毕业设计（论文）-煤矿井下排水系统控制的系统设计.doc

四川科技职工大学姓 名： 学 号： 学 院： 专 业： 机电工程系 设计题目：煤矿井下排水系统控制的系统设计 专 题： 指导教师： 职 称： 2013年6月2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。目前国内各矿井的排水系统多采用传统的继电器控制方法，用人工进行监测。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，不适应煤炭发展的需要。本文设计的排水系统采用PLC控制与PC监视相结合的方式，弥补了传统继电器控制的缺陷与不足，提高了工作可靠性和稳定性。在本设计中首先对煤矿排水系统进行概述，然后根据排水控制的要求，进行自动控制方面的设计。本系统采用西门子的S7-300系列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、流量传感器等），完成系统设计中要实现的控制功能。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”工作机制。又根据“避峰就谷”的原则确定开启水泵台数，以达到节省用电的目的。关键词：煤矿； 排水系统； 集中控制; PLC目 录1 绪论11.1煤矿井下水的形成及排水的重要性11.2国内外研究现状及主要问题21.2.1课题研究现状21.2.2主要问题31.3本课题研究的主要内容41.4本章小结52 煤矿井下排水系统组成概况62.1离心式水泵工作原理62.2射流泵和真空泵的介绍82.2.1真空泵工作原理92.2.2射流泵工作原理112.3离心式水泵的启停过程112.3.1离心式水泵的启动过程112.3.2离心式水泵的停机过程122.4多台水泵的井下排水系统组成及功能实现122.5本章小结133 系统硬件设计143.1可编程控制技术143.1.1 PLC的主要特点143.1.2 PLC的基本工作原理173.1.3 PLC实现控制功能193.2 PLC控制系统总体设计213.2.1控制系统的输入/输出参数统计223.2.2 PLC系统选型243.3本章小结254 传感器选型264.1液位传感器介绍274.1.1超声波液位传感器274.1.2投入式液位传感器284.1.3液位检测装置的选择294.2电机及水泵温度检测304.3水泵压力检测314.4水泵流量检测324.4.1流量检测仪器的安装位置324.4.2电磁流量计工作原理及其特点344.5水泵负压检测374.6本章小结375 控制系统的软件设计385.1软件流程图385.1.1自动轮换工作405.1.2避峰填谷405.3水泵的自动开启、运行、停止故障保护流程图435.4部分程序465.5本章小结486 总结与展望496.1总结496.2展望49参考文献51英文原文53中文译文61致 谢67 4四川科技职工大学1 绪论1.1煤矿井下水的形成及排水的重要性在矿井生产过程中，经常有各种水源的水涌入矿井，称之为矿水。大量的矿水威胁到矿井生产的正常运行，突发时甚至会造成工作人员的伤亡。产生矿井涌水的两个必备条件是矿井水源和涌水通道。1.矿井涌水的水源矿井涌水的水源有地表水和地下水两大类。(1)地表水源。地表水源主要指大气降水和地表水。1）大气降水。大气降水是地下水的主要补给水源。降水量对矿井涌水的影响，对于分布于河谷洼地，并且煤层上部有透水层、溶洞、裂隙或塌陷的浅井较为显著，其影响具有明显的季节性。雨季矿井涌水量增大，旱季则相反。 2）地表水。河流、湖泊、水库和塌陷地积水等地表水，可以通过井筒、塌陷裂隙、断层、裂隙、溶洞和钻孔等直接进入井下，也可以作为地下水的补给水源，使地下水经过与井巷连通的通道进入井巷，造成水灾。（2）地下水源。地下水是矿井水最经常、最主要的水源，而大气降水和地表水也是一般先补给地下水，然后再流入矿井。所以研究地下水的水量分布、补给条件、动态变化规律等，对分析矿井涌水极为重要。 根据地下水的赋存状态和赋存位置的不同，可将矿井水分为以下几种： 1）含水层水。地层中的沙层、砂岩和灰岩层等，往往含有丰富的地下水。当掘进巷道揭露含水层或回采工作面放顶后所形成的冒落裂隙与这些含水层相通时，含水层水就涌入矿井。含水层水一般都具有很高的压力，特别是当它与地面水源相通时，对矿井安全生产的影响较大。 2）断层水。断层带及断层附近岩石破碎，裂隙发育，常形成构造赋水带。特别是当导水断层与强含水层或积水体相通时，如发生断层突水，就会形成水灾。 3）老空积水。井下采空区或煤层露头附近的古井、小窖常有积水，如果开采时与之相通，就会发生突水事故。另外，还有生产用水。煤矿生产过程中，如水采、除尘、煤体注水、防火注浆、水砂充填等，都要大量用水，如管理不善、排水不畅也可能引起水灾事故。2.矿井涌水通道矿井涌水通道可分为人为形成的通道和天然形成的通道两种。(1) 人为形成的通道有：1）顶板冒落裂隙带顶板冒落形成导水裂隙。2）地表岩溶塌陷带矿区开采后地表下沉，地表水和大气降水通过塌陷坑直接进入井下。