基于PLC的煤矿水泵控制系统设计

0 毕业设计任务书 专业年级 学号 学生姓名 任任务务下下达达日日期期 年年 月月 日日 毕业设计日期 毕业设计日期 年年 月月 日日 至至 年年 月月 日日 毕业设计题目 毕业设计题目 基于基于 PLC 的煤矿水泵控制系统设计的煤矿水泵控制系统设计 毕业设计专题题目 毕业设计专题题目 毕业设计主要内容和要求 毕业设计主要内容和要求 1 熟悉煤矿水泵系统的工作方式和控制要求 了解 PLC 在工业过程 控制的一般方法 2 熟悉 S7 200 系列 PLC 的硬件模块 学习并掌握编程监控软件的使 用及控制软件的编制 3 完成煤矿中央泵房系统就地控制系统 PLC 模块的配置 模块硬件 连接图 编制控制程序 4 翻译近 5 年的相关英文资料 或论文 一篇 中文字数不少于 3000 汉字 5 完成毕业设计论文的撰写 指导教师签字 1 郑 重 声 明 本人所呈交的毕业设计 是在导师的指导下 独立进行研究所取得的 成果 所有数据 图片资料真实可靠 尽我所知 除文中已经注明引用的 内容外 本毕业设计的研究成果不包含他人享有著作权的内容 对本论文 所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体 均已在文中以明确的方式 标明 本论文属于原创 本毕业设计的知识产权归属于培养单位 本人签名 日期 2 摘 要 排水设备在煤矿生产建设中是必不可少的大型固定设备 一个煤矿排 水泵站 一般来说 由多台排水泵组成 它贯穿整个排水系统起着非常重 要的作用 因为积水受环境的影响比较大 所以排水泵的运行数量也要做 相对的变化 现在以微处理器为核心的可编程控制器 PLC 已逐步取代了继电器控制 广泛应用于各行各业的自动控制领域 本文结合当前控制技术 设计了自 动控制系统在矿井排水系统中的应用 以西门子 S7 200 系列 PLC 作为中心 控制单元 并扩展了必要的数字量输入模块 模拟输入模块和通信模块 设计了自动和手动控制两种控制模式 可以根据不同情况选择控制方 式 自动模式下 实时测量水仓的水位 根据水位的变化和水仓水位变化 速度 并充分考虑 避峰就谷 的原则 自动决定开启水泵的时间和台数 保证安全的基础上 尽可能降低电力消耗成本 来实现经济高效的煤矿生 产 关键词 井下排水系统 PLC 自动控制 3 ABSTRACT Pumping equipment in coal mine production is indispensable in the construction of large fixed equipment A coal mine drainage pump station in general there are composed of many sets of drainage pumps it runs through the drainage system plays a very important role Because water is affected by environment is larger so the operation of the drainage pump number also should make relative changes Now with microprocessor as the core programmable controller PLC has gradually replaced the relay control automatic control field is widely used in all walks of life Combining with the current control technology automatic control system is developed in our country the application of the mine drainage system With Siemens S7 200 series PLC as central control unit and expanded the necessary digital quantity input module analog input module and communication module Designed for automatic and manual control two kinds of control mode can choose according to different situation control mode Automatic mode the real time measurement of water warehouse water level according to the change of water level and water warehouse water level change speed and give full consideration to the principle of peak to valley automatically determines the time of open the pump and the Numbers ensure safety on the