最新基于plc的礦井通風機監控系統設計畢業設計(存儲版)

　　

【正文】 的壓力，故稱為動壓，其大小用下式計算：Pdi=12ρv2式中：Pdi——氣體中某點的動壓，Pa；ρ——動壓測量處的空氣密度，kg/m3；v——氣體的流速，m/s3)全壓氣流中某一點的滯止壓力，亦是該點靜壓和動壓的代數和，以Pi表示：Pi=Pdi+Psti3功率通風機的功率分為軸功率和有效功率。－N曲線在流量為零時最大當流量增大時，H下降很快，軸功率也有所下降，這樣往往使軸流式風機在零流量下啟動時的軸功率為最大。圖1 軸流式風機的性能曲線通風機的調節是為了改變通風機的流量，以滿足實際工作的需要，故通風機的調節又稱流量調節。變速調節大大減少附加的節流損失，在很大變工況范圍內保持較高的效率，與傳統的節流調節相比，不產生其他調節方式附加損失，降低了功率消耗，節約了電能，具有良好的經濟效益。(2)存儲器存儲器是PLC存放程序和數據的地方，它包括系統程序存儲器和用戶程序存儲器。擴展接口用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活，以滿足不同控制系統的需要。壓力傳感器的選型需考慮礦井通風機最大風壓及測量精度的要求。通過風機振動位移和振動周期可以反映風機潛在的故障，避免風機停機等嚴重故障發生。該監控儀主要用于對轉速600～6000轉/分旋轉機械的振動烈度進行長期監測當振動值超限時，本儀器可外接聲光報警器以提示現場操作人員采取防范措施。溫度傳感器選用Pt100鉑電阻傳感器。對于控制條件下校驗熱電偶性能，其可移動性或測試行較差。在PLC控制系統中，輸入輸出開關量可通過開關量輸入輸出模塊與PLC連接，由于本系統涉及的開關量較多，在此不進行討論。但是交流電機不象直流電機那樣，可以很方便地進行調速，它的調速問題一直比較困難。閥門調節與變頻調速的節能比較：圖4為一礦井通風機的壓力－流量(H－Q)特性曲線圖，其中曲線a、b為管網阻力的特性曲線(RaRb)，曲線2為風機在轉速為n1和n2時壓力－流量特性曲線(n1n2)，交點A、B、C為礦井通風機的工況點。如果通風機的轉速降低為原來的50%，則風量也變為原來的50%，%，這說明通過改變通風機的轉速的方式，可以改變通風機的功率輸入，可以節省大量的電能。六個半導體主少干關器件組成的橋式電路是常見的逆變電路，通過控制電路控制開關器件的通、斷，可以得到所需頻率的交流電輸出。(2)通訊的方式目前一般的變頻器都帶有RS485接口，大多數的PLC也都支持RS485的通訊。3通信網絡的實現系統共分三層：設備層，控制層，監控層設備層即現場測量層主要實現風機變量參數的測量和風機的控制，由各種傳感器，電量監測設備，變頻器等組成，完成對設備運行的自動控制和監控設備本身的運行工況參數的采集。與此同時，以太網作為一項比較成熟的技術正向自動化領域逐步滲透，從企業決策層、生產管理調度層向現場控制層延伸。工業控制領域采用以太網作為現場設備之間的通信網絡平臺，可以避免，現場總線技術游離于計算機網絡技術的發展主流之外，從而使現場總線技術和其它網絡技術互相促進、共同發展，并保證技術上的可持續發展在技術升級方面無需單獨的研究投入。主電路中MA1，MA2為對旋式軸流風機的兩臺電機，交流接觸器QAQA6分別控制MAMA2的工頻運行；交流接觸器QAQA5分別控制MAMA2的變頻運行；QA1為主電路電源的隔離開關；FA為主電路的熔斷器；BBBB2為電機MAMA2的熱繼電器。另外，還要考慮IO點數的要求，一般在確定控制系統的IO點數后，還要留有15%一20%備選IO點數。EM235模塊有4點模擬量輸入，1點模擬量輸出。根據變頻器的選擇原則，該系統中選用的是兩臺型號為Siemens MM430風機和泵類變轉矩負載專用變頻器。 上面提到：當通風機穩定運行時，風機的風量、風壓、功率與轉速有以下比例關系：Q1/Q2=n1/n2P1/P2=(n1/n2)2N1/N2=(n1/n2)3式中： nn2—通風機調節前后的轉速，r/min； PP2—通風機轉速調節前后的風壓，Pa； NN2—通風機轉速調節前后的功率，W。接著，根據風機額定轉速下的壓力一流量特性曲線方程，求出此風壓下對應的風量大小。當風機的管網阻力由R0增加到R1，時，工況點由0到1，風量由Q0減小到Q1。 UP和QP曲線的擬合在PLC程序中，變頻器模擬輸入電壓值是根據其與采集出氣風壓(U一P)的擬合函數方程求得的。主控制程序的程序流程如圖12所示。在調用子程序進行信號采集前，要調用子程序1檢查該擴展模塊EM235和EM231模塊是否存在，用戶電源是否有錯。