基于PLC矿井通风机监控系统设计.doc

毕业设计（论文）题 目：基于plc的矿井通风监控系统的设计 院 系： 电子工程系 专业班级： 电气104班 指导教师： 黄俊梅 学生姓名： 李青洲 学 号： 摘 要煤矿的安全生产中，矿井通风系统起着极其重要的作用，它是煤矿安全生产的关键环节而矿井通风机又是矿井通风系统的重要设备之一，因此对其进行PLC控制的变频调速系统的设计和研究，不仅可以大大提高煤矿生产的机械化、自动化水平，还能节省大量的电能，具有较高的经济效益煤矿主通风机监控系统重要涉及风机性能检测和风机风量调节控制两部分本文以一台矿用对旋轴流风机为控制对象，结合PLC控制技术、变频调速技术和组态监控技术，对矿井通风机进行了PLC控制的状态监测和变频调速的设计和研究监控系统采用上位机加下位机的设计模式下位机采用可靠性高的可编程逻辑控制器，通过各种传感器和电量采集单元实时监测通风机的性能参数和状态参数、电机的电气参数并能实现远程通讯。

上位机应用北京亚控科技公司开发的KINGVIEW6.52组态软件编写人机界面，将风机工作流程以直观的画面显示出来，实现数据采集和显示、关键数据的记录和报警、生产数据的存储和报表输出、为操作员提供良好的操作界面，完毕了风机房的无人值守自动化监控和管理的设计和改造在变风量系统中，重要比较了风门调节与变频调节，显示出了变频调节系统不仅能使风机工作在高效区，并且其节能效果要优于其它调节方法，具有很重要的应用前景风机调节控制由PLC+变频器控制电机转速实现风量控制同时本文还研究了风量调节的算法关键词：PLC控制；变频调速技术； 矿井通风机； 组态王软件目录1 绪论 11.1选题的背景和意义 11.2 风机监控系统国内外研究状况 11.3矿井主通风机监测监控的展望 21.4本论文的重要工作和安排 32 系统构成及各部分功能 42.1矿井主扇风机 42.1.1矿井主扇风机概述 42.1.2风机重要技术指标 42.1.3风机的特性曲线 62.1.4风量的调节方法 72.2可编程控制器的应用 72.2.1 PLC概述 72.2.2 PLC的基本构成 82.2.3 PLC的工作原理 92.3风机参数的检测 92.3.1风压、风量参数的检测 102.3.2振动参数的检测 102.3.3电气参数的检测 122.3.4电机轴承和定子温度检测 122.3.5开关量检测 132.4 变频调速 132.4.1变频调速技术在矿井通风机上的应用概述 132.4.2变频调速的基本原理 142.4.3风机变频调速节能分析 152.4.4变频器的结构 162.4.5 PLC控制变频器的方式 173 通信网络的实现 193.1 风机自动化监控系统的整体结构 193.2基于现场总线和工业以太网的控制系统 193.2.1现场总线控制系统和以太网技术 193.2.2现场总线与以太网的互连 203.2.3网络的具体实现方法 214 系统的硬件设计 224.1系统硬件连接 224.2主电路 224.3控制电路的设计 224.4 器件的选型 254.4.1PLC的选型 254.4.2变频器的选型 264.5 变频器与PLC的连接 264.6风量的控制算法 274.6.1变频器输入值计算 274.6.2 U-P和Q-P曲线的拟合 295主通风机监控系统的软件设计 305.1 PLC软件设计 305.1.2子程序0和1程序流程 315.1.3子程序2和3程序流程 325.1.4子程序4程序流程 335.1.5中断子程序 345.2 组态软件设计 355.2.1 KINGVIEW 6.52操作界面 355.2.2煤矿主通风机监测系统主界面 355.2.3 PLC控制变频器调速系统主界面 36结论 37致谢 38参考文献 39附录 401 绪论1.1选题的背景和意义通风机是煤矿的四大固定设备之一，它担负着向井下输送新鲜空气、排出粉尘和污浊气流的重任，具有“矿井肺腑”之称。

