基于PLC的矿井排水控制系统

《基于PLC的矿井排水控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的矿井排水控制系统（35页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、-编号：字号本科生毕业设计论文基于PLC的矿井排水控制系统 题目：*：班级：二一年六月中 国 矿 业 大 学本科生毕业论文姓 名：学 号：学 院： 应用技术学院 专 业：电气工程与自动化论文题目：基于PLC的矿井排水控制系统指导教师：职 称：2010年6月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学生任务下达日期：2010年3 月1日毕业设计日期： 2010年3 月1 日至 2010年 6 月 15日毕业设计题目：基于PLC的矿井排水控制系统毕业设计主要容和要求：主要设计容：1.掌握矿井水泵的运行工艺 和控制方法；2.设计一种应用PLC作为控制器的水泵自动排水系统；3.掌握所用传感器的

2、工作原理及使用方法；4. 用PLC语言编制控制系统软件；具体要求：1. 提交控制单元原理图控制系统流程图，各控制单元原理图。2. 提交PLC控制软件。3. 翻译相关英文资料或论文一篇，中文字数不少于3000字。4. 完成毕业设计论文的撰写。院长签字： 指导教师签字中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语根底理论及根本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意辩论等：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语选题的意义；根底理论及根本技能的掌握；综合

3、运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意辩论等：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计辩论及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确根本正确有一般性错误有原则性错误没有答复辩论委员会评语及建议成绩：辩论委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘要煤矿井下排水设备对保证矿井正常生产起着非常重要的作用。目前国各矿井的排水系统多采用传统的继电器控制方法，用人工进展监测。传统方法控制线路复杂，设备运行的可靠性低，工人劳动强度大，不适应煤炭开展

4、的需要。本文设计的自动化排水系统采用PLC控制与PC监视相结合的方式，弥补了传统继电器控制的种种缺陷与缺乏，提高了工作可靠性和稳定性，具有使用寿命长、维护方便等特点。根据*矿井下实际情况，本文首先进展了排水设备的选择设计，然后根据排水控制的要求，进展自动控制方面的设计。本系统采用SIEMENS的S7300系列PLC，有自动、半自动和手动三种操作方式可供选择。为了防止工作水泵及管路磨损过于严重、备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而导致电机和电气设备受潮或有其他故障不能及时发现，本系统采用水泵及管路的自动轮换工作制。又根据避峰就谷的原则确定开启水泵台数，以到达节省用电的目的。最后，本文讨论了此控

5、制系统的抗干扰措施。总之，PLC与PC相结合的自动排水系统具有传统继电器控制系统无法比较的优点，弥补了现有自动排水系统的种种缺乏，对煤矿自动化平安生产具有重要的意义。关键词：排水系统 ；PLC ；自动控制 ；抗干扰ABSTRACTThe drainage under coal mine well is very important Equipmentforensuring normal Production of coal mine well. At present,most drainage systems of all domestic coal mines well adopt conv

6、entional means of relay Controlling, inspectedartificially .This kind means of inspection and control cant meet the requirement of coal development for its plicated control circuit, low reliability of equipment running and great working intension. The automatism drainage system designed in this te*t

7、 bined control by PLC with stakeout by PC,so that it made up a variety of limitation and shortage of conventional means of relay controlling and improved running reliability and stability .This system has characteristics of long operating life-span and Convenient maintenanceAccording to actual condi

8、tions of some coal mine well, at first this te*t chose and designed equipments,then designed auto control part based on drainage Controlrequest.This system adopts S7-300 PLC series produces by SIEMENS and has automatic,semiautomatic and manual working modes to choose.In order toprevent running water

9、 pumps and pipelines from wearing too badly and prevent electromotor and electric equipments of standby water pumps and pipelines from being affected with damp or their trouble not being found in time, water pumps and pipelines Of this system are controlled to run in turn automatically. The number o

10、f runningwater pumps is confirmed by the principle of avoiding ape* and filling vale in order to economize electricity. In conclusion, the automatism drainage system bining PLC with PC has Advantages that conventional system controlled by relay is unable to e up to. At the same time, this system has

11、 made up a variety of shortage of the automatism drainage system in e*istence. So it has very important meaning for secure automatic production of coal mine.KEY WORDS: drainage system; PLC; auto control; anti-jamming. z.-. z.-目 录1 绪论11.1煤矿井下排水系统概况11.2国外研究现状21.3本课题研究的主要容及意义32 井下排水系统的PLC总体控制方案42.1可编程控

12、制技术42.1.1引言42.1.2可编程控制器的主要特点及功能42.1.3可编程控制器的综合经济分析52.1.4可编程控制器的最新开展趋势62.2功能设定72.3 控制系统总体构造82.4系统前端检测元件92.4.1水仓水位的测量92.4.2流量测量112.5 控制系统硬件组成112.5.1控制系统的输入/输出参数统计112.5.2 PLC系统选型143 控制系统的软件设计153.1 PLC的软件设计153.1.1操作方式的选择153.1.2水泵及管路的自动轮换工作163.1.3水泵启动过程的程序实现203.1.4动态监测及保护功能的实现374 控制系统的抗干扰措施384.1 PLC控制系统的

