1、 吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书矿 山 空 气 压 缩 机 智 能 监 控 控 制 仿 真 系 统 设 计Design of Simulation System for Intelligent Control of Mine Aircompressor学 生 学 号 ： 学 生 姓 名 ： 专 业 班 级 ： 测 控 指 导 教 师 ： 职 称 ： 讲 师 起 止 日 期 ： 2014.2.24 2014.6.13 吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书- I -摘
2、 要空 气 压 缩 机 的 安 全 生 产 和 保 护 对 于 厂 矿 企 业 的 生 产 是 十 分 重 要 的 。 可 编 程 控 制 器 (PLC)将传 统 的 继 电 器 控 制 技 术 、 计 算 机 控 制 技 术 和 通 信 技 术 融 为 一 体 ， 专 为 工 业 控 制 而 设 计 。利 用 传 感 检 测 仪 表 和 PLC对 矿 山 空 气 压 缩 机 进 行 控 制 ， 实 现 空 气 压 缩 机 监 控 系 统 设 计 ，从 而 使 生 产 系 统 获 取 良 好 的 经 济 效 益 和 安 全 性 能 。 本 设 计 介 绍 了 空 气 压 缩 机 PLC控 制
3、系 统组 成 、 保 护 功 能 、 控 制 原 理 、 系 统 通 信 、 系 统 信 号 的 采 集 ， 以 及 控 制 系 统 软 件 设 计 思 想 。本 文 给 出 了 空 气 压 缩 机 监 控 系 统 的 总 体 设 计 方 案 硬 件 组 态 及 网 络 通 讯 配 置 方 案 开 发了 空 气 压 缩 机 公 共 参 数 系 统 。 PLC的 监 控 软 件 ， 及 基 于 WinCC(Windows Control Center)的空 气 压 缩 机 上 位 机 过 程 监 控 软 件 ， 完 成 了 监 控 系 统 的 安 装 与 调 试 工 作 。 该 方 案 充 分
4、利 用 将空 压 机 与 PLC控 制 器 相 连 ， 能 够 灵 活 方 便 地 实 现 对 空 压 机 的 远 程 监 控 。 在 对 控 制 系 统 需求 分 析 的 基 础 上 ， 设 计 出 空 压 机 监 控 系 统 的 总 体 结 构 ， 给 出 了 系 统 的 软 硬 件 配 置 ， 详 细 阐述 了 系 统 各 功 能 模 块 的 内 容 及 作 用 ， 并 对 系 统 调 试 原 理 和 方 法 进 行 了 说 明 。 实 际 运 行 结果 表 明 该 控 制 系 统 运 行 良 好 ， 效 果 达 到 了 预 期 要 求 。关 键 词 ： 空 气 压 缩 机 ； PLC；
5、 控 制 系 统 ； WinCC矿 山 空 气 压 缩 机 智 能 监 控 控 制 仿 真 系 统 设 计- II -AbstractThe safety operation and protection of air compressor is of great importance to the production of factories and mining enterprises. Integrating the conventional relay control, computer control and communication control technologies,
6、programmable logic control(PLC)is designed specially for industrial control. Sensing detection instruments and PLC are used to control mine air compressors, realizing the design of air compressor monitoring system so as to help the production system gain good economic benefits and safety performance
