基于PLC和触摸屏的煤矿泵房控制系统设计毕业论文.doc

基于PLC和触摸屏的煤矿泵房控制系统设计毕业论文 目 录1 绪论11.1研究背景11.2井下排水系统存在的主要问题21.3排水系统为何要实现自动控制21.4我国矿井主排水系统的现状31.5本节课题研究的主要内容31.6 小结42 排水系统主要技术简介52.1离心式水泵的工作原理52.1.1离心式水泵排水系统组成52.1.2射流泵或真空泵的工作原理62.1.3离心式水泵的启动和停机过程72.2可编程逻辑控制器的概况82.2.1可编程逻辑控制器的发展历程82.2.2可编程逻辑控制器的结构92.2.3可编程逻辑控制器的应用领域和主要特点102.2.4 PLC的基本工作原理112.3触摸屏简介122.3.1 触摸屏的工作原理132.3.2 触摸屏的主要特性132.3.3 触摸屏的类型142.3.4 各类触摸屏介绍142.3.5各类触摸屏原理192.4 小结203 泵房排水系统总体方案设计213.1排水系统的功能223.1.1排水系统的控制方式223.1.2水泵与排水管道的工作过程223.1.3水泵的开启与自动关闭223.1.4参数的显示233.1.5故障检测233.2系统结构框图243.3排水系统双位逻辑控制方式253.4排水系统控制过程273.5排水系统监测系统的特点283.6 小结284 硬件设计294.1 PLC种类和硬件选型294.1.1 控制系统的输入/输出参数统计294.1.2 PLC系统选型314.2水位与系统参数检测324.3触摸屏选型344.4 小结355 泵站排水系统的软件设计365.1 PLC的软件设计365.1.1 操作方式的选择365.1.2 水泵及管路的自动轮换工作375.1.3 动态监测及保护功能的实现395.2 上位机的软件实现405.2.1 设计要求405.2.2 设计内容415.2.3 界面显示415.3 上位机与PLC的通信445.3.1 PLC部分445.3.2 上位机部分475.4 小结486 总结与展望496.1总结496.2展望49参考文献50英文原文52中文译文60致 谢66中国矿业大学2012届本科生毕业设计1 绪论 井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，担负着井下积水排除的重要任务。然而，目前我国的井下排水系统仍由很多依靠传统的人工操作方式。本章分析这种排水系统的组成及工作过程，指出其存在的问题，为井下主排水系统自动控制的研究提供依据。1.1研究背景 在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下。矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关系，涌水量在不同的季节也呈现不同。在一些大水矿井，矿井涌水量可达到每秒17立方米，甚至超过每秒20立方米。另外，煤炭开采过程中，由于地层结构被破坏，岩层断裂，使采区与储水层连通，发生突水事故，涌水量会突然增加。如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产就可能受到阻碍，井下的安全就会得不到保障，严重者会造成重大事故。给人民的生命、国家的财产都带来了极大的威胁。因此，井下排水就显得尤为重要。井下排水系统的任务就是把流入井下煤矿巷道中的矿井积水排送至地表。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，井下排水设备运转的可靠性(安全运转)与经济性(效率高、电耗量小)，具有十分重要的意义。矿井水的成分很复杂，它对水泵和水管的腐蚀性，不仅与游离硫酸的存在有关系，而且也和硫酸镁、硫酸铁和硫酸铝的存在有一定关系。矿井水的物理性质和酸度，可用氢离子浓度(又叫氢离子指数)pH值的大小来表示。由于酸性矿井水对金属具有腐蚀破坏作用，所以井下排水设备的钢铁零件，一旦遇到酸性矿井水时，将会很快遭到破坏。因此，当pH值小于5时，就必须采用耐酸泵等防酸措施。1.2井下排水系统存在的主要问题目前，我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人工操作排水系统，以离心式水泵系统为主。这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础，泵站的起停时间判断，完全依赖于工人的经验和已有的操作规程。当水仓水位到达设定的高水位时，工人打开射流泵(或真空泵)，为水泵抽真空，同时观测真空表的读数。真空度达到要求后，起动水泵机组，使水泵运转。当水泵出水口压力表读数达到要求时，开起闸阀进行排水，同时关闭抽真空的射流泵(或真空泵)。 停泵过程要进行相反的操作。当水仓积水降至低水位时，先将电动闸阀关死，再停水泵机组。