基于PLC的井下排水控制系统设计（888）.doc

摘 要矿井下排水设备的正常运行对保障矿井正常安全生产起着相当重要的作用。目前，国内大部分矿山排水系统仍旧使用继电器控制的常规手段，人为地进行检查。这种检查和控制的手段因控制线路复杂，可靠性低，工作强度大已不能满足矿业开发的设备运行和要求。本文设计的排水控制系统由PLC与PC监控的组合控制，这样它避免了常规继电器控制方法的短缺和限制，改进了运行的可靠性和稳定性。这种系统具有较长工作寿命和维护方便的特性。依据一些矿井的现实情况，本文首先选择和设计排水设备，然后设计了基于排水控制要求的自动控制系统。本系统采用西门子S7-300系列PLC并具有自动，半自动和手动工作模式可供选择。为了防止长期运行水泵和管道磨损严重及防止备用水泵和管道的电动机和电气设备长期闲置受潮或其他故障没有被发现，本系统设计了水泵及管道的自动轮换工作制。又根据“避峰填谷”的原则和系统抗干扰的能力完善控制系统。总而言之，PLC与PC机组合的自动排水系统的优点是传统继电器控制系统无法媲美的。同时，该系统也改善了现有排水系统存在的不足。因此，它对矿井安全、自动化生产具有相当重要的意义。关键词 排水系统，PLC，自动控制，抗干扰 ABSTRACTThe normal use of drainage under mine well is very important Equipment for ensuring normal Production of mine well. At present, most drainage systems of all domestic mines well adopt conventional means of relay Controlling, inspected artificially .This kind means of inspection and control cant meet the requirement of mining development for its complicated control circuit, low reliability of equipment running and great working intension. The automatism drainage system designed in this text combined 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 maintenance According to actual conditions of some mine well, at first this text chose and designed equipments, then designed auto control part based on drainage Control request. This system adopts S7-300 PLC series produces by SIEMENS and has automatic, semiautomatic and manual working modes to choose. In order to prevent running water 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. According to the principle of avoiding the peak to the valley and the ability of anti-jamming to improve the control system. In conclusion, the automatism drainage system combining PLC with PC has Advantages that conventional system controlled by relay is unable to come up to. At the same time, this system has made up a variety of shortage of the automatism drainage system in existence. So it has very important meaning for secure automatic production of mine.Key Words drainage system, PLC, auto control, anti-jamming钻井相关%目 录摘 要ABSTRACT目 录1绪论11.1 矿井下排水系统概况11.2 国内外研究现状21.3 