电气控制技术与PLC教学课件徐文尚第五章煤矿电气设备PLC控制系统设计.ppt
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1、在线教务辅导网:http:/,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:349134187 或者直接输入下面地址:,http:/,第5章,煤矿电气设备PLC控制系统设计,本章以煤炭生产中的通风、压风、排水和运输提升为背景,运用可编程技术编写了基于PLC控制的通风、压风、排水和运输提升实例,以期为学生提供一个PLC与煤矿电气控制技术完美结合的典型案例和内容。学习本章内容还可以使学生得到基于PLC的电气控制方案论证与设计等方面的训练。,本章主要内容,5.1 基于PLC的煤矿地面皮带机控制系统设,5.1.1 煤矿皮带机简介,皮带机即皮带运输机(亦称胶带机、皮带输送机、带式输送机,如图5-1所
2、示)是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械。它可以将物料在一定的输送线上从最初的供料点到最终的卸料点间形成一种物料的输送流程,它既可以进行碎散物料的输送,也可以进行成件物品的输送。除进行纯粹的物料输送外,还可以与各工业企业生产流程中的工艺过程的要求相配合,形成有节奏的流水作业运输线。所以带式输送机广泛应用于现代化的各种工业企业中。在矿山的井下巷道、矿井地面运输系统、露天采矿场及选矿厂中,得到了广泛的应用。图5-1 带式输送机示意图,图5-1 带式输送机示意图,煤矿皮带运输机集控系统运行安全可靠与否直接影响矿井的经济效益。建立符合煤矿自身需要的地面系统是实现煤矿生产安全、设备长期稳定运行的重要组
3、成部分,实施并实现系统的综合保护和集中监控,也是煤矿设备现代化管理的需要。 煤矿皮带运输机集控系统以煤矿安全规程为依据,总结矿山运输过程中所出现的事故,本着安全性高、实用性强、具有先进性的特点而研制开发的新一代综合控制系统。集控系统与网络系统一起,构成一个完整的操作、调度、监视网络,实现对整个系统的遥测、遥信、遥控。该系统可实现提高生产效率、降低事故率、减少故障处理时间、减少现场操作人员、提高经济效益。 煤矿皮带运输机集控系统可实现远程和现场的的操作控制。整个系统具有功能全、实时性和精度高、抗干扰能力强及可靠性好等优点,可以明显提高煤矿皮带运输设备自动化管理水平,保证皮带运输系统合理、稳定、安
4、全,有显著的经济效益。,5.1.2 煤矿皮带集控系统,煤矿皮带集控系统是根据煤矿现场要求设计具有如下检测保护功能:跑偏,撕裂,急停,温度,堆煤,烟雾,速度等。整个系统实现逆煤流启动、顺煤流停止的远程集中控制。 对拉线开关(急停)、跑偏故障、堆煤故障、皮带撕裂故障、超温故障、速度故障(超速打滑和欠速保护)、烟雾故障,实现相应的顺序停车功能,同时将各类故障信号传输至控制中心实现监控。 为了防止误动作,当系统检测到跑偏、堆煤、速度这三种故障信号后,如果延迟一定时间后故障信号仍然存在则执行故障保护停车动作。当接收到烟雾故障信号或检测到拉线开关(急停)、皮带撕裂、超温等故障信号后,立即执行故障保护停车动
5、作。,图5-2 主电路图,该实验装置的具有如下功能:,(1)实现系统集中监控,实时监控设备状态和运行参数,并显示数据曲线; (2)控制方式分集控自动/集控手动/就地,三种方式可转换。正常运行时,使用集控自动方式,设备按工艺要求的顺序和流程由上位机自动启停;集控手动时,可在控制面板上操作各设备,无闭锁和联动关系;就地时,在现场按钮盒上操作; (3)启动设备前由集控台发预告信号,预告3秒后,若生产现场均满足集控自动启动条件,设备按顺序自动启动。现场可用停车按钮停止启动过程; (4)现场信号箱设起/停车按钮,现场可随时停车。若设备由集控启动,控制系统接收到现场停车信号后,可作急停处理,实施故障停车操
6、作; (5)按“技术规定”皮带机装设拉线开关、跑偏保护、低速保护等,这些信号均接入集控系统,实现生产设备故障时的紧急停车和闭锁停车; (6)对设备故障和工艺参数的异常实时报警,并进行由指示灯提示。一般故障只报警,现场发生非正常停车或严重故障时,故障设备及其上游设备紧急停车,下游设备则实现顺煤流延时闭锁停车。,系统主电路如图5-2所示,控制线路如图5-3所示。,图5-3 皮带运输控制回路,PLC控制系统由一台西门子S7-224 PLC为控制中心,控制所有数字和模拟I/O模块。设备状态通过数字输入模块(DI)读入,数字输出模块(DO)用于设备控制,电动机的温升经红外测温传感器变为420mA的电流信
