基于PLC矿井通风系统的设计【说明书论文开题报告外文翻译】
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I目 录摘 要 .IVAbstract .V1 绪 论 .11.1 前言 .11.2 课题背景 .11.3 国内外发展状况 .11.4 研究的主要内容 .22 系统硬件总体设计 .32.1 系统硬件连接框图及原理 .32.2 系统硬件简述 .42.2.1 可编程控制器 PLC.42.2.2 触摸屏 HMI.52.2.3 变频器 .52.2.4 A/D转换模块 .62.3 矿井三大环境因素 .62.3.1 矿井标准安全温度 .62.3.2 矿井内部瓦斯浓度 .72.3.3 矿井气压变化情况 .72.4 检测模块的硬件选择 .82.4.1 PT100热电阻温度传感器 .82.4.2 WZP PT100温度变送器 .82.4.3 GJ4/100瓦斯浓度传感器 .92.4.4 PTG-802气压传感器 .103 系统通信与连接 .123.1 PLC与 PC及触摸屏之间的通信 .123.1.1 RS422 .123.1.2 PLC与 PC及触摸屏连接 .12II3.2 PLC与变频器之间的连接 .123.3 PLC与 3种传感器的连接 .133.3.1 3种传感器与 A/D模块连接 .133.3.2 A/D模块与 PLC连接 .134 三菱软件介绍 .144.1 GX Works2编程软件 .144.2 GT Desiginer3触摸屏软件 .175 系统软件部分 .215.1 PLC程序流程 .215.2 触摸屏画面设计 .225.3 PLC系统程序 .235.4 系统程序调试过程 .286 结论 .31参考文献 .33附录 .34致 谢 .37III基于 PLC 矿井通风系统的设计摘 要在进行矿井下挖掘作业时，通风控制是其最重要的环节，尤其在一些对瓦斯浓度要求较高的井下时，通风控制工作不仅是做好挖掘工作的基本前提，更是保证作业人员生命安全的最基本措施。鉴于此，通风控制近年来的研究不断增多，研究深度不断加深。本研究旨在开发一种的新型的通风控制系统，并结合运用 PLC 与变频器，以便集中优化系统功能，提高通风控制的效率。随着 PLC 的运用，可实现系统的逻辑控制，并控制电机转速，保证恒压状态下控制通风质量。通过对当前地下环境及瓦斯浓度的对比，判定正常状况下的矿井内空气瓦斯含量得出环境是否恶化，温度传感器经温度变送器输出后，在 A/D 模式下将获得的数据转换成数字量，并通过 PLC 进行系统地判断控制，后以变频器处理控制信号，最终实现系统的优化处理。关键词：PLC；矿井通风；温度变送器；A/D 转换IVDesign of Mine Ventilation System based on PLCAbstractWhen carrying out excavation work at the mine, ventilation control is the most important part, especially in some of the underground gas concentration higher, the ventilation control work is not only to do excavation work basic premise is to ensure the safety of workers the most basic measures. In view of this, research in recent years increasing ventilation control, depth of research continues to deepen. This study aims to develop a new type of ventilation control system, combined with the use of PLC and inverter in order to focus on optimizing system function, improve the efficiency of ventilation