3）封孔质量差的钻孔打孔后封孔不严，钻孔成为各类含水层的涌水通道。（2）天然形成的涌水通道有： 1）孔隙、裂隙各种岩层中的节理、层理成为涌水通道。 2）岩溶岩石中的溶洞、孔洞成为涌水通道。 3）断层破碎带通过断层与含水层相连，断层破碎带成为涌水通道。井下排水系统的任务就是把通过各种途径流入矿井的积水排送到地表。在煤矿地下开采过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河水的渗透，水砂充填和水利采煤矿井的井下供水，将更有大量的水昼夜不停地汇集于井下。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。煤矿大量的井下水在会对工作人员和设备的安全造成很大的威胁，如不采取及时有效地治理措施，会造成严重后果，轻者淹井停产，重者矿毁人亡。因此矿井主排水系统是保证矿井安全的关键设备之一，在煤矿安全生产中有着举足轻重的作用。1.2国内外研究现状及主要问题1.2.1课题研究现状目前国内外学者已经在煤矿井下排水系统控制的研究中取得了很多成就。就国内的研究工作来看，大多是从煤矿井下排水系统的安全可靠性、节能的角度进行研究。首先是煤矿对中央泵房水泵自动控制系统的成功改造，为我国井下排水系统自动控制开辟了一条新的途径。这也验证了以计算机进行单台水泵的“水泵控制系统”改造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。随后几年，根据煤矿井下排水系统消耗电能大的特点，国内研究人员分别从离心式水泵，排水管路，电动机三个方面提出了对井下排水系统的节能改造。由于各类矿井情况差别大，能源消耗尤其是电能消耗大，所以在节能技术方面的研究对煤矿效益，以致可持续发展有着很大的意义。国内某计研究院提出采用PLC自动检测水仓水位、管道压力、流量等数据，根据水仓水位高低和参考矿井用电情况，建立数学模型，达到了水泵运行的避峰就谷的效果，有效地节省了矿井在排水系统上的能耗，缩减了煤矿的生产成本。随着全国普及用电分时段计费后，国内专家就煤矿用电问题提出了分时用电以降低煤矿井下排水的成本。本观点避开水泵、管道和用电效率等因素，单从用电时段来考虑，强调煤矿井下排水应避开用电高峰，尽量在用电低谷把井下的水排净，称为煤矿排水的“避峰填谷”技术。国外的研究大多从管道的长期的维护和清理，井水质量对排水设备的影响等更加细微更加长远的方面来研究。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，为水泵使用和管道清理从科学的角度进行阐述，提高了整个排水系统的安全性能。酸性矿井排水及有害元素的影响对井下排水系统也是一项严峻的考验。它不仅关乎到整个排水系统的正常运行，更影响井下设备和工作人员的安全。因此研究酸性矿井排水和有害元素的危害的新工艺已是国外矿井排水下大力度解决的科研难题。英国、德国、加拿大、西班牙等国根据本国矿井的具体存在的环境问题，特别是酸性矿井排水进行了大量的研究。并公开发表了数百篇学术论文和几部论文集和专著。对世界矿井排水中的环境研究作出了巨大的贡献。1.2.2主要问题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，现在国内的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生和高效性，矿井中央泵房无人值守自动化系统可以有效解决这些问题。井下的水泵电压高、功率大、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。 随着我国颁布分时缴纳电费的办法后，煤矿排水的经济效益也尤为突出。根据统计，每开采1吨煤就要排出2-7吨矿井水，有时甚至要排出30-40吨矿井水。井下排水设备所配备电机的功率，小的几千瓦到几十千瓦，大的几百千瓦到上千千瓦、在我国煤炭行业中，井下排水用电量占原煤生产总耗电量的18%-41%，一般为20%左右。因此，煤矿排水系统的节约用电也开始引起人们的注意。1.3本课题研究的主要内容1.水泵的启停控制机制煤矿井下排水自动控制系统是以单个水泵的自动运作为基础的,每个水泵在启动前, PLC模块先启动抽真空系统,检测真空度。如果没有达到所需的真空度则继续等待并适时检测,当达到所需的真空度,则启动水泵。然后检测水泵出水口压力,如果压力参数没有达到要求,则继续等待,并适时检测,当压力参数满足要求,则打开水泵出水口电动闸阀同时停止抽真空系统。水泵运行过程中, PLC模块又适时检测水仓液位,当水位低于液位下限值时则关闭水泵电动闸阀。确保闸阀关闭到位,水泵关闭完毕。2.水泵自动转换工作每台水泵有两个数据寄存器,分别存放运行时间和运行次数。每次启动水泵,自动启动运行时间最短的无故障水泵。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水泵。自动累加水泵的排水时间和排水次数。 3.