根据现场涌水量的不同，工人还要判断同时投入几台水泵工作，以便于既能及时排出积水，又能使泵站合理使用，避免过度频繁的起停。其存在的问题有如下几点：效率低、可靠性差。这种排水系统的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的完成各个执行件的操作。另外，对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验。作业过程比较复杂，要求工人具有很强的责任心，否则可能出现误操作，甚至发生大的事故。工人劳动强度大。人工操作无法避免高强度的劳作。尤其是闸阀的操作，劳动量最大。而且，水泵房要时时有人值守，以便在发生异常情况时，及时报警检修。1.3排水系统为何要实现自动控制针对上述排水系统存在的问题，本文提出了基于PLC的矿井主排水自动控制系统的设计。自动控制系统的应用，将使得排水系统可靠性增强，整个工作流程通过软件的编程来实现，程序确定后，水泵机组将按给定的程序自动启停水泵、开合阀门，极大的减小工人的劳动强度。PLC将水泵机组的运行状态与参数经过安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统的遥测、遥控。1.4我国矿井主排水系统的现状井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。随着控制理论和现代检测技术的发展，自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定的进步。传统的继电器控制方法，用人工进行检测(如人工检测水仓水位、淤泥厚度、管道、闸阀及配电设备状况等)，这种检测控制方法效率低，工人劳动强度大，且由于井下环境恶劣，导致故障率较高。所以靠人工检测的方法已不适应煤炭发展的需要，取而代之的是自动化排水系统。随之，一种新颖的矿井排水计算机自动控制系统问世。由于矿井排水系统属于多变量、非线性、时变的复杂系统，特别是在管道和水泵等环节中，各变量之间又存在着交叉，因此矿井排水系统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。目前，PLC在国内外工业控制中已获得广泛应用，在矿井排水系统中，采用PLC自动监测排水系统的运行状况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵启动的自动切换等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性高。1.5本节课题研究的主要内容 对目前我国煤矿井下排水系统的现状，本课题研究开发适合我国煤矿的井下自动排水系统。主要研究内容包括：1.开发电气控制系统，用PLC控制系统代替传统继电器控制系统。选择可靠的控制器及附属电器元件，适应井下环境，符合矿用设备的安全标准；并充分利用井下条件，使控制简便可行。2.根据排水控制的要求，进行PLC硬件和软件的设计，以达到地面化轮换工作和“避峰就谷”的目的，使水泵房工作更加高效节能。3.把超声波液位传感器用于煤泥水水位的测量。4.在触摸屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、等参数，超限报警，故障画面自动弹出，故障点自动闪烁。具有故障记录，历史数据查询等功能。5.使用电量检测模块对水泵电机的电源输入进行监测，并建立PLC与该模块之间的通信，可以使PLC根据各个水泵电机的电量监测数据判断他们的运行状态，做到有故障及时发现及时处理。6.研究PLC控制系统的可靠设计问题。1.6 小结 井下排水系统自动化程度低是我国煤矿企业普遍面临的问题。随着煤炭行业的发展,对排水系统自动化的要求越来越高，在此背景下，本课题提出了井下排水系统集中控制的研究方案。2 排水系统主要技术简介2.1离心式水泵的工作原理目前各大煤矿井下排水系统普遍采用离心式水泵作为主排水泵，对排水系统的控制主要还是对离心式水泵的控制。离心式水泵不同与其他的水泵，它的启动过程和停机过程都是非常复杂的，有其独特的启动和停机步骤，如果控制程序不是按照步骤进行控制的，水泵就会无法启动和正常工作，严重的话，会缩短水泵的使用寿命，甚至损坏电机和水泵。所以为了很好的对离心式水泵进行控制，有必要了解它的工作原理和控制方法。2.1.1离心式水泵排水系统组成 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。 1.滤水器和底阀 滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水下面，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导致漏掉。但是现在的排水系统中，为了提高排水效率，减少水泵腐蚀，一般不用底阀，而用射流泵或真空泵为水泵和吸水管注水。 