由于井下工作环境恶劣，主通风机工作电压较高，电流较大，出现故障的概率也较大一旦发生故障，将会对整个矿区的生产和安全导致重大影响因此，有必要建立一套功能完善的自动监控系统，实现矿井主通风机性能及状态的实时监测，以便在生产过程中及时掌握主通风机的运营参数和状态，这也是主通风机控制系统的发展方向据记录，煤矿事故70%以上是由于通风设备故障、通风管理不善等所导致随着煤矿生产规模的扩大、生产效率的提高，井下通风系统对通风设备的监测监控也必须提出了更高的规定运用设备监测监控等相关技术，实时调节风机运营状态，及早发现故障隐患十分必要高压变频技术、智能控制技术、传感器技术、现场总线技术以及工业以太网技术的迅速发展，为满足煤矿生产的上述规定提供了也许本监控系统就是在此背景下提出的1.2 风机监控系统国内外研究状况国外很早就对风机进行了研究至90年代，一般的风机均配有监控系统，集保护、检测、控制于一体，不仅能实现风量的自动调节，重要能进行故障诊断，预测使用寿命，预报维修极限，成功地对风机进行了检测，有效的保证了矿井通风系统的安全运营美国煤矿使用的主风机以轴流式为主，近年来开始采用在运营中可以改变叶片角度的液压式动叶可调风机，节能效果好。

德国以TLT公司为代表，采用液压式动叶调节的轴流通风机，其运营效率可保持在83%～88%以内国内在这两方面起步比较晚风量调节方法都比较落后，需要在停机的情况下进行手动调节或者是隔一段时间才干调节一次其一这种人工操作方法只能做到阶段性调节而不能做到及时连续自动调节，并且实时性差，风量控制不准确，自动化限度不高；此外，我国煤矿主通风机一般都在远离煤矿管理部门的井田边沿，通风设备的管理由于风量参数不能实现监测而成为煤矿自动化管理的薄弱环节目前大部分厂家只对设备进行简朴的点测，或是对风机进行简易的诊断近几年来，陆续有几家大中型公司开始安装了专用检测诊断设备对风机进行了长期检测近几年来，陆续有几家大中型公司开始安装了专用检测诊断设备对风机进行了长期检测2023南京因泰莱电器股份有限公司为银川力城电子煤矿设计了综合现代化通信、计算机和自动控制与检测技术的全分布式计算机监控系统，它具有显示、打印、报警、状态辨认、趋势分析、现场动平衡等功能，在实际应用中取得了很好的效果但与国外还是存在着一定的距离1.3矿井主通风机监测监控的展望随着科学技术的发展,科技人员的不断努力，矿井主通风机监测监控取得了一定的成绩,但也明显存在一些局限性矿井主通风机监测监控重要还处在监测水平，其控制功能很弱，对主通风机的控制和故障诊断基本上还处在研究阶段，矿井主通风机监测监控的可靠性有待进一步提高，矿井主通风机监测监控是一个较独立的系统,未与整个矿井通风系统、整个煤矿管理系统取得协调的联系。

