【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(jī)設(shè)計(jì) 37 結(jié) 論 39 參考文獻(xiàn) 40 致 謝 41 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 1 第 1 章 緒論 引言 在煤礦采煤生產(chǎn)中，空氣壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱：空壓機(jī)）主要負(fù)責(zé)向礦井大量的風(fēng)動(dòng)機(jī)械提供動(dòng)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(jì)效益。目前大部分空壓機(jī) 存在著控制方式落后、操作不方便的問(wèn)題?？刂苹芈反蠖酁槔^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(shí)值守，值守人員根據(jù)井下用風(fēng)量的需求手動(dòng)啟動(dòng)或者停止空壓機(jī)， 并且定時(shí)巡檢、記錄運(yùn)行狀況。另外，空壓機(jī) 耗電量很大，其中有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間是在空載或輕載狀態(tài)下運(yùn)行，導(dǎo)致能耗大、機(jī)器受 損嚴(yán)重、運(yùn)行成本較高。 因此，設(shè)計(jì)一個(gè)操作方便、功能完善的全自動(dòng)集中監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)空壓機(jī) 進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，提高空壓機(jī)的工作效率，降低能耗，延長(zhǎng)使用壽命，有著重要的現(xiàn)實(shí)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(jì)算 機(jī)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(jì)，具有功能強(qiáng)、通用靈活、可靠性強(qiáng)、環(huán)境 適應(yīng)性好、編成簡(jiǎn)單、使用方便、體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著可編程控制器的日漸成熟，越來(lái)越多設(shè)備的控制都采用 PLC 控制器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。 隨著煤礦 現(xiàn)代 化的 發(fā)展 ，礦山對(duì)礦山設(shè)備的要求越來(lái)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(jìn)步，可靠性、易操作性、 可監(jiān)視性、易維護(hù)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(hù)、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(hù)、易操作、可監(jiān)視并且價(jià)格不高這樣的控制器來(lái)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(jià)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(shì)。許多礦山設(shè)備已選用了 PLC 來(lái)代替比較重要的設(shè)備控制。傳統(tǒng)的 保護(hù)主要采用分離儀表，其可靠性差、 集成 度低、費(fèi)用高，不能有效的滿足礦山設(shè)備投入的經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求。 課題背景及意義 本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容是礦山空氣壓縮機(jī)的智能監(jiān)控 系統(tǒng)，主要是設(shè)計(jì)一套獨(dú)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(cè)儀表組成的機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)，以保證壓縮機(jī)組的安全可靠地運(yùn)行。 對(duì)于空氣壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，我們主要關(guān)心各個(gè)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(chǎng)去檢測(cè)各個(gè)表的讀數(shù)，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且對(duì)操作人員礦山空氣壓縮機(jī)智能監(jiān)控 控制仿真 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 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(shí)反映給操作 人員，就很容易損壞機(jī)器，影響機(jī)器的運(yùn)行，造成成本過(guò)高。同時(shí)，操作人員還得對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行記錄 ， 這是一項(xiàng)繁瑣的工作，不僅增加了工作量，還增加了運(yùn)行成本。 隨著計(jì)算機(jī)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(jiǎn)化了人員和設(shè)備配置。高性能的過(guò)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(shí)用性 [3]。 WinCC 組態(tài)軟件能充分利用 Windows 強(qiáng)大的圖形編輯功能，以動(dòng)畫形式顯示監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，方便構(gòu)成監(jiān)控畫面和實(shí)現(xiàn)控制功能，并可以生成報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)等，為工業(yè)監(jiān)控軟 件開(kāi)發(fā)提供了便利的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(kāi)放性和可擴(kuò)充性，可以連接第三方設(shè)備。相比于以往的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，我們只要在組態(tài)好的計(jì)算機(jī)圖形界面上輕輕一點(diǎn)鼠標(biāo)，就可以獲需所要的信息，進(jìn)行相應(yīng)的操作。它 不僅降低了運(yùn)行成本，而且增加了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和容錯(cuò)性。它 具有的報(bào)警記錄使我們能及時(shí)得知異常情況并找出錯(cuò)原因，它所具有的變量歸檔和報(bào)表打印使我們能大量存檔并隨時(shí)打印出來(lái)，以供分析。 WinCC組態(tài)軟件已成為遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用和大型過(guò)程控制的理想選擇 [4]。 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 3 第 2 章 硬件選型 和地址 符號(hào)表 PLC模塊的選擇 PLC通過(guò)設(shè)計(jì)程序的梯形圖邏輯以及上位機(jī)發(fā)出的指令 ， 完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集。下位機(jī) 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(jì)算、向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)及狀態(tài)信號(hào)、功能保護(hù)連鎖 ， 以及接受上位機(jī)傳遞來(lái)的相關(guān)地址內(nèi)的數(shù)據(jù) ， 并通過(guò)對(duì)應(yīng)的地址模塊進(jìn)行處理和輸出 ， 控制各個(gè)閥門的開(kāi)關(guān)及電機(jī)的起動(dòng)停止。下位機(jī)全部采用西門子 SIMATIC S7系列 PLC。在對(duì)控制對(duì)象和控制任務(wù)進(jìn)行了分析和統(tǒng)計(jì)后，采用以下 S7300系列模塊來(lái)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(fù)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(chǔ)容量，通過(guò)背板總線為其提供5V電源后，可以通過(guò) MPI口、 PROFIBUS主 /從口與上位機(jī)進(jìn)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(hào)為： SM332 DO 16*DC24V/ 6ES7 3228BH010AA0。