基于S7300PLC的煤矿井下中央泵房控制学士学位论文

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1、山东科技大学学士学位论文摘要基于S7-300PLC的煤矿井下中央泵房控制摘要本文对煤矿井下中央泵房控制系统的硬件系统设计、软件系统设计以及系统的抗干扰措施进行了详细设计。本系统采用SIEMENS的S7-300 PLC，并结合各种传感器（主要为水位传感器、负压传感器、压力传感器、流量传感器、振动传感器、温度传感器等），完成系统中要实现的控制方式选择、故障报警等功能。本系统采用水泵及管路的“自动轮换”工作制。采用台达人机界面就地监控系统中设备的参数，并进行现场的就地手动控制，做到有故障及时发现并尽早处理。S7-300 PLC采用RS485通信标准与地面监控中心上位机进行通信，对排水系统实施全面的监

2、控，并能进行远程控制。关键词：PLC 传感器 排水系统 自动控制 ABSTRACTIn this paper, the selection and design of drainage equipment, then according to the drainage control requirements, the design of automatic control. The system uses the SIEMENS S7-300 PLC, and combined with a variety of sensors (mainly for the water level sen

3、sor, pressure sensor, pressure sensor, flow sensor, vibration sensor, temperature sensor), control mode to achieve the system choice, alarm and other functions. This system uses the water pump and pipeline turns working system. A valley principle to determine the number of the opening pump according

4、 to avoid peak, in order to achieve the purpose of saving the power. The parameters of the equipment of delta HMI monitoring system of in situ PC end, and local manual control site, do have the fault timely detection and early treatment. S7-300 PLC communication using RS485 communication standard an

5、d the ground control center PC, the implementation of a comprehensive monitoring of the drainage system, and is capable of remote control.Keywords：PLC sensor drainage system automatic control山东科技大学学士学位论文目录目录山东科技大学学士学位论文目录1 绪论11.1 课题的研究意义11.2 国内外研究现状11.3 课题主要研究内容22 系统总体设计32.1 课题设计要求分析32.2 课题设计功能分析42.

6、3 硬件和软件功能划分73 系统硬件设计93.1 CPU的选型93.2 传感器的选型设计103.3 开关量输入通道213.4 显示模块的设计233.5 开关量输出通道253.6 通讯模块设计263.7 供电电源273.8 系统排水设备的选型设计284 系统软件设计314.1 系统软件的综述314.2 PLC程序设计314.3 触摸屏显示界面设计385 系统抗干扰设计425.1 常见干扰源425.2 排除干扰的措施436 总结45致谢47参考文献46附录48附录1系统图纸48附录2 外文文献翻译54山东科技大学学士学位论文绪论 1 绪论1.1 课题的研究意义煤矿井下主排水泵房承担了将井下的涌水排

7、到地面的重要任务，为煤矿的安全生产提供必要的保障。针对煤矿生产中的重要机电设备主排水泵房进行自动化控制，对保障煤矿的安全生产具有十分重要意义。在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下。矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关，涌水量在不同的季节也存在不同。如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产可能受到阻碍，井下的安全得不到保障，严重者会造成重大事故。煤矿井下中央泵房控制系统具有控制简单、可靠、经济等优点。所以，基于PLC的井下排水中央泵房的控制系统的研究对煤矿的安全、高效生产具有非常重要

8、的意义。1.2 国内外研究现状矿井中央泵房是矿山企业的机电要害场所，直接影响到矿山企业的安全生产，现在国内矿山企业矿井中央泵房的自动化水平还不是很高，这影响了生产的安全性和高效性，矿井中央泵房自动控制可以有效解决这些问题。井下的水泵功率大、电压高、启动复杂，水泵启动前吸水管路的充水，通常采用抽真空吸水的方法来完成。现在泵房内设备的运行与管理以及水仓水位的观察，普遍采用人工操作方式，操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长、自动化程度低、不适应现代化矿井管理。井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。传统的继电器控制方法，用人工进行检测，这种检测控制方法效率低，劳动强度大，且由于井下环境恶劣，

9、故障率较高。所以靠人工检测的方法已不适应国内外煤炭行业发展的需要，取而代之的是自动化排水系统。由于矿井排水系统属于多变量、非线性、时变的复杂系统，特别是在管道和水泵等环节中，各变量之间又存在着交叉，因此国内外矿井排水系统普遍采用模糊控制的方法进行动态监测和故障诊断。目前，PLC在国内外工业控制中已获得广泛应用，在矿井排水系统中，采用PLC自动监测排水系统的运转状况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵启动的自动切换等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性高。1.3 课题主要研究内容针对上述排水系统存在的问题，本文提出了基于Siemens的S7-300 PLC的矿井主排水系