圖14 子程序2與子程序3流程圖子程序4用來從壓力傳感器中采集風壓信號，并把每次采集的數值進行累加，次數達到1000次時，求其平均數值，作為一次采集的出氣壓力值。可用于工業自動化的過程控制和管理監控。PLC接收操作完成的信號并傳送給組態軟件顯示。用以實現風機的遠程變頻調控和故障報警等功能。3 本論文為了說明問題，在傳感器選擇方面僅介紹溫度，振動等大方向的測量，現場中需要測量的參數跟多，比如溫度方面包括風機主軸承溫度，電機軸承溫度，定子三相溫度，轉子溫度，入口溫度等；振蕩參數的測量也包括東西軸xyz三個方向。進行模擬量和數字量的轉。也可以運用PLC內部自帶的PID調節器。同時含有趨勢曲線，報警窗口，報表查詢等選項。組態軟件在系統中的主要功能是：模擬運行畫面，提供良好的人機界面，接收從PLC傳送的實時數據在畫面上顯示，按需求記錄實時監測數據，記錄報警事件，包括報警量、報警值、報警時間、恢復時間和操作人員等。中斷子程序流程圖略。而子程序3則是用來采集軸承的振動參數， 然后把采集的數值累加求平均值，作為一次采集值。子程序0的作用是寄存器中有關參數的初始化，包括溫度采樣平均值初始化、風壓采樣平均值初始化、模擬電壓及風量計算系數初始化、振動參數采樣初始化等。程序包括主控制程序、參數初始化子程序0、模擬量模塊檢查子程序電機軸承，定子溫度采樣求平均值子程序振動傳感器采樣求平均值子程序風壓采樣及模擬輸入電壓和風量計算子程序變頻器模擬輸入電壓中斷程序0以及報警中斷程序。則u2=Q2Q3u3 (43)最后，把由(43)式求得的模擬輸入電壓值輸出給變頻器的模擬量控制端，便可使風機的轉速調節到n2。由以上表4中的實驗數據，可知此工況點的風量Q0=，風壓P0=，風機轉速n0=1744r/min。首先，用壓力傳感器采集風機的出氣風壓。圖10 變頻器與PLC的連接，用于變頻器啟動和停止控制。并且，從節能的角度考慮，V/F控制方式是最低的。綜合上述條件，本系統選用Siemen公司S7200系列CPU226的PLC。其中按鈕SF0控制風機的自動變頻運行；按鈕SB1控制風機的手動變頻運行；按鈕SF2控制風機的工頻運行；按鈕SF3控制風機的停止；按鈕SF4為報警燈鈴的調試按鈕；SF5為消鈴按鈕；PGPG3分別為MAMA2變頻運行指示燈；PGPG4分別為MAMA2工頻運行的指示燈；PG5為變頻器故障報警指示燈；PG6為1電機振動異常指示燈；PG7為2電機振動異常指示燈；PG8為井巷壓力下限指示燈；PG9為1電機溫度上限指示燈；PG10為2電機溫度上限指示燈；PB為報警電鈴。借助于CP2431，S7200可以用于遠程組態，編程和診斷。一些復雜的控制系統常采用兩級網絡拓撲結構。對于礦井通風機監控系統而言，為保證通風機的安全可靠運行，其功能必須涵蓋通風機電動機啟停控制、風門的開合、風量調節、各項運行參數監測以及上下位機通信等多個方面。它要求PLC和變頻器的控制距離不是很遠，且是一對一的控制場合，但這種控制方式使用起來比較簡單，對PLC的要求也不是很高。由于變頻器控制端子的輸出頻率是預先設定的，它的輸出頻率也只是一些固定的數值，不能實現異步電機的無級平滑調速。目前，使用最多的通用變頻器多是交一直一交變頻器，它由主電路，包括整流器、中間直流環節、逆變器和控制電路組成，其基本結構如下圖所示圖5 變頻器基本結構圖(1)整流器整流器即是網側變流器，它的作用是把三相或單相交流電整流成直流電。當通風機穩定運行時，風機的風量、風壓、功率與轉速有以下比例關系：Q1/Q2=n1/n2P1/P2=(n1/n2)2N1/N2=(n1/n2)3式中： nn2—通風機調節前后的轉速，r/min； PP2—通風機轉速調節前后的風壓，Pa； NN2—通風機轉速調節前后的功率，W。這種通過改變電源頻率來改變交流電動機轉速的調速方式稱為變頻調速。(4)變頻器自身的保護功能齊全，有欠電壓保護、過電壓保護、過電流保護、短路保護、風機軸承過熱保護等，使風機安全運行的可靠性得到大大提高。本系統考慮到現場安裝的需要，選擇性能/價格比較高的日本林電的STWB系列溫度變送器模塊，其技術參數如下：輸入信號：Pt100、Pt1000、Cu50、K、E、S供電電壓：24V負載電阻：0～500Ω輸出信號：DC4～20mA電壓誤差：%／V精度：%，%，%工作環境：溫度：20℃～80℃；濕度：95%RH監控系統的輸入開關量主要包括一些開關、繼電器的動作信號，如：泵站電機運行、主電機正反向合閘反饋、制動器限位開關、風門的打開和關閉、風門過力矩、葉片執行器自動以及測振器報警等。