【正文】 型 類型 數(shù)量 類型 數(shù)量 類型 數(shù)量 總管壓力 1 自動(dòng) /手動(dòng) 4 啟動(dòng) /停止 4 進(jìn)氣壓力 4 控制臺(tái)急停 5 加載 /減載 4 出口壓力 4 合閘反饋 4 放氣 4 電機(jī)電流 4 分閘反饋 4 壓風(fēng) 機(jī)溫度 4 統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù) AI 17 DI 17 DO 12 總計(jì) 49 根據(jù)以上幾個(gè)方面比較， 從性價(jià)比以及其它幾個(gè)方面進(jìn)行比較 ，本設(shè)計(jì)采用SIEMENS 公司的 S7300 系列的 CPU3152DP。 2 存儲(chǔ)器容量的確定。 由于 PLC 采用的是掃描工作過程，所以當(dāng)一個(gè)掃描周期結(jié)束之后，即使此時(shí)外部設(shè)備傳輸進(jìn)來的輸入發(fā)生改變，但此時(shí)的輸入狀態(tài)映射寄存器中的內(nèi)容也不會(huì)發(fā)生改變，等到下一個(gè)周 期到達(dá)時(shí)才會(huì)隨之改變。具體電氣原理圖如圖 31 所示 。 其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 24 所示。 2）、 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC 產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。 以 PC 機(jī)為核心控制系統(tǒng) 以 PC 機(jī)為核心控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)略系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示。 PLC 與上位機(jī)有效的結(jié)合在一起將解決這一系列的問題，通過 PLC 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，并把工作狀態(tài)上傳給上位機(jī)，我們就可以通過上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這樣使得壓風(fēng)機(jī)的使用壽命增加，故障排除簡(jiǎn)單，工作效率提高。另外礦用壓風(fēng)機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，而且煤礦每時(shí)的風(fēng)量又都不一樣，則會(huì)出現(xiàn)供風(fēng)壓力不穩(wěn)定的現(xiàn)象，為避免這種情況，壓風(fēng)機(jī)就要在空載（或輕載）和負(fù)載狀態(tài)下切換， 經(jīng) 常這樣使用會(huì)導(dǎo)致設(shè)備使用時(shí)間的減短，對(duì)國(guó)家電力資源造成浪費(fèi)。同時(shí)電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，由 PLC 自動(dòng)控制壓風(fēng)系統(tǒng)，具有較高 的可靠性和較好的節(jié)能效果， PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)正是這種技術(shù)的產(chǎn)物。本文在了解社會(huì)發(fā)展與需求的情況下，以山東某礦井壓 風(fēng)機(jī) 為項(xiàng)目背景，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種 PLC 自動(dòng)控制壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，取代了舊時(shí)代的手工控制和分散控制， 從而提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。 針對(duì)上述情況，就需要設(shè)計(jì)出對(duì)于壓風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制同時(shí)又能智能檢測(cè)的系統(tǒng)，以提高空壓機(jī)的工作效率。 為煤礦礦井壓風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造提供一條新途徑。 圖 21 基于 PC 機(jī)為核心結(jié)構(gòu)圖 以 PC 機(jī)為核心的控制系統(tǒng)在大小型工業(yè)控制中占有一定的比例，基于其技術(shù)開放、操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且具有豐富的軟件資源。 3）、 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員的歡迎 采用簡(jiǎn)明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計(jì)算機(jī)知識(shí)，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試容易。 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器組成。 