“避峰填谷”机制设定3个水位限值： H1(水位下限) , H2(报警水位) , H3(超限水位) , 当前水位设为H。当H达到H2时,首先对电网的负荷进行监测,若处于用电谷段,即启动水泵；若处于用电峰段,则暂缓启动水泵；当水位继续上升至H3时,则不论电网负荷如何, 必须立即启动水泵；不论投入几台水泵,水位必须下降到H1时方可停泵。1.4本章小结本章简述了煤矿井下水的形成和排水的重要性，目前该领域存在的问题，并介绍了国内外研究现状，最后对本课题所要做的主要内容进行了简单的概括。 2 煤矿井下排水系统组成概况2.1离心式水泵工作原理井下排水系统一般采用离心式水泵，一些小型煤矿或浅水井临时排水系统也采用潜水泵。离心式水泵排水系统主要由离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成。如图2-1所示。1.起动设备 2.电动机3.水泵 4.抽水管 5.滤水器 6.负压表 7.压力表8.闸阀9.逆止阀10.射流泵 11.排水阀 12.静压水管 13.射流泵电磁阀 图2-1 离心式水泵工作系统1.滤水器和底阀滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于0.5m 。其作用是防止井底沉积的煤泥和杂物吸入泵内，导致水泵被堵塞或被磨损。在滤水器内装有舌型底阀，其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水，以及停泵后的存水不致漏掉。但是现在的排水系统中，为了提高排水效率，减小水泵腐蚀，一般不用底阀，而用射流泵或真空泵为水泵和吸水管注水。2.闸阀（如图2-2）是指启闭体(阀板)由阀杆带动阀座密封面作升降运动的阀门，可接通或截断流体的通道。当阀门部分开启时，在闸板背面产生涡流，易引起闸板的侵蚀和震动，也易损坏阀座密封面，修理困难。闸阀通常适用于不需要经常启闭，而且保持闸板全开或全闭的工况。不适用于作为调节或节流使用。 图2-2闸阀结构图调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止阀的下方。其功用为:（1）调节水泵的流量和扬程；（2）起动时将它完全关闭，以降低起动电流。调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小，安装时无方向性，能够方便地来调节水泵的流量和扬程等。其缺点是密封面容易擦伤，检修较为困难，高度尺寸较大，在安装位置受到限制时，安装不便，结构较复杂，价格较高。放水闸阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上，其作用为检修排水管路时放水用。3.逆止阀逆止阀安装在调节闸阀的上方，其作用是当水泵突然停止运转(如突然停电)时，或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时，能自动关闭，切断水流，使水泵不致受到水力冲击而遭到损坏。4.灌引水漏斗、放气栓和旁通管灌引水漏斗是在水泵初次起动时，向水泵和吸水管中灌引水用。在向水泵和吸水管中灌引水时，要通过放气栓(又叫气嘴)将水泵和吸水管中的空气放掉。当排水管中有存水时，也可通过旁通管向水泵和吸水管中灌引水，此时要将旁通管上的阀门打开。此外，还可通过旁通管，利用排水管中的压力水的反冲作用，冲掉积存于水泵流通部分和附着于滤水器上的杂物，但此时须通过连接在底阀上的铁丝或链条将底阀提起。5.压力表压力表安装在水泵的排水接管上，为检测排水管中水压大小用。常用的压力表为普通弹簧管压力表，根据其结构特征可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径有60,100,150,200和250mm五种。压力表所测出的压力叫做表压力或相对压力，它比绝对压力小1个大气压。6.真空表真空表安装在水泵的吸水接管上，为检测吸水管的真空度用。根据其结构特征也可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径和压力表一样，也分为60,100,150，200和250mm五种。真空表测量范围为0-0.1 MPa(一个大气压)。 2.2射流泵和真空泵的介绍离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵腔内注满水才能进入运行状态，否则水泵转动时将无法吸水，形成“干烧”，严重影响水泵的使用寿命。在无底阀的排水系统中，水泵每次起动都要灌水，这一工作由抽真空设备完成，一般使用射流泵或真空泵。它们的工作原理不同，但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真空度，保证系统正常工作。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，提高泵站运行效率，吸水管路不宜设置底阀。