13、主要干扰源384.2 PLC控制系统的主要抗干扰硬件措施384.2.1安装布线与接地的抗干扰394.2.2对输入/输出线外围设备的抗干扰394.2.3抗电弧干扰394.3 抗干扰软件措施405 总结与展望425.1论文总结425.2展望42参考文献43翻译局部44英文原文44中文译文52致 59. z.-. z.-1 绪论1.1煤矿井下排水系统概况煤矿生产过程中，经常可以见到地下水流入巷道和工作面，这就是矿井水。矿井水的形成一般是由于巷道揭露和采空区塌陷涉及到水源所致，其水源主要是大气降水、地表水、断层水、含水层水和采空区水。大量的矿水威胁到矿井生产的正常进展，突发时甚至会造成工作人员的伤亡。

14、在我国的矿井之中，只有很少一局部是枯燥的，因此排水设备是矿井作业过程中不可缺少的，它对保证矿井正常生产起到至关重要的作用。虽然各煤矿区地质与水文地质一采矿条件不同，矿井水形成过程会相应的不同，但是，其机理及制约因素具有共同的特征。矿井水是由于采矿活动造成采动区域及其周边区域水文地质系统与水文地质单元隔水构造的破坏，从而改变了地下水及地表水径流方向和途径，最终在采空区或采动场所聚集，并在聚集过程中因物化作用与时间效应遭受污染的，交替性差的水体。本质是地下水沿裂隙岩体运移过程中与多组分反响溶质在中小时空尺度上祸合问题和局部渗流条件与渗流场发生变化问题。矿井水呈现两种赋存形式，即形式一，为保证平安煤

15、炭生产，在采矿过程中随汇随排的，过路矿井水，是必须进展疏排的;形式二，矿井、井巷封闭后经一定时间聚集的，滞流矿井水，其在资源化取用之前交替性和循环性极差。根据矿井水的成因和赋存形式，矿井水无疑是煤矿区区域水资源系统的特定的组成局部，是具有补给机制的含水系统的特殊单元，其补给水源主要是采动区域的地表水或浅层地下水，但是，由于采动裂隙扩展贯穿，此时渗流场和渗流条件己经改变，使不同水文地质单元的地下水直接快速向采空区渗流聚集矿井排水方式一般分为两种:自流法排水和扬水法排水。前者是利用倾斜坑道将水排至露天的水沟;后者则利用排水设备扬至地面。排水设备一般由水仓、吸水井、多台水泵带电机及其吸水管充水装置、

16、多趟排水管路、闸阀等组成。排水设备又分为固定排水设备和移动式排水设备。1)前者固定在专门的恫室里，一般这样设置:主排水设备负责将全矿的涌水或大局部涌水排至地面;辅助排水设备负责把下一开采水平的水排至主排水设备所在水平;区域排水设备负责把区域的涌水直接排至地面;排水设备负责把由于反向坡度不能自流集中到主排水设备的水，到主排水设备;中央排水设备负责把几个涌水量不大的矿井涌水，聚集起来排出矿井。2)为了把掘进工作面或淹没坑道中的水排除，要求水泵随工作面前进或水位下降而移动。所用水泵和电机，配套装在整体的底架上，而底架被绞车用钢绳牵引移动，这种便称为移动式排水设备川。固定排水设备应到达:1)工作水泵应

17、能在20小时排出24小时的正常涌水量;备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%;工作和备用水泵的总能力，应在20小时，排除矿井24小时的最大涌水量;检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%。水文地质条件复杂的矿井，可根据具体情况，在主要泵房预留安装一定数量水泵的位置，或另外增设水泵。2)工作水管的能力应能配合工作水泵在20小时排出24小时的正常涌水量;工作和备用水管的总能力应能配合工作和备用水泵，在20小时排出24小时的最大涌水量。3)配电设备应同水泵相适应，并能够同时开开工作和备用的水泵。主排水泵房的供电线路不得少于两回路，当一回路停顿供电时，另一回路应能担负全部负荷的供电。4)主排水设

18、备应有预防用水突然增加致使设备被淹没的措施。5)需采取防爆措施地区安装的排水系统，其电器设备应是防爆的。移动式排水设备，顾名思义，设备可随掘进工作面的推进或水位下降而移动。要求其做到:1)有较好吸水性能，可排除泥水。2)水利特性适合流量变化不大而扬程有较大变化的需要。3)外形尺寸较小以做到转移方便而迅速。4)轴线倾斜仍能正常工作。综上所述，不管是从矿井水的合理排放再利用方面，还是从矿井水的放任自流对煤矿开采的极大危害方面考虑，都需要把矿井水及时有效的排出矿井。因此，设计一个行之有效的煤矿井下主排水系统是不可或缺的。不管矿井水涌出的速度变化有多大，此系统都应该能够及时将水排出。1.2国外研究现状