basis of as much as possible reduce the power consumption cost to achieve economic efficiency of coal mine production Key words Underground drainage system PLC automatic control 4 目 录 1 绪论 1 1 1 煤矿井下排水重要性 1 1 1 1 矿井水的来源 1 1 1 2 排水重要性 1 1 2 国内外研究状况 2 1 2 1 国内研究状况 2 1 2 2 国外研究状况 2 1 3 本课题研究的主要内容 3 1 4 小结 3 2 煤矿泵房自动控制系统 4 2 1 可编程控制器技术概况 4 2 1 1 可编程控制器的产生和发展 4 2 1 2PLC 的系统组成 5 2 1 3PLC 的工作原理 6 2 1 4 PLC 的功能特点 9 2 2 主排水控制系统 12 2 2 1 排水系统原理 12 2 2 2 系统组成 12 2 3 离心式水泵排水系统 14 2 3 1 离心泵排水系统组成部分 14 2 3 2 射流泵的工作原理 14 2 3 3 射流泵的特点 15 2 4 离心式水泵的启停过程 15 2 4 1 启动过程 15 2 4 2 停机过程 16 2 5 小结 16 3 主排水自动控制系统的硬件设计 17 3 1 主排水自控系统主要设备选型 17 3 1 1 主要硬件选型 17 3 1 2 PLC 的选型 18 3 2 各模块地址分配 22 3 3 排水自动控制系统硬件连接 25 3 4 小结 31 4 自动控制系统的程序设计 32 4 1 主程序的编程 32 4 2 水位判断 34 5 4 3 水泵轮换工作 35 4 4 模拟量采集 37 4 5 避峰就谷原则 39 4 6 自动控制 41 4 7 小结 42 5 PLC 控制系统的可靠性设计 43 5 1 PLC 控制系统的干扰因素 43 5 1 1 电源引入的干扰 43 5 1 2 I 0 信号线引入的干扰 43 5 1 3 接地线引入的干扰 43 5 2 PLC 控制系统的抗干扰措施 44 5 2 1 电源系统的抗干扰措施 44 5 2 2 I 0 通道的抗干扰措施 44 5 3 小结 44 总 结 45 6 1 绪论绪论 1 1 煤矿井下排水重要性煤矿井下排水重要性 1 1 1 矿井水的来源矿井水的来源 矿井水的形成一般是由于巷道揭露和采空区塌陷波及到水源所致 其 水源主要是含水层水 采空区老塘水 地表水 大气降水和断层水 含水层水 绝大多数的情况下 大气降水和地表水被添加到含水层 然后流入矿井中 含水层早期对矿井影响较小 随着时间的推移 含水层水会长期影响矿山 采空区老塘水 古代和近期的采空区及废弃巷道 由于长期停止排 水而使地下水聚集 这种水源含有大量的硫酸根离子 PH 值在 3 左右 有 的甚至为 1 具有强烈腐蚀性 这种水成为突水水源时 危害性极大 地表水 地表水包括河流 湖泊 池塘 水库等 当地表水体中影 响范围内采矿时 在一定的条件下 水会涌进坑道成为矿井充水来源 一 般来说 离地表水越接近 矿井涌水量越大 造成的损失越大 大气降水 地区降水量的大小 降水性质和强度及延续时间也对矿 井的充水有很大影响 矿井水量变化与气候息息相关 但是涌水量高峰出 现的时间往往有些滞后 而且随深度的增加滞后的时间更长 断层水 是指由不透水岩层 切断了的地下水 由于水不能通过土壤 或岩石 如粘土 壤土和致密完整的页岩 火成岩和变质岩 因此存在的 隔水层 使两层不接触水 所以在有多层不同的水质 水量的含水层地区 需要分层开采地下水 隔水层厚度和位置必须确定 低于地下水位开采矿 产 为了防止地下水含水层中进我的 充满了隔水层必须维护 1 1 2 排水重要性排水重要性 在现阶段我国煤矿事故频繁发生 造成伤亡的人数和设备财产损失是 巨大的 因此煤矿安全问题日益受到人们的关注 煤矿事故的原因有很多 如顶板 运输 火灾和煤尘爆炸 但通常瓦斯爆炸和水灾是最频繁 最严 重的 如果矿井水不能够及时排放 将不可避免地导致水灾 导致设备损 坏 人员伤亡 对矿井带来灾难性的后果 因此 设计一个有效的煤矿井 下排水系统是必不可少的 7 1 2 国内外研究国内外研究状况状况 1 2 1 国内研究状况国内研究状况 国内外学者在研究煤矿井下排水系统控制上已取得了许多成果 国内 研究工作者主要是从安全性 可靠性和节能的角度来研究煤矿排水系统 对煤矿中央泵房水泵的自动控制系统的成功改造 为在我国在自动控 制排水系统开辟了一个新方法 这也证明了计算机对水泵的控制和矿井监 控组成的矿井排水控制系统是一种可行的方法 随后几年 国内研究人员 从离心泵 管道 电动机三个方面提出了对地下排水系统进行节能改造 国内某研究所提出了采用 PLC 自动检测水仓的水位 管道压力 排水流量 等数据 根据煤矿用电情况和具体条件建立数学模型 实现水泵避峰就谷 操作 节省矿山排水系统在能源上的消耗 因此来降低煤矿生产的成本 1 2 2 国外研究国外研究状况状况 矿井排水设备是煤矿生产的主要用电设备之一 因此实现排水系统的 节能用电是十分必要的 俄罗斯科学副博士 B B 马祖连科介绍了作为排水 设备主要类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 由于控制理论和 现代检测技术的发展 