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煤矿井下排水设备控制系统的改造 摘要 本论文以岱河煤矿井下排水设备控制系统的p l c h m i 改造项目为研究背 景，在查阅了大量相关文献的基础上，对国内p - p l c 、触摸屏及煤矿井下排水 设备计算机控制的现状、发展概况及趋势作了较为详细的介绍，并根据矿方要 求确定了该矿中央泵房自动控制系统的设计方案。阐述了利用三菱f x 系列p l c 及g t 0 10 0 系列触摸屏的编程、显示和控制功能，对老矿井井下泵房电控系统的 改造设计过程。并编制了相应的控制程序。且简要概述了原系统在运行过程中 的问题和不足，较为详细地说明了改造后的设计方案和内容。该系统的主要功 能是通过触摸屏组态画面的切换，对现场各运行参数进行检测、设定和动态监 视，完成历史数据归档及异常信号的报警，并通过检测水仓水位和其它参数， 实时控制水泵工作与适时启动水泵，合理调度水泵运行，实现了真正意义上的 无人职守的全自动控制泵组。这对煤矿生产自动化程度的提高，加快信息化、 网络化的建设，促进国有老煤矿通过“减人提效”摆脱困境发展有着十分重大 的意义。 关键词：p l c ；触摸屏；排水设备；控制系统；改造 r e f o r mo fc o a lm i n e s e w e r a g ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t b a s e do nt h e r e s e a r c h b a c k g r o u n d o fp l c h m i r e f o r m p r o j e c tf o r u n d e r g r o u n ds e w e r a g ec o n t r o ls y s t e mo fd a i h ec o a l m i n e ， a n dt h er e f e r e n c e s e j e c t i o no fm a n yr e l a t e dl i t e r a t u r e s ，t h i sp a p e rm a k e sad e t a i l e ds t a t e m e n t r e l a t e d t ot h ea c t u a ls t a t e , g e n e r a ld e v e l o p m e n ta n dt r e n do fp l c ，t o u c h s c r e e na n dc o a l m l n eu n d e r g r o u n d s e w e r a g ec o m p u t e r - c o n t r o l ，a n dd r a w so u tt h e d e s i g np r o p o s a lo f a u t o m a t l cc o n t r o ls y s t e ma tt h ec e n t r a lp u m p r o o ma c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f t h ec o a lm i n e t h e p a p e re x p o u n d st h er e f o r m a n dd e s i g n p r o c e s so fo l d u n d e r g r o u n qp u m pr o o me l e c t r i cc o n t r o l s y s t e m ， f o rw h i c ht h ep r o g r a m m i n g ， d l s p l a ya n dc o n t r o if u n c t i o no fm i t s u b i s h if xs e r i e sp l c a n dg t o10 0s e r i e st o u c h s c r e e n b e s i d e s , t h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lp r o g r a m sa r ec o r n p i l e d i n t h i sp a p er t n ep r ob l e m sa n ds h o r t a g e so ft h e o r i g i n a ls t r a i nd u r i n gt h eo p e r a t i o na r es u m m e d u pa n dt h ed e s l g np r o p o s a la n dc o n t e n ta f t e rt h er e f o r ma r ee l a b o r a t e dh e r e t h e p n m a r yf u n c t l o no ft h i s s y s t e mi st or e a l i z et h e i n s p e c t i o n ， s e ta n dd y n a m i c m o n l t o r 王n gt 0t h es i t ew o r k i n gp a r a m e t e r st h r o u g ht o u c hs c r e e ni m a g es w i t c h i n g ， c o m p l e t et h ea r c n i v i n go ft h eh i s t o r i c a ld a t aa n dt h ea b n o r m a l s i g n a la l a r m a n d r e a l 。