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y7 8 8 3 7 太原理上火学硕十研究生学位论文 煤矿井工开采排水设备自动控制系统的开发研究 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。本文设计的自 动化排水系统采用p l c 控制与p c 监视相结合的方式，弥补了 传统继电器控制的种种缺陷与不足，提高了工作可靠性和稳定 性，具有使用寿命长、维护方便等特点。 据某矿井下实际情况，本文首先进行了排水设备的选择设 计，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s i e m e n s 的s 7 3 0 0 系列p l c ，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。在就地p c 端采用软件 v i s u a ib a s i c6 0 编制自动监测程序，负责监视设备的运行情况及 各个运行参数，做到有故障及时发现尽早处理。s 7 3 0 0 通过 t 太原理上人学硕士研究生学位论文 c p 3 4 0 通信模块，采用r s 一2 3 2 通信标准与就地p c 建立通信。 最后，本文讨论了此控制系统的抗干扰措施。 总之，p l c 与p c 相结合的自动排水系统具有传统继电器 控制系统无法比拟的优点，弥补，现有自动排水系统的种种刁i 足，对煤矿自动化安全生产具有重要的意义。 关键词：煤矿，排水系统，p l c ，自动控制，抗干扰 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e v e l o p m e n l a lr e s e a r c h o ft h ea u r o c 0 奎n r o ld r a 【n a g es y s 7 i e m u n d e rc o a lm i n e 、e l l a b s t r a c t t l l l e d r a i n a g e u n d e rc o a lm i n ew e ni s v e r yi m p o r t a n t e q u i p m e n tf o re n s u r i n gn o r m a lp r o d u c t i o no fc o a lm i n ew e l l a t p r e s e n t ，m o s td r a i n a g es y s t e m s o fa l ld o m e s t i cc o a lm i n ew e h a d o p t c o n v e n t i o n a lm e a n so f r e l a yc o n t r o l l i n g ， i n s p e c t e d a r t i f i c i a l i y t h i sk i f l dm e a l l so fi n s p e c t i o na n dc o n t r 0 1c a l l tm e e t t h er e q u i r e m e n to fc o a ld e v e l o p m e n tf o ri t s m p l i c a t e dc o n t r o i c i f c l l i t ，l o wr e l i a b i l i t yo fe q u i p m e n tm n n i n g 蛐d 黟e a tw o 越n g i n t e n s i o n 1 色ea u t o m a t i s md r a i n a g es y s t e mc l e s i g n e di n t h i st e x t c o m b i n e dc o n t r o lb yp l cw i t hs t a k e o u tb yp c ，s om a ti tm a d eu pa v a r i e t yo fl i m i t a t i o na n ds h o r t a g eo fc o n v e n t i o n a lm e a n so fr e l a y c o n t r o l l i n g a n di m p r o v e dr u n n i n gr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y t h i s s y s t e m h a sc h a r a c f e r i s t i c so f l o n g叩e r a t i n gl i f c - s p a i l a n d c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 p l cw i t hp ch a sa d v a n t a g e st h a tc o n v e n t i o n a ls y s t e mc o n t r o l l e d b yr e l a yi su n a b l et oc o m eu pt