瓦斯浓度检测与安全PLC控制系统.doc

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：瓦斯浓度检测与安全控制系统学生姓名：程保辉学 号：0867106209专 业：自动化班 级：自2008-2班指导教师：朱琳62内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）摘 要本文是以矿井瓦斯浓度为研究对象而设计的基于PLC的矿井瓦斯浓度检测与安全控制系统，经过设计，该系统能实现以下功能：（1） 实现瓦斯浓度的实时检测；（2） 根据井下瓦斯浓度自动控制排风量，提供上限报警功能；（3） 实现地面调度中心对各矿井瓦斯浓度实时检测与控制。首先，我们根据系统的控制功能要求，选择了合理的控制方案；然后，根据选定的控制方案，设计了系统的控制电路，并对PLC、变频器、传感器等硬件进行了选型配置和接线；接着，利用STEP7-Micro/WIN4.O编程软件完成了系统PLC控制程序的设计；最后，根据矿井瓦斯浓度检测与安全控制系统的功能要求，结合组态王软件和PLC的应用，完成了瓦斯浓度监控系统的设计。关键词：瓦斯检测；PLC控制；变频调速；组态王软件内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）AbstractMine gas concentration for the study design based on PLCs mine gas concentration detection and security control systems, by design, the system can achieve the following functions:(1) Real-time detection of gas concentration;(2) automatic control of the exhaust volume according to the underground gas concentration, the upper limit alarm function; (3) Ground dispatch center detection and control of coal mine gas concentration in real time.First, according to the control functions of the system requirements, select a reasonable control scheme; then, according to the selected control scheme, the design of the system control circuit, and the PLC, inverter, sensors and other hardware selection of the configuration and wiring,then,to use STEP7-Micro/WIN4.O programming software to complete the design of the system PLC control program; Finally, according to the functional requirements of coal mine gas concentration detection and security control systems, combined with configuration king software and PLC applications to complete the gas concentration monitoring system design.Key words: Gas detection； PLC control；Frequency conversion；Configuration software内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 引 言11.1 课题研究背景及研究意义11.2 系统设计目标及技术要求21.3 技术综述31.4 本章小结4第二章 系统设计52.1 设计步骤52.2 控制原理62.3 采样信号和控制量分析62.4 系统组成82.5 本章小结9第三章 硬件设计113.1 控制系统组成113.2 信号采样113.2.1 功能的实现113.2.2 传感器的选择113.3 运算控制执行部分133.3.1 功能的实现133.3.2 