中 国 XX 大 学

本科生毕业设计

姓 名：学 院：专 业：设计题目：专 题：指导教师：

XXX 学 号：XXXXXX

XXXX 学 院

电 气 工 程 及 其 自 动 化 基于PLC的风机监控系统设计 XXX 职 称： 讲师

2009年 6 月 徐州

中国矿业大学毕业设计任务书

学院 应用技术学院专业年级 电气05-3班学生姓名XXX

任务下达日期：2009年 3 月 9 日

毕业设计日期： 2009 年 3 月 9 日至 2009 年 6 月 5 日

毕业设计题目：基于PLC的风机监控系统设计（硬件）

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

1. 了解S7-300PLC的工作原理和学习梯形图编程语言 2. 掌握主通风机的工作原理和矿井通风系统的工作流程 3. 完成对主通风机控制系统的硬件设计和软件编程，实现以下功能：

1）实时监测风机风压（静压、全压）、风速风量、轴承温度、定子温度、电网电流、电压、功率、电机与风机效率、风峒大气参数（温度、湿度、大气压力）等风机运行各种参数；

2）监测风门位置、风机开停状态、反风信号等风机运行多种状态信息；

3）控制风门开/关、风机启/停；

4）自动闭锁控制，保证系统安全；具有现场控制，手动控制等多种控制方式。

院长签字： 指导教师签字：

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能

力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 指导教师签字： 年 月

日

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运

用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 评阅教师签字： 年 月

日

中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩

摘 要

可编程控制器(PLC)是一种以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技术的通用工业控制装置。它具有使用方便、维护容易、可靠性好、性能价格比高等特点,广泛应用于工业控制的众多领域。

煤矿主通风机是煤矿生产的重要设备，通风机能否正常工作，直接影响煤矿的生产活动。因此对主通风机实现在线监控有很重要的意义。本文针对通风机的工作环境和运行特点，以PLC为主控设备，介绍了可编程序控制器（PLC）在煤矿通风系统中的应用；探讨了通风机实现自动控制系统的系统组成和设计；涉及硬件设备的选型与组态；编制了通风机实现自动控制梯形图；并简要介绍了PLC与其他智能装置及个人计算机联网,组成的监控系统。本系统提高了主通风机设备的自动化管理水平，有力地保证了主通风机设备的经济、可靠运行，为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据。 关键词：煤矿通风机； PLC； 在线监控

ABSTRACT

Programmable Logic Controller is a kind of universal industrial control apparatus,which taking microprocessor as its core, integrating information technology,automation control technology,networking communication technology. It is applied in more and more industry control fields with the characteristics such as easy application, easy maintenance, well reliability, high performance-price ratio.

Primary ventilators are the most important instruments of the colliery.Their working state can directly influence the coal producing processs. Therefore, online monitoring of the main fan there is of much significance. this paper introduced the application of Programmable Logic Controller (PLC) in the coal mine ventilation system ; Discussed the system composition and the design of ventilator realization automatic control system ;Included selection and configureation of hardware; Established the LAD chart of the ventilator realization automatic control ; And briefly introduced the consisting of monitoring system , the system including PLC and other intelligent installments and the personal computer networking, This system raised the automatic management level of the main fanner equipments，guaranteeing the economy of the main fanner equipments circulate credibility. For the management of the equipments and maintained, this system can provide dependable scientific warranty.

Keywords: Coal mine ventilator; PLC; Online monitoring

目 录

1 绪论 ........................................................ 1

1.1煤矿通风概况 ............................................. 1 1.2 PLC的基本概念 ........................................... 1

1.2.1 PLC的组成部分 ..................................... 2 1.2.2 S7-300的系统结构 .................................. 3 1.2.3 PLC的循环处理过程 ................................. 3 1.2.4 S7-300的编程语言 .................................. 4 1.2.5 PLC的供电及接地抗干扰问题 ......................... 5 1.3 目前国内外的通风机监控状况 .............................. 5 1.4本设计所作的工作 ......................................... 6 2 矿井主通风机系统 ............................................ 8

2.1主通风机概述 ............................................. 8

2.1.1主通风机性能参数 ................................... 8 2.1.2对旋轴流式风机的结构和工作原理 ..................... 9 2.2风门 .................................................... 10 2.3反风方法 ................................................ 10 3 主通风机自动监控系统的硬件设计 ............................. 12