19、井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。随着控制理论和现代检测技术的开展，自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定进步。国外特别是俄罗斯的科研人员对矿井排水的各个方面进展了大量的研究。1994年俄罗斯国立莫斯科开放大学教授、技术科学博士波波夫教授、巴塔诺戈夫技术科学副博士和北乌拉尔铝土矿生产联合公司工程师沙尔塔诺夫通过对20003500kW异步电动机直接投入电网全电压起动与矿井高扬程水泵双电机拖动的比较，指出了矿井排水高扬程水泵采用双电机拖动的无可争辩的优越性。简要介绍矿井高扬程水泵双电机拖动装置的构造、技术性能、实际运行情况及较适用的方案，此外，还探讨了矿井高扬程水泵双电机拖动设计和

20、运行中需要注意的一些问题。矿井排水设备是矿山企业主要的用电设备之一，节能工艺的运用方针，要求在排水设备的设计和使用阶段，都进展能耗估算。俄罗斯莫斯科对外开放大学技术科学副博士B.B马祖连科介绍了作为排水设备主要类型的离心泵的能耗估算方法，以及离心泵工况点经修正后的能耗估算方法。并以北乌拉尔铝土矿和斯塔哈诺夫煤炭生产联合公司为例。具体介绍了几种工况点经修正后的离心泵能耗估算情况。国在优化排水方案、改造排水设备及巷道合理布置等方面也做了大量的研究。还有一些研究人员把智能控制理论用于煤矿井下排水系统当中。将规则控制、模糊控制、神经网络方法、专家系统等智能型的控制方法用于排水系统的控制，能够实现实时控

21、制，自动监测排水系统的运行状况，自动进展数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵软启动的自动切换及控制断电等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性。在煤矿井下水位的检测技术方面，目前国还处于摸索阶段，检测手段比较落后、可靠性差，检测系统不完善。检测煤泥水的传感器还没有好的产品。虽然现在也有一些传统的水位传感器，如压力式，浮子式等水位传感器用于煤泥水水位的测量，但是由于煤矿井下环境恶劣，这些传感器均因淤泥或煤泥堵塞受到影响，致使整个系统难以准确可靠的采集前端信号。过去对煤矿井下水的检测监控自动化要求不高，但是随着近年来煤矿事故的频繁发生，煤矿平安问题日益引起了人们的广泛关注。现在，所有

22、矿用产品都进展防爆送检和煤安认证，煤矿的平安要求越来越高，因此对煤矿井下水的监控要求也随之提高，因而具有高准确性，高可靠性的检测煤泥水的新型传感器也急迫的需要研制。目前国外的井下水仓静态水监测系统的前端信号采集传感器技术仍然为传统的压力式和浮子式，没有什么新的进展。1.3本课题研究的主要容及意义针对国外研究现状，我们需要结合井下实际情况研制出一种本钱低、运行可靠性高的自动化排水系统，将其纳入整个矿山自动化体系之中。1针对目前煤矿井下排水系统的种种缺陷与缺乏，本文提出用PLC控制系统代替传统继电器控制系统。本课题研究的主要容为:据*矿井下实际情况，进展排水设备的选择设计;2)根据排水控制的要求，

23、进展PLC硬件和软件的设计，以到达自动轮换工作和避峰就谷的目的;3)设计就地PC的监测程序并建立PLC与就地PC的通信，做到有事故早发现及时处理;4)针对本系统采取有效的抗干扰措施。目前我国矿井排水系统中的一些重要环节像水仓水位的监测、配电设备的运行等仍采用人工操作。绝大多数矿井采用的继电器、接触器控制系统，使用大量机械触点，线路比较复杂，使用较多的中间继电器和时间继电器，而在长期使用过程中继电器触点在开闭时易受电弧的损害及受空气中灰尘污染容易导致接触不良而产生误动作，从而使设备运行的可靠性降低。PLC采用微电子技术，大量开关动作由无触点的电子存储器件完成，在PLC控制系统中，只需在PLC的端

24、子上接入相应的输入/输出信号线即可，继电器之类的物理电子器件和量大而又繁杂的硬接线线路被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。此外，PLC体积小，质量轻，便于安装:还能直观地反映现场信号的变化状态和控制系统的运行状态，维护操作比较方便。而且由于用软件编程取代硬接线实现控制功能，故设计、施工、调试都比较方便，大大缩短了设计和投运周期。综上所述，采用PLC与PC相结合的自动排水系统具有传统继电器控制系统无法比较的优点，弥补了现有自动排水系统的种种缺乏，对煤矿自动化平安生产具有重要的意义。. z.-2 井下排水系统的PLC总体控制方案2.1可编程控制技术引言可编程序控制器PLC是以微处理器为核心

