏，整體框架的確定需要進(jìn)行各種資料查詢與老師的指導(dǎo)；之后便是都每一個(gè)模塊進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，這其中遇到過很多困難，但經(jīng)過靜心思考，仔細(xì)查閱資料，很多難關(guān)最終還是被攻克了。該系統(tǒng)不僅適用于對礦井壓風(fēng)機(jī)的控制，在其它領(lǐng)域的生產(chǎn)中也能得到很好推廣和借鑒。 本系統(tǒng)以 山東某礦井 壓機(jī)房空壓機(jī) 為 背景， 對現(xiàn)場環(huán)境和生產(chǎn)需求進(jìn)行分析和研究之后提出了具體的方案，隨后確立了方案的整體結(jié)構(gòu)。 M C G S主 控 窗 口 設(shè) 備 窗 口 用 戶 窗 口 實(shí) 時(shí) 數(shù) 據(jù) 庫 運(yùn) 行 策 略系 統(tǒng) 菜 單 設(shè) 備 構(gòu) 件 1 圖 元 數(shù) 據(jù) 對 象 啟 動 策 略系 統(tǒng) 參 數(shù) 圖 符 報(bào) 警 處 理 循 環(huán) 策 略啟 動 參 數(shù) 設(shè) 備 構(gòu) 件 n 動 畫 構(gòu) 件 存 盤 處 理 退 出 策 略自 定 義 策 略本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（ 20xx） 21 圖 45 主監(jiān)控畫面 圖 46 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫面 基于 PLC 的礦井壓風(fēng)機(jī)的自動控制系統(tǒng) 22 運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置 系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要設(shè)置空壓機(jī)的運(yùn)行方式、報(bào)警參數(shù)、超限停機(jī)數(shù)值，來滿足不同情況下的工作需求。主控窗口中存在的是工程的主窗口，在主控部分中我們可以根據(jù)需求放置一個(gè)或多個(gè)界面，用戶通過對這些界面的操作來調(diào)用其它窗口；設(shè)備窗口就是用來和外部設(shè)備進(jìn)行連接的，本窗口中添加控制輸出的設(shè)備，定義了工程所需的變量名稱，驅(qū)動程序和配置數(shù)據(jù)也是在其中完成的；用戶窗口是工程的人機(jī)交互界面， 這些界面是計(jì)算機(jī)直接面對客戶的交互界面，用戶可以通過觀察界面對控制設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。 開 始模 擬 量 讀 入 上 限 設(shè) 定 值 ？ 下 限 設(shè) 定 值 ？ 停 機(jī) 設(shè) 定 值 ？報(bào) 警 輸 出 報(bào) 警 輸 出 停 機(jī) 并 報(bào) 警結(jié) 束否 是 否 是 是 否本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（ 20xx） 19 圖 43 程控流程圖 根據(jù)現(xiàn)場需求，四個(gè)設(shè)定值 如表 41 所示。同理，程序把總管壓力值與停機(jī)值進(jìn)行比較，當(dāng)超過停機(jī)值時(shí)，則判斷出開機(jī)時(shí)間最長的一個(gè)壓風(fēng)機(jī)并進(jìn)行停機(jī)操作；反之，程序把總管壓力值與開機(jī)值進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)陀陂_機(jī)值時(shí)，則判斷出停機(jī)時(shí)間最長的壓風(fēng)機(jī)并進(jìn)行開機(jī)操作。 本系統(tǒng)程序包括故障判斷子程序和程序控制子程序。這兩種模式的切換是由礦井通風(fēng)機(jī)柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換的，并且要強(qiáng)調(diào)的是這兩種模式之間是互鎖的關(guān)系。 通信模塊的選擇。每組輸出總電流（ 60℃） 8A。 模塊圖如圖 34 所示。 本系統(tǒng)中共有 4 臺空壓機(jī)，根據(jù)需求， 模擬量輸入 17 個(gè)，數(shù)字量輸入 17 個(gè)，數(shù)字量輸出 12 個(gè)， 具體的 I/O 點(diǎn)數(shù)見表 31。具有加減算術(shù)運(yùn)算。當(dāng)然，在實(shí)際購買時(shí)，還需要根據(jù)廠商 PLC 的產(chǎn)品特點(diǎn)，對 I/O 點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。 PLC 通過輸入接口把外部設(shè)備的工作狀態(tài)讀入到中央處理器。在啟動處理過程通過以后，要進(jìn)到共同處理過程，共同處理的主要任務(wù)是復(fù)位監(jiān)視計(jì)時(shí)器、檢查 I/O 總顯示否正常、檢查掃描周期是否過長和檢查程序存儲器是否有異常等。 2）、供電特性：推薦工作供電電壓： DC/24V，空載工作電壓： DC/12V，最高過載電壓： DC/40V，最大輸出限流： 30mA,內(nèi)設(shè)電壓極性反接保護(hù)。當(dāng)工作人員在現(xiàn)場操作時(shí)，遇到突發(fā)事件或進(jìn)行器件的檢修時(shí)我們可以采用手動控制。與下位機(jī) PLC 進(jìn)行通訊，獲取現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用MCGS 軟件， 可以觀察壓風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，也可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，同時(shí)還具 有報(bào)警畫面、歷史曲線等功能，工作人員可以 通過觸摸屏上的軟按鈕對壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 控制系統(tǒng)按功能 劃分成了現(xiàn)場設(shè)備層，中央控制層，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)層這三個(gè)層次。 