和组态王在煤矿自动系统中的应用设计课程设计

课程设计课程名称： 电气控制与PLC控制技术 题 目：s7-300和组态王在煤矿自动系统中的应用设计 学 院： 信息工程学院 系： 电气自动化系 专业班级： 卓越电气101 目 录前 言- 2工作原理- 3硬件设计- 6 一、提升机电控系统- 6 二、水泵电控系统- 10 三、采煤工作面监控系统- 17结束语- 26S7-300和组态王在煤矿自动系统中的应用设计 前言PLC是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械或系统的生产过程。S7-300系列PLC是一种通用型PLC，能适应自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统自动化机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程，其目标是“稳，准，快”。 煤矿自动系统是应用现代电子技术和自动化技术对矿井生产过程实现全面监控的系统，把采掘生产设备监控系统、皮带运输监控系统、辅助生产设备监控系统等子系统数据进行集中监控，实现生产及辅助生产各运行参数的统计并上传至矿区办公局域网，这样使得煤矿生产和管理更加科学高效。同时将一些主要生产数据和安全情况向上一级管理部门进行汇报，上一级管理部门可以通过这些数据对煤矿进行远程实时监视。出现紧急情况发出告警信号。建立煤矿自动系统的意义：煤矿自动系统是建设“智慧矿山”的核心，使得煤矿生产和管理更加科学高效；为企业带来极大效益、生产效率大幅提高、生产成本大幅降低、减少资源浪费、降低了安全成本；提高了煤矿安全保障度。工作原理 串行传输是指数据一位位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较。 一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米；根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。 并行传输：串行形容一下就是一条车道，而并行就是有8个车道同一时刻能传送8位（一个字节）数据。但是并不是并行快，由于8位通道之间的互相干扰。传输时速度就受到了限制。而且当传输出错时，要同时重新传8个位的数据。串口没有干扰，传输出错后重发一位就可以了，所以要比并口快。 以太网当前广泛使用，采用共享总线型传输媒体方式的局域网。它不是一种具体的网络，是一种技术规范。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以10100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆10 Base T以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术 设计中将使用s7-300和组态王对煤矿中的生产系统、设备自动化控制、安全生产进行监测和控制，分别有：1提升机电控系统采集参数：安全回路、实时速度、电流曲线、电压、电流、故障、开停、电机温度、PLC状态、开关量、模拟量、钩数、提升容器位置监测。 采集方式：PLC控制 接入方法：直接接入或转换规约2水泵电控系统采集参数：电机电压，电机电流，故障，开停,电机温度,进水压力,出水压力,真空压力,进水水位，开关位置信号等 采集方式：PLC控制 接入方法：直接接入或转换规约3 采煤工作面监控系统采集参数：系统内设备的开机和停止（自动开停顺序），实现与矿调度中心通讯，实现数据上传；在调度中心监控站画面显示工作面生产工艺过程；可以实现工作面前后刮板输送机、破碎机、转载机及泵站设备顺序启停、闭锁控制功能。采集方式：PLC控制接入方法：直接接入或转换规约 各部分关系图如下图1 煤矿自动系统层次构架煤矿综合自动化系统包括风机在线监测监控（通风安全环境监测）子系统、瓦斯抽放监测（管道瓦斯抽放监测与控制）子系统、火灾预报束管监测（煤层自然发火实时分析）子系统、工业电视监视系统子系统、电力监测子系统、胶带机监测子系统、主副（斜）井提升监测子系统、矿压监测等 硬件设计一、提升机电控系统（一）主要被控设备：提升机及井口、井底的信号、操车系统（二）控制内容：（1）提升机开停及速度控制；（2）提升机各运行参数监测，对出现的不正常运行状态进行保护（煤矿安全规程中要求的所有保护）；（3）实现井口、井底信号与提升机闭锁；（4）实现操车系统与信号系统闭锁；（5）实现对提升系统中各装置状态的监视（三）硬件设计：变频调速：采用西门子S7-300对变频器输出频率进行控制，实现对电机速度的控制。对提升机各运行参数（状态）的监控：以PLC控制器为中心，将各传感器输入的信号（模拟量或开关量）进行处理，再输出至显示装置显示（警示）或控制安全保护装置动作，实现对设备运行状态的监视和控制。