使得自动排水系统的研究在理论和实践中取得了一 些巨大成果 俄罗斯教授波波夫 博士波波夫教授和北乌拉尔铝土矿生产 联合公司工程师沙尔塔诺夫 在 2000 3500 kw 异步电动机直接进入电网 全电压起动与矿井高扬程水泵双机拖动的的比较 指出了矿井排水高扬程 水泵采用双电机拖动具有无可争辩的优越性 井水质量对排水设备的影响 管道的维护和清理也是一个需要长期研 究的问题 俄罗斯研究人员利用成本相等的原则 推出了水泵循环使用周 期和管道清洗周期的计算公式 为管道清理和水泵的使用提出了科学依据 提高了整个排水系统的安全性能 酸性矿井废水和有害元素对井下排水系 统的影响也是一个严峻的考验 它不仅仅是关于整个排水系统正常运行 还影响地下设备的运行和矿井工作人员的安全 因此排除酸性矿井废水和 有害元素的技术是国外学者研究矿山排水竭力解决的问题 国外很多国家 根据他们特定的环境问题 由其是对矿井酸性废水进行大量研究 并发表 数百篇学术论文和一些专著 对世界在矿井排水的研究上作出了巨大的贡 献 8 在许多发达国家 矿井排水已经进入系统管理的阶段 集中在标准化 实时化和统计划管理矿井排水问题 利用信息论 控制论 系统论和计算 机技术建立水资源管理的信息系统 他们将排水设备的自动化的内容列入 了矿山整体水资源管理的规划之中 将所有的控制信息集中给中心控制室 来进行统一控制 1 3 本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 针对目前我国煤矿井下排水系统的现状 本课题研制开发适合我国煤 矿的井下自动排水系统 主要研究内容包括 1 根据排水系统控制要求进行 PLC 硬件选型和软件的设计 2 根据水仓水位系统可以自动启停水泵 轮换工作 3 根据水仓水位条件按照 避峰填谷 的原则启停水泵 4 对系统设备运行 保护等参数进行实时监测和传送 5 发生故障时 启动故障处理功能 1 4 小结小结 这一章先是介绍了煤矿井水灾的主要来源和水灾带来的危害 明确矿 井排水的重要性 然后分别介绍了煤矿井下排水自动控制系统在国内外的 研究状况 最后根据目前煤矿排水系统所面临的的问题 提出本文研究的 主要内容 9 2 煤矿泵房自动控制系统煤矿泵房自动控制系统 2 1 可编程控制器技术概况可编程控制器技术概况 可编程序逻辑控制器 Programmable Logic Controller PLC 是一种 可编程的存储器 用来执行内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定 时 计数和算术等方面的操作 并可以通过数字量或模拟量输入 输出来控 制各种类型的机器和生产过程 可编程控制器及其相关的设备是根据易于 工业控制系统和扩充的原则设计的一个有机整体 PLC 只有 30 多年的发展 历史 却取得了快速的发展和广泛的应用 现在已经成为当代工业自动化 的主要支柱之一 2 1 1 可编程控制器的产生和发展可编程控制器的产生和发展 20 世纪 20 年代起 人们把各种继电器 定时器 接触器及其触电按照一定的逻 辑关系连接起来组成控制系统 控制各种机械 这就是大家所熟悉的传统继电器控制 系统 由于他结构简单 易于掌握 价格便宜 能够满足大部分场合电气顺序逻辑控 制的要求 因此在工业控制领域一直占有主导地位 20 世纪 60 年代 由于小型计算机的出现和大规模生产的发展 人们曾经试图利 用小型计算机来实现工业控制的要求 但由于价格昂贵 编程复杂等原因一直没有大 规模的推广应用 20 世纪 70 年代中期出现了微型处理器和微型计算机 人们将微机技术应用到了 PLC 中 使它能更多发挥计算机的功能 不仅用逻辑编程取代了硬连线逻辑 还增加 了运算 数据传输和处理等功能 使其成为一种电子计算机工业控制设备 国外工业 界在 1980 年正式将其命名为可编程控制器 简称 PC 但由于它和个人计算机的简 称容易混淆 所以现在把可编程控制器简称为 PLC 10 2 1 2PLC 的系统组成的系统组成 PLC 种类繁多 但其组成结构和工作原理基本相同 用 PLC 实施控制 其实质是按照控制功能要求 通过程序按一定的要求进行输入 输出变换 并将这个变换给以物理实现 并应用于工业现场 PLC 专为工业现场应用 而设计 采用典型的计算机结构 它主要与 CPU 电源 储存器和专门设 计的输入 输出接口电路等组成 图 2 1 PLC 的结构框图 一 中央处理单元 CPU 中央处理单元 CPU 一般由控制器 运算器和寄存器组成 这些电路 都集中在一个芯片内 CPU 通过数据总线 地址总线和控制总线与存储单 元 输入 输出接口电路相连接 CPU 的主要任务是控制用户程序和数据的接受和存储 用扫描的方式 通过 I O 接口接受现场信号的状态和数据 并存入输入映像寄存器或数据 存储器中 诊断 PLC 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等 PLC 进 入运行状态后 从存储器逐条读取用户指令 经过命令解释后按指令规定 的任务进行数据传送 逻辑或算数运算等 根据运算结果 更新有关标志 CPU 存储器 电源部分 输 入 接 口 单 元 输 出 接 口 单 元 编程设备 按钮 行程开关 COM 接触器 电磁阀 指示灯 L 11 位的状态和输出映像寄存器的内容 再经输出部件实现输出控制 制表打 印或数据通信等功能 二 存储器 PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分 系统存储器用来存放由 PLC 生产厂家编写的系统程序 并固化在 ROM 内 用户不能更改 它使 PLC 具有基本的功能 能够完成 PLC 设计 者规定的各项工作 系统程序主要包括三个部分 系统管理程序 用户指 令解释程序和标准程序模块与系统调用管理程序 用户存储器包括用户程 序存储器和用户数据寄存器两个部分 用户程序存储器来存放用户针对具 体控制任务用规定的 PLC 编程语言编写的应用程序 用户数据存储器可以 用来存放用户程序中所使用器件的 ON OFF 状态和数值 数据等 用户存 储器的大小关系到用户程序容量的大小 是反应 PLC 性能的重要指标之一 3 输入 输出单元 PLC 的输入 输出信号类型可以是开关量 模拟量 输入 输出接口 单元可以分为两个部分 一部分是与被控设备相连的接口电路 另一部分 是输入和输出的映像寄存器 4 电源部分 PLC 一般使用 220V 的交流电源或是 24V 的直流电源 内部的开关 电源为 PLC 的中央处理器 存储器等电路提供 5V 24V 等直流电源 整 体式的小型 PLC 还提供一定容量的直流 24V 电源 供外部有源传感器使用 PLC 所采用的开关电源输入电压范围宽 体积小 效率高 抗干扰能力强 2 1 3PLC 的工作原理的工作原理 当 PLC 上电后 处于正常运行时 他将不断重复扫描过程 并不断循 12 环重复下去 这个过程主要分为三个阶段即 输入采样阶段 程序执行阶 段 输出刷新阶段 这三个阶段是 PLC 工作过程的中心内容 也是 PLC 工作原理的实质所在 13 电源ON 内部处理 输入处理 输入传送 远程I O 通信服务 外设 CPU 总线服务 更新时钟 特殊寄存器 CPU运行方式 执行程序 输出处理 执行自诊断 PLC正常否 存放自诊断错误结果 致命错误 CPU强制为STOP Y Y N N N N Y Y R RU UN N S ST TO OP P 图 2 2 PLC 的运行框图 一 输入采样阶段 14 PLC 在输入采样阶段 首先扫描所有输入端子 并将各输入状态存入 相对应的输入映像寄存器中 此时输入映像寄存器被刷新 接着系统进入 程序执行阶段 在此阶段和输出刷新阶段 输入映像寄存器与外界隔离 无论输入信号如何变化 其内容保持不变 直到下一个扫描周期的输入采 样阶段 才重新写入输入端的新内容 所以一般来说 输入信号的宽度要 大于一个扫描周期 或者说输入信号的频率不能太高 否则很可能造成信 号丢失 2 程序执行阶段 进入到程序执行阶段后 一般来说 PLC 按从左到右的 从上到 下的步骤顺序执行程序 当指令涉及输入 输出状态时 PLC 就从输 入映像寄存器中 读入 对应输入端子状态 从元件映像寄存器 读 入 对应元件的当前状态 然后进行相应的运算 最新运算的结果马 上再存入到相应的元件映像寄存器中 对元件映像寄存器来说 每一 个元件的状态会随着程序执行过程而刷新 3 输出刷新阶段 在用户程序执行完毕后 元件映像寄存器中所有输出继电器的状态 在输出刷新阶段一起转存到输出锁存器中 通过一定的方式集中输出 最 后经过输出端子驱动外部负载 在下一个输出刷新阶段开始之前 输出锁 存器的状态不会改变 从而相应输出端子的状态也不会改变 2 1 4 PLC 的功能特点的功能特点 一 PLC 鲜明的特点 1 抗干扰能力强 可靠性高 针对工业现场恶劣的环境因素 为提高抗干扰能力 PLC 在硬件和软 件方面都采取了许多措施 主要模块均采取采用大模块与超大规模集成电 15 路 I O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路 在结构上对耐热 防 潮 防尘 抗震等都有周到的考虑 在硬件上采用隔离 屏蔽 滤波 接 地等抗干扰措施 对电源部分采取了很好的调整和保护措施 在软件上采 用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施 采用信息保护和恢复技术 实时报 警和运行信息显示等 所以这使 PLC 具有很高的抗干扰能力 PLC 采用微电子技术 大量的开关动作由无触点的电子存储器件完成 传统的继电器控制系统中的逻辑器件和繁杂的连线软件被软件程序取代 所以 PLC 控制系统的可靠性就大大提高 2 控制系统结构简单 通用性强 大部分情况下 一个 PLC 主机就组成一个控制系统 对于需要扩展 的系统只要选好扩展模块 进过简单的连接即可 PLC 控制系统实质性的 好处是当控制要求改变时 需要变更控制系统的功能时 只需对程序进行 简单的修改 对硬件部分稍作更改即可 而不像继电器控制系统那样 在 一个装配好的控制盘上 对系统进行修改几乎是不可能的事 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 所以说 PLC 控制系统具有极高的柔性 即通用性强 3 编程方便 易于使用 PLC 是面向底层用户的智能控制器 因此其最初的目的就是取代继 电器逻辑 所以在 PLC 诞生之时 其设计者充分考虑到现场工程技术人员 的技能和习惯 其编程语言采用可和传统控制系统中电气原理图类似的梯 形图语言 这种编程语言形象直观 容易掌握 不需要专门计算机知识和 语言 只要具有一定的电气和工艺知识的人员都可以在短时间内学习 4 