在本次設(shè)計(jì)方案 的選取中，考慮到現(xiàn)場工作環(huán)境的惡劣，抗干擾性強(qiáng)，價(jià)格經(jīng)濟(jì)等方便，故選取 PLC 控制系統(tǒng)是更為適合 。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。 由于此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的使用環(huán)境是礦井，工作環(huán)境比較惡劣，所以對系統(tǒng)的抗干擾性的要求就比較高，而用單片機(jī)控制方案抗干擾性差，雖然我們采取了一些措施減少干擾，但總體效果并不是怎樣理想。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（ 20xx） 3 2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 方 案的比較與選擇 在本次設(shè)計(jì)中，對于壓風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)的方案，按控制核心的不同，大致可分為以PC 機(jī)為核心控制系統(tǒng)，以單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，以 PLC 為核心控制系統(tǒng)這三種。1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司把繼電接觸器控制的有點(diǎn)與計(jì)算機(jī)功能齊全、靈活、通用的特點(diǎn)結(jié) 合起來研 制出了一種新型工業(yè)控制裝置， 并 在其他行業(yè)很快得到了推廣應(yīng)用，這就是第一代可編程控制器。之前的煤礦壓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中，多采用繼電器和接觸器控制方式，這種控制方式體積龐大；由于觸電過多，會出現(xiàn)接觸不良 等故障的發(fā)生，同時(shí)當(dāng)故障產(chǎn)生時(shí)也不利于檢修；而且運(yùn)行速度慢，生產(chǎn)效率低下。 設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性將直接決定整個(gè)生產(chǎn)是否能夠完成指標(biāo)。此外，原控制系統(tǒng)是繼電器 — 接觸器控制， 這些年，器件經(jīng)常容易損壞，在控制也出現(xiàn)落落很多的問題 ，嚴(yán)重影響了壓風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。從而最終能夠?qū)崿F(xiàn)壓風(fēng)機(jī)房的無人值守。隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，原有控制方式的效率低下、維修率增高等問題也日益突出。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，說明書中不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。同時(shí)論文對壓風(fēng)機(jī)的幾種控制方式進(jìn)行了分析。 Programmable controller。該系統(tǒng)能夠根據(jù)風(fēng)量的變化實(shí)現(xiàn)自動化控制，并能夠遠(yuǎn)程操作、監(jiān)控和報(bào)警，對于過壓、過熱、電流過載等情況進(jìn)行有效保護(hù)，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定了壓風(fēng)機(jī)的工作性能，能夠讓工作人員得到更多的休息，提高了工作人員對工作的熱情。 本文通過一個(gè)實(shí)例 —— 基于 PLC 的礦井壓風(fēng)機(jī)自動控制進(jìn)行分析。 基于 PLC 的礦井壓風(fēng)機(jī)的自動控制系統(tǒng) 2 PLC 的發(fā)展?fàn)顩r 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，存在著大量的開關(guān)量信號。 而且隨著技術(shù)的發(fā)展和市場需求的增加， 可編程控制器也隨之更新，體積越來越小，功能越來越全，可靠性越來越高、運(yùn)行速度越來越快、穩(wěn)定性也越來越強(qiáng)。 主要特點(diǎn)是：把 I/O 裝置做成板卡的形式，這樣就能將它直接和 PC 機(jī)上的總線相連接，也就是說可以直 接插在計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展槽上使用。 以 PLC 為核心控制系統(tǒng) 以 PLC 為核心控制系統(tǒng)的簡略系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 23 所示。另外，可在線修改 程序，改變控制方案而不拆動硬件。 電氣系統(tǒng)方面： 使用 PLC 做為下位機(jī)的主控制機(jī)對 4 臺壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制 ,現(xiàn)場通過不同傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后傳輸給 PLC 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，現(xiàn)場設(shè)備的檢測和控制便通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器和 PLC 共同實(shí)現(xiàn)。主要包括開關(guān)、傳感器、壓風(fēng)機(jī)、電磁閥等現(xiàn)場設(shè)備。 觸 摸 屏 界 面工 業(yè) 以 太 網(wǎng)上 位 計(jì) 算 機(jī)C P U模 擬 量 輸入 模 塊以 太 網(wǎng) 通信 模 塊開 關(guān) 量 輸入 模 塊開 關(guān) 量 輸出 模 塊壓風(fēng)機(jī)電控柜風(fēng)門溫 度 傳 感 器壓 力 傳 感 器測 量 回 路開 關(guān) 量 信 號控 制 回 路限 位 開 關(guān)風(fēng) 門 控 制 柜不間斷電源電量變送器中間繼電器溫度變送器調(diào)度中心客戶端打印機(jī)穩(wěn)壓電源人 機(jī) 界 面P L C 控 制 柜信 號 采 集控 制 對 象基于 PLC 的礦井壓風(fēng)機(jī)的自動控制系統(tǒng) 8 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3. 