25、的工业控制装置。早期的可编程序控制器称为可编程序逻辑控制器PLC主要用于代替继电器实现逻辑控制。随着科学技术的迅猛开展，PLC的能己经远远超过了逻辑控制的畴，使其不仅具有逻辑控制的功能，而且具有运算、模拟量处理和通信联网等功能。因此，人们将当今这种装置称为可编程序控制器，简称为PLC。但为了防止与个人计算机PLC混淆，所以将可编程序控制器简称为PLC。在PLC出现之前，机械控制及工业控制系统根本上都是由继电器控制构成的。首先得到美国数字设备公司(DEC)的响应并于1969年研制出了世界上第一台PLC(PDP14)，用其替代传统继电器控制系统，在GM公司汽车装配线上试用获得了巨大成功。随着这项新

26、技术的迅速开展，1971年日本从美国引进了这项新技术，很快就研制出了日本第一台PLC(DSC8)。1973年1974年，原西德和法国也相应研制出自己的PLC。我国从1974年开场研制，1977年以一位微处理器MCI4500为核心的PLC，在工业上应用获得成功。随着技术的进步，PLC的功能越来越强大，指令越来越丰富，用途越来越广泛。总之，PLC己成为工业控制的标准装置，被称为自动控制的三大技术支柱(机器人、CAD/CAM、PLC技术)之一。可编程控制器的主要特点及功能1.PLC的特点1灵活、通用2)可靠性高、抗干扰能力强3)编程简单、使用方便4)接线简单5)功能强6)体积小、重量轻、易于实现机电

27、一体化PLC具有体积小、重量轻、功耗低等特点。2.PLC的主要功能PLC是应用面很广，开展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(AF)和计算机集成制造系统(CIMS)占重要地位。今天的PLC功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。PLC系统一般由以下根本功能构成l 多种控制功能 l 数据采集、存储与处理功能l 通信联网功能l 输入/输出接口调理功能l 人机界面功能l 编程、调试功能l控制功能逻辑控制:PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代继电器进展开关量控制。定时控制:它为用户提供了假设干个电子定时器，用户可自行设定:接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。计数控制:用脉冲控制可以

28、实现加、减计数模式，可以连接码盘进展位置检测。顺序控制:在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。2)数据采集、存储与处理功能数学运算功能包括:根本算术:加、减、乘、除。扩展算术:平方根、三角函数和浮点运算。l 比较:大于、小于和等于l 数据处理:选择、组织、规格化、移动和先入先出。l 模拟数据处理:PID、积分和滤波。3)输入/输出接口调理功能具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节精度可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。4)通信、联网功能现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接

29、口,可进展远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。5)人机界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息;允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。实现人机界面功能的手段:从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的CRT显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。6)编程、调试等使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进展编程

30、、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。可编程控制器的综合经济分析综上所述，在恶劣环境中，使用PLC控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动控制将越来越广泛。但是，这种新型控制装置在推广使用有一些问题困扰着用户，主要集中在两个方面，一是可靠性问题，二是价格问题。当然，用新型控制装置实现老设备改造与生产过程自动化，提高劳动生产率，改善企业管理，这是提高企业经济效益的必要措施，但如何正确处理这种关系，本文提供一些数据资料作为用户参考。1.可靠性问题据有关资料提供数据说明:国外一般中小型PLC，如日立、西门子、PIM，平均无故障时间高达10万h。即使大型PLC平均无故障时间也在45万h

31、之间。因此，制造厂商认为可靠性已不存在问题。就可靠性而言，继电接触器是望尘莫及的。所以，对于日立、西门子、IMP等产品资料中可靠性不再是一项技术指标。2.PLC的经济综合分析对PLC的经济分析，应从以下几方面考虑:l从影响本钱的各个因素综合考虑从目前生产设备控制装置来说，有三种类型:继电器控制;半导体器件控制;PLC控制。价格仅是选择PLC品牌的一个因素，而可靠性是选择时需要考虑的又一个因素。2)从设计、生产周期长短考虑不管是老设备改造，还是设计新的生产机械设备，毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其

32、外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而PLC则完全可以实现这是因为假设用PLC不必改动外部设备接线，只要在软件上做文章就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以到达事半功倍的目的。可编程控制器的最新开展趋势随着微处理技术的开展，PLC技术和产品日趋完善。它不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需求，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，使其功能更加完备。目前，为适应大中小型企业的不同需要，进一步扩大PLC在工业

33、自动化领域的应用围，PLC正朝着体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉、大容量、高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向开展。1.CPU处理速度进一步加快PLC的CPU与计算机的CPU相比，还处在相当落后的地步，最高级的仅为80486。目前不少厂商正在开发使用64bitRISC芯片，多CPU并行处理或分时处理或分任务处理，以及各种模块智能化，局部系统程序用门阵列电路固化，以使PLC的速度到达ns级。2.分散型、智能型、现场总线型I/O及模块化构造控制和事务的并行处理、分散处理，实现危险的彻底分散，对PLC的研发提出了新的要求，以往由大型机处理和控制的系统将由更小型的PLC来实现，甚至分散到I/O

