基于PLC的矿井仓储水自动控制系统

iii摘 要矿井排水是影响煤矿安全的一项重要因素，因此实现矿井水仓液位的自动监控对煤矿提升自动化管理水平具有重要意义。目前国内各矿井的矿井水仓液位控制主要有人工监测控制、基于嵌入式系统的自动监测控制和基于PLC系统的自动监测控制等方式。由于PLC系统具有使用方便、维护容易、抗干扰能力突出等优点，因此本设计选用PLC为系统控制核心。本设计分析了矿井水仓液位控制系统的功能需求。自动监控系统将超声波液位测量装置反馈的液位高度信号，与流量、压力等测量信号一同输入到西门子S7-200PLC模块中，通过模块内部逻辑运算和数据处理后依据输出信号自动调度水泵的运行，实现了多台水泵的集中控制；完成了自动控制系统的软硬件设计；编写了水泵实现运行的梯形图；简要分析了控制系统的可靠性设计。关键词：矿井水仓；液位自动控制；PLC系统AbstractMine drainage is an important factor of which affecting the Mine safety, so the achievement of the automatic monitoring of the mine water storage level is important for improving the level of mine automation management. At present, the main of the mine shaft sump level control such as the manual monitor control, embedded system based on automatic monitoring control and the system of the PLC based automatic monitoring control. Since the PLC system has advantages such as easy to use, easy maintenance, anti-interference ability to highlight, so the design chooses PLC for the core of the system control. The Design Analyses functional requirements of the mine water storage level control system. Automatic Monitoring System input the high level signal which is feedback from ultrasonic level measurement device, with the flow, pressure measurement signal to Siemens S7-200PLC module. It achieves a number of centralized control of water pumps through the pump automatically scheduling operation according to the output signal based on module internal logic operation and data processing; pumps running realizes Automatic rotation Combined load regulation and peak averting the principle, and achieve the purpose of reducing power consumption and enhancing coal mine production safety; According to the status of pump operation, the control system has three options such as automatic, semi-automatic and