毕业设计说明书
基于PLC的矿井压风机自动控
制系统设计
专业电气工程及其自动化
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毕业设计说明书（毕业论文）
独创性声明
本人声明所呈交的毕业设计说明书(毕业论文)是本人在导师指导下进行的研究、设计工作后独立完成的。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，说明书中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究所做贡献集体和个人，均己在说明书中作了明确的说明并表示谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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基于PLC矿井压风机的自动控制系统
摘要: 空气压缩机是一种通过压缩气体来提高气体压力或输送气体的动力供给设备。螺杆式空气压风机更以其损失小、效率高、适应性强等优点，广泛应用于工业生产领域。随着应用规模的扩大，原有控制方式的效率低下、维修率增高等问题也日益突出。同时电子技术和微电子技术的迅速发展，由PLC自动控制压风系统，具有较高的可靠性和较好的节能效果，PLC自动控制系统正是这种技术的产物。本文在了解社会发展与需求的情况下，以山东某矿井压风机为项目背景，设计和开发了一种PLC自动控制压风机系统，取代了旧时代的手工控制和分散控制，从而提高了系统的自动化程度。同时论文对压风机的几种控制方式进行了分析。并进行了综述，同时，设计出了压风机自动控制的总体方案、硬件配置以及软件与程序的设计。在该系统中，可编程控制器（西门子S7-300系列）作为下位机，较好的解决了自动控制等问题；上位机软件采用的是MCGS 软件，通过此软件开发出一种可视化的监控画面。两者有效的结合起来，采用以矿井气压压力为主控参数，实现对压风机工作过程和运转速度的有效控制和监控。系统运行结果显示出本系统具有良好的可靠性和实用性，提高了整个压风机控制系统的自动化、智能化的水平。从而最终能够实现压风机房的无人值守。
关键词：螺杆式压风机；可编程控制器；组态软件；自动控制
Automatic control system based on PLC of the mine pressure fan
Abstract: Air compressor is a compressed gases to enhance gas pressure or transport gases power supply equipment.Screw air compressor is more with its low loss, industrial production field.With the enlargement of the scale, the low efficiency of original control mode, repair rate increases and other issues are also increasingly prominent.At the same time, the rapid development of electronic technology and microelectronics technology, automatic pressure control system by PLC, with the understanding of social development and the demand of cases, a fan for mine pressure in Shandong project background, design and develop a kind of PLC automatic control pressure blower system, replacing the old days of manual control and distributed control, thus improve the degree of automation of the system.At the same time the paper studies for compressor control several ways, and were summarized, at the same time, designed the fan on the overall scheme of the automatic control of pressure, and software and program design.In this system, programmable controller (Siemens S7-300 series) as the lower machine, better solved the problems such as automatic control; PC software USES MCGS software, through the software to develop a visual surveillance images. Both effective combination, using pressure as the main control parameter, to the mine pressure in the working process of the compressor and the effective control and monitoring of the running speed.System operation results show that this system and intelligence of the whole control system of compressor.So as to eventually be able to realize pressure wind room unattended.
