大学毕业设计---矿山空气压缩机智能监控控制仿真系统方案说明书.doc
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1、 吉林化工学院毕业设计说明书矿山空气压缩机智能监控控制仿真系统设计Design of Simulation System forIntelligentControlof Mine Aircompressor学生学号: 学生姓名: 专业班级: 测控 指导教师: 职 称: 讲 师 起止日期: 2014.2.242014.6.13 吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology吉林化工学院毕业设计说明书摘 要空气压缩机的安全生产和保护对于厂矿企业的生产是十分重要的。可编程控制器(PLC)将传统的继电器控制技术、计算机控制技术和通信技术融为一体,专为
2、工业控制而设计。利用传感检测仪表和PLC对矿山空气压缩机进行控制,实现空气压缩机监控系统设计,从而使生产系统获取良好的经济效益和安全性能。本设计介绍了空气压缩机PLC控制系统组成、保护功能、控制原理、系统通信、系统信号的采集,以及控制系统软件设计思想。本文给出了空气压缩机监控系统的总体设计方案硬件组态及网络通讯配置方案开发了空气压缩机公共参数系统。PLC的监控软件,及基于WinCC(Windows Control Center)的空气压缩机上位机过程监控软件,完成了监控系统的安装与调试工作。该方案充分利用将空压机与PLC控制器相连, 能够灵活方便地实现对空压机的远程监控。在对控制系统需求分析的
3、基础上,设计出空压机监控系统的总体结构,给出了系统的软硬件配置,详细阐述了系统各功能模块的内容及作用,并对系统调试原理和方法进行了说明。实际运行结果表明该控制系统运行良好,效果达到了预期要求。关键词:空气压缩机;PLC;控制系统;WinCC- I -AbstractThe safety operation and protection of air compressor is of great importance to the production of factories and mining enterprises. Integrating the conventional relay
4、control, computer control and communication control technologies, programmable logic control(PLC)is designed specially for industrial control. Sensing detection instruments and PLC are used to control mine air compressors, realizing the design of air compressor monitoring system so as to help the pr
5、oduction system gain good economic benefits and safety performance. The paper describes the composition, protection function, control principle, system communication, collection of system signals and design idea of the PLC system of air compressors.The thesis gives the total design plan, hardware co
6、nfiguration and network communication plan of the air compressor monitoring system, and it develops the PLC monitoring software of public parameters and the super computer monitoring software of the air compressor monitoring system based on WinCC(Windows Control Center), and finishes the installatio
7、n and debugging of the system. This method makes use of connect air compressors and PLC controller by which the air compressors can be easily monitored. Based on the analysis of requirements of the control system, this paper presents an overall scheme of the monitoring system, introduces the hardwar
8、e and software configuration, and illustrates the function blocks and adjusting method of the system in detail. The result of the operation indicates the monitoring system works well and meets the requirements desired.Keywords: Air compressor;PLC;Control system;WinCC - 41 -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.