10、统自动化控制系统的设计。自动控制系统的应用，将使得排水系统可靠性增强，整个工作流程通过软件的编程来实现，程序确定后，水泵机组将按给定的程序自动启停水泵、开关阀门，极大的减小工人的劳动强度。PLC将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机，管理人员在地面即可掌握井下中央泵房设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下中央泵房的遥测、遥控。70山东科技大学学士学位论文系统总体设计 2 系统总体设计2.1 课题设计要求分析本设计主要实现了如下功能：（1） 根据井下水仓水位的高低自动控制3台水泵的运行；（2） 具有过流、过压、短路、流量等保护信号的监测功

11、能；（3） 具有以下三种工作模式：自动控制工作模式、就地手动控制工作模式、远程控制模式；（4） 就地显示功能：可以实时显示系统工作方式、三台水泵的状态、电源电压、电流、各水泵的振动、电机绕组温度、管网的压力、水仓水位等参数；（5）报警功能： 振动超限 电机温度超限 水位超限 过电流 过电压（6）通信功能：通过与上位机的通信，实现远程监测中心对排水系统各参数及各设备的运行状态进行远程监测以及远程实时控制。排水系统结构图如图2.1所示。图2.1 排水系统结构图井下排水系统的主要构成器件有水泵、真空泵、排水管以及各种闸阀。2.2 课题设计功能分析该排水系统在实现排除井下积水功能的前提下，实现全程的自

12、动控制，根据课题的设计内容分析可知设计主要实现的功能有排水自动控制功能、上位机显示功能、故障报警功能、上位机参数设置功能等，下面根据功能框图对各部分功能具体介绍。图2.2 排水系统功能结构框图该控制系统由模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块以及上位机通信构成。模拟量输入模块和数字量输入模块输入的信号经过CPU模块的处理后经过数字量输出模块输出并完成与通信模块的通信。该系统选用PLC作中心控制器，模拟量输入模块主要输入温度传感器、压力传感器、电流电压传感器等的数值；数字量输入模块主要是水泵电机的开关信号；数字量输出模块是电机及闸阀的控制输出；通信模块将上位机与PLC连接，进行通信。2.

13、2.1 排水自动控制功能该系统处于排水自动控制过程时，由液位传感器连续检测水仓水位，根据水仓和吸水井的水位，自动开停水泵及其阀门，在正常水位时，各台水泵能自动轮换工作，在危险水位时，自动投入必要数量的水泵运行。具体控制流程如下:（1）当水仓水位达到高水位时，水位传感器发出开泵信号，由PLC控制按程序进行开泵操作。（2）灌引水，开启抽真空管路上的电动球阀，再开启真空泵，利用泵体内形成的真空度对泵体进行灌引水，达到启动主水泵的条件。（3）启动主排水泵：根据压力传感器反馈信号，决定启动主排水泵。首先通过PLC控制启动高压柜，然后根据高压柜开闸合闸信号反馈，启动高压软启动装置，实现对主水泵的软启动。（

14、4）水泵正常启动后，PLC控制电动闸阀开启，实现正常排水。（5）当水仓水位达到低水位时，水位传感器发出停泵信号，由PLC控制按程序进行停泵操作，停泵操作顺序与开泵操作顺序相反。2.2.2 故障保护、报警功能 水泵电机容量大，耗电量高，属一级负荷。因此，对排水设备自动控制系统的安全性、可靠性要求较高。本系统设有以下保护： （1）过电流、过电压、漏电保护：PLC通过接在电机电源主回路里的电量检测模块实时监测出电机电流、电压等，把这些数值通过模拟量输入模块传输到可编程控制器，由可编程控制器PLC计算、判断电动机工况。当出现故障时，控制相应的执行机构或保护装置动作，故障报警。 （2）超温保护：水泵长期

15、运行，当轴承温度或定子温度、电机温度超出允许值时，通过温度保护控制使水泵停车。 （3）流量保护：当水泵在运行过程中，其排水量达不到正常值时，应通过流量保护装置使水泵停止运行。2.2.3 参数设置及显示功能 系统通过触摸屏以图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时的反映系统工作状态以及水仓水位、流量、压力、电机温度等参数，并通过通讯模块与综合监测监控主机实行数据交换。此外，系统设计还可以通过触摸屏来对相应参数（如温度上下限、电压电流限值、水位值等）进行该设置。系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点，并可以节省水泵的运行费用。排水检测系统的特点如下：（1）实行在线监控 监控系统对水泵房设备

16、运行实行在线监控，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守，并通过网络与矿井监控系统进行数据交换，接受管理人员指令。（2）控制灵活可实现多种控制方式之间的切换，应用于不同的工作环境下。一般情况下，根据水位情况自动运行，故障检修或系统维修时，可使用半自动或手动方式，即可对运行环节“截断”操作。2.3 硬件和软件功能划分设计系统分硬件和软件两大部分，硬件部分主要包括模拟量采集通道设计、开关量输入通道、开关量输出通道、可编程逻辑控制器的概况、CPU的选型、供电电源、显示模块、上位机通信、泵的介绍设计等几部分，主要在于对该设计硬件组成作详尽的介绍。 而软件部分主要有设计综述、主程序设计、主要子程序设计