Keywords:Screw compressor; Programmable controller; Configuration software; The automatic control
目录
1 前言 (6)
1.1项目背景 (6)
1.2课题研究意义 (6)
1.3PLC的发展状况 (7)
1.4效果预测 (7)
2 系统的总体方案设计 (8)
2.1方案的比较与选择 (8)
2.1.1以PC机为核心控制系统 (8)
2.1.2以单片机为核心控制系统 (8)
2.1.3以PLC为核心控制系统 (9)
2.2系统方案 (11)
2.3本章小结 (12)
3 系统的硬件设计 (13)
3.1控制系统的主电路的设计 (13)
3.2系统硬件配置 (13)
3.2.1检测技术与传感器的选型 (13)
3.2.2可编程控制器的分析 (14)
3.2.3 PLC的选型 (15)
3.2.4其它模块的选型 (17)
3.3本章小结 (19)
4 系统的软件设计 (20)
4.1PLC软件的设计 (20)
4.2主程序的设计 (20)
4.2.1故障判断子程序的设计 (22)
4.2.2 程控子程序的设计 (23)
4.3人机交互界面的设计 (24)
人机交互界面方便了工作人员对于生产设备的查看，本文人机交互界面使用的软件是MCGS (24)
4.3.1 MCGS软件的介绍 (24)
4.3.2 主界面的设计 (25)
4.4本章小结 (27)
5总结与展望 (28)
参考文献 (29)
致谢 (30)
1 前言
1.1项目背景
本学位论文的课题来源于山东某矿井压风机房。刚压风机房具有4台英格索兰生产的MM300-2S型螺杆式压风机，每台压风机独立控制，为矿井建设提供动力。由于对4台压风机的操作要进行现场调试，给整个压风机房的操作、维护和管理带来了不变。此外，原控制系统是继电器—接触器控制，这些年，器件经常容易损坏，在控制也出现落落很多的问题，严重影响了压风机的正常运行。另外矿用压风机需要长时间的运行，而且煤矿每时的风量又都不一样，则会出现供风压力不稳定的现象，为避免这种情况，压风机就要在空载（或轻载）和负载状态下切换，经常这样使用会导致设备使用时间的减短，对国家电力资源造成浪费。
针对上述情况，就需要设计出对于压风机的自动控制同时又能智能检测的系统，以提高空压机的工作效率。该系统能够根据风量的变化实现自动化控制，并能够远程操作、监控和报警，对于过压、过热、电流过载等情况进行有效保护，以达到提高生产效率，稳定了压风机的工作性能，能够让工作人员得到更多的休息，提高了工作人员对工作的热情。
1.2课题研究意义
煤矿矿井压风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分，压风机在其中又起到至关重要的作用，压风机一般用在气动设备的动力提供上，将空气压缩成一定压力的气体，使之运转。例如供井下风镐、风泵等气动设备。可以把井下的粉尘冲淡，这样就能给工作人员创造出一个好的工作环境，保证了他们的健康。所以压风机是矿井系统安全运行的重要保障。设备运行的平稳性将直接决定整个生产是否能够完成指标。
PLC作为驱动设备，凭借着其通用性和可靠性等优点，在这个电子技术和微电子技术的迅速发展的社会中得到广泛应用。由PLC自动控制压风系统，提高了可靠性和节能效果，在整个自控系统中，通过远程控制能够更好的完成生产需求。本文通过一个实例——基于PLC的矿井压风机自动控制进行分析。矿井中工作环境的好坏，将直接决定了工作效率与工作人员的身体健康，所以压风机的使用就显得越发的至关重要。我国是煤矿大国，煤矿安全与生产效率是我国政府一再强调的问题，因此提高生产安全性和生产效率是至关重要的。所以提高矿井系统的安全性。可靠性和快速性是势在必行的。之前的煤矿压风机控制系统中，多采用继电器和接触器控制方式，这种控制方式体积庞大；由于触电过多，会出现接触不良等故障的发生，同时当故障产生时也不利于检修；而且运行速度慢，生产效率低下。PLC与上位机有效的结合在一起将解决这一系列的问题，通过PLC对现场设备的控制，并把工作状态上传给上位机，我们就可以通过上位机进行实时监控，这样使得压风机的使用寿命增加，故障排除简单，工作效率提高。为煤矿矿井压风系统的节能技术改造提供一条新途径。