功能强大 成本低 现在 PLC 几乎可以满足所有工业控制领域的需要 PLC 控制系统可 大可小 能轻松完成单片机控制系统 批量控制系统 制造业自动化中的 复杂逻辑顺序控制 流程工业中大量的模拟量控制 以及组成通信网络 进行数据处理和管理等任务 5 设计 施工和调试的周期短 采用 PLC 控制 由于其硬软件齐全 为模块化积木式结构 且已经商 16 品化 故仅需按性能 容量等选用组装 而大量具体的程序编制工作也可 以在 PLC 到货前进行 因而缩减了设计周期 由于软件编程取代了硬接线 实现控制功能 大大减轻了繁重的安装接线工作 从而缩短了施工周期 因为 PLC 是通过程序完成控制任务的 采用了方便用户的工业编程语言 且都具有强制和仿真的功能 故程序的设计 修改和调试都很方便 这样 大大缩短设计和投运周期 6 维护方便 PLC 的输入 输出端子能够直观的反映现场信号的变化状态 通过编 程工具可以直观地观察控制程序和控制系统的运行状态 如内部工作状态 通信状态 I O 点状态 异常状态和电源状态 极大的方便了维护人员查找 故障 缩短了对系统的维护时间 二 S7 200 的几个特性 1 定义掉电保护 S7 200 PLC 允许用户定义掉电保护区的地址范围 这些元件包括 V M C T 被定义过的区间 可以在停电后任然保持存储器中的数据 只有保持型定时器可以设为设为掉电保护的 对计数器和定时器来说 只 有当前值可以保持 它们的位不能保持 在默认情况下 M 存储器的前 14 个字节是非保持的 2 立即读写 I O S7 200 PLC 提供有立即读写物理 I O 点的指令 使用这些指令可以直接访 问真正的输入 输出点 而不必使用映像寄存器作为源地址和目的地址来访 问 I O 3 对输入信号增加滤波器 干扰信号会引起系统的误操作 S7 200 PLC 允许为 CPU 模块上的输 入点设置滤波器 并未滤波器定义延迟时间 延迟时间从 0 2ms 12 8ms 可 选 延迟时间可有助于滤除输入杂波 减少输入状态发生意外改变的可能 性 17 4 捕捉窄脉冲 S7 200 PLC 为 CPU 模块上的数字量输入点提供脉冲捕捉功能 该功能允许 PLC 捕捉到持续时间很短的脉冲信号 当一个输入点设置了脉 冲捕捉功能后 输入点的状态变化被锁存并一直保持到下一个扫描采样阶 段 这就保证了一个持续时间很短的脉冲信号能被捕捉到 5 模拟电位器 模拟电位器位于 CPU 模块的面板上 有些 CPU 有一个 有些有两个 电位器的标定范围为 0 255 这些电位器可以完成很多功能 如更新定时 器 计时器的设定值 修改限定值等 其特点是成本低 简单 但不直观 精度低 6 高速 I O S7 200 PLC 具有集成的高速计数功能 它能够对外部高速事件计数 而不影响 CPU 的性能 S7 200 PLC 也支持高速脉冲输出功能 其输出点 Q0 0 和 Q0 1 可形成高速脉冲串输出或脉宽调制输出 7 设置停止模式下的输出值 有些情况下 为了安全等方面的原因 需要设置在停止状态下 PLC 的输出值 S7 200 PLC 允许用户选择在 STOP 模式下的输出状态 输出有 数字量信号和模拟信号之分 对这些输出信号 可以设置它们是保持 STOP 前的状态 还是将已知设定值传送到输出端 2 2 主排水控制系统主排水控制系统 2 2 1 排水系统原理排水系统原理 在手动控制排水系统的基础上加以改进 使排水系统具备手动和自动 两种控制方式 达到智能工作的目的 自动控制是指根据水泵 真空泵以 及其它相关联设备的工作要求设定程序来自动完成控制 而手动控制则需 18 要操作员根据要求 按照一定顺序来进行水泵及其相关设备的开停控制 系统采用 PLC 可编程控制 为核心 通过采集各种参数包括水箱水位 压力 温度 真空度 电压 电流等 对水泵的工作状态进行实时监控 当接收到来自操作台的控制命令时 对水泵等电器设备进行启动 停止等 相关操作 还可以将数据传至上位机 并通过上位机对井下排水设备进行 监控 具体来说 系统具有以下功能 1 可以选择自动控制或是手动控制 2 水泵轮换工作 以水泵的工作效率高为标准 对系统参数进行实时 监测 优化排水系统的工作状态 使系统高效运行 3 在自动控制下 可以根据水仓水位的变化 控制开关阀来控制水泵 的工作状态 4 实时监测系统参数 如电压 电流 轴温 出水口压力等 5 对异常情况可及时发出警报 如高水位警报和其他故障警报 6 实现避峰就谷 根据不同时间电费的不同结合矿井的用水量和用电 负荷 合理调度水泵的工作状态 实现节能的目的 7 排水系统和上位机实现数据交换 实现数据记录 查询等功能 2 2 2 系统组成系统组成 煤矿井下主排水自动控制系统主要由远程控制上位机 PLC 控制箱 显示操作台 阀门 传输光缆 传感器 交换机等设备组成 根据硬件结 构可分为三层 现场层 控制层和管理层 19 网络视频服务 器 上位机打印机 交换机 光端机光端机 光纤接线盒 光纤接线盒 PLC控制箱显示操作台 三个防爆摄像 仪 水泵及相关联设备 地地面面 矿矿井井 8 8芯芯光光缆缆 控控制制层层 现现场场层层 管管理理层层 图 2 3 井下主排水系统自动控制系统结构图 如图 2 3 所示 管理层中网络视频服务器与井下的防爆摄像仪通过以太 网通信 实现对中央住水泵房工作情况的实时监控 上位机用于监控井下 主排水自控系统 通过以太网与 PLC 控制箱进行信息交换 并根据摄像仪 