本课题研究的主要内容及意义22井下排水控制系统介绍2.1 功能设定32.2 控制系统总体结构42.3 统中的检测元件52.3.1 水位测量52.3.2 压力测量62.3.3 流量测量63井下排水控制系统设计3.1 可编程控制技术73.1.1 可编程控制器的主要特点及功能73.1.2 可编程控制器的发展趋势83.1.3 PLC系统选型93.1.4 PLC控制系统的主要抗干扰措施103.2 PLC的软件设计123.2.1 操作方式的选择123.2.2 水泵及管路的自动轮换工作133.2.3 水泵启动过程的程序实现163.3 监控画面设计27结 论致 谢参考文献 1 绪论1.1 矿井下排水系统概况矿井水是指由于采矿活动对区域水文地质系统的破坏，从而改变地表水和地下水的流向，最后汇聚在采空区或者采动场所，并在汇聚的过程中遭受污染的水体。采矿作业中会常常看到其流入工作面和巷道。它的形成一般是因为采空区塌陷等原因波及到水源导致的，其来源主要是降水、地表水、含水层水等等。而大量的矿井水会严重威胁矿井的安全生产，突发时甚至会危及生产作业人员的生命，造成重大的人员财产损失，因此，排水设备就成为了矿井下生产作业必不可缺的设备，它对保障矿井的正常运转起到很关键的作用。尽管每个矿区的地质不同，但是矿井水的形成以及制约因素都有或多或少相同的特点。矿井水一般有两种赋存形式，一种是在采矿的过程中随聚随排的过路水，为保障安全生产工作必须将其疏排；另一种是在矿井或巷道封闭一段时间之后汇聚而成的滞留水，其在取用前循环性与交替性极差。依据矿井水的成因和它的赋存形式可知其为矿区水资源系统的一个特定组成部分，也是一个具有补给能力的含水系统中的特殊单元，但是因为采动裂隙的扩大或贯通而导致渗流条件改变，使不同水文地质系统的地下水直接向采空区汇聚排水。而其排水方式亦可分为两种，一种是自流法排水，此法是通过使用倾斜的坑道将水排放到露天的水沟再进行处理；另一种则是扬水法排水，是利用排水设备将水排至地面后再处理。排水设备又可以按工作地点分为固定式和移动式。固定式排水设备的工作原理是主排水设备负责将矿井的大部分水排至地面，辅助排水设备则将下一开采水平的水排至主排水设备所在水平，区域排水设备则将所在区域的矿井水排至地面，转载排水设备则将因反向坡度而不能以自流方式到主排水设备的水转载过去，中央排水设备则将涌水量不大的矿井涌水汇聚到一起排出矿井。固定排水设备应实现以下功能：工作水泵在20小时内应当能排出24小时的正常涌水量，备用水泵的能力应不小于工作水泵的能力的70%，工作和备用水泵的总能力应达到正常工作水泵的排水能力，检修水泵的能力最低不小于工作水泵能力的25%。工作及备用排水管路的能力应与工作及备用水泵的能力相配。配电设备应足够供工作和备用水泵同时开动，主排水泵房应有至少两回路供电线路，且每一回路都能在另一回路发生故障时担起全部负荷的供电能力。主排水设备应该具备针对涌水突然增多而导致设备被淹的预防措施。移动式排水设备为了达到排水的目的而要求水泵随着工作面前进或者水位下降而移动，所用的水泵和电机均安装在设备整体的底架上，绞车用钢绳牵引底架移动。移动式排水设备应实现以下功能：有较好的吸水性，能够排出泥水。较小的尺寸以做到快速、方便的移动。适合水流量变化不大而扬程变化较大的需要。综上所述，设计一套有效的井下排水控制系统是非常必要的，且在矿井涌水速度有变化时此系统均应及时将水排出。1.2 国内外研究现状伴随着采矿工程的发展，井下排水系统也随之而产生。现在控制理论和检测技术的发展，又使得自动排水系统在理论和实践上的研究都取得了一些进展。目前国内的研究工作，大部分是从井下排水控制系统的可靠性和节能的角度去研究。首先是对中央泵房水泵自动控制系统的成功改造，结果可以证明以计算机进行单台水泵的“水泵控制系统”改建和以矿井监控为主的“矿井监控系统”组成的“矿井排水自动控制系统”是一种可行的方法。之后的几年，国内研究人员又针对煤矿井下排水系统耗能大的特性分别从离心式水泵，排水管路，电动机三方面开始了对井下排水系统的节能改建工作。某设计研究院提出使用PLC自动检测水位、管道压力、流量等数据，根据水位高低和参考矿井的用电情况，建立数学模型，达到了水泵运行的避峰填谷的效果，有效地节省了矿井在排水系统上的能耗。而国外的研究多从管道长期的维护和清理以及井下水的质量对排水设备造成的影响等更细化的方面进行研究。俄罗斯研究人员根据费用相等的原理，推导出水泵最佳使用周期和管道清理周期的两种形式相似的计算公式，从科学的角度阐述水泵使用和管道清理，提高了整个排水系统的安全性能。英国、德国、加拿大、西班牙等国根据本国矿井存在的一些实际环境问题，例如对酸性的矿井排水问题进行了大量的研究。1.3 本课题研究的主要内容及意义本文提出了用PLC控制系统代替传统继电器控制系统，进行排水设备的选择设计。