7、号通过模拟量输入模块(AI)读入。,图5-4 PLC接线图,选用224XP的CPU模块, EM221型数字量输入模块, PC/PPI编程/通讯电缆,ZYJX-3电动机(附传送带),IRTP300L 型的红外温度传感器来测量温度,LJ12A3-4-Z/BY型的接近开关来测量转速,SS-168P型的烟雾报警器来检测皮带上的烟雾信号,拉线开关用行程开关(西门子3RG4041-6JBOO),用微动开关来检测皮带的跑偏、撕裂、堆煤等故障。PLC的接线图如图5-4所示。,IRTP系列是一款经济型,高性价比红外温度传感器。不受污染,潮湿以及电磁干扰环境的影响。IRTP已应用于轻工纺织,造纸,陶瓷,橡胶,塑料
8、;辊筒,电机轴承温度测量;电缆接头、开关柜、变压器和电气面板的故障监测等;汽车检测以及微波炉,HVAC,食品等行业。,5.1.3 部分元器件介绍,1IRTP300L红外线测温传感器,IRTP300L红外线测温传感器主要技术指标:测温范围0150C,响应时间150ms,距离系数8:1,信号输出420mA/05V/RS485,电源为DC24V,探头尺寸22mm85mm,螺纹部分18mm16mm。应用电路如图5-5所示。,图5-5 红外线测温传感器与接近开关LJ12A3-4-Z/BY,2接近开关,接近开关使用的是Autewell LJ12A3-4-Z/BY,如图5-5所示,其特点是灵敏度高,频率响应
9、快,重复定位精度高,瞬变过程短,输出功率大,继电特性好,工作稳定可靠,红色LED显示可以检查传感器的状态,可替换小型开关和限位开关。,电源电压范围为:直流1030VDC、交流90250VAC,检测距离4mm ,输出电流200mA,输出模式可选NPN常开、NPN常闭、PNP常开、PNP常闭、二线常开、二线常闭、交流常开、交流常闭。,3烟雾报警器SS-168P,烟雾报警器SS-168P如图5-6所示,采用低功耗 CMOS 微处理器,使用光电探测方式,具有特殊防潮设计,具有独立 / 联网/无线输出方式,可进行手动测试、手动复位。电路接线图如图5-6所示。,图5-6 烟雾报警器SS-168P外观与接线
10、图,5.1.4 系统功能操作说明与程序,1系统功能操作说明,该系统有两条小型皮带机,一个控制箱;每个皮带机都有两个跑偏传感器,一个拉线开关,一个堆煤传感器,一个撕裂传感器;其中一号皮带机另加有用于测速的接近开关,烟雾报警器,和红外测温传感器;上位机采用西门子的WINCC组态软件做的监控系统。控制箱面板装有控制按钮和指示灯,如图5-7所示:,图5-7 皮带运输控制面板,操作过程如下:,1手动启动,此信号不经PLC,完全由外部继电器电路控制。 1号启动按钮:按一下它,则启动1号皮带机,1号启动指示灯变亮。,上位机主画面的1号手动指示灯由红变绿,1号电机带动皮带开始旋转。 1号停止按钮:按一下它,则
11、1号皮带机停止,1号启动指示灯灭。上位机主画面的1号手动指示灯由绿变红,1号电机连同所拖动的皮带停止旋转 2号启动按钮:按一下它,则启动2号皮带机,2号启动指示灯变亮。上位机主画面的2号手动指示灯由红变绿,2号电机带动皮带开始旋转。 2号停止按钮:按一下它,则2号皮带机停止,2号启动指示灯灭。上位机主画面的2号手动指示灯由绿变红,2号电机连同所拖动的皮带停止旋转。,自动启动信号送入PLC,由内部逻辑电路控制。每条皮带机都有一个启停按钮盒。其按钮称为就地启动按钮,就地停止按钮。 1号就地启动按钮:按一下它,则蜂鸣器响3秒,然后启动1号皮带机;上位机主画面的1号自动指示灯由红变绿,1号电机带动皮带
12、开始旋转。 1号就地停止按钮:按一下它,则1号皮带机停止。上位机主画面的1号自动指示灯由绿变红,1号电机连同所拖动的皮带停止旋转。 2号就地启动按钮:按一下它,则蜂鸣器响3秒,然后启动2号皮带机;上位机主画面的2号自动指示灯由红变绿,2号电机带动皮带开始旋转。 2号就地停止按钮:按一下它,则2号皮带机停止。上位机主画面的2号自动指示灯由绿变红,2号电机连同所拖动的皮带停止旋转。,2自动启动,3全线启动,全线启动信号送入PLC,由内部逻辑电路控制。 全线启动按钮:按一下它,蜂鸣器响5秒,2号皮带机启动,上位机主画面的全线启动指示灯由红变绿,2号自动指示灯由红变绿,2号电机带动皮带开始旋转;然后蜂