显示的现场层水泵及相关联设备的参数信息对其进行远程控制 控制层包 括 PLC 控制箱和显示操作台 PLC 控制箱作为主排水控制中心和数据采集 中心 用来采集水泵及相关联设备的运行信息 并与管理层的上位机通过 以太网进行实时数据交换 对各个设备集中监控 显示操作台由开关按钮 指示灯和文本显示器组成 显示各个设备的状态 并实施就地控制 水泵 相关联设备主要包括各种传感器和各种阀门 2 3 离心式水泵排水系统离心式水泵排水系统 2 3 1 离心泵排水系统组成部分离心泵排水系统组成部分 离心式水泵排水系统的主要组成部分有 离心式水泵 电动机 起动 设备 仪表 管路及管路附件等组成 20 图 2 4 离心式水泵工作系统图 1 水仓 2 水泵 3 电动闸阀 4 逆止阀 5 射流泵电磁阀 6 静止水管 7 电机启动开关 8 电动机 9 射流泵 2 3 2 射流泵的工作原理射流泵的工作原理 引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 射流泵的结构简单 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 其结构如下图 2 5 所示 21 图 2 5 射流泵系统结构 1 喷 嘴 2 吸入室 3 混合管 4 扩散管 5 吸水管 6 压出管 2 3 3 射流泵的特点射流泵的特点 1 结构简单 加工容易 成本低 2 工作可靠 无泄漏 无磨损 维护方便 3 可综合利用 兼作反应器 混合器等 4 能量转换效率较低 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 是一种常用的引水设备 适合井下排水设备使用 2 42 4 离心式水泵的启停过程离心式水泵的启停过程 2 4 1 启动过程启动过程 第一是监测水仓的水位 当水仓的水位达到设置的水位标准时 通过 控制射流泵的电磁阀线圈 打开喷射泵为离心式水泵注水 射流泵的工作 会导致水泵入口处的真空度增加 离心泵的腔体会在大气压的作用下被配 水井中的水注满 当水泵入口处的真空度达到要求后 水泵机组的电动机 触电接通使水泵被开启 此后水泵出口压力将逐渐增加 当达到一定值时 就不再增加 此时开启该水泵的电动闸阀 使得这个水泵进行排水 同时 关闭射流泵停止为其引水 22 2 4 2 停机过程停机过程 在水泵的作用下水仓的水位逐渐下降 当水位低于安全水平时 需要 先关闭排水管的电动闸阀 然后再关闭逆止阀 防止排水管中的水倒流到 水仓内 然后关闭水泵电机 使其停止工作 2 5 小结 本章先是介绍了 PLC 的特点功能 工作原理 然后分析了煤矿井下自动控 制的原理 即是以 PLC 控制箱为核心 采集现场设备的参数 对水泵的运 行状态进行实时监控 同时与上位机通信 接收来自上位机和显示控制台 的控制命令 实行远程监控 最后从硬件方面简单介绍了井下排水系统的 组成部分 最后简单介绍了射流泵 离心泵等相关技术 23 3 主排水自动控制系统的硬件设计主排水自动控制系统的硬件设计 3 1 主排水自控系统主要设备选型主排水自控系统主要设备选型 3 1 1 主要硬件选型主要硬件选型 煤矿主排水系统设计了两套排水管路 分别为 1 主排水管路和 2 副 排水管路 因为地下环境的复杂性 所以采用了 3 台隔爆型三相异步电动 机来作为三台水泵的驱动 在正常情况下一台正常运转工作 一台备用 一台维护 此外吸水管采用无底阀设计 在泵启动前使用真空泵把水泵排 水腔和吸入管道中的气体抽空 使得水泵叶轮能够完全浸没在水中 达到 良好的排水 图 3 1 主排水管道示意图 从上图我们可以看到 所有水泵都和 1 主排水管路和 2 副排水管路 相接 支路上分别安装了排水闸阀 并且在排水管路上安装了真空阀 此 外 主排水管路和副排水管路上都安装了流量传感器 正压力传感器安装 1 水泵2 水泵 3 水泵 水位线 水仓 1 主 排水 管 2 副 排水 管 2 电动机 电动机 1 排 水 闸 阀 1 2 电磁阀 3 4 5 6 电磁阀电磁阀 排空管道 3 4 5 6 24 在每台水泵的出水口处 负压力传感器安装在水泵吸水口处来检测水泵的 真空度 将温度传感器安装在水泵和电机上来检测电机轴承温度和水泵轴 承温度 在水仓中装配两组液位传感器 一组为超声波传感器用来检测水仓库 水位的变化趋势 另一组是数字液位开关 是由 3 套浮球液位开关组成 可以根据浮球的沉浮情况来判断水位的高低 使系统能够根据水位变化来 自动控制水泵的工作状态 3 1 2 PLC 的选型的选型 根据煤矿安全监管法规 矿用水泵必须有三种工作方式即工作 备用 和检修 工作方式是指在本次水泵操作中当前水泵被优先开启 备用是指 在本次水泵操作时当前水泵处于备用状态 当打开的水泵不能满足施工的 排水要求时 备用水泵才开始工作 检修是指是在本次水泵的操作中 当 前的水泵不被使用 则是对该水泵进行维护 按照系统的需求 矿井主排水控制系统的 PLC 主要包括数字量输入 模拟输入和数字量输出三种信号 数字量输入信号主要包括水泵的工作 水 泵的启动和停止信号 水泵控制方式选择的信号 选择真空泵的信号 真 空泵启动和停止信号 排水阀以及电磁阀等开关位置的信号等 数字输出 信号包括控制水泵起停信号 故障指示信号 水泵操作指令 控制排水闸 阀和电磁阀开关的信号等 模拟输入信号是指水泵出水口正压 入水口负 压 水泵和电机的轴承温度 