manual operation; then completes hardware and software design of the automatic control system; draw up the operation ladder figs of the pump; Briefly introduces the reliability of control system design.Keyword：Mine water storage；Liquid level automatic control；PLC System目 录摘 要iAbstractii第一章 绪论1第一节 概述1第二节 矿井涌水水位自动监控的意义1第三节 矿井涌水水位自动监控的要求3第四节 国内外研究现状3第五节 本设计研究的主要内容5第二章 控制系统的功能及设备选型6第一节 水位测量传感器的选择6第二节 水泵系统组成及各状态参数8一、水泵系统组成8二、水泵各状态参数监测11第二节 保护功能14第三章 基于PLC的总体控制方案15第一节 可编程序控制器PLC的概述15一、PLC的应用15二、PLC的主要特点及功能16第二节 PLC系统的基本原理17一、PLC的系统组成17二、PLC的工作方式20三、PLC工作过程的中心内容21第三节 控制系统的总体结构22第四节 控制系统的硬件设计23一、PLC的I/O点数分配23二、PLC选型24三、S7-200 PLC硬件配置26第四章 控制系统的软件设计28第一节 系统各自动控制功能28一、水仓涌水量的检测28二、水仓液位变化实现水泵控制30三、水泵平稳起停32四、水泵的自动启动和停止33五、系统的故障检测33六、控制系统的特点34第二节 系统梯形图36第五章 控制系统的可靠性设计40第一节 影响PLC控制系统稳定的干扰因素40第二节 PLC控制系统的抗干扰措施41总 结46参考文献47外文资料49中文译文56致 谢62第一章 绪论第一节 概述煤矿是我国乃至世界重要的能源之一,特别是在我国正处于经济快速发展的时期,对能源的需求正不断增加,为保证国民经济稳健、快速、持续的发展，必须保障能源的供应。随着信息科学技术的迅速发展和全球经济一体化进程的加快，市场竞争日益加剧，导致信息技术愈来愈广泛地被应用于社会和经济的各个领域，信息网络化已成为当今社会发展的重要而基础的手段，企业信息化也越来越受到人们的重视。对于煤矿企业而言，如何适应信息时代的要求，以及如何迎接数字地球的挑战，充分有效地利用各类信息资源进行科学决策、指导生产，已日益受到决策者的关注。目前，煤矿行业在信息化建设的总体水平不高，信息基础设施落后，可共享的信息量少，信息流向单一而无序，严重影响了煤矿企业的竞争与可持续发展能力。实现煤矿井下各种信息的准确监测是煤矿信息化的基本组成部分，也是确保煤矿安全生产的保障。尤其是监测煤矿三大灾害中的矿井水灾尤为重要，因为水灾的破坏作用极大。在煤矿井下生产中由于掘进面、工作面、机电设备的情况不同，异常复杂，随时都会出现各种险情。所以必须加强防范，加强矿井的安全监测工作。综上所述，监测监控系统是保障煤矿安全生产的重要手段，在矿井的防灾、减灾方面，以及提高生产率方面起着重要的作用，是矿井生产实现信息化、现代化管理的一个重要标志。第二节 矿井涌水水位自动监控的意义煤矿是我国的主要能源，是国民经济发展的主要支柱。煤炭工业的发展直接关系到我国四个现代化建设的进程。我国煤炭生产以井下开采为主，井下生产条件恶劣，受到水、火、瓦斯、煤尘、顶板等自然灾害威胁。目前，我国煤矿重大安全事故时有发生，因此，发展煤炭产业，首先必须切实解决好煤矿的安全生产工作，为了确保国家资源和人民生命财产不受或少受损失，对煤矿安全生产从多方面采取了措施。不仅制定了一系列的安全生产政策和法律法规，也从政策上积极扶持煤矿安全技术的发展，促进了煤矿防灾能力不断加强。全国煤矿安全生产状况从总体上讲，出现了不断好转的趋势。但是随着经济的快速发展，能源紧缺，最近几年煤矿安全问题十分突出和严峻，煤矿事故多，伤亡大的状况尚未得到根本好转，同世界各主要产煤国家的煤矿安全水平相比仍有较大的差距，还应进一步加强措施研究和引起各方面的高度关注。煤矿在生产建设过程中经常受到水的威胁。