t l m ec o n t r o lt h ep u m pr u n c o n d i t i o na n ds t a r tt h ep u m pi ng o o dt i m et h r o u g h 1 n s p e c t i n gw a t e r - i h a m b e rw a t e rl e v e la n do t h e rp a r a m e t e r s ，w h i c h a c h i e v e st h e p u m p u n l tf u l l y 。a u t o m a t i cc o n t r o lo ft r u e u n m a n n e do p e r a t i o n i ti so fg r e a t 1 m p o r t a n c et o l m p r o v et h ea u t o m a t i z a t i o nf o rt h ec o a l p r o d u c t i o n ， t o q u i c k e n l n f o 蛐a t l o n l z a t l o na n dn e t w o r k i n gc o n s t r u c t i o na n dt op r o m o t et h e d e v e l o d m e n to f o l ds t a t e - o w n e dc o a lm i n e t h r o u g h i n c r e a s i n ge f f i c i e n c yb yd o w n s i z i n ；p a y l ? ( ) 1 1 s ， k e yw 。r d s ：p l c ；t o u c hs c r e e n ； s e w e r a g e ；c 。n t r o ls y s t e m ；r e f o r m 插图清单 图2 1 岱河矿中央泵房排水系统图7 图2 2 改造后系统硬件控制关系图7 图2 3改造后系统设备关系图8 图3 1p l c 的基本组成1 0 图3 2p l c 的运行框图1 4 图3 3p l c 扫描工作过程1 5 图3 4p l c 面板布置图2 1 图3 5 集控电源系统图2 7 图3 6 设置参数界面2 9 图4 1 水泵就地控制柜面板图3 2 图4 2 水泵控制柜主回路电气原理图3 3 图4 3 水泵控制柜控制回路电气原理图( 一) 3 4 图4 4 水泵控制柜控制回路电气原理图( 二) 3 5 图5 1真空泵就地控制柜面板图3 9 图5 2 真空泵就地控制柜主回路、控制回路电气原理图4 0 图6 1水位检测装置示意图4 3 图7 1 水泵高压系统图4 5 图7 2 高压开关柜控制信号流程图4 6 图8 1 涌水量测算图4 7 图9 1开机主画面5 2 图9 2 密码输入数字键盘1 5 5 图9 3 密码输入数字键盘2 5 5 图9 4 系统监控画面5 5 图9 5 程控起车条件检查画面5 6 图9 6 操作提示画面5 6 图9 71 撑泵组单机操作5 8 图9 8a 、b 管道的切换画面5 9 图9 9 迅息显示窗口6 0 图9 1 0 报警信息画面6 0 图9 1 1 报警信息记录画面6 0 图9 1 2 密码设置对话框6 2 图9 13 密码对话框1 6 4 图9 1 4 密码对照对话框1 6 4 图9 1 5 密码对话框2 6 4 图9 1 6 密码对照对话框2 6 5 图9 1 7 密码( 系统) 选项卡一6 5 图9 18 密码对话框3 6 6 图9 19 密码对照对话框3 6 6 图9 2 0 密码对话框4 6 7 图9 2 l密码对照对话框4 6 7 图9 2 2 存储器备用电池信息6 8 附录l 图1 水泵启动柜原理图7 2 附录1 图2 水泵启动柜原理接线图7 3 附录2 图1p l c 控制屏控制系统图7 4 附录2 图2 开关量输入模块( k r j ) 二次原理图( a c 3 6 v ) 7 5 附录2 图3 开关量输入模块( 1 叫) 二次原理图( a c 3 6 v ) 7 6 附录2 图4 开关量输入模块( k r j ) 二次原理图( a c 3 6 v ) 7 7 附录2 图5 开关量输入模块( 1 叫) 二次原理图( a c 3 6 v ) 7 8 附录2 图6 开关量输入模块( k c j ) 二次接线图( d c 2 4 v ) 7 9 附录2 图7 模拟量模块原理图( d c 2 4 v ) 8 0 附录2 图8 开关量输出模块( k c j ) 二次原理图( d c 2 4 v ) 8 1 附录2 图9 开关量输出模块( k c j ) 二次原理图( d c 2 4 v ) 8 2 附录2 图l o 开关量输出模块( k c j ) 二次原理图( d c 2 4 v ) 8 3 附录2 图1 1p l