无底阀吸入式灌水，要采用撞门的引水设备，对水泵排水腔和吸水管路进行抽真空，使水泵运行前充满水。引水设备一般为真空泵或射流泵。真空泵和射流泵中所用到的阀门都是球阀。球阀（如图2-3）是由旋塞阀演变而来。它具有相同的启闭动作，不同的是阀芯旋转体不是塞子而是球体。当球旋转90度时，在进、出口处应全部呈现球面，从而截断流动。球阀在管路中主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向。 图2-3 球阀结构图2.2.1真空泵工作原理真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。真空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。极限压力(极限真空)从粗真空到10-12Pa以上的超高真空范围。 由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求，使用不同类型的真空泵。为了使用方便和各种真空工艺过程的需要，有时将各种真空泵按其性能要求组合起来，以机组型式应用。 凡是利用机械运动(转动或滑动)以获得真空的泵，称为机械真空泵。机械真空泵按其工作原理及结构特点分述如下： 1.变容真空泵 它是利用泵腔容积的周期变化来完成吸气和排气以达到抽气目的的真空泵。气体在排出泵腔前被压缩。这种泵分为往复式及旋转式两种。 （1）往复式真空泵 利用泵腔内活塞往复运动，将气体吸入、压缩并排出。又称为活塞式空泵。 （2）旋转式真空泵 利用泵腔内转子部件的旋转运动将气体吸入、压缩并排出。它大致有如下几种分类： 1)油封式真空泵 它是利用真空泵油密封泵内各运动部件之间的间隙，减少泵内有害空间的一种旋转变容真空泵。这种泵通常带有气镇装置。它主要包括旋片式真空泵、定片式真空泵、滑阀式真空泵、余摆线真空泵等。 2)液环真空泵 将带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。当它旋转时，把工作液体抛向泵壳形成与泵壳同心的液环，液环同转子叶片形成了容积周期变化的几个小的旋转变容吸排气腔。工作液体通常为水或油，所以亦称为水环式真空泵或油环式真空泵。3)干式真空泵 它是一种泵内不用油类(或液体)密封的变容真空泵。由于干式真空泵泵腔内不需要工作液体，因此，适用于半导体行业、化学工业、制药工业及食品行业等需要无油清洁真空环境的工艺场合。 4)罗茨真空泵泵内装有两个相反方向同步旋转的双叶形或多叶形的转子。转子间、转子同泵壳内壁之间均保持一定的间隙。 5）动量传输泵 它依靠高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给气体或气体分子，使气体连续不断地从泵的入口传输到出口。 2.分子真空泵它是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。这种泵具体可分为：（1)牵引分子泵气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。 （2)涡轮分子泵 靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。这种泵通常在分子流状态下工作。 （3)复合分子泵它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。 真空泵运行效率高，水泵启动快，但需要提供专门的驱动设备。射流泵结构简单，操作方便，根据矿井的地下环境和条件，射流泵的应用更为普遍。2.2.2射流泵工作原理射流泵的工作原理是水射流时的“虹吸现象”。水力射流泵装置的泵送是通过两种运动流体的能量转换来达到的。地面泵提供的高压动力流体通过喷嘴把其位能(压力)转换成高速流体的动能喷射流体将其周围的井液从汇集室吸入喉道而充分混合,同时动力液把动量传给井液而增大井液能量,在喉道末端,两种完全混合的流体仍具有很高的流速 (动能),此时,它们进人一扩散管通过流速降低而把 部分动能转换成压能,流体获得的这一压力足以把自己从井下返出地面,其结构原理如图2-4。 1.进水口 2.喷嘴； 3. 扩散管； 4.混合管； 图2-4射流泵系统结构图 2.3离心式水泵的启停过程2.3.1离心式水泵的启动过程首先监测水仓水位，当水仓水位到达设定的高水位时，接通控制射流泵的电磁阀的线圈，开启射流泵，为离心式水泵进行注水。在射流泵的作用下，水泵入口处的真空度会增加，配水井中的水会在大气压的作用下注入离心泵的腔体直至注满，当水泵入口处的真空度达到要求后（水泵入口处的真空度增加到一定的数值时不在会继续增加），接通水泵机组中的电动机触点来开启水泵。在电动机启动过程中，水泵出口处的压力会逐渐增加。最后会达到某一数值（通常为该离心式水泵的堵转水头）而不再增加，达到预先设定的压力值后，为该水泵开启其出口处的电动闸阀，使得这个水泵机组进行排水。同时，关闭射流泵，停止为其引水。