o a tt h es a m et i m e ，t h i ss y s t e mh a s m a d eu pav a r i e t yo fs h o r t a g eo ft h ea u t o m a t i s md r a i n a g es y s t e m i ne x i s t e n c e s oi th a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i i 塔f o rs e c u r ea u t o m a t i c p r o d u c t i o no fc o a lm i n e k e yw o r d s ：c o a lm i n e ，d r a i n a g es y s t e m ，p l c ，a u t o c o n t f o l ， a n t i - j a m i n i n g v 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 煤矿井下排水系统概况 在矿井生产过程当中，经常有各种来源的水涌入矿井，称之为矿水。 大量的矿水威胁到矿井生产的正常进行，突发时甚至会造成工作人员的伤 亡。在我国的矿井之中，只有很少一部分是干燥的，因此排水设备是矿井 作业过程中不可缺少的，它对保证矿井正常生产起到至关重要的作用。 涌入矿井的水量可用绝对涌水量和相对涌水量表征。1 ) 绝对涌水量。 单位时间内涌入矿井的水的体积量，称为绝对涌水量，以“q ”表示，通 常以m 3 l 度量。2 ) 相对涌水量。为比较各矿涌水量的大小，常用同时期 内相对于单位煤炭产量的涌水量作为比较的参数，称为含水系数。以“如” 表示，可表达为： 克，。孕( 1 一1 ) 式中：p 绝对涌水量( m 3 ，h ) ：t _ 一同期内煤炭日产量( t n l ) 。 由于涌水量的多少受到地质、水文地质、地形特征、气候条件、地 面地下积水和开采方法等多种因素的影响，因此各矿涌水量可能极不一 致。一个矿在不同季节里的涌水高峰时的水量称为最大涌水量。正常涌水 量和最大涌水量成季节性的变化。 矿井排水方式一般分为两种：自流法排水和扬水法排水。前者是利 用倾斜坑道将水排至露天的水沟；后者则利用排水设备扬至地面。排水 设备一般由水仓、吸水井、多台水泵带电机及其吸水管充水装置、多趟 排水管路、闸阀等组成。 1 太原理工大学硕十研究生学位论文 排水设备又分为固定排水设备和移动式排水设备。 1 ) 前者固定在专门的峒室里，一般这样设置：主排水设备负责将全 矿的涌水或大部分涌水排至地面；辅助排水设备负责把下一开采水平的 水排至主排水设备所在水平；区域排水设备负责把区域的涌水直接排至 地而；转载排水设备负责把由于反向坡度不能自流集中到主排水设备的 水，转载到主排水设备；中央排水设备负责把几个涌水量不大的矿井涌 水，汇集起来排出矿井。 2 ) 为了把掘进工作面或淹没坑道中的水排除，要求水泵随工作面前 进或水位下降而移动。所用水泵和电机，配套装在整体的底架上，而底 架被绞车用钢绳牵引移动，这种便称为移动式排水设备【1 】o 固定排水设备应达到： 1 ) 工作水泵应能在2 0 小时内排出2 4 小时的正常涌水量；备用水泵的 能力应不小于工作水泵能力的7 0 ；工作和备用水泵的总能力，应在2 0 小时内，排除矿井2 4 小时的最大涌水量；检修水泵的能力应不小于工作 水泵能力的2 5 。水文地质条件复杂的矿井，可根据具体情况，在主要 泵房内预留安装一定数量水泵的位置，或另外增设水泵。 2 ) 工作水管的能力应能配合工作水泵在2 0 小时内排出2 4 小时的正常 涌水量；工作和备用水管的总能力应能配合工作和备用水泵，在2 0 小时 内排出2 4 小时的最大涌水量。 3 ) 配电设备应同水泵相适应，并能够同时开动工作和备用的水泵。主 排水泵房的供电线路不得少于两回路，当一回路停止供电时，另一回路应 能担负全部负荷的供电。 4 ) 主排水设备应有预防用水突然增加致使设备被淹没的措施。 5 ) 需采取防爆措施地区安装的排水系统，其电器设备应是防爆的。 移动式排水设备，顾名思义，设备可随掘进工作面的推进或水位下降 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 型的离心泵的能耗估算方法，以及离心泵工况点经修正后的能耗估算方 法。并以北乌拉尔铝土矿和斯塔哈诺夫煤炭生产联合公司为例。具体介绍 了几种工况点经修正后的离心泵能耗估算情况l “。 此外，一些矿产资源丰富的国家，在将自动化技术引进矿业生产中 方面，取得了突飞猛进的成就。加拿大提出了数字化矿山的概念，建立 综合信息基础框架，使全体开采过程与集成化支持系统连成网络：大力 发展生产监控方面的传感技术，减小排水设备的自动控制和监测的误差： 还要发展遥控机器人和全矿机器人技术。芬兰采矿工业则发布了智能化 矿山技术项目，目标是实现实时资源管理和生产控制；全矿范围的信息 网络；新型机器和自动化；以及生产及维护的自动化。俄罗斯则针对矿 山设备的研制，提出了采用以微处理技术为基础的自动控制和故障诊断 系统以及保护和安全操作系统【5 j 。 虽然这些国家没有将排水设备的自动化单独进行研究，但他们将这 一方面的内容列入了矿山整体自动化的规划之中，将所有的控制信息包 括水泵的运行都集中给中心控制室，进行统一控制。