c 及开关模拟量模块二次接线图8 4 附录2 图1 2 开关量输入隔离继电器( r j ) 二次接线图( a c 3 6 v d c 2 4 v ) 8 5 附录2 图1 3 开关量输出隔离继电器( k c j ) 二次接线图( d c 2 4 v a c 3 6 v ) 8 6 附录2 图1 4 开关量输入模块( 1 ) 二次接线图( a c 3 6 v ) 8 7 附录2 图1 5 开关量输入模块( k r j ) 二次接线图( d c 2 4 v ) 8 8 附录2 图1 6 开关量输出模块( k c j ) 二次接线图( d c 2 4 v ) 8 9 附录2 图1 7 开关量输出模块( k c j ) 二次接线图( d c 2 4 v ) 9 0 附录2 图1 8 模拟量输入模块( m r k ) 二次接线图( 4 , - - - , 2 0 m a ) 9 1 附录2 图1 9 控制变压器及柜内照明回路二次接线图9 2 表格清单 表2 1改造所需设备、主材8 表3 1p l c 柜内元件配置2 2 表3 2p l c 的i 0 接口配置统计一2 6 表4 1水泵就地控制柜元件配置3 8 表5 1真空泵就地控制柜元件配置4 2 表9 1密码设置项目及内容6 3 表9 2密码( 系统) 选项卡的项目及内容6 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得 金目曼王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：劭t 轩稻 辩醐：节钿加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金旦墨王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金旦巴王些 搜可以将学位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 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：名刁毒f 矿易 签字日期加7 年乡月2 日 学位论文作者毕业后去向：就业 工作单位：巾北歌业毅庐? t 詈声惑 通讯地址：绛帕伊p 矽妊“主 吖犰罕父业撅表、髻唉，私也象 导师签名 签字日期：知了年 电话：口州；j 7 铲d z 邮编：2 弘口。口 协乞) 坊口步；， ? 勿? 、 一一一 。铁 咽 蚕 岁 月 jf上j j ， 6 致谢 至此论文即将完成之际，我首先向我的导师王华强教授致以最诚挚的谢 意。我从论文选题、文献阅读、开题报告、中期报告到论文的顺利完成等整个 论文撰写过程中，王教授都给了我精心的指导和极大的关心。他渊博的知识、 严谨的治学态度、精深的学术造诣，使我受到了深深的启迪和教诲。在此谨向 王教授致以崇高的敬意和衷心的感谢! 另外，感谢电气及自动化工程学院的孟祥发老师，他在我历经多年的工大 求学过程中，给了我最有力的支持和帮助，使我顺利地完成了学业，其平易近 人、助人为乐的精神使我永生难以忘怀。 同时感谢我的同事刘宏林副教授和淮北建筑设计院的历成斌高级工程师， 他们在我的课题研究期间给了我悉心的指导和无私的奉献。 再次，感谢合肥工业大学研究生部的各位领导、电气及自动化工程学院的 各位授课老师及所有关心和帮助过我的同学们。 最后感谢我的家人，是他们在我学习期间给了我最有力的支持，让我能有 充裕的时间和精力安心完成自己的学业。 再一次向他们一并表示衷心的感谢! 作者：孙新梅 2 0 0 9 年4 月 1 1概述 第一章绪论 从美国数字设备公司19 6 9 年成功地研制出世界上第一台可编程序控制器 ( p l c ) 以来，至今已有4 0 年的历史。在这4 0 年的时间里，世界上可编程序 控制器的应用技术得到了迅猛地发展，获得了极其广泛地应用，对工业生产自 动化程度的提高起到了非常巨大的作用。其从无到有，实现了工业控制领域接 线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进 步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控 制及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域 的主流控制设备，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，在世界各地发 挥着越来越大的作用。 我国从1 9 7 4 年开始研制，1 9 7 7 年开始工业推广应用。最初是在引进设备中 大量使用了可编程控制器，接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 p l c 的应用。可以预测，随着我国现代化进程的深入，p l c 在我国将有更广阔 的应用天地。 另外目前能连接n p l c 、作为一种特殊的计算机外设的极富吸引力的全新 多媒体交互设备触摸屏( h m i ) ，是最简单、方便、自然的一种人机交互方式， 它赋予了多媒体以崭新的面貌，其应用范围也变得越来越广泛，从工业用途的 工厂设备的控n 操作系统、公共信息查询的电子查询设施、商业用途的提款机， 到消费性电子的移动电话、p d a 、数码相机等都可看到触控屏幕的身影。 