基于PLC的煤仓排水控制系统设计 (西门子S7-300控制)

毕业设计（论文）（成教）题 目 ：基PLC的煤仓排水控制系统设计院 (系)：专 业：姓 名：学 号：指导教师： 年 三 月 十五 日毕业设计（论文）任务书学生姓名专 业机械制造与自动化院（系）机电工程学院毕业设计（论文）题目基于PLC的煤仓排水控制系统设计任务与要求 通过西门子S7-300 型PLC 为核心的水泵自动控制系统，通过合理的程序设计和对原排水系统的改进，实现了根据水仓水位的高度、水位变化速度及用电避峰填谷原则，自动启动水泵进行排水，减轻工人劳动强度，增强井下排水的可靠性。同时也实现了水泵运行的合理调度，提高设备利用率，节能增效。实现了以PLC为核心的自动控制系统。井下每台水泵及其管路、电气附件组成相对独立的水泵站，自动控制系统会根据液位检测装置反馈的水位信号自动调度水泵的运行，实现集中控制和运行时的故障监测及保护。如果有多台泵并联运作的大型排水系统中PLC将更能体现其优越性，且能实现其集中控制。而且基于“避峰就谷”的节电原则成为可能，达到经济运行、节省资源的目的。完成时间段2011年12月15日至2012年3月15日共13周指导教师单位重庆科创职业学院职称讲师院（系）审核意见毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字12月15日至12月25日选题12月26日至1月2日论文提纲写作1月3日至2月15日初稿写作2月15日至2月29日二稿写作3月1日至3月10日定稿并上交论文的电子文稿3月10日至3月15日做好论文评阅准备教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一毕业设计(论文)中期检查记录表学生填写毕业设计(论文)题目: 基于PLC的煤仓排水控制系统设计专业：机械制造与自动化 指导教师姓名: 邓文亮职称: 讲师检查教师填写毕业设计(论文)题目工作量饱满一般不够毕业设计(论文)题目难度大适中不够毕业设计(论文)题目涉及知识点丰富比较丰富较少毕业设计(论文)题目价值很有价值一般价值不大学生是否按计划进度独立完成工作任务学生毕业设计(论文)工作进度填写情况指导次数学生工作态度认真一般较差其他检查内容：存在问题及采取措施:检查教师签字: 年 月 日院（系）意见(加盖公章): 年 月 日摘 要井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，是为井下积水排除的重要任务，然而，目前我国的井下排水系统很多仍然是依靠传统的人工操作方式。本文介绍了一种基于PLC的矿井排水系统现场控制的部分是为了煤矿安全和正常生产而进行的各种有关参数或状态的集中监测，并对有关环节加以控制，是保护、采掘、运输、通风、排水等主要生产环节安全运行的重要设施。本文主要介绍了一种基于西门子S7-300 PLC的煤矿井下排水泵自动控制系统的设计方法和思路。西门子S7-300 型PLC给出了煤矿井下排水系统的传感器及执行机构的配置方案、通信网络结构和系统功能设计，实现了对水泵进行自动控制，水位监测、自动启停水泵、故障自诊断等功能；同时也实现了水泵运行的合理调度，提高了设备利用率，达到了节能增效的效果。并能与上位机通讯，实现远程控制和在线监测，提高了煤矿自动化水平和安全性。该系统的使用必将提高煤矿生产的自动化水平，对煤矿安全生产具有重要意义，有利于排水自动控制系统的应用。关键词： 水泵 PLC 自动控制 利用率 远程控制Abstract Underground drainage system is one of the four major coal production and shoulder the important task of underground water excluded, however, the underground drainage system in our country many still rely on traditional manual mode of operation.This paper introduces a PLC based control system on-site mine drainage control in part to coal mine safety and a variety of normal production and the concentration of the parameters or state monitoring, and relevant links to control, protect, mining, transportation,ventilation. drainage and other major production areas important to the safe operation of facilities.In this paper, which is based on Siemens S7-300 PLCs coal mine drainage pump automatic control system