基于漏缆射频通信技术的水泵自动控制设计

毕 业 设 计 论 文 题目：基于漏缆射频通信技术的水泵自动控制系 别专 业姓 名学 号指导教师2011年5月11日本科毕业设计（论文） 摘要 I摘 要长期以来国内煤矿形势非常严峻，国家正大力治理煤矿安全生产环境，为了更有效的提高煤矿安全生产能力，现设计一套基于漏缆射频通信技术的水泵自动控制系统解决矿井现有实际问题。本设计旨在设计一套基于泄漏电缆通信的矿井水泵自动控制系统，是完全以泄漏电缆作为传输介质的新型系统，由于泄漏电缆通信是以电缆作无线电台的天线，用它进行通信，可在一定范围内产生均匀的信号场强，而不受周围环境的影响，通信可靠性高，也不存在通信盲区，接收电平稳定，不容易受到外来信号干扰。所以泄漏电缆通信系统不会像传统的无线电台通信系统，因增大发射频率过大产生电火花，引发安全事故。本系统采用SIEMENS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。本系统采用水泵及管路的“自动轮换”工作制。又根据“避峰填谷”的原则确定开启水泵台数，以达到节省用电的目的。在就地PC端，采用易控组态监控系统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并尽早处理。S7-300通过CP340通讯模块，采用 RS-232C通信标准与就地 PC建立联系。关键词：泄漏电缆、射频通信、PLC、排水系统、自动控制本科毕业设计（论文） AbstractIIABSTRACT For a long time domestic coal domestic coal mine production safety situation is very serious, the country is increasing the coal mine safety and environment .To better enhance the safety of coal production capacity ,is to design a cable-based leak monitoring system for underground mine existing practical problems have been resolved.This design is based on the design to design a water pump leak able communications automatic control system of mine is totally leak cable as a transmission medium to a new system, due to leakage cables are cables for radio communication antenna, to communicate with it can range signal to generate a uniform field strength, free from the surrounding environment, communications, high reliability, there was no communications blackout, the receiver level stable and less susceptible to outside interference. Therefore, cable communications system does not leak like traditional radio communications system, due to increased firing frequency of excessive sparking, caused accidents. At first this text chose and designed drainage equipments, then designed auto-control part based on drainage control request. This system adopts s7-300 plc series produced by siemens，with many sensors(mainly including water line sensors, minus pressure sensors, pressure sensors, flux sensors) to complete auto-control function demanded in this system design. Water pumps and pipelines of this system are