触摸屏出现在中国市场上至今只有短短的几年时间，但触摸屏在我国的应 用范围已非常广阔，主要是公共信息的查询；如电信局、税务局、银行、电力 等部门的业务查询；城市街头的信息查询；此外应用于领导办公、工业控制、 军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。尤其是公共场 合信息查询服务，它的使用与推广大大方便了人们查阅和获取各种信息。 本论文研究的岱河煤矿井下排水设备控制系统的改造项目是电气工程的实 际应用，也是可编程序控制器( p l c ) 与触摸屏( h m i ) 控制技术的实际应用， 它是通过可编程序控制器( p l c ) 、触摸屏( h m i ) 、就地控制柜、真空泵控 制柜、参量检测系统、执行机构等之间的通信进行的联合控制，利用三菱f x 系 y i j p l c 及g t 0 1 0 0 系列触摸屏的编程、显示和控制功能，实现对岱河煤矿井下泵 房电控系统的编程和优化设计，既对之进行可编程序控制器触摸屏的 ( p l c h m i ) 改造。使之成为集监控、显示、通讯为一体的监控系统。 1 2 本课题的来源、目的、意义及主要研究内容 1 2 1 课题的来源、目的、意义 按照 “合肥工业大学关于工程硕士研究生培养的有关规定”里的有关论 文选题的规定，即：工程硕士的论文选题应直接来源于生产实际或具有明确的 生产背景和应用价值，密切结合研究生所在企业面临的技术改造、革新、引 进等技术难题和科研公关项目，可以是工程项目策划、工程设计项目或技术改 造项目，可以是技术公关研究专题，可以是新工艺、新设备、新材料、新产品 的研究与开发。论文选题应有一定的技术难度、先进性和工作量，能体现作者 综合运用科学理论、方法和技术手段解决工程实际问题的能力。因此，本人结 合自己的研究方向，以此为依据，选择了一个可编程序控制器( p l c ) 触摸屏 ( h m i ) 在工业过程控制中应用的实际课题一一煤矿井下排水设备控制系统的 改造。 本课题来源于矿业集团岱河煤矿主排水系统的p l c h m i 技术改造项目。岱 河煤矿是淮北1 9 6 5 年建立的一个老矿井，井下主排水系统目前采用的控制方式 仍是传统的继电器控制方式，水泵的开停及选择切换还均由人工完成，做不到 根据水位或其它参数自动开停水泵。从控制方法上看，该电气控制系统控制逻 辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连 线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。 另外，继电器的触点数量有限，所以该电气控制系统的灵活性和可扩展性受到 很大限制：从控制速度上看，该继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控 制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。从定时和计数控制上看，该电 气控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间 易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高；从可靠性和可维护性上看， 由于该电气控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等， 寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。总之该传统的继电器控 制系统较为落后。工作频率低，启动方式下所出现的掉电、过流、送电失败等 故障既无精确的检测，又无完整的保护。真空泵的运行和真空度的检测与泵腔 水压的高低及电动扬水阀开闭之间的配合、水泵开停及选择切换等，需依靠两 名以上的操作人员凭经验合作完成。因此这样设置的专人专岗进行的就地简单 操作，使生产效率低，人为事故率较高，大量的实时数据不能由地面调度人员 及时监测和管理，直接影响井下主排水泵房的管理水平和经济效益的提高。目 前随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器 ( p l c ) 控制已逐步取代继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域， 当然煤炭行业也不例外。所以在可编程序控制器触摸屏已在现代化矿井的自动 2 化生产中得到广泛应用的今天，将淮北岱河煤矿井下主排水系统进行p l c h m i ( 可编程序控制器一一触摸屏) 改造，弥补传统继电器控制的种种缺陷与不足， 提高系统的可靠性、稳定性、灵活性、可扩展性，并延长其寿命、使其容易改 变或增加系统功能，方便现场调试和维护，且能动态地监视控制程序的执行情 况，进而成为集监控、显示、通讯为一体的监控系统，对煤矿生产自动化程度 的提高，加快信息化、网络化的建设，节省人力，提高效率，增长经济效率， 促进国有老煤矿通过“减人提效”摆脱困境发展有着十分重大的意义。 1 2 2本课题的主要研究内容 本课题主要根据淮北矿业集团岱河煤矿井下泵房电控系统的实际情况和排 水控制的要求，研究利用三菱f x 系列p l c 及g t 0 10 0 系列触摸屏的编程、显 示和控制功能，进行自动控制方面的设计。实现对矿业集团岱河煤矿井下泵房 电控系统的改造。 