34、设备上。智能型I/O子系统是以微处理器、数据存储器及程序为根底的模块化的功能部件，执行预处理、控制、故障检测、冗余输出和通信的功能，而且不依赖于I/O局限，以改善PLC运行和扩展的灵活性。正在开展的现场总线I/O，其与现场设备直接联接，集检测、数据处理、通信和设定、调试为一体，能在现场完成智能I/O的功能，实现现场控制，且危险分散，增加了系统的自治性和可靠性。3.网络通信技术进一步开展PLC的开展及其竞争能力与其通信联网能力有十分密切的关系。强化通信能力是PLC制造商刻意开拓的领域。将应用对象、PLC、自动化装置、第三方设备和计算机平台联接起来，组成一个整体的控制系统，将所有控制过程、生产信息

35、迅速、准确和可靠地进展综合。4.过程控制应用DCS原用于过程控制，PLC原用于离散控制，但一个控制系统中往往既有过程控制又有离散控制。PLC制造商研究开发PLC过程控制功能，促使了过程控制和离散控制融合地开展，满足数字化、模块化和网络化的开展需要，使其既是性能优异的DCS系统，又是灵活善变的PLC系统，能实现电气控制、过程控制和计算机控制的三电一体化系统的功能。5.可靠性进一步提高随着PLC进入过程控制领域，对可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将得到进一步应用。未来的PLC不仅会有CPU单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、I/O单元冗余，甚至整个系统冗余。6.控制一与管理功能一体化为

36、了满足大生产的控制与管理的需要。PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。2.2功能设定本系统中设计有五台离心式排水泵和三条排水管路进展排水，并且每一个排水泵都和两个排水管路相连接，这是为了当其中一个管路故障时，可以继续用另外一个管路排水，而至于排水中断。五台排水泵两台工作，两台备用，一台检修，因而三条排水管路有两条工作，一条备用或检修。每一个排水泵和与它相连的两个排水管路之间都要用电动阀连接，可以方便的用PLC选择其中一条管路。排水管路和排水泵的系统连接图如图21所示图21排水泵和排水管路连接图由图可以看出，每一个排水管

37、通路上都有两个排水电动阀，鉴于离心式水泵独有的启闭特性，它们的翻开和关闭是有先后顺序的。以1#泵为例:在启动时，当需要翻开排水电动阀时，应先按转换工作要求，翻开11#或12#电动阀，然后再翻开10#电动阀;在停顿时，应先关11#或12#电动阀，再关10#电动阀。本控制系统为适应煤矿的使用要求，应具备以下五大功能:1.自动轮换工作:为了防止工作水泵及管路磨损过于严重;备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而导致电机和电气设备受潮或其他故障不能及时发现，当工作泵或管路出现紧急故障需投入备用泵或管路时，而不能及时投入以至影响矿井平安，有必要设计水泵的自动轮换工作控制。本控制程序自动记录并累计水泵启停次

38、数及运行时间、管路使用次数及流量等参数，根据这些运行参数，系统按一定顺序自动启停水泵和相应管路，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当*台泵或所属阀门故障、*趟管路漏水时，系统自动发出声光报警，记录事故，同时将故障泵或管路自动退出轮换工作，其余各泵和管路继续按一定顺序自动轮换工作，以到达有故障早发现、早处理，以免影响矿井平安生产的目的。2.避峰填谷:所谓避峰填谷，是指调度水泵在用电的谷段和平段时间段工作，尽量防止在峰段启动。要实现避峰填谷，需调度各水泵在用电的谷段和平段时间段，将水仓的水位排至设定的低位，以便水仓能够腾出尽可能大的容积，使其在峰段容纳更多的矿井涌水而不用启动水泵。3.保护功能:系

39、统应具有以下几种保护功能漏水保护:每台水泵均安装真空度电接点压力表，如在规定的注水时间系统仍未收到真空度到达规定值的信号，则停顿启动本台水泵，转为启动下台水泵，并发出故障报警信号;2)流量、压力保护:当水泵启动后或正常运行中，如流量或压力达不到正常值，通过流量、压力保护装置使本台水泵停车，转为启动下台水泵;3)超温保护:水泵长期运行，当水泵轴温或电机温度超出允许值时，通过温度保护装置使水泵停车;4)过流保护:接在主回路里的电流互感器把电流信号送入可编程控制器，由可编程控制器计算、判断电动机工况。当出现过流时，相应的保护装置动作;5)低电压、漏电保护:当高压局部出现低压或漏电故障时，其相应的保护

40、装置动作，并将故障信号送入可编程控制器。4.三种工作方式:系统控制应具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。自动时，由PLC检测水位、压力及有关信号，自动完成各泵组运行，不需人工参与;半自开工作方式时，由人工选择开哪台水泵和开几台泵，PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作;手动检修方式为故障和检修状态下的工作方式。PLC故障时，全部设备均为手动运行，由操作人员控制相应按钮完成;当*台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行，不影响其它泵组正常运行。PLC柜上设有泵的制止启动按钮，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统平安可靠。故障排除或检修完成后，手动试车，确认无故障后，才可参与