无论是发展传感器 技术，还是建立统一的通信网络，都关系到自动排水系统的发展。 国内在优化排水方案、改造排水设备及巷道合理布置等方面也做了 大量的研究。 1 9 9 4 年兴安矿的唐又驰等人结合矿井实际建立了矿井排水系统模拟 模型，并借助模型分析了现有排水系统的合理性，还对延深水平排水进行 多方案模拟，为选择最优的排水方案提供了依据1 6 j 。 1 9 9 4 年华东地质学院的李金轩介绍了线性规划模型在基坑井点降水 工程优化设计中的应用。用该方法所确定的降水设计方案，能在确保基坑 施工安全的前提下，使排水工程成本降至最低【”。 1 9 9 6 年邢台矿务局的张凯等人针对邢台矿八采区内断层及节理裂隙 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 发育、涌水量大、水文地质条件复杂的情况，从经济技术合理角度出发， 进行采区排水系统优化设计，选择合理的方式布景采区放水巷。这对整个 采区的采掘衔接和安全生产发挥了十分重要的作用，并为煤矿老空水害防 治提供了一条有效途径【8 】d 1 9 9 8 年鸡西矿务局二道河予矿王桂荣和哈尔滨煤矿机械研究所王启 龙针对鸡西矿务局设计院设计的排水系统存在的一些问题，简化排水系 统、分析水泵与排水系统的合理配置，并进行了改进，从而达到节省电能 的效果，具有可观的经济效益1 9 j 。 邱集矿井位于山东省齐河县和东阿县境内，由种种原因，形成了边勘 探、边设计、边建设的局面。由此而造成了副井井简断面小，按传统方式 布置永久排水管路，井筒断面不能满足要求。在此情况下，煤炭部兖州设 计研究院的李树仁借鉴了德国西马克公司在摩洛哥王国杰拉达煤矿三号 井井简装备设计中，利用井壁固定永久管路的设计技术，成功地在邱集副 井净径仅为4 5 m 、装备一对1 t 矿车双层罐笼、并设有梯子问的情况下， 布置下了4 趟d 3 2 5 的排水管。它在缩小井筒净径上的优点是显而易见的， 由此而带来的经济效益也是显著的i 圳。 新汶矿务局潘西矿闰家华针对该矿原排水设备老化、效率低、排水能 力小，已无法满足矿井抗灾能力要求的现状，对矿井排水系统进行了改扩 建设计，主要内容如下：1 合理选择工况点；2 采用新型高效泵：3 斜井 采用钻孔立管排水；4 采用无底阀排水；5 采用多管路并联排水。由于设 计合理选择主排水设备，使水泵在合理的工况区内运行，并采用了新型高 效泵，斜井采用立孔排水、无底阀排水、多管路并联排水等方法，系统改 造后，不仅节电取得明显效果，同时也提高了矿井的抗灾能力，有利于矿 井的安全生产【1 1 】。 2 0 0 3 年郑州煤炭设计研究院的张朝晖从安全、经济运行的角度出发， 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 统本身存在某些缺陷，导致排水设备运转不理想，甚至不如人工控制效 果好。国内少数安装了自动排水设备的矿井均已将其拆除或闲置，转为 人工操作，造成极大的浪费。 针对国内外研究现状，我们需要结合井下实际情况研制出一种成本 低、运行可靠性高的自动化排水系统，将其纳入整个矿山自动化体系之中。1 3 本课题研究的主要内容及意义 针对目前煤矿井下排水系统的种种缺陷与不足，本文提出用plc控 制系统代替传统继电器控制系统。本课题研究的主要内容为： 1 ) 据某矿井下实际情况，进行排水设备的选择设计： 2)根据排水控制的要求，进行plc硬件和软件的设计，以达到自动轮换工作和“避峰就谷”的目的： 3)设计就地pc的监测程序并建立plc与就地pc的通信，做到有 事故早发现及时处理； 4 ) 针对本系统采取有效的抗干扰措施。 目前我国矿井排水系统中的一些重要环节像水仓水位的监测、配电 设备的运行等仍采用人工操作。这种方法效率低，工人劳动强度大，而且 故障率也较高。本文所设计的p l c 输入，输出系统功能完象j 季昔叠崩焉 逻滋曜骘o ；鬈誊罪嚣噩鞋醴謦弭琶髫醵鹾j 巨州瞽誓酎誊盯堑犯亭乔矿 彤备藿斡蛋啡i 叉存在着交叉藕盒憾世w 塌强逊：壤瀚吲濡噻渲葚窿嵫嫩 理辫 非常适合于采用模糊控制的方法进行动态监测和故障诊 断。该系统采用了先进的集散式控制方式，建立了多级模块化的结构体系， 提出了多参数的模糊综合决策方法【1 5 1 。 1 9 9 8 年西安矿业学院的王再英在解决了矿井排水系统运行最优调度 太原理r 大学硕士研究生学位论文 设备运行的可靠性降低。puc采用微电子技术，大量开关动作由无触点 的电子存储器件完成，在plc控制系统中，只需在plc的端子上接入相 应的输入输出信号线即可，继电器之类的物理电子器件和量大而又繁杂 的硬接线线路被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。此外， p l c 体积小，质量轻，便于安装；还能直观地反映现场信号的变化状态 和控制系统的运行状态，维护操作比较方便。而且由于用软件编程取代硬 接线实现控制功能，故设计、施工、调试都比较方便，大大缩短了设计和 投运周期。 综上所述，采用p l c 与p c 相结合的自动排水系统具有传统继电器 控制系统无法比拟的优点，弥补了现有自动排水系统的种种不足，对煤矿 自动化安全生产具有重要的意义。 