（1） PLC的选择及I0分配a确定系统的输入设备和输出设备表31 系统的输入设备和输出设备表 输 入 设 备 输 小 址 备 正向接触器(反向，线路，低频)(2) 松 绳 脚踏开关 制动(2) 定子电流继电器(2) 信号 液压站(运行，温度高，压力高) 低频(正向，反向爬行)润滑站(运行，欠压，超温，油超温，出油温度) SYMA 工作闸开关(2) 加热器 主令控制器 电 铃 工作方式(工作/调绳)检修(2) 亚同步(低频使用) 手选正向(反问) 加速开关(1一8) 方向复位 正(反)向输出 正力提升(负力) 速度方向继电器(2) 紧急开关 工作闸输出 故障复位 安全输出 正向(反向)过卷复位 信号灯 加速开关(18) 提升方向(深度指示器用)(2) 外部安全网路 减速灯 松 绳 低频投入灯 离心开关 正（负）力灯 正向(反向)减速开关（井筒） 一(二)次开车灯 正向(反向)两米定点开关（井筒） 检修(验绳)灯 断 轴 选正(反)向灯 二级制动切除（牌坊）（2） 零位灯 减速开关中间继电器(牌坊) 安全回路灯 正（反）向终端停车（牌坊） 比较（深度指示器用） 过卷开关(井筒)(2) 深度指示灯（2） 弹簧疲劳 可调闸电流 闸瓦磨损 SMJ 检 修 停车信号 信号选向(2) 信号急停 Dzc-run 手闸给定 限速给定(正向反向) 测速反馈b进行PLC的I/O分配S7-300PLC的模块组合导轨电 源模块PSCPU模 块接 口模块信 号模块DI信 号模块DI信 号模块DI信 号模块DO信 号模块DO信 号模块AI信 号 模 块 AO功 能 模 块FM350PLC的I/O分配依次对应分配：DI（96） DO（64） AI（32） AO（32） I4.0I4.7 Q16.0Q16.7 I24.1I24.3 Q28.0 I5.0I5.6 Q17.0Q17.7（3,4,5空） I6.0I6.6 Q18.0Q18.7 I7.0I7.5 Q19.0Q19.7（1,3空） I8.0I8.7 Q20.0Q20.7 I9.0I9.6 Q21.021.7（4空） I10.0I10.7 Q22 I12.0I12.7 Q23 I13.0I13.7 I14.0I14.5（四）PLC控制图 小结：采用S7-300 PLC对变频器输出频率进行控制，实现对电机速度的控制。以PLC为中心，将各传感器输入的信号（模拟量或开关量）进行处理，再输出至显示装置显示（警示）或控制安全保护装置动作，实现对设备运行状态的监视和控制。二水泵电控系统（一）被控设备：抽水泵、设备运行状态、流量、水位等（二）控制软件：选用PLC（西门子CPU222）、压力继电器(EDS 344-2-040-000)进行控制。（三）控制内容：（1）定压供液，确保工作面支柱初撑力精确达到设计值；（2）定量供液，减少设备空转，延长设备寿命和修理周期，节约用电；（3）集中供液，减少设备使用台数，节约设备购置资金和维修资金；（4）自动配液，确保乳化液质量，提高支柱使用寿命，延长修理周期；（5）自动控制，不需操作人员，保证设备安全运行。（四）定时开停机的控制原理：根据井下用液的时段设定PLC时钟程序，控制供液系统的运行与停止。当井下需要使用乳化液时，供液系统启动；当进入井下停止作业时段，供液系统停止运行。 （五）电控原理图 图所示为电控系统控制电路图。启动开关SF1闭合，三台水泵电动机按1# 2# 3#顺序起动，启动完成后，远程的压力传感器传来压力信号，如果压力信号是常压信号，开关BG1闭合，进入CPU控制电机的运行，即有两台水泵电动机运行1#、2#，一台停止待用3#，两小时后先启动的1#水泵关闭，停止待用的3#启动运行，按同样的方式，依次 1# 2# 3#顺序切换，正常压力下得持两台水泵运行，切换时总是切除运行时间最长的那台水泵。当压力传感器传来低压信号时，开关BG2闭合，BG1断开，停止待用的水泵立即投入运行，即三台水泵全部运行，待压力传感器传来常压信号时，BG1闭合，BG2断开，将运行时间最长的那台水泵停止待用。当压力传感器传来高压信号时，BG3闭合，BG1断开，停止运行时间长的那台水泵，即只有一台水泵运行，待压力传感器传来常压信号时，使最先停止待用的水泵投入运行。 （六）PLC的选择及I/O分配1.水泵控制系统的输入/输出信号的代码和作用如下表3-1所示：表3-1输入/输出继电器地址分配表编程元件I/O端子作用输入继电器I0.0启动开关I0.1停止开关I0.2常压信号I0.3低压信号I0.4高压信号输出继电器Q0.01号水泵Q0.12号水泵Q0.23号水泵2.水泵控制系统的辅助元件的代码和作用如下表3-2所示：表3-2其他编程元件地址分配表编程元件编程地址PV值作用定时器T37/T3830s接通延时T39600s接通延时辅助继电器M1.0启动/停止1#标志M1.1启动/停止2#标志M1.2启动/停止3#标志M3.01#,2#的逻辑控制M3.12#,3#的逻辑控制M3.21#,3#的逻辑控制特殊继电器SM0.0 每个扫描周期都激活SM0.1只在第1个扫描周期激活 （七）PLC外部接线图小结：采用S7-300 PLC对水泵网络进行控制，实现对水位的控制。