中央水泵房系统毕业设计.doc

第1章 中央水泵房系统的特点1.1安全可靠性本系统采用高可靠性的多线制开关量接口“星型”结构模式。所谓多线制结构模式就是控制核心PLC与被控设备采用多线制的开关量接口作为控制及反馈的接口，因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点，同时这种结构本身是一种“星型结构”，所以某一故障点不会影响其它环节的工作，也就是说整个系统具有极高的可靠性1。系统结构见下图：多线制开关了量接口多线制开关量接口多线制模拟量接口光纤地面监控服务器PLC控制器现场传感器真空泵启动柜操作面板1#真空泵2#真空泵1#真空泵阀2#真空泵阀1#泵就地控制柜操作面板1#泵启动柜1#电动阀门1#逆止阀.图1-1 多线制开关量接口“星型”结构模式这种结构形式具有如下特点：A、手动模式为真正意义上的手动模式。自动模式下由PLC通过开关量输出模块控制被控设备，当系统转为手动模式，或者PLC故障、PLC失电等特殊情况下，系统自动转为手动模式，可以通过操作就地控制柜上的按钮以继电控制的方式进行手动操作，而不是通过PLC或数据口通讯的方式控制被控设备。如下图所示：启动按钮自动模式被控设备手动模式PLC开关量输出停止按钮闭锁触点图1-2 手动和自动模式转换B、系统具有高可靠性因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点，同时这种结构本身是一种“星型结构”，所以某一故障点不会影响其它环节的工作，也就是说整个系统具有极高的可靠性。C、手动操作方式为集中操作对于某一台泵而言，其手动操作完全可以通过在水泵附近的就地操作柜进行全部的手动操作，例如真空泵操作、排气阀操作、排水泵操作、主排水电动阀操作等等，不用到这些被控设备附近进行操作。D、主排水泵运行电量的采集灵活主排水泵运行电量的采集即可以通过电磁启动器的微机综保的智能数据接口采集，也可以通过多线制方式直接采集二次侧的电流、电压输出，第二种采集方式特别适合于矿井电力自动化占用微机综保的智能数据接口情况下的电量采集。E、系统布线较复杂由于系统采用了多线制星型的结构，所以必然造成布线较多、较复杂的缺点，但也正因如此，为系统的可靠运行提供了保证。1.2经济性引入百米吨水电耗的概念，将实时百米吨水电耗参数显示在监控主界面，同时，用户可以对百米吨水电耗变化曲线进行查询。将电价的避峰填谷原则引入水泵启动算法中，使得水泵耗能处于最经济的状态。通过对水仓水位的启动水位、报警水位、超限水位、停机水位的设定，在保障水仓水位绝对安全的前提下，使水泵的启动次数及达到了最少。由于本系统是按照无人值守的原则进行设计，所以现场无需人员进行值守，这样就节省了大量的人力资源。水位信号是水泵自动化一个非常重要的参数，自动化控制系统设置了两套水位传感器，模拟量的超声波水位仪和开关量浮球式液位开关，两套传感器均设于水仓的配水井内，同时并联工作，保证系统可靠运行。1.3适用性和先进性由于采用了光纤环网通讯技术取代了原来的总线传输技术使得数据传输更加快捷、可靠。并且采用了MCGS组态软件控制技术取代了VC.net编程技术，不仅使可靠性大为提高而且使程序更加具有通用性，也使系统的二次开发及扩容变得更加规范、容易。对于多级提升的矿井排水系统可以通过安装多级自动化排水设备做到由地面调度中心根据各级泵房水仓容量及液位统筹调度，实现高效、经济地运行。同时在发生透水事故时可以做到统一动作、统一指挥。本系统遵循矿井综合监控系统标准子系统接口规范使得该系统可以非常容易地并入矿井综合监控系统中，与其它子系统实现数据的共享。水泵前轴预装温度、振动一体化传感器，即保证的测试精度，同时又为设备维护创造了方便的条件。与其它系统的接口：本系统除地面监控中心的数据接口外还提供了丰富的与电力等系统的接口，例如与高压开关柜及软启动柜之间的开关量报警接口、可以输入0-100V及0-5A的模拟量输入接口4。还提供了可以接入RS485通讯口的智能接口，该接口可以接入高压电机液阻启动器或低压电抗启动器，以实现对电机启动的更加全面的监视。PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序结构具有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点；并可利用PLC控制柜上的触摸屏，可实现界面切换、系统巡查、故障复位、控制方式转换等功能。