design methods and ideas.Siemens PLC S7-300 type of coal mine drainage system is given the sensor and actuator configuration, communication network structure and system functional design, to achieve automatic control of pumps, water level monitoring, automatic start and stop pumps, fault diagnosis, etc.function; but also to achieve a reasonable schedule to run the pump, improve equipment utilization, the effect of energy efficiency achieved.And can communicate with the host computer, remote control and online monitoring, improved level of automation and safety of coal mines.The use of the system will improve the automation level of coal production, coal mine production safety is of great significance, is conducive to the promotion of the drainage system of automatic control applications.Key words: water pump； PLC ； automatic； control of pump； utilization of remote control目录第一章绪言1第一节 概述1第二节 系统的工作原理1第三节 系统的组成2第二章煤仓排水控制系统结构设计5第一节 系统结构5第二节 控制系统的设计6第三节PLC控制系统程序设计8第三章 PLC井下煤仓排水自动控制系统11第一节 PLC井下煤仓排水自动控制系统技术11第二节 PLC井下排水自动控制系统分层12第三节 影响PLC控制系统的因素及抗干扰措施13结 论14致 谢15参考文献16第一章绪言第一节 概述随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器（PLC）控制已逐步取代继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域所以在煤矿井下开采的过程中，由于地层中含水的涌出、雨水和江河中的水的渗透、水沙充填和水利采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜不停地汇聚于井下。矿井涌水量达每秒17立方米，甚至是超过每秒20立方米。另外，矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条水量在不同件有关系。涌的季节也呈现不同。在一些大水煤矿开采过程中，由于地层结构被破坏，岩层断裂，使得与储水层连通，发生突水事故。给人民的生命、国家的财产都带来了极大的威胁。因此，井下排水就显得尤为重要。井下排水系统的任务就是把涌入井下矿井想到中的矿井积水排送到地表。因此，井下排水设备运转的可靠性与经济性，具有十分重要的意义。矿井水的成份很复杂。他对水泵和管路的腐蚀性，不仅与游离硫酸的存在有关系。而且也和硫酸镁、硫酸体=铁和硫酸铝的存在有一定关系。矿井水的物理性质和酸度，可用氢离子浓度PH值得大小来表示。由于酸性矿井水对金属具有腐蚀性，所以井下排水设备的钢铁零件，一旦遇到对酸性矿井水时，将会很快遭到破坏。第二节 系统的工作原理煤矿井下排水泵自动控制系统通过检测水仓水位和其它参数，控制水泵轮流工作与适时启动备用泵，合理调度水泵正常运行。系统通过触摸屏以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度、轴承温度、排水管流量等参数，并通过通讯模块与综合监测监控主机实现数据交换。该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点，并可节省水泵的运行费用。采用图形、趋势图和数字形式直观地显示管路的瞬时流量及累计流量，对井下用电负荷的监测量、电机电流和水泵瞬时负荷及累计负荷量、水泵轴温、电机温度等进行动态显示、 超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，并在屏幕下端循环显示最新出现的故障，以提醒工作人员及时检修，避免水泵和电机损坏。第三节 系统的组成井下主排水泵自动化控制系统由数据自动采集、自动轮换工作、自动控制、后台监控系统及故障记录报警和通讯接口等5个部分组成。一 数据自动采集与检测数据自动采集与检测主要分为两类：模拟量数据和数字量数据。 