1.3PLC的发展状况
在工业生产过程中，存在着大量的开关量信号。这些信号遵循一定的逻辑条件和逻辑关系按顺序做出相应的动作，根据动作的结果来驱动。在PLC出现之前，传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。工厂自动化控制的初期阶段采用继电器进行控制，但是这种控制方式存在着很多的弊端，这个继电器控制组体积过于庞大、耗电量多、继电器由于长时间的吸合断开导致寿命短、运行的速度也不尽人意等，所以后期就急需研发出一种可以替代继电器控制的控制方式。
随着工业现代化的发展，企业规模的不断扩大，对生产率的要求也越来越高，控制系统的可靠性也要随之提高，以至于原有的继电器控制方式渐渐不能满足这些需求。1969年，美国数字设备公司把继电接触器控制的有点与计算机功能齐全、灵活、通用的特点结合起来研制出了一种新型工业控制装置，并在其他行业很快得到了推广应用，这就是第一代可编程控制器。
社会在发展进步，各个领域都向着自动化、信息化的方向发展，其中工业生产一直强调提高工作效率，减少人力，这就更大大的强调了自动化的重要性。而PLC作为工业控制中的电控装置，其重要性更是不言而喻的。而且随着技术的发展和市场需求的增加，可编程控制器也随之更新，体积越来越小，功能越来越全，可靠性越来越高、运行速度越来越快、稳定性也越来越强。
1.4效果预测
本系统通过智能传感器对设备层的一些数据进行检测，通过背板总线上传给PLC 控制单元，PLC存储器中是可以进行程序编写的，通过对测量数据的比较，对压风机组进行轮流工作，以达到自动化控制的目的。控制结果上传给上位机，上位机界面对压风机进行实时监控，工作人员通过对观察上位机就可以准确的了解到每个压风机的工作状态和实时数据，还可以通过对上位机界面的控制来实现对压风机组的远程控制。当故障出现时，可以及时确定故障所在，并把压风机组的自动控制切换到手动控制，放便检修。通过此系统能够达到矿井压风机的无人值守，提高压风效率、节能减排、减员增效的目的。
2 系统的总体方案设计
2.1方案的比较与选择
在本次设计中，对于压风机的控制系统的方案，按控制核心的不同，大致可分为以PC机为核心控制系统，以单片机为核心控制系统，以PLC为核心控制系统这三种。
2.1.1以PC机为核心控制系统
以PC机为核心控制系统的简略系统结构图如图2-1所示。
图2-1 基于PC机为核心结构图
以PC机为核心的控制系统在大小型工业控制中占有一定的比例，基于其技术开放、操作方便、结构简单，并且具有丰富的软件资源。主要特点是：把IO装置做成板卡的形式，这样就能将它直接和PC机上的总线相连接，也就是说可以直接插在计算机的扩展槽上使用。
这种方案以其结构简单、器件少而立足，但是也正是由于它过于简单，所以存在着很多的不足之处：1、我们所要检测点信号都集中到一起，信号线过多造成现场信号相互之间存在一定的干扰，并且维护也不方便；2、控制中心只有一台PC机，当计算机出现故障，系统整体就有可能出现瘫痪，风险高；3、工作现场不能够看到检测数据，也不能报警，灵活性差。
2.1.2以单片机为核心控制系统
以单片机为核心控制系统简略结构图如图2-2所示。
图2-2 以单片机为核心控制系统结构图
运用单片机控制方案，是因为单片使用起来结构简单，成本低。但是采用单片机控制，还有很多不足之处：1、在对此系统进行设计时，扩展电路和系统配置电路这两部分设计比较复杂，耗费了大量的时间，影响了工作进程。2、由于此次系统设计的使用环境是矿井，工作环境比较恶劣，所以对系统的抗干扰性的要求就比较高，而用单片机控制方案抗干扰性差，虽然我们采取了一些措施减少干扰，但总体效果并不是怎样理想。
3、系统的电源模块还需要自己设计，这就更增加了设计者的工作量，而且系统的稳定性和可靠性都得不到保障。