control. With the use of PLC can realize logic control system and control the motor speed control to ensure the quality of ventilation under constant pressure. By comparing the current environment and underground gas concentration, it is determined under normal conditions inside the mine gas content of the air drawn environment is worsening, after the temperature sensor temperature transmitter output, the data in the A / D mode to get into digital the amount, and through the PLC control system to judge, after processing control signal to the inverter, and ultimately optimize processing system.Key words: PLC; Mine Ventilation; Temperature Transmitter; A/D Converter01 绪 论1.1 前言该课题研究的矿井通风系统是以矿井通风方式，通风方法还有通风单元一起联动来实行的。其系统的操作任务是让矿井内的空气保持新鲜，进而让生产人员能够安全吸入氧气，降低井内带有毒的，掺杂颗粒较大的气体浓度，使其生产环境能够保持健康，所以整体看来该课题的目的是是对通风区域的空气压力，瓦斯浓度的调控。矿井通风系统的设定类型是由影响矿井安全生产的各种因素所决定的。大致可以将其通风系统划分为排放瓦斯型，控温型，控火型，排放瓦斯控温型，排放瓦斯控火型和控温控火型。其通风方式基本分为中央式，对角式，混合式。早期的矿井通风原理只是依靠单纯的压强差来实行通风。近几年来频发的生产事故可以告诉我们，更加智能化的通风技术对于矿业生产来说迫在眉睫。1.2 课题背景在各类矿业生产中，煤矿危险系数最高，就煤炭消耗量最大的国家，中国居于第一，就煤炭的产量来说，中国也是最多的。所以在国内，国际环境下，中国的煤炭危险隐患也是最高的。近十几年来，我国的经济增长速率一直高居不下，每年以 10%左右的增长速度平稳发展。可以看出往后的一段时间内，中国经济也会对煤业保持较高的需求和依赖。从能源消耗占比来看，煤炭有近 70%的占比率。可以充分表明煤炭产业在我国工业中拥有无可比拟的重要性。纵观近些年，煤炭需求将会保持相当长的比率供给。虽然煤炭生产对中国的 GDP有着较为积极的推动作用，但是，这几年的安全生产事故也是频发不起。矿井通风系统是保障生产人员在矿井内安全生产的重要保证。其通风主要是依靠风流的推动造成压强差通过井巷的各个网络口将新鲜的空气传送到采煤，掘进，等等其他需要风流的地点。另外的作用就是将有毒有害的空气排除地面。分析各年的煤矿的重大事故，多半是因为瓦斯浓度过高，矿内出入口崩塌，最终导致工人缺氧，被困其中。所以合理的矿井通风系统对矿内结构，瓦斯浓度，温度起着至关重要的作用。1.3 国内外发展状况 矿井通风系统的技术设定是根据煤矿内部的地质条件形成的。但是又大多受限于形成的井巷系统的特殊地理环境。近些年来，煤矿生产和扩能越来越简化，安全性也相应的提高了。但是在我国，仍有大量未升级系统的老矿系统正在运作，在一些恶劣天气，比如滑坡，水灾，台风等天气，突出了老系统在抗灾方面严重的不足，具体体现在风流紊乱导致风扇运作失常从而导致了各类参数，布局稳定性，和可靠性失去了重要的平衡点。我国的煤矿产业的一些瓦斯事故造成了生产工人大量伤亡，其原因都在于老的通风1系统在自然灾害面前的不正常运行，导致了瓦斯可以在通风区自由的流动，从而瓦斯浓度增加，使许多工人中毒晕厥甚至死亡。矿井通风可以说是一个古老的安全生产方式，在瓦斯爆炸力学领域和通风系统之间缺乏许多必要的理论和实验研究。