controlled to run in turn automatically. The number of running water pumps is confirmed by the principle of avoiding apex and filling vale in order to economize electricity. It introduces control ease configuration control system to take charge of inspecting running state and parameters of equipments so that trouble can be found and dealt with in time. S7-300 used standard rs-232 to communicate with pc on the spot through module cp340. KEY WORDS: Cable Leakage、RF Communications、Plc 、Automatic Control、Drainage System本科毕业设计（论文） 目录 目录摘 要ABSTRACT绪论 .1第一章 泄漏电缆系统概述 .21 泄漏电缆概述 .21.1泄漏电缆简介 .21.2泄漏电缆结构及应用 .21.2.1 泄漏电缆结构 .21.2.2 泄漏电缆的主要特点 .31.2.3泄漏电缆相关产品型号 .41.3 光纤通信 .41.3.1 光纤定义 .41.3.2 光纤通信基本组成 .41.3.3光纤通信的原理 .51.4 漏缆与光纤系统的对比 .51.5 射频通信 .51.5.1射频通信定义 .51.5.2射频通信特点及应用 .61.5.3射频通信系统组成 .6第二章 泄漏电缆通信系统结构及工作原理 .72.1泄漏监控系统的组成设备 .72.1.1前端机设备 .72.1.2电源及电源耦合器 .82.1.3线路放大器 .92.1.4分配 /分支单元 .102.1.5线路终端单元 .102.1.6接线盒 .112.1.7衰减器（ FPAD） .112.2 泄漏电缆工作原理 .11第三章 矿井排水系统 .133.1排水系统概述 .133.1.1矿井涌水主要来源 .13本科毕业设计（论文） 目录 3.1.2矿井排水系统的组成部分 .133.1.3主排水泵硐室的设备布置 .133.2 我国矿井主排水系统的现状 .143.3 矿井排水系统基本工作原理 .15第四章 基于PLC的井下自动排水系统总体设计 .164.1控制系统总体结构 .164.2基于PLC的矿井主排水控制系统设计 .164.2.1 系统硬件结构图 .164.2.2 S7300PLC 实现控制功能 .174.2.3 S7-300PLC的基本组成 .194.3 矿井自动排水系统的各种参数与检测 .214.3.1水仓水位的检测 .224.3.2液位检测装置的选择 .234.4 电机及水泵温度检测 .234.5水泵压力检测 .244.5.1 HS-956系列薄膜压力变送器 .244.5.2 HS-956系列薄膜压力变送器的特点 .244.5.3 主要技术指标： .244.6水泵流量检测 .254.6.1流量检测传感器 .254.7水泵负压检测 .26第五章 矿井自动主排水系统设备选型 .275.1 矿井常用水泵及附属设备 .275.1.1 水泵 .275.1.2底阀 .275.1.3闸阀 .285.1.4逆止阀 .285.1.5灌引水漏斗、放气栓和旁通管 .285.1.6压力表和真空表 .285.2 引水设备 .285.2.1用真空泵抽真空吸水 .295.2.2利用射流喷管抽真空吸水 .295.2.3真空泵与射流管的比较 .305.3 自动阀门 .305.3.1 电动闸阀 .305.3.2 电动球阀 .30本科毕业设计（论文） 目录 5.4高压开关柜 .31第六章 控制系统的软件设计 .326.1PLC的软件设计 .326.1.1软件流程图 .326.1.2水泵的自动开启、运行、停止故障保护流程图 .336.2控制系统上位机的软件设计 .336.2.1上位机与 PLC的通信 .336.2.2 CP340与计算机的连接 .33第七章 控制系统的抗干扰措施 .337.1常见的各种干扰源 .337.1.1.电源干扰 .337.1.2.电弧干扰 .337.2采取措施排除干扰 .337.2.1.抗供电电源干扰 .337.2.2抗电弧干扰 .33结论 .33参考文献 .33致 谢 .33系统总图 .45本科毕业设计（论文） 绪论 第1页绪论目前，国内大部分的井下泵房采用的是人工根据水位的高、低，手动开启水泵的方式，还有一少部分采用的是半自动的方式。由于开启水泵涉及到关闭电动阀门、排真空、开启软启动器及高压开关柜、开启电动阀门这一系列过程，在这些过程中还要人为地监视压力、真空度、阀门状态、流量、电量等一系列参数,所以一台水泵的开启过程一般需要两人配合才能够完成。