1 3 本课题拟解决的问题及预期效果 1 3 1本课题拟解决的问题 控制系统由p l c 控制柜、就地控制柜、参量检测、高压开关柜、执行机构 等几个部分组成，能够实现： 1 、就地控制。 2 、集中一一人控。 3 、自动控制。 1 3 2本课题的预期效果 1 、在自动化、信息化方面达到国内先进水平； 2 、系统结构简明、运行可靠、操作方便、维修容易； 3 、设计方案和设备选型符合煤矿安全规程的规定； 4 、节约投资，能提高产品的“性能价格”比。 1 4目前国内外煤矿井下排水设备控制系统的研究现状及发展趋势 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。但目前国内 外各矿井的排水设备控制系统还大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 3 应煤炭发展的需要。还做不到根据水位或其它参数自动开停水泵，这将严重影 响井下主排水泵房的管理水平和经济效益的提高。现在随着计算机控制技术的 迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器( p l c ) 控制已逐步取代继电 器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域。煤炭行业也不例外。因此各 大煤矿都正在利用可编程序控制器、触摸屏、单片机等的控制功能，实现对老 煤矿井下排水设备控制系统的自动控制和改造，以提高现代化矿井的自动化程 度，起到“减人增效”等的效果。 4 第二章岱河煤矿井下排水系统目前情况及改造概况 2 1 目前情况 2 1 。1排水情况 岱河煤矿是淮北1 9 6 5 年1 2 月设计竣工的生产能力为6 0 万吨年( 现约为 1 5 0 万吨年) 的一个老矿井，井下涌水量较大，二水平有主水仓和副水仓各一 个，单仓有效容积约9 0 0m 3 。全矿2 4 小时正常排水量为2 1 8 m 3 h ，2 4 小时最 大排水量为4 5 6m 3 h 。主排水泵选用离心泵四台，扬程5 2 0 h m ，流量2 8 0 m 3 h 台 ( 7 7 8l s ) ；配套电机额定电压6 k v ，电抗器降压起动，灌引水采用真空吸水 法。通过原有的两条主排水管道排至地面。 2 1 2控制方式 岱河煤矿井下主排水系统目前采用的控制方式是传统的继电器控制方式， 设置专人专岗进行就地简单操作，较为落后。真空泵的运行和真空度的检测与 泵腔水压的高低及扬水阀开闭之间的配合、水泵开停及选择切换等，依靠两名 以上的操作人员凭经验合作完成。生产效率低，人为事故率较高，大量的实时 数据不能由地面调度人员及时监测和管理。 2 2改造概况 2 2 1改造的目的 利用三菱f x 系列p l c 及g t 0 1 0 0 系列触摸屏的编程、显示和控制功能， 为岱河煤矿提供一个完整全面的控制系统方案，使之既满足用户目前的应用需 求，又考虑到今后技术的发展趋势，来实现对该煤矿井下泵房主排水泵及其附 属的抽真空系统、就地控制柜与管道电动阀门等装置的p l c 自动控制及运行参 数自动检测、动态显示的p l c h m i 改造，并将数据传送到生产调度中心，进 行实时监测及报警显示。使之成为集监控、显示、通讯为一体的监控系统。为 煤矿生产自动化程度的提高，加快信息化、网络化的建设，促进国有老煤矿通 过“减人提效 摆脱困境发展建设的目标打下基础。 2 2 2改造设计的基本原则 我们经实地考察和多方调研，提出了本排水自动控制系统的基本设计原则： 1 、设计方案和设备选型必须最大限度地满足用户提出的各种功能需求，采 用国内、国际最新的规范和标准来设计、施工和测试，系统符合煤矿安全规 程的规定； 2 、主要部件尽量充分利用矿上现有资源，选用矿上在用的型号规格，做到 减少备件存储量、维护工作量小、维护强度和维护费用低、所需维护人员少。 新增产品部件尽量采用符合最新标准并得到国际权威机构认证的产品，保证系 统能兼容不同厂商、不同协议的设备，确保系统的安全性和稳定性； 3 、系统结构简明，运行可靠，操作方便，维修容易； 4 、节约投资，努力提高“性能价格 比： 5 、使用开放的接口、易实现的通讯方式，预留适当的扩展空间，为将来提 高系统控制性能、纳入矿区通讯网络提供方便。 2 2 3改造后的系统控制方案 根据以上控制系统设计的原则，我们在对该项目进行改造时，借鉴了国内 外同类型项目设计的先进技术和先进经验，在分析比较和充分论证的基础上， 确定以三菱f x 系列的p l c 作为控制单元，编程软件和监控软件根据实际情况 自行开发，对岱河煤矿井下主排水自动控制系统进行了全新的设计。确定了岱 河煤矿主排水系统技术改造是把一、三水平的涌水抽排至二水平中央水仓，然 后由二水平主排水泵直接排至地面。二水平有主水仓和副水仓各一个，主排水 泵选用离心泵四台，配套电机7 10 k w 、额定电压6 k v ，电抗器降压起动，灌 引水采用真空吸水法，通过原有的两条主排水管道排至地面。控制方案确定为： 以“p l c 一一触摸屏 为信息平台，集合各种检测、保护、控制、执行装置， 充分发挥计算机网络系统的功能和通讯的优势，实现集中控制和人工操作。集 控系统发生故障时，各泵组可通过就地控制柜和高压开关柜实现就地控制。 