2.3.2离心式水泵的停机过程水位在水泵的作用下逐渐下降，直到达到需要关闭水泵的水平，即水位下降到安全水位以下，这时要先关闭排水管的电动闸阀，再关闭逆止阀，防止排水管中井水倒流，随后关闭水泵电机，使其停止工作。2.4多台水泵的井下排水系统组成及功能实现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或排水管路需要维修的情况需投入备用泵和备用管路时，而不能及时投入以至影响矿井安全，本系统程序设计了3台泵和2条管路的井下排水系统，如图2-5。 图2-5 煤矿井下排水系统图系统工作原理如下：以离心泵10#和排水管1作为常用工作系统，离心泵20#，离心泵30#和排水管2作为备用的轮换系统。先不考虑避峰填谷机制的运用，当排水系统需要排水时，即假定水位h2时，射流泵先将水泵注满水抽真空，即打开射流泵的注水阀和排气阀，进行水泵的抽真空，当水泵出水口压力到达预定值时，开启闸阀11#，并关闭排气阀和注水阀，停止射流泵工作。当排水管路出口的压力到达预定值时，开启排水阀14#，进行排水。井水排完时，即井下水位低于h1时，先关闭排水阀14#，在关闭逆止阀11#，防止水井倒流打坏水泵，最后关闭水泵电机停止工作。系统所要实现三个主要功能：1.水泵和管道的轮循工作，2.水泵的自动启停，3.避峰填谷机制，本文将着重阐述避峰填谷机制在煤矿井下排水系统的运用。2.5本章小结本章详细叙述了离心式水泵排水系统的组成、工作原理，球阀和闸阀的区别和特点，射流泵和真空泵的区别以及各自的工作原理，离心式水泵的启动和停机过程，整个排水系统的工作流程以及实现功能简介。3 系统硬件设计3.1可编程控制技术3.1.1 PLC的主要特点PLC（ Programmable Logic Controller），即可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 1.PLC的特点（1）灵活、通用在继电器控制系统中，使用的控制装置是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电气控制图，由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上少许变化，需要改变电气控制系统时，原先整个电气控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，耗费大量人力、物力、和时间。而PLC是通过在存储器中的程序实现控制功能，若控制功能需要改变，只需修改程序及少量接线即可。而且，同一台PLC还可用于不同控制对象，通过改变软件则可实现不同控制的控制要求。因此，PLC具有很大的灵活性和通用性，结构形式多样化，可以适用于各种不同规模、不同工业控制要求。（2）可靠性高、抗干扰能力强可靠性是工业控制器件的重要指标。因此，要求在各种恶劣工作环境和条件(如电磁干扰、灰尘等)下可靠工作，将故障率降至最低。PLC具有很高的可靠性和抗干扰能力，不会出现继电器一接触器控制系统中接线老化、脱焊、触点电弧等现象，故被称为“专为适应恶劣工业环境而设计的计算机”。（3）编程简单、使用方便PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。目前，PLC大多采用梯形图语言编程方式，它既继承了继电器控制线路的清晰直观感，又考虑到电气技术人员的读图习惯和应用实际，电气技术人员易于编程，程序修改灵活方便。这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与汇编语言相比，虽然增加了解释程序和程序执行时间，但对大多数机电控制设备来说，PLC的控制速度还是足够快的。此外，PLC的I/O接口可直接与控制现场的用户设备联接。如继电器、接触器、电磁阀等联接，具有较强的驱动能力。（4）接线简单PLC只需将输入设备(如按钮、开关等)与输入端子联接，将输出设备(如接触器、电磁阀等)与输出端子联接。接线极其简单、工作量极少。（5）功能强PLC不仅具有条件控制、定时、计数、步进等控制功能，而且还能完成A/D. D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等。因此，PLC既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。可控制一台单机、一条生产线，也可控制一个机群、多条生产线。可用于现场控制，也可用于远距离控制。可控制简单系统，又可控制复杂系统。（6）体积小、重量轻、易于实现机电一体化PLC具有体积小、重量轻、功耗低等特点。由于PLC是专为工业控制而设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用，以及有很强的可靠性和抗干扰能力，易于嵌入机械设备内部。因此，PLC在机电一体化产品中被广泛应用。2.PLC的主要功能PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。