井下泵房的设备检查主要靠检修人员的经验及简单的电量参数来判断水泵是否有故障，无法做到对系统的整体参数的了解，这就造成了无法在事故出现的前期发现事故隐患并排除隐患。 本系统采用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，PLC将水泵机组的运行状态与参数经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信、遥测、遥控。本文中大胆提出了利用加拿大MRS公司的KEEPWELL数字化矿井综合管理系统进行设计的构想，以泄漏电缆通过射频通信方式实现矿井中无线通信，通过与上位机的连接，该系统可以实现远程操控，通过计算机的决策控制，对设备的运行状态运行过程进行自动检测，从而达到有效地节约能源，降低了劳动强度，降低运行成本和延长设备寿命等目的，保证了系统的稳定性和可靠性。 本科毕业设计（论文） 泄漏电缆系统概述第2页第一章 泄漏电缆系统概述1 泄漏电缆概述1.1泄漏电缆简介泄漏同轴电缆（LEAKY COAXIAL CABLE ）通常又简称为泄漏电缆或漏泄电缆，其结构与普通的同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体三部分组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波，外界的电磁场也通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。目前，泄漏电缆的频段覆盖在450MHZ-2GHZ以上，适应先用的各种无线通信体质，应用场合包括无线传播受限的地铁、铁路隧道和公路隧道等，在国外泄漏电缆也应用于家内覆盖。与传统的天馈系统相比，泄漏电缆天馈系统具有以下优点：1. 信号覆盖均匀，尤其适合隧道等狭小空间2. 泄漏电缆本质上是宽频带系统，某些型号的泄漏电缆可同时用于CDMA800、GSM900 、GSM1800、 WCDMA 、WLAN等系统。3. 泄漏电缆价格虽然较贵，但当多系统同时引入隧道时刻大大降低总体造价。矿 用 通 信 电 缆 图 片矿用通信电缆，型号：MHYV，规格：14 1.2泄漏电缆结构及应用1.2.1 泄漏电缆结构泄漏电缆是是集信号传输、发射与接收等功能于一体，同时具有同轴电缆和天线的双重作用，特别适用于覆盖公路、铁路隧道、城市地铁等无线信号传本科毕业设计（论文） 泄漏电缆系统概述第3页播受限的区域。泄漏电缆结构与普通的同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体三部分组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波；外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。在山区隧道和地铁、矿井等场合进行通信，无线电波要受到阻碍，尤其是短波和超短波受到的传输衰减更大。测试表明，一台在中等开阔地能通上5千米的无线电台，放到井下或坑道里只能通20来米。增大无线电台的发射功率固然可以增大通信距离，但通信效果并不明显。有专家作过试验，即使将无线电台的发射功率加大100倍，它的传播距离也不过只能增加1/5 罢了。何况，在矿井下是不允许随意增大发射功率的，不然容易因电火花引发爆炸事故。泄漏电缆结构如图1.1所示。图1.1 泄漏电缆结构图1.2.2 泄漏电缆的主要特点： 一 、 立 体 式 防 范 区 域 覆 盖 范 围 界 线 明 显 ， 可 做 到 无 死 角 防 范 。 二 、 简 便 的 安 装 方 式 适 合 复 杂 地 形 安 装 ， 可 环 绕 任 意 形 状 的 境 界 区 域 ， 泄 漏感 应 线 缆 部 分 可 以 埋 在 地 下 或 装 入 墙 内 。 三 、 具 备 防 宠 物 误 报 功 能 可 以 将 小 动 物 、 如 小 狗 、 小 猫 等 在 防 区 移 动 的 干 扰滤 掉 ， 杜 绝 了 漏 报 ， 误 报 等 现 象 。 四 、 完 美 的 适 应 性 不 受 环 境 温 度 、 湿 度 、 风 雨 烟 尘 、 树 木 晃 动 等 变 化 影 响 。 本科毕业设计（论文） 泄漏电缆系统概述第4页五 、 细 致 宽 泛 的 灵 敏 度 调 节 功 能 四 档 灵 敏 度 连 续 可 调 ， 报 警 门 限 可 依 据 环 境变 化 任 意 设 置 。 六 、 合 理 的 人 性 化 结 构 设 计 外 壳 采 用 德 国 先 进 的 防 水 技 术 、 内 部 模 块 集 成 化设 计 。 