17、、上位机通信几部分，其完成的主要功能为通过控制模拟通道对数据进行采集、完成对数据的转换、设置，并通过通信将其显示在上位机上。山东科技大学学士学位论文系统硬件系统设计3 系统硬件设计3.1 CPU的选型 CPU是PLC系统的运算控制核心。它根据程序的要求完成以下任务：接收并储存用户程序和数据，接受现场输入设备的状态和数据，诊断PLC内部电路工作状态和编程状态中的语法错误，完成用户程序规定的运算任务，更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，完成输出控制或数据通信的功能。考虑到设计中I/O点数可能有疏漏，并考虑到I/O端的分组情况以及隔离与接地要求，应在统计后得出的I/O点数基础上，增加10%到

18、15%的余量。PLC的I/O点数估算值大小，在很大程度上反映了PLC系统的功能要求，因此可以在I/O点数估算值的基础上计算对PLC存储器容量的需求。目前，大多用统计经验公式进行存储器容量估算。这种方法是以PLC处理每个信息量所需存储器数的统计平均经验值为依据，乘以信息量数再考虑一定的余量计算得到存储器需要容量。作为一般应用下的一种经验公式是：存储器容量（KB）=（1.1-1.25）（DI10+DO5+AI/O100）/1024其中：DI为数字量输入总点数； DO为数字量输出总点数； AI/O为模拟量I/O通道总数。DI点数估计值为321.15=37，DO点数估计值为251.15=29，AI通道

19、估计值为431.15=50个。PLC是为工业自动化而设计的通用控制器，不同档次的PLC的响应速度一般能满足应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者应用中的某些功能或信号有特别的速度要求时，确定PLC的型号就应特别慎重。通过上面的计算，考虑到系统通讯要求，选用西门子S7-300系列中的CPU315-2 DP是最合适的。其中最主要的原因是CPU315-2 DP是S7-300系列中唯一带现场总线SINEC L2-DP接口的CPU模块。内置80KB RAM，随机存储器为48KB，最大数字量I/O点数为1024个，最大模拟量I/O通道数为128个。最大配置4个机架，32块模块。满足设计需要。3.2

20、 传感器的选型设计该设计中传感器的信号输入为模拟信号，设计中采用SM331模拟量输入模块，该模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，积分时间直接影响到A/D转换时间和A/D转换的精度。被测模拟量的精度是所设定积分时间的正函数。SM331可选4档积分： 2.5ms,16.7ms,20ms,100ms，相应对的精度为9,12,12,14位，设计中选择8通道12位模拟量输入模块。硬件连接图见附录图9.1、图9.2、图9.3、图9.4。该设计所用模拟通道总路数为43路，具体如下表3.1。表3.1 模拟量

21、输入通道统计表模拟量输入路数水仓水位1水泵真空度3水泵轴承温度6电机温度15水泵出水口压力3电机电压3电机电流3水泵电动阀开度3排水管流量3电机振动3总计43下面对于所用模拟通道各路的外部链接作具体介绍，分别为液位传感器、流量传感器、负压传感器、温度传感器、压力传感器、电流电压传感器、振动传感器。3.2.1 液位传感器的选型设计 （1）超声波液位传感器超声波传感器由两部分组成，即换能器和液位传感器主控箱。其主要功能是检测声头到液面的距离，由微处理器计算液位参数，输出模拟信号。超声波液位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从反射超声波脉冲开始，到接受到反射波为止的这个时

22、间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对水位进行测量。根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各使用一个换能器。超声波发射和接收换能器可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图3.1所示。对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为： （3.1）则 （3.2）式中：h 换能器距液面的距离； C 超声波在介质中的传播速度。从以上公式中可以看出，只要测的超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的液位。图3.1 超声波液位传感器超声波液位传感器具有

23、精度高和使用寿命长的特点，本设计中采用QF-9000防爆型超声波液位传感器，其技术参数如表3.2所示。表3.2 超声波液位传感器技术参数表型号QF-9000测量范围070m测量精度3mm或35重复精度1频率40KHz / 24KHz输出420mA、RS485协议应用场合防爆环境供电电压DC24V 150mA（2）投入式液位传感器投入式液位传感器是一种测量液位的压力传感器，基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号，如图3.2所示。图3.2 投入式液位传感器具体的来说是：传感头根据水

24、中的压力与空气中的压力差，传感头把水位的高度变换成压力差，再把压力差转换成微弱的电信号，该微弱的电信号经放大器放大后送A/D变换器，单片机采集数字信号经运算处理后，输出的水位高度用数码管显示，同时输出对应的输出信号。上述两种液位传感器是基于不同的工作原理设计和制造出来的，分别适用于不同的工作场所。当然有些场所可以使用两种当中的任何一种，也可以同时使用在同一个被检测对象。由于煤矿井下的排水系统重要的安全地位，而水位传感器是整个排水系统的嗅觉器官。也就是说，一旦水位传感器失灵，后面的排水硬件和响应软件设置得再好都无法启动。所以，本设计采用精度较高的超声波液位传感器。3.2.2负压传感器的选型设计K

