基于PLC矿井压风机的自动控制系统毕业设计.doc

毕毕业业设设计计说说明明书书 基于基于 PLCPLC 的矿井压风机自动控的矿井压风机自动控 制系统设计制系统设计 专业专业电气工程及其自动化 学生姓名学生姓名 班级班级 学号学号 指导教师指导教师 完成日期完成日期 本科生毕业设计说明书 2013 毕业设计说明书 毕业论文 独创性声明 本人声明所呈交的毕业设计说明书 毕业论文 是本人在导师指导下进 行的研究 设计工作后独立完成的 除了文中特别加以标注和致谢的地方 外 说明书中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究 所做贡献集体和个人 均己在说明书中作了明确的说明并表示谢意 本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担 毕业设计说明书 毕业论文 作者签名 手写 日期 年 月 日 指导教师签名 手写 日期 年 月 日 本科生毕业设计说明书 2013 基于基于 PLCPLC 矿井压风机的自动控制系统矿井压风机的自动控制系统 摘 要 空气压缩机是一种通过压缩气体来提高气体压力或输送气体的动力供给设备 螺杆式空气压风机更以其损失小 效率高 适应性强等优点 广泛应用于工业生产领 域 随着应用规模的扩大 原有控制方式的效率低下 维修率增高等问题也日益突出 同时电子技术和微电子技术的迅速发展 由 PLC 自动控制压风系统 具有较高的可靠 性和较好的节能效果 PLC 自动控制系统正是这种技术的产物 本文在了解社会发展 与需求的情况下 以山东某矿井压风机为项目背景 设计和开发了一种 PLC 自动控制 压风机系统 取代了旧时代的手工控制和分散控制 从而提高了系统的自动化程度 同时论文对压风机的几种控制方式进行了分析 并进行了综述 同时 设计出了压风 机自动控制的总体方案 硬件配置以及软件与程序的设计 在该系统中 可编程控制 器 西门子 S7 300 系列 作为下位机 较好的解决了自动控制等问题 上位机软件采 用的是 MCGS 软件 通过此软件开发出一种可视化的监控画面 两者有效的结合起来 采用以矿井气压压力为主控参数 实现对压风机工作过程和运转速度的有效控制和监 控 系统运行结果显示出本系统具有良好的可靠性和实用性 提高了整个压风机控制 系统的自动化 智能化的水平 从而最终能够实现压风机房的无人值守 关键词 螺杆式压风机 可编程控制器 组态软件 自动控制 本科生毕业设计说明书 2015 Automatic control system based on PLC of the mine pressure fan Abstract Air compressor is a compressed gases to enhance gas pressure or transport gases power supply equipment Screw air compressor is more with its low loss high efficiency the advantages of strong adaptability is widely used in industrial production field With the enlargement of the scale the low efficiency of original control mode repair rate increases and other issues are also increasingly prominent At the same time the rapid development of electronic technology and microelectronics technology automatic pressure control system by PLC with high reliability and good energy saving effect PLC automatic control system is the product of this technology Based on the understanding of social development and the demand of cases a fan for mine pressure in Shandong project background design and develop a kind of PLC automatic control pressure blower system replacing the old days of manual control and distributed control thus improve the degree of automation of the system At the same time the paper studies for compressor control several ways and were summarized at the same time designed the fan on the overall scheme of the automatic control of pressure hardware