熱敏電阻傳感器雖然價格低廉，但由于它們的阻值對溫度的變化是非線性的，故熱敏電阻通常所用的溫度范圍較狹窄。該模塊采用電磁隔離和光電隔離技術，電壓輸入、電流輸入及輸出三方完全隔離。12V DC，20mA容許加速度：沿工作方向：10g連續橫向：30g短時此外，在檢測機械振動參數時，還需要有變送器和檢測儀表將測量的振動參數轉換成420mA的直流電流信號或05V的電壓信號，以便于傳送給PLC的模擬量模塊。風機軸承的振動監測與故障診斷功能及原理：通過速度傳感器測量軸承的振動峰值、均方根值或均值，將這些測量值與事先標定出的允許門檻值作比較，指示出軸承運行情況的正常與否。為減少傳輸誤差，提高檢測精度，均選用帶變送器、性能可靠、壽命長、輸出標準電流信號4～20 mA的傳感器，直接采集現場信號，并配以二線制RVVP電纜單獨傳送，以進一步提高整套系統的可靠性。它的作用是把外部供應的電源轉換成CPU、存儲器等電路工作所需要的直流電，及向外部器件提供24V直流電源。它的主要任務有:控制接收和存儲編程設備輸入的用戶程序和數據；診斷PLC內部電路的工作故障和編程中的錯誤。定速調節包括入口導葉調節及動葉調節。至此，由Q－H曲線和Q－n曲線也就決定了軸流式風機的正常工作范圍，即在Q－H曲線駝峰點右側和Q門曲線效率大于60%的公共部分。軸流式風機的性能曲線如圖1所示。本論文中采用某實驗風機，其技術參數如下：風機基本性能參數轉速（r/min）風量（m3/h）全壓（Pa）效率（%）直徑（mm）29005400900012002400400配用電機基本參數型號轉速（r/min）功率（Kw）額定電壓（V）額定電流（A）Y112M2290042380單位時間內通風機吸入的氣體的體積稱為通風機的風量，以Q表示，單位為m/s3 在通風中所稱的風壓是指單位體積的空氣所具有的能量，按其類型可分為靜壓、動壓和全壓，其單位為Pa。本系統中風機運行狀態的監測以工控領域的可編程控制器(PLC)和組態軟件為核心，以標準控制柜作為信號采集和控制輸出裝置,輔以傳感器、中間繼電器和其它輔助設備構建整個監控系統。在變頻運行時，該系統能根據壓力傳感器的模擬量輸入，經PLC內部運算，計算出系統滿足安全生產所需的風量大小對應的變頻器輸入電壓值，經擴展模塊模擬量輸出控制變頻器自動調整風機的轉速。(5)煤礦安全監測監控系統向綜合化方向發展全礦井綜合監控系統是一種可用于環境安全、軌道運輸、皮帶運輸、提升運輸、供電系統、排水系統、礦山壓力、煤與瓦斯突出、自燃發火、大型機電設備的運行狀況等多方面綜合監控的系統，既可用于某一單方面的監控，又可實現全面綜合監控。隨著科學技術的發展,科技人員的不斷努力，礦井主通風機在線監測監控取得了一定的成績,但也明顯存在一些不足礦井主通風機在線監測監控主要還處在監測水平，其控制功能很弱，對主通風機的控制和故障診斷基本上還處在研究階段，礦井主通風機在線監測監控的可靠性有待進一步提高，礦井主通風機在線監測監控是一個較獨立的系統,未與整個礦井通風系統、整個煤礦管理系統取得協調的聯系。國內在這兩方面起步比較晚。隨著煤礦生產規模的擴大、生產效率的提高，井下通風系統對通風設備的監測監控也必須提出了更高的要求。風機調節控制由PLC+變頻器控制電機轉速實現風量控制。指導教師評閱書指導教師評價：一、撰寫（設計）過程學生在論文（設計）過程中的治學態度、工作精神□ 優 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格學生掌握專業知識、技能的扎實程度□ 優 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格學生綜合運用所學知識和專業技能分析和解決問題的能力□ 優 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格研究方法的科學性；技術線路的可行性；設計方案的合理性□ 優 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格完成畢業論文（設計）期間的出勤情況□ 優 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格二、論文（設計）質量論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規范？□ 優 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格是否完成指定的論文