8 太原理t 大学硕士研究生学位论文 2 1 引言 第二章排水设备的初始选择设计 在设计控制系统之前，先进行基本排水设备的选择设计，这主要包括 以下九个步骤：1 ) 选择排水系统、2 ) 预选水泵、3 ) 管路及管路布置、4 ) 计算管路特性、5 ) 确定工况、6 ) 计算允许吸水高度、7 ) 验算排水时间、8 ) 验算电机容量、9 ) 水仓容量设计。 2 2 初始数据 某矿井原始资料： 1 ) 单水平开采，井深5 3 6 m 2 ) 正常涌水量吼= 5 5 0 m 3 1 1 3 ) 最大涌水量口一* 1 0 0 0 m 3 ，h 4 ) 矿水中性，密度p 一1 0 2 0 k g m 3 5 ) 矿井电压6 0 0 0 v 6 ) 矿井年产量5 1 0 6 t 2 3 选型计算 1 选择排水系统 由于是单水平开采深井，故采用直接排水系统。 2 预选水泵： 9 太原理善孓彭翠薹 型搿毒专砸博璺 锋塑霎餮蓉! = 雾霪羹耋萋：翼薹蓁毳蒌| 羹零蠢蠹蠹翼雾薹萋囊；瑟崩瑁。 崔澎逸鸟盘攒疆墨4 驾冶翌啷i 罂熊州埏释槔尊萃妻豢弹婶；蜷v 基妊 帑墨划甄羽婪氯爨驻醚墅薹窭疆雏醮叫雏驰二 ；9l | 攀新彰挈酬瑚嶷猁啶13 熟嚣鞋致硝x 笺引j 鳃矗妻噬媾剞 囊新引烈菇篮苗析舞鲁。羟霉鬟诺墨囊蠹墨竖踅奏l l 逶囊璧鋈纂；型叫 嗣勋的携斗丰警崖讲蹲硝；集弼琵嚣髓季益翼摄；委水耋萝曩g 露弱二地羹| 妒 叟钾照醵聊篓篓毫日秀矿：粑”吲幕露萋瑚翳翌鋈岳鼻掣崤羹蔷鐾曼 蟹f 。璀孽藉魏鸶羹，蓠薹= 篓垂妻菇；黼捃澍：幻眭，相葺? 邑鞋把 牵。孵彩莉：岜敌菜甫省荔霪珥塑和裂荔煅理嘻麓 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 正常涌水时期，水泵必需的排水能力 q 自1 2 q ：；1 2 5 5 0 = 6 6 0 ( m h ) 最大涌水时期，水泵必需的排水能力 q 一1 2 q 。，= 1 2 1 0 0 0 = 1 2 0 0 ( m 3 h ) 水泵必须的扬程。= 叩。一5 4 1 ( 0 9 o 8 9 ) = 6 0 1 1 6 0 7 9 ( m ) 式中，垃= ( 井深) + ( 井地车场与最低吸水面标高差) + ( 排水管出口高出 井口的高度) = 5 3 6 + 4 + l = 5 4 1 ( m ) ：仉为管路效率，由于是竖井，管路竖直 敷设，故仇= o 9 o 8 9 预选水泵，自泵产品目录中查得d 4 5 0 6 0 9 型水泵额定流量 q 一4 5 0 ( m 3 h ) ，单级额定扬程h 。= 6 0 ( m ) ，单级平均特性示于图2 1 。 _ n c ) 剽 幔 h 3 一一一+ 二：= = = 、 一，。 摹j 一 二 k 卜耳 ，7 ， 2 0 0 a “s ；响应时间1 肛s 。由于电动机电压过高，本系 3 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 统采用降压变压器与电压传感器连接，选用c e 一3 1 a 型电压传感器，其 性能参数为：额定输入5 0 v 5 0 0 v ：输出类型5 v 或4 2 0 n 1 a ；精度等级 为0 2 级或0 5 级；响应时问4 0 0 m s ：辅助电源+ 1 2 v 或+ 1 5 v 或十2 4 v ； 负载能力：电压输出5ma；电流输出300q；静态功耗：400mw。 表3 1 传感器性能参数 c h a r c 3 1n et y p eo fs e n s o r s 一体式 智能 名称压力变送器 压阻真空计液位变送器电磁流星计型号 c y z 6 0 2c y b 3 1 iz d y il e d 一9 9 量程 o60mpa o 2 5 m1 0 5 1 0 2p ao 7 0 0 m 供电( 1 2 3 0 ) v d c( 2 4 1 2 ) v d c ac220v，3a ( 1 8 3 6 ) v d c 输出信号 (420)ma (420)ma ( 4 2 0 ) m a( 4 2 0 ) m a 使用 ( - 2 0 + 8 0 ) ( 一2 0 + 8 0 )( - 2 0 + 8 0 ) (-30十80) 环境温度 3 5 控制系统硬件组成 3 5 1 控制系统的输入输出参数统计 根据控制要求，控制系统的输入输出参数统计如表3 2 至3 4 所列。 3 5 2p l c 系统选型 经粗略估算，需要数字量输入约8 3 点，数字量输出约3 7 点，模拟量 输入通道约2 8 路。本系统选用德国西门子公司的s i m a t i cs 7 3 0 0 系列 p l c 系统。s 7 3 0 0 系列p l c 是模块化结构设计，各种单独模块之间可以 进行广泛组合和扩展。它的系统构成如图3 2 所示。其主要组成部分有导 3 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 - 2s 7 3 0 0 系列p u c 系统构成框图 f i 9 3 - 2p l cs y s t e ms t n l c t u t ec h a r to fs 7 3 0 0s e f i e s 本系统所用的主机模块是c p u 3 1 4 ，内置2 4 k m 的r a m ，其装载存 储器为内置4 0 k m 的r a m ，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量可为 5 1 2 k b ，指令执行速度为3 0 0 n s 二进制指令。