煤矿矿井水是在煤炭开采生产过程中渗入井下采掘空间的水。矿井水来自地下水系，由于生产开凿从岩层中涌出，这些涌出的矿井水在巷道中流入排水的涌水槽，最后汇集到矿井的中央水仓，由排水泵将矿井涌水抽排到地面，部分经水处理后供给生产和生活用水。为了防止矿井水对矿井安全生产造成威胁，需要对矿井水进行监测和预测。随着科学技术的发展，尽管煤矿管理水平有了很大的提高，但是煤矿中的水害仍然比较严重，涌水和突水现象时有发生。据统计，仅我国统配煤矿就有272座矿井的1.4亿吨生产能力受水患威胁，受水患威胁的煤炭储量达90亿吨。例如：2007年8月17日，发生在山东新泰的“华源矿难”为建国以来最大的一起煤矿水害事件，170多条宝貴的生命在大自然肆虐的暴怒中被沉埋于1000多米的漆黑井下；2008年12月21日13时30分，江西萍乡市莲花县淦田煤矿发生一起水灾事故，死亡2人；2008年7月29日，河南省陕县一煤矿发生透水事故，69名矿工被困井下后经及时救援全部脱离危险，虽未造成人员死亡，但给该矿造成了严重的经济损失；2010年3月28日14时30分左右，中煤集团一建公司63处碟子沟项目部施工的华晋公司王家岭矿（在山西省临汾市乡宁县境内，为中煤集团与山西焦煤集团合作组建的华晋煤业公司所属）北翼盘区101回风顺槽发生透水事故，初步判断为小窑老空水。事故造成153人被困。经全力抢险，115人获救，另有38名矿工遇难。从以上事例可知，如果我们能做到实时了解矿井水仓液位的变化，能准确、及时地预测矿井涌水，就能因地制宜地采取相应措施，防患于未然，使损失降低到最低点。为防范水患，就需要在矿井开采过程中兴建防水工程，以使产生的涌水及时被排放到井外。监控矿井水仓液位的重要意义在于：矿井涌水大小不仅是对煤田进行技术经济评价的重要指标，而且也是设计和生产部门制定采掘方案、确定排水能力和防治措施的重要依据。在煤矿，特别在涌水量大为煤矿，观测矿井涌水量的大小是煤矿水文工作者的重要任务。其目的：为安全生产提供井下水情信息，以便及时处理水灾；为涌水量预测、预报提供重要依据，从而确定适宜的防治水工程。但是目前煤矿涌水量的测量方法仍有采用人工测量，一般是由工作人员携带测量仪器，定期测量井下几个重要水位监测点。或是在发现井下涌水量明显超出正常情况，水文工作人员马上下井进行观测和处理。采用传统的人工测量方法，不仅工作量大、方法繁琐、落后，而且所得数据非常有限，同时该数据不能反映涌水量的变化情况，因为涌水量是连续变化量，不能用某一时刻的值代替，将这样的测量数据用于涌水量的预测预报，必将影响其准确性。另外如果发生水害，不能被及时发现，就不能进行及时处理。所以，煤矿迫切需要实时掌握井下水仓液位变化，使预测预报工作提供可靠的数据，达到防止矿井水灾害对矿井安全生产造成的威胁。因此，矿井水治理对煤矿安全生产具有极其重要的意义。第三节 矿井涌水水位自动监控的要求( 1 )可靠性由于矿井涌水情况的复杂和不确定性，为了保证矿井涌水的及时排出，确保矿井正常的安全生产和作业人员的生命安全，矿井排水系统必须绝对可靠。( 2 )合理性由于矿井水在井下流动的过程中，有时会混入和溶解许多矿物质，或含有一定数量的煤炭颗粒、流沙等杂质。因此，要求排水系统具有较强的抗腐蚀和耐磨性。在进行排水设备选型时，必须充分考虑其合理性。( 3 )经济性矿井涌水时排水设备的耗电量很大，一般占矿井总耗电量的25%-35%，有的达到40%，个别矿井排水耗电量更高（甚至到80%）。所以为了切实降低矿井排水电耗，在进行排水系统设计、安装时，必须反复进行经济技术比较，确保系统以最好的经济效益运行。( 4 )环境条件的限制矿井水泵均安装在井下硐室内，由于受井下地质条件的限制，井下硐室空间狭窄，安装和维修都不方便，另外，泵房设置在井下，泵房设备的检查和维修和泵房的安全管理带来了一定的不变。因此自动监控系统及相关设备选型必须考虑环境条件的要求。第四节 国内外研究现状矿井涌水属于地下水运动范畴，其运动规律及定量评价的研究主要经历了两个发展阶段。第一阶段是1856年法国人达西通过实验提出了水在孔隙介质中渗透的定律，接着，裘布依以此为基础研究了单向平面径向的稳定运动，从而奠定了地下水稳定流理论的基础。在此后近100年时间内，地下水的研究一直沿着这条稳定流理论的道路前进。