13、鸣器又响3秒,1号皮带机启动,上位机主画面的1号自动指示灯由红变绿,1号电机带动皮带开始旋转。,全线停止按钮:按一下它,则1号皮带机停止。上位机主画面的1号自动指示灯由绿变红,1号电机连同所拖动的皮带停止旋转。等待3秒,然后2号皮带机停止。上位机主画面的2号自动指示灯由绿变红,2号电机连同所拖动的皮带停止旋转。,4故障检测,皮带运输系统各种参数分别由相应传感器检测,把所测量的信号送至PLC,由PLC内部逻辑电路控制。当出现故障时,故障指示灯变亮。上位机主画面相应的故障指示灯由绿变红。报警文档会出现相应的故障信息,皮带机自动停止运行。排除故障后,按复位按钮,则故障指示灯灭,上位机的相应故障指示灯
14、由红变绿。当出现紧急情况时,拉拉线开关,则皮带机停止运行。,5主程序梯形图,按下启动按钮,2号电机接触器KM2线圈接通并自锁,2皮带机开始工作,同时延时定时器KT1接通,5S后其常开触点闭合,1号电机接触器KM1线圈闭合,1号皮带机开始工作,当按下停止按钮或者两台皮带机有故障(跑偏、堆煤,撕裂、过速、温升)时,1号电机接触器KM1线圈断开,1号皮带机停止运转,同时停止延时器KT2接通,延时5S后,其常闭触点断开,2号电机接触器断开,2号皮带机停止工作。梯形图如图5-8所示。,图5-8 皮带运输控制系统梯形图,温升信号I1.0、 I1.1是经温度传感器转变后,输出的逻辑结果即开关信号,即:当温度
15、大于100时,输出逻辑高电平信号,此时I0.1、I0.2常闭触点断开,从而起到保护作用;当温度小于100时,输出逻辑低电平信号,此时I0.1、I0.2常闭触点无动作。,PLC I/O符号分配如表5-1所示:,表5-1 PLC端口配置表,5.2 基于PLC的煤矿空气压缩机监控系统设计,5.2.1 空气压缩机简介,空气压缩机(简称空压机)是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩气体具有一定压力的设备。作为基础工业装备,空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用。,1空压机的用途,随着科学技术的发展,压缩机的用途越来越广,把空气作为传递力能的介质,
16、其动力用途主要有以下几方面:,1)传统的空气动力:风动工具,凿岩机、风镐、气动扳手,气动喷砂,一般0.61.5Mpa;,2)仪表控制及自动化装置,如加工中心的刀具更换等,一般0.6Mpa;,3)车辆制动,门窗启闭,一般0.20.6MPa;,4)喷气织机中用压缩空气吹送纬纱以代替梭子,一般0.10.2MPa;,5)食品、制药工业,利用压缩空气搅拌浆液,般0.20.6Mpa; 6)大型船用柴油机的起动,一般2.56.0Mpa ; 7)风洞实验、地下通道换气、金属冶炼,一般6.010Mpa; 8)油井压裂15Mpa; 9)高压空气爆破采煤80Mpa; 10)武器系统,导弹发射、鱼雷发射一般15030
17、0Mpa; 11)轮胎充气,一般0.200.25Mpa; 12)喷漆,一般0.30.6 Mpa; 13)吹瓶机,一般3.04.5 Mpa。,2空压机的类型,空气压缩机的种类很多,按工作原理可分为容积式压缩机,往复式压缩机,离心式压缩机,容积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积,使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力;离心式压缩机的工作原理是有一个或多个旋转叶轮(叶片通常在侧面)使气体加速,使气体分子具有的动能转化为气体的压力能,从而提高压缩空气的压力,主气流是径向的。往复式压缩机(也称活塞式压缩机)的工作原理是直接压缩气体,当气体达到一定压力后排出。其压缩元件是一个活塞,在气缸内作往
18、复运动。,现在常用的空气压缩机三种基本类型的包括:往复式、回转式、离心式。以下简单讨论这三种类型的空压机。,1)往复式空压机 往复式空压机是变容式压缩机,这种压缩机将封闭在一个密闭空间内的空气逐次压缩(缩小其体积)从而提高其气压。往复式空压机以气缸内的一个活塞作为压缩位移的原件来完成以上的压缩过程。往复式空压机有喷油和无油两种,具有压力和气量的广泛选择余地。 2)回转式空气压缩机 排气量范围为0.85m3/min 85m3/min,最普通的回转式空压机是单级喷油螺杆式空压机,这种压缩机在机腔内有两个转子,通过转子来压缩空气,内部没有阀门。这种空压机一般为油冷,这种油起到了密封的作用。回转式空压