圖 31 主電路圖 系統(tǒng)硬件配置 確定了 系統(tǒng)方案之后，首先對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行選取設(shè)計(jì)，其中包括檢測(cè)技術(shù)與傳感器的選型以及 PLC 選型。 PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 的硬件組成是由 7 部分組成，如圖 33 所示 。存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于村粗器容量。 CPU3152DP 具有大中規(guī)模的程序容量，對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)有較高處理性能，有兩個(gè) PROFIBUSDP 主站 /從站接口，可以建立分布式 I/O 結(jié)構(gòu)和大規(guī)模的 I/O 配置 。感性負(fù)載最大輸出電流 2A/AC 230V、2A/DC 24V。然后將這些數(shù)字量上傳到上位機(jī)，并且有上位機(jī)及觸摸屏將上傳的各個(gè)參數(shù)顯示在顯示屏上。為了對(duì)壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)，可以設(shè)定每臺(tái)壓風(fēng)機(jī)的加卸載時(shí)間不能超過 30 分鐘，這樣可以避免出現(xiàn)某一臺(tái)壓風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，減少對(duì)壓風(fēng)機(jī)的損害。 圖 44 MCGS 組態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu) 主界面的設(shè)計(jì) 壓風(fēng)機(jī)房共有 4 臺(tái)壓風(fēng)機(jī)，每臺(tái)設(shè)備的狀態(tài)都要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基本由畫面設(shè)計(jì)、變量定義和動(dòng)態(tài)連接、數(shù)據(jù)存檔、設(shè)備連接等構(gòu)成。 2)、 基于 PLC 的自動(dòng)控制系統(tǒng)， PLC 的控制加上上位機(jī)的監(jiān)控， 利用該 方式 開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性 強(qiáng) 、成本低等特點(diǎn)， 且 有重大的推廣價(jià)值。最后，再次感謝我的指導(dǎo)老師，是他在鞏固了我的基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)又培養(yǎng)了我的自學(xué)能力 ，這將是我在之后的工作中一個(gè)大的推動(dòng)力。 4)、將 上位機(jī) 和 PLC 結(jié)合運(yùn)用， 對(duì)壓風(fēng)機(jī)房的空壓機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，工作人員在控制室內(nèi)通過觀察上位機(jī)的人機(jī)交互界面便可以看到壓風(fēng)機(jī)的工作狀況，一般情況壓風(fēng)機(jī)組處于自動(dòng)控制狀態(tài)，當(dāng)我們需要遠(yuǎn)程控制的時(shí)候，在控制室內(nèi)便可以通過人機(jī)界面上的操作進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。具體由以下各部分組成 : 主監(jiān)控界面 現(xiàn)場(chǎng)中共有 4 臺(tái)空壓機(jī)，每臺(tái)空壓機(jī)有 8 個(gè)參數(shù)需 要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控， 在主界面中可以看到壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行的整體狀況，我們可以根據(jù)具體的需求去操作響應(yīng)的按鈕進(jìn)行切換。通過外部設(shè)備對(duì)壓風(fēng)機(jī)的溫度進(jìn)行測(cè)量，我們通過程序把測(cè)量值和給定值進(jìn)行比較，當(dāng)超過給定值，壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行停機(jī)操作。 主程序的設(shè)計(jì) 針對(duì)本系統(tǒng)選用的 PLC 硬件設(shè)置，本次的軟件設(shè)計(jì)將采用 STEP 7 軟件。短路保護(hù)為外部提供?？商峁?biāo) 基于 PLC 的礦井壓風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng) 12 準(zhǔn)的 24VDC 的輸入輸出電壓。許多文獻(xiàn)資料都給出了不同的估算公式，但是大體上都是按照 I/O 點(diǎn)數(shù)的 10~15 倍，加上模擬 I/O 點(diǎn)數(shù)的 100 倍，再按此數(shù)的 25%考慮余量，一次作為存儲(chǔ)器的容量估算。 