25、GY4型负压传感器由供电电源、传感头、放大器、A/D变换器、单片机、显示电路、输出电路等部分组成。传感器的电源部分向传感头提供电源，传感头把压力差变换成微弱的电信号，放大器把微弱的电信号加以放大然后由A/D变换器将模拟的电信号变换成数字信号，单片机对数字信号进行运算和处理把压力值通过数码管显示出来，并且把压力值以电流信号输出。KGY4型负压传感器的主要技术指标如表3.3所示。表3.3 KGY4型负压传感器的主要技术指标输入 -100kPa测量介质对不锈钢不腐蚀的气、液体工作方式负压、真空度工作电压5V DC或10V DC（24V）输出100mv或05V、420mA零位输出2mV综合精度0.05

26、%非线性0.1%ES（典型值）工作温度范围 -40120温度漂移0.025%ES/3.2.3压力传感器的选型设计（1）压阻式压力传感器原理介绍压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。图3.3为压阻式式压力传感器。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感

27、受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为2060。在圆形硅图3.3 压阻式压力传感器膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条 ，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。（2）HS-956系列薄膜压力变送器在本系统中使用了HS-956系列薄膜压力变送器。HS-956系列薄膜压力变送器由高性能的薄膜压力传感器与信号调理电路组成。该系列产品技术独特、性能优越，具有体积小

28、、重量轻、安装简便、能在恶劣环境长期稳定工作的特点，特别符合频繁冲击压力的测量。是目前理想的流体压力测量仪表。 主要技术指标： 介质：液体、气体或蒸汽； 输出：两线制420mA.DC； 量程：60MPa； 电源：24V.DC，无负载时可工作在12V.DC，最大电源电压36V.DC； 输出限制：变送器过压时，内部限流器输出电流限制在25mA以下。 3.2.4流量计的安装及使用 （1）水泵的流量与水泵出口的闸阀开度和出口压力、电动机电流有直接的关系，这些参数之间相互结合可以检测出水泵、电动机的性能和工况，因此水泵出口流量的检测有非常重要的意义。水泵出口流量的检测有两种布置方式： 流量检测器安装分别

29、安装在水泵出口的分支管路上； 流量检测器安装在水泵的总管路上。两种安装位置的比较，采用的安装方式可以满足需求。采用的安装方式可以保证准确测量每一个水泵在每个工作过程中的流量。从而可以比较准确的判断出每个水泵机组的工作特性。但是结合煤矿井下排水过程的特点：水泵的工作方式（轮番启动），如果采用所示的安装方式，也可以判断出每个水泵的流量，但是需要比较复杂的软件设计来实现。软件中可以通过检测干路中的流量总和和所开启的水泵数目，可以得到整个排水泵点击机组的工况。因此处于造价、硬件系统的复杂等方面的考虑，优先选择的方式设置流量计。 （2）电磁流量计工作原理电磁流量计由电磁流量转换器和电磁流量传感器组成的。

30、电磁流量转换器是为电磁流量传感器提供电源，并将其测量的流量信号整定成为标准的420mA电流等其他形式的信号。电磁流量传感器是根据法拉第原理制成的一种流量计，用来测量导电液体的流量。其原理图如图3-7所示，它是由产生均匀磁场的系统、不导磁材料的管道以及在管道横截面上的导电电极组成。磁场方向、电极连线、管道轴线三者之间是相互垂直的。当被测导电液体流过管道时，切割磁力线，于是在和磁场及流动方向垂直方向上产生感应电动势，其数值与液体的流速成正比。即 E=BDv （3.3）式中：B磁感应强度（T）； D切割磁力线的导体液体的长度（为管道内径）（m）； v导电液体在管道内的平均流速（m/s）。由式（3-7

31、）得被测导电液体的体积流量为 （3.4）因此，知道感应电动势就可以测出导电液体的流量。图3.5 电磁流量传感器原理图理论上认为磁感应强度B是常量，即直流磁场。但直流电势将使被测液体电解，使电极极化。正电极背负离子包围，负电极被一层正离子包围，加大了电极的电阻，破坏了原来的测量条件。同时内阻增加随被测液体成分的变化和工作时间长短而变化，因而使输出电势不固定，影响测量精度。而对被测量介质的流量测量采用交流电（频率为50Hz）励磁的交流磁场，即 （3.5）感应电动势为 (3.6)所以体积流量为 (3.7)为了避免测量管路引起磁分流，故需要用非导磁材料做成。另外，由于测量管路处于较强的交流磁场中，管壁