4、每个系统在长时间运转之后都有一个维修周期，而单片机控制方案维修不方便，给维修人员带来了不便。
2.1.3以PLC为核心控制系统
以PLC为核心控制系统的简略系统结构图如图2-3所示。
图2-3以PLC为核心控制系统结构图
PLC是适合于工业生产控制的一个电子装置，通过在其内部村存储器中编写程序来进行逻辑运算、计时、算法运算等操作，同时通过外部设备对一些数字量和模拟量的提取，并通过输出对现场控制。把PLC和外部设备有效的结合运用，使得整个系统适用于各种大中小的工业控制。PLC具备以下特点见表2-1所示。
表2-1 PLC特点
1）、集成电路式样可靠性高，抗干扰能力强是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
2）、配套齐全，功能完善，适用性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
3）、易学易用，深受工程技术人员的欢迎
采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
4）、系统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
在本次设计方案的选取中，考虑到现场工作环境的恶劣，抗干扰性强，价格经济等方便，故选取PLC控制系统是更为适合。
2.2系统方案
由于空压机在矿井建设中起到至关重要的作用，设计的成功与否对该矿的生产起到一个关键作用。因此，安全、稳定、高校是贯穿本次设计的一个宗旨。
电气系统方面：使用PLC做为下位机的主控制机对4台压风机进行控制,现场通过不同传感器对数据进行采集，然后传输给PLC进行AD转换，现场设备的检测和控制便通过执行机构、传感器和PLC共同实现。
监控系统方面：上位机是在一台计算机上通过MCGS软件设计出主监控画面，从而工作人员便可以在控制室通过计算机对现场进行监控和控制。PLC接有触摸屏，也可以通过对触摸屏上软按钮的操作以达到对压风机的就地控制。
系统的组成：本方案采用分布控制系统。当PLC或者控制对象某一个环节出现故障的时候不会影响其它压风机的正常工作。控制系统按功能划分成了现场设备层，中央控制层，数据呈现层这三个层次。其具体的系统结构图如图2-4所示。
1、现场设备层
现场设备层由执行机构和传感器组成。主要包括开关、传感器、压风机、电磁阀等现场设备。因为生产环境的恶劣，所以对现场设备层的质量和工作的稳定性要求都比较高，我们在硬件设计中对硬件的选取就非常重要。
2、中央控制层
作为整个系统的核心部分，PLC的功能就是对模拟信号和开关信号的检测和控制。初次之外每个PLC除了对现场设备层进行控制意外，还要和触摸屏、PC机进行实时通讯，每个PLC把采集的数据信息通过现场总线传给上位机进行数据分析，上位机通过分析结果向PLC传达指令，PLC执行指令操作设备层。
3、数据呈现层
由触摸屏和上位机组成。与下位机PLC进行通讯，获取现场设备的实时数据，利用MCGS软件，可以观察压风机的工作状态，也可以根据不同的需求进行参数设置，同时还具有报警画面、历史曲线等功能，工作人员可以通过触摸屏上的软按钮对压风机进行远程控制。
图2-4 系统结构图
2.3 本章小结
本章节通过分析现场设备的工作环境和设计的具体要求，我们分析并比较不同核心的控制系统最终选取PLC作为控制核心；而且我们了解到现场环境时恶劣的对硬件的抗干扰性和稳定性的要求是比较高的。最终我们在现有的技术基础上研究并确立了本次设计的具体系统方案。
3 系统的硬件设计
3. 1控制系统的主电路的设计
本系统可编程控制器、空压机组、传感器、接触器控制柜以及触摸屏等构成。系统可以通过远程控制和手动控制对压风机进行操作。所谓远程控制，现场设备层的器件采集模拟信号或开关信号传达给PLC，PLC进行运算之后再次上床给上位机，上位机根据数据汇总分析发布执行指令。工作人员通过对上位机的操作来完成压风机启停和风压的改变。同时PLC上也接有触摸屏，触摸屏上装有监控软件，通过触摸屏上的软按钮也可以对压风机进行操作。当工作人员在现场操作时，遇到突发事件或进行器件的检修时我们可以采用手动控制。具体电气原理图如图3-1所示。