模拟量检测的数据主要有：水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、3趟排水管流量；数字量检测的数据主要有：水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电磁阀状态、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力。 数据自动采集主要由PLC实现，PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，将水位变 化信号进行转换处理，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，控制排水泵的启停。电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器与变送器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，超限报警，以避免水泵和电机损坏。PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理的条件和依据，控制排水泵的启停。 在数据采集过程中，模拟量信号的处理是将模拟信号变换成数字信号（A/D转换），其变换速度由采样定律确定。一般情况下，采样频率应为模拟信号中最高频率成分的2倍以上，这样经A/D变换的精度可完全恢复到原来的模拟信号精度。A/D变换的精度取决于A/D变换器的位数。如5V电压要求以5mV精度变换时，精度为5mV/5V=0.1%,即1/1000十进制的1000用二进制表示时要求为10位,而本系统所采用的A/D模块分辨率为16bit,其精度在0.05%以上，该精度等级足以满足控制系统要求。同时，PLC所采用的A/D模块均以积分方式变换，可使输入信号的尖峰噪音和感应噪声平均化，适用于噪音严重的工业场所。二 自动轮换工作为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未 经及时发现，当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以至影响矿井安全，本系统程序设计了4台泵自动轮换工作控制，控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数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，当某台泵或所属阀门故障、某趟管路漏水时，系统自动发出声光报警，并在触摸屏上动态闪烁显示，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，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全生产的目的。三 自动控制系统控制设计选用了德国西门子公司S7 200型PLC为控制主机，该机为块化结构，由PLC机架、CPU、数字量I/O、模拟量输入、电源、通讯等模块构成。为了保证井下安全生产，系统可靠运行，水位信号是水泵自动化一个非常重要的参数，因此，系统采用了国外著名厂家的防暴超声波液位计做为水位信号的采集及传输，并设置了两套水位传感器，模拟量和开关量传感器，两套传感器均设于水井的排水配水井内，PLC将接受到的模拟量水位信号分成若干个水位段，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，并根据现场具体情况启动或停止水泵。四 后台监控系统后台监控系统系统采用我公司自主研发的最新组态软件RD2000，以强大得Windows 2000 Server为平台，基于SQL Server 2000数据库处理系统，通过图形动态显示水泵运行状态，水井水位状态，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警。用图形填充以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时地显示水井水位，并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警，用不同音响形式提醒工作人员注意。 采用图形、趋势图和数字形式直观地显示管路的瞬时流量及累计流量，对井下用电负荷的监测量、电机电流和水泵瞬时负荷及累计负荷量、水泵轴温、电机温度等进行动态显示、 超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，并在屏幕下端循环显示最新出现的故障，以提醒工作人员及时检修，避免水泵和电机损坏。 打印分为正常打印和异常打印，有定时启动、人工启动、和事件驱动三种启动方式。定时打印所需的各种报表，打印周期可自由设定；人工启动，由操作人员通过人机界面召唤启动打印；事件驱动，由系统自动根据事件处理结果输出。包括：远动状态、设备投退、遥测越限、遥控操作记录、遥信变位、事件记录、系统设备故障、交接班记录。