PLC选型143.3.3 变频器选型253.4 执行器部分273.4.1 风机选型273.5 电气控制系统原理图293.6 本章小结30第四章 软件设计314.1 PLC的编程语言314.1.1 PLC编程方法314.1.2 STEP7-Micro/WIN4.0编程软件介绍314.2 系统程序设计324.2.1 系统流程324.2.2 系统存储单元分配344.3 本章小结34第五章 瓦斯浓度监控系统上位机设计355.1 组态王软件简介355.2 上位机监控系统设计365.2.1 工程的建立与设备配置375.2.2 组态王中变量定义375.2.3 上位机监控系统主界面设计415.2.4 监控量的趋势曲线窗口425.3 本章小结43结束语45附录A46附录B46致谢59参考资料60内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言1.1 课题研究背景及研究意义煤炭在我国的一次能源使用中占有50%左右，是我国最主要的一次能源，它对国民经济的可持续发展起着非常重要的作用。随着工业的快速发展，对煤炭的需求量不断增加，使得煤矿的生产规模不断地扩大。同时，煤矿生产中的安全问题也成为人们更加关注的问题。大量的煤矿事故调查结果表明，煤矿发生的重大灾害事故都与矿井通风系统有着密切的关系。在煤矿的安全生产中，瓦斯浓度的高低起着关键的作用，而矿井通风机是矿井安全控制系统中的重要设备。矿井通风机的主要作用是：一方面向矿井中输入足够的新鲜空气，以保证井下工人可以安全的进行生产；另一方面，把井下开采时产生的有毒瓦斯稀薄到安全的浓度，并将其排出矿井；同时，也将矿井中飞扬的煤尘排出井外，以利于改善井下的工作环境白铭声，王维新，陈祖苏.流体力学及流体机械M.北京:煤炭工业出版社,1980。随着PLC和变频调速技术的快速发展，各种自动化控制领域都已广泛采用PLC和变频器。而在煤炭行业中，利用PLC控制的变频器带动风机的运行，不仅可以实现风机无级调速，而且还可以依据瓦斯浓度的高低及时调节风量，降低风机的能源消耗，从而节省大量的电能。变频调速技术用于交流异步电动机调速，其性价比高。并且其构造简单，调速范围较宽，调速精度较高，安装使用时调试较为方便，保护功能较为完善，运行比较稳定可靠，节能效果较为显著，已经逐渐成为交流电机调速的一种最新潮流。调频变压调速装置是一种现代化高技术电力节约能源的装置, 即所谓的VVVF , 我们通常称其为变频调速器。若将其运用到暖通空调制冷行业, 可达到明显的节能效果, 故被称为80年代暖通制冷空调行业的两大突破之一张燕宾.实用变频调速技术培训教程M.机械工业出版社,2004:55-90。变频调速技术与其他交流调速方式相比具有高效、高精度的优点,能够实现无级调速,其调速比一般能达到201,变频调速方式起动时能耗较小、寿命长、可靠性比较高,电子元器件能够高度集成化, 几乎不需要维修；并且其占地面积较小、无噪声, 无机械换向器，有很高的经济性；变频调速可采用微机控制, 并可以遥控, 一机多控；保护功能较多,能达到较高的节能效果, 收回投资快，技术发达国家70 年代末80 年代初已广泛采用变频调速技术李联友.住宅小区锅炉房供热系统优化运行的应用研究D.北京建筑工程学院，2002。若再使用组态监控技术和网络通讯技术对矿井瓦斯浓度进行监控，可使其达到高效、节能、安全运行的效果，大大提高煤矿自动化安全生产的水平。1.2 系统设计目标及技术要求我们研究的主要内容是瓦斯浓度检测和瓦斯浓度控制两部分模块。瓦斯浓度检测部分主要由瓦斯传感器、变送器组成，瓦斯浓度的控制部分主要由PLC、变频器和风机组成。对于目标控制量，主要是通过调节风机的转速来改变矿井的通风量，带走井下的瓦斯，即间接地调节了矿井的瓦斯浓度，使它低于我们所要求的浓度。根据具体的工业需要，我们设定一个预期的瓦斯浓度值，要通过系统的硬件部分和软件部分的共同作用使矿井瓦斯浓度低于设定值，并且当瓦斯浓度过高时，PLC控制变频器频率输出最大值，且报警指示灯亮。系统的工作原理如图1.1所示。图1.1 系统工作原理1.3 技术综述为了实现对矿井瓦斯浓度的控制，我们采用调节风机的转速来控制瓦斯浓度，使其小于给定浓度，为此我们提出两种控制方法进行比较。方案一：用PLC+风机控制此方案通过PLC给出转动的指令来驱动风机转动，根据给定的不同，风机的转速按实验的要求发生变化，从而达到对风机的转速的控制。它的调速是通过对预先在PLC中设定的程序的调用的调速方式，瓦斯传感器检测到矿井瓦斯的浓度，与给定的浓度进行比较，根据差值的符号来确定控制线圈的通断，从而驱动风机的启停。这种方式结构简单，以PLC直接控制风机运转，操作控制方式既简单又实惠，运算只在PLC中运行，简化了程序流程。