根据排水控制的要求，进行PLC硬、软件的设计，以满足自动轮换工作机制要求，又充分考虑“避峰填谷”的原则并采取抗干扰措施以使系统高效稳定工作。建立PLC与上位机的通信进行画面监控，做到发生事故可以及时发现处理。目前我国井下排水系统中的一些重要工作环节例如水位监测、配电设备的运行操作等仍依靠人工操作。大多数矿井使用继电器、接触器控制系统中包含且使用了大量的机械触点，线路比较复杂，在长期使用的过程中继电器触点在开闭时暴露在空气中易受灰尘污染易导致接触不良而误动作，从而使设备运行的可靠性降低。在PLC控制系统中，PLC采用微电子技术，大量开关动作均由无触点的电子器件完成，只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，通过设计软件程序替代继电器等物理电子器件和量大、繁杂的硬接线线路，因此工作寿命得到延长，可靠性得到提高。此外，PLC体积小，质量轻，易安装，还能直观简单地反映出现场信号的变化状态以及整个控制系统的运行状态，进行维护工作方便。由于使用软件编程代替硬接线实现控制功能，故而设计、施工、调试都很简便，所需时间大大减少，缩短了投运周期。因此，采用PLC与PC监控结合的自动排水控制系统具有的优势是传统继电器控制系统无法企及的，改善了现有自动排水系统的缺点，对矿井安全生产具有非凡的意义。2 井下排水控制系统介绍2.1 功能设定本系统中的主要排水设备设计有五台离心式排水泵和三条排水管路，每个排水泵均与每条排水管路连接。五台排水泵两台工作，两台备用，一台检修，而三条排水管路有两条工作，一条备用或检修。当使用中的一条管路故障时，继续用另一条管路排水，当两条管路均发生故障时立即启用备用管路而不至于中断排水。每条排水管路都有电动阀，可以通过PLC选择要使用的管路。水泵及排水管路的系统连接图如图2.1所示。图2.1 水泵及排水管路系统连接图由图中可以看出每条排水管路上都安装有排水电动阀，考虑到离心式水泵的启闭特性，它们需要按先后顺序进行打开和关闭的操作。以1#泵为例，在启动并需要打开排水电动阀时，按照“转换工作”的要求，打开11#电动阀，然后再打开10#电动阀；在停止时，应先关11#电动阀，再关10#电动阀，其它阀门启闭操作与此相同。本控制系统为满足实际使用需求，应具备以下功能：1. 自动轮换工作：为了防止长期运行水泵和管道磨损严重及防止备用水泵和管道的电动机和电气设备长期闲置受潮或其他故障没有被发现，因此需要设计水泵及管路的自动轮换工作制。本控制程序自动记录并累加水泵的运行时间及使用次数、管路使用次数等参数，系统将根据这些参数按照预定顺序自动启停水泵及排水管路，均匀分布各水泵及其管路的使用率，当某台泵或阀门产生故障、某条管路发生漏水事故时，系统都会自动发出报警并且进行记录，同时将发生故障的水泵或管路退出轮换工作，其余各泵和管路继续按设定顺序自动轮换工作，以达到发生故障能够及时发现处理、保障矿井安全生产的目的。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，尽量避免在“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8。3. 保护功能： (1)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内系统仍未收到真空度达到规定值的信号，则停止操作并转为启动下台水泵，发出故障报警信号8；(2)流量、压力保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量或压力没有达到正常值，则通过流量、压力保护装置使本台水泵停车，转为启动下台水泵8；(3)超温保护：当水泵长期运行导致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8；(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8。当出现过流时，对应的保护装置动作；(5)低电压、漏电保护：当高压部分出现低压或漏电故障时，其相应的保护装置动作，并将故障信号送入可编程控制器8。4. 三种工作方式：系统控制具有自动、半自动和手动三种工作方式12。自动工作时，由PLC检测水位、压力等相关信号，自动完成各泵组运行，不需要人工参与操控；半自动工作方式时，由操控人员选择开哪台或哪几台水泵，PLC自动完成选定的泵组的启停和监控工作；手动工作方式为PLC产生故障与检修状态下的工作方式。PLC故障时，全部设备均由操作人员控制相应按钮运行；当某台水泵及附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行，不影响其它泵组运行8。PLC控制柜上设有水泵的禁止启动钮，设备检修时，按下此按钮可防止他人误操作，以保障检修人员的安全以及系统的可靠性。