监控主机采用原装研华工控机采用总线网络结构，主站系统和外部计算机系统采用多种灵活方式连接。各个节点硬件配置：显卡、声卡、显示器、网卡、打印机等。五 通讯接口PLC通过通讯接口和通讯协议，与后台监控主机通讯，将水泵机组的工作状态与运行参数传至监控主机，完成各数据的动态显示；同时，操作人员也可利用监控系统地操作界面将操作指令传至PLC，控制水泵运行。PLC同时将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统分站传至地面生产调度监控中心主机，与全矿井安全生产监控系统联网，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统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，实现井下主排水系统 的遥测、遥控，并为矿领导提供生产决策信息。监控主机可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表，记录系统运行和故障数据，并显示故障点以提醒操作人员注意。 第二章煤仓排水控制系统结构设计第一节 系统结构系统采用现场层(IO)、控制层(PLC)和管理层(上位机)组成的三级控制系统来实现排水系统的自动控制。上位机利用友好的人机界面实现人机对话和远程监控功能，PLC作为控制器完成逻辑处理和控制任务，远程IO实现现场数据的采集和上传，通过专门的控制网络实现数据交换和统一调度控制。其中控制层主要由PLC控制柜构成，是整个排水系统的控制核心，PLC控制柜由PLC、触摸屏、检测部分(模拟量和开关量监测采集)、执行部分等组成。 PLC控制柜中的核心部分是PLC模块，用于完成对于监测量的处理、运算和存储，并根据监测结果进行逻辑处理，控制水泵及附属设备启停。为保证控制器的可靠性，系统选用德国西门子生产的S7-300系列PLC作为主要控制单元，考虑到现场设备比较分散，就地控制箱采用远程I/O的方式进行数据采集及控制，并通过现场总线同CPU模块进行数据交换。系统为实现对设备状态、就地控制命令采集、输出控制指令、设备逻辑控制等功能，主PLC配置了2块32路数字量输入模块和2块16路数字量输出模块，远程I/O配置1块32路数字量和1块16路数字量输出模块。主PLC还配置了1块模拟量采集模块完成对水位的监测，远程I/O部分配置1块模拟量采集模块完成对压力、负压及流量的监测。为便于现场对水泵的半自动控制，系统配置了触摸屏，可实现实时动态显示水泵当前状态，并为用户提供水泵控制的平台。根据控制系统应具备的功能，设计系统总体结构如图2-1所示；温度传感器电流传感器电压传感器水位传感器压力传感器流量传感器数字量输入模块通信模块CPU模块数字量输出模块模拟量输入模块水泵状态电磁阀状态电磁阀状态上位机监控中心水泵状态电磁阀电磁阀图2-1 系统总体结构图 第二节 控制系统的设计该部分是整个设计的核心内容，煤矿井下临时水仓排水以离心式水泵系统为主，故本章将根据水泵的性能特点及运行规律，依据前面所提的控制方案结合任务书所给要求设计自动排水的控制系统，细化各工作环节的功能要求和具体实施方案，并应用液压控轧闸阀的开启关闭，达到井下排水的性能要求。一、控制要求1 防爆性能自动排水系统涉及到电气部分，而在井下特殊的环境中，要符合煤矿安全标准，控制系统及选择的执行元件都要具备防爆能力，才能安全运行。2 水位实时监测显示水井水位信号是系统工作的主要控制信号，井下涌水是随机的，所以PLC要随时检测水位及时收集数据发回到控制中心，同时显示报警装置，便于管理人及时了解水位情况，危险时打出警告信号。3 水泵的起停根据水泵工作要求，要控制水泵启动和停止过程都要平稳，尤其要达到缓开缓闭的要求。启动过程中，若各种运行参数（真空度、压力等）达不到要求，就不能使系统进入运行状态。4 故障检测与报警系统应对自身运行情况有检测功能，在各参数（压力、流量、电压、电流等）超出范围时发出警告。水泵自动运行时还要能自动切换，停止故障泵，启动备用泵。5 通讯联网功能井下排水系统是煤矿安全生产的组成部分，要求井上集中控制调度。所以自动排水系统要及时将排水情况反映给全矿，便于管理人员在地面及时掌握井下设备的运行情况。二、主要执行元件的控制主要执行机构除水泵机组外，还包括各种管路元件，主要包括射流泵和阀门。1 射流泵及控制阀门射流泵是水泵的灌水设备，其控制比较简单，只要控制高压水的开关即可。井下可提供压力为2MPa的静压水作为射流泵动力源。可将二通电磁阀加载到压水管路中，控制该阀即控制了射流泵的开关。2 自动闸阀液控自动闸阀是主要执行机构，可以看成是自动控制系统中的子系统。如前所述，排水系统对该部分的要求极高，闸阀的控制要通过PLC程序系统反馈信号，根据不同情况进行不同控制。另外，设计时使闸阀可以在手动模式下工作，即人工操作。自动闸阀的控制元件为油泵电机（交流接触器）和电磁阀。第三节PLC控制系统程序设计PLC 程序设计采用STEP 7 软件编制。STEP 7软件是用于西门子S7-300/400 型PLC 创建可编程逻辑程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表进行程序编制。