啟動(dòng)處理共同處理通信服務(wù)外設(shè)服務(wù)輸入刷新程序執(zhí)行輸出刷新掃 描 周 期基于 PLC 的礦井壓風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng) 10 圖 33 PLC 的組成 表 31 PLC 組成硬件簡(jiǎn)介 CPU 模塊 CPU 是 PLC 的核心部分，它不斷采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，并根據(jù)執(zhí)行結(jié)果控制輸出設(shè)備響應(yīng)外部設(shè)備的，同時(shí)進(jìn)行各種內(nèi)部診斷。 壓力傳感器的選型 現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)進(jìn)出壓力、潤(rùn)滑油壓力和總管壓力進(jìn)行測(cè)量，然后把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為 4~20mA電流信號(hào)輸出給 PLC， PLC 再傳輸給上位機(jī)。 因?yàn)樯a(chǎn)環(huán)境的惡劣，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的質(zhì)量和工作的穩(wěn)定性要求都 比較高，我們?cè)谟布O(shè)計(jì)中對(duì)硬件的選取就非常重要。 4）、 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小、維護(hù)方便、容易改造 PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。 這 種方案以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、器件少而立足， 但是也正是由于它過于簡(jiǎn)單，所以存在著很多的不足之處： 我們所要檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)都集中到一起，信號(hào)線過多造成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)相互之間存在一定的干擾，并且維護(hù)也不方便； 控制中心只有一臺(tái) PC 機(jī)，當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)整體就有可能出現(xiàn)癱瘓，風(fēng)險(xiǎn)高； 工作現(xiàn)場(chǎng)不能夠看到檢測(cè)數(shù)據(jù)，也不能報(bào)警，靈活性差。這些信號(hào)遵循一定的邏輯條件和邏輯關(guān)系按順序做出相應(yīng) 的動(dòng)作，根據(jù)動(dòng)作的結(jié)果來驅(qū)動(dòng)。 課題研究意義 煤礦礦井壓風(fēng)系統(tǒng)是煤礦礦井安全生產(chǎn)的重要組成部分， 壓風(fēng)機(jī) 在其中又起到至關(guān)重要的作用 ，壓風(fēng)機(jī)一般用在氣動(dòng)設(shè)備的動(dòng)力提供上 ，將空氣壓縮成一定壓力的氣體，使之運(yùn)轉(zhuǎn)。 并進(jìn)行了綜述，同時(shí)，設(shè)計(jì)出了壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制的總體方案、硬件配置以及軟件與程序的設(shè)計(jì)。螺桿式空氣壓風(fēng)機(jī)更以其損失小、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。由于對(duì) 4臺(tái)壓風(fēng)機(jī)的操作要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，給整個(gè)壓風(fēng)機(jī)房的操作、維護(hù)和管理帶來了不變?？煽啃院涂焖傩允莿?shì)在必行的。通過此系統(tǒng)能夠 達(dá)到 礦井壓風(fēng)機(jī)的無人值守，提高壓風(fēng)效率、節(jié)能減排、減員增效的目的。 表 21 PLC 特點(diǎn) 1）、 集成電路式樣可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。 當(dāng) PLC 或者控制對(duì)象某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障的時(shí)候不會(huì)影響其它壓風(fēng)機(jī)的正常工作。同時(shí) PLC 上也接有觸摸屏，觸摸屏上裝有監(jiān)控軟件，通過觸摸屏上的軟按鈕也可以對(duì)壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行操作。周期掃描方式大致分為 7個(gè)過程，如圖 32 所示 圖 32 PLC 工作過程 PLC 啟動(dòng)后，要進(jìn)行第一次啟動(dòng)的初始化處理。確定 I/O 點(diǎn)數(shù)時(shí)應(yīng)考慮到為以后擴(kuò)展留有余量，通常根據(jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，然后再增加 10%~20%的擴(kuò)展余量，作為 I/O 點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。因此，要結(jié)合工程需求和現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇更為合適的 PLC。 本系統(tǒng)采用 SM3221HH000AA0，該模塊有 16 點(diǎn)繼電器輸出， 8 點(diǎn) /組，光電隔離，最高電壓 DC120V/AC230V。