7、. The paper describes the composition, protection function, control principle, system communication, collection of system signals and design idea of the PLC system of air compressors.The thesis gives the total design plan, hardware configuration and network communication plan of the air compressor m
8、onitoring system, and it develops the PLC monitoring software of public parameters and the super computer monitoring software of the air compressor monitoring system based on WinCC(Windows Control Center), and finishes the installation and debugging of the system. This method makes use of connect ai
9、r compressors and PLC controller by which the air compressors can be easily monitored. Based on the analysis of requirements of the control system, this paper presents an overall scheme of the monitoring system, introduces the hardware and software configuration, and illustrates the function blocks
10、and adjusting method of the system in detail. The result of the operation indicates the monitoring system works well and meets the requirements desired.Keywords: Air compressor； PLC； Control system； WinCC 吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书- III -目 录摘 要 IAbstractII第 1 章 绪 论 11.1 引 言 11.2 课 题 背 景 及 意 义 1第 2 章
11、硬 件 选 型 和 地 址 符 号 表 32.1 PLC 模 块 的 选 择 32.2 系 统 软 件 设 计 42.3 通 信 52.4 地 址 和 变 量 的 配 置 62.4.1 输 入 地 址 62.4.2 输 出 地 址 62.4 信 号 采 集 7第 3 章 下 位 机 程 序 设 计 83.1 矿 山 空 气 压 缩 机 控 制 系 统 的 工 艺 流 程 83.2 下 位 机 程 序 设 计 93.2.1 S7-300 硬 件 的 配 置 93.2 下 位 机 程 序 设 计 103.2.1 S7-300 硬 件 的 配 置 103.2.2 S7-300 程 序 的 设 计 1
12、1第 4 章 矿 山 压 缩 机 控 制 系 统 监 控 界 面 的 设 计 134.1 WinCC 对 本 设 计 的 意 义 134.2 WinCC 资 源 管 理 器 的 组 成 与 相 应 功 能 134.3 创 建 矿 山 空 气 压 缩 机 控 制 系 统 监 控 项 目 154.3.1 创 建 步 骤 154.3.2 相 关 设 置 154.4 建 立 逻 辑 连 接 164.4.1 驱 动 的 功 能 164.4.2 添 加 SIMATIC S7 Protocol Suite 驱 动 程 序 的 步 骤 174.5 建 立 变 量 连 接 184.6 图 形 界 面 的 设 计