S7 系列PLC包括一个供电单元、一个CPU，以及输入和输出模块(I/O 模块)。PLC 应用STEP 7软件编制的S7 程序监视控制整个系统，并通过地址寻址寻找I/O 模块，实现数据的输入输出。PLC 编制程序时首先作硬件组态。其主要任务就是在STEP 7 中生成一个与实际硬件系统完全相同的系统,生成网络、网络中各个站的机架和模块,以及设置各硬件组成部分的参数,即给参数赋值。硬件组态确定了输入/输出变量的地址,为编制顺序控制程序打下了基础。然后根据手动、半自动、自动控制的方式选择，进入相应的程序流程。整个程序主要包括运行前水位和供电状态检测、正常启停泵组、运行中参数检测和故障报警、故障停泵等模块，程序流程如图2-2所示。故障停泵故障报警正常停泵运行间各参数、水位检测正常启动泵组选择泵组（优先运行时间短的泵组、跳过故障泵组）逻辑判断突水信号自选泵组供电时段水位 供电状态检测调试 维修 人工控制流程控制方式选择系统初始化统初始化图 2-2 控制程序流程图根据PLC的应用特点和井下自动排水系统的控制要求，将程序按模块化设计。主程序控制流程如图2-3所示。开始例行自检、监测、数据处理、显示高?中？低？停泵？用电峰 值？WAIT!水泵自启动图2-3 控制系统主程序15第三章 PLC井下煤仓排水自动控制系统第一节 PLC井下煤仓排水自动控制系统技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。一 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。二 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。三输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。第二节 PLC井下排水自动控制系统分层整个系统可分为3 个层次：地面监控主站层;以PLC为核心的控制及通讯管理层;机械设备层。一 地面监控主站层主要由工控机、监控组态软件、工业电视监控系统等组成，通过光缆与井下PLC、防爆型网络摄像机连接。工控机通过组态软件可以实时显示由井下PLC采集并传输的主排水泵的运行参数，并存储相关记录，操作人员也只需在地面生产指挥中心采用鼠标操作，就可以实现对各泵组的控制；工业电视和硬盘录像机可实时显示、记下状况。二 控制及通讯管理层由PLC和触摸屏组成的数据采集终端及数据处理系统、电控设备、数据交换设备、信号采集装置等组成。PLC负责完成信号处理、逻辑判断、故障诊断和参数记忆等功能。通过数据采集、模块采集水位信号决定泵是否开启以及开启台数，然后根据选择的控制方式按流程启动泵组，此时数据采集模块将采集供电电源、电机、水泵的各项参数，如：检测开关的带电状态、电机定子温度、轴承温度、泵出水口压力。三 机械设备层煤矿排水系统主要设备包括电机、水泵、吸水管道、排水管道、管道阀门等。该自动控制系统是基于原煤矿排水系统的设计，只需在原有排水系统设备的基础上进行部分改动。除在电机、水泵和管道上做部分机械结构的改动以满足传感器的安装需要外，主要是对原有排水阀门、注水阀门更换为电动可控阀门；加装为水泵注水的射流泵或为泵抽真空用的真空泵以满足水泵启动的需要。为保证安全性，防止自动控制系统出现故障时不能正常启动泵组排水，不破坏原排水系统结构形式，保留原始人工操作方式。主排水管流量、水泵前后轴温度等。各参数将在触摸屏上显示，并且通过数据交换设备传输到地面监控主站。第三节 影响PLC控制系统的因素及抗干扰措施一 因素PLC作为一种自动化程度高、配置灵活的工业生产过程控制装置。因为其本身的高可靠性，它的应用场合越来越广，环境越来越复杂，所受到的干扰也越来越多。在PLC控制系统中，就PLC本身来说，其薄弱环节在I/O端口。来自电源波形的畸变、现场设备所产生的电磁干扰、接地电阻的耦合、输入元件触点的抖动等各种形式的干扰，都可能使系统不能正常工作。研究影响PLC控制系统的干扰因素，对于提高PLC控制系统的抗干扰能力和可靠性具有重要作用。对PLC的干扰的产生过程主要有三个因素组成：(1)电源引入的干扰。雷电冲击、开关操作、大型电力设备启停等，都有可能会影响系统的正常运行，造成PLC系统故障。(2)I/O信号线引入的干扰。在使用PLC组成控制系统时，要连接大小设备和各种通信线路，这样就有可能会发生各种各样的电磁干扰环境，影响PLC系统的运行。(3)接地线引入的干扰。若接地线处理混乱或是电线上的电位分布不等，则会电路的正常运行，有可能在成数据换乱，信号失真。二 措施PLC由于具有较强的适合恶劣工业环境的能力，经常直接连接在被控电子设备上，周围经常存在很多干扰。混入电路的干扰容易引起错误的输入信号，从而运算出错误的结果，造成错误的输出信号。所以为了保证控制系统的工作可靠性，在控制系统设计时应采取一些相应的抗干扰措施31。如抑制电源系统映入的干扰，抑制接地系统引入的干扰，抑制I/O电路引入的干扰等除硬件方面要采取抗干扰措施外，还必须同时从软件方面采取适当措施。为了抑制如电压、电流等模拟信号的现场瞬时干扰，本系统采用的平均值法，即用n次采样值的平均值来代替当前值38 结 论利用本系统实现矿井煤仓排水系统自动控制，不仅提高水泵的使