本系统采用无底阀排水。 2.闸阀 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。 3.逆止阀 逆止阀安装在调节闸阀的上方，起作用是当水泵突然停止运转时，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，使水泵不导致受到水力冲击而遭到损坏。 4.压力表压力表安装在水泵的排水接管上，为检测吸水管的真空管用。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60mm，100mm，150mm,200mm,和250mm五种。压力表所测出来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。5.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60mm,100mm,150mm,200mm,和250mm五种。真空表的测量范围为0-0.1MPa（一个大气压）。 6.引水装置 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，这一个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。 本系统采用射流泵为排水泵注水，并用球阀作为射流泵的控制阀门。 2.1.2射流泵和真空泵的工作原理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。为了减少井水吸入阻力，提高泵站运行效率，吸水管不宜设置底阀。无底阀吸入式灌水，要采用专业的引水设备，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。 饮水设备一般为真空泵或射流泵。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。1.射流泵排水原理射流泵结构包括；喷嘴、吸入室、混合管、扩散管。 射流泵的工作原理是水射流时候的“虹吸现象”。如图2-1，高压水以流量Q1由喷嘴高速射出时，连续挟走了吸入室内的空气，在吸入内造成不同程度的真空，被抽升的液体在大气压力作用下，以流量Q2由管3进入吸入室内，两股液体（Q1+Q2)在混合管4中进行能量的传递和交换，使流速、压力趋于拉平，然后，经扩散管5使部分动能转化为压力能后，以一定的流速由管道6输送出去。 1.进水管； 2.喷嘴； 3.吸水管； 4.混合管； 5.扩散管； 6.压出管 图2-1射流泵系统结构图射流泵工作时要有高压水源，使喷嘴处产生高速水流，通过哄吸收入室产生真空，将低处的水吸入水泵内，再启动水泵。射流泵应该连接于水泵的最高处。在开启射流泵前，要把水泵排水管上的闸阀关闭。射流泵具有结构简单、占地少、安装容易、工作可靠、维护方便等优点，是一种常用的饮水设备，适合井下排水设备使用。2.真空泵排水原理水泵启动前，开动真空泵抽出水泵吸水管和泵体内的空气，由于泵体上口和吸水管下端均已经被水密封，因此，泵体和水泵吸水管内的空气越来越稀薄，形成负压，吸水井中的水在大气压的作用下，随着负压的升高逐渐进入到水泵吸水管和泵体内，直到充满水泵吸水管和泵体，这时关闭真空泵，开动水泵即可排水。利用射流泵实现无底阀排水时，如果没有其他水源，每一台泵房至少要留一台水泵有底阀排水，以防管中压力水漏光不能启动。射流泵也可以用压缩空气作为动力，射流泵所造成的真空与压力水或压缩空气的压力有关。2.1.3离心式水泵的启动和停机过程1.启动过程 当水位传感器在线检测到水位的高度， PLC接受到这个水位的高度并预先设定的需要排水的高度进行对比，判断是否需要开启排水设备来控制水仓水位在允许的范围内。当水位达到或者高于预定设定的高度时，PLC接通射流泵的电磁阀的线圈，使其开启从而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注入离心泵的腔体直至注满。这是水泵入口处的真空度会增加到一定的数值而不会再增加。这时，PLC会接受安装在水泵入口处的真空传感器反馈的信号，来决定是否允许接通水泵机组中的电动机出点来启动水泵。 当真空度的数值达到预先设定的值，PLC通过继电器和接触器接通水泵电动机的常开触点使其运行。在电动机启动的过程中，水泵的出口处的压力会逐渐增加。最后会达到某一数值而不再增加。 水泵出口压力通过压力传感器和变送器反馈给PLC。PLC将这个反馈回来的数值（电流信号）与预先设定好的压力值进行比较，当满足条件时，为水泵开启其出口处的的电动机闸阀使得这个水泵组进行排水。同时，关闭射流泵，停止为其引水。 水泵运行过程中，PLC装置监控水泵机组的各个参数，如：水泵入口真空度值，出口压力值，机组电动机电流，流量计测量的管路流量等参数数值，及其变化过程是否符合要求。 