（机械电子工程专业论文）基于plc的乳化液泵智能监控系统研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第：i 页 摘要 本文是针对矿山井下综合机械化采煤关键设备乳化液泵的安全工作而 研制，目的在于通过对乳化液泵的工作状况进行实时监控，及时发现和处 理各种故障隐患，消除突发事件的干扰，保证综采工作面的正常运行和安 全生产。 论文首先对乳化液泵站系统进行了功能分析，确定乳化液泵站智能监 控系统的功能和性能要求，提出乳化液泵智能监控系统总体方案设计框架。 乳化液泵站智能监控系统以西门子的p l c 产品叫p u 2 2 4 为控制核心， 以传感器( 压差传感器、温度传感器，压力传感器等) 做检测元件，以电 磁阀为执行机构。c p u 2 2 4 分析、判断并处理从模块e m 2 3 1 送过来的模拟 量转化后的数字量，并进而实现与显示屏的通信，实现对乳化液泵状态参 数的报警显示和控制相关电磁阀的动作。达到乳化液泵站智能安全监控目 的。 论文阐述了乳化液泵智能监控系统的硬件设计、软件设计和抗干扰设 计。在硬件设计方面，叙述了c p u 2 2 4 及其扩展模块的设计、p l c 电气控 制箱的设计、本安防爆的设计措施。在软件设计方面，叙述了人机界面显 示设计和p l c 的逻辑设计。人机界面有四种工作模式：模式一，参数巡检； 模式二，参数设置；模式三，历史回查；模式四，时间设置。在抗干扰设 计方面，叙述了监控系统采取的硬件隔离和信号处理措施。 通过在现场的实际调试实验表明，所研制的乳化液泵智能监控系统具 有技术可靠、功能强大、功耗低、实时性高等突出特点。采用触摸屏实现 人机交互，易于现场人员操作。实现了乳化液泵站全天候安全运行和无人 自动监测预期功能目标。 关键词：乳化液泵站，p l c ，本安，智能监控，人机交互 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 , a b s t , r a c , i n t h i s , p a p e r , a ni n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mo fe m u l s i o np u m p h a sb e e n d e v e l o p e d t h ep u r p o s eo fi n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mo fe m u l s i o np u m p i s w h e ni tf m d ss o m em a k e r so f h i d d e nd a n g e r s ；i tc a t ld e a lw i t ht h e mi nt i m ea n d e n s u r et h en o r m a l o p e r a t i o na n ds a f ep r o d u c t i o no fa u t o m a t i cc o a lm i n i n gf i e l d f i r s t ，t h ef u n c t i o na n dp a r a m e t e r so fi n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mo f e m u l s i o np u m p i n gi sp u tu p a n dt h e nt h ef i a m e w o r ko fi n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g s y s t e mo fe m u l s i o np u m ph a sb e e ns u g g e s t e d r b a s e do nt h ec o r eo fc p u 2 2 4 ， t h ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mo fe m u l s i o np u m pu s es e r v e r a ls e n s o r ss u c ha s p r e s s u r es e n s o r s ，t e m p e r a t u r es e n s o r s ，a n dp r e s s u r es e n s o r st og e ts t a t u sa n d d a t a sa n df e e di n t oc p u 2 2 4t h r o u g he m 2 31u n i t s c p u 2 2 4j u d g ea n dt r e a tt h e s t a t u sa n dd a m sa n dt h e nd r i v ea n dc o n t r o lt h er e l a t e ds o l e n o i dv a l v ea c t i o n c p u 2 2 4i sa l s or e s p o n s i b l ef o rc o m m u n i c a t i o nw i t ht h ep ca n dc o n t a c tw i t h t o u c hd i s p l a yu n i tf o rp a r a m e t e r sa n da l a r md i s p l a y t h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g