configuration and software and program design In this system programmable controller Siemens S7 300 series as the lower machine better solved the problems such as automatic control PC software USES MCGS software through the software to develop a visual surveillance images Both effective combination using pressure as the main control parameter to the mine pressure in the working process of the compressor and the effective control and monitoring of the running speed System operation results show that this system has good reliability and practicability improves the automation and intelligence of the whole control system of compressor So as to eventually be able to realize pressure wind room unattended Keywords Screw compressor Programmable controller Configuration software The automatic control 本科生毕业设计说明书 2013 目目 录录 1 前言 6 1 1 项目背景 6 1 2 课题研究意义 6 1 3 PLC 的发展状况 7 1 4 效果预测 7 2 系统的总体方案设计 8 2 1 方案的比较与选择 8 2 1 1 以 PC 机为核心控制系统 8 2 1 2 以单片机为核心控制系统 8 2 1 3 以 PLC 为核心控制系统 9 2 2 系统方案 11 2 3 本章小结 12 3 系统的硬件设计 13 3 1 控制系统的主电路的设计 13 3 2 系统硬件配置 13 3 2 1 检测技术与传感器的选型 13 3 2 2 可编程控制器的分析 14 3 2 3 PLC 的选型 15 3 2 4 其它模块的选型 17 3 3 本章小结 19 4 系统的软件设计 20 4 1 PLC 软件的设计 20 4 2 主程序的设计 20 4 2 1 故障判断子程序的设计 22 4 2 2 程控子程序的设计 23 4 3 人机交互界面的设计 24 人机交互界面方便了工作人员对于生产设备的查看 本文人机交互界面使用的软件 是 MCGS 24 4 3 1 MCGS 软件的介绍 24 4 3 2 主界面的设计 25 4 4 本章小结 27 5 总结与展望 28 参考文献 29 致 谢 30 基于 PLC 的矿井压风机的自动控制系统 0 1 前言 1 1 项目背景 本学位论文的课题来源于山东某矿井压风机房 刚压风机房具有 4 台英格索兰生 产的 MM300 2S 型螺杆式压风机 每台压风机独立控制 为矿井建设提供动力 由于对 4 台压风机的操作要进行现场调试 给整个压风机房的操作 维护和管理带来了不变 此外 原控制系统是继电器 接触器控制 这些年 器件经常容易损坏 在控制也出 现落落很多的问题 严重影响了压风机的正常运行 另外矿用压风机需要长时间的运 行 而且煤矿每时的风量又都不一样 则会出现供风压力不稳定的现象 为避免这种 情况 压风机就要在空载 或轻载 和负载状态下切换 经常这样使用会导致设备使 用时间的减短 对国家电力资源造成浪费 针对上述情况 就需要设计出对于压风机的自动控制同时又能智能检测的系统 以提高空压机的工作效率 该系统能够根据风量的变化实现自动化控制 并能够远程 操作 监控和报警 对于过压 过热 电流过载等情况进行有效保护 以达到提高生 产效率 稳定了压风机的工作性能 能够让工作人员得到更多的休息 提高了工作人 员对工作的热情 1 2 课题研究意义 煤矿矿井压风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分 压风机在其中又起到 至关重要的作用 压风机一般用在气动设备的动力提供上 将空气压缩成一定压力的 气体 使之运转 例如供井下风镐 风泵等气动设备 可以把井下的粉尘冲淡 这样 就能给工作人员创造出一个好的工作环境 保证了他们的健康 所以压风机是矿井系 统安全运行的重要保障 设备运行的平稳性将直接决定整个生产是否能够完成指标 PLC 作为驱动设备 凭借着其通用性和可靠性等优点 在这个电子技术和微电子 技术的迅速发展的社会中得到广泛应用 由 PLC 自动控制压风系统 提高了可靠性和 节能效果 在整个自控系统中 通过远程控制能够更好的完成生产需求 本文通过一 个实例 基于 PLC 的矿井压风机自动控制进行分析 矿井中工作环境的好坏 将直 接决定了工作效率与工作人员的身体健康 所以压风机的使用就显得越发的至关重要 我国是煤矿大国 煤矿安全与生产效率是我国政府一再强调的问题 因此提高生产安 