今天的PLC功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。PLC系统一般由以下基本功能构成：.多种控制功能.数据采集、存储与处理功.通信联网功能.输入/输出接口调理功能.人机界面功能.编程、调试功能（1）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，可以代替继电器进行开关量控制。定时控制:它为用户提供了若干个电子定时器，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:用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。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:1）基本算术:加、减、乘、除。2）扩展算术:平方根、三角函数和浮点运算。3）比较:大于、小于和等于。数据处理:选择、组织、规格化、移动和先入先出。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接口，可进行远程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。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。（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，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。3.1.2 PLC的基本工作原理PLC运行时，内部要进行一系列操作，大致可分为四大类：以故障诊断、通信处理为主的公共操作，联系工业现场的数据输入和输出操作，执行用户程序的操作，以及服务于外部设备的操作（如果外部设备有中断请求）。其过程示意图如图3-1所示。与其它计算机系统一样，PLC的CPU是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行。这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描。PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束。然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述的扫描循环的。 PLC接通电源后，在进行循环扫描之前，PLC首先确定自身的完好性，这是起始操作的主要工作。PLC进行清零或复位处理，消除各元件状态的随机性；检查I/O单元连接是否正确；启动监控定时器T0，执行一段涉及到各种指令和内存单元的程序，如果所用的时间不超过T0，则可证实自身完好，否则系统关闭。此后，将监控定时器T0复位，允许扫描用户程序。PLC的基本工作过程为：3-1 PLC工作原理示意图1、公共操作公共操作是在每次扫描程序前进行自检，若发现故障，除了故障灯外，还可判断故障性质：一般性故障，只报警不停机，等待处理；严重故障，则停止运行用户程序，此时PLC切断一切输出联系。2、数据I/O操作数据I/O操作也称为I/O状态刷新。它包括两种操作：一个是采样输入信号，即刷新输入状态表的内容；二是送出处理结果，即用输出状态表的内容刷新输出电路。在PLC的存储器中，有一个专门存放I/O的数据区，其中对应于输入端子的数据区，我们称之为输入映像存储器。当CPU采样时输入信号由缓冲区进入映像区，这就是数据输入状态刷新；同样道理，CPU不能直接驱动负载。当前处理的结果放在输出映像存储器区内，在程序执行结束后，才将输出映像区的内容通过锁存器输出到端子上。这步操作称为输出状态刷新。3、执行用户程序操作在程序执行前复位监控定时器T1，即执行程序并开始计时。监控定时器T1就是通常所说的“看门狗”，它是用来监视程序执行是否正常的，正常时，执行完用户程序所用的时间不会超过T1的设定值，执行完用户程序后立即使“看门狗”复位，表示程序执行正常。当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循环时，“看门狗”会发出超时报警信号，使程序重新开始执行。如果是偶然因素造成超时，重新扫描程序不会再遇到“偶然干扰”，系统便转入正常运行；若由于不可恢复的确定性故障，则系统会自动地停止执行用户程序、切断外部负荷、发出故障信号，等待处理。4、处理外设请求操作每次执行完用户程序后，就进入服务外设请求命令的操作，外设的请求命令包括操作人员的介入和硬件设备的中断。外设请求一般不会影响系统正常工作，而且可能更有利于系统的控制和管理。如果没有外设请求，系统则会自动循环地扫描进行。3.1.3 PLC实现控制功能从系统的控制功能上来说，应具备以下五大功能：1.