na n da n t i d i s t u r b a n c em e t h o d s h a v eb e e nd e c r i b e di nt h ep a p e r c p u 2 2 4a n di t sa t t a c h e dm o d u l e s ，p l c d e s i g no fe l e c t r i c a lc o n t r o lb o xa n de x p l o s i o n - p r o o f d e s i g nh a v eb e e nd i s c u s s e d t h ep l c l o g i cd e s i g n a n d h u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c e d e s i g n i n c l u d e d i n s p e c t i o np a r a m e t e r s ，p a r a m e t e rs e t t i n g s ，r e c u r s i o n o fm o i t o r i n gh i s t o r y a n d d a t et i m es e t t i n ga r ed e s c i b e di nd e t a i l t h ea n t i - d i s t u r b a n c em e t h o ds u c ha s h a r d w a r ei s o l a t i n ga n ds o f t w a r ef i l i t e r i n ga l s oi n t r o d u c e di nt h ep a p e r i ti sv e r i f i e db yg r o u n de x p e r i m e n tt h a ti n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mo f e m u l s i o np u m ph a sa d v a t a n g e ss u c ha sl o wp o w e rc o n s u m p t a t i o n ，p o w e r f u l f u n c t i o n ，l o wc o s t ，r e a l t i m ea b i l i t y , a n de a s yi n t e r a c t i v eo p e r a t i n ge t c t h e e x p e c t e df u n c t i o n s o fi n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mo fe m u l s i o np u m pa r e 丘n i s h e d k e yw o r d s ：e m u i a t i o np u m p ：m o n i t o ri n gs y s t e m ；h u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ：i n t r i n s i c a ii ys a f e ：p l c 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 - 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框p , 3 打“4 ) 学位论文作者签名：裔渤 呀铧p 7 指导老师签名： 日期：夕呷 灾 d f 。呵 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 所研制的课题在国内尚无具体产品问世，在选题上具有一定的创 新性。 2 采用的p l c 是业界表现出色c p u 2 2 4 ，它是西门子公司为小型自控 系统提供的高性价比解决方案。 3 选用的人机界面为e v i e w 的m t 5 0 6 l ，组态内容丰富，具有较好的 人机交互能力。 4 采用显示屏显示了实时性的内容，实现了信息的快速转换 凼。c | 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第玎章绪论 1 1 可编程控制器的特点及应用 可编程控制器自上世纪在美国问世以来，发展极为迅速。1 9 7 1 年日 本开始生产可编程控制器。1 9 7 3 年欧洲开始生产可编程控制器。到现在， 世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器装置。可编程 控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中- ，成为当代电控装置的主 导。 可编程控制器，简称p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，是指以 计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1 9 8 7 年国际电工委员会颁布的 p l c 标准草案中对p l c 做了如下定义： “p l c 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子 装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟 式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。