故障排除或检修完成后，经过手动试车确认没有故障以后，才能继续参与自动轮换工作。5. 动态监测：通过上位机监控画面实时监测水泵及其附属设备的运行工况，实时显示水位、流量、压力、温度等参数，提供各种运行及故障信息，超限报警，还可以将记录的运行报表、事故记录、历史数据、统计报表等打印出来。 6. 抗干扰能力：由于PLC控制系统工作环境较为恶劣，避免不了存在各种干扰。这些干扰会导致控制精度降低、PLC内部数据丢失、机器误动作，甚至损坏PLC。所以，在实际使用中，不仅要按照要求合理配置系统，正确配接线，还必须充分考虑各种异常情况，采取相应抗干扰措施以确保PLC控制系统可靠稳定地运行。2.2 控制系统总体结构本系统使用可编程序逻辑控制器和上位计算机组成两级控制系统来完成排水系统的自动控制。上位机利用人机界面实现对话与监控功能，可编程序逻辑控制器作为下位机完成数据采集与自动控制的任务。设计系统总体结构如图2.2所示:图2.2 系统总体结构框图2.3 系统中的检测元件PLC作为工业控制装置，其用以检测信号的传感器的精度与可靠性将影响控制系统是否能正常运行。因此在选用传感器时，应综合考虑以下参数：1. 测量范围：传感器规定的测量范围应稍大于实际测量范围，以免超出测量范围造成结果产生较大误差或造成传感器损坏。2. 线性度：为了方便标定与处理数据，通常都要求传感器的输出输入成线性关系，从而能正确地反映被测量的数值。3. 灵敏度：灵敏度又被称作传感器系数，例如校准线的斜率就是线性传感器的静态灵敏度。4. 分辨率：是指传感器可以在输入信号中检测到的最小变化量。分辨率能达到使用要求即可，不需要牺牲其它性能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、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健康等15。以上有些方面互相制约，选择时进行综合考虑比较，选用整体性能较高者。2.3.1 水位测量本文采用感应式数字水位传感器测量水位，它的主要特点是:1. 测量准确、可靠、失真度小。2. 不受泥沙、污物的影响。3. 在信号远距离传输方面，抗干扰能力很强，具有独特的功能。其优势在于脱离了传统的模拟量检测方式，采用数字式测量，每个量之间有质的区别，有是与非的区别，没有模糊数据，更不受环境和其它分布参数的影响。它在工作的过程中能够全部投入水中，达到了国家潜水型IP68的防护标准，可以做到较长时间之内不用人员进行维护。传感器的工作电源设计在536伏范围内供电。使用时，垂直安装在水中，按照由低到高的水位变化转换成420mA的电流信号自信号端输出。传感器的规格不同，其结构是外型光滑无缝的棒式固体传感器，棒的直径为2050mm，长度为0.520m。2.3.2 压力测量本文选择型号为YS-2压力传感器，量程分别为00.4MPa和01.6MPa。其特点为：(1)选用陶瓷压阻测压传感器作为敏感元件，具有明显的抗腐蚀、抗磨损性能。(2)采用成熟的电路设计，具有较强的稳定性、可靠性以及抗干扰能力。(3)体积小巧，易安装；对振动、腐蚀、潮湿、干扰不敏感。(4)输出信号强，具有较高的工作温度范围，并自带温度补偿。 抗腐蚀的陶瓷压力传感器不需要液体的传递，压力直接作用在其膜片表面使产生微小的形变。厚膜电阻则印刷在陶瓷膜片的背面，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、激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，能够兼容于应变式传感器。经过激光标定以后，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进行直接接触。2.3.3 流量测量本系统中的流量测量元件选用电磁流量计，其特点为：1. 测量管路内没有任何突出和可以移动的部件，因此可用于有悬浮颗粒的液体等流量的测量，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，因此其受适用范围的局限较小；3. 测量范围较大，最大流量/最小流量=1500；4. 可以测量具有腐蚀性的液体；5. 惯性小，可以测脉动流量；6. 介质导电率大于0.0020.005 /m。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电流等其他形式的信号。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，其输出信号为4-20mA DC，精度等级为0.3级，励磁电流为200+0.4mA，电源电压为220V AC。3 井下排水控制系统设计3.1 可编程控制技术可编程序控制器（Programmable Logic Controller）的发展起源于20世纪60年代末。