41、整个自动轮换工作。系统可随时转换为自动或半自开工作方式运行。5.动态监测:在上位机上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，提供各种运行及故障信息，超限报警，还可以打印各类运行报表、事故记录、历史数据、统计报表等。 2.3 控制系统总体构造本系统采用可编程控制器和上位微型计算机组成两级控制系统实现排水系统的自动控制。上位机利用PC友好人机界面实现人机对和监控功能，PLC作为下位机完成数据采集和实时控制任务。根据控制系统应具备的功能，设计系统总体构造如图22所示:图22系统总体构造图2.4系统前端检测元件水仓水位的测量水仓水位的测量采用感应式数字水位

42、传感器(专利号:ZL96ll0735.9)，它是在研究传统技术的根底上，提出了新思路，解决了现有技术解决不了的问题。与现有技术相比较，它的主要特点是:1.测量数据准确、可靠、失真度小。2.不受泥沙、污物的影响，可在泥浆、污液中使用。3.在传感器信号远距离传输方面，具有独特的功能。信号调制输出，抗干扰能力很强，信号输送线可不用屏蔽线，普通线即可远距离输送可达20公里。它可解决其它技术解决不了的问题如:水道、特长遂道、江湖、河流等含泥沙污水和腐蚀性液体的液位检测问题。这项技术的优势在于:脱开了传统的模拟量检测方式(模拟量本身带有模糊量的成分，量与量之间没有质的区分，而且易受温度、空气压强、磁场等多

43、种环境分布参数的影向)。采用数字式测量，每个量之间有质的区别，有是与非的区别，具体讲是0与1的区别不存在模糊数据，也不受环境和其它分布参数的影向。同时它更便于同现代数据处理技术数据传送技术，以及信息高速公路接轨，有利于促进自动化事业开展的进程。这一技术的出现对传感器研究的传统思路产生很大影响。同时会带来一个传感器研究中的分支领域，至少在物位(液位、料位)如石料、沙土、水泥、煤炭等料位的测量中研究前景广阔。感应式数字水位传感器是由假设干个感应元电路，取样、转换电路，基准电压源电路，恒流源电路，恒压电路，步进式供电电路，感应触发开关数字电路集成固化的，外型光滑无缝的棒式固体传感器。它采取的感应式取

44、样电路是以一个极板电容器承受水中电波，用二极管和电容构成检波电路取得水位信号。采取的步进式悬浮供电电路，是由与测点数一样的假设干个由集成电路构成的触发器所组成，对水没有淹到的传感器部位，相应位置的触发器没有得到信号，不工作、不耗电，当水界面部位上升，触发器得到检波信号后发生翻转，向该感应元电路供电，同时它向下级的触发器发出了信号，关闭下级触发器，使假设干个神经元电路中，只有水界面对应的一个感应元电路处于供电工作态，水界面以下的电路处于休眠状态。传感器的选型：PLC作为工业控制装置，其检测信号的传感器的精度、可靠性将关系到控制系统能否正常运行。在选用传感器时，应考虑以下性能参数:1.测量围:各种

45、传感器都有一定的测量围，超出测量围，测量的结果会有较大的误差或造成传感器损坏，传感器规定的测量围应稍大于实际测量围，以便超量程时不致损坏。2.线性度:为了方便标定和处理数据，一般要求传感器的输出一输入成线性关系，从而正确无误地反映被测量的真实值。但只有在理想情况下，传感器的输出一输入静态特性才呈线性。在选用传感器时要求其具有较好的线性度。3.灵敏度:灵敏度又称传感器系数，对于线性传感器，校准线的斜率就是其静态灵敏度。所用传感器应具有较高的灵敏度。4.分辨率:传感器能够在输入信号中检测到的最小变化量。分辨率能到达使用要求即可，毋需牺牲其他而追求过高的分辨率。5.工作环境条件:应考虑工作环境的温度

46、、湿度、大气压力;有无振动、磁场、电场、大功率用电设备;是否需要防火、防爆、防化学腐蚀;是否满足不能有害于周围材料寿命及操作工人的身体安康等。煤矿井下的环境可知，本设计选用的传感器应防爆、耐潮且具有抗电扰能力。以上有些方面互相制约，选用传感器时需要综合考虑，选用整体性能较高者。我选择了布莱迪仪器仪表型号为YS-2压力传感器，量程分别为00.4MPa和01.6MPa。此传感器性能特点：a)选用瓷压阻测压传感器作为敏感元件，卓越的抗腐蚀、抗磨损性能。b)采用成熟的电路设计，具有较强的稳定可靠性和抗干扰能力。c)体积小巧，易安装；全天候构造，对振动、腐蚀、潮湿、干扰、不敏感。d)输出信号强，具有较高

47、的工作温度围，并自带温度补偿。 此传感器的工作原理：抗腐蚀的瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在瓷膜片的前面，使膜片产生微小的形变。厚膜电阻印刷在瓷膜片的反面，连接成一个惠斯通电桥闭桥。由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力、鼓励电压成正比的高度线性电压信号。标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿070，并可以和绝大多数介质直接接触。由于采用了步进式供电电路、恒流调制输出电路，使传感器功耗减到了最小程度电源电流根本上接近输出信号电流。在基准电压源电路和恒流调