1.2.3泄漏电缆相关产品型号： DS-100 100米 泄 漏 电 缆 系 统 DS-100B 100米 泄 漏 电 缆 系 统 （ 通 过 军 用 产 品 认 证 ） DS-200 200米 泄 漏 电 缆 系 统 DS-200B 200米 泄 漏 电 缆 系 统 （ 通 过 军 用 产 品 认 证 ） DS100CABLE 100米 泄 漏 电 缆 线 DS200CABLE 200米 泄 漏 电 缆 线泄漏电缆相对现代隧道中的其他电缆直径和体积较小，容易处理和安装铺设。通常350米/卷，并沿着电缆的防火外壳标明米长度。 16根外导体均匀地分布在不完全屏蔽的保护层外。其独特的结构使无线电信号可以进出泄漏电缆。1.3 光纤通信1.3.1 光纤定义光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。光纤通信技术（optical fiber communications）就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。1.3.2 光纤通信基本组成光纤通信是以光波为载波，以光纤为传输媒介的通信系统，它的基本构成由光发信机，光收信机，光纤或电缆，中继器和光无源器件以下五部分组成，光纤可以输出数字信号，也可以传输模拟信号1) 光发信机是实现电/光转换的光端机2) 光收信机是实现光/电转换的光端机3) 光纤或光缆构成光的传输通路本科毕业设计（论文） 泄漏电缆系统概述第5页4) 中继器由光检测器，光源和判决再生电路5) 无源器件1.3.3光纤通信的原理光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。1.4 漏缆与光纤系统的对比光纤系统优点：容许频带宽，传输容量大，损耗小，重量轻，体积小，节约金属材料。光纤系统缺点：煤矿井下环境特殊，不允许在井下进行熔接，所以必须在井上熔接好之后再到井下，这无疑增加了施工的难度，井下会有各种突发事故发生，如果光纤断裂，就要将所欲检测点拉到井上重新进行熔接，这不仅增加了额外的人力物力，同时也会造成监控的盲区，由于光端机成本很高，后期增加监控点不容易。泄漏电缆优点：布线简单，成本低，信号通过微波传输，降低了系统成本和施工难度，信号抗干扰性强，不易失真，传输无延时，而且还可以增加放大器或者无线数字微波中继传输机，以延长传输距离，监控距离可达数十公里，后期维护简单方便，系统结构简单，如果有新增节点加入不用重新布线，只需插入主干电缆上即可。泄漏电缆缺点：系统敷设漏泄同轴电缆，相对来说，漏泄通信系统比较昂贵，而且每隔一段，需加装一个双向放大器以补偿信号灯传输损失。1.5 射频通信1.5.1射频通信定义射频（RF）是Radio Frequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz30GHz之间。 射频简称RF射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频本科毕业设计（论文） 泄漏电缆系统概述第6页就是这样一种高频电流。有线电视系统就是采用射频传输方式。1.5.2射频通信特点及应用在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波 ,是无线电波中一个有限频带的简称,即波长在1米(不含1米)到1毫米之间。电磁波的发展,特别是70年代以来光纤技术的发展,具有技术变革的意义(见微波和射频波谱学)。 1.5.3射频通信系统组成图1.2 射频通信系统组成框图基带信号 ADC 信源编码器 信道编码器 数字混频器 调制器图1.3 发射机的组成部分接收信号 放大器 混频器 解调器 信道解码器 信源 解码器图 1.4接收机的组成部分射频是一个比较模糊的概念，从广义上看射频是只通过无线能够向外辐射电磁波的所有频率，通常将频率在30MHZ40GHZ的频率划分为射频频率。由于射频电路工作频率很高，信号很容易向外辐射，这种辐射既可以在电路内部发生，也可以在电路外部发生，因而元件间的耦合，元件与电路的耦合，电路与环境的耦合，都是射频电路必须考虑到问题。信源 输入换能器发射机 信道 接收机 输出换能器信宿噪声与干扰河南城建学院本科毕业设计（论文） 泄漏电缆通信系统第7页第二章 泄漏电缆通信系统结构及工作原理2.1泄漏监控系统的组成设备2.1.1前端机设备每个系统要求一个前端机，它含有以下四个部分：HE主板前端机提供了至语音基站、数据调制器以及视频监视器的接口。前端机可以支持8个语音/数据信道，并可通过前端机扩展单元扩充至 16,24或32个。前端机包括滤波器和放大器，用于路由无线电信号到接收器与发射器的合路和分路。连接视频模块到前端机，可提供16个视频信道。HEPS（前端机供电单元）前端机供电单元系统含有13.6Vdc电源和备用电池单元，由主电源120/20Vac供电，前端机电源为前端主机和基站提供直流电源，输入为交流市电（110/220V），输出为13.6V的直流电。前端机设备用电池，