但其有很多缺点，例如它的控制指令只是根据差值符号启停风机，这就导致风机的频繁启停，这样的控制过程会对风机造成较大的损害，并且会对电网造成较大的冲击。其方案示意图如图1.2所示。图1.2 控制方案一示意图方案二：PLC+变频器+风机控制针对方案一的不足进行改进，提出了PLC+变频器+风机的方式。虽只是加上了一个变频器，但它在调速性能上起到了很大的作用，其优点是能更好地保障矿井作业的安全。其控制方案示意图如图1.3所示。图1.3 控制方案二示意图综上所述，方案二比方案一优越，为此我们选方案二进行设计。1.4 本章小结本章详细地介绍了课题的选题背景和选题意义，概述了PLC控制技术的特点和应用功能，以及其在矿瓦斯浓度控制上的应用现状。同时，又阐述了变频调速技术在矿井风机上应用的必要性和其所能起到的作用和优点。最后，在此基础上，提出了本课题主要的设计方案。第二章 系统设计2.1 设计步骤本论文以矿井瓦斯浓度为研究对象，在实验室中根据模拟井下瓦斯浓度的变化，用PLC控制变频器来驱动风机变频运行，以控制矿井瓦斯浓度低于设定值。同时，还可以利用PLC和组态软件实现瓦斯浓度的在线监控，以及实现瓦斯浓度的超限报警和变频器故障报警功能。本论文的主要研究步骤如下:l)矿井瓦斯浓度控制系统设计该部分主要包括变频器、风机主电路和PLC控制电路两部分。要求能实现工频或变频运行，在变频运行时，该系统能根据矿井各巷道中瓦斯浓度的变化，自动控制风机的转速。当采集到的瓦斯浓度低于规定的安全标准时，PLC给变频器输出一个较小的输出，控制风机以较低转速运行；当采集到的瓦斯浓度达到规定的安全标准时，PLC根据一定的逻辑关系调整风机的转速；当瓦斯浓度超过了规定的报警标准时，PLC控制风机以最大转速运转，同时报警灯亮；当变频器发生故障时，系统停止变频运行。除此之外，系统还要实现矿井瓦斯浓度的实时在线监控。2) 可编程控制器相应硬件电路设计系统电路设计好以后，首先要根据该系统的要求进行PLC、变频器、传感器、风机及其它电气元件的选型，然后再根据矿井下的实际作业状况，确定PLC控制变频器的方式。最后，完成系统硬件部分的接线工作。3) 可编程控制器软件设计可编程控制器和变频器硬件电路部分设计好以后，还要进行系统软件部分的设计，包括该系统的PLC开关量控制，瓦斯浓度的PLC模拟量采集处理，以及变频器参数的设定和调试等。在编写瓦斯浓度的PLC控制程序时，需要根据一定的逻辑关系进行设计。4)上位机监控系统设计结合PLC和组态王软件，在上位机(PC)上完成矿井瓦斯浓度的在线监控系统的设计，以实现各巷道瓦斯浓度的在线控制，以及瓦斯浓度的曲线、超限报警和变频器故障报警功能。2.2 控制原理控制原理如图1.1，首先由上位机给PLC一个瓦斯浓度的期望值，它与经瓦斯传感器以及变送器送来的实际瓦斯浓度进行比较运算后，生成控制命令，将控制命令以电压的形式送给变频器实现变频，变频器通过输入的电压计算出对应的频率，控制风机的转动速度，不同转动速度对应不同的抽风量，从而实现了瓦斯浓度的控制。例如：根据系统的设计理论，当瓦斯浓度高于给定值时，风机的转速增加，风量增大带走较多的瓦斯气体使其浓度降低；当浓度低于给定值时，风机以较小的速度转动，以保持矿井的空气畅通。2.3 采样信号和控制量分析本系统的PLC共有36个开关量，包括16个输入，20个输出，其中输出量包括16个继电器输出和4个中间继电器输出；模拟量模块有4个输入，4个输出。系统的变量表如表2.1所示。表2.1 系统变量表序号信号名称信号性质占用硬件资源说 明11号巷道变频运行开关量I0.021号巷道工频运行开关量I0.131号巷道停止开关量I0.241号巷道变频器故障开关量I0.352号巷道变频运行开关量I0.462号巷道工频运行开关量I0.572号巷道停止开关量I0.682号巷道变频器故障开关量I0.793号巷道变频运行开关量I1.0103号巷道工频运行开关量I1.1113号巷道停止开关量I1.2123号巷道变频器故障开关量I1.3134号巷道变频运行开关量I1.4144号巷道工频运行开关量I1.5154号巷道停止开关量I2.0164号巷道变频器故障开关量I2.1171号巷道变频运行开关量Q0.0181号巷道工频运行开关量Q0.1191号巷道停止开关量Q0.2201号巷道超限报警开关量Q0.3212号巷道变频运行开关量Q0.4222号巷道工频运行开关量Q0.5232号巷道停止开关量Q0.6242号巷道超限报警开关量Q0.7253号巷道变频运行开关量Q1.0263号巷道工频运行开关量Q1.1273号巷道停止开关量Q2.0283号巷道超限报警开关量Q2.1294号巷道变频运行开关量Q2.2304号巷道工频运行开关量Q2.3314号巷道停止开关量Q2.4324号巷道超限报警开关量Q2.5331号巷道瓦斯浓度模拟量VIW0瓦斯浓度传感器342号巷道瓦斯浓度模拟量VIW2瓦斯浓度传感器353号巷道瓦斯浓度模拟量VIW4瓦斯浓度传感器364号巷道瓦斯浓度模拟量VIW6瓦斯浓度传感器371号巷道输出模拟量VOW0变频器控制信号382号巷道输出模拟量VOW2变频器控制信号393号巷道输出模拟量VOW4变频器控制信号404号巷道输出模拟量VOW6变频器控制信号 