以PLC为中心，将各传感器输入的信号（模拟量或开关量）进行处理，再输出至显示装置显示（警示）或控制安全保护装置动作，实现对设备运行状态的监视和控制。三、采煤工作面监控系统煤炭作为主要的能源材料及工业原料，一直处于大量开采的阶段。在未来相当长的时间内，煤炭仍是我国的主要能源。简单的煤矿地面生产系统主要指的是带式运输系统。带式运输系统主要由给煤机、振动筛、矸石皮带、主皮带、配煤皮带、回煤皮带及落地皮带组成。（一）主要被控设备：采煤机、刮板输送机、破碎机、转载机、顺槽胶带机；其他还有乳化液泵、喷雾泵、液压支架。（二）控制内容：统内设备的开机和停止（自动开停顺序），实现与矿调度中心通讯，实现数据上传；在调度中心监控站画面显示工作面生产工艺过程；可以实现工作面前后刮板输送机、破碎机、转载机及泵站设备顺序启停、闭锁控制功能。（三）硬件设计地面皮带系统的主要功能为实现对给煤机、振动筛、主皮带、矸石皮带、配煤皮带、落地皮带、回煤皮带的控制。系统通过对过流、堆煤的检测，在正常情况下对主皮带、配煤皮带、回煤皮带、落地皮带等进行控制，实现控制屏控制和计算模拟屏控制。计算机监视是通过计算机显示器显示模拟的给煤机、振动筛、主皮带、矸石皮带、配煤皮带、落地皮带和回煤皮带的运行状态，并通过控制界面实现对整个地面皮带系统的控制。1 变频软启动过程与电路图变频软启动采用可编程控制器作为控制器。启动时，可编程控制器发出启动信号驱动变频器具体流程可如下图所示 S7-300可编程控制器给出启动信号后，由变频器同时启动，驱动一条皮带的两台异步电机。皮带电机的主电路如下图所示各路故障保护：跑偏保护、温度保护、烟雾保护、撕裂保护、速度保护、堆煤保护、过流保护、张力保护传感器与可编程控制连接示意图（2）带式运输机的控制实现本系统采用单台可编程控制其控制丹皮条带的方式对带式运输机进行控制。这种方式所需要的可编程控制器有：主皮带控制器、矸石皮带控制器、落地皮带控制器、回煤皮带控制器和配煤皮带控制器。皮带顺序启动及顺序停车由可编程控制器之前的通信完成，也可由上位机的组态王软件集中控制完成。在遇到故障时，可编程控制器根据获得的故障信号，自动动作进行故障处理，同时在上位机中给出故障信号。在遇到跑偏、撕裂、过流等严重故障时，可编程控制器直接控制停车，在遇到温度过高、烟雾过多等故障时，可编程控制器启动洒水装置最故障进行处理。如此类推故障持续恶化，可编程控制器可根据故障信息直接停车，同时将故障信息传输至上位机中。单条皮带控制系统总体示意图根据系统的特点和各品牌可编程控制器的特点，采用s7-300系列的可编程控制器。S7-300PLC是一种小型可编程控制器。其主要特点是：较高的可靠性、丰富的指令集、丰富的内置集成功能和强大的通信能力。I/O口的确定（3）S7-300工作方式需要用到的I/O口由带式运输系统的工作流程可知给煤机、落地给煤机及振动筛的运行与否是根据煤料存储情况而定的。当煤料由主皮带向煤仓或地面运送时，先启动配煤皮带，在匹配矸石皮带，然后顺序启动主皮带，最后启动振动筛及给煤机。I/O点数的确定序号绝对地址数据类型注释1I 0.0 数字量输入集控方式2I 0.1 数字量输入就地方式3I 0.2 数字量输入检修方式4I 0.3 数字量输入CST启动按钮5I 0.4 数字量输入CST停止按钮6I 0.5 数字量输入CST慢动按钮7I 0.6 数字量输入CST急停按钮8I 0.7 数字量输入CST输出报警信号9I 1.0 数字量输入停机信号10I 1.1 数字量输入跑偏信号11I 1.2 数字量输入拉线急停12I 1.3 数字量输入纵撕信号13I 1.4 数字量输入堆煤保护动作14I 1.5 模拟量量输入 速度检测15I 1.6 模拟量量输入烟雾传感器16I 1.7 模拟量量输入温度传感器17Q 0.0 数字量输出扩音电话预警18Q 0.1 数字量输出超温洒水19Q 0.2 数字量输出CST启动/停止20Q 0.3 数字量输出CST急停21Q 0.4 数字量输出CST慢动22Q 0.5数字量输出CST复位23Q 0.6数字量输出张紧控制24Q 0.7数字量输出CST急停指示灯25Q 1.0数字量输出CST启动指示灯26Q 1.1数字量输出给煤机启动指示灯27Q 1.2数字量输出烟雾报警28Q 1.3数字量输出堆煤报警29Q 1.4数字量输出跑偏报警30Q 1.5数字量输出拉线开关报警31Q 1.6数字量输出纵撕报警32Q 1.7数字量输出张力下降报警33Q 2.0数字量输出电机定子超温报警34Q 2.1数字量输出滚筒超温报警35Q 2.2数字量输出皮带打滑报警36Q 2.3数字量输出皮带断带报警37Q 2.4