全性和生产效率是至关重要的 所以提高矿井系统的安全性 可靠性和快速性是势在 必行的 之前的煤矿压风机控制系统中 多采用继电器和接触器控制方式 这种控制 方式体积庞大 由于触电过多 会出现接触不良等故障的发生 同时当故障产生时也 不利于检修 而且运行速度慢 生产效率低下 PLC 与上位机有效的结合在一起将解 决这一系列的问题 通过 PLC 对现场设备的控制 并把工作状态上传给上位机 我们 就可以通过上位机进行实时监控 这样使得压风机的使用寿命增加 故障排除简单 工作效率提高 为煤矿矿井压风系统的节能技术改造提供一条新途径 本科生毕业设计说明书 2015 1 1 3 PLC 的发展状况 在工业生产过程中 存在着大量的开关量信号 这些信号遵循一定的逻辑条件和逻 辑关系按顺序做出相应 的动作 根据动作的结果来驱动 在 PLC 出现之前 传统上 这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的 工厂自动化控制的初期阶段采用继电 器进行控制 但是这种控制方式存在着很多的弊端 这个继电器控制组体积过于庞大 耗电量多 继电器由于长时间的吸合断开导致寿命短 运行的速度也不尽人意等 所 以后期就急需研发出一种可以替代继电器控制的控制方式 随着工业现代化的发展 企业规模的不断扩大 对生产率的要求也越来越高 控制 系统的可靠性也要随之提高 以至于原有的继电器控制方式渐渐不能满足这些需求 1969 年 美国数字设备公司把继电接触器控制的有点与计算机功能齐全 灵活 通用 的特点结 合起来研制出了一种新型工业控制装置 并在其他行业很快得到了推广应用 这就是第一代可编程控制器 社会在发展进步 各个领域都向着自动化 信息化的方向发展 其中工业生产一直 强调提高工作效率 减少人力 这就更大大的强调了自动化的重要性 而 PLC 作为工 业控制中的电控装置 其重要性更是不言而喻的 而且随着技术的发展和市场需求的 增加 可编程控制器也随之更新 体积越来越小 功能越来越全 可靠性越来越高 运行速度越来越快 稳定性也越来越强 1 4 效果预测 本系统通过智能传感器对设备层的一些数据进行检测 通过背板总线上传给 PLC 控制单元 PLC 存储器中是可以进行程序编写的 通过对测量数据的比较 对压风机 组进行轮流工作 以达到自动化控制的目的 控制结果上传给上位机 上位机界面对 压风机进行实时监控 工作人员通过对观察上位机就可以准确的了解到每个压风机的 工作状态和实时数据 还可以通过对上位机界面的控制来实现对压风机组的远程控制 当故障出现时 可以及时确定故障所在 并把压风机组的自动控制切换到手动控制 放便检修 通过此系统能够达到矿井压风机的无人值守 提高压风效率 节能减排 减员增效的目的 基于 PLC 的矿井压风机的自动控制系统 2 2 系统的总体方案设计 2 1 方案的比较与选择 在本次设计中 对于压风机的控制系统的方案 按控制核心的不同 大致可分为以 PC 机为核心控制系统 以单片机为核心控制系统 以 PLC 为核心控制系统这三种 2 1 1 以以 PCPC 机为核心控制系统机为核心控制系统 以 PC 机为核心控制系统的简略系统结构图如图 2 1 所示 图 2 1 基于 PC 机为核心结构图 以 PC 机为核心的控制系统在大小型工业控制中占有一定的比例 基于其技术开放 操作方便 结构简单 并且具有丰富的软件资源 主要特点是 把 I O 装置做成板卡 的形式 这样就能将它直接和 PC 机上的总线相连接 也就是说可以直接插在计算机的 扩展槽上使用 这种方案以其结构简单 器件少而立足 但是也正是由于它过于简单 所以存在着 很多的不足之处 1 我们所要检测点信号都集中到一起 信号线过多造成现场信号相 互之间存在一定的干扰 并且维护也不方便 2 控制中心只有一台 PC 机 当计算机 出现故障 系统整体就有可能出现瘫痪 风险高 3 工作现场不能够看到检测数据 也不能报警 灵活性差 2 1 2 以单片机为核心控制系统以单片机为核心控制系统 以单片机为核心控制系统简略结构图如图 2 2 所示 监监控控计计算算机机 输输入入板板卡卡 现现场场设设备备 远远程程PC远远程程PC 显显示示报报警警 本科生毕业设计说明书 2015 3 图 2 2 以单片机为核心控制系统结构图 运用单片机控制方案 是因为单片使用起来结构简单 成本低 但是采用单片机控 制 还有很多不足之处 1 在对此系统进行设计时 扩展电路和系统配置电路这两部 分设计比较复杂 耗费了大量的时间 影响了工作进程 2 由于此次系统设计的使用 环境是矿井 工作环境比较恶劣 所以对系统的抗干扰性的要求就比较高 而用单片 机控制方案抗干扰性差 虽然我们采取了一些措施减少干扰 但总体效果并不是怎样 理想 3 系统的电源模块还需要自己设计 这就更增加了设计者的工作量 而且系 统的稳定性和可靠性都得不到保障 4 每个系统在长时间运转之后都有一个维修周期 而单片机控制方案维修不方便 给维修人员带来了不便 2 1 3 以以 PLC 为核心控制系统为核心控制系统 以 PLC 为核心控制系统的简略系统结构图如图 2 3 所示 监监控控计计 算算机机 通通讯讯模模块块 通通讯讯模模块块 电电源源 声声光光报报警警 键键盘盘 显显示示 单单 片片 机机 信信号号隔隔离离变变换换 现现场场设设备备 现现场场集集中中显显示示 设设备备 远远程程PC 远远程程PC 基于 PLC 的矿井压风机的自动控制系统 4 