411号变频器故障开关量M0.0422好变频器故障开关量M0.1433好变频器故障开关量M0.2444好变频器故障开关量M0.32.4 系统组成本系统设计四个巷道，各个巷道的风机根据各自的瓦斯浓度的高低独立运行，每个巷道的控制量由工频、变频、停止、故障按钮组成。当系统变频运行时，PLC根据该巷道的瓦斯浓度控制变频器变频输出，而当系统工频运行时，风机直接接入电网，以额定功率运行，停止按钮是保证系统安全运行而设定的，故障按钮接入变频器的继电器输出，当变频器发生故障时，给该按钮一个高电平信号，保证系统安全运行。系统的控制流程图如图2.1所示。2.5 本章小结本章主要介绍了矿井瓦斯浓度控制系统整体的的设计步骤和控制思路，以及各控制量的作用。开始PLC初始化设定浓度给定值浓度检测模块采集信号控制量送变频器变频器故障？变频运行？超过限幅值？NNYN报警PLC输出最大值YY系统工频运行计算变频器控制量采样信号送上位机风机停止运行图2.1瓦斯浓度检测与安全控制系统控制流程图第三章 硬件设计3.1 控制系统组成PLC 作为CPU模块，控制整个系统的运行，从瓦斯传感器送来的模拟瓦斯浓度信号PV(t)经过EM231的A/D转换模块转换为数字信号与给定的浓度信号进行比较计算。变频器作为执行设备，主要是接收EM232的输出信号，进行频率换算，输出风机需要的工作频率。风机作为被控设备，通过电源的频率的改变实现无级调速。传感器和变送器作为检测元件，主要检测矿井瓦斯的浓度给PLC进行分析运算。它们共同作用组成了该控制系统，该系统从总体上来看分为由传感器组成的现场采样部分；PLC和变频器组成的运算、控制、执行部分；风机是被控部分。3.2 信号采样3.2.1 功能的实现采样部分是由瓦斯传感器实现的。先由安装在矿井巷道里的瓦斯传感器检测到矿井内瓦斯的实时浓度，将浓度信号转变为电信号（电流信号），将其信号送给PLC的EM231的模拟信号输入端RX、X+和X-。3.2.2 传感器的选择一般情况下矿井发生瓦斯发生爆炸时瓦斯的浓度为5% 16%,瓦斯浓度低于5%时既不燃烧也不爆炸、大于16%时发生燃烧袁野.低瓦斯矿井瓦斯爆炸机理研究J,煤炭科学技术,2011,5:67-69。因此我们选用重庆富强华威环保工程有限公司生产的量程为0%10%的GJG10H红外甲烷传感器，能满足我们设计的要求。GJG10H红外甲烷传感器是专门用以监测煤矿井下010%范围甲烷气体浓度的半固定式本质安全型检测仪表。采用国际最新“非色散红外”（NDIR）气体检测技术研制而图3.1 GJG10红外甲烷传感器成，克服了传统催化原理检测的测量范围窄、标定周期短、容易中毒等缺陷，具有测量准确、反应速度快、标定周期长、不受其它气体影响、测量范围宽、功耗低、使用寿命长等特点，是煤矿预防瓦斯突出和瓦斯爆炸的更新换代产品。仪器能够连续监测甲烷气体浓度并就地显示，同时将甲烷浓度值转换成标准电信号传输给关联设备。本传感器还具有报警点、断电点任意设置，超限声光报警、断电信号输出，故障自检等功能，易于维护、调校。GJG10H红外甲烷传感器的技术参数如表3.1所示：表3.1 GJG10H红外甲烷传感器技术参数测量范围010.0%CH4分辨率0.01%CH4测量精度0.001.00 0.06%CH41.0010.0 真值的6%响应时间25s调校周期6个月工作温度040工作湿度99%RH（无冷凝）工作压力30kPa130kPa（绝压）工作电压（924.5）V DC输出信号200Hz1000Hz（线性对应0.0010.0%CH4）或15mA或420mA传输距离3km报警方式间歇式声光报警采样方式自由扩散式使用寿命5年防爆型式Exib I矿用本安型3.3 运算控制执行部分3.3.1 功能的实现该部分包括PLC和变频器两部分。PLC作为中枢控制运算器，控制整个系统的安全运行，正常工作时它接收到来自瓦斯传感器的检测信号后作为实时输入浓度，该浓度经过整定后与给定的浓度进行比较运算后将其结果作为输出控制电信号（电压信号）通过EM232 模块的输出端M0、V0输出给变频器，作为变频器实现无极调速的模拟量信号。变频器作为系统的执行设备，接收来自PLC的模拟电信号（电压），主频率指令端AIN+对应PLC的V0接口，模拟量公共点端AIN-对应PLC 的M0接口。根据电压信号所占满电压值的比例输出对应的控制频率作为风机的输入电源的频率，到达控制电机转速的目的。