其系统图大略如下： 6 岱河矿中央泵房排水系统图( 据记录整理) 图2 1 岱河矿中央泵房排水系统图 2 2 4改造后控制系统的组成 改造后控制系统由p l c 控制柜、水泵就地控制柜、真空泵就地控制柜、参 量检测、数据自动采集、自动控制、动态显示及故障记录、报警和通讯接口及 执行机构等部分组成。各硬件之间的控制关系如下图： 触摸屏i 薪圈陲 可编程i | 甚ll 鲁 控制器ii 筛ll 槿 ( p l c ) il 拼。ii 测 驯熊 渊陲 空i l 空犁 泵ii 度i l 釜 电f f 检| i 蓬 机i i 测l | 择 水泵il真空泵 就地控制柜 li 就地控制柜 i o 接口 控制关系图 图2 2 改造后系统硬件控制关系图 7 f_卜枯糠一一耜飞 图2 3 改造后系统设备关系图 2 2 5 改造所需设备、主材表 表2 1改造所需设备、主材 序号设备名称 型号规格单位数量备注 内装p l c 、触摸屏、隔离 1p l c 控制柜 y k d z 一1 只 1继电器、u p s 、2 4 v d c 、3 6 v a c 电源等 2 监控软件非标套 1开发 p l c 控制软 3非标 套 1开发 件 4浮球开关h y s k 1 只 2水位检测 真空泵控制 厶 15 y k d z 一1 口 柜 水泵就地 厶 46 y k d z 一1 口 控制柜 7压力传感器 d 一0 0 5 m p a 只 1水位检测 8压力传感器 d 一6 0 m p a 只 4 泵口压力检测 9 编程器 厶 1便携式电脑口 10 屏蔽电缆 b v v p 2 1 o米 数量待定 合计 以下设备、主材由矿方提供 序号 设备名称 型号规格单位数量备注 1 电动阀门 只 8 2真空电磁阀只4 3电接点真空表 只 5 申正公司提 4动力、控制电缆批 l 供清册 数量据现场 5安装金具制作非标批 1 情况定 8 第三章p l c 控制柜方案设计及理论分析 3 1 可编程控制器p l c 概述 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而 设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控 制，定时，计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入 输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都 按易于工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 1 9 6 8 年美国g m ( 通用汽车) 公司提出取代继电器控制装置的要求，第二 年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器，并在g m 公司的汽 车自动装配线上首次使用并获得成功。接着美国m o d i c o n 公司也研制出0 8 4 控制，从此，这项新技术迅速在世界各国得到推广应用。19 7 1 年日本从美国引 进这项技术，很快研制出他们的第一台可编程序控制器。19 7 3 年西欧国家也研 制出他们的第一台可编程控制器。我国从1 9 7 4 年开始研制，1 9 7 7 年开始工业 推广应用。 早期的p l c 主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻 辑控制及定时、计数功能。 2 0 世纪7 0 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 p l c 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业 控制装置。2 0 世纪7 0 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算 机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、 超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、p i d 功能及极高的性价 比奠定了它在现代工业中的地位。 2 0 世纪8 0 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这 个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这 个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上 升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。2 0 世纪末期，可编程控制器的发 展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大 型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于 压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生 产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配 套更加容易。 