32、产生涡流，因而产生二次磁通。为了减少涡流，要求测量管路的材料具有较高电阻率。且对于不同直径的电磁流量计，其电极、测量管路都采用不同的材料做成。随着工业生产技术的加强和进步，各种智能型电磁流量计已经很容易地制造出来，并应用于测量管道中导电液体的体积流量，如水、污水、泥浆、矿浆、酸、碱、盐液体及食品浆液等。在石油化工、矿冶、煤炭、水利工程给排水、污水处理等行业中广泛应用。电磁流量计可以达到以下要求： 420mA信号输出型； 抗干扰性强、精度高、稳定性可靠、整体防爆； 测量范围宽，流速0.315m/s。随着工业生产技术的加强和进步，电磁流量计达到抗干扰性强、精度高、稳定性可靠、整体防爆的要求，适合在

33、煤矿井下使用，且也逐步的推广和使用。由于每台水泵的工作曲线特别是使用了一定年限的离心式水泵的流量/功率、流量/效率等曲线有较大的差异，因此无法各处每台水泵在工作过程中的流量正常阈值和水泵排出水过少的阈值。这些阈值只有在现场根据每台水泵不同的流量特性设定出相应的阈值。虽然电磁流量传感器在使用、安装的过程中比较复杂，但可以肯定的说，随着流量传感器在中央泵房自动排水系统的应用，将大大提高整个系统的稳定性和安全性。3.2.5温度传感器的选型设计温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触，这是测温的基本形式。这类温度传感器具有结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价

34、格低廉等优点，是目前应用最多的一类。非接触式温度传感器理论上不存在接触式温度传感器的滞后和应用范围上的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，但测量精度低，使用不太方便。通过比较，宜选择接触器温度传感器测量温度比较合适。本文选择PT100温度传感器测电机及水泵温度。PT100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/组织对应关系为：-200t0时， （3.8）0t850时， （3.9）式中，A=3.9080210-3；B=-5.8010-7；C=4.273510-12。PT100温度传感器是一个模拟信号，它在实际应

35、用中有两种形式：一种是不需要显示的，主要采集到PLC，PT100直接把采集到的电阻变为15V DC输入到PLC，经过简单的计算就可以得到相应的温度值（这样的形式可以同时采集多路）。还有一种就是单独的一个PT100温度传感器（工作电源是24V DC），产生一个420mA的电流。PT100温度传感器的主要技术参数如下：测温范围：-200+850；允许偏差值：A级（0.15+0.002），B级（0.30+0.005）；热响应时间小于30s；最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm；允通电流5mA。另外，PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。3.2.6振动传感器振动变

36、送器分为分体式跟一体化两种。BVM-200B系列振动变送器，主要用于检测旋转机械的绝对振动，如机壳振动、轴瓦振动、机械振动等。监测由于转子的不平衡、不对中、机件松动、滚动轴承损坏、齿轮损坏等引起的振动变化。适用于汽轮机、水轮机、风机、压缩机、电机、齿轮箱等大型旋转机械，适用于不同类型的振动传感器。BVM-200B一体化型振动变送器，主要用于在线监测各种大型设备运行时的机械振动及设备状态，如机壳振动、轴瓦振动、轴系振动等。监测由于转子的不平衡，不对中、机件松动、滚动轴承损坏、齿轮损坏等引起的振动变化。适用于汽轮机、水轮机、风机、压缩机、制氧机、电机、泵、齿轮箱等大型旋转机械。适用于不同类型的振动

37、传感器。BVM-200B振动变送器的主要技术参数如表3.4所示。表3.4 BVM-200B振动变送器的主要技术参数输出 加速度型测量范围振动速度（mm/s）振动位移峰值 (m)振动加速度峰(m/s2)0-2000-20000-200输出三线制对应420mA负载电阻0500动态波形输出+1V (7mV/mms-1)频率响应51000Hz3.2.7电压、电流传感器的设计选型该设计中测量电流电压信号采用霍尔电流、电压传感器，霍尔电流、电压传感器是当今电子测量领域中应用最广泛的传感器之一，可广泛应用于电力、电子、交流变频调速、逆变装置、电子测量和开关电源等诸多领域，可完全替代传统的互感器和分流器，并具

38、有精度高、线性度好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点。（1）霍尔传感器/变送器的工作原理 霍尔电流、电压传感器是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式，即磁平衡式和直放式，霍尔电流、电压传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件和放大电路等组成。 直测式霍尔电流传感器原边电流Ip产生的磁通量聚集在磁路中，并由霍尔器件检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，该电压信号精确地反映原边电流。磁平衡霍尔电流传感器原边电流Ip产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流Is通过副边线圈所产生的磁通量相平衡。副边电流Is精确地反映原边电流。磁平衡霍尔电压传感器原边电压Vp通过原边电阻R 1转换为原

39、边电流Ip，Ip产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流Is通过副边线圈所产生的。（2）霍尔电流、电压传感器技术指标及特点 量程：电流为510000A；电压为55000V； 精度：霍尔传感器模块在工作区域内的精度优于1%； 线性度：优于0.5%； 工作频带：020HZ； 过载能力：010000A。3.3 开关量输入通道 开关量输入为数字量输入模块，设计采用SM321数字量输入模块。该模块共有32点输入，按每组16个隔离，直流24V供电，模块接口电路完成现场的开关量信号变为PLC内部处理的标准信号，其中外部开关信号与内部电路通过光耦隔离来实现。根据煤矿井下防爆电气设备的要求，从危险区域引入水泵