p l c 及其有关的外围设 备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而 设计。” 1 1 1p l o 的特点 一，可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性往往是用户选择控制装置的首要条件。继电接触器系统中， 由于器件的老化、脱焊、触电的抖动以及出点电弧等现象大大降低了系统 的可靠性。而在p l c 的系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路 来完成的，加上p l c 充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干 扰，在硬件和软件上采取了一系列的抗干扰措施，p l c 有极高的可靠性。据 有关资料统计，目前各生产厂家生产的p l c ，其平均无故障时间都大大超过 了i e c 规定的1 0 万小时，有的甚至达到了几十万小时。 二适应性强，应用灵活 。 由于p l c 产品均成系列化生产，品种齐全，多采用模块式的硬件结构， 组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 及功能繁简各异的控制要求。更重要的是，p l c 系统相对继电接触器控制系 统，接线少，其主要功能是通过程序实现的，在需要改变设备的控制功能 时，只要修改程序，修改接线的工作量是很小的。 三编程方便，易于使用 p l c 编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受 现场电器技术人员的欢迎。近年来，又发展了面向对象的顺控流程图语言 ( s e q u e n t i a lf u n c t i o nc h a r t ) ，也称功能图，使编程更加方便简单。 四功能强，扩展能力强 p l c 中含有数量巨大的可用于开关量处理的继电器软元件可轻松的实 现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器系统所不能实现的。p l c 或其功能单元能方便的实现d a 、a d 转换及p i d 运算，实现过程控制、数 字控制等功能。p l c 具有通信联网功能，它不仅可以控制一台单机，一条生 产线，还可以控制一个机群，许多个生产线。它不但可以进行现场控制， 还可以用于远程监控。 五p l c 控制系统设计、安装、调试方便 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控 制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的 是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小 批量的生产场合。使用时只需将现场的各种设备与p l c 相应的i o 端相连 接，即可投入运行。 六维修方便，维修工作量少 p l c 有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。对其内部工作状态、 通信状态、异常状态和i 0 点的状态均有显示。工作人员通过它可以查出 故障原因，便于迅速处理。 七p l c 体积小，重量轻，易于实现机电一体化 由于具有上述特点，使得p l c 的应用范围极为广泛，可以说只要有工 厂，有控制要求，就会有p l c 的应用。 1 1 2 可编程控制系统在工业控制中的主要应用 目前，p l c 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机 械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况 大致可归纳为如下几类： 一顺序控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 这是p l c 最广泛应用的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。p l c 可以应用于单机控制、多机群控制、生产线自动控制，例如注塑机、印刷 机械、切纸机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线及电梯控制 等。 二模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、 液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模 拟量( a n a l o g ) 和数字量( d i g i t a l ) 之间的a d 转换及d a 转换。p l c 厂 家都生产配套的a d 和d a 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 三，运动控制 p l c 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期 直接用于开关量i o 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用 的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模 块。世界上各主要p l c 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种 机械、机床、机器人等。 