3.1系统的组成和特点 ........................................ 12 3.2主通风机在线监控的运行方式的设计 ........................ 13 3.3风机参数的检测 .......................................... 13 3.4该系统的输入/输出统计配置 ............................... 15

3.4.1数字/模拟输入点统计及模块选择 ..................... 15 3.4.2数字/模拟量输出点统计及模块选择 ................... 19 3.4.3 PLC其它硬件模块统计 .............................. 21 3.4.4数字量输入/输出模块接线图 ......................... 24

4 主通风机自动化监控系统的软件系统 ........................... 28

4.1本设计所用STEP7编程器的相关知识 ........................ 28 4.2本监控系统的系统流程图 .................................. 29

4.2.1风机的启动流程图 .................................. 29 4.2.2自动控制方式流程图 ................................ 30 4.2.3反风控制流程图 .................................... 32 4.3主通风机监控系统的程序设计 .............................. 32 5 结论 ....................................................... 53 参考文献： ................................................... 54 6 翻译部分 ................................................... 56

英文原文 ................................................... 56 中文译文： ................................................. 68 致 谢 ....................................................... 78

1 绪论

1.1煤矿通风概况

据统计,我国煤矿事故因瓦斯爆炸死亡人数是世界上主要采煤国家，死亡总人数的4倍,百万吨煤死亡率是美国的近20倍、印度的12倍。地面空气进入井下后,因发生物理和化学两种变化,使其混入了有毒性、窒息性和爆炸性的气体和粉尘,为创造井下良好的工作环境、防止各种伤害和爆炸事故,保障井下人员身体健康和生命安全,对通风设施进行系统化管理和监控的工作显得尤为重要。矿井通风系统主要是为了解决矿井内空气的流通问题,使在井下作业的矿工能够正常工作并使有害气体能够及时地疏散到矿外大气中去。

煤矿主通风机是实现矿井通风的作业的重要的设备，它担负着向煤矿井下生产及生产辅助系统输送新鲜空气，并将粉尘和污浊风流抛弃出地面、为井下生产现场的工作人员创造较好的气候条件，使他们能保持良好的精神状态，提高生产效率，确保矿井安全生产。

矿井的气候条件常用风流的温度、湿度及风速三个参数进行综合评价。井下工作地点最适宜的气候条件是：空气温度为15~20℃，空气相对湿度是：50﹪～60﹪，风速的大小应根据气温的高低而定，无提升设备的风硐其最高风速为15m/s。

这三个参数是影响人体散热的主要因素。风速对人体散热及人体舒适又重要影响，风速还对矿尘悬浮、瓦斯集聚、井巷通风阻力等有较大影响。因此，为了改善矿井气候条件，防止瓦斯集聚，要求井巷风速不能太低；为了防止井巷中落尘飞扬、产生较大的通风阻力等，要求风速也不能过大。在气候条件三要素中，湿度与温度密切相关，但由于湿度控制比较困难，故改善气候条件的重点就是将井下、特别是采掘工作面的气温和风速进行适当调节，为采掘一线工作人员创造良好的工作环境。通过风量调节实现按需分风，决定各工作面的风量，所以对矿井主通风机的在线监控在煤矿安全生产中起着重要的核心作用。

1.2 PLC的基本概念

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广

泛几乎所有的工业领域，现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的响应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

1.2.1 PLC的组成部分

可编程控制器简称为PLC，它的应用广泛、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用。

它具有以下特点:编程简单易学、功能强、性价比高、硬件配套齐全、可靠性高、抗干扰能力强、系统的设计、安装工作量少、维修方便、体积小、功耗低。

本设计使用的是西门子S7-300，它是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。它有以下几部分组成：

1) 中央处理单元（CPU）

CPU用于存储和处理用户程序，控制集中式I/O和分布式I/O。 2) 电源模块（PS） 用于将AC 220V的电源转化为DC 24V电源，供CPU模块和I/O模块适用。 3) 信号模块（SM）

是数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压电流于PLC内部的信号电平匹配。数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关和限位开关等来的开关量输入信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、指示灯等输出设备。模拟量输入模块是接收传感器和变送器等提供的连续变化的模拟量电流，电压等信号。模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。

