【文章內(nèi)容簡介】 36 變頻器工作原理 36 工藝要求 36 參數(shù)設(shè)置介紹 36 變頻器的下位機設(shè)計 37 結(jié) 論 39 參考文獻 40 致 謝 41 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 1 第 1 章 緒論 引言 在煤礦采煤生產(chǎn)中，空氣壓縮機（簡稱：空壓機）主要負責(zé)向礦井大量的風(fēng)動機械提供動力，其工作的可靠 性和安全性直接影響著礦山的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。目前大部分空壓機 存在著控制方式落后、操作不方便的問題。控制回路大多為繼電器控制，控制方式采用就地分散式人工操作，由固定人員 24 小時值守，值守人員根據(jù)井下用風(fēng)量的需求手動啟動或者停止空壓機， 并且定時巡檢、記錄運行狀況。另外，空壓機 耗電量很大，其中有相當(dāng)長時間是在空載或輕載狀態(tài)下運行，導(dǎo)致能耗大、機器受 損嚴(yán)重、運行成本較高。 因此，設(shè)計一個操作方便、功能完善的全自動集中監(jiān)控系統(tǒng)，對空壓機 進行監(jiān)控和保護，提高空壓機的工作效率，降低能耗，延長使用壽命，有著重要的現(xiàn)實意義 [1]。 可編程控制器（ PLC）是一種新型的通用控制裝置，他將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算 機控制技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，專為 工業(yè) 控制而設(shè)計，具有功能強、通用靈活、可靠性強、環(huán)境 適應(yīng)性好、編成簡單、使用方便、體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點。近年來，隨著可編程控制器的日漸成熟，越來越多設(shè)備的控制都采用 PLC 控制器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制，并取得了很好的經(jīng)濟效益。 隨著煤礦 現(xiàn)代 化的 發(fā)展 ，礦山對礦山設(shè)備的要求越來越高 ,建設(shè)本質(zhì)安全性礦山已成為煤礦生產(chǎn)建設(shè)的核心。礦山設(shè)備不斷更新，不斷進步，可靠性、易操作性、 可監(jiān)視性、易維護性等已是最基本的要求了。用繼電器搭成的控制電路具有可靠性差、不易維護、不易監(jiān)視，已不能適應(yīng)當(dāng)前的要求?，F(xiàn)在迫切需要可靠性高、易維護、易操作、可監(jiān)視并且價格不高這樣的控制器來代替繼電器搭成的電路 [2]。隨著 電子 技術(shù)、軟件技術(shù)、控制技術(shù)飛速發(fā)展，可編程控制器（ PLC）發(fā)展迅猛，性能很高，價格較為合理，與繼電器搭的控制電路比具有非常大的優(yōu)勢。許多礦山設(shè)備已選用了 PLC 來代替比較重要的設(shè)備控制。傳統(tǒng)的 保護主要采用分離儀表，其可靠性差、 集成 度低、費用高，不能有效的滿足礦山設(shè)備投入的經(jīng)濟性和安全性的要求。 課題背景及意義 本設(shè)計研究的主要內(nèi)容是礦山空氣壓縮機的智能監(jiān)控 系統(tǒng)，主要是設(shè)計一套獨立的由可編程控制器 PLC、智能調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥及各種檢測儀表組成的機組監(jiān)控系統(tǒng)，以保證壓縮機組的安全可靠地運行。 對于空氣壓縮機的正常運行，我們主要關(guān)心各個參數(shù)（溫度，壓力 ）是否正常。以往的操作人員不得不親自到現(xiàn)場去檢測各個表的讀數(shù)，不但費時費力，而且對操作人員礦山空氣壓縮機智能監(jiān)控 控制仿真 系統(tǒng) 設(shè)計 2 的耳膜有損壞，一旦有些參數(shù)發(fā)生異常情況不能及時反映給操作 人員，就很容易損壞機器，影響機器的運行，造成成本過高。同時，操作人員還得對某些參數(shù)進行記錄 ， 這是一項繁瑣的工作，不僅增加了工作量，還增加了運行成本。 隨著計算機應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的日益發(fā)展， SIMATIC WinCC 工業(yè)組態(tài)軟件順應(yīng)而出。它的出現(xiàn)，大大簡化了人員和設(shè)備配置。高性能的過程耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的實用性 [3]。 WinCC 組態(tài)軟件能充分利用 Windows 強大的圖形編輯功能，以動畫形式顯示監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，方便構(gòu)成監(jiān)控畫面和實現(xiàn)控制功能，并可以生成報表、歷史數(shù)據(jù)等，為工業(yè)監(jiān)控軟 件開發(fā)提供了便利的軟件開發(fā)平臺，從整體上提高了工控軟件的質(zhì)量。此外，它還具有高度的開放性和可擴充性，可以連接第三方設(shè)備。