排水道路的水流量 水仓库水位和水泵的开 停状态等信号 25 图 3 2 PLC 各模块信号连接图 PLC的CPU模块 数字量输入模块模拟量输入模块 水 泵 控 制 方 式 选 择 水 泵 启 动 停 止 排 水 排 空 闸 阀 开 关 到 位 主 副 真 空 泵 选 择 水 泵 工 作 方 式 选 择 真 空 泵 启 动 停 止 液 位 开 关 水 泵 开 停 检 测 排 水 管 流 量 水 泵 入 水 口 负 压 水 泵 出 水 口 正 压 水 泵 轴 承 温 度 电 机 轴 承 温 度 水 仓 的 水 位 数字量输出模块通信模块 水 泵 启 动 停 止 水 泵 运 行 指 示 电 动 闸 阀 控 制 信 号 电 磁 阀 控 制 信 号 故 障 警 报 水 位 超 限 指 示 急 停 指 示 电 量 检 测 模 块 上 位 监 控 计 算 机 26 根据上图 详细统计出 PLC 所需的模拟量输入点数 数字量输入 输出点 数和通讯模块点数 见表 3 1 表 3 1 模拟量输入点数统计 模拟量输入点数统计 参数名称所需点数 水泵出水口压力 3 水泵吸收口真空度 3 水泵轴承温度 3 电机轴承温度 3 排水管的流量 2 水泵开停检测 3 水仓的水位 1 合计 18 表 3 2 数字量输入点数统计 数字量输入点数统计 参数名称所需点数 控制模式选择 2 急停 1 复位 1 水泵启动 停止 6 水泵的工作方式选择 6 自动 手动 1 真空泵的选择 1 真空泵启动 停止 2 排水阀开 关 12 排空阀开 关 12 数字液位开关 3 合计 47 表 3 3 通讯口数目统计 通讯口数目 通讯对象所需点数 上位计算机 1 27 电量检测模块 1 合计 2 表 3 4 数字量输出点数统计 数字量输出点数统计 参数名称 所需点数 水泵启动 停止 6 水泵运行的指示 3 故障指示 1 急停指示 1 水位超限指示 1 报警 1 排水阀开 关 12 排空阀开 关 12 合计 37 从上面的几个表我们可以统计出 数字量输入点共有 47 个 数字量输出点共有 37 个 模拟量输入点有 18 个 通讯口共有 2 个 其中 PLC 与文本显示器通过 RS485 通信 PLC 和 PC 机通过工业以太网通信 PLC 通信模块的信息首先传递到 地下光纤通信箱 然后通过光纤传输到地面光纤接线盒 再把用光端机转 换成以太网的信号传送交换机 供地面监测和控制系统使用 通过对系统 I O 点数的统计我们选择西门子 S7 200 系列的 PLC 做为控制核心 包括 226CN 的 CPU 模块 1 个 EM223CN 数字量输入 输出扩展模块 2 个 EM231 模拟量输入模块 5 个 28 29 3 2 各模块地址分配各模块地址分配 PLC 的 I O 端口对应于不同的映像寄存器 端口的分配要与程序中使 用的寄存器相互对应 不然会因为逻辑混乱而使系统无法正常工作 根据 煤矿井下主排水控制系统的要求 对每个 PLC 模块 I O 端口的定义如下表 所示 表 3 5EM231 端口定义 EM231端口定义 模块号输入端口端口定义 AIW0 1 水泵开停检测 AIW2 1 水泵吸水口负压 AIW4 1 水泵出水口负压 EM231 1 AIW6 1 主排水管路流量 AIW8 2 水泵开停检测 AIW10 2 水泵吸水口负压 AIW12 2 水泵出水口正压 EM231 2 AIW14 2 副排水管路流量 AIW16 3 水泵开停检测 AIW18 3 水泵吸水口负压 AIW20 3 水泵出水口正压 EM231 3 AIW22 水仓水位 AIW24 1 水泵轴温 AIW26 1 电机轴温 AIW28 2 水泵轴温 EM231 4 AIW30 2 电机轴温 AIW32 3 水泵轴温 AIW34 3 电机轴温 AIW36 备用 EM231 5 AIW38 备用 30 表 3 6 EM223CN 端口定义 EM223CN端口定义 模块号输入端口端口定义输出端口端口定义 I3 0 1 排水闸阀开到位 Q2 0 1 排水闸阀打开 I3 1 1 排水闸阀关到位 Q2 1 1 排水闸阀关闭 I3 2 2 排水闸阀开到位 Q2 2 2 排水闸阀打开 I3 3 2 排水闸阀关到位 Q2 3 2 排水闸阀关闭 I3 4 3 排水闸阀开到位 Q2 4 3 排水闸阀打开 I3 5 3 排水闸阀关到位 Q2 5 3 排水闸阀关闭 I3 6 4 排水闸阀开到位 Q2 6 4 排水闸阀打开 I3 7 4 排水闸阀关到位 Q2 7 4 排水闸阀关闭 I4 0 5 排水闸阀开到位 Q3 0 5 排水闸阀打开 I4 1 5 排水闸阀关到位 Q3 1 5 排水闸阀关闭 I4 2 6 排水闸阀开到位 Q3 2 6 排水闸阀打开 I4 3 6 排水闸阀关到位 Q3 3 6 排水闸阀关闭 I4 4 1 电磁阀开到位 Q3 4 1 电磁阀打开 I4 5 1 电磁阀关到位 Q3 5 1 电磁阀关闭 I4 6 2 电磁阀开到位 Q3 6 2 电磁阀打开 EM223 1 I4 7 2 电磁阀关到位 Q3 7 2 电磁阀关闭 I5 0 3 电磁阀开到位 Q4 0 3 电磁阀打开 I5 1 3 电磁阀关到位 Q4 1 3 电磁阀关闭 I5 2 4 电磁阀开到位 Q4 2 4 电磁阀打开 I5 3 4 电磁阀关到位 Q4 3 4 电磁阀关闭 I5 4 5 电磁阀开到位 Q4 4 5 电磁阀打开 I5 5 5 电磁阀关到位 Q4 5 