4) 功能模块（FM）

是智能的信号处理模块，不占用CPU的资源，对来自现场的信号进行控制和处理，并将信息传送给CPU。

5) 通信处理器（CP）

用于PLC之间、PLC和计算机或其它智能设备之间的通信。 6) 接口模块(IM)

用于多机架配置时连接主机架和扩展机架。

1.2.2 S7-300的系统结构

采用的是紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块、CPU、信号模块、功能模块、接口模块和通信处理器都安装在导轨上。导轨是一种专用的金属机架，只需将模块钩在DIN标准的安装导轨上，然后用螺栓锁紧就可以了。

电源模块安装在最左边，CPU模块紧接着电源模块，如果有接口模块，它放在CPU模块的右侧。S7-300用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。每个机架最多只能装8个信号模块、功能模块或通信处理器模块，组态时系统自动分配模块的地址。如果这些模块超过8个，可以增加扩展模块。除了中央机架最多可以增加扩展3个扩展机架，因此最多可以安装32个模块。其中0号机架的DC 5V电源由CPU模块产生，其额定电流与CPU的型号有关。扩展机架的背板总线电源由接口模块IM361产生。 1.2.3 PLC的循环处理过程

CPU中的程序分为操作系统和用户程序。操作系统用来处理PLC的启动、刷新过程映像输入/输出区、调用用户程序、处理中断错误、管理存储区和通信等任务。

用户程序由用户生成，用来实现用户要求的自动化任务。STEP7将用户编写的程序和程序所需要的数据放置在块中，功能块FB和功能FC是用户编写的子程序，系统功能块SFB和系统功能SFC是操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块统称为逻辑块。

PLC得电或由STOP模式切换到RUN模式时，CPU执行启动操作，清除没有保持功能的位存储器和定时器等内容，复位保存的硬件中断等。此外还要执行一次用户生成的“系统启动”组织块OB100,完成用户指定的初始化操作。以后PLC采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也成为扫描工作方式。下面是循环处理各个阶段的任务：(见图1.1)

1) 操作系统启动循环时间监控。

2) CPU将过程映像输出区的数据写到输出模块,CPU读取输入模块的输入状态，并存入过程映像输入区。

3) CPU处理用户程序，执行用户程序的指令。

4) 在循环结束时，操作系统执行所有挂起的任务。 5) CPU返回第一阶段，重新启动循环时间监控。

在启动完成后，不断的循环调用组织块0B1,OB1是用户程序的主程序，

它可以调用别的逻辑块。

循环程序处理过程可以被某些事件中断。如果有中断事件出现，当前正在执行的块被暂停执行，并自动调用分配给该事件的组织块。该组织块被执行完后，被暂停执行的块将从被中断的地方继续开始执行。

图1.1 扫描过程

1.2.4 S7-300的编程语言

STEP 7是S7-300系列PLC的编程软件。梯形图、语句表和功能图是这个软件包中的3中基本编程语言，这3种语言可以在STEP 7中相互转换。在本设计中，我采用了梯形图编程语言。

梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令框组成。触点代表逻辑输入条件，线圈通常代表逻辑运算的结果，指令框用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。触点和线圈等组成的独立电路称为网络。梯形图种的触点和线圈可以使用物理地址，如果用符号表定义了某些地址的符号，可以用符号地址来代替物理地址，可以使程序易于阅读和理解。如果没有跳转指令，

程序段内的逻辑运算按从左往右执行，与能流的方向一致。程序段之间按从上到下的顺序执行，执行完所有的程序段后，下一次返回最上面的程序段1，重新开始执行。

1.2.5 PLC的供电及接地抗干扰问题

可编程控制系统组成的控制系统以交流220V作为基本的工作电压，电源开关选择的是两相单开关，然后通过隔离变压器和交流稳压器或UPS电源。通过交流稳压器输出的电源分为两路：一路为PLC电源模块供电，另一路为PLC的输入/输出模块、现场检测单元、执行机构供电。采用隔离变压器可以隔离掉供电电源中的各种干扰信号，从而提高系统的抗干扰性能。