第二阶段是随着生产的发展，地下水的开采规模越来越大，人们开始注意到稳定流理论问世，它开创了现代水文地质计算的新紀元。长期以来，世界各国都很重视研究矿井涌水量的预测预报，力图寻找各种切实可靠的数学方法来预测矿井涌水量，涌水量计算结果是否准确，关系到矿井的排水方案是否安全，经济合理的问题。众所周知，地下水受多种因素控制的影响。自然界中，对地下水运动影响较大的一些因素常常是随机的、非确定的。20世纪70年代系统工程理论的兴起为地下水的研究开拓了新的理论研究方向。国外在20世纪70年代就很重视用多模型分析法，用二维和三维对涌水量预测预报进行计算机仿真，目前仍很重视，并使这一方法不断得到完善。由加拿大Waterloo水文地质公司在原Wodflow软件的基础上应用现代先进宾可视化技术开发研制的Visual Modflow,是目前国际上最新流行的三维地下水流和溶质运移模拟评价的可视化专业软件。该软件于1994年8月首次在国际上公开发行。软件在矿井防治水工作中应用潜力较大，可以进行任意水均衡域的均衡研究。这个功能可以帮助用户直接确定回采煤层顶、底板或侧向补给水源的补给方式和补给大小及补给水源的水质情况等。此外，它的另一个重要用途就是通过选定断裂构造所在均衡域的水均衡计算，从而达到预测矿区导水断裂构造可能诱发的突水事故的突水量大小。由于我国地质条件的复杂性的特殊性，用该软件分析所得结果，在待实践和进一步检验。1982年，我国学者邓聚龙教授从系统控制的不确定元的研究出发，首先提出了灰色系统的概念的新的研究思想，并逐步应用到社会、经济、工程、医药、军事和文史各个领域至今已经成为一种学术流派。它的问世给水文学的研究提供了新的方法和视野，促使一些水文工作者开始引用、实践和探讨灰色系统水文学问题。由于矿井涌水过程是一个灰色系统因而应用灰色系统理论来研究矿井涌水量不仅是可行的也是必要的。目前国内已经开始将灰色系统理论用于矿井涌水量的预测预报。在煤矿井下水位的检测技术方面，目前国内还处于摸索阶段，检测手段比较落后、可靠性差，检测系统不完善。检测煤泥水的传感器还没有好的产品。虽然现在也有一些传统的水位传感器，如压力式，浮子式等水位传感器用于煤泥水水位的测量，但是由于煤矿井下环境恶劣，这些传感器均因淤泥或煤泥堵塞受到影响，致使整个系统难以准确可靠的采集前端信号。过去对煤矿井下水的检测监控自动化要求不高，但是随着近年来煤矿事故的频繁发生，煤矿安全问题日益引起了人们的广泛关注。现在，所有矿用产品都进行防爆送检和煤安认证，煤矿的安全要求越来越高，因此对煤矿井下水的监控要求也随之提高，因而具有高准确性，高可靠性的检测煤泥水的新型传感器也急切的需要研制。目前国外的井下水仓静态水监测系统的前端信号采集传感器技术仍然为传统的压力式和浮子式，没有什么新的进展。本设计采用的水位测量方法：在超声波检测技术中，都必须把电能转换成超声波发射出去再接收回来变换成电信号，完成这项功能的装置就叫超声波转换器，也称探头。将超声波转换器置于被测液体的上方，向下发射超声波，超声波穿过空气介质，在遇到水面时又反射回来，又被转换器所接收并转换成电信号，电子检测部分检测到这一信号后将变成液位信号进行显示并输出。第五节 本设计研究的主要内容本课题的主要内容为：在了解煤矿井下水仓控制要求的基础上，基于PLC控制3台高压水泵，实现井下水仓液位的集中控制系统。具体要求如下：( 1 )自动控制系统应具备控制3台水泵的能力，系统正常情况下，确保仓储水维持在一定范围内；( 2 )在分析煤矿井下泵房自动控制的功能基础上，构造系统框图；( 3 )系统具备根据水仓液位自动启停水泵，自动轮换工作；( 4 )完成控制系统设备选型及PLC编程；( 5 )简要分析控制系统的可靠性设计。目前国内大多数煤矿已装备有自动化监控系统。其矿井水仓液位控制主要有人工监测控制、基于嵌入式系统的自动监测控制和基于PLC系统的自动监测控制等方式。人工监测实现的控制方法效率低，工人劳动强度大，而且故障率也较高。而 PLC考虑各方面因素，综合性能较好，且体积小，操作简单便于安装，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，因此本设计是选用PLC为系统控制核心。