3 1 1p l c 的组成及各部分的功能作用 9 p l c 系统主要由中央处理器( 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。如图3 1 所示： a c f d c现场设备 扩展单元 图3 1p l c 的基本组成 外设 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。 各部分的功能作用如下： 1 、中央处理单元( c p u ) 同一般的微机一样，c p u 是p l c 的核心。 的作用： ( 1 ) 接收从编程器输入的用户程序和数据。 ( 2 ) 通过输入接口接收现场的状态或数据， 寄存器中。 归纳起来主要有以下几个方面 并存入输入映象寄有器或数据 ( 3 )从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。 ( 4 ) 根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容， 通过输出单元实现输出控制。有些p l c 还具有制表打印或数据通信等功能。 2 、存储器 存储器主要有两种：一种是可读写操作的随机存储器r a m ，另一种是只 读存储器r o m 、p r o m 、e p r o m 和e e p r o m 。在p l c 中，存储器主要用于 存放系统程序、用户程序及工作数据。 系统程序是由p l c 的制造厂家编写的，和p l c 的硬件组成有关，完成系 1 0 统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等 功能，提供p l c 运行的平台。系统程序关系到p l c 的性能，而且在p l c 使用 过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器r o m 、p r o m 或 e p r o m 中，用户不能访问和修改。 用户程序是随p l c 的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制 要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于c m o s 静态r a m 中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防 止干扰对r a m 中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将 其固化在只读存储器e p r o m 中。现在有许多p l c 直接采用e e p r o m 作为用 户存储器。 工作数据是p l c 运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在r a m 中，以适应随机存取的要求。在p l c 的工作数据存储器中，设有存放输入输出 继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态 都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电 时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为 保持数据区。 3 、输入输出单元 输入输出单元通常也称i o 单元或i o 模块，是p l c 与工业生产现场之间 的连接部件。p l c 通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作 为p l c 对被控制对象进行控制的依据；同时p l c 又通过输出接口将处理结果 送给被控制对象，以实现控制目的。 p l c 提供了多种操作电平和驱动能力的i o 接口，有各种各样功能的i o 接口供用户选用。i o 接口的主要类型有：数字量( 开关量) 输入、数字量( 开 关量) 输出、模拟量输入、模拟量输出等。 4 、通信接口 p l c 配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。p l c 通过 这些通信接口可与监视器、打印机、其它p l c 、计算机等设备实现通信。p l c 与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控 制过程图像显示出来；与其它p l c 连接，可组成多机系统或连成网络，实现更 大规模控制。与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理 相结合。远程i o 系统也必须配备相应的通信接口模块。 5 、智能接口模块 智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的c p u 、系统程序、存储 器以及与p l c 系统总线相连的接口。它作为p l c 系统的一个模块，通过总线 与p l c 相连，进行数据交换，并在p l c 的协调管理下独立地进行工作。p l c 的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、 中断控制模块等。 6 、编程装置 编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控p l c 内部状 态和参数，与p l c 进行人机对话。