在20世纪60年代的时候，制造业采用的自动控制系统几乎完全是由继电器控制装置组成的。到了60年代末期，因为制造业十分激烈的竞争，并且每一次产品改型都会导致继电器控制装置进行重新设计与安装，不但费时、费工、费料，甚至还延长了更新周期。为了改变当时这种情况，美国通用汽车公司根据市场形势与生产发展的需要，提出一种新的工业控制装置的招标指标，即历史上有名的“通用十条”。1969年，美国数字设备公司（DEC）根据其要求，研制出了这种新的工业控制装置，并在美国通用汽车位于底特律的一条汽车自动装配线上试用，最后获得了成功。这种新型的工业控制装置因为它独有的集简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等于一身的一系列优点，很快地在其他工业领域得到推广应用。由于这个装置的主要功能是逻辑运算，因此，它又被称作可编程序逻辑控制器。随后，这种工业装置也得到了世界其他国家的高度重视，并且部分国家相继引进并研制出它们的PLC。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，在工厂自动化(AF)和计算机集成制造系统(CIMS)之中占有非常重要的地位。3.1.1 可编程控制器的主要特点及功能1. PLC的特点(1)可靠性高，抗干扰能力强(2)通用性强，程序可变，使用方便(3)功能强，使用面广(4)编程简单，容易掌握(5)减少了控制系统的设计及施工的工作量(6)体积小、重量轻、功耗低、维护方便2. PLC的主要功能到目前为止，在国内外冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业都会发现PLC的存在，并且随着它性价比不断提高，它的应用领域也在继续扩大。如今PLC的功能，已不仅仅是替代传统的继电器逻辑控制，其基本功能如下：(1)多种控制功能 PLC具有逻辑控制、定时控制、计数控制和顺序控制等功能。(2)数据采集、存储与处理功能具有数学运算、比较和数据处理等功能。(3)通信联网功能PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其他智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。(4)输入/输出接口调理功能输入/输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。(5)人机界面功能将实时采集的数据信息形象化的表示出来，反映到人机界面上，通过编程或操作人员进行直观的分析和修改，实现远程监测和控制。(6)编程、调试功能PLC一般有多种编程语言，IEC61131-3（PLC编程语言的国际标准）说明了语法、语义和五种PLC编程语言的表达式，按照此标准可以方便的进行编程和调试。3.1.2 可编程控制器的发展趋势长期以来，PLC为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因在于它能够可以提供安全可靠和比较完善的自动控制解决方案，正适用于当前工业企业对自动化的需求。1.产品向高性能、高容量、高速度发展大型PLC大多采用多CPU结构，不断向高性能、高速度和大容量方向发展，尤其近年来PLC生产厂商不断推出功能更强的小型PLC，更新换代越来越快，而且增加了例如高速计数器、脉冲列输出等以前大型PLC才具有的功能4。2.不断加强网络通信功能无论是大型还是小型PLC，网络通信功能都在不断增强，PLC向上可以连接各种管理网，向下可以连接各种现场设备4。现代很多PLC不仅设计了与CPU集成一体的标准MODBUS协议、专有协议和自由协议串行通信接口，还能通过网络接口模块与其他系统实现互联4。3.新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块等专用化模块4。4.编程工具丰富，功能不断增加，编程语言趋向标准化有各种简单或复杂的编程器及编程软件可以用来编写程序。5.更加专业化在PLC通用功能的基础上针对不同行业不同的应用特点开发专业化PLC产品，不但能提高产品性能降低成本，而且可以提高产品的易用性以及综合竞争实力。6.追求软硬件的标准化PLC将越来越开放，提供一个开放性的平台，通过提高标准化以及开放性的接口，PLC可以简便地接入其它系统。另外，越来越多的PLC采用标准的编程语言。3.1.3 PLC系统选型通过统计得知所需的数字量输入约69点，数字量输出约30点，模拟量输入通道约28路。选用德国西门子公司的SIMATIC S7300系列PLC系统。S7300系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可以广泛的进行组合和扩展。