13、 20矿 山 空 气 压 缩 机 智 能 监 控 控 制 仿 真 系 统 设 计- IV -4.6.1 图 形 编 辑 器 的 介 绍 204.6.2 压 缩 机 主 界 面 224.6.3 报 警 画 面 234.6.4 曲 线 画 面 244.6.5 导 航 界 面 264.7 组 态 图 形 界 面 274.7.1 变 量 组 态 274.7.2 常 量 组 态 284.8 组 态 报 警 304.8.1 报 警 记 录 的 内 容 和 功 能 304.8.2 组 态 过 程 值 归 档 314.8.3 用 户 归 档 32第 5 章 变 频 器 控 制 365.1 变 频 器 工 作
14、原 理 365.1.1 工 艺 要 求 365.1.2 参 数 设 置 介 绍 365.2 变 频 器 的 下 位 机 设 计 37结 论 39参 考 文 献 40致 谢 41吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书- 1 -第 1章 绪 论1.1 引 言在 煤 矿 采 煤 生 产 中 ， 空 气 压 缩 机 （ 简 称 ： 空 压 机 ） 主 要 负 责 向 矿 井 大 量 的 风 动 机械 提 供 动 力 ， 其 工 作 的 可 靠 性 和 安 全 性 直 接 影 响 着 矿 山 的 正 常 生 产 和 经 济 效 益 。 目 前大 部 分 空 压 机 存 在 着 控 制 方 式
15、 落 后 、 操 作 不 方 便 的 问 题 。 控 制 回 路 大 多 为 继 电 器 控 制 ，控 制 方 式 采 用 就 地 分 散 式 人 工 操 作 ， 由 固 定 人 员 24 小 时 值 守 ， 值 守 人 员 根 据 井 下 用 风量 的 需 求 手 动 启 动 或 者 停 止 空 压 机 ， 并 且 定 时 巡 检 、 记 录 运 行 状 况 。 另 外 ， 空 压 机 耗 电量 很 大 ， 其 中 有 相 当 长 时 间 是 在 空 载 或 轻 载 状 态 下 运 行 ， 导 致 能 耗 大 、 机 器 受 损 严 重 、运 行 成 本 较 高 。 因 此 ， 设 计 一
16、个 操 作 方 便 、 功 能 完 善 的 全 自 动 集 中 监 控 系 统 ， 对 空 压 机进 行 监 控 和 保 护 ， 提 高 空 压 机 的 工 作 效 率 ， 降 低 能 耗 ， 延 长 使 用 寿 命 ， 有 着 重 要 的 现实 意 义 1。可 编 程 控 制 器 （ PLC） 是 一 种 新 型 的 通 用 控 制 装 置 ， 他 将 传 统 的 继 电 器 控 制 技 术 、计 算 机 控 制 技 术 和 通 信 技 术 融 为 一 体 ， 专 为 工 业 控 制 而 设 计 ， 具 有 功 能 强 、 通 用 灵 活 、可 靠 性 强 、 环 境 适 应 性 好 、 编
17、 成 简 单 、 使 用 方 便 、 体 积 小 、 重 量 轻 、 功 耗 低 等 一 系 列优 点 。 近 年 来 ， 随 着 可 编 程 控 制 器 的 日 渐 成 熟 ， 越 来 越 多 设 备 的 控 制 都 采 用 PLC 控 制器 来 代 替 传 统 的 继 电 器 控 制 ， 并 取 得 了 很 好 的 经 济 效 益 。随 着 煤 矿 现 代 化 的 发 展 ， 矿 山 对 矿 山 设 备 的 要 求 越 来 越 高 ,建 设 本 质 安 全 性 矿 山 已成 为 煤 矿 生 产 建 设 的 核 心 。 矿 山 设 备 不 断 更 新 ， 不 断 进 步 ， 可 靠 性 、
18、易 操 作 性 、 可 监视 性 、 易 维 护 性 等 已 是 最 基 本 的 要 求 了 。 用 继 电 器 搭 成 的 控 制 电 路 具 有 可 靠 性 差 、 不易 维 护 、 不 易 监 视 ， 已 不 能 适 应 当 前 的 要 求 。 现 在 迫 切 需 要 可 靠 性 高 、 易 维 护 、 易 操作 、 可 监 视 并 且 价 格 不 高 这 样 的 控 制 器 来 代 替 继 电 器 搭 成 的 电 路 2。 随 着 电 子 技 术 、 软件 技 术 、 控 制 技 术 飞 速 发 展 ， 可 编 程 控 制 器 （ PLC） 发 展 迅 猛 ， 性 能 很 高 ， 价