四闭环过程控制 p l c 能控制大量的物理参数，例如温度、压力、速度和流量等。p i d ( p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld e r i v a t i v e ) 模块的提供使p l c 具有闭环控制 功能，即一个具有p i d 控制能力的p l c 可用于过程控制。当控制过程中某 个变量出现偏差时，p i d 控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定 值上。p i d 处理一般是运行专用的p i d 子程序。过程控制在冶金、化工、热 处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 五数据处理 现代p l c 具有数学运算( 含矩阵运算、函数运算、逻辑运算) 、数据传 送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析 及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制 操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。在 机械加工中，出现了把支持顺序控制的p l c 和计算机数值控制( c n c ) 设备 紧密结合的趋向。著名的日本f a n u c 公司推出的s y s t e m l o 、1 1 、1 2 系列， 已将c n c 的控制功能作为p l c 的一部分。 六通信和网络 p l c 通信含p l c 间的通信及p l c 与其它智能设备间的通信。为了适应国 外近几年来兴起的工厂自动化( f a ) 系统、柔性制造系统( f m s ) 及集散控 制系统等发展的需要，p l c 之间、p l c 和上位机的通信功能都得到了发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 新近生产的p l c 都具有通信接口，通信非常方便。 乳化液泵站监控系统主要应用了第一项顺序控制、第二项模拟量控制 和五项数据处理。 1 1 3p l c 的组成 p l c 是微机技术和控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心的 用于控制的特殊计算机，因此p l c 的基本组成与一般的微机系统类似。 p l c 主要由硬件和软件两部分组成： 一p l c 的硬件主要由中央处理器( c p u ) 、存储器、输入单元、输出 单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，c p u 是p l c 的核心，输 入单元与输出单元是连接现场输入输出设备与c p u 之间的接口电路，通信 接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。 对于整体式p l c ，所有部件都装在同一机壳内，对于模块式p l c ，各部 件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。无论是 哪种结构类型的p l c ，都可根据用户需要进行配置与组合。 尽管整体式与模块式p l c 的结构不太一样，但各部分的功能作用是相 同的。 二p l c 的软件由系统程序和用户程序组成。 系统程序由p l c 制造厂商设计编写的，并存入p l c 的系统存储器中， 用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程 序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。 p l c 的用户程序是用户利用p l c 的编程语言，根据控制要求编制的程 序。在p l c 的应用中，最重要的是用p l c 的编程语言来编写用户程序，以 实现控制目的。由于p l c 是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者 是广大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，p l c 的主要编 程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。 p l c 编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的p l c 产 品采用的编程语言的表达方式也不相同，但基本上可归纳两种类型：一是 采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；二是采用图形符号表达方式 编程语言，如梯形图等。 1 2 课题背景 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 煤炭被人们誉为黑色的金子，工业的食粮，它是十八世纪以来人类世 界使用的主要能源之一。虽然它的重要位置已被石油所代替，但在今后相 当长的段时间内，由于石油的日渐枯竭，必然走向衰败，而煤炭因为储 量巨大，加之科学技术的飞速发展，煤炭汽化等新技术日趋成熟，并得到 广泛应用，煤炭必将成为人类生产生活领域中无法替代的巨大能源之一。 煤矿资源安全开采成为煤炭产业的核心首要问题。 1 2 t 乳化液泵站系统 随着煤矿综合机械化采煤的迅速发展，煤矿工作面液压支架的广泛使 用，乳化液泵站已成为煤矿工作面设备的重要组成部分。乳化液泵站是用来 向综采工作的液压支架或普采工作面的单体液压支柱输送压力液体的动力 设备。