9、1 引言11.2 课题背景及意义1第2章 硬件选型和地址符号表32.1 PLC模块的选择32.2 系统软件设计42.3 通信52.4 地址和变量的配置62.4.1 输入地址62.4.2 输出地址62.4 信号采集7第3章 下位机程序设计83.1 矿山空气压缩机控制系统的工艺流程83.2 下位机程序设计93.2.1 S7-300硬件的配置93.2 下位机程序设计103.2.1 S7-300硬件的配置103.2.2 S7-300程序的设计11第4章 矿山压缩机控制系统监控界面的设计134.1 WinCC对本设计的意义134.2 WinCC资源管理器的组成与相应功能134.3 创建矿山空气压缩机控制
10、系统监控项目154.3.1 创建步骤154.3.2 相关设置154.4 建立逻辑连接164.4.1 驱动的功能164.4.2 添加SIMATIC S7 Protocol Suite驱动程序的步骤174.5 建立变量连接184.6 图形界面的设计204.6.1 图形编辑器的介绍204.6.2 压缩机主界面224.6.3 报警画面234.6.4 曲线画面244.6.5 导航界面264.7 组态图形界面274.7.1 变量组态274.7.2 常量组态284.8 组态报警304.8.1 报警记录的内容和功能304.8.2 组态过程值归档314.8.3 用户归档32第5章 变频器控制365.1 变频器工
11、作原理365.1.1工艺要求365.1.2 参数设置介绍365.2 变频器的下位机设计37结 论39参考文献40致 谢41第1章 绪论1.1 引言在煤矿采煤生产中,空气压缩机(简称:空压机)主要负责向矿井大量的风动机械提供动力,其工作的可靠性和安全性直接影响着矿山的正常生产和经济效益。目前大部分空压机存在着控制方式落后、操作不方便的问题。控制回路大多为继电器控制,控制方式采用就地分散式人工操作,由固定人员24小时值守,值守人员根据井下用风量的需求手动启动或者停止空压机,并且定时巡检、记录运行状况。另外,空压机耗电量很大,其中有相当长时间是在空载或轻载状态下运行,导致能耗大、机器受损严重、运行成
12、本较高。因此,设计一个操作方便、功能完善的全自动集中监控系统,对空压机进行监控和保护,提高空压机的工作效率,降低能耗,延长使用寿命,有着重要的现实意义1。可编程控制器(PLC)是一种新型的通用控制装置,他将传统的继电器控制技术、计算机控制技术和通信技术融为一体,专为工业控制而设计,具有功能强、通用灵活、可靠性强、环境适应性好、编成简单、使用方便、体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。近年来,随着可编程控制器的日渐成熟,越来越多设备的控制都采用PLC控制器来代替传统的继电器控制,并取得了很好的经济效益。随着煤矿现代化的发展,矿山对矿山设备的要求越来越高,建设本质安全性矿山已成为煤矿生产建设的核心。
13、矿山设备不断更新,不断进步,可靠性、易操作性、可监视性、易维护性等已是最基本的要求了。用继电器搭成的控制电路具有可靠性差、不易维护、不易监视,已不能适应当前的要求。现在迫切需要可靠性高、易维护、易操作、可监视并且价格不高这样的控制器来代替继电器搭成的电路2。随着电子技术、软件技术、控制技术飞速发展,可编程控制器(PLC)发展迅猛,性能很高,价格较为合理,与继电器搭的控制电路比具有非常大的优势。许多矿山设备已选用了PLC来代替比较重要的设备控制。传统的保护主要采用分离仪表,其可靠性差、集成度低、费用高,不能有效的满足矿山设备投入的经济性和安全性的要求。1.2 课题背景及意义本设计研究的主要内容是
14、矿山空气压缩机的智能监控系统,主要是设计一套独立的由可编程控制器PLC、智能调节器、调节阀及各种检测仪表组成的机组监控系统,以保证压缩机组的安全可靠地运行。对于空气压缩机的正常运行,我们主要关心各个参数(温度,压力)是否正常。以往的操作人员不得不亲自到现场去检测各个表的读数,不但费时费力,而且对操作人员的耳膜有损坏,一旦有些参数发生异常情况不能及时反映给操作人员,就很容易损坏机器,影响机器的运行,造成成本过高。同时,操作人员还得对某些参数进行记录,这是一项繁琐的工作,不仅增加了工作量,还增加了运行成本。随着计算机应用在工业领域的日益发展,SIMATIC WinCC工业组态软件顺应而出。它的出现
15、,大大简化了人员和设备配置。高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据使其具有高度的实用性3。WinCC组态软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能,以动画形式显示监控设备的运行状态,方便构成监控画面和实现控制功能,并可以生成报表、历史数据等,为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台,从整体上提高了工控软件的质量。此外,它还具有高度的开放性和可扩充性,可以连接第三方设备。相比于以往的监测控制系统,我们只要在组态好的计算机图形界面上轻轻一点鼠标,就可以获需所要的信息,进行相应的操作。它不仅降低了运行成本,而且增加了系统的可靠性、稳定性和容错性。它具有的报警记录使我们能及时得知异常情况
