瓦斯浓度检测与安全PLC控制系统.docx
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瓦斯浓度检测与安全PLC控制系统
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
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
Abstract
MinegasconcentrationforthestudydesignbasedonPLC'sminegasconcentrationdetectionandsecuritycontrolsystems,bydesign,thesystemcanachievethefollowingfunctions:
(1)Real-timedetectionofgasconcentration;
(2)automaticcontroloftheexhaustvolumeaccordingtotheundergroundgasconcentration,theupperlimitalarmfunction;
(3)Grounddispatchcenterdetectionandcontrolofcoalminegasconcentrationinrealtime.
First,accordingtothecontrolfunctionsofthesystemrequirements,selectareasonablecontrolscheme;then,accordingtotheselectedcontrolscheme,thedesignofthesystemcontrolcircuit,andthePLC,inverter,sensorsandotherhardwareselectionoftheconfigurationandwiring,then,touseSTEP7-Micro/WIN4.OprogrammingsoftwaretocompletethedesignofthesystemPLCcontrolprogram;Finally,accordingtothefunctionalrequirementsofcoalminegasconcentrationdetectionandsecuritycontrolsystems,combinedwithconfigurationkingsoftwareandPLCapplicationstocompletethegasconcentrationmonitoringsystemdesign.
Keywords:
Gasdetection;PLCcontrol;Frequencyconversion;Configurationsoftware
第一章引言
一.1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[]。
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[]。
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20∶1,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[]。
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。
一.2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
一.3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。
一.4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
二.1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。
二.2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。
二.3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
1
1号巷道变频运行
开关量
I0.0
2
1号巷道工频运行
开关量
I0.1
3
1号巷道停止
开关量
I0.2
4
1号巷道变频器故障
开关量
I0.3
5
2号巷道变频运行
开关量
I0.4
6
2号巷道工频运行
开关量
I0.5
7
2号巷道停止
开关量
I0.6
8
2号巷道变频器故障
开关量
I0.7
9
3号巷道变频运行
开关量
I1.0
10
3号巷道工频运行
开关量
I1.1
11
3号巷道停止
开关量
I1.2
12
3号巷道变频器故障
开关量
I1.3
13
4号巷道变频运行
开关量
I1.4
14
4号巷道工频运行
开关量
I1.5
15
4号巷道停止
开关量
I2.0
16
4号巷道变频器故障
开关量
I2.1
17
1号巷道变频运行
开关量
Q0.0
18
1号巷道工频运行
开关量
Q0.1
19
1号巷道停止
开关量
Q0.2
20
1号巷道超限报警
开关量
Q0.3
21
2号巷道变频运行
开关量
Q0.4
22
2号巷道工频运行
开关量
Q0.5
23
2号巷道停止
开关量
Q0.6
24
2号巷道超限报警
开关量
Q0.7
25
3号巷道变频运行
开关量
Q1.0
26
3号巷道工频运行
开关量
Q1.1
27
3号巷道停止
开关量
Q2.0
28
3号巷道超限报警
开关量
Q2.1
29
4号巷道变频运行
开关量
Q2.2
30
4号巷道工频运行
开关量
Q2.3
31
4号巷道停止
开关量
Q2.4
32
4号巷道超限报警
开关量
Q2.5
33
1号巷道瓦斯浓度
模拟量
VIW0
瓦斯浓度传感器
34
2号巷道瓦斯浓度
模拟量
VIW2
瓦斯浓度传感器
35
3号巷道瓦斯浓度
模拟量
VIW4
瓦斯浓度传感器
36
4号巷道瓦斯浓度
模拟量
VIW6
瓦斯浓度传感器
37
1号巷道输出
模拟量
VOW0
变频器控制信号
38
2号巷道输出
模拟量
VOW2
变频器控制信号
39
3号巷道输出
模拟量
VOW4
变频器控制信号
40
4号巷道输出
模拟量
VOW6
变频器控制信号
41
1号变频器故障
开关量
M0.0
42
2好变频器故障
开关量
M0.1
43
3好变频器故障
开关量
M0.2
44
4好变频器故障
开关量
M0.3
二.4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。
二.5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。
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
三.1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。
三.2信号采样
三.2.1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-。
三.2.2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[]。
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0~10%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3.1GJG10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3.1GJG10H红外甲烷传感器技术参数
测量范围
0~10.0%CH4
分辨率
0.01%CH4
测量精度
0.00~1.00≤±0.06%CH4
1.00~10.0≤真值的±6%
响应时间
≤25s
调校周期
6个月
工作温度
0~40℃
工作湿度
≤99%RH(无冷凝)
工作压力
30kPa~130kPa(绝压)
工作电压
(9~24.5)VDC
输出信号
200Hz~1000Hz(线性对应0.00~10.0%CH4)或1~5mA或4~20mA
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
ExibI矿用本安型
三.3运算控制执行部分
三.3.1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。
三.3.2PLC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[][]。
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[]。
图3.2PLC外部连线图
(1)
图3.3PLC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3.2S7-200CPU224的技术规格
功率
7W
尺寸(宽×高×深)
137×80×62mm
存储器特性
程序存储器
数据存储器
超级电容(典型值)
8192bytes
8192bytes
100小时
定时器总数
1ms定时器数
10ms定时器数
100ms定时器数
256
4
16
236
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
2×1ms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
0.17μs
8μs
时钟
内置
集成的通信功能
通讯接口
1个RS232
1个RS485
PPI/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
1PG/1OP
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
14
2×20KHz
高速计数器数量
单相计数器
两相计数器
6
6×30KHz
4×20KHz
数字量输入特性
额定电压
24VDC
最大持续允许电压
30VDC
逻辑1信号(最小)
逻辑0信号(最大)
15VDC,2.5mA
5VDC,1mA
隔离(现场与逻辑)
光电隔离
隔离组数
有
500VAC,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
24VDC
输出电压范围
20.4至28.8VDC
逻辑1信号(最小)
逻辑0信号(最大)
20VDC,最大电流
0.1VDC,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)
0.75A
3.75A
10μA
8A,100ms
灯负载(最大)
5W
接通电阻(接点)
0.3W典型值(0.6W最大值)
隔离(现场与逻辑)
光电隔离
隔离组
有
500VAC,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3.3EM223技术参数
特性
8DI×24VDC
8DO×继电器
物理特性
尺寸(宽×高×深)
1.2×80×62mm
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
24VDC
最大允许电压
30VDC
浪涌电压
35VDC,0
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- 瓦斯 浓度 检测 安全 PLC 控制系统