由乳化液泵站与液压支架各执行液压缸之间形成了一个多级多单元 分布式的液压系统结构。液压支架在支护过程的一个工作循环中要完成升 柱、降柱、移架和推溜等动作，支架单元之间以及单元内的每个执行液压 缸的动作都是非连续地间断性工作，各液压缸的负载也具有很大的不确性。 这种特殊工作条件要求乳化液泵站输出到液压系统的工作液流量要随支架 各执行机构的负载流量特性来调节，支架液压系统与泵站要多次地接通或 切断，在液压支架工序间间歇时间内，泵站要提供补充系统泄漏所消耗的 工作液。泵站实际生产过程中运转的间歇时间可为几分钟到几小时。同时， 液压支架的传动装置在任何瞬间都处在准备工作的状态中，因而，液压系 统中也始终保持着恒定的压力。乳化液泵站主要由乳化液箱和乳化液泵组 ( 两组) 及液压控制系统组成。 西南交通丈学硕士研究生学位论文第6 页 图l z la ) 乳化液泵站示意图 图1 - 1b ) 乳化液泵站示意图 当煤炭开采时，处于工作位置上的支架单元要快速完成降架移架 支撑推溜等主要动作，每一动作间歇时间要求系统能够保压。由 于液压支架是间歇工作，为了避免泵站长期处于高压工作状态，在泵站液 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 压系统中设置了自动卸载阀和蓄能器。在液压支架停止工作时，泵的压力 上升，达到自动卸载阀调定压力后，卸载阀即卸载，泵就处于低压状态下 工作。卸载阀中的单向阀可把压力回路和卸载回路隔开。蓄能器可以对系 统泄漏进行补充。当液压支架需要工作时，卸载阀会自动关闭后泵又会处在 高压工作状态。 一1 ： i 。j 图1 - 2 乳化液泵站液压系统简图 乳化液乳化油配液器清水自动卸载阀液压支架 乳化液箱是泵站的重要部件，除供应泵的乳化液外，在箱内安装有液 压系统的元部件，如过滤器、安全阀、卸载阀、蓄能器、压力表等。箱体 由乳化液箱和乳化油箱组成，箱体的容积约为乳化液泵流量的6 1 0 倍。 在煤炭开采的过程中，需要有综采工作面，而这个能够支撑项板，并 能够实现推溜移架、调架护壁、侧护防倒、防滑等动作的动力源正是液压 支架。使得这一动力能够稳定持久的保持都是因为乳化液泵供给的压力液 使各种千斤项动作的结果。另外在某些综采工作面，可弯曲刮板输送机的 紧链液压马达、采煤机牵引链的张紧千斤顶、桥式转载机的固定与推移千 斤顶以及工作面上、下出口处超前支护用的单体液压支柱等都是靠乳液泵 提供的高压液工作的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图 - 3 综采工作面 可见乳化液泵是综合机械化采煤工作的重要装备，而且它是否正常运 行是关系到井下是否安全作业的一个关键因素。 现在的孚0 化液泵站单机功率已随着大缸径强力液压支架的采用而不断 增大，要求乳化液泵站安全有效运行已迫在眉睫。就我国乳化液泵站机械 技术水平而言，产品质量、性能已经达到或接近国外同类产品水平，与国 外产品的反差就在于未配备必要的安全运行自动保护装置。一些产品在井 下使用时出现润滑不良造成曲轴烧瓦等质量事故，甚至造成整机报废。事 故发生后，往往都从机器本身寻找原因，而不是从如何预防的角度出发来 解决问题。这样做是不科学的，如何及时地发现问题并加以解决是我们的 最终e l 的。 1 22 国内外研究现状 包括乳化液泵在内的往复泵在我国的工农业生产当中得到了广泛的应 用，因此国内许多专家和技术人员对有关它的监测和故障诊断作了大量的 研究和探讨。 潞安矿业集团公司李喜堂针对在线数据监测系统的实际情况，通过采 用微机对乳化液泵进行在线状态监测，微机实时数据采集、处理、及故障诊 断和报警等方面都获得成功。山东兖州充矿集团贾民，孔令英研制的综采工 作面综合监测系统，运用计算机、通讯传感器等现代技术，实现了综采工作 面支架阻力、活柱伸缩量、泵站压力、乳化液补充量、设备开停状态、负 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 荷量、采煤机位置、速度及方向等参数的综合自动监测。该系统采用计齿 法和感应通讯相结合的方法，实现了采煤机行进的实时连续监测。河南平顶 山煤矿机械厂赵志良通过串行通讯上位机对接收到的4 组温度数据进行曲 线拟合。在对温度曲线对比分析的基础上，经过初步的故障诊断，提出发生 异常现象的原因及应对措施，最终由上位机发送指令给下位机实施远程控 制，建立一个初始的可扩充的诊断和控制平台。 国外对相关泵的研究也较为广泛。美国人w a n g ，l k 通过建立规则库， 综合运用模糊评判和神经网络原理实现对离心泵的实时监控，克服了只由 专家根据自己的知识和经验建立规则库的局限性，使得评判更为合理；美 国人s t e e l e ，j p h 运用非线性耦合的方法和人工神经网络的原理，通过 对相关量温度、压力、流量的检测和分析，实现对柱塞泵水压中存在的气 穴的检测；日本k a t s u r a ，h i r o y u k i 通过建立一比一的实物模型，运用模 糊学原理，对核电厂的抽水泵进行故障诊断并提出相应的解决措施，在应 用中收到了良好的效果；英国人i l o t t ，p w 提出了基于人工智能决策系 统的故障诊断，它通过网络进行远程监控并记录大量的原始资料同时将其 绘制成图表，在经过资料分析得出诊断结果，它的特点是具有一定的自我 学习能力，分析准确、合理。 目前国内外对相关泵的监测研究都较多，而且国外关于乳化液泵监控 的相关产品已经研制出来，有的在我国少数煤矿得到应用，结果表明性能 可靠、稳定，具有相当的实用价值，对矿井的安全生产和设备维护起到了很 大的作用，但是价格太高，难以推广使用。