19、格 较 为 合理 ， 与 继 电 器 搭 的 控 制 电 路 比 具 有 非 常 大 的 优 势 。 许 多 矿 山 设 备 已 选 用 了 PLC 来 代 替比 较 重 要 的 设 备 控 制 。 传 统 的 保 护 主 要 采 用 分 离 仪 表 ， 其 可 靠 性 差 、 集 成 度 低 、 费 用 高 ，不 能 有 效 的 满 足 矿 山 设 备 投 入 的 经 济 性 和 安 全 性 的 要 求 。1.2 课 题 背 景 及 意 义本 设 计 研 究 的 主 要 内 容 是 矿 山 空 气 压 缩 机 的 智 能 监 控 系 统 ， 主 要 是 设 计 一 套 独 立的 由 可 编
20、程 控 制 器 PLC、 智 能 调 节 器 、 调 节 阀 及 各 种 检 测 仪 表 组 成 的 机 组 监 控 系 统 ，以 保 证 压 缩 机 组 的 安 全 可 靠 地 运 行 。对 于 空 气 压 缩 机 的 正 常 运 行 ， 我 们 主 要 关 心 各 个 参 数 （ 温 度 ， 压 力 ） 是 否 正 常 。 以矿 山 空 气 压 缩 机 智 能 监 控 控 制 仿 真 系 统 设 计- 2 -往 的 操 作 人 员 不 得 不 亲 自 到 现 场 去 检 测 各 个 表 的 读 数 ， 不 但 费 时 费 力 ， 而 且 对 操 作 人 员的 耳 膜 有 损 坏 ， 一 旦
21、 有 些 参 数 发 生 异 常 情 况 不 能 及 时 反 映 给 操 作 人 员 ， 就 很 容 易 损 坏 机器 ， 影 响 机 器 的 运 行 ， 造 成 成 本 过 高 。 同 时 ， 操 作 人 员 还 得 对 某 些 参 数 进 行 记 录 ， 这 是一 项 繁 琐 的 工 作 ， 不 仅 增 加 了 工 作 量 ， 还 增 加 了 运 行 成 本 。随 着 计 算 机 应 用 在 工 业 领 域 的 日 益 发 展 ， SIMATIC WinCC 工 业 组 态 软 件 顺 应 而 出 。它 的 出 现 ， 大 大 简 化 了 人 员 和 设 备 配 置 。 高 性 能 的 过
22、 程 耦 合 、 快 速 的 画 面 更 新 以 及 可靠 的 数 据 使 其 具 有 高 度 的 实 用 性 3。 WinCC 组 态 软 件 能 充 分 利 用 Windows 强 大 的 图 形编 辑 功 能 ， 以 动 画 形 式 显 示 监 控 设 备 的 运 行 状 态 ， 方 便 构 成 监 控 画 面 和 实 现 控 制 功 能 ，并 可 以 生 成 报 表 、 历 史 数 据 等 ， 为 工 业 监 控 软 件 开 发 提 供 了 便 利 的 软 件 开 发 平 台 ， 从整 体 上 提 高 了 工 控 软 件 的 质 量 。 此 外 ， 它 还 具 有 高 度 的 开 放
23、性 和 可 扩 充 性 ， 可 以 连 接第 三 方 设 备 。 相 比 于 以 往 的 监 测 控 制 系 统 ， 我 们 只 要 在 组 态 好 的 计 算 机 图 形 界 面 上 轻轻 一 点 鼠 标 ， 就 可 以 获 需 所 要 的 信 息 ， 进 行 相 应 的 操 作 。 它 不 仅 降 低 了 运 行 成 本 ， 而且 增 加 了 系 统 的 可 靠 性 、 稳 定 性 和 容 错 性 。 它 具 有 的 报 警 记 录 使 我 们 能 及 时 得 知 异 常情 况 并 找 出 错 原 因 ， 它 所 具 有 的 变 量 归 档 和 报 表 打 印 使 我 们 能 大 量 存
24、档 并 随 时 打 印 出来 ， 以 供 分 析 。 WinCC 组 态 软 件 已 成 为 远 程 监 控 应 用 和 大 型 过 程 控 制 的 理 想 选 择 4。吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书- 3 -第 2章 硬 件 选 型 和 地 址 符 号 表2.1 PLC模 块 的 选 择 PLC通 过 设 计 程 序 的 梯 形 图 逻 辑 以 及 上 位 机 发 出 的 指 令 ， 完 成 对 现 场 设 备 的 控 制 和数 据 采 集 。 下 位 机 PLC在 系 统 中 要 完 成 数 据 采 集 、 状 态 控 制 、 数 据 计 算 、 向 上 位 机 传输