第2章 中央水泵房系统的功能和参数的采集2.1系统功能综述 2.1.1地面监控机的主要功能1、 实时与采区PLC数据通信，采集现场的检测参数。2、 实时记录、显示现场运行数据。3、 在远程控制允许的方式下，实现对各水泵的启停运行控制。4、 实时监测采区开关的闭合状态。5、 具有采区水泵的工艺画面的动态模拟。6、 具有操作人员的登录管理功能，有效防止非法操作、误操作。7、 对井下设备的启停控制实时记录，便于对设备的操作查询管理。8、 可以查询设备实时运行数据及历史运行数据。9、 具有实时动作状态变化报警提示。2.1.2采区控制站完成的功能1、 对井下泵房的排水泵、抽真空系统和电动阀门的自动监控。2、 实时采集水泵的出水口压力，并根据此值作为保护电机的一项参数。3、 实时采集水泵进水口的真空度，在启动电机时作为启动的依据。4、 实时采集水泵电机温度，作为电机是否运行正常的依据。5、 实时采集开关的电压、电流运行参数以及故障保护信号。6、 实时采集两水仓水位，在自动运行方式时，根据水仓水位的液位控制电机的自动运行5。7、 实时采集出水母管的管网压力和出水总流量。8、 通过就地控制箱，就地控制系统运行。9、 就地控制箱安装工业以太网模块通过矿井千兆工业以太网将运行数据传到地面监控机。2.1.3自动轮换工作为了防止电气设备长期不用而使电机和电气设备受潮或锈死，在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， 系统程序设计了自动轮换工作控制：当水位大于超限水位时，同时开启五台水泵；当水位大于报警水位时则同时开启两台水泵；当水位大于启动水位时开启一台水泵，当水位小于停止水位时则关闭所有水泵。从而延长其使用寿命，保证煤矿的安全生产。2.1.4自动控制水泵内部只有达到一定的真空度，使其叶轮完全淹没于水中，才能实现正常的排水。若真空度不够，泵内有空气存在，将会造成不上水和转动部件烧坏等故障。系统一般采用真空泵抽真空，由真空表监测真空度，正常运行情况下，有出口压力、流量和真空度三个参数判断水泵运行是否正常。2.2 系统参数的采集 2.2.1水位信号水池水位信号是系统工作的主要控制信号，PLC要根据水位变化情况来控制水泵的运行情况，并在触摸屏上进行动态显示，能够直观地观察到水位的高低情况，便于管理人员及时了解水位情况，当高水位时发出声光报警信号。为保证水池水位信号的准确采集，系统配置了两套水位检测方式：一种就是正常运行时采用的模拟量输出的投入式液位传感器，另一种就是备用的开关量输出的浮球式液位传感器。两种水位检测方式可以人为地进行切换。2.2.2真空状态检测根据水泵工作要求，要控制水泵启动必须是在真空度达到设定值时才允许启动，所以启动过程中，对真空度的检测要适时、准确，并可以动态显示。根据以往的工程实践证明，真空状态的检测是水泵控制系统的重点，为保证准确地检测，除在每台水泵吸水口上安装真空度传感器以外，还要在真空泵的出水口安装流量开关，通过检测真空泵出水口是否有水流对真空度进行确认。2.2.3电量参数的采集通过对每台水泵电机的三相电压、三相电流信号的采集，能够准确地判断系统运行的状态，特别是决大多数故障在早期均体现在电机电流的变化上。所以通过准确地检测电机的工作状态，可以及时地甚至提前对故障进行预警。以便于维护人员提前发现故障。2.2.4系统参数的采集系统参数包括两个主排水管的累积流量及瞬时流量、每台泵的运行时间、各种阀门的状态等。这些参数不仅是水泵启、停的必要依据，同时也是对系统进行统计、查询的重要依据。2.2.5传感器及执行机构安装位置在每个水泵出水管路安装压力传感器。每台水泵安装一个贴片式磁钢温度传感器，检测水泵回水温度。每个水泵配套的排真空装置的阀门应安装自动、手动电动球阀。在水泵的吸水管安装一个真空度传感器。在集水井安装一个投入式液位传感器，作为控制水泵启动的主要数据闸阀配置为即可电动又可手动电动闸门。在水仓安装浮球式液位开关，作为系统的备用控制数据。在两个总出水管分别安装压力传感器及流量计第3章 中央水泵房系统的工作原理3.1系统设备及组成水泵房监控装置包括PLC柜、就地控制箱和外围传感器以及上位计算机等，系统组成示意图如3-1。