国内的大多数煤矿企业乳化液 泵站在工作过程中缺乏相应的状态监测和控制措施，在出现异常和故障情 况时不能及时有效的停机和检修，从而给企业带来很大的浪费和损失。因 而，如何将现代化的状态监测技术与乳化液泵站的这一传统的工程领域有 机的结合起来，带动乳化液泵站向智能化、机电一体化方向发展，提高乳 化液泵站工作时的安全性、可靠性，是当前机械压力机行业普遍面临的问 题之一。这就急需要求我们在这方面的自行努力，研究开发适合本行业的 状态监测与故障诊断系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第2 章乳化液泵站监控系统总体设计 监控系统是由可以显示数据或图像的显示设备和一些硬件采集设备组 成，并通过软件编程实现预期目标。 2 1 监控系统总体设计思路 乳化液泵站监控系统设计方案的优劣决定了这个系统的成败。因此， 对乳化液泵站监控系统进行详细分析十分必要。 乳化液泵站监控系统基本设计思路有一下几点。： ( 1 ) 尽可能使系统简化，以方便今后的维修维护工作；在保证性能的前 提下，尽量利用现有可用部件，降低系统的造价。 ( 2 ) 能够用软件实现的功能，就不采用硬件电路，降低系统复杂程度，提 高可靠性。 ( 3 ) 以操作人员习惯的操作方式来设计触摸屏的布局风格，并参照类似 设备的设计，方便今后使用。 ( 4 ) 系统的可设定参数减少到最低水平，简单明了，方便使用，降低普通 操作人员的操作难度，并减少设定参数错误发生的可能性。 2 1 1 总体设计的主要内容 总体设计的主要内容包括以下几点： ( 1 ) 乳化液泵站监控系统根据用户的要求和被控对象的控制范围、控 制规模、系统是否冗余等要求进行了综合考虑，同时，充分考虑系统的性 能价格比等因素，确定控制系统总体方案，采用集中本地控制。 ( 2 ) 在确定了控制系统方案以后，明确各组成部分的基本功能，包括 硬件的主要设备，如处理器、模块和显示器等。 ( 3 ) 对总体方案进行可行性与可靠性的论证，以确保控制方案能满足 用户的全部要求，并具有一定的先进性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ：2 弭2 应考虑的事项 控制系统无论规模大小，其目的都是为了实现被控对象的工艺生产监 视和控制，提高生产效率、产品质量、系统安全性和可靠性以及降低劳动 强度等。因此，在设计p l c 控制系统时，着重考虑以下几点事项： 1 、选用的p l c 应满足被控对象的控制要求，技术成熟，通用性好，可靠 性高。 2 、应用在矿井之下，在满足控制要求的前提下，系统本身安全可靠尤为 重要。 3 、要考虑到系统发生变化时系统的内存余量和模块的扩展能力。 4 、设计的控制系统应力求简洁，有较高的性价比，易于操作和使用并且 安装方便。 2 2 监控系统的主要功能 长期以来矿井下作业的安全都是放在首位的，而提供液压的动力源乳 化液泵的安全作业也成为了关注的焦点。乳化液泵站在井下使用过程中， 往往由于井下环境、人员素质、设备老化，控制阀失灵等情况而导致潜在 的设备事故隐患。乳化液泵站监控系统主要应用p l c 分析、处理采集的数 据。然后做出相应相应的动作提前发现并消除隐患。 2 2 1 监控系统的特点 煤矿开采安全的重要性和井下安全的特殊性并结合监控系统自身的优 点，乳化液泵站监控系统具有以下特点： 1 ) 具备实时数据传输通讯功能； 2 ) 完善的安全监视及安全防范措施； 3 ) 系统具有开放性； 4 ) 系统具有完善的冗余措施； 5 ) 友好易用的中文人机界面； 6 ) 采用模块化结构，灵活的工业组态，便于维护、扩充和升级； 7 ) 高性能价格比。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 2 监控系统采集功能概述 乳化液泵站监控系统要对三种传感器的数据值进行采集分析并加以控 制，它们分别是液位传感器、温度传感器、压力传感器。 一液位传感器 液位传感器对乳化液箱的液位和泵曲轴箱润滑油的油位进行监控。当 乳化液箱中的液位低于设定值时液位传感器会发送数据给p l c 。, c p u 进行 逻辑分析处理后会发出自动补液和声光报警指令。当由于本身供水不足或 断水，泵站将自动停机，避免因供液不足导致泵站吸空而产生的设备事故。 同时通过自动切换，开启备用泵，保证生产正常运行。 二温度传感器 温度传感器对泵曲轴箱润滑油的油温和乳化液箱液体的温度进行监 控。由于润滑油的牌号、质量、清洁度等原因引起油温升高，油温传感器 会发送数据给p l c 。，c p u 进行逻辑分析处理后发出声光报警和延时停机指 令，避免设备发生事故。同时通过自动切换可开启备用泵，保证生产正常 运行。 三压力传感器 压力传感器对泵站工作压力进行监视。由于当某液压控制元件失灵使 泵站压力上升超过正常额定工作压力时，压力传感器即将数据信息发送给 p l c 进行逻辑分析。c p u 处理后，发出声光报警和延时停机指令。避免由于 超压而导致恶性事故发生。同时通过自动切换，可开启备用泵，保证生产 正常运行。 2 2 3 监控系统的主要功能 一系统监测参数 研制乳化液泵站智能监控系统，实现乳化液泵站运行物理参数全天候 连续实时采集和处理。具体而言应能动态实时监测下列十大参数( 安装位 置、预警值、报警值) ： 1 、液箱液面的高度h ( 检测位置在乳化液箱吸空的液位3 9 0 m m 2 9 0 m m ；电控两位两通阀的工作范围6 6 5 m m - - 8 6 5 m m ；溢出液位 9 0 0 m m9 1 5 m m ) 显示时增加修正值1 4 0 r a m 2 、乳化液箱液体的温度t ( 检测位置在乳化液箱5 0 摄氏度预警5 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 摄氏度报警) 3 、乳化液供液系统压力p ( 检测位置在乳化液泵主供液管的起始连 接处额定压力3 1 5 m p a ，启动失败压力0 3 m p 础启动后压力 低5 0 ；电液卸载阀工作范围8 0 一1 0 0 ；预警压力1 1 0 报警 压力1 2 0 ) 4 、曲轴箱润滑油的油位高度h 0 ( 检测位置在曲轴箱润滑油室预警 1 6 5 m m 报警1 5 5 m m ) 显示时增加修正值1 0 m m 。 