针对以上局限性，为了进一步提高煤矿自动化管理水平,提高生产的安全限度，减少工人劳动强度，矿并主通风机监测监控应在如下几个方面发展：(1)煤矿监测监控系统结构向集散化结构发展新推出的监测监控系统基本上都采用集散系统结构，一般由现场测控分站和控制中心主站组成分站以脱离主站自动实现就地监测和控制功能，一般由中小型可编程控制器组成主站一般采用PC机，重要负责监测数据的收集、存储、显示、报警、解决、分析、报表打印等2)煤矿安全监测监控系统开放化新推出的集散监测监控系统均采用开放系统互连的标准模型、通信协议或规程，支持多种互连标准任何集散测控系统，只要遵循这些规程，就可以与其它系统或计算机系统相连，方便地组成多节点的计算机局域网络，实现系统间的通信和数据共享3)煤矿安全监测监控系统智能化重要是指传感器的智能化，如不断推出的具有自动校正、灵敏度自动补偿、非线性自动补偿等功能的智能传感器4)煤矿安全监测监控系统应用软件发展趋势涉及操作系统的实时多任务化，控制软件的组态化、智能化和图形化，软件系统的开放化、标准化5)煤矿安全监测监控系统向综合化方向发展全矿井综合监控系统是一种可用于环境安全、轨道运送、皮带运送、提高运送、供电系统、排水系统、矿山压力、煤与瓦斯突出、自燃发火、大型机电设备的运营状况等多方面综合监控的系统，既可用于某一单方面的监控，又可实现全面综合监控。

6)发展专家诊断、专家决策系统软件我国监测监控系统软件目前停留在对被监测量的实时采集、存储、超限报警及断电、以曲线、图形和报表形式输出的水平，实现了对数据的最基本解决，在此基础上，国内正在开发专家系统和矿井安全预警系统在矿难发生前就能对各种安全隐患进行预测，使安全隐患消灭在萌芽状态1.4本论文的重要工作和安排本论文以矿井对旋轴流风机为研究对象，以西门子 S7-200 可编程逻辑控制器作为监控核心，运用温度，压力，振动等传感器和电量采集单元对风机运营状态以及各种电量参数进行检测同时，运用PLC和上位机之间的通信实现通风机运营的监控本论文还讨论了运用变频器控制通风机的变频运营，实现风机的高效节能运营具体地说，本论文的重要研究内容如下：1实现信号采集与实时监测，涉及风机的运营状态、故障状态、负压、流量、轴承振动、轴承温度、定子温度、电压、电流、功率、效率等2控制系统能实现风机手动和自动变频运营的切换，使风机处在工频或变频运营状态在变频运营时，该系统能根据压力传感器的模拟量输入，经PLC内部运算，计算出系统满足安全生产所需的风量大小相应的变频器输入电压值，经扩展模块模拟量输出控制变频器自动调整风机的转速。

3本系统能实现多种报警功能，如风机定子，轴承温度超限，电动机振动异常报警，以及变频器出现故障及时报警，及时解决的功能4 用工程制图软件绘制系统主电路图和PLC及扩展模块接线图5 用STEP7-Micro/WIN编程软件编出PLC梯形图6 用PROFIBUS-DP现场总线和工业以太网完毕对PLC通信网络的组建7模拟风机运营情况，用组态王软件绘制煤矿主通风机监测系统主界面和PLC控制变频器调速系统主界面并生成性能参数实时曲线和历史趋势曲线，监测数据归档、数据报表查询及打印，以及瓦斯浓度、风量、风压等监控量的趋势曲线、超限报警和数据报表功能2 系统构成及各部分功能本论文设计的矿井主扇风机的监控涉及风机运营状态的监测和风机风量的调节两部分本系统中风机运营状态的监测以工控领域的可编程控制器(PLC)和组态软件为核心，以标准控制柜作为信号采集和控制输出装置,辅以传感器、中间继电器和其它辅助设备构建整个监控系统通过的煤矿主通风机的计算机监控管理系统,实现了通风机的计算机实时监控以及通风机房与工业以太网和煤矿安全监控网络系统的信息共享风机风量的调节中引入变频器对风机风速的调节，据所需风量和风压大小通过变频器来调节风机的转速在节能和提高风机效率方面具有无与伦比的优点，还能实现风机的软启动和保护等规定。

2.1矿井主扇风机2.1.1矿井主扇风机概述矿井通风机按结构来分，有离心通风机和轴流通风机，目前矿上使用最多的是轴流通风机轴流通风机是气体沿轴向进入旋转叶片通道，由叶片与气体的互相作用，使气体被。