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3 2 个模块，5 1 2 个开关量i ，o 或6 4 路模拟量通道。c p u 3 1 4 内装硬件是实时时钟【州。 本系统主要由下面的模块组成： 1 块中央处理单元c p u 3 1 4 4 块数字量输入模块s m 3 2 1 ，3 2 2 4 v ，d c l 块继电器输出模块s m 3 2 2 ，1 6 2 2 0 v ，a c 1 块数字量输出模块s m 3 2 2 ，3 2 2 4 v ，d c 5 块模拟量输入模块s m 3 3 1 ，8 1 2 位 l 块通信处理模块c p 3 4 0 1 块电源模块p s 3 0 7 ，1 0 a 3 9 太原理丁大学硕士研究生学位论文 第四章控制系统的软件设计 4 1 p l c 的软件设计 西门子的s 7 3 0 0 系列p l c 所用的编程语言是西门了开发的s t e p 7 ， 这是一种可运行于通用微机中，在w l n d o w s 环境下进行编程的语言。 将它通过计算桃的串行口和根p c m p i 转接电缆与p l c 的m p il 相连， 即可进行相互问的通信。通过s t e p 7 编程软件，不仅可以非常方便地使 用梯形图和语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电缆直接送 入p l c 的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个 输入输出或状态点的通断状况，甚至可以在线修改程序中变量的值，给调 试工作也带来极大的方便。 本系统的软件设计分为以下几个部分： 411 操作方式的选择 整个流程图如图4 一l 所示。 开始时先检查p l c 有无故障，若有故障转为手动操作；若无故障， 再看设备有无故障，若有同样转为手动操作，若无则进行操作方式的选择。 可选择全自动、半自动、手动中的任意一种操作方式。若选择仝自动操作 方式，且操作被允许，直接进入全自动循环启动。若不满足全自动操作条 件，则转入手动操作。半自动操作方式的选择与此类似。 太原理工大学硕士研究生学位论文 图4 一l 操作方式选择流程图 f i 9 4 - 1t 1 1 en o wc h a no fc h 0 0 s i n go p e r a t i 彻m o d e 4 1 2 水泵的自动开启与关闭 图4 2 给出了其中一台泵的自动开启与关闭流程图。其余三台泵的与 此基本相同。通过确定开泵数量的程序以及水泵轮换工作模块，我们可以 确定开几号水泵。对于这其中的一台泵便满足了开泵条件，进入了此泵组 4 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 的自动开启阶段。 图4 2 水泵自动开启与关闭流程图 f i 9 4 2 t h ef l o wc h a no fp u m pw o r k i n ga n ds t o p p i n ga u i o m a t i c a l l y 离心式水泵只有在泵壳内充满水的情况下才允许启动。如果泵壳内未 充满水，真空度不够将会造成不上水、转动部件烧坏和气蚀等故障。因此， 启动前的注水是水泵工作的重要操作项目之一。本设计采用射流喷管自灌 4 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 式注水方式，利用压风通过射流喷管形成射流，依靠射流的吸力，使泵体 内形成真空，靠大气压力将吸水井内的水压入泵内，充满泵体，即可启动 水泵。此方法具有省去水泵底阀、提高水泵效率及吸水高度、结构简单、 不占泵房空间、维修量小等优点。 首先，打开射流管路的电磁阀，若阀顺利开启，再打开压风管路的电 磁阀，若阀顺利开启，射流喷管内形成射流，泵开始排气注水。然后检测 真空度能否在规定时间之内达到要求，若不能，则声光报警，进入水泵关 闭阶段：若能，则开动水泵电机，关闭射流管路和压风管路的电磁阀。水 泵开始运转后，检测其出口压力能否在规定时间内达到预设值，若不能则 声光报警，进入水泵关闭阶段；若能则打开水泵出水口电动阀，此泵组进 入正常运行阶段。在运行过程中，若泵组有停机故障或者满足停泵条件， 则进入关闭阶段。先关闭水泵出水口电动阀，再关闭水泵电机，水泵停止 运转。此处停泵条件是指通过排水使水位下降到规定的最低水位。 4 1 3 水泵及管路的自动轮换工作 1 水泵的轮换工作 水泵的自动轮换工作程序是在开泵台数确定的情况下进行的。在程序 中，我们使用两个存储器( m ) 分别作为系统泵组当前开机顺序控制字 ( m w l o ) ，每轮换一台泵后的开机顺序控制字( m w 2 0 ) 。在程序初始化时， m w l 0 被置为： m s b ( 1 5 )l s b ( 0 ) 姗，。匦巫五弼 1 岱1 0h 皿1 1 m s b = 最高有效位l s b = 最低有效倥 从最低4 位至最高4 位，o o 叭、0 0 1 0 、0 1 0 0 、l 0 0 0 依次代表l # 4 # 泵组； 4 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 m w 2 0 被清空。