48、制输出电路共同作用下，信号电压转变为稳定的低频电流信号输出，大提高了信号抗干扰能力和信号远传能力。感应式数字水位传感器其引线端子采用自行设计的全密封式水封弓线端子。使其可全投入水中，到达了国家潜水型IP68的防护标准，长期无须维护。传感器的工作电源设计在536伏围供电。使用时，垂直安装于水中，将由低到高的水位变化，变换成420毫安的电流号从信号端输出。传感器有不同的规格，其棒直径为2050毫米，长度为0.520米。流量测量本系统选用电磁流量计作为流量测量元件。电磁流量计由电磁流量转换器和电磁流量传感器组成。电磁流量转换器是为电磁流量传感器提供电源，并将其测量回的流量信号整定成为标准的420mA

49、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传感器，用来测量导电液体的流量。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，就会在和磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势，其数值与液体的流速成正比。电磁流量计的特点:1.测量管路没有任何突出和可移动的部件，因此可用于有悬浮颗粒的浆液等流量的测量，且压力损失极小;2.感应电势与被测液体温度、压力、粘度等无关，因此其使用围广泛;3.测量围宽，最大流量/最小流量=1500;4.可以测量各种腐蚀性液体的流量;5.电

50、磁流量计的惯性小，可以用来测量脉动流量;6.对测量介质，要求导电率大于0.0020.005欧姆/米。系统选用LDZ5电磁流量转换器和相应的电磁流量传感器配合工作。工作时，在传感器导管两侧的电极上感应产生与流速成正比的微小矩形波电压信号，该信号由转换器的信号放大电路处理，变成直流电压，正比的频率信号，输入到单片微机系统，定量控制等功能。再经过V/F电压一频率转换电路转换成与流速成实现标准电流输出，瞬时流量和累计总量显示，2.5 控制系统硬件组成控制系统的输入/输出参数统计根据控制要求，控制系统的输入/输出参数统计如表21至23所列。表21数字量输入点数统计表数字量输入点数电动阀开5电动阀关5电动

51、阀开到位5电动阀关到位5电动阀过转矩5压风管路电磁阀开1压风管路电磁阀关1射流管路电磁阀开9射流管路电磁阀关9排水管路电磁阀开15排水管路电磁阀关15水泵电机开5水泵电机关5急停1复位1操作方式选择3总计90表22 模拟量输入通道数统计表模拟量输入通道数水仓水位1水泵入水口真空度5出水口压力5排水管流量3水泵轴承温度5电机温度5电机电流5电机电压5总计34表23 数字量输出点数统计表数字量输出点数电动阀开关5射流管路电磁阀开关9排水管路电磁阀开关15水泵电机开关5警铃1故障显示灯5总计402.5.2 PLC系统选型经粗略估算，需要数字量输入约83点，数字量输出约37点，模拟量输入通道约28路。

52、本系统选用德国西门子公司的SIMATIC S7300系列PLC系统。S7300系列PLC是模块化构造设计，各种单独模块之间可以进展广泛组合和扩展。它的系统构成如图23所示。其主要组成局部有导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处理单元模块(CPU)、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)等。它可以通过MPI转接电缆或通讯模块与计算机进展通讯，再加上其全面的诊断功能和完善的自我保护技术，使其具有极高的可靠性，极其适合本系统的需求。除此之外，它自带的STEP7编程软件功能强大，使用方便，也使开发过程变得简单快捷.图23S7300系列PLC系统构成框图本系统所用的主机模块是CPU31

53、4，置24KM的RAM，其装载存储器为置40KM的RAM，可用存储卡扩大装载存储器，最大容量可为512KB，指令执行速度为300nS/二进制指令。I/O模块为6个交流输入模块，4个交流输出模块及1个直流输出模块;最多可扩展至32个模块，512个开关量I/O或64路模拟量通道。CPU314装硬件是实时时钟价时。本系统主要由下面的模块组成:1块中央处理单元CPU3144块数字量输入模块SM321，32*24V，DC1块继电器输出模块SM322，16*Rel AC120V/230V1块数字量输出模块SM322，32*24V，DC5块模拟量输入模块SM331，8*12位1块通信处理模块CP340l块电

54、源模块PS307，10A. z.-3 控制系统的软件设计3.1 PLC的软件设计西门子的S7300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环境下进展编程的语言。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，即可进展相互间的通信。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展离线编程，经过编译后通过转接电缆直接送入PLC的存中执行，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态点的通断状况，甚至可以在线修改程序中变量的值，给调试工作也带来极大的方便。操作方式的选择整个流程图如图31所示