图 2 3 以 PLC 为核心控制系统结构图 PLC 是适合于工业生产控制的一个电子装置 通过在其内部村存储器中编写程序来 进行逻辑运算 计时 算法运算等操作 同时通过外部设备对一些数字量和模拟量的 提取 并通过输出对现场控制 把 PLC 和外部设备有效的结合运用 使得整个系统适 用于各种大中小的工业控制 PLC 具备以下特点见表 2 1 所示 表 2 1 PLC 特点 1 集成电路式样可靠性高 抗干扰能力强是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术 采用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进 的抗干扰技术 具有很高的可靠性 2 配套齐全 功能完善 适用性强 PLC 产品已经标准化 系列化 模块化 配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用 用 户能灵活方便地进行系统配置 组成不同功能 不同规模的系统 3 易学易用 深受工程技术人员的欢迎 采用简明的梯形图 逻辑图或语句表等编程语言 而无需计算机知识 因此系统开发周期 短 现场调试容易 另外 可在线修改程序 改变控制方案而不拆动硬件 4 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器 时间继电器 计数器等器件 使控制柜的设计 安装 接线工作量大大减少 PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来 设计 监监控控计计 算算机机 通通讯讯模模块块 通通讯讯模模块块 声声光光报报警警 显显示示 PLC 现现场场设设备备 远远程程PC 远远程程PC 本科生毕业设计说明书 2015 5 PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试 输入信号用小开关来模拟 通过 PLC 上 的发光二极管可观察输出信号的状态 完成了系统的安装和接线后 在现场的统调过 程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决 系统的调试时间比继电器系统少得多 在本次设计方案的选取中 考虑到现场工作环境的恶劣 抗干扰性强 价格经济等 方便 故选取 PLC 控制系统是更为适合 2 2 系统方案 由于空压机在矿井建设中起到至关重要的作用 设计的成功与否对该矿的生产起到 一个关键作用 因此 安全 稳定 高校是贯穿本次设计的一个宗旨 电气系统方面 使用 PLC 做为下位机的主控制机对 4 台压风机进行控制 现场通过 不同传感器对数据进行采集 然后传输给 PLC 进行 A D 转换 现场设备的检测和控制 便通过执行机构 传感器和 PLC 共同实现 监控系统方面 上位机是在一台计算机上通过 MCGS 软件设计出主监控画面 从 而工作人员便可以在控制室通过计算机对现场进行监控和控制 PLC 接有触摸屏 也 可以通过对触摸屏上软按钮的操作以达到对压风机的就地控制 系统的组成 本方案采用分布控制系统 当 PLC 或者控制对象某一个环节出现故 障的时候不会影响其它压风机的正常工作 控制系统按功能划分成了现场设备层 中 央控制层 数据呈现层这三个层次 其具体的系统结构图如图 2 4 所示 1 现场设备层 现场设备层由执行机构和传感器组成 主要包括开关 传感器 压风机 电磁阀等 现场设备 因为生产环境的恶劣 所以对现场设备层的质量和工作的稳定性要求都比 较高 我们在硬件设计中对硬件的选取就非常重要 2 中央控制层 作为整个系统的核心部分 PLC 的功能就是对模拟信号和开关信号的检测和控制 初次之外每个 PLC 除了对现场设备层进行控制意外 还要和触摸屏 PC 机进行实时 通讯 每个 PLC 把采集的数据信息通过现场总线传给上位机进行数据分析 上位机通 过分析结果向 PLC 传达指令 PLC 执行指令操作设备层 3 数据呈现层 由触摸屏和上位机组成 与下位机 PLC 进行通讯 获取现场设备的实时数据 利 用 MCGS 软件 可以观察压风机的工作状态 也可以根据不同的需求进行参数设置 同时还具有报警画面 历史曲线等功能 工作人员可以通过触摸屏上的软按钮对压风 机进行远程控制 基于 PLC 的矿井压风机的自动控制系统 6 本科生毕业设计说明书 2015 7 图 2 4 系统结构图 2 3 本章小结 本章节通过分析现场设备的工作环境和设计的具体要求 我们分析并比较不同核心 的控制系统最终选取 PLC 作为控制核心 而且我们了解到现场环境时恶劣的对硬件的 抗干扰性和稳定性的要求是比较高的 最终我们在现有的技术基础上研究并确立了本 次设计的具体系统方案 触触摸摸屏屏界界面面 工工业业以以太太网网 上上位位计计算算机机 CPU 模模拟拟量量输输 入入模模块块 以以太太网网通通 信信模模块块 开开关关量量输输 入入模模块块 开开关关量量输输 出出模模块块 压风机电电控控柜柜 风风 门门 温温度度传传感感器器 压压力力传传感感器器 测测量量回回路路 开开关关量量信信号号 控控制制回回路路 限限位位开开关关 风风门门控控制制柜柜 不不间间断断电电源源 电电 量量 变变 送送 器器 中中 间间 继继 电电 器器 温温 度度 变变 送送 器器 调调 度度 中中 心心 客客 户户 端端 打打 印印 机机 稳稳 