我们举例说明如何选取泵组。假设现在m w l o 中的数据 为： 姗。匝巫丑巫 m w l o f0 0 0 l0 1 0 01 0 0 00 0 1 0 i - - - - - - - - - - - - - - - j - - - - - - - - - - - - - - - - - i - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 现在需要开三个泵组，其循环如下： m w l 0 m w 2 0 0 0 0 10 1 0 01 0 0 00 0 1 0 、 一 。七弋。 一 一一 0 0 1 00 0 0 10 1 0 01 0 0 0 上上上上 1tt 0 0 1 00 0 0 l0 1 0 01 0 0 0 弋弋 | 1 0 0 0 一 0 0 1 00 0 0 i0 1 0 0 j 上上土上 1 0 0 0 0 0 1 00 0 0 10 1 0 0 代 1 0 1 0 0l o o o o o l oo 0 0 1 0上上上 0 1 0 0 1 0 0 00 0 1 0 0 0 0 1 从m w l 0 中的当前数据开始，每一次循环都确定开启最低4 位代码 所代表的泵组，并按图示进行m w l 0 与m w 2 0 之间相应的赋值，从而完 成一次循环。循环的次数等于开泵台数。 若在循环过程中，有某台泵有故障或需要检修，循环就要跳过此台泵， 已累计的循环的次数减一，以保证循环的次数等于开泵台数。仍用上面的 例子做以详细说明。假设开始第二次循环时，错泵组不能使用，则跳过 甜，开启排在其后的3 撑，继续循环。循环过程如下所示： 4 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 所开管路数。除此之外，其余各种情况均与水泵控制字的循环相同，在此 1 i 再赘述。 41 4 需开启水泵台数的确定 1 控制原理 水仓、清理斜巷、吸水井及泵房的剖面示意图如图4 3 所示，在图中 所标出的e 、f 、g 三个点中，e 点标高以下部分为水仓的无效容积，f 点为水仓巷道顶部最低点，g 点为水仓巷道顶部最高点。水仓水位应控制 在e g 点标高之间。水位传感器设置于吸水井中，略低于e 点标高。 图4 3 水仓及清理斜巷剖面困 f i 酣- 3s e c t i o np j a n ec h a r to f w a f e rs i o r a g ea n dc l e a l l i n gi 1 1 d i n e da l l e y 如图4 3 所示，水位高度变化与水仓容积变化的对应关系可分3 神情 况。 1 ) 水仓水位在e f 点标高之间变化 设水位的高度为x ( 假定水位高度以e 点标高计起) ，当水位在e 与f 点标高之间从口变化到6 时，水仓容积变化为： 4 6 太原理工人学硕十研究生学位论文 y = f s g ) 协 ；广( b l i + b - h c 喀a + x - c 培a ) 出 ( 4 一1 ) ：( 8 l ，+ b hc j c 喀a ) ，0 一。) + 挈g ：一nz ) 2 ) 水仓水位在f g 点标高之间变化 设水位的高度为z ( 假定水位高度以f 点标高起) 当水位从c 变化到d 时，水仓容积变化为： 矿一f s g ) 疵 ；肿抵廿耻秘竿) 出 z ， 。厶+ b h 。喀a ) 0 一。) 一兰0z 一。z ) z f 式中：f 为水仓坡度。 3 ) 水位在e g 点标高之间变化 此种情况较前两种复杂，可以将其看成水位在e f 点标高段与f g 点标高段之间的变化。假定水位从e 变化到，那么可以认为其经历了 从p 到峨与日，到，的变化，其中h 。为位于f 点标高的水位，根据( 1 ) 和 ( 2 ) 式可得： 矿一呱+ 脚。叼a x 一) 一学一譬+ 半肼。2 ( 4 - 。) 从以上3 种情况分析可以看出，水仓、清理斜巷容积的改变与水仓水 位的高度变化有着一定的函数对应关系，即水仓两个水位之间的容量可通 过水位传感器所测的水位变化值得到。 2 控制流程 为叙述方便，本部分中q 为流量的变化量( m 3 1 1 ) ，q 为流量( m 3 ) 。与 太原理工大学硕士研究生学位论文 矿，可得出总排水量q 1 = 掣+ y ，由单台水泵的额定流量吼，就可确定需 开启水泵的台数。：垡旦：若。，3 ，表明距下一次“峰段，的时间太短， q 。f 暂不启动水泵；若ns3 ，则开启n 台水泵，以保证“峰段”到来时，恰好 将水排至低限水位。 若处于暂不开泵状态，则监测q 的变化，计算距“峰段”结束时的总 涌水量q ：并与水仓允许最大容水量k 。，加以比较，若q ：s 。，“峰段” 结束前不开启水泵，进入“谷段”或“平段”后再排水至低限水位；若 q ：，。，有必要开启水泵，以免发生水仓溢水事故。需开启水泵时， 为节省用电量，“峰段”结束前水位只要保持在心。所对应的水位即可， 此时所需水泵台数”。；旦，进入t 一谷段”或“平段”后再将水排至低限 吼 水位。