相比于以往的監(jiān)測控制系統(tǒng)，我們只要在組態(tài)好的計算機圖形界面上輕輕一點鼠標(biāo)，就可以獲需所要的信息，進行相應(yīng)的操作。它 不僅降低了運行成本，而且增加了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和容錯性。它 具有的報警記錄使我們能及時得知異常情況并找出錯原因，它所具有的變量歸檔和報表打印使我們能大量存檔并隨時打印出來，以供分析。 WinCC組態(tài)軟件已成為遠程監(jiān)控應(yīng)用和大型過程控制的理想選擇 [4]。 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 3 第 2 章 硬件選型 和地址 符號表 PLC模塊的選擇 PLC通過設(shè)計程序的梯形圖邏輯以及上位機發(fā)出的指令 ， 完成對現(xiàn)場設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集。下位機 PLC在系統(tǒng)中要完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)計算、向上位機傳輸數(shù)據(jù)及狀態(tài)信號、功能保護連鎖 ， 以及接受上位機傳遞來的相關(guān)地址內(nèi)的數(shù)據(jù) ， 并通過對應(yīng)的地址模塊進行處理和輸出 ， 控制各個閥門的開關(guān)及電機的起動停止。下位機全部采用西門子 SIMATIC S7系列 PLC。在對控制對象和控制任務(wù)進行了分析和統(tǒng)計后，采用以下 S7300系列模塊來組成本系統(tǒng) [5]。 系統(tǒng) 原理 圖如圖 21所示。 圖 21 系統(tǒng)原理圖 1． 電源模塊 PS307將 120/230交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?24V直流電壓，為 S7300提供電源?？紤]到負載模塊 不是很多 ，故選取 5A的電源。 2． CPU模塊 CP3152DP具有 24K字節(jié)的 RAM程序存儲容量，通過背板總線為其提供5V電源后，可以通過 MPI口、 PROFIBUS主 /從口與上位機進行通訊 。 3． 數(shù)字量輸出 (DO)模塊 SM322 本系統(tǒng)選擇直流 16路繼電器輸出型數(shù)字量輸出模塊，其型號為： SM332 DO 16*DC24V/ 6ES7 3228BH010AA0。本設(shè)計共 4個數(shù)字量輸出，故選用 一 塊該模 塊 。 4．?dāng)?shù)字量輸入（ DI）模塊 SM321本系統(tǒng)采用 16個數(shù)字量輸入塊。其型號為： SM321 DI16* DC24V 6ES7 3211BH010AA0。本次系統(tǒng)用了兩個數(shù)字量輸入。 礦山空氣壓縮機智能監(jiān)控 控制仿真 系統(tǒng) 設(shè)計 4 5． 模擬量輸入 (AI)模塊 SM331 本系統(tǒng)采用 12位模擬量輸入模塊。其型號為： SM331 AI8*12bit 6ES7 3317KF020AB0。本次設(shè)計共 26個模擬量輸入，故選用 四塊 該模 塊 。 6． 模擬量輸 出 (AO)模塊 SM332 本系統(tǒng)采用 12位模擬量輸入模塊。其型號為： SM332 AO2*12bit 6ES7 3325HB010AB0。本次設(shè)計共 2個模擬量輸入，故選用 一塊 該模 塊 。 系統(tǒng)軟件設(shè)計 計算機系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，包括兩個部分：上位機監(jiān)測系統(tǒng)和 PLC 控制系統(tǒng)。上位機軟件采用德國 SIMATIC公司的 WinCC(Windows Control Center)軟件，定時采集各種儀表和監(jiān)測傳感器檢測的信號。可以進行監(jiān)測報表的查詢、打印以及壓風(fēng)機多種狀態(tài)的圖形輸出。此外，本系統(tǒng)還實現(xiàn)了與企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)的鏈接， PLC采集到的信號經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)竭h程調(diào)度室，使企業(yè)授權(quán)人員 能瀏覽或者控制壓風(fēng)機的運行狀況。下位機全部采用西門子 SIMATIC S7系列 PLC， S7300控制器實現(xiàn)對空氣壓縮機的監(jiān)控以及冷卻水、氣壓等外圍參數(shù)進行檢測與控制 [6]。 PLC控制程序采用 SIEMENS公司提供的 。 PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、集中控制程序、遠程控制程序、全自動控制程序、誤操作提示程序、模擬量 (壓力、液位、溫度等 )采集處理程序、參數(shù)設(shè)置程序和報警程序等構(gòu)成。 圖 22 S7300 組態(tài)中導(dǎo)入智能儀表的 GSD 文件 PLC與溫度、壓力等參數(shù)的采集模 塊的通信是采用 PROFIBUS現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)交吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 5 換。