2 停机过程 当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，这时要关闭排水电闸阀，随后关闭水泵电机，使其停止工作。2.2可编程逻辑控制器的概况作为通用工业计算机，30年来，可编程控制器从无到有，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，在世界各地发挥着越来越大的作用。在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。2.2.1可编程逻辑控制器的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。 PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：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。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。2.2.2可编程逻辑控制器的结构 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。图2-2 PLC模块图2.2.3可编程逻辑控制器的应用领域和主要特点1.可编程逻辑控制器的应用领域 PLC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，使用情况主要分为以下几类： 1)开关量逻辑控制 取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2）工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制场合有非常广泛的应用。 3）运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。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，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4）数据处理 PLC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。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 5）通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.可编程逻辑控制器的特点 第一，可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。 第二，控制系统结构简单，通用性强 PLC及其外围模块品种多，可由多种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统，控制要求变更时，需要改变控制系统的功能，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入/输出组件和应用软件不同。 第三，配套齐全，功能完善，使用性强PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变的非常容易。2.2.4 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2-2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。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。PLC输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。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。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。2.3触摸屏简介触摸屏是一种定位设备，用户可以直接用手向计算机输入坐标信息，它和鼠标、键盘一样，是一种输入设备。触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，只要用手指轻轻地指碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直接了当，这种技术极大方便了那些不懂电脑操作的用户。