5 、曲轴箱润滑油的油温t o ( 检测位置在曲轴箱润滑油室预警温度 7 5 摄氏度报警温度8 5 摄氏度) i 6 、关键运动副压力润滑系统的压力p 0 ( 检测位置在润滑液泵主压 力油管起始连接处工作压力0 3 5 m p a ，0 2 0 m p a0 1 0 m p a ) 7 、乳化液高压过滤器进出口两边压差p 1 一p ( 检测位置在乳化液 泵主供液管高压过滤器0 2 5 m p a0 3 5m p a ) 8 、乳化液低压过滤器进出口两边压差p 2 一p 0 井下大气压常数( 检 测位置在乳化液泵回液管低压过滤器0 2 5 m p a 0 3 5m p a ) 二系统需完成的软件功能： 1 、要求乳化液泵站智能监控系统压力p 采样周期在0 0 5 秒以内( 显 示周期为0 5 秒) ，曲轴箱温度的采样周期在0 5 秒以内，其余参数采样周 期在5 秒以内。所有检测参数全部实现数字化集中液晶显示，智能判别所 监测参数是否在正常区间。系统运行出现故障，参数超出正常区间时，应 能立即进行声光报警。 2 、要求检测参数达到报警极限，则可依据用户预定模式，选择切断主 电机电源或带故障继续工作，( 出厂设置为切断主电机电源) 。同时进行粗 略的故障诊断，显示故障类型和大致可能位置。对于致命性故障( 液位与 润滑系统压力、温度、油位) 强制停机。 3 、要求该乳化液泵站智能监控系统在完成数据采集和分析处理基础 上，能依据乳化液供液系统压力参数，控制电液卸荷阀上电磁阀的动作。 能依据乳化液箱液位高度控制乳化液箱上自动配液系统中液控单向阀上电 磁阀的动作，保证该液位处于一个合理水平。 4 、要求该乳化液泵站智能监控系统能满足煤矿井下恶劣的使用环境， 允许授权用户进行井下现场控制参数调整。同时预留地面远程参数传输和 控制接口。 5 、能进行用户授权管理，防止非法用户修改预定参数。 6 、能允许用户选择显示模式( 滚动巡回显示和固定参数显示，历史回 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 查，增量式调整参数报警预警值) 。 2 3 硬件技术方案 2 3 玎硬件的主要元件 乳化液泵站监控系统硬件选择 1 、可编程控制器模块 采用s 7 2 2 4 作为整个控制系统的核心，s 7 2 0 0 系列p l c 是西门子公司 2 0 世纪9 0 年代推出的整体式小型可编程控制器，2 2 x 系列具有很强的功能， 如自带高速计数器，自带通讯口，具有脉冲输出功能、具有实时时钟，能 进行浮点运算。此外，$ 7 - 2 0 0 系列p l c 允许在程序中立即读写输入、输出口。 允许使用中断，允许设定通讯软任务的处理时间，可以由用户自己定义存 储器的掉电保护区。由于具有紧凑的设计，良好的扩展性，低廉的价格以 及强大的指令系统，使得$ 7 - 2 0 0 可以近乎完美地解决小规模的控制要求。 本系统中选择2 2 4 为c p u ，主要基于它有下列优点： 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强。 2 ) 具有一个r s 一4 8 5 通信口，可以实现与显示器和智能仪表的通信。 3 ) 本机集成1 4 输入1 0 输出，总计共2 4 个数字量i 0 点，可连接7 个扩展模块。 4 ) 性价比高，货源充足。 2 、模拟量采集模块 模拟量输入模块的用途是将外来模拟量转换为数字量共主机使用，为 能适用于各种规格的输入量，一般将模块设计成可编程的。乳化液泵站监 控系统选择的是西门子公司e m 2 3 1 模拟量输入模块，这是一款价格适中、 高速1 2 位模拟量输入模块。这种模块能在1 4 9 u s 内将模拟量输入转换成相 应的数字量，完成a d 转换工作。e m 2 3 1 提供一个未经处理的数字值，它对 应于模拟量输入端处出现的模拟量电压或电流。由于这种模块是高速模块， 他们可以跟踪模拟量信号中的快速变化，对于现场的实时快速监控有着非 常重要的意义。e m 2 3 1 是一种智能接口模块，它可以不管可编程控制器主 c p u 的状态而独立连续地工作。它自身不仅带有微处理器芯片，而且带有存 储器和系统程序，通过系统总线与c p u 模块相连。并可在c p u 模块协调管 理之下独立工作，提高处理速度，便于用户编制程序。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 ，3 、显不屏 触摸屏( t o u c hs c r e e n ) 可以让使用者只要用手指轻轻地碰计算机显 示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，这样摆脱了键盘和鼠标操作， 使人机交互更为直截了当。主要应用于公共场所大厅信息查询、领导办公、 电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、机票火车票预售等。触摸屏技术是一 种新型的人机交互输入方式，与传统的键盘和鼠标输入方式相比，触摸屏 输入更直观。配合识别软件，触摸屏还可以实现手写输入。触摸屏由安装 在显示器屏幕前面的检测部件和触摸屏控制器组成。