40、控制装置的信号必须经过电气隔离。因此该系统中需要在SM321接口模块前端加以光耦隔离板。危险区引入的开关量信号采用本安电源供电，引入到SM321模块内的开关量信号采用PS307电源模块供电，如图3.6所示。图3.6 SM321接线原理 该设计所用数字量输入点数为32点，具体如下表3.5 。表3.5 数字量输入点数统计表数字量输入点数方式选择开关2水泵手动启动3水泵手动停止3水泵检修3真空电磁阀开到位2真空电磁阀关到位2水泵电动阀开到位3水泵电动阀关到位3电机开返回信号3电机关返回信号3备用开关1故障复位信号1采集水位信号3总计323.4 显示模块的设计3.4.1触摸屏简介 触摸屏是一种定位设备

41、，用户可以直接用手向计算机输入坐标信息和鼠标、键盘一样，是一种输入设备。触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，只要用手指轻轻地碰触计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直接了当，这种技术极大方便了那些不懂电脑操作的用户。触摸屏的应用范围非常广阔，主要有公共信息的查询，如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询；城市街头的信息查询；此外还可广泛应用于企业办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。 所谓触摸屏，从市场概念来讲，就是一种人人都会使用的计算机输入设备，或者说是人人都会使用的与计算机沟通的设备

42、。不用学习，人人都会使用，是触摸屏最大的魔力，这一点无论是键盘，还是鼠标，都无法与其相比。人人都会使用，也就标志着计算机应用普及时代的真正到来。 从技术原理角度来讲，触摸屏是一套透明的绝对定位系统，首先它必须保证是透明的，因此它必须通过材料科技来解决透明问题，像数字化仪、写字板、电梯开关，它们都不是触摸屏；其次它是绝对坐标，触摸屏软件都不需要光标，有光标反倒影响用户的注意力，因为光标是给相对定位的设备用的，相对定位的设备要移动到一个地方首先要知道现在在何处，往哪个方向去，每时每刻还需要不停的给用户反馈当前的位置才不至于出现偏差。这些对采取绝对坐标定位的触摸屏来说都不需要;再其次就是能检测手指的

43、触摸动作并且判断手指位置。3.4.2触摸屏工作原理 为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器;而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。本设计选用台达触摸屏（如图3.7所示）作为显示界面，其工作原理为：电容屏表面涂有透明电导层ITD，电压连接到四角，微小直流电散

44、部在屏表面，形成均匀之电场，用手触屏时，人体作为耦合电容一极，电流从屏四角汇集形成耦合电容另一极，通过控制器计算电流传到碰触位置的相对距离得到触摸的坐标。台达触摸屏是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程序驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。图3.7 台达触摸屏3.5 开关量输出通道开关量输出为数字量输出模块，设计采用SM322数字量输出模块，该模块将S7-300内部信号电平转换成过程所需要的外部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。按负

45、载回路使用的电源不同分为：直流输出模块、交流输出模块和直交流两用输出模块。按输出开关器件的种类不同可分为：晶体管输出方式、可控硅输出方式和继电器输出方式。晶体管输出方式的模块，只能带直流负载，属于直流输出模块，没有反极性保护措施，输出具有短路保护功能，使用于驱动电磁阀和直流接触器。可控硅输出方式属于交流输出方式，适用于驱动交流电磁阀、接触器、电机起动器和灯。继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块，其额定负载电压较宽，直流可以从24V到120V，交流可以从48V到230V。SM322有16点晶体管输出、32点晶体管输出、16点可控硅输出、8点晶体硅输出、8点可控硅输出、8点继电器输出和1

46、6点继电器输出共七种型号输出模块可供选择。该硬件连接图见附录图9.6 。该设计选用32点晶体输出。该设计所用数字量输出点数为25点，具体如下表3.6 。表3.6 数字量输出点数统计表数字量输出点数水泵电动阀开3水泵电动阀关3真空泵电磁阀开1真空泵电磁阀关1真空泵启动2真空泵停止2水泵启动3水泵停止3指示灯7总计253.6 通讯模块设计 上位机与PLC之间进行通信，实现信息的有效传递。设计中运用RS485通讯方式进行通讯。RS485和RS232的基本的通讯机理是一致的，他的优点在于弥补了RS232 通讯距离短，不能进行多台设备同时进行联网管理的缺点。计算机通过 RS232/RS485转换器，既可