压压 电电 源源 人人机机界界面面PLC控控制制柜柜 信信号号采采集集控控制制对对象象 基于 PLC 的矿井压风机的自动控制系统 8 3 系统的硬件设计 3 1 控制系统的主电路的设计 本系统可编程控制器 空压机组 传感器 接触器控制柜以及触摸屏等构成 系统 可以通过远程控制和手动控制对压风机进行操作 所谓远程控制 现场设备层的器件 采集模拟信号或开关信号传达给 PLC PLC 进行运算之后再次上床给上位机 上位机 根据数据汇总分析发布执行指令 工作人员通过对上位机的操作来完成压风机启停和 风压的改变 同时 PLC 上也接有触摸屏 触摸屏上装有监控软件 通过触摸屏上的软 按钮也可以对压风机进行操作 当工作人员在现场操作时 遇到突发事件或进行器件 的检修时我们可以采用手动控制 具体电气原理图如图 3 1 所示 图 3 1 主电路图 3 2 系统硬件配置 确定了系统方案之后 首先对系统的硬件进行选取设计 其中包括检测技术与传感 器的选型以及 PLC 选型 3 2 1 检测技术与传感器的选型检测技术与传感器的选型 传感器是能够按照一定的规律把外部的模拟量转换成数字量的器件和装置 传感器 的产生方便了我门对信号的测量与控制 是工业控制中必不可少的一部分 1 压力传感器的选型 现场需要对进出压力 润滑油压力和总管压力进行测量 然后把压力信号转化为 4 20mA 电流信号输出给 PLC PLC 再传输给上位机 压力信号要求范围为 0 1 0MPa 精度要在 0 5 以上 本次设计中所采用的是 GRT 压力变送器 下面简单介 绍一下 GRT 压力变送器 本科生毕业设计说明书 2015 9 表 3 1 压力变送器基本特性 1 主要特性 传感器为 316 不锈钢膜片结构 适用被测的介质可以使腐蚀性气体 液体 测量范 围在 20KPa 20MPa 测量精度为 0 1 0 25 0 5 三倍过压范围 2 供电特性 推荐工作供电电压 DC 24V 空载工作电压 DC 12V 最高过载电压 DC 40V 最大输出限流 30mA 内设电压极性反接保护 3 工作环境特性 环境温度补偿范围 0 50 环境温度工作范围 20 80 工作环境湿度范 围 0 80 4 外型结构与典型接线 探头外型尺寸 59mm 120mm 重量 650g GPT 过程连接外螺纹规 格 M20 1 5 GPT 过程连接内螺纹规格 M12 1 25 2 温度传感器的选型 铂电阻具有适用范围广 测量范围大 稳定性高 重复性好 价格低廉 使用方便 等优点 成为目前工业和实验室中温度测量应用最广泛普遍的传感元件之一 本系统 选择用 PT100 作为本次设计的温度传感器 3 2 2 可编程控制器的分析可编程控制器的分析 1 可编程控制器 PLC 工作原理 PLC 是一种工业控制用的计算机 PLC 的工作方式有周期扫描方式 定时中断方 式 输入中断方式和通信方式等 最主要的方式是周期扫描方式 周期扫描方式大致 分为 7 个过程 如图 3 2 所示 图 3 2 PLC 工作过程 PLC 启动后 要进行第一次启动的初始化处理 在启动处理过程通过以后 要进 到共同处理过程 共同处理的主要任务是复位监视计时器 检查 I O 总显示否正常 检查扫描周期是否过长和检查程序存储器是否有异常等 由于 PLC 采用的是扫描工作 过程 所以当一个扫描周期结束之后 即使此时外部设备传输进来的输入发生改变 但此时的输入状态映射寄存器中的内容也不会发生改变 等到下一个周期到达时才会 随之改变 2 PLC 的基本结构 PLC 的硬件组成是由 7 部分组成 如图 3 3 所示 表 3 2 简单的介绍了部分硬件 启启动动处处理理 共共同同处处理理 通通信信服服务务 外外设设服服务务 输输入入刷刷新新 程程序序执执行行 输输出出刷刷新新 扫扫描描周周期期 基于 PLC 的矿井压风机的自动控制系统 10 图 3 3 PLC 的组成 表 3 1 PLC 组成硬件简介 CPU 模块 CPU 是 PLC 的核心部分 它不断采集输入信号 执行用户程序 并根据执 行结果控制输出设备响应外部设备的 同时进行各种内部诊断 存储器 PLC 的存储器分为两类 一种是系统程序存储器 主要存储系统管理 监控 程序和用户程序编译程序 这类程序用户不能更改 另一种是用户程序及数据存 储器 主要存储用户编制的应用程序和各种数据 电源 PLC 的电源一般使用 AC22V 或 DC24V 直流 24V 电源不仅可以供应内部 使用 还可以供输出 输入单元和传感器使用 输入 输出接口 输入 输出接口时 PLC 与外部设备信息交换所需的连接部件 PLC 通过输入 接口把外部设备的工作状态读入到中央处理器 输出接口将 CPU 处理的结果传 输到执行机构 外部设备接口 外部设备接口可以连接不同的外部设备以达到更好的人机交互 存储器接 口可以扩展存储器 通信接口使得 PLC 可与计算机及其他 PLC 等设备实现通信 I O 扩展接口 扩展输入 输出单元 可以配置开关量 I O 单元 也可配置其他特殊 I O 单元 它使得 PLC 的控制规模配置更加灵活 3 2 3 PLC 的选型的选型 目前 PLC 种类繁多 几乎可以满足各种工业控制的需求 因此 PLC 的选型一 外外 部部 设设 备备 接接 口口 输输 入入 接接 口口 CPU 电电源源 存存储储器器 系系 统统 用用 户户 用用 户户 程程 序序 数数 据据 I O 扩扩 展展 接接 口口 编编程程器器 I O 扩扩 