5 电磁阀关闭 I5 6 6 电磁阀开到位 Q4 6 6 电磁阀打开 I5 7 6 电磁阀关到位 Q4 7 6 电磁阀关闭 I6 0 备用 Q5 0 备用 I6 1 备用 Q5 1 备用 I6 2 备用 Q5 2 备用 I6 3 备用 Q5 3 备用 I6 4 备用 Q5 4 备用 I6 5 备用 Q5 5 备用 EM223 2 I6 6 备用 Q5 6 备用 31 I6 7 备用 Q5 7 备用 表 3 7 CPU226CN 端口定义 CPU226CN端口定义 输入端口端口定义输出端口端口定义 I0 0 远控 Q0 0 故障指示 I0 1 就地 Q0 1 急停指示 I0 2 自动 手动 Q0 2 水位超限指示 I0 3 复位 Q0 3 报警 I0 4 急停 Q0 4 1 水泵运行指示 I0 5 超高限水位开关 Q0 5 2 水泵运行指示 I0 6 高限水位开关 Q0 6 3 水泵运行指示 I0 7 底限水位开关 Q0 7 1 水泵启动 I1 0 1 水泵工作 Q1 0 1 水泵停止 I1 1 1 水泵检修 Q1 1 2 水泵启动 I1 2 2 水泵工作 Q1 2 2 水泵停止 I1 3 2 水泵检修 Q1 3 3 水泵启动 I1 4 3 水泵工作 Q1 4 3 水泵停止 I1 5 3 水泵检修 Q1 5 备用 I1 6 1 水泵启动 Q1 6 备用 I1 7 1 水泵停止 Q1 7 备用 I2 0 2 水泵启动 I2 1 2 水泵停止 I2 2 3 水泵启动 I2 3 3 水泵停止 I2 4 1 2 真空泵选择 I2 5 真空泵选择 I2 6 真空泵停止 I2 7 备用 32 表 3 8 部分内存变量分配 部分内存变量分配 变电量名称地址备注 上电延时 T37 预设值5s 1 水泵运行计时 T38 预设值10s 2 水泵运行计时 T39 预设值10s 3 水泵运行计时 T40 预设值10s 1 水泵运行时间 VD72 2 水泵运行时间 VD76 3 水泵运行时间 VD80 1 水泵运行次数 VD84 2 水泵运行次数 VD88 3 水泵运行次数 VD92 最少运行时间 VD96 最少运行次数 VD100 1 泵启动标志 M1 0 2 泵启动标志 M2 0 3 泵启动标志 M3 0 3 3 排水自动控制系统硬件连接排水自动控制系统硬件连接 PLC 作为排水系统的控制中枢和数据处理中心 根据煤矿安全标准 以为工作在煤矿井下的中央泵房内 所以 PLC 的控制柜应使用防爆外壳 电缆需要用从外壳上的喇叭进出 不用的喇叭嘴用堵片将之密封 这样就 可以达到防爆的效果 数字输入和输出连接到中间继电器来实现隔离保护 和抑制信号干扰 33 图 3 3 PLC CPU226 接线图 1M 1L 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 2M 2L 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 PE M L 1M 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 2M 1 5 1 6 1 7 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 M L A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 A1 A2 24 VDC 电源输 出 24 VDC电源 故 障 指 示 急 停 指 示 水 位 超 限 指 示 报 警 1 水 泵 运 行 指 示 2 水 泵 运 行 指 示 3 水 泵 运 行 指 示 1 水 泵 启 动 1 水 泵 停 止 2 水 泵 启 动 2 水 泵 停 止 3 水 泵 启 动 3 水 泵 停 止 备 用 备 用 备 用 远 控 就 地 自 动 动 0 手 动 1 复 位 急 停 超 高 限 水 位 开 关 高 限 水 位 开 关 低 限 水 位 开 关 1 水 泵 工 作 1 水 泵 检 修 2 水 泵 工 作 2 水 泵 检 修 3 水 泵 工 作 3 水 泵 检 修 1 水 泵 启 动 1 水 泵 停 止 2 水 泵 启 动 3 水 泵 启 动 2 水 泵 停 止 3 水 泵 停 止 1 2 真 空 泵 选 择 真 空 泵 启 动 真 空 泵 停 止 备 用 S7 200 CPU226CN 34 图 3 4 数字量 I O 模块 EM223 1 1L 3 0 3 1 3 2 3 3 2L 3 4 3 5 3 6 3 7 3M 4 0 4 1 4 2 4 3 4M 4 4 4 5 4 6 4 7 M L 1M 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2M 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 1 排 水 闸 阀 开 到 位 1 排 水 闸 阀 关 到 位 2 排 水 闸 阀 开 到 位 2 排 水 闸 阀 关 到 位 3 排 水 闸 阀 开 到 位 3 排 水 闸 阀 关 到 位 4 排 水 闸 阀 开 到 位 4 排 水 闸 阀 关 到 位 5 排 水 闸 阀 开 到 位 5 排 水 闸 阀 关 到 位 6 排 水 闸 阀 开 到 位 6 排 水 闸 阀 关 到 位 2 电 磁