3.3.2 PLC选型可编程控制器(PLC)采用微处理器为基础，充分综合了计算机技术、自动控制技术以及通信技术等先进技术而发展起来的一种新的工业自动化控制装置，是一种把计算机技术运用于工业控制领域的新技术，其主要用于代替继电器来实现逻辑运算。随着该技术的不断发展，现在的可编程控制器功能已超过了逻辑控制范围裴建良 等.可编程控制器的应用之一J,江西科学,2005王世明.可编程序控制器在真空纳米镀膜自动控制中的应用研究D.电子科技大学,2006 。近二十年来，PLC的生产厂家在美、日、德等发达工业国家中迅速增加，PLC的种类更为繁多。如：美国德州仪器公司的TI、PM等系列；日本三菱电机公司的FX、A、K等系列；德国西门子公司的SIMATICS7等系列。根据系统设计所需要的外部接口以及对PLC的性能要求。另外通过在PLC的课程学习中所学到的关于PLC的知识，在该系统的设计中，我们选择了具有扩展模块的西门子S7-200系列的PLC(CPU224)它的扩展模块是EM223、EM231和EM232。其中EM223是I/O扩展模块；EM231是A/D转换模块，它的作用是模拟信号的输入，将由传感器送来的采样值经过A/D转换变为对应的数字信号；EM232是D/A转换模块，它的功能是将PLC经过计算后要输出的信号转换为对应的模拟量送给变频器，因此我们选择PLC（CPU224）它的外部连接图（包含了EM223、EM231、EM232模块）如图3.2和图3.3所示廖常初.PLC 编程及应用第三版J.机械工业出版社，2008:30-35。图3.2 PLC外部连线图（1）图3.3 PLC外部连线图（2）S7-200（CPU224）系列PLC的主要技术性能表3.2所示。表3.2 S7-200CPU224 的技术规格功率7W尺寸(宽高深)1378062mm存储器特性程序存储器数据存储器超级电容(典型值)8192 bytes8192 bytes100 小时定时器总数1ms 定时器数10ms 定时器数100ms 定时器数256416236计数器数量256(由超级电容备份)内存存储器位256(由超级电容备份)掉电保持112时间中断边沿中断21ms 分辨率4 个上升沿/4 个下降沿模拟电位器2个8 位分辨率逻辑运算速度浮点运算速度0.17s8s时钟内置集成的通信功能通讯接口1个RS2321 个RS485PPI/MPI 波特率9.6, 19.2 和187.5k自由口波特率1.2kbaud 至 115.2k最大站点数每段32 个站，每个网络126 个站最大主站数32点到点(PPI 主站模式)是(NETR/NETW)，共4 个，2 个保留MPI 连接1 PG/1 OP本机I/O 特性本机数字量输入点数输入类型14漏型/源型本机数字量输出点数输出类型10固态MOSFET数字I/O 映象区模拟 I/O 映象区256(128 输入/128 输出)64(32 输入/32 输出)最大扩展I/O模块数7脉冲捕捉输入脉冲输出14220KHz高速计数器数量单相计数器两相计数器6630KHz420KHz数字量输入特性额定电压24V DC最大持续允许电压30V DC逻辑1 信号 ( 最小)逻辑0 信号 ( 最大)15 VDC，2.5mA5 VDC，1mA隔离(现场与逻辑)光电隔离隔离组数有500V AC，1 分钟2（一组8 点/一组6 点）可同时接通的输入14最大电缆长度屏蔽非屏蔽500 米(标准输入)50 米(高速计数器输入)300 米(标准输入)数字量输出特性额定电压24V DC输出电压范围20.4至 28.8 VDC逻辑1 信号(最小)逻辑0 信号(最大)20 VDC，最大电流0.1 VDC，10KW 负载每点额定电流(最大)每个公共端的额定电流(最大)漏电流(最大)浪涌电流(最大)0.75A3.75A10A8A，100ms灯负载(最大)5 W接通电阻(接点)0.3 W 典型值(0.6W 最大值)隔离(现场与逻辑)光电隔离隔离组有500V AC，1 分钟2延时(最大)断开到接通接通到断开2ms(Q0.0, Q0.1)，15ms(其它)10ms(Q0.0, Q0.1)，130ms(其它)脉冲频率(最大)20KHz(Q0.0 和Q0.1)可同时接通的输出1两个输出并联是，仅输出同组时最大电缆长度屏蔽非屏蔽500 米(标准输入)150 米(标准输入)EM223的技术参数如表3.3所示：表3.3 EM223技术参数特性8 DI24V DC8 DO继电器物理特性尺寸(宽高深)1.28062mm功耗3W输入特性输入点数8输入类型漏型/源型输入电压额定值24V DC最大允许电压30V DC浪涌电压35V DC， 0.5 秒信号11530V信号005V隔离光电隔离500V AC，持续时间1 