展展 接接 口口 单单 元元 按按钮钮 触触点点 行行程程 开开关关 指指示示灯灯 电电磁磁 线线圈圈 电电磁磁阀阀 计计算算机机 打打印印机机 扫扫描描仪仪 PLC 本科生毕业设计说明书 2015 11 般遵循见表 3 3 所示 表 3 3 PLC 选型原则 序号选型原则 1 I O 点数的确定 确定 I O 点数时应考虑到为以后扩展留有余量 通常根据统计的输入输出 点数 然后再增加 10 20 的扩展余量 作为 I O 点数估算数据 当然 在实际购买时 还需要根据厂商 PLC 的产品特点 对 I O 点数进行圆整 2 存储器容量的确定 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小 程序容 量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小 因此程序容量小于村粗器容量 由于设 计阶段应用程序还未编制 因此 通常用来估算存储器的容量 许多文献资料都给出了不同 的估算公式 但是大体上都是按照 I O 点数的 10 15 倍 加上模拟 I O 点数的 100 倍 再按 此数的 25 考虑余量 一次作为存储器的容量估算 3 控制能力的确定 一般小型 低档 PLC 具有逻辑运算 定时 计数等功能 对于只需要 开关量控制的设备都可满足 对于以开关量控制为主 带少量模拟量控制的系统 可选用能 带 A D 和 D A 单元 具有加减算术运算 数据传送功能的增强型低档 PLC 对于控制较 复杂 要求实现 PID 运算 闭环控制 通信联网等功能 可视控制规模大小及复杂程度 选用中档或高档 PLC 但是中 高档 PLC 价格较贵 一般大型机主要用于大规模过程控制 和集散控制系统等场合 4 响应速度的要求 PLC 的扫描工作方式引起的延迟可达 2 3 个扫描周期 对于大多数应用场 合来说 PLC 的响应速度都可以满足要求 不是主要问题 然而对于某些个别场合 则要 求考虑 PLC 的响应速度 为了减少 PLC 的 I O 响应的延迟时间 可以选用扫描速度高的 PLC 或选用具有高速 I O 处理功能指令的 PLC 或选用具有快速响应模块和中断输入模 块的 PLC 等 因此 要结合工程需求和现场条件 选择更为合适的 PLC 本系统中共有 4 台空压机 根据需求 模拟量输入 17 个 数字量输入 17 个 数字 量输出 12 个 具体的 I O 点数见表 3 1 表 3 1 I O 点数统计表 I O 类型模拟量输入数字量输入数字量输出 类型数量类型数量类型数量 总管压力1自动 手动4启动 停止4 进气压力4控制台急停5加载 减载4 出口压力4合闸反馈4放气4 电机电流4分闸反馈4 信号类型 压风机温度4 统计点数AI17DI17DO12 总计49 根据以上几个方面比较 从性价比以及其它几个方面进行比较 本设计采用 SIEMENS 公司的 S7 300 系列的 CPU315 2DP CPU315 2DP 具有大中规模的程序容量 对二进制和浮点数有较高处理性能 有两个 PROFIBUS DP 主站 从站接口 可以建立 基于 PLC 的矿井压风机的自动控制系统 12 分布式 I O 结构和大规模的 I O 配置 该型号具有 16 数字输入 16 数字输出 可提供 标准的 24VDC 的输入输出电压 3 2 4 其它模块的选型其它模块的选型 根据现场要求 本系统除 CPU 模块意外还需要 模拟量电源模块 模拟量输入模 块 数字量输入模块 数字量输出模块 接口模块 通信模块 1 电源模块的选择 系统选用 PS307 5A 标准型号为 307 1EA00 0AA0 该电 源模块输出电流 5A 输出电压 24VDC 隔离性好 具有防开路和短路的功能 模块 图如图 3 4 所示 图 3 4 电源模块 2 模拟量输入模块的选择 本系统采用 SM331 1KF00 0AB0 该模块为 AI8 13 位 该模块的输入通道有 8 个 其模块视图和接线图如图 3 5 所示 3 数字量输入模块的选择 本系统采用 SM321 1BL00 0AA0 该模块为 32 点输 入 16 组 额定输入电压 DC24V 允许最大静态电流 1 5mA 其模块视图和接线图如 图 3 6 所示 4 数字量输出模块的选型 本系统采用 SM322 1HH00 0AA0 该模块有 16 点继 电器输出 8 点 组 光电隔离 最高电压 DC120V AC230V 每组输出总电流 60 8A 阻性负载最大输出电流 2A AC 230V 2A DC 24V 感性负载最大输出电流 2A AC 230V 2A DC 24V 感性负载最大输出频率 0 5Hz 阻性负载最大输出频率 1Hz 短路保护为外部提供 其模块视图及接线图如图 3 7 所示 5 接口模块的选择 由于系统就用到两机架 且两机架之间距离很近 故选用 IM365 接口模块 6 通信模块的选择 本系统利用 Delcos3100 控制器预留出的 MODBUS 通信接口 与 PLC 通信 以实现 Delcos3100 控制器地址数据读出与写入 因此选用具有 1 L 2 M2 L 2 M2 L 2 M2 L 1 M1 24V DC 24V DC输输出出 电电压压端端子子 24V DC开开关关 接接系系统统电电压压 和和保保护护性性接接地地 导导体体的的端端子子 电电压压选选择择开开关关 24V DC输输出出电电 压压正正常常指指示示灯灯 