触摸屏的应用范围非常广阔，主要有公共信息的查询，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；此外还可广泛应用于企业办公、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.所谓触摸屏，从市场概念来讲，就是一种人人都会使用的计算机输入设备，或者说是人人都会使用的与计算机沟通的设备。不用学习，人人都会使用，是触摸屏最大的魔力，这一点无论是键盘还是鼠标，都无法与其相比。人人都会使用，也就标志着计算机应用普及时代的真正到来。从技术原理角度来讲，触摸屏是一套透明的绝对定位系统，首先它必须保证是透明的，因此它必须通过材料科技来解决透明问题，像数字化仪、写字板、电梯开关，它们都不是触摸屏；其次它是绝对坐标，手指摸哪就是哪，不需要第二个动作，不像鼠标，是相对定位的一套系统，我们可以注意到，触摸屏软件都不需要光标，有光标反倒影响用户的注意力，因为光标是给相对定位的设备用的，相对定位的设备要移动到一个地方首先要知道现在在何处，往哪个方向去，每时每刻还需要不停的给用户反馈当前的位置才不至于出现偏差。这些对采取绝对坐标定位的触摸屏来说都不需要；再其次就是能检测手指的触摸动作并且判断手指位置。 2.3.1 触摸屏的工作原理为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收 CPU 发来的命令并加以执行。2.3.2 触摸屏的主要特性1.透明，它直接影响到触摸屏的视觉效果。在触摸屏行业里，只是个非常泛泛的概念，很多触摸屏是多层的复合薄膜，仅用透明一点来概括它的视觉效果是不够的，它应该至少包括四个特性：透明度、色彩失真度、反光性和清晰度，由于透光性与波长曲线图的存在，通过触摸屏看到的图象不可避免的与原图象产生了色彩失真，静态的图象感觉还只是色彩的失真，动态的多媒体图象感觉就不是很舒服了，色彩失真度也就是图中的最大色彩失真度自然是越小越好。平常所说的透明度也只能是图中的平均透明度，当然是越高越好。反光性，主要是指由于镜面反射造成图像上重叠身后的光影，如人影、窗户、灯光等。反光是触摸屏带来的负面效果，越小越好，它影响用户的浏览速度，严重时甚至无法辨认图像字符，反光性强的触摸屏使用环境受到限制，现场的灯光布置也被迫需要调整。清晰度，有些触摸屏加装之后，字迹模糊，图像细节模糊，整个屏幕显得模模糊糊，看不太清楚，这就是清晰度太差。清晰度的问题主要是多层薄膜结构的触摸屏，由于薄膜层之间光反复反射折射而造成的，此外防眩型触摸屏由于表面磨砂也造成清晰度下降。清晰度不好，眼睛容易疲劳，对眼睛也有一定伤害，选购触摸屏时要注意判别。 2.触摸屏是绝对坐标系统，要选哪就直接点那，与鼠标这类相对定位系统的本质区别是一次到位的直观性。绝对坐标系的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系，触摸屏在物理上是一套独立的坐标定位系统，每次触摸的数据通过校准数据转为屏幕上的坐标，这样，就要求触摸屏这套坐标不管在什么情况下，同一点的输出数据是稳定的，如果不稳定，那么这触摸屏就不能保证绝对坐标定位，点不准，这就是触摸屏最怕的问题：漂移。技术原理上凡是不能保证同一点触摸每一次采样数据相同的触摸屏都免不了漂移这个问题，目前有漂移现象的只有电容触摸屏。3.检测触摸并定位，各种触摸屏技术都是依靠各自的传感器来工作的，甚至有的触摸屏本身就是一套传感器。各自的定位原理和各自所用的传感器决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。2.3.3 触摸屏的类型 1.从安装方式来分，触摸屏可以分为：外挂式、内置式和整体式。外挂式触摸屏就是将触摸屏系统的触摸检测装置直接安装在显示设备的前面，这种触摸屏安装简便，非常适合临时使用。内置式触摸屏是把触摸检测装置安装在显示设备的外壳内，显像管的前面。在制造显示设备时，将触摸检测装置制作在显像管上，使显示设备直接具有触摸功能，这就是整体式触摸屏。2.从技术原理来区别触摸屏，可分为五个基本种类：矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。其中矢量压力传感技术触摸屏已退出历史舞台；红外线技术触摸屏价格低廉，但其外框易碎，容易产生光干扰，曲面情况下失真；电容技术触摸屏设计构思合理，但其图像失真问题很难得到根本解决；电阻技术触摸屏的定位准确，但其价格颇高，且怕刮易损；表面声波触摸屏解决了以往触摸屏的各种缺陷，清晰不容易被损坏，适于各种场合，缺点是屏幕表面如果有水滴和尘土会使触摸屏变的迟钝，甚至不工作。按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质把触摸屏分为四种，它们分别为电阻式、红外线式、电容感应式以及表面声波式。