分钟以内每组隔离点数4点最长输入时延4.5 毫秒漏电流最大1mA AC电缆长度非屏蔽300 米屏蔽500 米可同时为 ON 的输入点数408508输出特性输出点数8输出类型继电器干触点输出电压范围DC: 530V, AC: 5250V输出电流信号1输出组数每组输出点数同时为ON 的输出点数每组最大电流灯载接触电阻浪涌电流（最大）短路保护2A2488ADC:30W,AC:200W0.2 欧姆7A，触点关闭外部提供隔离每组隔离点数4 点线圈和逻辑电源之间线圈和触点之间电阻(线圈和触点之间)无1500V AC,持续1 分钟最小100M继电器特性开关延时开关频率（最大）机械开关次数(空载)触点寿命(额定负载)15 毫秒1HZ100,000,000100,000电缆长度非屏蔽150米屏蔽500米电源损耗+5V DC消耗电流80mAL+接通时每个输出9mAL+线圈电压范围20.428.8V DCEM231的技术参数如表3.4所示：表3.4 EM231的技术参数特性EM231: 4 AI 12 位物理特性尺寸(宽高深)71.28062mm功耗2W电源损耗+5V DC消耗电流20mAL+60mAL+线圈电压范围20.428.8V DCLED 灯指示24V 电源状态，亮表示电源正常，灭表示电源故障模拟量输入特性输入点数4隔离(现场与逻辑电路间)无输入类型差分输入量程范围电压输入(单极性)010V, 05V电压输入(双极性)5V, 2.5V电流输入020mA数据字格式1530V单极性，全量程032000双极性，全量程-3200032000输入分辨率电压输入(单极性)2.5 mV (010V 量程)1.25 mV (05V 量程)电压输入(双极性)2.5 mV (5V 量程)1.25 mV (2.5V 量程)电流输入5A (020mA 量程)模数转换时间小于300s模拟量输入响应时间1.5ms共模抑制40dB，DC to 60Hz共模电压信号电压+共模电压(必须小于等于12V)输入阻抗不小于10M最大输入电压30V最大输入电流30mAAD 转换器分辨率12 位量程选择：表3.5所示为如何用DIP开关设置EM 2314AI模块的量程。开关1、2和3可选择模拟量输入范围。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。表中，ON为接通，OFF为断开。表3.5 EM231的量程选择单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0 to 10V2.5mVONOFF0 to 5V1.25mV0 to 20mA5uA双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON 5 V2.5mVONOFF 2.5 V1.25mVEM232的技术参数如表3.6所示。表3.6 EM232技术参数特性EM232：2 AQ 12 位物理特性尺寸(宽高深)468062mm+5V DC 消耗电流20mAL+60mAL+线圈电压范围20.428.8V DCLED 灯指示24V 电源状态，亮表示电源正常，灭表示电源故障模拟量输出特性输出点数2输出范围电压输出电流输出10V020mA输出分辨率电压输出电流输出12BIT11BIT数据字格式电压输出电流输出-32000+32000032000测量误差典型值: 满量程的0.5%，最坏情况：满量程的2%稳定时间电压输出电流输出100s2ms最大驱动24V用户电源电压输出电流输出最小5000最大5003.3.3 变频器选型变频器按其结构来划分，可分为交-交变频器与交-直-交变频器两种类型。交-交变频器可直接将工频交流电转换成频率和电压都能控制的交流电，我们又称其为直接变频器。交-直-交变频器是先把工频交流电经整流器先转化成直流电，经滤波环节后，再把直流电转换成频率和电压都可控的交流电，我们也可称其为间接变频器。现在工业领域使用最多的变频器是间接变频器，它由主电路和控制电路组成，其中主电路由整流器、中间直流环节和逆变器组成。交-直-交变频器的基本结构如图3.4所示。图3.4 交-直-交变频器的基本结构1)整流器整流器即网侧变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。2)逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使六个开关器件导通、关断就可以得到三相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。 3)中间直流环节中间直流环节又称为中间储能环节，由于逆变器的负载大多数为感性负载，其功率因数小于1，因而中间直流环节和电机之间存在无功功率的交换。