我国瓦斯爆炸事故频发，综合各种实际事故，发现了许多在实际的矿井和理论之间的冲突，如矿井下特有的建筑机构，自然结构导致了瓦斯爆炸波动和冲击波动无法很好地相互作用。近几年来，国内学者对矿井安全生产开展了对瓦斯煤层爆炸原理，传播途径和防治对策的研究工作，不过令人惊喜的是，成功揭示了瓦斯爆炸过程中冲击波的特征参数的变化特征及其壁面热效应对瓦斯的传播影响。当前，对矿井通风系统的合理性，可靠性及其抗灾能力都处于中国学者们的前言研究课题。国外的矿井通风技术发展历史悠久，就最早的发展迹象，起源于公元前 4000-1200年，欧洲采矿古人挖掘巷道到白垩矿床中寻找打火石便开始观察空气流动。就近现代 1902年，在爱尔兰研制了世界第一台多叶片矿井通风机，并且获得专利的最初一台用于英国的 Pelton煤矿。能够在正常生产时期流量变化条件下，运转效率相对稳定。就最近，随着网络和通信技术的发展，国外新推出的矿井监控系统均采用基于开放系统互连标准模型的集散系统结构。系统由现场监控分站和监控中心主站组成。随着技术日益成熟，国外的矿井通风系统向全自动化方向发展。1.4 研究的主要内容在进行矿井的安全生产时，通风系统是其重要的组成部分，其能正常运行是井下作业人员的生命安全的基本保证。近年来，政府对井下作业的安全生产的监管力度的不断加强，尤其是对矿业的重视，对其要求也是越来越高，专家们也在不断地对矿业生产系统进行升级。目前大多采用继电，接触器控制系统，但是这种系统存在体积大，机械接触点多，复杂接线，故障排除困难。如果不采用 PLC变频控制，那么只能通过两个垂直风门提起的高度，和调节风机扇叶的数量和角度。虽然可以实现安全生产，但是长此以往，主风机会一直处于高频转动，使用寿命大大降低，增加了维修时间，和损坏次数。从长远看来，安全隐患很高，达不到安全生产的标准。 PLC控制系统具有对驱动风机过热保护，故障报警，气压异常，瓦斯浓度断电等特点。因此本论文以矿井内温度，瓦斯浓度，气压为对象，以三菱 PLC可编程逻辑控制器作为监控中心，通过对风机，瓦斯抽采泵和减压风门的运行状态以及各电量参数进行检测。本论文还讨论了利用变频器控制各风区的变频运行，实现风机的高效节能运行。22 系统硬件总体设计2.1 系统硬件连接框图及原理本文设计研究的井下通风系统主要包括以下部分：包括 PLC控制系统、GOT1000 触摸屏监控系统、FX2N-4A/D 模块、GWD100 矿井型温度传感器和 GJ4/40煤矿用高低浓度甲烷传感器和 PTG-802矿用气压传感器组成的矿井环境检测系统、D700 型变频器变速系统、交流异步电机驱动通风机系统等部分组成，系统硬件连接框图如图 2-1所示。图 2-1 系统硬件连接框图工作原理：本系统使用 PLC控制整个系统的动作，使用触摸屏来监控整个系统的运行。GJ4/40煤矿用甲烷高低浓度瓦斯传感器把矿井空间空气中的甲烷浓度模拟量转换为标准电信号输入 A/D模块中，A/D 模块会把该电压或电流信号量化成一个数字量送入 PLC主机的内存中。同理，GWD100 矿用温度传感器是把矿井空气的温度转换成标准电信号再被 A/D模块量化成另一个数字量，存放在 PLC另一个内存区。在 PLC里面，只需要写一段读取 A/D模块 FROM的程序便可获得矿井空气中的温度，气压和可燃性甲烷气体的含量。在 PLC程序中实时比较矿井温度，气压和甲烷浓度，一旦出现超标情况，及时通过各种手段如本论文设计的是通过合理通风来阻止矿井情况继续恶化，平稳气压大小保证作业者正常呼吸，慢慢降低矿井空气中的可燃性甲烷气体的含量防止发生爆炸。通过 PLC，我们就能对矿井的环境进行环境监测、环境变化控制；而通过触摸屏则可以实时监控到矿井环境的状态，必要时需要人工处理紧急事件。32.2 系统硬件简述2.2.1 可编程控制器 PLC1）PLC 的选型现阶段PLC采用的处理器是一种新型的微处理器，该处理器以计算机信息技术为基础，半自动控制装置和通信技术一起的一种通用于工业制造业的半自动控制装置。该PLC本身具有较小的装置体积，很高的可靠性，强大的功能性，简易的操作，简单的程序设计，便于维修等等一些可人的优点。由于有这些优势，在一些例如化学工业，能源工业等领域中应用范围较广，现已是现代工业生产的控制的佼佼者。PLC拥有典型的计算机网络结构，整个扫描过程采用的是循环扫描。