25、数 据 及 状 态 信 号 、 功 能 保 护 连 锁 ， 以 及 接 受 上 位 机 传 递 来 的 相 关 地 址 内 的 数 据 ， 并 通过 对 应 的 地 址 模 块 进 行 处 理 和 输 出 ， 控 制 各 个 阀 门 的 开 关 及 电 机 的 起 动 停 止 。 下 位 机全 部 采 用 西 门 子 SIMATIC S7系 列 PLC。 在 对 控 制 对 象 和 控 制 任 务 进 行 了 分 析 和 统 计 后 ，采 用 以 下 S7-300系 列 模 块 来 组 成 本 系 统 5。 系 统 原 理 图 如 图 2-1所 示 。图 2-1 系 统 原 理 图1 电 源
26、模 块 PS307将 120/230交 流 电 压 转 变 为 24V直 流 电 压 ， 为 S7-300提 供 电 源 。考 虑 到 负 载 模 块 不 是 很 多 ， 故 选 取 5A的 电 源 。2 CPU模 块 CP315-2DP具 有 24K字 节 的 RAM程 序 存 储 容 量 ， 通 过 背 板 总 线 为 其 提供 5V电 源 后 ， 可 以 通 过 MPI口 、 PROFIBUS主 /从 口 与 上 位 机 进 行 通 讯 。3 数 字 量 输 出 (DO)模 块 SM322 本 系 统 选 择 直 流 16路 继 电 器 输 出 型 数 字 量 输 出 模块 ， 其 型
27、号 为 ： SM332 DO16*DC24V/0.5A 6ES7 322-8BH01-0AA0。 本 设 计 共 4个 数 字量 输 出 ， 故 选 用 一 块 该 模 块 。4 数 字 量 输 入 （ DI） 模 块 SM321本 系 统 采 用 16个 数 字 量 输 入 块 。 其 型 号 为 ：SM321 DI16* DC24V 6ES7 321-1BH01-0AA0。 本 次 系 统 用 了 两 个 数 字 量 输 入 。矿 山 空 气 压 缩 机 智 能 监 控 控 制 仿 真 系 统 设 计- 4 -5 模 拟 量 输 入 (AI)模 块 SM331 本 系 统 采 用 12位
28、模 拟 量 输 入 模 块 。 其 型 号 为 ：SM331 AI8*12bit 6ES7 331-7KF02-0AB0。 本 次 设 计 共 26个 模 拟 量 输 入 ， 故 选 用 四 块 该模 块 。6 模 拟 量 输 出 (AO)模 块 SM332 本 系 统 采 用 12位 模 拟 量 输 入 模 块 。 其 型 号 为 ：SM332 AO2*12bit 6ES7 332-5HB01-0AB0。 本 次 设 计 共 2个 模 拟 量 输 入 ， 故 选 用 一 块 该模 块 。2.2 系 统 软 件 设 计计 算 机 系 统 是 整 个 系 统 的 核 心 ， 包 括 两 个 部
29、分 ： 上 位 机 监 测 系 统 和 PLC 控 制 系 统 。上 位 机 软 件 采 用 德 国 SIMATIC公 司 的 WinCC(Windows Control Center)软 件 ， 定 时 采 集各 种 仪 表 和 监 测 传 感 器 检 测 的 信 号 。 可 以 进 行 监 测 报 表 的 查 询 、 打 印 以 及 压 风 机 多 种状 态 的 图 形 输 出 。 此 外 ， 本 系 统 还 实 现 了 与 企 业 内 部 局 域 网 的 链 接 ， PLC采 集 到 的 信 号经 过 工 业 以 太 网 传 输 到 远 程 调 度 室 ， 使 企 业 授 权 人 员 能
30、 浏 览 或 者 控 制 压 风 机 的 运 行 状况 。 下 位 机 全 部 采 用 西 门 子 SIMATIC S7系 列 PLC， S7-300控 制 器 实 现 对 空 气 压 缩 机 的监 控 以 及 冷 却 水 、 气 压 等 外 围 参 数 进 行 检 测 与 控 制 6。PLC控 制 程 序 采 用 SIEMENS公 司 提 供 的 STEP-7V5.4编 程 软 件 开 发 。 PLC主 程 序 主要 由 系 统 初 始 化 程 序 、 集 中 控 制 程 序 、 远 程 控 制 程 序 、 全 自 动 控 制 程 序 、 误 操 作 提 示程 序 、 模 拟 量 (压 力 、 液 位 、 温 度 等 )采 集 处 理 程 序 、 参 数 设 置 程 序 和 报 警 程 序 等 构 成 。图 2-2 S7-300 组 态 中 导 入 智 能 仪 表 的 GSD 文 件