47、以实现RS232接口与RS485接口的转变，还可以实现依次连接多台485设备，采用轮询的方式，对总线上的设备轮流进行通讯。RS485的基本特性：通讯距离：只负载一台485设备时，最远的设备（控制器）到计算机的连线距离可达1200米。485通讯总线必须用双绞线，或者网线的其中一组，如果用普通的电线（没有双绞）干扰将非常大，通讯不畅，甚至通讯不上;RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(26)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(26)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接;RS-485的数据最

48、高传输速率:10Mbps ;RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好; RS-485最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。该设计中不需要。该设计中采用PC/PPI电缆连接上位机与PLC，该电缆自带RS232/RS485转换器，是一根RS232/RS485匹配电缆。如图3.8所示。图3.8 PLC与上位机通信结构框图3.7 供电电源 一般S7-300 CPU的电源分配是这样的：PS307采用交流120/230V供电（面板上有输入电压选择

49、开关），输出直流24V，有三种规格2A、5A、10A，提供给S7-300 PLC使用，同时也可以作为负载电源，通过I/O模块向使用直流24V的负载（传感器、执行机构等）供电，但大多数情况下，主要提供给CPU模块使用，把24V直流转换为5V直流，提供背板总线供电电流用。本设计选用 PS307（5A）电源模块作为PLC的供电电源，其属性为： （1）输出电流为5A;（2）输出电压为24VDC；短路和短路保护；（3）与单向交流电源连接（额定输入电压120/230VAC,50/60HZ）；（4）安全隔离符合EN 60 950;（5）可用作负载电源。图3.9 电源接线图 “24 V DC输出电压工作”显示

50、； 24 V DC输出电压接线端； 固定装置； 主回路和保护性导体接线端； 24 V DC开关。图3.10 电源方块图3.8 系统排水设备的选型设计由于是单水平开采，故采用直接排水系统。主泵房的排水设备，必须有工作、备用和检修水泵。其中任一台水泵的排水能力应能在20h内排出24h的正常涌水量，两台水泵同时工作的总能力，应能在20h内排出矿井24h的最大涌水量，检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%。 离心式水泵是矿井中应用最广泛的一类水泵，泵的主要工作部件是安装在主轴上的叶轮，叶轮上有一定数量的叶片，泵的外壳为一螺线形扩散室，泵的吸水口和吸水管连接，排水口和排水管连接。 泵一般分单级和多级

51、，该设计中采用多级泵，多级泵是煤矿中使用最多的一类离心泵，井下主排水、锅炉给水、深井排水等使用的几乎全部是多级离心泵，常见的型号有D型。多级泵一般由固定部分、转动部分、轴承部分、密封部分组成。固定部分包括进水段、中间段和出水段；转动部分包括泵轴、叶轮、平衡盘；轴承部分包括轴承及润滑油；密封部分有纸垫密封、口环密封、填料密封、水封密封等。离心式水泵只有在泵壳内充满水的情况下允许启动，通常采用的方法是打开逆止阀旁通道上的截止阀让排水管道中的压力水注入泵体，泵体内的空气从放气旋塞中排出。这种方法要求水泵必须装设底阀。在排水过程中，底阀产生一定的水力损失使水泵的电耗增加，效率降低。为了取消底阀、增加吸

52、水高度、便于自动控制，还可采用以下充水装置。水泵房排水设备一般安置在水井液面以上，所以水泵启动前的灌水一般采用吸入式。为了减小井水吸入阻力，提高泵站运作效率，吸水管路不宜设置底阀。无底阀吸入式灌水，要采用撞门的饮水设备，对水泵排水腔和吸水管路进行抽真空，是水泵运行前充满水，引水设备一般为真空泵或射流泵。在本系统中采用的是SK型水环式真空泵。在正常情况下，一台真空泵抽气，当一台发生故障时，另一台备用泵工作，仍能负担抽气的任务。抽气管经过电磁阀与每台水泵进水端的放气孔相连，管道接头处要保证严密。由于真空泵在工作是会发热，及一部分工作液随气体一起排走，所以应不断地向真空泵补充清水。当真空表的读数达到

53、要求即可启动大水泵。山东科技大学学士学位论文软件设计4 系统软件设计4.1 系统软件的综述西门子的S7-300系列PLC所用的编程语言是西门子开发的STEP7，这是一种可运行于通用微机中，在WINDOWS环境下进行编程的语言。将它通过计算机的串行口和一根PC/MPI转接电缆与PLC的MPI口相连，即可进行相互间的通信。通过STEP7编程软件，不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电缆直接送入PLC的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，甚至可以在线修改程序变量的值，给调试工作也带来极大的方便。 此外，还运用Scre

54、en Editor实现友好的人机界面设计，以便于随时掌控整个控制系统的工作状态。采用RS485通信实现上位机与PLC的通信，应用PC/PPI电缆传输（自带RS485转换器），实现上位机操作监控。4.2 PLC程序设计在软件设计之前，首先进行软件流程图的设计和地址的分配。软件流程图如图4.1所示。从图中可以看出，系统开始启动后，首先与PLC通信，然后进行模拟量以及I/O处理程序，系统自检与门处理程序。然后判断系统处于自动运行、手动运行、远程控制三种工作方式的哪一种，然后根据判断得到的结果进行相应的操作。根据控制板上的旋转开关的位置判断出系统的运行方式后，如处于PLC自动运行方式，则PLC根据程序