它的系统构成如图3.1所示。其主要组成部分有导轨(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8。它可以通过MPI转接电缆或通讯模块与计算机进行通讯，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，非常适合本系统的需求8。除此之外，它自带的STEP7编程软件功能也比较强大，使用起来也很方便易上手，也使开发过程变得比较简单。图3.1 S7300系列PLC系统构成框图本系统选用的主机模块是CPU314，它能够用于对处理能力和响应速度要求很高的场合。内置128KB的高速RAM，其装载存储器为最大8MB的微型存储卡，允许将项目存储在CPU中，它对每条二进制指令的处理时间大约为60ns，每个浮点预算时间为0.59ns。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4排结构，512个开关量I/O或64路模拟量通道。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SM321，32X24V，DC1块继电器输出模块SM322，16XRel AC120V/230V1块数字量输出模块SM322，32X24V，DC5块模拟量输入模块SM331，8X12位1块通信处理模块CP340l块电源模块PS307，10A3.1.4 PLC控制系统的主要抗干扰措施由于PLC的特性允许其在比较恶劣的环境下工作因而得到了比较广泛的应用。但正是因为它使用的场合更广泛，环境更加复杂，受到干扰也更多而影响了其稳定性。因此，采取PLC控制系统的干扰信号源抑制措施，对于提高其抗干扰能力和可靠性有着很重要的意义和作用。1. 电源系统抗干扰(1)使用专用电源供电且不能与大用电设备共用，以避免大用电设备的启动和停止影响供电电压。(2)在系统的交流电源与可编程控制器间使用双屏蔽的隔离变压器(图3.2)，它一次绕组的屏蔽层接中线，可以做到隔离供电电源的干扰，其二次绕组的屏蔽层与PLC控制柜共地，可让干扰信号入地。图3.2 PLC的供电电源(3)在隔离变压器和可编程控制器间加装交流稳压器或低通滤波器(图3.2)，用来滤除交流电源输入的高频干扰和高次谐波。2. 安装布线与接地的抗干扰(1)电源线、输入/输出线与动力线合理的布线可以明显减少电磁干扰。系统的动力线应足够粗，以降低大容量异步电动机启动时的线路电压降，且动力线要远离PLC装置20cm以上4。在进行PLC控制系统线路的敷设过程中，要尽量减小动力线与信号线平行敷设的长度，否则应增大两者的距离以减小噪声干扰4。PLC的输入、输出线，不允许放在同一根多芯屏蔽电缆内（尤其是引线部分更不能捆扎在一起），而且在槽架内需要隔开一定的距离后再安放，屏蔽层需要接地4。(2)接地线配电柜中存在有两种接地方式，一种是PLC系统的接地线。另一种是其他用电设备的接地线。在连接地线时需要注意PLC控制系统要单独接地，不能和其它系统共地；PLC系统的接地电阻应尽可能小于100，使用专用的接地线；输入/输出信号电缆的屏蔽线需要与接地端子(GR)端连接，并且要连接良好。3. 输入/输出线外围设备的抗干扰措施在选用I/O模块前应了解到绝缘的输入输出信号和内部回路的抗干扰性能较非绝缘的更好，无触点输出比有触点输出产生的干扰小等。因此，在干扰大的场合以及装设在控制对象侧的I/O模块，从抗干扰能力方面考虑，使用绝缘型的I/O模块较好。4. 解决漏电流的措施当使用接近开关等DC两线式传感器输入信号时，应考虑由于漏电流较大的原因导致的误动作，不能关断PLC输入信号。通常解决方法是在PLC输入端子连接一个旁路电阻来达到减少输入阻抗的目的。当使用双向可控硅为输出时，也可以采取同样的方法在输出端并联旁路电阻。接法如图3.3所示。图3.3 解决漏电流的措施5. 触点抖动的消除对于外部输入设备可能产生的触点抖动，如按钮、继电器、传感器等的输入信号可以通过延时来消除。对于部分能够持续一定时间的脉冲干扰，也可以通过使用此方法进行消除。选择时间设定值时，其需要大于触点抖动间隔时间或干扰脉冲持续时间。若干扰持续时间较短，为了减少系统的响应时间，可以利用程序扫描时间或某段指令的执行时间来替代定时器的作用。6. 可测干扰信号的抑制对于能够使用特定办法测量到的短时干扰信号，可以经过检测设备将这个干扰信号产生的时间传送给PLC，然后通过PLC的跳转指令进行相应的屏蔽动作，即在有干扰信号影响的这段时间，不收集输入信号。7. 漏扫描检测在编制程序时，将程序分成几个部分，在每一个程序段末端加一个校验节点。当在每次扫描之后，如果程序的每个部分都被扫描，就给出一个正确信号，然后继续执行编程的指令；如果有程序段被漏扫描，则发出报警信号并按预设方案处理。以上即为本控制系统在抗干扰方面使用的一些措施。