2.3.4 各类触摸屏介绍1、电阻触摸屏这种触摸屏利用压力感应进行控制。电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、它的内表面也涂有一层涂层、在他们之间有许多细小的（小于1/1000英寸）的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后送触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出（X，Y）的位置，再根据模拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏的最基本的原理。电阻类触摸屏的关键在于材料科技，常用的透明导电涂层材料有：A、ITO，氧化铟，弱导电体，特性是当厚度降到1800个埃（埃10-10米）以下时会突然变得透明，透光率为80，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度时又上升到80。ITO是所有电阻技术触摸屏及电容技术触摸屏都用到的主要材料，实际上电阻和电容技术触摸屏的工作面就是ITO涂层。B、镍金涂层，五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性好的镍金涂层材料，外导电层由于频繁触摸，使用延展性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命，但是工艺成本较为高昂。镍金导电层虽然延展性好，但是只能作透明导体，不适合作为电阻触摸屏的工作面，因为它导电率高，而且金属不易做到厚度非常均匀，不宜作电压分布层，只能作为探层。11四线电阻屏四线电阻模拟量技术的两层透明金属层工作时每层均增加5V恒定电压：一个竖直方向，一个水平方向。总共需四根电缆。特点：高解析度，高速传输反应。 表面硬度处理，减少擦伤、刮伤及防化学处理。 具有光面及雾面处理。一次校正，稳定性高，永不漂移。12五线电阻屏五线电阻技术触摸屏的基层把两个方向的电压场通过精密电阻网络都加在玻璃的导电工作面上，我们可以简单的理解为两个方向的电压场分时工作加在同一工作面上，而外层镍金导电层只仅仅用来当作纯导体，有触摸后分时检测内层ITO接触点X轴和Y轴电压值的方法测得触摸点的位置。五线电阻触摸屏内层ITO需四条引线，外层只作导体仅仅一条，触摸屏得引出线共有5条。特点：解析度高，高速传输反应。 表面硬度高，减少擦伤、刮伤及防化学处理。 同点接触3000万次尚可使用。 导电玻璃为基材的介质。一次校正，稳定性高，永不漂移。 五线电阻触摸屏有高价位和对环境要求高的缺点。1. 3电阻屏的局限不管是四线电阻触摸屏还是五线电阻触摸屏,它们都是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽，它可以用任何物体来触摸,可以用来写字画画，比较适合工业控制领域及办公室内有限人的使用。电阻触摸屏共同的缺点是因为复合薄膜的外层采用塑胶材料,不知道的人太用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。不过,在限度之内，划伤只会伤及外导电层，外导电层的划伤对于五线电阻触摸屏来说没有关系,而对四线电阻触摸屏来说是致命的。2、电容式触摸屏21电容技术触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的。电容式触摸屏是是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO，最外层是一薄层矽土玻璃保护层,夹层ITO涂层作为工作面,四个角上引出四个电极，内层ITO为屏蔽层以保证良好的工作环境。当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。22电容触摸屏的缺陷电容触摸屏的透光率和清晰度优于四线电阻屏，当然还不能和表面声波屏和五线电阻屏相比。电容屏反光严重，而且，电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的问题，由于光线在各层间的反射，还造成图像字符的模糊。电容屏在原理上把人体当作一个电容器元件的一个电极使用，当有导体靠近与夹层ITO工作面之间耦合出足够量容值的电容时，流走的电流就足够引起电容屏的误动作。我们知道，电容值虽然与极间距离成反比，却与相对面积成正比，并且还与介质的的绝缘系数有关。因此，当较大面积的手掌或手持的导体物靠近电容屏而不是触摸时就能引起电容屏的误动作，在潮湿的天气，这种情况尤为严重，手扶住显示器、手掌靠近显示器7厘米以内或身体靠近显示器15厘米以内就能引起电容屏的误动作。电容屏的另一个缺点用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为增加了更为绝缘的介质。