對于本系統(tǒng)，根據(jù)煤礦現(xiàn)場條件、傳輸距離、傳輸速率、傳輸可靠性等要求， PROFIBUS總線是最經(jīng)濟最適合本系統(tǒng)的監(jiān)控層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在本 S7300PLC控制系統(tǒng)中，只需要在 STEP7中導(dǎo)入智能儀表的 GSD文件然后進行相應(yīng)的組態(tài)即可。如圖 22所示。 S7300PLC通過 RS485與通風(fēng)機房各高壓柜中的微機保護裝置通信，收集各高壓柜的遙測、遙信數(shù)據(jù) [7]。解析上傳的遙測、遙信等報文，并分類存儲在內(nèi)部存儲器中。通過配備的觸摸屏系統(tǒng)可以實現(xiàn)遙測、遠程信息的現(xiàn)場 集中顯示。 通信 PLC與 WinCC的通信中，在對過程驅(qū)動程序進行配置以前，應(yīng)滿足以下條件： 1． PLC配備一個通訊接口， WinCC通過過程驅(qū)動程序來支持該通訊接口； 2． PLC的通訊接口必須適當(dāng)配置，以便使控制程序能借助于通訊調(diào)用功能訪問該接口； 3． WinCC所要訪問的標(biāo)簽地址（取決于使用的 PLC）必須正確； 4． 在 WinCC內(nèi)部安裝相應(yīng)的通訊硬件； 5． 為了能夠在運行方式下訪問標(biāo)簽， PLC必須與過程取得連接，并與 WinCC系統(tǒng)的物理連接安裝完好 [6]。 WinCC與 PLC之間的過程通訊結(jié) 構(gòu)如圖 23所示。 W i n C C 應(yīng) 用 程 序W i n C C 數(shù) 據(jù) 管 理器通 訊 驅(qū) 動 程 序（ W i n C C ）通 道 單 元（ W i n C C ）硬 件 驅(qū) 動 程 序（ W i n C C ）通 訊 模 塊控 制 程 序P L C 圖 23 WinCC 與 PLC 之間的過程通訊結(jié)構(gòu) 礦山空氣壓縮機智能監(jiān)控 控制仿真 系統(tǒng) 設(shè)計 6 地址和變量的配置 輸入地址 輸入地址 （ AI） 如表 21 所示： 表 21 輸入地址符號表 輸入符號 輸入地址 1風(fēng)壓模擬量輸入值 PIW2 1二級排氣模擬量輸入值 PIW4 1一級氣壓模擬量輸入值 PIW6 1缸體壓力模擬量輸入值 PIW8 1出水管溫度模擬量輸入值 PIW10 1總水管壓力模擬量輸入值 PIW12 1風(fēng)包溫度模擬量輸 入值 PIW14 1電機溫度模擬量輸入值 PIW16 1一級氣缸溫度模擬量輸入值 PIW18 1缸體溫度模擬量輸入值 PIW20 1出水管溫度模擬量輸入值 PIW22 1二級溫度模擬量輸入值 PIW24 2風(fēng)壓模擬量輸入值 PIW26 2二級排氣模擬量輸入值 PIW28 2一級氣壓模擬量輸入值 PIW30 2缸體壓力模擬量輸入值 PIW32 2出水管溫度模擬量輸入值 PIW34 2總水管壓力模擬量輸入值 PIW36 2風(fēng)包溫度模擬量輸入值 PIW38 2電 機溫度模擬量輸入值 PIW40 2一級氣缸溫度模擬量輸入值 PIW42 2缸體溫度模擬量輸入值 PIW44 2出水管溫度模擬量輸入值 PIW46 2二級溫度模擬量輸入值 PIW48 1液位模擬量輸入值 PIW50 2液位模擬量輸入值 PIW52 輸出地址 輸出地址 （ AO/DO） 如表 22 所示： 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 7 表 22 輸出地址符號表 輸出符號 輸出地址 1報警 2報警 1停車 2停車 1閥開度輸出值 PQW2 2閥開 度輸出值 PQW4 信號采集 S7300為每個本機數(shù)字量輸入提供脈沖捕捉功能。脈沖捕捉功能允許 PLC捕捉到持續(xù)時間很短的脈沖。而在掃描周期的開始，這些脈沖不是總能被 CPU讀到。當(dāng)一個輸入設(shè)置了脈沖捕捉功能時，輸入端的狀態(tài)變化被鎖存并一直保持到下一個掃描循環(huán)刷新。這就確保了一個持續(xù)時間很短的脈沖被捕捉到并保持到 S7300讀取輸入點 [8]。 礦山空氣壓縮機智能監(jiān)控 控制仿真 系統(tǒng) 設(shè)計 8 第 3 章 下位機程序 設(shè)計 礦山空氣壓縮機控制系統(tǒng)的工藝流程 其流程圖如圖 31所示。 圖 31 程序流程圖 啟動 檢測傳感器信號 啟動變頻器 超限 空壓機啟動 泵和氣鎬啟動 檢測信號 檢測報警信號 檢測停機信號 空壓機報警 空壓機停機 確認報警 是 否 檢測故障 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 9 首先傳感器啟動，采集信號對于空壓機是否超限，如果不超限則啟動變頻器，啟動電機來帶動空壓機運動，產(chǎn)生氣流給氣泵和氣鎬提供氣源。氣鎬 用于礦山開礦 。氣泵 用于 從山下輸送水。保證正常的生活用水。當(dāng)空壓機啟動后，實時檢測數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)報警或者停機時及時檢查或者停止空壓機。確認錯誤以后重新啟動空壓機。 下位機程序設(shè)計 S7300 硬件 的配置 1． 打開桌面上的 SIMATIC Manager 快捷圖標(biāo)，按照