图3-1主电路图
3.2系统硬件配置
确定了系统方案之后，首先对系统的硬件进行选取设计，其中包括检测技术与传感器的选型以及PLC选型。
3.2.1检测技术与传感器的选型
传感器是能够按照一定的规律把外部的模拟量转换成数字量的器件和装置，传感器的产生方便了我门对信号的测量与控制，是工业控制中必不可少的一部分。
1、压力传感器的选型
现场需要对进出压力、润滑油压力和总管压力进行测量，然后把压力信号转化为4~20mA 电流信号输出给PLC，PLC再传输给上位机。压力信号要求范围为0-1.0MPa，精度要在0.5%以上。本次设计中所采用的是GRT压力变送器，下面简单介绍一下GRT压力变送器。
表3-1 压力变送器基本特性
1）、主要特性：传感器为316不锈钢膜片结构，适用被测的介质可以使腐蚀性气体、液体，测量范围在20KPa~20MPa，测量精度为0.1%、0.25%、0.5%，三倍过压范围。
2）、供电特性：推荐工作供电电压：DC24V，空载工作电压：DC12V，最高过载电压：DC40V，最大输出限流：30mA,内设电压极性反接保护。
3）、工作环境特性：环境温度补偿范围：0~50℃，环境温度工作范围：-20~80℃，工作环境湿度范围：0~80%。
4）、外型结构与典型接线：探头外型尺寸：59mm×120mm，重量：650g；GPT过程连接外螺纹规格M20×1.5；GPT过程连接内螺纹规格M12×1.25。
2、温度传感器的选型
铂电阻具有适用范围广、测量范围大、稳定性高、重复性好、价格低廉、使用方便等优点，成为目前工业和实验室中温度测量应用最广泛普遍的传感元件之一。本系统选择用PT100作为本次设计的温度传感器。
3.2.2可编程控制器的分析
1、可编程控制器（PLC）工作原理
PLC是一种工业控制用的计算机。PLC的工作方式有周期扫描方式、定时中断方式、输入中断方式和通信方式等，最主要的方式是周期扫描方式。周期扫描方式大致分为7个过程，如图3-2所示
图3-2 PLC工作过程
PLC启动后，要进行第一次启动的初始化处理。在启动处理过程通过以后，要进到共同处理过程，共同处理的主要任务是复位监视计时器、检查IO总显示否正常、检查扫描周期是否过长和检查程序存储器是否有异常等。由于PLC采用的是扫描工作过程，所以当一个扫描周期结束之后，即使此时外部设备传输进来的输入发生改变，但此时的输入状态映射寄存器中的内容也不会发生改变，等到下一个周期到达时才会随之改变。
2、PLC的基本结构
PLC的硬件组成是由7部分组成，如图3-3所示。表3-2简单的介绍了部分硬件。
图3-3 PLC的组成
表3-1 PLC组成硬件简介
CPU模块CPU是PLC的核心部分，它不断采集输入信号，执行用户程序，并根据执行结果控制输出设备响应外部设备的，同时进行各种内部诊断。
PLC的存储器分为两类，一种是系统程序存储器，主要存储系统管理，监控
存储器程序和用户程序编译程序，这类程序用户不能更改；另一种是用户程序及数据存储器，主要存储用户编制的应用程序和各种数据。
电源
PLC的电源一般使用AC22V或DC24V，直流24V电源不仅可以供应内部使用，还可以供输出输入单元和传感器使用。
输入输出接口
输入输出接口时PLC与外部设备信息交换所需的连接部件。PLC通过输入接口把外部设备的工作状态读入到中央处理器。输出接口将CPU处理的结果传输到执行机构。
外部设备接口
外部设备接口可以连接不同的外部设备以达到更好的人机交互。，存储器接口可以扩展存储器；通信接口使得PLC可与计算机及其他PLC等设备实现通信。
IO扩展接口
扩展输入输出单元，可以配置开关量IO单元，也可配置其他特殊IO单元，它使得PLC的控制规模配置更加灵活。
3.2.3 PLC的选型
目前，PLC种类繁多，几乎可以满足各种工业控制的需求，因此，PLC的选型一般遵循见表3-3所示。
表3-3 PLC选型原则
序号选型原则