它是开发、应用、维护p l c 不可缺少的工 具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机 系统。 7 、电源 p l c 配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，p l c 电源的稳 定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电 压在其额定值土15 的范围内波动。许多p l c 还向外提供直流2 4 v 稳压电源， 用于对外部传感器供电。 8 、其它外部设备 除了以上所述的部件和设备外，p l c 还有许多外部设备，如e p r o m 写入 器、外存储器、人机接口装置等。 3 1 2p l c 的基本工作原理 可编程序控制器是一种工业控制计算机，其工作原理是建立在计算机工作 原理基础上的，也就是通过执行反映用户控制要求的用户程序来实现的。c p u 以分时操作方式来处理各项任务，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序 的执行是按程序顺序依次完成相应各软电器的动作，即p l c 采用“顺序扫描， 不断循环”的工作原理。 1 、每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。 2 、输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有 新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 3 、一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 4 、元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 5 、扫描周期的长短由以下三个因素决定。 ( 1 ) c p u 执行指令的速度。 ( 2 ) 指令本身占有的时间。 1 2 ( 3 )指令条数 6 、由于采用集中采样、集中输出的方式。存在输入输出滞后的现象，即 输入输出响应延迟。 p l c 采集现场信息即采集输入信号有两种方式，一种是集中采样输入方式， 一种是立即输入方式。 1 、集中采样输入方式。一般在扫描周期的开始或结束将所有输入信号( 输 入元件的通断状态) 采集并存放到输入映象寄存器中。执行用户程序所需输 入状态均从输入映象寄存器中取用，而不直接到输人端或输入模块上去取用。 2 、立即输入方式。随程序的执行，需要哪一个输入信号就直接从输入端或 输出端模块取出这个输入状态，如“立即输入指令”就是这种。此时输入映像 寄存器的内容不变，到下一次集中采样输入时才变化。 同样，p l c 对外部的输出控制也有集中输出和立即输出两种方式。集中输 出方式在执行用户程序时不是得到一个输出结果就向外输出一个，而是把执行 用户程序所得的所有输出结果，先后全部存放到输出映像寄存器中，执行完用 户程序后所有输出结果一次性向输出端或输出模块输出，使输出部件动作。立 即输出方式是执行用户程序时将该输入结果立即向输出端或输出模块输出，如 “立即输出指令 就是这种，此时输出映像寄存器的内容也更新。 p l c 对输入输出信号的传送还有其他方式，如有的p l c 采用输入、输出刷 新指令，在需要的地方设置这类指令，可对此时的全部或部分输入点读人一次， 以刷新入映像寄存器内容，或将此时的输出结果立即向输出端或输出模块输出。 又如有的p l c 上有输入、输出的禁止功能，实际上是关闭了输入、输出的传送 服务，此时的输入、输出信号不读入，也不输出。 p l c 工作的全过程可用图3 2 所示的运行框图来表示。整个过程可分为三 部分，第一部分是上电处理。机器上电后对p l c 系统进行一次初始化，包括硬 件初始化，t 0 模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等；第 二部分是扫描过程。p l c 上电处理完成后进入扫描工作过程。先完成输入处理， 其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当c p u 处 于s t o p 停止方式时，转入执行自诊断检查。当c p u 处于r u n 运行方式时， 还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。第三部分是出 错处理。p l c 每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定p l c 自身的动作是否正 常，如c p u 、电池电压、程序存储器、i o 、通信等是否正常或出错。如检查 出异常时，c p u 面板上的l e d 及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入 出错代码。当出现致命错误时，c p u 被强制为s t o p 方式，所有的扫描停止。 电源o n 内部处理 输入处理( 输入传送、远程i o ) 通讯服务( 外设、c p u 、总线服务) 更新时钟、特殊寄存器 7c p u 、 鋈行方屯 ! l ! 墨堕 执行程序 = 输