PLC的控制部分供电包括PLC的CPU工作电源、各种I/O模块的控制回路工作电源、各种接口模块和通信智能模块的工作电源。这些工作电源都是由电源模块供电。一般PLC的电源模块都有三个进线端子，分别用L1、N、PE表示。其中L1和N为交流220V进线端子，PE为系统接地，并与机壳相连，它的接地端应选择铜导体并尽可能短的与交流稳压器、UPS电源、隔离变压器和系统接地相连。

在实际控制系统中，接地是抑制干扰是系统可靠工作的主要方法。接地设计有两个基本目的：消除各电路电流流经公共地线阻抗所产生的噪声电压和避免磁场与电位差的影响，使其不形成地环路。对于PLC的控制系统，接地电阻一般不小于4 。同时要保证足够的强度，并有耐腐蚀及防腐处理。PLC组成的系统要单独设计接地。

1.3 目前国内外的通风机监控状况

最近20年，各国煤矿通风监测系统发展迅速，为预防事故起了重要的作用。现在我们先来看一下各国通风监测系统的发展状况：

(1)英国MINOS监测系统。MINOS监测系统是英国有代表性的先进的监测系统，他能对井下环境进行连续监测，包括:①低浓度瓦斯；②高浓度瓦斯；③瓦斯抽放系统的负压；④风速；⑤风压；⑥烟雾及粉尘。

(2)德国TF-200瓦斯监测系统。TF-200系统是YF-24系统的更新产品，功能扩大，传输通道由24个增加到52个。主要传感器：高浓度瓦斯、低浓度瓦斯、CO、风速等传感器。主要设备为计算机、打印机、记录仪、模拟盘，传输系统的传输方式为调频。

(3)波兰CMM-20m瓦斯监测系统。适合于小煤矿，可配接20个测点，可用循环方式监测各测点的参数，包括瓦斯浓度和风速。

(4)美国SCADA监测系统。是集中监测系统，分为标准型和扩展性两种。 国外在不断完善煤矿安全的跟踪预测的基础上，开展了研究瓦斯突出的动态预测技术和突出危险区域预测技术。俄罗斯建立了区域预测预报专家系统。德国研发的“超越现实”是一种高安全性的通讯技术，可以完全改变井下矿工的工作方式。矿工通过“数字眼镜”(检测机器故障的装置)查看出现故障的机器。电脑会给出非常详细的、有动画演示的维修步骤。矿工不需要亲自去检查机器，完全由电脑来检查并处理数据。在新近研发的井下新技术中，特别引人注目的是一种“井下WLAN无线局域网系统”。这种技术利用安装在矿工头盔上的摄像头传送地下煤矿实时图像，并通过手机、耳麦等移动通讯设备，借助微型电脑进行数据传输等。专家可以借助矿工头盔上的摄像头传送的实时图片进行观察与诊断，并通过耳麦指导操作。提高了矿工工作效率也降低了危险概率。波兰和法国对煤层突出危险进行了分级，实现了科学管理。

我国监测监控技术应用较晚，起初从波兰、法国、德国、英国和美国等(如DAN6400,TF200,MINOS和Senturion-200)引进了一批通风安全监控系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研出KJ2,KJ4,KJ8KJ10,KJ13,KJ19,KJ38,KJ66,KJ75,KJ80,KJ92等监控系统，在我国煤矿已大量使用。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局矿已把它作为一项重大安全装备。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各单位相继研制出KJ90,KJ95,KJ101,KJF2000,KJ4/KJ2000和KJG2000等监控系统，以及MSNM,WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。

截至目前，黑龙江煤矿安全监察局利用黑龙江移动的GSM和GPRS网络己对全省812处矿井实现了风机主扇监控和瓦斯浓度监控，占全省煤矿计划实现安全监控总数的74%，并已实现了全部联网。由于实现了对各类煤矿的远程动态监控，有效地消除了很多事故隐患，在一定程度上控制了瓦斯爆炸事故的数量。

1.4本设计所作的工作

1）实时监测风机风压（静压、全压）、风速风量、轴承温度、定子温度、电网电流、电压、功率、电机与风机效率、风峒大气参数（温度、湿度、大

气压力）等风机运行各种参数；

2）监测风门位置、风机开停状态、反风信号和电机编号等风机运行多种状态信息；

3）控制风门开/关、风机启/停； 4）自动闭锁控制，保证系统安全；

5）具有现场控制，手动控制等多种控制方式。