1 IO点数的确定。确定IO点数时应考虑到为以后扩展留有余量，通常根据统计的输入输出点数，然后再增加10%~20%的扩展余量，作为IO点数估算数据。当然，在实际购买时，还需要根据厂商PLC的产品特点，对IO点数进行圆整。
2 存储器容量的确定。存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于村粗器容量。由于设计阶段应用程序还未编制，因此，通常用来估算存储器的容量。许多文献资料都给出了不同的估算公式，但是大体上都是按照IO点数的10~15倍，加上模拟IO点数的100倍，再按此数的25%考虑余量，一次作为存储器的容量估算。
3 控制能力的确定。一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带AD和DA单元。具有加减算术运算。数据传送功能的增强型低档PLC。对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般大型机主要用于大规模过程控制和集散控制系统等场合
4
响应速度的要求PLC的扫描工作方式引起的延迟可达2－3个扫描周期。对于大多数应用场合来说，PLC的响应速度都可以满足要求，不是主要问题。然而对于某些个别场合，则要求考虑PLC的响应速度。为了减少PLC的IO响应的延迟时间，可以选用扫描速度高的PLC，或选用具有高速IO处理功能指令的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC 等。因此，要结合工程需求和现场条件，选择更为合适的PLC。
本系统中共有4台空压机，根据需求，模拟量输入17个，数字量输入17个，数字
量输出12个，具体的IO点数见表3-1。
表3-1 IO点数统计表
IO类型模拟量输入数字量输入数字量输出
信号类型
类型数量类型数量类型数量总管压力 1 自动手动 4 启动停止 4 进气压力 4 控制台急停 5 加载减载 4 出口压力 4 合闸反馈 4 放气 4 电机电流 4 分闸反馈 4
压风机温度 4
统计点数AI 17 DI 17 DO 12 总计49
根据以上几个方面比较，从性价比以及其它几个方面进行比较，本设计采用SIEMENS公司的S7-300系列的CPU315-2DP。CPU315-2DP具有大中规模的程序容量，对二进制和浮点数有较高处理性能，有两个PROFIBUS-DP主站从站接口，可以建立分布式IO结构和大规模的IO配置。该型号具有16数字输入、16数字输出。可提供标准的24VDC的输入输出电压。
3.2.4其它模块的选型
根据现场要求，本系统除CPU模块意外还需要：模拟量电源模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、接口模块、通信模块。
1、电源模块的选择。系统选用PS307（5A），标准型号为307-1EA00-0AA0，该电源模块输出电流5A，输出电压24VDC，隔离性好，具有防开路和短路的功能。模块图如图3-4所示。
图3-4 电源模块
2、模拟量输入模块的选择。本系统采用SM331-1KF00-0AB0，该模块为AI8×13位，该模块的输入通道有8个，其模块视图和接线图如图3-5所示。
3、数字量输入模块的选择。本系统采用SM321-1BL00-0AA0，该模块为32点输入，16组，额定输入电压DC24V，允许最大静态电流1.5mA。其模块视图和接线图如图3-6所示。
4、数字量输出模块的选型。本系统采用SM322-1HH00-0AA0，该模块有16点继电器输出，8点组，光电隔离，最高电压DC120V AC230V。每组输出总电流（60℃）8A。阻性负载最大输出电流2AAC 230V、2ADC 24V。感性负载最大输出电流2AAC 230V、2ADC 24V。感性负载最大输出频率0.5Hz，阻性负载最大输出频率1Hz。短路保护为外部提供。其模块视图及接线图如图3-7所示。
5、接口模块的选择。由于系统就用到两机架，且两机架之间距离很近，故选用IM365接口模块。