55、。开场时先检查PLC有无故障，假设有故障转为手动操作;假设无故障，再看设备有无故障，假设有同样转为手动操作，假设无则进展操作方式的选择。可选择全自动、半自动、手动中的任意一种操作方式。假设选择全自动操作方式，且操作被允许，直接进入全自动循环启动。假设不满足全自动操作条件，则转入手动操作。半自动操作方式的选择与此类似。图31操作方式选择流程图水泵及管路的自动轮换工作在程序设计中，为每一个水泵分配两个数据存放器，一个存放器存放水泵的运行时间，另一个存放水泵的运行次数。每一次启动水泵时，都自动启动没有工作且没有故障的水泵中运行时间最少的水泵。当两台水泵的运行时间相近且最少时，则启动运行次数较少的那台

56、水泵。每一次排水完毕，则自动累加水泵的排水时间和排水次数。为了防止数据存放器的溢出，每当*一台泵的运行时间变为最长时，所有存放的运行时间都自动减去它们中最少的运行时间，每当*一台泵的运行次数变为最多时，所有存放的运行次数都自动减去它们中最少的运行次数。当*一台水泵在运行过程中出现故障，则自动停顿，并退出轮换工作，同时，按轮换工作原理启动其他水泵。排水管路的轮换工作实现与排水泵类似。因为每一台水泵只和两条排水管路相连，所以当*一台水泵启动时，只能在和它相连的两条排水管路中，选其中一条工作时间最少的管路，如果两条管路工作时间相近，则选其中一条工作次数最少的管路.由图32，五台泵的编号依次为1#，2

57、#，3#，4#，5#。把五台泵的运行时间和运行次数依次保存在D230D239中，如1#泵的运行时间存在D230中，运行次数存在D231中。在运行时间的记录上，依然采用振荡周期为一分钟的辅助继电器M8014，并分别用C1，C2，C3，C4，CS记录下五台泵运行过程中M8014的振荡次数，即五台泵的运行时间，并把它们的设定值设为最大值32767。每当*台泵开场运行时，它对应的运行时间计数器就开场计数，当这台泵停顿运行时，对应的计数器停顿计数，并把当前计数值累加到对应的运行时间存放器中，然后对应的运行次数存放器加1，最后计数器清零。例如，当1#泵运行时，C l开场计数，当1# 泵停顿运行时，C1停顿

58、计数，并把C41的当前计数值累加到D230中，然后D231加1，C1的当前值存放器清零。在PLC部是使用辅助继电器M1，M2，M3，M4，M5分别作为五台泵的启动开关的，当它们接通时，对应的泵开场运行，计数器开场计数，当它们断开时，对应的泵停顿运行，计数器停顿计数。每当排水完毕，启动的泵依次间隔半分钟停顿运行。当所有启动的泵都停顿运行时，就依次比较五台泵的运行时间和运行次数，并把其中最少的运行时间和运行次数分别保存在D40，D41中，然后分别用五台泵的运行时间存放器和运行次数存放器减去D40，D41。存放，把无故障泵的数目存放在D220每当有一台泵发生故障时，D220减1。五台泵分别有一个故障

59、标志继电器M11M15，当*台泵故障时，对应的继电器接通。D60中保存着启动的泵的数目。图32轮换工作环节单台泵启动时的程序流程图33轮换工作环节单台泵停顿时的程序流程图图34轮换工作环节所有泵停顿时的程序流程图水泵启动过程的程序实现五台水泵的启动过程是相互独立的，所以它们有各自的PLC控制输出。五台水泵的PLC控制输出分配见表3131PLC控制五台水泵的端口分配表五台水泵的启动完全一样，以1#泵为例说明，见图34图341#泵的启动过程流程图I/O输入输出点数位置：主控制程序：水泵开启与停顿的程序如下：故障报警程序如下：动态监测及保护功能的实现本系统故障监测和保护功能主要包括过压、过流、漏电保

60、护，水泵漏水保护，水泵轴承超温保护，电机超温保护，流量、压力保护。在程序实现上，PLC动态采集每一个物理量对应的传感器的信号或电量监测模块的数据，并对它们进展相应的滤波和抗干扰处理，得到更加真实的数据，然后根据系统运行的逻辑和实情况，将它们和PLC部设定的对应的物理量的正常值进展比较。如果满足正常值要求，则说明系统对应的物理量正常，反之则说明对应的物理量不正常。如果不正常，则要报警，并根据对系统不同的危害程度采取不同的保护动作。另外，还有逻辑错误故障保护。在设备正常运转时，控制系统的各个输入、输出信号、中间记忆装置等，相互之间存在着确定的逻辑关系。一旦设备出现故障，会出现异常的逻辑关系。因此，可以在程序设计时，参加系统常见故障的异常逻辑关系程序，一旦异常逻辑关系程序被执行，就表示相应的设备故障，即可采取报警、停机等保护措施。本系统在上位监控计算机上制作有专门的故障画面，当发生故障时，故障画面自动弹出作为主画面，以提示和方便工作人员查看。每一种故障在画面上都有对应的故障单元，当发生故障时，对应的单元以红光闪烁报警，无故障时，