电容屏更主要的缺点是漂移：当环境温度、湿度改变时，环境电场发生改变时，都会引起电容屏的漂移，造成不准确。例如：开机后显示器温度上升会造成漂移：用户触摸屏幕的同时另一只手或身体一侧靠近显示器会漂移；电容触摸屏附近较大的物体搬移后回漂移，你触摸时如果有人围过来观看也会引起漂移；电容屏的漂移原因属于技术上的先天不足，环境电势面（包括用户的身体）虽然与电容触摸屏离得较远，却比手指头面积大的多，他们直接影响了触摸位置的测定。此外，理论上许多应该线性的关系实际上却是非线性，如：体重不同或者手指湿润程度不同的人吸走的总电流量是不同的，而总电流量的变化和四个分电流量的变化是非线性的关系，电容触摸屏采用的这种四个角的自定义极坐标系还没有坐标上的原点，漂移后控制器不能察觉和恢复，而且，4个A/D完成后，由四个分流量的值到触摸点在直角坐标系上的X、Y坐标值的计算过程复杂。由于没有原点，电容屏的漂移是累积的，在工作现场也经常需要校准。电容触摸屏最外面的矽土保护玻璃防刮擦性很好，但是怕指甲或硬物的敲击，敲出一个小洞就会伤及夹层ITO，不管是伤及夹层ITO还是安装运输过程中伤及内表面ITO层，电容屏就不能正常工作了。3、红外线式触摸屏红外触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。红外触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。早期观念上，红外触摸屏存在分辨率低、触摸方式受限制和易受环境干扰而误动作等技术上的局限，因而一度淡出过市场。此后第二代红外屏部分解决了抗光干扰的问题，第三代和第四代在提升分辨率和稳定性能上亦有所改进，但都没有在关键指标或综合性能上有质的飞跃。但是，了解触摸屏技术的人都知道，红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜恶劣的环境条件，红外线技术是触摸屏产品最终的发展趋势。采用声学和其它材料学技术的触屏都有其难以逾越的屏障，如单一传感器的受损、老化，触摸界面怕受污染、破坏性使用，维护繁杂等等问题。红外线触摸屏只要真正实现了高稳定性能和高分辨率，必将替代其它技术产品而成为触摸屏市场主流。过去的红外触摸屏的分辨率由框架中的红外对管数目决定，因此分辨率较低，市场上主要国内产品为32x32、40X32，另外还有说红外屏对光照环境因素比较敏感，在光照变化较大时会误判甚至死机。这些正是国外非红外触摸屏的国内代理商销售宣传的红外屏的弱点。而最新的技术第五代红外屏的分辨率取决于红外对管数目、扫描频率以及差值算法，分辨率已经达到了1000X720，至于说红外屏在光照条件下不稳定，从第二代红外触摸屏开始，就已经较好的克服了抗光干扰这个弱点。第五代红外线触摸屏是全新一代的智能技术产品，它实现了1000*720高分辨率、多层次自调节和自恢复的硬件适应能力和高度智能化的判别识别，可长时间在各种恶劣环境下任意使用。并且可针对用户定制扩充功能，如网络控制、声感应、人体接近感应、用户软件加密保护、红外数据传输等。原来媒体宣传的红外触摸屏另外一个主要缺点是抗暴性差，其实红外屏完全可以选用任何客户认为满意的防暴玻璃而不会增加太多的成本和影响使用性能，这是其他的触摸屏所无法效仿的。4、表面声波触摸屏4.1 表面声波表面声波，超声波的一种，在介质(例如玻璃或金属等刚性材料)表面浅层传播的机械能量波。通过楔形三角基座（根据表面波的波长严格设计），可以做到定向、小角度的表面声波能量发射。表面声波性能稳定、易于分析，并且在横波传递过程中具有非常尖锐的频率特性，近年来在无损探伤、造影和退波器方向上应用发展很快，表面声波相关的理论研究、半导体材料、声导材料、检测技术等技术都已经相当成熟。表面声波触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板，安装在CRT、LED、LCD或是等离子显示器屏幕的前面。玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏的四个周边则刻有45角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。4.2 表面声波触摸屏工作原理以右下角的X-轴发射换能器为例：发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给X-轴的接收换能器，接收换能器将返回的表面声波能量变为电信号。当发射换能器发射一个窄脉冲后，声波能量历经不同途径到达接收换能器，走最右边的最早到达，走最左边的最晚到达，早到达的和晚到达的这些声波能量叠加成一个较宽的波形信号，不难看出，接收信号集合了所有在X轴方向历经长短不同路径回归的声波能量，它们在Y轴走过的路程是相同的，但在X轴上，最远的比最近的多走了两倍X轴最大距离。