本科生毕业设计说明书 2015 13 MODEBUS 通信协议的 CP341 通信模块 型号为 341 1CH01 0AE0 图 3 5 SM331 模块视图和接线图 图 3 6 SM321 模块视图和接线图 1U 2I 3S 4M 5M 6U 7I 8S 9M 10M U I S M M U U U U U 10 11 13 12 14 15 16 1717 1818 1919 20 U 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 I M S M U I S M M U 32 33 34 35 36 37 38 39 40 S I M M U I S M M 逻逻 辑辑 和和 背背 板板 总总 线线 接接 口口 模模数数转转换换器器ADC 4 DMU L M 4 DMU L M CH0 CH1 CH2 CH3 CH4 CH6 CH5 CH7 电电隔隔离离 来来自自背背 板板总总线线 的的 5V 电电压压 内内部部电电源源 电电流流源源 多多路路转转换换器器 基于 PLC 的矿井压风机的自动控制系统 14 图 3 7 SM322 模块视图和接线图 3 3 本章小结 本章首先详细分析了 PLC 的工作原理 模块式 PLC 的基本结构 其次对系统硬件 配置及相关器件的选型 最终确定了硬件电路 本科生毕业设计说明书 2015 15 4 系统的软件设计 4 1 PLC 软件的设计 本文采用的 PLC 编程软件是西门子公司研发的 STEP7 编程软件 它使用的主要是 梯形图语言对整个系统进行编程 对于 S7 300 型 PLC 为了便于以后的扩展和维护 它采用模块化的设计 本系统度矿井通风机的程序设计主要包括一下几部分 风机的 启动和停止控制 数据的采集处理以及故障的报警处理等 风机的启动和停止控制中 采用的控制方式是就地的手动控制和 PLC 与上位机完成的自动控制 手动控制是在 PLC 和上位机的功能被限制的条件下 由专业的技术人员直接进行手动操作 自动控 制主要是由上位机发出指令 由 PLC 根据其内部的逻辑程序实现对风机的自动控制 这两种模式的切换是由矿井通风机柜上的转换开关进行切换的 并且要强调的是这两 种模式之间是互锁的关系 在监控系统中 PLC 的输入端口只能识别数字量 我们需要 把传感器检测到的模拟量转换成数字量 这个任务主要是由 STEP7 的标准模块来完成 然后将这些数字量上传到上位机 并且有上位机及触摸屏将上传的各个参数显示在显 示屏上 为了确保矿井生产的安全性和可靠性 上位机界面设计的故障报警处理相关 模块 在检测的过程中如果参数在某个时刻的值超过了报警值 PLC 程序就会调用报 警子程序 将会对相应的传感器进行监测 进而判断传感器的好坏 反馈给操作人员 保证相应的传感器能够得到及时的维护和检修 4 2 主程序的设计 针对本系统选用的 PLC 硬件设置 本次的软件设计将采用 STEP 7 软件 本系统 使用结构化编程的方法进行设计 每个子程序完成一项工作任务 然后在总程序块中 进行调用 这种方法可以减少工作量 当某一个环节出现问题的时候也方便了使用者 进行检查和修改 大大提高了工作效率 这种程序结构简单清晰 易于修改 本系统 程序包括故障判断子程序和程序控制子程序 在程序设计之前先制定 I O 分配表 本 系统需要对模拟量输入 数字量输入 数字量输出这三个模块分别进行 I O 口的分配 见表 4 1 4 2 4 3 所示 其程序流程图如图 4 1 所示 表 4 1 SM331I O 分配表 SM331 模拟量输入模块 输入端口的定义输入端口的定义 CHO1 压风机电流CHO1 压风机进气压力 CH12 压风机电流CH12 压风机进气压力 CH23 压风机电流CH23 压风机进气压力 CH34 压风机电流CH34 压风机进气压力 CH41 压风机温度CH41 压风机出口压力 输入端口的定义输入端口的定义 基于 PLC 的矿井压风机的自动控制系统 16 CH52 压风机温度CH52 压风机出口压力 CH63 压风机温度CH63 压风机出口压力 CH74 压风机温度CH74 压风机出口压力 CHO总管压力 表 4 2 SM321I O 分配表 SM321 数字量输入模块 输入端口的定义输入端口的定义 I0 01 压风机自动 手动切换I1 01 压风机启动 I0 12 压风机自动 手动切换I1 12 压风机启动 I0 23 压风机自动 手动切换I1 23 压风机启动 I0 34 压风机自动 手动切换I1 34 压风机启动 I0 41 压风机控制急停I1 41 压风机停止 I0 52 压风机控制急停I1 52 压风机停止 I0 63 压风机控制急停I1 63 压风机停止 I0 74 压风机控制急停I1 74 压风机停止 I2 0 总控制急停 表 4 3 SM322I 0 分配表 SM322 数字量输出模块 Q0 01 压风机的起动 停止Q1 01 压风机放气 Q0 12 压风机的起动 停止Q1 12 压风机放气 Q0 23 压风机的起动 停止Q1 23 压风机放气 Q0 34 压风机的起动 停止Q1 34 压风机放气 Q0 41 压风机的加载 减载 Q0 52 压风机的加载 减载 Q0 63 压风机的加载 减载 Q0 74 压风机的加载 减载 本科生毕业设计说明书 2015 17 上上电电 复复位位 初初始始化化 通通信信子子程程序序 通通信信故故障障 A