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台水泵的流量、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力；数字量检测的数据主要有：工作系统的操作方式选择、电动闸阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电动球阀状态。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。影响水位的因素主要来自两方而:一是水位计故障(如遭受杂物撞击)，二是水位信号受干扰(如水波动较大)。对于前一个因素采用双水位计，在水仓中设置两个同样的水位计，PLC同时对两个水位计取样。如果两路信号相差大于0.15m时系统报警，要求值班人员进行检查；而对于信号干扰，则采用软件过滤，只有当信号在某一值附近稳定足够时间，且回差足够小时才作为控制量使用，防止了因干扰而泞致机组误动的情况。 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。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。2.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3台泵和2条管路自动轮换工作控制，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。3.“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。4.系统保护功能超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及PLC 实现超限报警。流量保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值，通过流量保护装置使本台水泵停车，自动转换为启动另一台水泵。电动机故障：利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障，并参与控制。电动闸阀故障：由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障，并参与水泵的联锁控制。5.三种工作方式系统控制具有自动、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；半自动工作方式时，由工作人员选择某台或几台泵组投入，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检修和手动试车时使用，当某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。PLC柜上设有该泵的禁止启动按钮，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统安全可靠。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行。3.2 PLC控制系统总体设计系统由PLC（可编程逻辑控制器）、触摸屏、检测部分（模拟量和开关量采集）和执行部分等组成，其硬件结构如图3-2所示。图3-2 排水控制系统硬件结构图3.2.1控制系统的输入/输出参数统计经过粗略计算，需要数字量输入64点，数字量输出54点，模拟量输入通道21路，其具体分配见表3-1，3-2，3-3。 表3-1 模拟量输入通道统计表模拟量输入通道数水仓水位1水泵真空度3出水口压力3排水管流量2水泵轴承温度3电机温度3电机电流3电机电压3总计21表3-2数字量输入点数统计表数字量输入点数电动闸阀开3电动闸阀关3电动闸阀停3电动闸阀开到位3电动闸阀关到位3电动闸阀开过转矩3电动闸阀关过转矩3射流泵状态2电机合闸3电机分闸3电机合闸到位3电机分闸到位3射流泵球阀开到位2射流泵球阀关到位2球阀开到位9球阀关到位9故障复位1急停1操作方式选择3射流泵启动方式选择1总计64表3-3数字量输出点数统计表数字量输出点数射流泵球阀开2射流泵球阀关2排水泵球阀开9排水泵球阀关9电动闸阀开3电动闸阀关3电动闸阀开到位3电动闸阀关到位3电动闸阀开过转矩3电动闸阀关过转矩3射流泵电机开3射流泵电机关3水泵电机开3水泵电机关3警铃1故障显示灯1总计543.2.2 PLC系统选型1.CPU模块CPU是PLC系统的运算控制核心。它根据系统程序的要求完成以下任务：接收并存储用户程序和数据，接收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过程中的语法错误，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，实现输出控制或数据通信等功能。