当手指或其它物体触 摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置由触摸屏控制器检测，并 通过接口( 如r s 一2 3 2 串行口) 送到主机。 采用一个多功能大尺寸的液晶显示屏，不仅能实现了参数巡回集中显 示，也实现了参数的成组交互在线修改调整，还可对实时时钟和报警信息 进行实时观测，具有良好的人机交互性，用户使用和观测都非常直观和便 捷。本系统所选用的触摸屏m t 5 0 6 l 是e v i e w 的高端产品，进行自主刷新显 示并由键盘控制相关参数设置。该显示屏自带显示缓存和记忆空间，通过 串行通讯口线，可分时刷新显示p l c 内部寄存器中变换的采集数据，可通 过按键修改寄存器内的数据，从而实现双向通信。具有如下特点：5 7 ”蓝 色4 灰度液晶屏，通过改进的显示技术，提高了亮度： 1m bf l a s hr o m + 4m bd r a m ；实时迅速的显示；可以显示机器状态和操 作参数并且可以手动改变机器状态或操作参数 4 、电源 s 7 2 2 4 有一个内部电源，它为本机单元、扩展模块以及2 4 v d c 用户供 电。如果电源要求超出了c p u 模块2 4 v d c 电源的定额，就要增加外部2 4 v d c 电源来供给扩展模块的2 4 v d c 。因为d c 传感器电源与外部2 4 v d c 电源采用 并联连接时，将会导致两个电源的竞争而影响它们各自的输出。竞争的结 果会缩短设备的寿命，或者使一个电源或者两个同时失效，并且使p l c 系 统产生不正确的操作。因为本系统的模拟量采集模块的电流总和大于c p u 所能提供的电流，为了避免出现上述现象，2 4 v 电源全部采用外部电源。 5 、输出控制 乳化液泵监控系统中的控制对象，如电磁卸荷阀等电流较大( 2 a 以上) 。 考虑到实时响应要求，采用中继继电器方式进行隔离和二次驱动。正常状 态下各个中继继电器处于失电状态。当出现故障时通过切断中继固态继电 器来关断后续电机或电磁阀等其他设备。同时p l c 指示灯输出相关的工作 状态：绿灯正常、黄灯预警、红灯报警，并在液晶屏上弹出相应的预警或 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 报警信息。 2 3 2 乳化液泵站监控系统防爆措施考虑 爆炸是物质从一种状态，经过物理或化学变化，突然变成另一种状态， 并放出巨大的能量。急剧速度释放的能量，将使周围的物体遭受到猛烈的 冲击和破坏。爆炸必须具备的三个条件：爆炸性物质：能与氧气( 空气) 反应的物质，包括气体、液体和固体。( 气体：氢气，乙炔，甲烷等；液体： 酒精，汽油；固体：粉尘，纤维粉尘等。) 氧气：空气。点燃源：包括 明火、电气火花、机械火花、静电火花、高温、化学反应、光能等。 很多生产场所都会产生某些可燃性物质。煤矿井下约有三分之二的场 所存在爆炸性物质；化学工业中，约有8 0 以上的生产车间区域存在爆炸 性物质。 氧气：空气中的氧气是无处不在的。 点燃源：在生产过程中大量使用电气仪表，各种磨擦的电火花，机 械磨损火花、静电火花、高温等不可避免，尤其当仪表、电气发生故障时。 客观上很多工业现场满足爆炸条件。当爆炸性物质与氧气的混合浓度 处于爆炸极限范围内时，若存在爆炸源，将会发生爆炸。因此采取防爆就 显得很必要，防爆接线箱和信号隔离器就成为必不可缺的硬件。 l 、防爆接线箱 电力设备和电路，特别是在运行时发生火花的电气设备，应尽量装设 在爆炸危险场所以外，若需要设在危险场所内时，应装设在危险性较小的 地点，并采取有效的安全措施。因此从现场仪器来的信号线均应接到防爆 接线箱，再通过防爆接线箱接到控制柜里。 江苏徐州精特矿用电器有限公司生产的b x m ( d ) 系列的防爆接线箱广 泛吸取了国内外同类产品的优点，采用国际标准，适用于石油、化工、纺 织、油库、矿井、军事设施等工厂企业及仪表电器，外壳采用铸铝合金外 壳，接线箱主要件为上盖下底两部分，接合处为隔爆面，箱体进出线口有 管牙，加上橡胶圈密封垫圈，旋紧管帽能压紧通入的电缆，并达到密封作 用，接线箱内有优质绝缘，性能的陶瓷接线端子。防爆标志：e x e di ic t 6 。 适用范围：爆炸性气体混合物危险场所：l 区、2 区；爆炸性气体混合物： i i a 、i i b 、i i c 。其外形如图2 - 1 所示。 西南交通丈学硕士研究生学位论文第1 7 页 图2 - i 防爆箱外形图 2 、信号隔离器 乳化液泵站监控系统是用于矿井下具有爆炸形物质存在的地方属于 危险场所，因此必须使用安全栅将危险区与安全区隔离。 本安型安全栅就是应用在本安防爆系统设计中的。它是安装于安全场 所并含有本安电路和非本安电路的装置，电路中通过限流和限压电路限制 了送往现场本安回路的能量，从而防止非本安电路的危险能量串入本安电 路，它在本安防爆系统中称为关联设备，是本安系统的重要组成部分。 由于安全栅被设计为介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量 的接口，因此无论控制室设备处于正常或故障状态，安全栅都能确保通过 它传送给现场设备的能量是本质安全的。在非安全环境中使用本安型防爆 电子设备时，必须采用安全栅防爆措施与安全区的设备及线路连接，实现本 安防爆系统，用以防止因连接线路上和本安防爆电子设备出现故障时造成 的过量能量( 电能) 窜入危险场所，将窜入危险场所的电能限制在安全值内。 保证在危险环境中安全使用本安型蒴爆电子设备，保证工作现场安全 常见的安全栅结构形式分为齐纳式和隔离式： h 齐纳式安全栅： 电路中采用快速熔断器、限流电阻或限e , - 极管以对输入的电能量进 西南交通大学硕士研究生学位论文第1