然而，在实际使用中，仍然有可能出现各种意想不到的干扰，这需要以后通过大量的实践经验，积累技术不断改进，使抗干扰能力不仅仅满足系统的技术要求，也能达到系统环境的要求，特别是电磁环境，以达到更稳定、可靠地目的。3.2 PLC的软件设计3.2.1 操作方式的选择整个流程图如图3.4所示。在系统开始工作前需要先检查PLC是否有故障，如果有则需要选择手动操作方式；如果没有则进入下一步，检查设备是否存在故障，如果有则同样需要选择手动操作方式，如果没有则可以继续对任意一种操作方式进行选择。当选择自动操作时且条件满足则系统进入自动工作方式，若不满足则切换选择手动操作方式。半自动操作方式与自动方式选择相似。图3.4 操作方式选择3.2.2 水泵及管路的自动轮换工作本控制系统设计为每台水泵配备两个数据寄存器，其中一个存放运行时间，而另一个存放运行次数。每次开始排水工作时会自动选择处于空闲状态的运行时间最少的正常水泵，若此条件相同，则会选择运行次数最少的。每次排水工作结束，自动累计水泵的工作时间和次数。为了避免数据寄存器存放过多数据导致溢出，每当某台水泵的运行时间达到最长时，所有水泵的寄存器存放的运行时间数据都自动减去它们之中最少的运行时间。每当某台水泵的运行次数达到最多时，所有水泵的寄存器存放的运行次数数据都自动减去它们之中最少的运行次数。当运行的过程中，某台水泵发生故障则会自动停止工作，且会退出自动轮换工作制，同时按照设定的系统工作原理来启动其它水泵工作。排水管路的自动轮换工作机制与排水泵相似。将五台水泵依次编号为1#，2#，3#，4#，5#。五台水泵的运行时间和次数均按顺序保存在寄存器D230D239中，将1#泵的运行时间存放在D230中，运行次数存放在D231中，依次类推。在记录运行时间上，采用辅助继电器M8014，其振荡周期为一分钟，并分别用C1，C2，C3，C4，C5记录下五台水泵运行时它的振荡次数，即运行时间，并把它们的设定值设成最大值32767。每当启动某一台水泵时，它所对应的计数器就会开始计数即记录下运行时间，当这台水泵停止运行时，则相应的计数器就会停止计数，并把目前的计数值累加到它对应的运行时间寄存器中，然后这台水泵对应的运行次数寄存器计数加1，最后计数器清零。例如，当启动1#泵时C l就会开始计数，当1# 泵停止运行时，则C1就停止计数并把目前C1里的计数值累加到运行时间寄存器D230中，然后运行次数寄存器D231的值加1，最后C1计数器清零。根据预设的工作机制，使用M1，M2，M3，M4，M5五个辅助继电器作为PLC内部启动五台水泵的开关，当某个继电器接通时，它所对应的水泵就会启动，此时计数器会开始计数，当这个继电器断开时，它对应的水泵就会停止运行，此时计数器会停止计数。当每次排水工作结束后，已经启动保持运行的水泵依次隔30秒停止运行。当工作中的水泵全部停止运行时，按顺序比较它们的运行时间和次数，并将它们中最少的运行时间和次数分别存放在D40，D41中，之后再分别用它们的运行时间寄存器和运行次数寄存器减去D40、D41。D221-D225中存放按从少到多的无故障运行时间顺序排列的水泵编号，如果时间相同，则按运行次数排序，次数少的在前面。D220中存放没有发生故障的水泵数目，其中每增加一台故障水泵，则D220计数减一。使用继电器M11-M15作为每台水泵的故障发生标识，发生故障的水泵就会接通对应的继电器，最后在D60中存放启动的水泵数目。图3.5 单台泵启动流程图图3.6 单台泵停止流程图图3.7 五台泵停止流程图图3.7注释：查找最少的运行时间并存放在D40中查找最少的运行次数并存放在D41中减去最少运行时间D40和最少运行次数D41泵的编号存放在V5中，已排列的泵的数目存放在D42中查找无故障且没有被排列的泵的编号，V6累加被排列泵的数目V7为运行时间变址寄存器，D43用来检验是否新一轮参与比较的第一个运行时间比较结果中较小的运行时间存放在D50中比较运行次数，V3是参与比较的前一个运行次数寄存器的变址，V4是最后一个的变址判断被排列出的泵的数目和无故障泵的数目是否相等3.2.3 水泵启动过程的程序实现五台水泵均有各自的PLC程序分别控制它们的启停，它们各自互相独立。五台水泵的阀门开关端口分配见表3.1。表3.1 阀门开关的端口分配表五台水泵虽然各自独立，但启动的过程都是相同的，下面就以1#泵的启动流程为例进行说明，见图3.8。图3.8 1#水泵启动流程图I/O地址分配如表3.2所示。