本設(shè)計(jì)共 4個(gè)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(gè)數(shù)字量輸入塊。其型號(hào)為： SM321 DI16* DC24V 6ES7 3211BH010AA0。本次系統(tǒng)用了兩個(gè)數(shù)字量輸入。 礦山空氣壓縮機(jī)智能監(jiān)控 控制仿真 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 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(hào)為： SM331 AI8*12bit 6ES7 3317KF020AB0。本次設(shè)計(jì)共 26個(gè)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(hào)為： SM332 AO2*12bit 6ES7 3325HB010AB0。本次設(shè)計(jì)共 2個(gè)模擬量輸入，故選用 一塊 該模 塊 。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包括兩個(gè)部分：上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和 PLC 控制系統(tǒng)。上位機(jī)軟件采用德國(guó) SIMATIC公司的 WinCC(Windows Control Center)軟件，定時(shí)采集各種儀表和監(jiān)測(cè)傳感器檢測(cè)的信號(hào)?？梢赃M(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)表的查詢、打印以及壓風(fēng)機(jī)多種狀態(tài)的圖形輸出。此外，本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了與企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)的鏈接， PLC采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)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(jī)的運(yùn)行狀況。下位機(jī)全部采用西門子 SIMATIC S7系列 PLC， S7300控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣壓縮機(jī)的監(jiān)控以及冷卻水、氣壓等外圍參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)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(yuǎn)程控制程序、全自動(dòng)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(bào)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(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 5 換。對(duì)于本系統(tǒng)，根據(jù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)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(jì)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(jìn)行相應(yīng)的組態(tài)即可。如圖 22所示。 S7300PLC通過(guò) RS485與通風(fēng)機(jī)房各高壓柜中的微機(jī)保護(hù)裝置通信，收集各高壓柜的遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù) [7]。解析上傳的遙測(cè)、遙信等報(bào)文，并分類存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中。通過(guò)配備的觸摸屏系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遠(yuǎn)程信息的現(xiàn)場(chǎng) 集中顯示。 通信 PLC與 WinCC的通信中，在對(duì)過(guò)程驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行配置以前，應(yīng)滿足以下條件： 1． PLC配備一個(gè)通訊接口， WinCC通過(guò)過(guò)程驅(qū)動(dòng)程序來(lái)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(wèn)該接口； 3． WinCC所要訪問(wèn)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(yùn)行方式下訪問(wèn)標(biāo)簽， PLC必須與過(guò)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(guò)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(dòng) 程 序（ W i n C C ）通 道 單 元（ W i n C C ）硬 件 驅(qū) 動(dòng) 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(guò)程通訊結(jié)構(gòu) 礦山空氣壓縮機(jī)智能監(jiān)控 控制仿真 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 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(hào)表 輸入符號(hào) 輸入地址 1風(fēng)壓模擬量輸入值 PIW2 1二級(jí)排氣模擬量輸入值 PIW4 1一級(jí)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(jī)溫度模擬量輸入值 PIW16 1一級(jí)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(jí)溫度模擬量輸入值 PIW24 2風(fēng)壓模擬量輸入值 PIW26 2二級(jí)排氣模擬量輸入值 PIW28 2一級(jí)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(jī)溫度模擬量輸入值 PIW40 2一級(jí)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(jí)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(jì)說(shuō)明書 7 表 22 輸出地址符號(hào)表 輸出符號(hào) 輸出地址 1報(bào)警 2報(bào)警 1停車 2停車 1閥開(kāi)度輸出值 PQW2 2閥開(kāi) 度輸出值 PQW4 信號(hào)采集 S7300為每個(gè)本機(jī)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(shí)間很短的脈沖。而在掃描周期的開(kāi)始，這些脈沖不是總能被 CPU讀到。當(dāng)一個(gè)輸入設(shè)置了脈沖捕捉功能時(shí)，輸入端的狀態(tài)變化被鎖存并一直保持到下一個(gè)掃描循環(huán)刷新。這就確保了一個(gè)持續(xù)時(shí)間很短的脈沖被捕捉到并保持到 S7300讀取輸入點(diǎn) [8]。 礦山空氣壓縮機(jī)智能監(jiān)控 控制仿真 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 8 第 3 章 下位機(jī)程序 設(shè)計(jì) 礦山空氣壓縮機(jī)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(dòng) 檢測(cè)傳感器信號(hào) 啟動(dòng)變頻器 超限 空壓機(jī)啟動(dòng) 泵和氣鎬啟動(dòng) 檢測(cè)信號(hào) 檢測(cè)報(bào)警信號(hào) 檢測(cè)停機(jī)信號(hào) 空壓機(jī)報(bào)警 空壓機(jī)停機(jī) 確認(rèn)報(bào)警 是 否 檢測(cè)故障 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 9 首先傳感器啟動(dòng)，采集信號(hào)對(duì)于空壓機(jī)是否超限，如果不超限則啟動(dòng)變頻器，啟動(dòng)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生氣流給氣泵和氣鎬提供氣源。氣鎬 用于礦山開(kāi)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(jī)啟動(dòng)后，實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警或者停機(jī)時(shí)及時(shí)檢查或者停止空壓機(jī)。確認(rèn)錯(cuò)誤以后重新啟動(dòng)空壓機(jī)。 下位機(jī)程序設(shè)計(jì) S7300 硬件 的配置 1． 打開(kāi)桌面上的 SIMATIC Manager 快捷圖標(biāo)，按照