6、通信模块的选择。本系统利用Delcos3100控制器预留出的MODBUS通信接口与PLC通信，以实现Delcos3100控制器地址数据读出与写入，因此选用具有MODEBUS 通信协议的CP341通信模块，型号为341-1CH01-0AE0。
图3-5 SM331模块视图和接线图
图3-6 SM321模块视图和接线图
图3-7 SM322模块视图和接线图
3. 3本章小结
本章首先详细分析了PLC的工作原理，模块式PLC的基本结构，其次对系统硬件配置及相关器件的选型，最终确定了硬件电路。
4 系统的软件设计
4.1 PLC软件的设计
本文采用的PLC编程软件是西门子公司研发的STEP7编程软件，它使用的主要是梯形图语言对整个系统进行编程，对于S7-300型PLC，为了便于以后的扩展和维护，它采用模块化的设计。本系统度矿井通风机的程序设计主要包括一下几部分：风机的启动和停止控制、数据的采集处理以及故障的报警处理等。风机的启动和停止控制中采用的控制方式是就地的手动控制和PLC与上位机完成的自动控制。手动控制是在PLC和上位机的功能被限制的条件下，由专业的技术人员直接进行手动操作。自动控制主要是由上位机发出指令，由PLC根据其内部的逻辑程序实现对风机的自动控制。这两种模式的切换是由矿井通风机柜上的转换开关进行切换的，并且要强调的是这两种模式之间是互锁的关系。在监控系统中PLC的输入端口只能识别数字量，我们需要把传感器检
测到的模拟量转换成数字量，这个任务主要是由STEP7的标准模块来完成。然后将这些数字量上传到上位机，并且有上位机及触摸屏将上传的各个参数显示在显示屏上。为了确保矿井生产的安全性和可靠性，上位机界面设计的故障报警处理相关模块，在检测的过程中如果参数在某个时刻的值超过了报警值，PLC程序就会调用报警子程序，将会对相应的传感器进行监测，进而判断传感器的好坏，反馈给操作人员，保证相应的传感器能够得到及时的维护和检修。
4.2主程序的设计
针对本系统选用的PLC硬件设置，本次的软件设计将采用STEP 7 软件。本系统使用结构化编程的方法进行设计，每个子程序完成一项工作任务，然后在总程序块中进行调用。这种方法可以减少工作量，当某一个环节出现问题的时候也方便了使用者进行检查和修改，大大提高了工作效率。这种程序结构简单清晰、易于修改。本系统程序包括故障判断子程序和程序控制子程序。在程序设计之前先制定IO分配表，本系统需要对模拟量输入、数字量输入、数字量输出这三个模块分别进行IO口的分配，见表4-1、4-2、4-3所示，其程序流程图如图4-1所示。
表4-1 SM331IO分配表
SM331模拟量输入模块
输入端口的定义输入端口的定义
CHO 1#压风机电流CHO 1#压风机进气压力
CH1 2#压风机电流CH1 2#压风机进气压力
CH2 3#压风机电流CH2 3#压风机进气压力
CH3 4#压风机电流CH3 4#压风机进气压力
CH4 1#压风机温度CH4 1#压风机出口压力
输入端口的定义输入端口的定义
CH5 2#压风机温度CH5 2#压风机出口压力
CH6 3#压风机温度CH6 3#压风机出口压力
CH7 4#压风机温度CH7 4#压风机出口压力
CHO 总管压力
表4-2 SM321IO分配表
SM321数字量输入模块
输入端口的定义输入端口的定义
I0.0 1#压风机自动手动切换I1.0 1#压风机启动
I0.1 2#压风机自动手动切换I1.1 2#压风机启动
I0.2 3#压风机自动手动切换I1.2 3#压风机启动
I0.3 4#压风机自动手动切换I1.3 4#压风机启动
I0.4 1#压风机控制急停I1.4 1#压风机停止
I0.5 2#压风机控制急停I1.5 2#压风机停止I0.6 3#压风机控制急停I1.6 3#压风机停止I0.7 4#压风机控制急停I1.7 4#压风机停止I2.0 总控制急停
表4-3 SM322I0分配表
SM322数字量输出模块