远程控制计算机控制计算机通信模块模拟量采集模块控制模块控制柜柜真空泵阀门真空泵水泵防爆电动阀门水位信号电机定子、电机轴承、水泵轴承温度流量真空度传感器压力传感器图3-1 水泵房监控装置示意图控制柜（PLC柜）主要由可编程控制器、信号变送器、中间继电器等组成，主要完成对信号的接受、变换、放大，并由PLC运算、判断发出各种控制信号，监控水泵的运行工况，实现水泵房的无人值守。PLC的输出信号应用中间继电器隔离，实现对变频器的控制。PLC 的I/O接口应有不少于20%的备用量。PLC柜为矿用隔爆型，PLC选用西门子公司S7200系列。PLC柜电源箱和小功率多回路组合开关输入电源AC127V、50HZ，内置控制变压器和UPS（考虑为PLC和传感器提供后备电源）。PLC柜通过以太网模块（光口）接入工业以太干网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享。集中控制柜为隔爆兼本质安全型，显示屏（嵌装）、指示灯、按钮、转换开关、继电器、电源开关、蜂鸣器等都安装在集中控制台内。按钮、指示灯、转换开关、继电器等采用品牌优质电器元件6。集中操作用于完成整套系统的控制与监视。投标方应根据技术规格书的系统功能特性要求对集中控制台布置做详细设计。现场设备及传感器包括就地控制箱、传感器和电磁阀等组成。就地控制箱：就地控制箱主要由按钮、指示灯等组成，每个就地箱备有急停按钮与相关按钮等。传感器包括超声水位计、管路静压传感器、电机温度传感器等，所检测的参数主要有：水仓水位、水泵进水管真空度、水泵出水口压力、水泵轴温、电机温度及设备工作状态等。在水泵与电机联接处增加KR-939SB2型一体化温度、振动传感器, 内部分别集成振动、温度探测.对水泵的运行状态进行实时监测。上位计算机通过工业以太网与PLC柜里面的触摸屏进行通讯，对水泵系统的信息和数据进行采集，计算机安装了MCGS组态软件，通过组态软件将采集到的数据显示出来。3.2水泵管路系统图止回阀(ZH)又称单向阀或逆止阀，其作用是防止管路中的介质倒流。采用微阻缓闭式止回阀。防爆电动闸阀(DZ)使用电能作为动力来接通电动执行机构驱动阀门，实现阀门的开关、调节动作。用于液体、气体和风系统管道介质流量的模拟量调节，是AI控制。采用AC660V电动闸阀或电液控闸阀。排真空阀(QF)：采用本质安全型电动球阀，工作电压DC24V，可手、电动。由电动执行机构和球阀共同构成电动球阀，是工业自动化过程控制的一种管道压力元件，通常用于管道介质的远程开、关（接通、切断介质）控制。电动球阀它具有旋转90度的动作，旋塞体为球体，有圆形通孔或通道通过其轴线。球阀在管路中主要用来做电动球阀切断、分配和改变介质的流动方向，它只需要用旋转90度的操作和很小的转动力矩就能关闭严密。球阀最适宜做开关、切断阀使用，但近来的发展已将球阀设计成使它具有节流和控制流量之用，如V型球阀。压力表(P)以弹性元件为敏感元件，测量并指示高于环境压力的仪表。采用抗振式压力表与压力传感器配接。负压表(Z)采用抗振式真空表与真空度传感器配接。流量计(Q)指示被测流量和(或)在选定的时间间隔内流体总量的仪表。采用隔爆兼本质安全型超声流流量计。手动闸阀(SF)手动闸阀的启闭件是闸板，闸板的运动方向与流体方向相垂直，闸阀只能作全开和全关，不能作调节和节流。采用DN250、DN200（PN1.6）手动闸阀。水泵管路系统图如下图所示。该图是用CAXA软件画出来的。图3-2 水泵管路系统图3.3系统工作原理及工作方式泵房水泵启动开关的电量参数由PLC配以各种开关量、模拟量的输入输出模块以及以太网通讯模块共同完成。PLC自动巡检，通过扩展工业以太网模块及井下以太网交换机及光纤收发器传给地面调度中心。全自动运行时，系统的井下下位机PLC实时采集水仓水位和浮球状态，并根据水仓水位情况和浮球的状态，按照各台水泵的运行时间长短启动相应水泵的运行或停机。不需要人工参与。下位机在正常运行过程中，可以脱离上位机的通讯仍能正常运行。就地手动工作方式时，根据水仓水位或浮球状态，就地通过现场手动控制柜手动控制水泵的启停。远程手动工作时,由授权值班工作人员通过上位计算机控制水泵的启动和停止；系统在正常运行过程中，不论何种工作方式，均可实时将现场的各种参数、设备状态通过工业以太网传到地面调度室。3.4水泵控制的控制原则水泵开启时，首先检测水仓水位。当水位超过低水位（满足开泵条件），开启一台水泵，当系统第一次运行，开启一号泵。