煤矿所用PLC一般为中到大型PLC，所以在设计中选用西门子S7-300 PLC，又从I/O扩展能力、指令执行速度、通讯能力等性能上结合煤矿自身环境条件，选用CPU315-2 DP处理器是比较合适的。它是S7-300系列中唯一带现场总线(PROFIBUS) SINEC L2-DP接口的CPU模块。内置128KB RAM，指令执行速度为300 ns/二进制指令，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。满足设计要求。2.电源模块电源模块是构成PLC控制系统的重要组成部分，针对不同系列的CPU，西门子有匹配的电源模块与之对应，用于对PLC内部电路和外部负载供电。设计所选定的电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各种智能模块的总消耗功率之和，有时甚至还要考虑某些执行单元的功率，并且要留有30左右的裕量。结合设计中用到的I/O模块和CPU模块和煤矿自身环境，设计中选用PS307电源模块（10A）。PS307是交流供电，连接单相交流系统(输入电压120/230V AC，50/60Hz)，输出电压24V DC，具有防短路和开路保护。 3.输入输出模块考虑到前面的设计中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总点数基础上，增加10到15的裕量。考虑裕量后的I/O总点数即为I/O点数估计值。选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估计值，并应尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留有30的裕量。通过简单的计算，设计中选用数字量输入模块SM321，直流32点输入，3块；数字量输出模块SM322，32点晶体管输出，3块；模拟量输入模块SM331，8通道12位模拟量输入模块（8AIl2位），4块。 综上所述，本系统选用PLC型号如表3-4：表3-4PLC选型表CPU模块CPU315-2 DP处理器电源模块PS307（10A）数字量输入模块3块SM321（32点DC）数字量输出模块3块SM322（32点晶体）模拟量输入模块4块SM331（8AI12位）3.3本章小结本章介绍了PLC的硬件设计方案。主要设计出的该系统具备数据自动采集与检测、自动轮换工作、“避峰填谷”、系统保护功能、自动、半自动和手动检修3种工作方式等功能进行原理叙述，完成PLC的选型工作。4 传感器选型系统所选用的传感器如表4-1：表4-1系统选用的传感器液位传感器超声波液位计、投入式液位计温度传感器接触式PT100温度传感器压力传感器薄膜压力变送器流量传感器潜水型电磁流量计负压传感器NS-K型负压传感器主要传感器安装位置如图4-1：1.投入式液位计 2.超声波液位计 3.温度传感器 4.负压传感器5.压力传感器 6.流量传感器图4-1 个传感器安装示意图下面分别介绍各个传感器的原理及选型依据。4.1液位传感器介绍4.1.1超声波液位传感器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。如果从发射超声波脉冲开始，到接受到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对液位进行测量。根据发射和接受换能器的功能，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受各使用一个换能器。下面就单换能器的超声波传感器加以介绍。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4-2所示。图4-2 超声波液位计安装示意图对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为： （式4-1）则 （式4-2）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，只要测得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。 超声波液位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会产生较大的误差。在一般使用条件下，它的测量误差为，检测液位的范围为m。系统采用超声波液位计，在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。 设计中选用二线制输出型液位计，其参数如表4-2：表4-2超声波液位计参数量程：08m精度：0.25%盲区：0.30.5m温度：-20+55电源：24VDC控制：无输出：420mA二线制防护等级：IP65显示方式：4位LCD 4.1.2投入式液位传感器投入式液位传感器是将传感器的探头投入液体中。利用处于一定深度时液体会产生一定的压强这个基本原理制成的。其示意图如图4-3所示。 1.传