因此这个波形信号的时间轴反映各原始波形叠加前的位置，也就是X轴坐标。发射信号与接收信号波形在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样。当手指或其它能够吸收或阻挡声波能量的物体触摸屏幕时，X轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收，反应在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰减缺口。接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口位置即得触摸坐标控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定X坐标。之后Y轴同样的过程判定出触摸点的Y坐标。除了一般触摸屏都能响应的X、Y坐标外，表面声波触摸屏还响应第三轴Z轴坐标，也就是能感知用户触摸压力大小值。其原理是由接收信号衰减处的衰减量计算得到。三轴一旦确定，控制器就把它们传给主机。4.3表面声波触摸屏特点清晰度较高，透光率好。高度耐久，抗刮伤性良好(相对于电阻、电容等有表面度膜)。反应灵敏。不受温度、湿度等环境因素影响，分辨率高，寿命长（维护良好情况下5000万次）；透光率高（92%），能保持清晰透亮的图像质量；没有漂移，只需安装时一次校正；有第三轴（即压力轴）响应，目前在公共场所使用较多。表面声波屏需要经常维护，因为灰尘，油污甚至饮料的液体沾污在屏的表面，都会阻塞触摸屏表面的导波槽，使波不能正常发射，或使波形改变而控制器无法正常识别，从而影响触摸屏的正常使用，用户需严格注意环境卫生。必须经常擦抹屏的表面以保持屏面的光洁，并定期作一次全面彻底擦除。2.3.5各类触摸屏原理表面声波屏声波屏的三个角分别粘贴着X，Y方向的发射和接收声波的换能器（换能器：由特殊陶瓷材料制成的，分为发射换能器和接收换能器。是把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能和由反射条纹汇聚成的表面声波能变为电信号。），四个边刻着反射表面超声波的反射条纹。当手指或软性物体触摸屏幕，部分声波能量被吸收，于是改变了接收信号，经过控制器的处理得到触摸的X，Y坐标。四线电阻屏四线电阻屏在表面保护涂层和基层之间覆着两层透明电导层ITO（ITO：氧化铟，弱导电体，特性是当厚度降到1800个埃（埃10-10米）以下时会突然变得透明，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度时透光率又上升。是所有电阻屏及电容屏的主要材料。），两层分别对应X，Y轴，它门之间用细微透明绝缘颗粒绝缘，当触摸时产生的压力使两导电层接通，由于电阻值的变化而得到触摸的X，Y坐标。五线电阻屏五线电阻屏的基层之上覆有把X，Y两方向的电压场加在同一层的透明电导层ITO，最外层镍金导电层（镍金导电层：五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性好的镍金涂层材料，外导电层由于频繁触摸，使用延展性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命。）只用来作纯导体，当触摸时，用分时检测接触点X轴和Y轴电压值的方法测得触摸点的位置。内层ITO需四条引线，外层一条，共5根引线。电容屏电容屏表面涂有透明电导层ITO，电压连接到四角，微小直流电散部在屏表面，形成均匀之电场，用手触屏时，人体作为耦合电容一极，电流从屏四角汇集形成耦合电容另一极，通过控制器计算电流传到碰触位置的相对距离得到触摸的坐标。红外屏红外触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。红外触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。2.4 小结本章介绍了矿井排水系统的组成。设计系统采用直接排水系统，利用射流泵实现无底阀排水。介绍了PLC的特点功能，工作原理，以及触摸屏种类，选型根据其各种特点选择电阻触摸屏。3 泵房排水系统总体方案设计系统中设计有四台离心式排水泵和三条排水管路进行排水，并且每一个排水泵都和三个排水管路相连接，这是为了当其中一个管路故障时，可以继续用另外一个管路排水，而不至于排水中断。四台排水泵两台工作，两台备用，因而三条排水管路有两条工作，一条备用或检修。每一个排水泵和与它相连的三个排水管路之间都要用电动阀连接，可以方便的用PLC选择其中一条管路。排水管路和排水泵的系统连接图如图3-1。由图3-1可以看出，每一个排水管路都有两个排水电动闸阀，鉴于离心式水泵独有的启动特性，它们的打开和关闭是有先后顺序