表3.2 I/O地址分配表输入功能输出功能I0.0水仓水位高Q0.0一号水泵启动/停止I0.1水仓水位低Q0.1二号水泵启动/停止I0.2一号泵出水口压力Q0.2三号水泵启动/停止I0.3二号泵出水口压力Q0.3四号水泵启动/停止I0.4三号泵出水口压力Q0.4五号水泵启动/停止I0.5四号泵出水口压力Q0.5一号泵出水口压力高报警I0.6五号泵出水口压力Q0.6二号泵出水口压力高报警I0.7一号泵水泵轴承温度Q0.7三号泵出水口压力高报警I1.0二号泵水泵轴承温度Q1.0四号泵出水口压力高报警I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7I2.0I2.1I2.2I2.3I2.4I2.5I2.6I2.7I3.0I3.1I3.2M0.0M0.1M1.0M1.1M2.0M2.1M2.2三号泵水泵轴承温度四号泵水泵轴承温度五号泵水泵轴承温度一号泵电机温度二号泵电机温度三号泵电机温度四号泵电机温度五号泵电机温度一号电机电流二号电机电流三号电机电流四号电机电流五号电机电流一号电机电压二号电机电压三号电机电压四号电机电压五号电机电压启动T1标志水泵接通脉冲标志启动T2标志水泵切除脉冲标志水泵接通寄存器1水泵接通寄存器2水泵接通寄存器3Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5Q1.6Q1.7Q2.0Q2.1Q2.2Q2.3Q2.4Q2.5Q2.6Q2.7Q3.0Q3.1Q3.2Q3.3Q3.4Q3.5五号泵出水口压力高报警一号泵轴承温度高报警二号泵轴承温度高报警三号泵轴承温度高报警四号泵轴承温度高报警五号泵轴承温度高报警一号泵电机温度高报警二号泵电机温度高报警三号泵电机温度高报警四号泵电机温度高报警五号泵电机温度高报警一号电机电流大二号电机电流大三号电机电流大四号电机电流大五号电机电流大一号电机电压高二号电机电压高三号电机电压高四号电机电压高五号电机电压高续表3.2M2.3 水泵接通寄存器4M2.4 水泵接通寄存器5M2.5 水泵接通寄存器6M2.6 水泵切除寄存器1M2.7 水泵切除寄存器2M3.0 水泵切除寄存器3M3.1 水泵切除寄存器4主控制程序梯形图：水泵开启与停止的程序如下：Network 1:检测水位的变化Network 2:水位高判定Network 3:水位低判定Network 4:水位低启动水泵接通标志Network 5:水泵接通标志Network 6:启动T1接通延时Network 7:水位高卸载Network 8:水泵切除标志Network 9:启动T2切除延时Network 10:水泵接通寄存器1Network 11:水泵接通寄存器2Network 12:水泵接通寄存器3Network 13:水泵接通寄存器4Network 14:水泵接通寄存器5Network 15:水泵接通寄存器6Network 16:水泵切除寄存器3Network 17:水泵切除寄存器4Network 18:水泵切除寄存器1Network 19:水泵切除寄存器2Network 20:1号水泵控制Network 21:2号水泵控制Network 22:3号水泵控制故障报警程序如下：Network 1:电机机身温度小于80Network 2Network 3:轴承温度小于90Network 4Network 5:出水口压力小于0.1MPaNetwork 6Network 7:电流小于150ANetwork 8Network 9:电压低于1400VNetwork 103.3 监控画面设计生产过程系统需要设计一个便于用户操作的人机界面，它是自动化控制中用户与系统进行交互和信息交换的一个媒介。本文采用iFIX组态监控软件，它包含了大量图形化工具，具有实时过程监视与监督控制、报警管理、历史趋势、统计过程控制等功能，拥有基于用户的安全系统，方便的系统扩展等强大的扩展能力。图3.9 监控主画面此控制系统监控保护功能主要包括过压、过流、漏电保护以及水泵漏水、水泵轴承超温、电机超温保护。在程序中，每个物理量所对应的传感器信号都会通过通信传输到PLC中，这些数据经过相应的抗干扰处理以后，可以得出相对更加真实的数据，然后依据控制系统中的运行逻辑以及真实情况，将这些数据与PLC内部相应的物理量的正常设定值来比较得出结果。如果结果符合正常值的要求，说明一切正常，系统可以正常运转，反之，则需要启动报警程序，并且根据故障的不同和故障严重程度不同分别采取不同的保护方案。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、中间记忆装置等互相存在确定的逻辑关系。一旦发生设备故障，就会出现异常的逻辑关系。因此，一旦发现预加入的异常逻辑关系程序被执行，就可立即得知对应的设备故障，操作员可以据此方便的采取报警、停机等保护措施。除此主设备监控画面之外，还另有一个故障监控画面。当有故障发生，故障画面就会立即弹出，用以提示监控人员并方便其查看操作。不同的故障在监控画面上都有它所对应的区域，当有红光闪烁时，则是发生故障并报警，若是静态绿光显示，则说明无故障发生，设备正常运行。监控画面形象易懂，工作人员可以方便的进行监控操作。结 论本论文针对国内井下排水系统的现状，提出了采用PL