16、并找出错原因,它所具有的变量归档和报表打印使我们能大量存档并随时打印出来,以供分析。WinCC组态软件已成为远程监控应用和大型过程控制的理想选择4。第2章 硬件选型和地址符号表2.1 PLC模块的选择 PLC通过设计程序的梯形图逻辑以及上位机发出的指令,完成对现场设备的控制和数据采集。下位机PLC在系统中要完成数据采集、状态控制、数据计算、向上位机传输数据及状态信号、功能保护连锁,以及接受上位机传递来的相关地址内的数据,并通过对应的地址模块进行处理和输出,控制各个阀门的开关及电机的起动停止。下位机全部采用西门子SIMATIC S7系列PLC。在对控制对象和控制任务进行了分析和统计后,采用以下S
17、7-300系列模块来组成本系统5。系统原理图如图2-1所示。图2-1 系统原理图1电源模块PS307将120/230交流电压转变为24V直流电压,为S7-300提供电源。考虑到负载模块不是很多,故选取5A的电源。2CPU模块CP315-2DP具有24K字节的RAM程序存储容量,通过背板总线为其提供5V电源后,可以通过MPI口、PROFIBUS主/从口与上位机进行通讯。3数字量输出(DO)模块SM322 本系统选择直流16路继电器输出型数字量输出模块,其型号为:SM332 DO16*DC24V/0.5A 6ES7 322-8BH01-0AA0。本设计共4个数字量输出,故选用一块该模块。4数字量输
18、入(DI)模块SM321本系统采用16个数字量输入块。其型号为:SM321 DI16* DC24V 6ES7 321-1BH01-0AA0。本次系统用了两个数字量输入。5模拟量输入(AI)模块SM331 本系统采用12位模拟量输入模块。其型号为:SM331 AI8*12bit 6ES7 331-7KF02-0AB0。本次设计共26个模拟量输入,故选用四块该模块。6模拟量输出(AO)模块SM332 本系统采用12位模拟量输入模块。其型号为:SM332 AO2*12bit 6ES7 332-5HB01-0AB0。本次设计共2个模拟量输入,故选用一块该模块。2.2 系统软件设计计算机系统是整个系统的
19、核心,包括两个部分:上位机监测系统和 PLC 控制系统。上位机软件采用德国SIMATIC公司的WinCC(Windows Control Center)软件,定时采集各种仪表和监测传感器检测的信号。可以进行监测报表的查询、打印以及压风机多种状态的图形输出。此外,本系统还实现了与企业内部局域网的链接,PLC采集到的信号经过工业以太网传输到远程调度室,使企业授权人员能浏览或者控制压风机的运行状况。下位机全部采用西门子SIMATIC S7系列PLC,S7-300控制器实现对空气压缩机的监控以及冷却水、气压等外围参数进行检测与控制6。PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP-7V5.4编程软
20、件开发。PLC主程序主要由系统初始化程序、集中控制程序、远程控制程序、全自动控制程序、误操作提示程序、模拟量(压力、液位、温度等)采集处理程序、参数设置程序和报警程序等构成。图2-2 S7-300组态中导入智能仪表的GSD文件PLC与温度、压力等参数的采集模块的通信是采用PROFIBUS现场总线进行数据交换。对于本系统,根据煤矿现场条件、传输距离、传输速率、传输可靠性等要求,PROFIBUS总线是最经济最适合本系统的监控层的网络结构。在本S7-300PLC控制系统中,只需要在STEP7中导入智能仪表的GSD文件然后进行相应的组态即可。如图2-2所示。S7-300PLC通过RS-485与通风机房
21、各高压柜中的微机保护装置通信,收集各高压柜的遥测、遥信数据7。解析上传的遥测、遥信等报文,并分类存储在内部存储器中。通过配备的触摸屏系统可以实现遥测、远程信息的现场集中显示。2.3 通信PLC与WinCC的通信中,在对过程驱动程序进行配置以前,应满足以下条件: 1PLC配备一个通讯接口,WinCC通过过程驱动程序来支持该通讯接口; 2PLC的通讯接口必须适当配置,以便使控制程序能借助于通讯调用功能访问该接口; 3WinCC所要访问的标签地址(取决于使用的PLC)必须正确; 4在WinCC内部安装相应的通讯硬件;5为了能够在运行方式下访问标签,PLC必须与过程取得连接,并与WinCC系统的物理连
22、接安装完好6。WinCC与PLC之间的过程通讯结构如图2-3所示。图2-3 WinCC与PLC之间的过程通讯结构2.4 地址和变量的配置2.4.1 输入地址输入地址(AI)如表2-1所示:表2-1 输入地址符号表输入符号输入地址1#风压模拟量输入值PIW21#二级排气模拟量输入值PIW41#一级气压模拟量输入值PIW61#缸体压力模拟量输入值PIW81#出水管温度模拟量输入值PIW101#总水管压力模拟量输入值PIW121#风包温度模拟量输入值PIW141#电机温度模拟量输入值PIW161#一级气缸温度模拟量输入值PIW181#缸体温度模拟量输入值PIW201#出水管温度模拟量输入值PIW22
23、1#二级温度模拟量输入值PIW242#风压模拟量输入值PIW262#二级排气模拟量输入值PIW282#一级气压模拟量输入值PIW302#缸体压力模拟量输入值PIW322#出水管温度模拟量输入值PIW342#总水管压力模拟量输入值PIW362#风包温度模拟量输入值PIW382#电机温度模拟量输入值PIW402#一级气缸温度模拟量输入值PIW422#缸体温度模拟量输入值PIW442#出水管温度模拟量输入值PIW462#二级温度模拟量输入值PIW481#液位模拟量输入值PIW502#液位模拟量输入值PIW522.4.2 输出地址输出地址(AO/DO)如表2-2所示:表2-2 输出地址符号表输出符号输
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