55、流程顺序执行，自动完成水泵的启动，轮换工作，故障报警，停止。如处于手动运行方式，则由人工选择哪台水泵投入运行，PLC根据水泵的泵号自动完成该台水泵的自动启动，运行，停止。远程控制方式下由地面监控中心对中央泵房排水系统进行统一调度与控制。软件流程图设计完成后，在进行地址分配，地址分配表如表4.1、4.2、4.3所示。图4.1 系统软件流程图表4.1 数字输入量地址分配表地址连接外部设备功能说明I0.0按钮SB0控制方式选择开关1I0.1按钮SB1控制方式选择开关2I0.2按钮SB2手动启动水泵1I0.3按钮SB3手动停止水泵1I0.4按钮SB4手动启动水泵2I0.5按钮SB5手动停止水泵2I0.

56、6按钮SB6手动启动水泵3I0.7按钮SB7手动停止水泵3I1.0按钮SB81#水泵检修信号I1.1按钮SB92#水泵检修信号I1.2按钮SB103#水泵检修信号I1.3按钮SB11故障复位按钮I1.4水位h0采集水位信号h0I1.5水位h1采集水位信号h1I1.6水位h2采集水位信号h2I1.7水位h3采集水位信号h3I2.01#真空电磁阀开到位采集1#真空电磁阀开到位信号I2.11#真空电磁阀关到位采集1#真空电磁阀关到位信号I2.22#真空电磁阀开到位采集2#真空电磁阀开到位信号I2.32#真空电磁阀关到位采集2#真空电磁阀关到位信号I2.41#水泵电动阀开到位采集1#水泵电动阀开到位信

57、号I2.51#水泵电动阀关到位采集1#水泵电动阀关到位信号I2.62#水泵电动阀开到位采集2#水泵电动阀开到位信号I2.72#水泵电动阀关到位采集2#水泵电动阀关到位信号I3.03#水泵电动阀开到位采集3#水泵电动阀开到位信号I3.13#水泵电动阀关到位采集3#水泵电动阀关到位信号I3.21#电机开/关返回采集1#电机开/关返回信号I3.32#电机开/关返回采集2#电机开/关返回信号I3.43#电机开/关返回采集3#电机开/关返回信号I3.5开关备用I3.6开关备用I3.7开关备用表4.2 数字量输出地址分配地址连接外部设备功能说明Q0.0控制继电器J1控制1#电动阀开Q0.1控制继电器J2控

58、制1#电动阀关Q0.2控制继电器J3控制2#电动阀开Q0.3控制继电器J4控制2#电动阀关Q0.4控制继电器J5控制3#电动阀开Q0.5控制继电器J6控制3#电动阀关Q0.6控制继电器J7控制1#电磁阀开/关Q0.7控制继电器J8控制1#电磁阀开/关Q1.0控制继电器J9控制1#真空泵开Q1.1控制继电器J10控制1#真空泵关Q1.2控制继电器J11控制2#真空泵开Q1.3控制继电器J12控制2#真空泵关Q1.4控制继电器J13控制1#水泵开Q1.5控制继电器J14控制1#水泵关Q1.6控制继电器J15控制2#水泵开Q1.7控制继电器J16控制2#水泵关Q2.0控制继电器J17控制3#水泵开Q

59、2.1控制继电器J18控制3#水泵关Q2.2指示灯L11#泵故障报警Q2.3指示灯L22#泵故障报警Q2.4指示灯L33#泵故障报警Q2.5指示灯L4水位超限报警Q2.6指示灯L51#水泵运行指示Q2.7指示灯L62#水泵运行指示Q3.0指示灯L73#水泵运行指示表4.3 模拟量输入地址分配表地址连接外部设备功能说明PIW256MW110水位传感器采集水仓水位信号PIW258MW 1121#水泵流量传感器采集1#水泵出水流量PIW260MW 1142#水泵流量传感器采集2#水泵出水流量PIW262MW 1163#水泵流量传感器采集3#水泵出水流量PIW264MW 1181#振动传感器采集电机振

60、动情况PIW266MW 1202#振动传感器采集电机振动情况PIW268MW 1223#振动传感器采集电机振动情况PIW270MW 1241#电机电流传感器采集1#电机电流PIW272MW 1262#电机电流传感器采集2#电机电流PIW274MW 1283#电机电流传感器采集3#电机电流PIW276MW 1301#电机电压传感器采集1#电机电压PIW278MW 1322#电机电压传感器采集2#电机电压PIW280MW 1343#电机电压传感器采集3#电机电压PIW282MW 1361#水泵电动阀开度采集1#水泵电动阀开度PIW284MW 1382#水泵电动阀开度采集2#水泵电动阀开度PIW286MW 1