当开启一台水泵运行一段时间后，发现水位仍然上涨，则顺序开启下一序号的水泵。当水位下降到低水位限以下时，则停止一台水泵。对于具备开启条件的水泵，在开启前首先启动真空系统，检测真空度，真空度达到后即可开启。当水位超过警戒水位时(出现涌流)，水泵全部开启。当水泵出现故障时，及时停泵，检修。该无人值守系统以水仓水位作为水泵的起停的基本条件，在此条件满足的前提下，然后再根据均匀磨损的原则、电价避峰填谷的原则实现水泵的起停。该原理为：首先设定四个水位限值：H1、H2、H3、H4。当水位达到报警水位时，可以开启两台水泵；当水位继续上升至超限水位时，则表明一台水泵的排水量已不足以排除矿井出水，以矿井的最大排水能力来排除矿井涌水，启动所有水泵。不论投入几台水泵，水位必须下降到低限水位方可停泵。即当PLC读取的水仓水位值为H4时，表示水仓水位低于低限水位，水泵机组将不投入运行；水位值H3，一台水泵机组投入运行，则等待水位上涨到H2时再投入一台水泵机组运行。当一台机组处于运行状态时水位仍然上涨到H1，则陆续投入所有水泵。机组运行至水位下降到H4时，水泵机组退出运行。程序流程图如下图：水泵。机组运行至水位下降到H4时，水泵机组退出运行。程序流程图如下图：NNNYYYY开始HH3投入一台水泵HH2投入两台水泵HH1全部投入HH4水泵全停图3-3 程序流程图3.41水泵开机顺序每个水泵在确定需要打开后，首先启动真空泵，自动抽真空；通过真空表判断真空度是否达到开启水泵的标准；如果达到要求，则抽真空完毕，开启水泵；打开排水管路上电动阀门；关闭真空泵运行；水泵自动开机完毕。YNYN压力达到要求？启动抽真空真空度达到要求？启动水泵开电动闸阀停止抽真空开启水泵图3-4 水泵起动流程图3.4.2水泵关机顺序每个水泵在确定关闭之后，首先关闭出水电动阀门；判断闸阀是否关到位；停止排水泵运行。YNYN关电动闸阀水位低于下限闸阀关到位？关闭水泵图3-5 水泵停机流程图第四章 通信设置4.1工业以太网 4.1.1工业以太网的简介工业以太网符合IEEE 802.3（以太网）国际标准的局域和单元网络，设计用于现场级的工业环境，可以实现自动化部件之间的连接，以及自动化部件与PC机/工作站之间的连接，并可连接无线通信部件。PROFINET是一种基于工业以太网的开放式标准，支持从公司管理层到现场层之间设备的连接。工业以太网可实现范围广泛的开放式网络解决方案，是已被证实并被世界各地所接受的工业标准。工业以太网是世界范围内局域网应用中的领先网络，其市场占有率超过80%，并在不断增长。工业以太网具有以下优点：连接简捷，调试快速；灵活性高，可扩展现有的设备而不影响其运行；是公司范围内实现联网的基础（纵向集成）；是因特网服务的基础；采用冗余网络拓扑结构，具有高可用性；通过交换机技术其性能可伸缩，通信性能几乎无限制；用于不同应用领域的联网，例如办公环境与生产环境；利用SCALANCE W，通过与WAN（广域网）或IWLAN（工业无线局域网）连接，实现公司范围内的通信；利用SCALANCE W，实现WLAN或IWLAN与移动站无故障连接。持续的兼容性开发，投资安全；采用简单、有效的信令概念，持续监控网络部件。在工业以太网中，可实现工厂范围内的时间同步。这样，在订购整个工厂的备件时，就可以做到有的放矢。通过西门子SCALANCE S所实现的安全功能，能够保护网络与数据。4.1.2以太网应用于工业控制领域需解决的主要问题近10年来，随着互联网技术飞速发展，以太网成为商业通讯中的主导网络技术，以太网的通讯速率要比目前任何工业现场总线高很多，因它是IT界标准网络技术，成千上万的公司参与开发生产有关产品，使其成本低廉，可选择范围十分广阔。因此，人们期望以太网也能应用到工控领域，凭着它的低成本、极高的通信速率、全球普及的标准，逐渐取代现有工控行业中繁多的总线系统，用以太网来实现从管理层到工业现场层的贯穿一致性通信。但由于以太网是以办公自动化为目标设计的，并不完全符合工业环境和标准的要求，将传统的以太网用于工控领域还需要解决确定性、实时性、可靠性等问题，使其符合工业环境的特殊需求7。1、 确定性由于以太网采用的协议是CSMA/CD，在以太网中所有的站点均采用相同的物理介质相连，这就意味着两条设备同时发送数据时，就会出现数据间的互相冲突。为了解决这个问题，以太网规定，在一个站点访问网络前，必须先监听网络上有没有其他站点在同时使用，只有检测到网络空闲时，才能发送数据。