1 控制系統(tǒng)的主電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)可編程控制器、空壓機(jī)組、傳感器、接觸器控 制柜以及觸摸屏等構(gòu)成。 檢測技術(shù)與傳感器的選型 傳感器是能夠按照一定的規(guī)律把外部的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件和裝置，傳感器的產(chǎn)生方便了我門對信號的測量與控制，是工業(yè)控制中必不可少的一部分。 溫度傳感器的選型 鉑電阻具有適用范圍廣、測量范圍大、穩(wěn)定性高、重復(fù)性好、價(jià)格低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，成為目前工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中溫度測量應(yīng)用最廣泛普遍的傳感元件之一。表 32 簡單的介紹了部分硬件。存儲器接口可以擴(kuò)展存儲器；通信接口使得 PLC 可與計(jì)算機(jī)及其他 PLC 等設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。由于設(shè)計(jì)階段應(yīng)用程序還未編制，因此，通常用來估算存儲器的容量。但是中、高檔 PLC 價(jià)格較貴，一般大型機(jī)主要用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合 4 響應(yīng)速度的要求 PLC 的掃描工作方式引起的延遲可達(dá) 2－ 3 個(gè)掃描周期。該型號具有 16 數(shù)字輸入、 16 數(shù)字輸出。 數(shù)字量輸入模塊的選擇。感性負(fù)載最大輸出頻率 ，阻性負(fù)載最大輸出頻率 1Hz。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（ 20xx） 15 4 系 統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PLC 軟件的設(shè)計(jì) 本文采用的 PLC 編程軟件是西門子公司研發(fā)的 STEP7 編程軟件，它使用的主要是梯形圖語言對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行編程，對于 S7300 型 PLC， 為了便于以后的擴(kuò)展和維護(hù)，它采用模塊化的設(shè)計(jì)。為了確保礦井生產(chǎn)的安全性和可靠性，上位機(jī)界面設(shè)計(jì)的故障報(bào)警處理相關(guān)模塊，在檢測的過程中如果參數(shù)在某個(gè)時(shí)刻的值超過了報(bào)警值， PLC 程序就會調(diào)用報(bào)警子程序， 將會對相應(yīng)的傳感器進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而判斷傳感器的好壞，反饋給操作人員，保證相應(yīng)的傳感器能夠得到及時(shí)的維護(hù)和檢修。其 程序流程圖如 42 所示。對于保護(hù)這一點(diǎn)，程序中也做了對壓風(fēng)機(jī)的溫度進(jìn)行測量比較了。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，煤程 控 標(biāo) 志 位 = 1P 總 管 壓 力 加 載 值P 總 管 壓 力 卸 載 值P 總 管 壓 力 開 機(jī) 值P 總 管 壓 力 停 機(jī) 值處 于 停 機(jī) 狀 態(tài) 中 選停 機(jī) 時(shí) 間 最 長 的 空壓 機(jī)處 于 加 載 狀 態(tài) 中 選加 載 時(shí) 間 最 長 的 空壓 機(jī)處 于 卸 載 狀 態(tài) 中 選卸 載 時(shí) 間 最 長 的 空壓 機(jī)處 于 運(yùn) 行 狀 態(tài) 中 選運(yùn) 行 時(shí) 間 最 長 的 空壓 機(jī)啟 動 加 載 卸 載停 機(jī)卸 載 時(shí) 間 2 0 分 鐘 停 機(jī)否 否 否是基于 PLC 的礦井壓風(fēng)機(jī)的自動控制系統(tǒng) 20 礦行業(yè)、大型工業(yè)、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。 為了更好的監(jiān)控空壓機(jī)房各空壓機(jī)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)總管壓力的實(shí)時(shí)調(diào)整及各空壓機(jī)溫度、壓力故障報(bào)警等功能，將整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)分成若干個(gè)主界面，各界面通過所設(shè)的按鈕，可進(jìn)行切換。所以在主監(jiān)控界面中放置一些按鈕，根據(jù)需要可以點(diǎn)擊按鈕切換到相應(yīng)的界面。 3)、對空壓機(jī)的 自動控制、手動控制、就地控制 做了較詳細(xì)的分析和論述， 根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境與系統(tǒng)需求進(jìn)行了 硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。 孫晉永 等 . 西門子 PLC 與英格索蘭壓風(fēng)機(jī)之間的 Modbus 通信 [J]. 工礦自動化 . 20xx(12) [2] 李虎 . 螺桿 式空氣壓縮機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) [D]. 山東科技大學(xué) 20xx [3] 王浩 . 空氣壓縮機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D]. 山東科技大學(xué) 20xx [4] 廖常初主編 .PLC 編程及應(yīng)用 [M]. 機(jī)械工業(yè)出版社 , 20xx [5] 王衛(wèi)東 。 基于 PLC 的礦井壓風(fēng)機(jī)的自動控制系統(tǒng) 26