第二章 控制系统的功能及设备选型第一节 水位测量传感器的选择随着煤炭工业自动化水平的不断提高，如何能随时准确的了解和控制井下水仓储水情况，在高产高效矿井及自动化管理水平中越来越重要。液位监测和保护电路的功能是实时检测水仓液位的工作状态,根据液位变化实现控制及报警。在控制系统中，各参数的采集和测量需要各种类型的传感器，而传感器能否正确感受信息并将其按相应规律转换为可用信号，对系统控制质量起着重要作用，自动化程度越高系统对传感器的依赖性越大。水仓液位信号是系统的主要监测信号，PLC要根据水位变化情况来控制水泵的运行情况，因此正确选择合适的水位传感器是十分重要的，选用恰当就会使PLC系统工作准确无误，同时成本合理，反之就会给工作和经济上带来了麻烦和损失。在选择传感器时，在满足对传感器所有技术要求情况下，成本低，工作可靠和容易维护，即所谓的性能价格比要大，还要考虑以下特性。( 1 )测量范围：各种传感器都有一定的测量范围，超出测量范围，测量的结果会有较大的误差或造成传感器损坏，传感器规定的测量范围应稍大于实际测量范围。( 2 )线性度：为了方便标定和处理数据，一般要求传感器的输入/输出成线性关系，从而正确无误地反映被测量的真实值。理想元件的输入/输出才能达到线性度。在选用传感器时要求其具有较好的线性度。( 3 )灵敏度：灵敏度又称传感器系数，对于线性传感器，校准线的斜率就是其静态灵敏度。所用传感器应具有较高的灵敏度。( 4 )分辨率：传感器能够在输入信号中检测到的最小变化量。分辨率能达到使用要求即可，勿需牺牲其它而追求过高的分辨率。( 5 )工作环境：应考虑工作环境的温度、湿度、大气压力有无振动、磁场、电场，大功率用电设备是否需要防火、防爆、防化学腐蚀，是否满足不能有害于周围材料寿命及操作工人的身体健康等。对于传感器的要求过于全面也是不合适的，因为上述要求之间有些是相互关联的，这一项高了另一项就会降低了。所以，在实际工作中可以从几个方面来考虑传感器的选择，进行综合平衡以达到满意的效果。为适应煤矿井下恶劣环境及井下水仓的实际条件。传统的重锤式、电容式、差压式、浮球式液位测量仪表属于接触式物位测量仪表，由于矿井涌水具有一点的腐蚀性且杂质较多，采用接触式物位测量仪表可靠性大大下降。因此，本系统根据以上原则选用超声波液位测量仪测量水仓液位。sonic一体式超声波液位测量仪是智能型非接触式液位测量仪表。产品具有自动功率调整，增益控制，温度补偿，采用先进的检测和计算技术，对干扰信号有抑制功能，从而在根本上提高了仪表的测量精度，保证测量结果的真实。广泛用于各种液体的液位和固体的料位高度测量，也可用于距离的测量。sonic一体式超声波液位测量仪如下图2.1所示：图2.1一体式超声波液位测量仪超声波是机械波的一种，即是机械振动在弹性介质中的一种传播过程，它的特征是频率高、波长短、绕射现象小，另外方向性好，能够成为射线而定向传播。超声波在液体、固体中衰减很小，因而穿透能力强，尤其是在对光不透明的固体中，超声波穿透几十米的长度，碰到杂质或界面就会有显著的反射，超声波测量物位就是利用了它的这一特征。在超声波检测技术中，不管哪种超声波仪器，都必须把电能转换成超声波发射出去，再接收回来变换成电信号，完成这项功能的装置就叫超声波转换器，也称探头。将超声波转换器置于被测液体的上方，向下发射超声波，超声波穿过空气介质，在遇到水面时又反射回来，又被转换器所接收并转换成电信号，电子检测部分检测到这一信号后将其变成液位信号进行显示并输出。由超声波在介质中的传播原理可知，若介质压力、温度、密度、湿度等条件一定，则超声波在该介质中传播的速度是一个常数。因此，当测出超声波由发射到遇到液面时反射回来所需的时间，则可换算出超声波通过的路程，即得到了液位的数据。超声波传感器发射和接收超声波，并由超声波的传播速度t来计算超声传感器距被测物的，在超声波传播光速C已知的情况下，可根据 式1.1计算出，因超声传感器距离水仓底的高度h为定值，故可计算出液位高度 式1.2超声波在安装过程中有需要特别注意的地方：由其工作原理可以知道其超声波射野内不能有固定的物体障碍，否则会影响超声波的返回信号，最终导致超声波返回的信号与实际的液位平面有误差，甚至无法检测到真实的水位。另外，在水位检测装置的选择上，至少选择两个水位传感器来提高水位检测装置的可靠性。