用户以账号密码登录后以接收到的第一条指令执行相应的操作，一旦出现信息中断，用户的使用程序就会停止运行，无法继续向存储的地址号继续执行命令，但最后仍以END命令结束。在这一个过程结束后，系统会以周期性运转方式继续进行运作，直至PLC上从RUN到STOP，此时，所有工作进程全部停止。根据本设计，需要输入12个点，输出17个点，选择48位的FX2N-48MR系列PLC 。在可以满足基本设计要求的情况下，处于研究成本的考虑本次研究所使用的编程控制器为FX2N ，图2-2为使用的FX2N的实体图，表一为该PLC在本次系统中的I/O分配表。2）I/O 输入/输出分配表表 1 PLC 输入/输出分配输入量 名称 输出量 名称X000 系统启动 Y000 系统正常工作X001 停止按钮 Y001 系统停止指示X002 自动/手动切换按钮 Y002 当前矿井瓦斯浓度超标报警X004 手动打开瓦斯控制装置 Y003 开启瓦斯抽采泵X005 手动打开减压门 Y004 开启风机X006 手动关闭减压门 Y005 打开减压门X007 手动控制通风机高速 Y006 关闭减压门X010 手动控制风机常速 Y007 矿井温度过高报警X011 手动控制风机低速 Y010 变频器高速工作X012 M1 异常 Y011 变频器常速工作X013 M2 异常 Y012 变频器低速工作X014 M3 异常 Y014 风机低速指示灯Y015 风机常速指示灯Y016 风机高速指示灯Y020 手动控制指示图 2-2 FX2N 系列4图 2-4 FR-D700 变频器Y021 M1 异常指示Y022 M2 异常Y023 M3 异常3）硬件电路图见附录 12.2.2 触摸屏 HMI1）触摸屏选型当下一种被大家称为触摸屏的其实是一种人机界面的产品，它将可编程控制器，仪表器，直流调速器和一些工业生产线上的控制器，通过显示屏上面的数据参数，利用输入单元实现人类信息和器件信息结合的数字化设备。图 2-3为 Graphic Operation Terminal的人机界面。在 GOT里，操作者可以在其监视显示屏可以进行一些像 ON/OFF操作，数据屏显，指示灯和一些固定在 HMI中的原有操作系统。我们可以用 GT Designer该软件创建 GOT上面的监视数据。如何实现 GOT中各种功能，我们先粘贴一些元件开关的符号图形通过 GT Designer，例如指示灯符号，数显等一些以此为对象的框图来显示屏幕。然后，利用 PLC CPU中的器件符号来设定那些以此为对象的动作。最后将 RS-422和 USB作为接口对着 GOT传送数据。在本次讨论的设计中，以 GT1055-QSBD-C为首的系列，数字显示颜色为常规的 256色，内置有 9针凹形的 I/F，9 针凸形 RS-232，USB，DC24V 的电源电压。该类型的触摸屏具有较强的抗压能力，且使用寿命明显延长，图 2-3为 GOT1000的实物图。2）GOT1000 参数说明在三菱电机系列里，GOT 是一款全新的拥有人机界面的电机产品。该新型产品不仅仅可以应用于各种复杂不同的 FA环境。三菱公司为了满足客户对产品的要求，将图示的GOT1000划分为 GT15和 GT11两种性能的机型。由于这两种机型都拥有 64位的处理器，还有 USB接口，内嵌的 GT Designer2 Version2软件。2.2.3 变频器1) 变频器选型在整个系统中变频器的主要作用就是实现交流电源的转换，进而保证整个电机系统的稳定运行。一般而言，变频器主要包括回路、逆变器、制动组件、控制电路、保护回路五个部分组成。为实现对变频器的有效控制，当前主要采用两种控制方式，一种为开环、一种为闭环。开环控制方式包括V/F等，闭环控制方式包括转差频率、矢量等。就三菱变频器而言，其变频工作主要依靠图 2-3 GOT1000 触摸屏5半导体器件的通断作用进行。 本次设计采用三菱FR-D700型变频器，实物如图2-4所示。2) 参数说明 Pr1：上限 频率范围 0110Hz 界定为45 HzPr2：下限 频率范围 0110Hz 界定为5 HzPr3：基准 频率范围 0300Hz 界定为30 HzPr7：加速 时间范围 03500/ 350s
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