而这种无功量需要用中间直流环节中的电容器或电抗器来缓冲。4)控制电路控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。另外，变频器按调制方法分，有PAM型和PWM型两种类型变频器；按其用途来分，又有通用变频器和专用变频器两种类型。目前，变频器的品牌有很多种，国外的有ABB、Siemens、Lenze、Vacon、Danfoss、KEB、LG、Samco等，国内的有阿尔法、佳灵、时代、森林等。我们在工业生产中选用变频器一般有如下步骤：(l)看负载的类型是恒功率负载、恒转矩负载还是平方转矩负载；(2)通过负载的类型和要求的控制任务，来确定变频器类型和数量；(3)由电动机的额定功率和额定电流，来确定变频器的额定电流和输出频率；(4)进行市场调查，确定变频器的品牌；(5)由变频器的额定电流和输出频率，对该变频器进行选型；(6)变频器型号选好以后，再进行校验。基于以上步骤，我们选用SiemensMM420变频器，如图3.5所示，MM420型变频器是Siemens公司生产的专门用于风机、泵类负载的变频器，其输入信号类型可以是O十10v、420mA。3.4 执行器部分在本设计中，通过调节风机的转速来控制吹入矿井的风量，风机的电源三相端与变频器的U、V、W 端相连接。变频器通过对U、V、W 端的电源频率的改变来控制电机的转速。变频器、风机接线图如图3.6所示。3.4.1 风机选型风机的叶片和电机组合多数都可以根据风量、风压来选型，一般离心风机比轴流风机在大风量和大风压的组合选择上更有优势。综合考虑最后选择淄博新华风机有限公司图3.5 MM420变频器图3.6变频器、风机接线图生产的JK58-1No4矿用局部通风机。如图3.7所示。其主要特点如下：1、运转效率高。单级和双级工作轮最高全压效率分别为92%和83%，对旋型最高全压效率为85%。2、规格齐全，适应性强。局扇的送风距离从80米到600米不等，可满足用户各种不同的需要。3、体积较小，重量较轻，移动灵活方便。4、噪声较低。用户有特殊要求时，可配套消声器。图3.7 JK/DJK系列矿用局部通风机3.5 电气控制系统原理图电气控制原理图包括主电路图和控制电路。主电路：该系统共有四台风机为M1、M2、M3、M4。接触器KM1、KM3、KM5、KM7分别控制M1、M2、M3、M4的变频运行。接触器KM2、M4、M6、M8分别控制M1、M2、M3、M4的工频运行；FR为电机过载保护用的热继电器；FU为主电路的熔断器；1#4#是西门子的MM420变频器。控制电路：该系统的控制电路也分为四个部分，分别控制四个巷道风机的运行情况，并及时发出报警信号。其中各个巷道的工频和变频运行线圈构成互锁，各自的运行状态线圈都并联一个状态信号灯，便于观察风机的运行状态，报警开关后接一个报警灯。系统硬件连线图见附录A。3.6 本章小结本章首先对系统的组成做了具体的概述，然后对输入采样部分、运算控制执行部分和被控部分的硬件电路以及各部分的选型作了具体的说明。第四章 软件设计4.1 PLC的编程语言4.1.1 PLC编程方法PLC最主要的特点就是编程语言比较简单、容易学习、掌握较快，比较常用的编程语言分为：梯形图 (Ladder Diagram)、指令表(Instruction List)、功能块 (Function Block Diagram)、顺序功能图(Sequential Function Chart)和结构文本 (Structured Text)，但目前使用的最为广泛的编程语言是梯形图。4.1.2 STEP7-Micro/WIN4.0编程软件介绍STEP7一Micro/WIN4.0编程软件是基于Windows的应用软件，是由西门子公司专为s7-200系列PLC产品设计而开发的软件，它的功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。STEP7-Micr/WIN4.O除了具有STEP7-Micro/WIN3.2的基本功能外，还增加了下面的一些新功能：1）支持最新CPU增强项的新向导2）新诊断工具.指令和库增强项一新CPU硬件支持3）支持新的64千字节和256千字节内存盒4）改善的 TD200和 TD200C文字显示支持5）使用标记页组织数据块6）新硬件表STEP7-Micro/WIN 4.0为PID控制器、TD200文本显示器和通信模块等设计了向导，通过对话框的方式，只需输入一些参数就可自动生成用户程序。由于新产品s7-200PLC支持PID自整定功能，STEP7-Micro/WIN4.0中添加了PID自整定控制面板，通过自动调谐可以获得最优的比例、积分、微分和采样时间。