AI I读读入入 设设定定值值读读入入 故故障障判判断断子子程程序序 手手动动挡挡自自动动挡挡 就就地地控控制制手手动动控控制制程程序序控控制制远远程程控控制制 返返回回 故故障障输输出出 故故障障报报警警 是是 是是 否否 图 4 1 主程序流程图 4 2 1 故障判断子程序的设计故障判断子程序的设计 为了能够准确了解系统的运行状况 同时可以对系统出现的异常情况进行快速处理 因此在程序中必须进行参数异常值得判读和报警 其程序流程图如 4 2 所示 基于 PLC 的矿井压风机的自动控制系统 18 图 4 2 故障判断流程图 4 2 2 程控子程序的设计程控子程序的设计 本系统以总管压力为依据 运用程序自动控制功能 实现了 4 台压风机之间的自动 控制 其控制时序的设定如下 在程序中设定了 4 个量 即停机值 开机值 加载值 卸载值 并且对每一台压风机的停机时间 开机时间 加载时间 卸载时间通过计时 器计时 例如一台压风机开始工作时 则触发开机计时器开始计时 同时停机计数器 计时器清零 反之 当压风机停止工作 则触发其停机计时器 开机计时器清零 同 样的原理 当加载时加载触发加载计时器开始计时 卸载计时器清零 卸载时 卸载 计时器开始计时 加载计时器清零 通过记录压风机的这 4 个量来控制压风机的循环 使用 我们通过外部设备获得总管压力 压风机组正常工作状态下的总管压力值处于 加载值和卸载值之间 当测量出总管压力值偏高 程序进行判断出加载时间最长的压 风机并控制其卸载操作 反之 当总管压力值偏低 则判断出卸载时间最长的压风机 并控制其加载操作 同理 程序把总管压力值与停机值进行比较 当超过停机值时 则判断出开机时间最长的一个压风机并进行停机操作 反之 程序把总管压力值与开 机值进行比较 当低于开机值时 则判断出停机时间最长的压风机并进行开机操作 当然其中肯定存在着多台压风机工作时间相同的情况 面对这种情况我们只需要让压 风机按照 1 4 顺序操作就可以了 为了对压风机进行保护 可以设定每台压风机的加 卸载时间不能超过 30 分钟 这样可以避免出现某一台压风机长时间连续工作 减少对 压风机的损害 对于保护这一点 程序中也做了对压风机的温度进行测量比较了 通 过外部设备对压风机的温度进行测量 我们通过程序把测量值和给定值进行比较 当 超过给定值 压风机进行停机操作 根据需求不同 我们可以通过触摸屏对这些给定 值进行设定 当然这些自动控制的前提是压风机组没有任何故障的情况下 当压风机 组出现故障 我们切换到自动控制模式 对故障进行分许处理 其流程图如图 4 3 所 示 开开始始 模模拟拟量量读读入入 上上限限设设定定值值 停停机机设设定定值值 报报警警输输出出报报警警输输出出停停机机并并报报警警 结结束束 否否是是否否是是是是否否 本科生毕业设计说明书 2015 19 图 4 3 程控流程图 根据现场需求 四个设定值如表 4 1 所示 通过对压风机的自动控制 可以有效的使 用压风机的使用时间 对每一台压风机的使用时间基本一致 这样就不会出现某一台 压风机长时间工作 而其它压风机长时间待业的情况 岁压风机组起到了一定的保护 作用 也提高了压风机的利用率 同时也节约了能源 表 4 1 压力值的设定 参数停机值卸载值加载值开机值 设定值 var 7 06 86 46 2 4 3 人机交互界面的设计 人机交互界面方便了工作人员对于生产设备的查看 本文人机交互界面使用的软件 是 MCGS 4 3 1 MCGS 软件的介绍软件的介绍 组态软件的主要作用就是监控 他集监控与控制于一身 工业生产带来了许多方便 次软件在控制系统的层次中属于监控层 是直接面对用户的 所以开发者在开发时不 仅仅要完成功能 也要考虑到人机之间交互的和谐性 组态软件的应用领域非常广泛 煤矿行业 大型工业 电力系统等领域中都得到了广泛的应用 本系统的上位机和触 程程控控标标志志位位 1 P 总总管管压压力力 加加载载值值 P 总总管管压压力力 卸卸载载值值 P 总总管管压压力力 开开机机值值 P 总总管管压压力力 停停机机值值 处处于于停停机机状状态态中中选选 停停机机时时间间最最长长的的空空 压压机机 处处于于加加载载状状态态中中选选 加加载载时时间间最最长长的的空空 压压机机 处处于于卸卸载载状状态态中中选选 卸卸载载时时间间最最长长的的空空 压压机机 处处于于运运行行状状态态中中选选 运运行行时时间间最最长长的的空空 压压机机 启启动动加加载载卸卸载载停停机机 卸卸载载时时间间 20分分钟钟停停机机 否否否否否否 是是 基于 PLC 的矿井压风机的自动控制系统 20 摸屏都采用的是 MCGS MCGS 操作方便 功能齐全 界面优美 维护性强等优点 打开 MCGS 软件 新建一个工程便发现每个工程是由主控窗口 设备窗口 用户 窗口 实时数据和运行策略这五个部分组成 如图 4 4 所示 每个部分都具有自己的 功能 这些功能合理的组在一起才能完成一个系统 主控窗口中存在的是工程的主窗 口 在主控部分中我们可以根据需求放置一个或多个界面 用户通过对这些界面的操 作来调用其它窗口 设备窗口就是用来和外部设备进行连接的 本窗口中添加控制输 出的设备 定义了工程所需的变量名称 驱动程序和配置数据也是在其中完成的 用 户窗口是工程的人机交互界面 这些界面是计算机直接面对客户的交互界面 用户可 以通过观察界面对控制设备进行监控 实时数据库是数据交换与处理的部分 是整个 工程运行起来的一个