Q0.0 1#压风机的起动停止Q1.0 1#压风机放气Q0.1 2#压风机的起动停止Q1.1 2#压风机放气Q0.2 3#压风机的起动停止Q1.2 3#压风机放气Q0.3 4#压风机的起动停止Q1.3 4#压风机放气Q0.4 1#压风机的加载减载
Q0.5 2#压风机的加载减载
Q0.6 3#压风机的加载减载
Q0.7 4#压风机的加载减载
上电、复位
初始化
通信子程序
通信故障
AI 读入设定值读入
故障判断子程序手动挡自动挡
就地控制手动控制程序控制远程控制
返回故障输出
故障报警
是是否
图4-1 主程序流程图
4.2.1故障判断子程序的设计
为了能够准确了解系统的运行状况，同时可以对系统出现的异常情况进行快速处理，因此在程序中必须进行参数异常值得判读和报警。其程序流程图如4-2所示。
图4-2 故障判断流程图
4.2.2 程控子程序的设计
本系统以总管压力为依据，运用程序自动控制功能，实现了4台压风机之间的自动控制，其控制时序的设定如下：在程序中设定了4个量，即停机值、开机值、加载值、卸载值，并且对每一台压风机的停机时间、开机时间、加载时间、卸载时间通过计时器计时，例如一台压风机开始工作时，则触发开机计时器开始计时，同时停机计数器计时器清零，反之，当压风机停止工作，则触发其停机计时器，开机计时器清零。同样的原
理，当加载时加载触发加载计时器开始计时，卸载计时器清零，卸载时，卸载计时器开始计时，加载计时器清零。通过记录压风机的这4个量来控制压风机的循环使用。我们通过外部设备获得总管压力，压风机组正常工作状态下的总管压力值处于加载值和卸载值之间，当测量出总管压力值偏高，程序进行判断出加载时间最长的压风机并控制其卸载操作；反之，当总管压力值偏低，则判断出卸载时间最长的压风机并控制其加载操作。同理，程序把总管压力值与停机值进行比较，当超过停机值时，则判断出开机时间最长的一个压风机并进行停机操作；反之，程序把总管压力值与开机值进行比较，当低于开机值时，则判断出停机时间最长的压风机并进行开机操作。当然其中肯定存在着多台压风机工作时间相同的情况，面对这种情况我们只需要让压风机按照1-4#顺序操作就可以了。为了对压风机进行保护，可以设定每台压风机的加卸载时间不能超过30分钟，这样可以避免出现某一台压风机长时间连续工作，减少对压风机的损害。对于保护这一点，程序中也做了对压风机的温度进行测量比较了。通过外部设备对压风机的温度进行测量，我们通过程序把测量值和给定值进行比较，当超过给定值，压风机进行停机操作。根据需求不同，我们可以通过触摸屏对这些给定值进行设定。当然这些自动控制的前提是压风机组没有任何故障的情况下，当压风机组出现故障，我们切换到自动控制模式，对故障进行分许处理。其流程图如图4-3所示。
图4-3 程控流程图
根据现场需求，四个设定值如表4-1所示。通过对压风机的自动控制，可以有效的使用压风机的使用时间，对每一台压风机的使用时间基本一致，这样就不会出现某一台压风机长时间工作，而其它压风机长时间待业的情况，岁压风机组起到了一定的保护作用，也提高了压风机的利用率，同时也节约了能源。
表4-1 压力值的设定
参数停机值卸载值加载值开机值设定值（var）7.0 6.8 6.4 6.2
4.3人机交互界面的设计
人机交互界面方便了工作人员对于生产设备的查看，本文人机交互界面使用的软件是MCGS
4.3.1 MCGS软件的介绍
组态软件的主要作用就是监控，他集监控与控制于一身，工业生产带来了许多方便次软件在控制系统的层次中属于监控层，是直接面对用户的，所以开发者在开发时不仅仅要完成功能，也要考虑到人机之间交互的和谐性。组态软件的应用领域非常广泛，煤矿行业、大型工业、电力系统等领域中都得到了广泛的应用。本系统的上位机和触摸屏都采用的是MCGS。MCGS操作方便、功能齐全、界面优美、维护性强等优点。
打开MCGS软件，新建一个工程便发现每个工程是由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据和运行策略这五个部分组成，如图4-4所示。每个部分都具有自己的功能，这些功能合理的组在一起才能完成一个系统。主控窗口中存在的是工程的主窗口，在主