19、机是连续工作制,也可设计成风冷或水冷机组。由于结构简单易损件少,回转式螺杆空压机很容易维护,操作,并具有安装灵活的特点。,3)离心式空气压缩机 排气量范围为11.2m3/min 420m3/min,离心式空压机是一动力型空压机,通过旋转的涡轮完成能量的转换,转子通过改变空气的动能和压力来实现以上的转换。由静止的扩压器降低空气的流速来实现动能向压力的变换。 离心式空压机是无油空压机,运动齿轮的润滑油由轴密封和空气隔离。离心式是连续工况式压缩机,移动件很少,特别适用于大气量无油的要求。离心式空压机是水冷式的,典型机组包括后冷却器和所有的控制装置。 活塞式空压机适用的压力范围大,特别适用于压力较高的
20、中小流量场合。目前仍是应用广泛的一种空压机。螺杆式、离心式空压机运转平稳,排气均匀。用于气压传动是较新的具有发展前途的空压机。螺杆式适用于低压力,中小流量的场合,离心式则适用于低压力大流量的场合。 3空压机的选择 选择空压机是根据气动系统所需要的工作压力和流量两个主要参数,空压机的额定压力应略高于气动系统的工作压力。,目前,一般气动系统的工作压力为0.50.8Mpa,可选用额定排气压力为0.71Mpa的低压空压机。特殊需要时,也可选用中压(110Mpa)、高压(10100 Mpa)甚至超高压的(100Mpa)以上的空压机。流量则需要由现场使用情况计算确定。 5.2.2 螺杆式空气压缩机概述 螺
21、杆式空气压缩机是喷油单级双螺杆压缩机,采用高效带轮(或轴器)传动,带动主机转动进行空气压缩,通过喷油对主机压缩腔进行冷却和润滑,压缩腔排出的空气和油混合气体经过粗、精两道分离,将压缩空气中的油分离出来,最后得到洁净的压缩空气。 螺杆式空气压缩机的核心部件是压缩机主机,是容积式压缩机中的一种,空气的压缩是靠装置于机壳内互相平行啮合的阴阳转子的齿槽之容积变化而达到。转子在与它精密配合的机壳内转动使转子齿槽之间的气体不断地产生周期性的容积变化而沿着转子轴线,由吸入侧推向排出侧,完成吸入、压缩、排气三个工作过程。 1螺杆空压机原理简介 螺杆空气压缩机(如图5-9所示)具有结构简单、工作可靠及操作方便等
22、一系列独特的优点,因而自诞生之日起就受到工业界的广泛重视。按螺杆的数目分为双螺杆空压机和单螺杆空压机,按压缩过程中是否有润滑油参与分为无油螺杆空压机和喷油螺杆空压机。,经过多年的发展,螺杆空压机在160m3/min的流量和小于等于20Barg的压力范围内得到广泛应用,在欧、美、日等西方经济发达地区的占有率已经接近100%(几乎完全取代活塞式空气压缩机),而其中的99%以上是双螺杆空气压缩机。,图5-9 双螺杆空气压缩机内部结构示意图,双螺杆空气压缩机图5-9所示,工作时,一个转子按顺时针转动,一个转子按逆时针转动,在相互啮合的过程中,空气被压缩到所需要的压力。双螺杆压缩机具有极高的机械可靠性和
23、优良的动力平衡性,机组重量轻、震动小、噪声低、易损件少、操作及维修亦十分方便、运行效率高是其最大的优点,双螺杆压缩机于20世纪70年代已趋于成熟和完善,并获得了极大的市场成功,是目前市场中的主导产品。,目前,国内外知名的压缩机生产企业生产的螺杆空压机均为双螺杆空气压缩机,而在市场中销售的螺杆空压机中,99%以上均为双螺杆空气压缩机。,2螺杆杆式空压机的工作原理 如图5-10所示,空气压缩机从外界大气中吸入空气,通过滤网进行预过滤进入机箱内部再通过进气过滤器过滤,进入多功能进气控制阀,接着进入转子室进行压缩,转子由马达驱动。精确控制一定量的压缩机油持续不断地注入转子室,对旋转的螺杆进行润滑冷却,
24、并起到密封作用。压缩完毕后,含油的空气被排出机头,经过法兰连接直接进入油气分离器(微米级玻纤滤料层过滤)、将油与压缩空气分离,被分离出来的油在油冷却器中被冷却,流经油过滤器重新回到注入口。分离后的压缩空气通过旋入式精细油气分离器,过滤掉部分油质,使压缩空气中的含油量只有13mg/m3,然后经过最小压力止回阀回到空气冷却器冷却,冷却后的压缩空气经过一个截止阀进入用气系统/储气罐。注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的最小舒适耗量,在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损,温控阀在整个运行过程中控制正常的油温,保证螺杆式压缩机在所有的运行阶段都以最佳的温度工作。,压
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