当“峰段”结束进入“谷段”或“平段”后，计算距下一次“峰段” 的时间f ，由此算出的排水量班再加上目前水位至低限水位的水仓容积 y ，可得出总排水量g 一掣+ 矿，由单台水泵的额定流量吼，就可确定需 开启水泵的台数，l ：；型，l ：一n ，即为“峰段，结束时需要增开的水泵 q 一 台数，这样就保证了下一“峰段”到来时，恰好将水排至低限水位。 由于水位处于不断变化之中且水位变化率非恒定不变，计算出的需开 启的水泵台数也在变化，这就需要在排水过程中不断调整开泵台数，最终 满足“避峰填谷”的控制要求。 4 9 太原理4 r = 大学硕士研究生学位论文 4 1 5 动态监测及保护功能的实现 1 动态监测 在系统运行过程中p l c 定时向上位机传送水位、流量、压力、温度、 电流、电压等各个参数的数据及设备运行状况和故障信息，由上位机实现 动态监测的功能。我们将在上位机软件设计和通信部分作详细说明。 2 保护功能 本系统主要有漏水保护，流量、压力保护，超温保护，过流保护和低 电压、漏电保护五大部分的保护措施，一般是在需保护装置的线路中串接 与所需保护的装置相对应的输出信号有关的辅助继电器的常闭触点，正常 情况下，不影响程序的执行，出现故障时，其常闭触点打开，停止故障部 分的运行并且声光报警。 4 2 上位机的软件设计 对于一个有实际应用价值的p l c 控制系统来讲，除了硬件和控制软 件之外，还应有便于用户操作的友好的人机界面。用户可以通过人机界面 随时了解、观察并掌握整个控制系统的工作状态，必要时还可以通过人机 界面向控制系统发出故障报警，进行人工干预。 因此，人机界面就可以看成是人与硬件( 计算机、p l c 等) 、控制软 件的交叉部分，人可以通过人机界面与计算机、p l c 进行信息交换，向 p l c 控制系统输入数据、信息和控制命令，而p l c 控制系统又可以通过 人机界面，由可编程终端、计算机回送控制系统的数据和有关信息给用户。 由此可知人机界面充分地体现了p l c 控制系统的输入输出功能以及用户 对系统工作情况进行操作的控制功能1 3 2 】。 综上所述，人机界面是介于人与p l c 控制系统之间的一个界面，操 5 0 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 作人员可以通过人机界面与p l c 控制系统进行信息、数据的处理和交流。 故上位机监控软件在整个系统的设计当中不可或缺。 42 1 设计要求 本文中的上位机即就地p c 的根本设计出发点是为了使用户更方便、 更容易地操作和使用p l c 控制系统。我们在进行设计时，必须) 泔曩矧 蜷箍璀劈螬孵h 骂珥黑鞘萎蚺引墓：业塑飘靳私靼昨j 鲫一骟霹：口，如图4 5 所示。 通过点击面板上的控制按钮，根据所需了解信息的不同，可以进入运行状 态、记录显示或运行参数的相关界面。 图4 5 监控主界面 f i g “5t h e t h em a i ni n t e r f a c eo fw a t c h i n g 5 2 x 太原理r 大学硕+ 研究生学位论文 2 运行状态界面 本系统设置“运行状态”为默认窗口，一定时间内无操作时，便进入 该窗口。如图4 6 所示，我们分别用绿、黄、红圆点代表设备的运行、停 止和故障。当设备从某一状态跳转到另一状态时，对应圆点的颜色也会发 生相应的变化。因此，通过运行状态界面，我们可以及时了解到设备的运 行情况，做到有故障早发现、早处理。若出现故障时不在此界面，系统会 弹出个故障消息框，以提示操作人员。 图4 6 运行状态界面 i 涎。i 掣蓦 “x ；i 口l 姒l 窑i = 一5 监控主界面 太原理：l 人学硕十研究生学位论文 3 记录显示界面 如图4 7 所示，本界面显示每个泵及每趟管路的累计运行时间和累训 故障时间，程序将这些信息保存在数据文件中。可以打印相关时间记录 也可以清空运行或故障记录从而重新计时。 图4 7 记录显示界面 f i 9 4 7t h ei n t e r f a c eo fr e c o r ds h o w i n g 4 运行参数界面 如图4 - 8 所示，本界面显示每一泵组运行时传感器检测到的一系列参 数的值，并在其右侧注有该参数的预设范围，以便进行比较。同时显示水 5 4 太原理上大学硕士研究生学位论文 位传感器检测到的水位值。我们可以在此修改参数的设定范围，并可将修 改值传输到p l c 。 图4 8 运行参数界面 f i 9 4 8n ei n l e 仃a o f m n n i 力gp a f 帅e t e r s 5 5 太原理t 大学硕士研究生学位论文 4 3 上位机与p l c 的通信 43 1p l c 部分 本系统采用s 7 3 0 0 的经济型串行通信处理器模块c p 3 4 0 。c p 3 4 0 与 就地p c 之问通过r s 2 3 2 c ( v 2 4 ) 接口进行数据交换，数据交换根据双方 约定的规则即通信协议进行。通信协议的要点包括波特率、字符格式、字 符间隔、丌始传输的条件以及如何保证传输信息完整等内容。c p 3 4 0 内部 固化有a s c i i 和3 9 6 4 ( r ) 两种标准协议，可以与多种设备进行数据交换。 a s c n 协议是与外部系统相连接的简单协议，带有文本字符的起停或块检 查字符，接口的握手信号由用户程序查询和控制。3 9 6 4 ( r ) 协议用于连接 西门予设备及第三方设备，是由西门子公司进行标准化的并且对外开放的 协议。 