在基于竞争的以太网中，只要网络空闲，任何一个工作站均可发送数据，当两个工作站发现网络空闲，同时发送数据时，就发生了冲突。特别是在网络负荷过大时，更易发生冲突。对于一个工业网络，特别是对一些过程控制如运动控制和一些高精确度闭环控制的网络，对世界精确度有很高的要求，即要求同样过程每次完成或相应时间上的偏差很小。如果存在大量的冲突，网间通信的不确定性将大大增加。在工控网络中这种从一处到另一处的不确定性，必然会带来系统控制性能的降低。2、 实时性在工业控制系统中，实时可定义为系统对某事件响应时间的可预测性。一个事件发生后，系统须在一个可准确预见的时间范围内做出反应。工业上对数据传递的实时性要求十分严格，往往要求在数10s内完成数据的更新，在高动态传动控制中系统反应时间更需达到微妙级。可是由于以太网采用的是CSMA/CD协议，当发生冲突的时候，就得重发数据，有时甚至需多次重发（最多可达16次），很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一旦出现掉线，哪怕是仅仅几秒钟的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备、人身安全事故。3、 可靠性由于以太网在设计之初，并不是从工业网应用出发的。当它应用到工业现场，面对相对恶劣的工作环境，必然会引起其可靠性降低。由于工业环境对EMI（工业抗干扰）和ESD（工业抗震）的不同要求，对EMC（电磁兼容性）也提出更高的要求。在生产环境中工业网络必须具备较好的可靠性，可恢复性，以及可维护性。即保证一个网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序、操作系统，甚至网络系统的崩溃和瘫痪。 4.1.3以太网工业应用的解决方式针对以上这些以太网工业应用的缺陷和工业领域对工业网络的特殊要求，除了选用能在恶劣的工业环境中可靠工作的工业级以太网设备外，目前已采用多种方法来改善以太网的性能和品质，以满足工业领域的要求。1、 采用高速以太网以降低冲突概率显而易见，如果网络中没有太多的数据，冲突概率就会大大降低。有资料显示当一个网络的负荷低于36%时，基本上不会发生冲突；在负荷为10%以下时，10Mb/s以太网冲突概率为每5年一次、100Mb/s以太网冲突概率为每15年一次。但超过36%后随着负荷的增加发生冲突的概率是以几何级数的速度增加的。显然提高以太网的通信速度，就可以有效降低网络的负荷率，从而降低冲突概率。幸运的是现在以太网已经出现高速以太网，再加上细致全面的设计及系统中的网络结点的数量和通信流量进行控制，完全可以采用以太网作为工业网络。但这种方法不能充分利用带宽，易造成浪费，且不能百分之百地保证冲突不发生。2、 采用交换技术以避免数据冲突为了改善以太网重负荷时的网络拥塞问题，可以使用以太网交换机（switch）将可能发生冲突的网络用网络交换机隔开，以减少CSMA/CD机制带来的冲突问题和错误传输。这样可以尽量避免冲突的发生，提供系统的确定性。在交换型工业以太网中，利用以太网交换机将一个共享型以太网分割成若干网段，工作在每一网段的主机对介质的争用仍采用CSMA/CD的竞争机制，而连接个网段的交换机则采用路由机制。在以太网引入交换机后不仅可以扩展网络的有效带宽，还能有效扩展网络的范围。但这种方法成本较高，且数据通信被网络交换机的分配和缓冲过程所带来的延迟时间所影响，传输时间受制于网络交换机的配置而会有一些偏差。 4.1.4冗余网络拓扑形式在实际应用中，工业以太网主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则采用屏蔽双绞线，对重要的网段则可以采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。常见的冗余网络拓扑形式有以太网快速生产树冗余（RSTP）、环网冗余（RapidRingTM）和主干冗余（TrunkingTM）等.1、 STP及RSTPSTP(Spanning Tree Protocol)，生成树算法，IEEE 802.1D，是一个链路层协议，提供路径冗余和阻止网络循环发生。它强令设备用数据路径为阻塞状态。如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置并链