PID指令向导能以对话框的方式设置PID回路的编号、设定值的范围、增益、采样周期、积分时间、微分时间等，还可以设置是否使用报警功能等。设置完成后，系统自动生成子程序PIDx_INIT(x=07)和中断程序PID_EXE。使用该软件编译成功的程序，可以通过一根PC/PPI电缆或PPI多主站电缆下载到PLC中，然后执行程序的调试和运行。STEP7-MicroWIN4.0编写的程序一般由主程序(OBI)、子程序和中断程序三部分组成。其中，子程序主要是用来进行程序的初始化，中断程序可以进行模拟量信号的定时采样，而主程序用来调用子程序和中断程序王道锋.橡胶沥青的生产工艺及关键设备研究D.长安大学,2010。4.2 系统程序设计4.2.1 系统流程系统共有四个瓦斯传感器分别检测四个矿井巷道的瓦斯浓度，四个巷道的主程序控制部分和模拟量信号处理子系统程序相同并且相互独立，故现在就以一个巷道来介绍。使用STEP7编程软件编写该控制系统的PLC控制程序，其程序包括主程序、初始化子程序0、给定信号处理子程序1、一号巷道模拟量信号处理子程序2、二号巷道模拟量信号处理子程序3、三号巷道模拟量信号处理子程序4和四号巷道模拟量信号处理子程序5六部分1、主程序流程主程序用来控制风机的自动变频、工频运行、子程序的调用、瓦斯浓度的超限报警以及变频器故障等功能。其流程图如图4.1所示。2、子程序子程序0的作用是有关寄存器的初始化，包括给定值的初始化、限幅值的初始化、显示信号的初始化，当主程序运行时，该程序即被调用一次。子程序1是给定值和限幅开始PLC初始化读取浓度给定值浓度检测模块采集信号控制量送变频器计算变频器控制量变频器故障？变频运行？超过限幅值？NNYN报警PLC输出最大控制量YY采样信号送上位机系统工频运行风机停止运行图4.1 PLC主程序流程图值的整定，由于系统选用的瓦斯传感器是量程为0%10%，故需标度变换为相应的数字量，以便于计算。源程序见附录B。4.2.2 系统存储单元分配系统接收外部瓦斯信号和向变频器发送信号时要用PLC的存储单元，其存储单元的地址如表4.1所示。表4.1 系统存储单元分配表给定信号地址VD0限幅信号地址VD41号巷道瓦斯采集信号地址AC01号巷道浓度显示地址VD282号巷道瓦斯采集信号地址AC12号巷道浓度显示地址VD323号巷道瓦斯采集信号地址AC23号巷道浓度显示地址VD404号巷道瓦斯采集信号地址AC34号巷道浓度显示地址VD484.3 本章小结本章对介绍了PLC的编程方法，并且对STEP7-Micro/WIN4.0编程软件进行了介绍，对系统的软件程序设计进行了说明，同时还对系统的存储单元分配情况进行了说明。第五章 瓦斯浓度监控系统上位机设计5.1 组态王软件简介组态软件是利用人机界面对被控对象进行监视控制，以及对数据进行采集和处理的软件。组态王包括工程管理器、工程浏览器、画面开发系统(Touchmake)、画面运行系统(Touchview)以及信息窗口五个部分。组态王软件有以下功能特点黄友锐,王清灵,凌六一.基于PROFIBUS-DP总线的压风机监控系统J.煤矿机械，2005(12):106-108：1）、趋势曲线组态王软件中的趋势曲线用来反映采集数据随时间变化的状况，它可分为实时趋势曲线和历史趋势曲线。2）、报警功能组态王软件可对需要报警的变量进行监视，当变量的数值变化异常时，将产生报警，并把报警事件显示在报警窗口中。报警窗口也有两种类型:实时报警窗口和历史报警窗口。3）、报表处理数据报表是对生产过程中变量状态的记录和反映，它既能反映系统实时的生产情况，还能对长期的生产情况进行统计、分析，使管理员能够实时掌握和分析生产状况。组态王提供数据报表也有两种类型:实时数据报表和历史数据报表。4）、控件功能控件是一种可以重复使用的对象，采用Active技术，用来执行专门的任务。我们通过控件属性来控制控件的外观和行为，接受输入，提供输出和丰富的命令语言函数，用来完成各种特定的功能。使用组态王软件建立一个新的程序，一般来说包括以下步骤袁秀英，余群威等，组态控制技术M.北京：电子工业出版社，2003：1）新建工程项目2）设计图形界面3）构造数据库数据库是组态王的核心部分。在数据库中建立的各种变量负责与各种设备进行数据交换，以及完成相关数据的存储。4）建立动画连接在建立好的图形画面上，双击需要建立动画连接的图形对象，弹出“动画连接”对话框，用户可以根据要求定义若干个动画连接，构成比较复杂的显示效果。5）运行调试以上步骤完成后，启动组态王运行系统，通过对画面的观察和操作来验证设计的是否正确与完善，根据出现的问题再重复以上的步骤，完善系统的功能。5.2 上位机监控系统设计通过组态王软件和PLC构建矿井瓦斯浓度的监控系统，就可以实现对矿井瓦斯浓度的远程自动在线监控王启立,胡亚非,熊建军.基于可编程控制器的煤矿主