c p 3 4 0 通信模块的技术数据如下： 1 1 一个r s 一2 3 2 c 接口，信号对s 7 电源隔离； 2 ) 数据传输率( 波特率) ：2 4 ，4 8 9 6k b s ，可选： 3 ) 数据传输距离：1 5 m ； 4 ) 通信协议：a s c 或3 9 6 4 ( r ) 。 图4 9c p 3 4 0 连接 f i 9 4 9c o n n e c t i n gt h r o u g hc p 3 4 0 5 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 如图4 9 所示，一方面，c p 3 4 0 的r s 一2 3 2 c 接口与就地计算机相连： 另一方面，c p 3 4 0 通过背部总线与p l c 的c p u 相连。c p 3 4 0 模块上的处 理器机受控制又有自主性，根据c p u 模块的命令自主管理串行口的收发 工作。c p 3 4 0 模块上有接收缓冲存储器( 接收缓冲区) 和发送缓冲存储器( 发 送缓冲区1 ，由此建立c p u 模块与c p 3 4 0 的联系。发送时，c p u 模块把 发送的数据写入发送缓冲区，由c p 3 4 0 把缓冲区中的数据逐个发给计算 机。c p 3 4 0 还负责从计算机接收数据，并把接收到的数据写入接收缓冲区。 c p u 模块以查询方式读接收缓冲区，如果缓冲区不空，c p u 便得到接收 数据。 读写c p 3 4 0 上的缓冲区需要在用户程序中调用专用的功能块，专用 功能块有四个：发送功能块f b 3 ( p j 勘国) 、接收功能块f b 2 ( l r c v ) 、 读r s 一2 3 2 c 接口信号状态功能块f c 5 ( v 2 4 _ s t a d 、接口信号状态设置功 能块f c 6 ( v 2 4 一s e l ) 。 1 发送功能块f b 3 其功能为：1 ) 将数据块中的数据写入c p 3 4 0 的发送缓冲区，f b 3 需 要大小为4 0 b 的背景数据块；2 ) 监测c p 3 4 0 发送并返回c p 3 4 0 的发送情 况。f b 3 完成一次发送需多个扫描周期，故每一扫描周期都要调用f b 3 ， 使其在每一循环周期得到扫描，以避免一个信息帧的发送过程中断。 f b 3ps e n d 的时序图如图所示。f b 3ps e n d 有闲置和发送两种状 态。若发送请求r e q 输入有上升沿，由闲置转为发送状态，向c p 3 4 0 传 送数据，并由c p 3 4 0 将数据发送给接受方。f b 3p _ s e n d 只能将数据块 中连续存放的数据传给c p 3 4 0 。发送持续时间由数据量和通信线路质量决 定。发送过程中，若放弃发送请求r 的输入为l ，则放弃发送请求并且将 f b 3ps e n d 复位，已传入c p 3 4 0 的数据继续发送。发送过程结束后， 由发送转为闲置状态。通过f b 3ps e n d 输出信号可得发送完成情况， 5 7 太原理工大学硕十研究生学位论文 d b b n o ：= 1b o ：c a l ls f c 2 0 d b b l e n ：= 6s r c b l k ：= p 撑d b3 0 d b x0 0 x o ro u t ：= m b 7 8 n e t w o r k4 lm b 7 8 l d b 4 0 d b b 7 = = i = m 5 0 4 n e t w o r k 5 am 5 0 2 a nm 5 0 3 am 5 0 4 f pm 5 0 6 = m 5 0 7 f ( 并3 发送处理程序 n e t w o r k l am 5 0 7 = m 5 1 0 n e t w o r k 2 am 5 1 0 j cb o j ub 1 n e t w o i k 3 4 3 2 上位机部分 b y t e2 0 r e t 气l ：= m w l o d s t b l k ：= p 帮d b5 0 d b x1 0 b y t e 2 0 c a i 工f c l 0 1 d bn o：= 5 0 d b b n o：= 1 d b bl e n：= 2 0 x o r0 u t：= d b 5 0 d b b 2 1 n e t w o r k 4 b 1 ：c a i i ， f b 3 d b 3 r e o：= m 5 1 o r：= m 5 1 1 u 圆d r：= m w 7 2 d bn o：= m w 9 0 d b bn o ：= n v 9 2 i 点n ：= m w 9 4 d o i n e ：= m 5 1 2 e r r o r：= m 5 1 - 3 s 砌r s ：= m w 9 6 本系统上位机采用m i c m s o f c s u a lb a s i c6 o ( 简称6 0 ) 编写的监 6 0 太原理= 大学硕 研究生学位论文 3mscommsettings：设置初始化参数。以字符串的形式设置或返 阴连线速度、校验位、数据位、停止位等4个参数。默认值是“9600，n， 8，l”，表示以9600b口s的速度传输，n表示不作奇偶校验，数据位为8 位，停止位为l 位。 4 m s c o m m 1 1 1 口u t ：从输入寄存器返回并删除字符，即将输入