自動(dòng)控制主要是由上位機(jī)發(fā)出指令，由 PLC 根據(jù)其內(nèi)部的邏輯程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制。我們通過外部設(shè)備獲得總管壓力，壓 風(fēng)機(jī)組正常工作狀態(tài)下的總管壓力值處于加載值和卸載值之間，當(dāng)測(cè)量出總管壓力值偏高，程序進(jìn)行判斷出加載時(shí)間最長(zhǎng)的壓風(fēng)機(jī)并控制其卸載操作；反之，當(dāng)總管壓力值偏低，則判斷出卸載時(shí)間最長(zhǎng)的壓風(fēng)機(jī)并控制其加載操作。每個(gè)部分都具有自己的功能，這些功能合理的組在一起才能完成一個(gè)系統(tǒng)。使得工作人員能偶 及時(shí)了解系統(tǒng)的工作狀況，對(duì)系統(tǒng)故障的診斷和處理等 起到了關(guān)鍵性的作用 。 很慶幸的是我的指導(dǎo)老師楊老師一次次對(duì)我的細(xì)心指導(dǎo)，使得我把大學(xué)期間零散的知識(shí)可以簡(jiǎn)單整合到一起，同時(shí)， 當(dāng)遇到問題時(shí)我會(huì)更好使用各種途徑進(jìn)行解決，這使我的自學(xué)能力得到了更大的提升，這一切都要感謝指導(dǎo)老師孜孜不倦的教導(dǎo)。 本系統(tǒng)在投入使用之后，大大提高了壓風(fēng)機(jī)的利用率，對(duì)于壓風(fēng)機(jī)的控制更加簡(jiǎn)潔，對(duì)壓風(fēng)機(jī)也起到到了保護(hù)作用，提高了壓風(fēng)機(jī)的使用壽命。界面如圖 46 所示。 其流程圖如圖 43 所示。 這種程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰、易于修改。由于系統(tǒng)就用到兩機(jī)架，且兩機(jī)架之間距離很近，故選用 IM365接口模塊 。 系統(tǒng)選用 PS307（ 5A） ，標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)為 3071EA000AA0，該電源模塊輸出電流 5A，輸出電壓 24VDC， 隔離性好 ， 具有防開路和短路的功能 。對(duì)于以 開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶A／ D 和 D／ A 單元。 輸入 /輸出接口 輸入 /輸出接口時(shí) PLC 與外部設(shè)備信息交換所需的連接部件。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（ 20xx） 9 表 31 壓力變送器基本特性 1）、主要特性：傳感器為 316 不銹鋼膜片結(jié)構(gòu)，適用被測(cè)的介質(zhì)可以使腐蝕性氣體、液體，測(cè)量范圍在 20KPa~20MPa，測(cè)量精度為 %、 %、 %，三倍過壓范圍。 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)層 由觸摸屏和上位機(jī)組成。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間比繼電器系統(tǒng)少得多。 但是采用單片機(jī)控制，還有很多不足之處： 在對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，擴(kuò)展電路和系統(tǒng)配置電路這兩部分設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，耗費(fèi)了大量的時(shí)間，影響了工作進(jìn)程。 隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展， 企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)生產(chǎn)率的要求也越來越高，控制系統(tǒng)的可靠性也要隨之提高，以至于原有的繼電器控制方式漸漸不能滿足這些需求。 所以 壓風(fēng)機(jī)是礦井 系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果顯示出本系統(tǒng)具有良好的可靠性和實(shí)用性，提高了整個(gè)壓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化的水平。對(duì)本文的研究所做貢獻(xiàn)集體和個(gè)人，均己在說明書中作了明確的說明并表示謝意。 Configuration software。 礦井中工作環(huán)境的好壞，將直接決定了工作效率與工作人員的身體健康，所以壓風(fēng)機(jī)的使用就顯得越發(fā)的至關(guān)重要。 效果 預(yù)測(cè) 本系統(tǒng)通過智能傳感器對(duì)設(shè)備層的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，通過背板總線上傳給 PLC控制單元， PLC 存儲(chǔ)器中是可以進(jìn)行程序編寫的，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的比較，對(duì)壓風(fēng)機(jī)組進(jìn)行輪流工作，以達(dá)到自動(dòng)化控制的目的。 監(jiān) 控 計(jì)算 機(jī)通 訊 模 塊通 訊 模 塊電 源聲 光 報(bào) 警鍵 盤顯 示單 片 機(jī)