图2.2 超声波液位传感器示意图第二节 水泵系统组成及各状态参数一、水泵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。如图2.3所示：图2.3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-静压水管 7-电机启动开关 8-电动机 9-射流泵( 1 )滤水器和底阀滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水井下面。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致漏掉。但是现在的排水系统中，为了提高排水效率，减小水泵腐蚀，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，能够方便地来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。本系统采用电动闸阀。( 3 )逆止阀 逆止阀安装在调节闸阀的上方，其作用是当水泵突然停止运转(如突然停电)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，使水泵不致受到水力冲击而遭到损坏。 ( 4 )压力表和真空表压力表安装在水泵的排水接管上，为检测排水管中水压大小用。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。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。根据其结构特征也可分为径向无边、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60 mm，100 mm，150 mm，200 mm和250mm五种。真空表的测量范围为0-0.1MPa(一个大气压)。( 5 )射流泵和真空泵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，并用电磁阀作为射流泵的控制阀门。水泵房排水设备一般安置在水仓液面以上，所以水泵启动前的灌水一般采用吸入式。为了减小水仓水吸入阻力，提高泵站运行效率，吸水管路不宜设置底阀。无底阀吸入式灌水，要采用专门的引水设备，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。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。而射流泵结构简单，安装容易，操作方便；并且根据井下的环境和条件，其具有工作可靠性高、维护方便等优点。所以射流泵是一种常用的引水设备，适合井下排水设备使用。射流泵的工作原理是水射流时的“虹吸现象”，如图2.2所示。其结构包括：喷嘴、吸入室、混合管、扩散管等。高压水以流量由喷嘴高速射出时，连续挟走了吸入室2内的空气，在吸入室内造成不同程度的真空，被抽升的液体在大气压力作用下，以流量由管5进入吸入室内，两股液体()在混合管3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4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。图2.4射流泵系统结构图1喷嘴2吸入室3混合管4扩散管 5吸水管6压出管射流泵工作时要有高压水源，使喷嘴处产生高速水流，通过虹吸现象使吸入室产生真空，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。二、水泵各状态参数监测 系统实时监测水泵启动过程、运行状态以及停止过程，一旦出现故障，采取应急措施，保护设备，防止故障进一步扩大。启动及停止过程中控制系统主要监测每步动作是否正常，出现故障或者操作超时，程序自动按照设定流程复位执行机构，能够实现水泵的自动停止，同时给出报警信息，提示故障类型，为现场维护提供依据。( 2 )压力的检测1)压力传感器压力测量采用高压数字式压力表，高压数字式压力表是用于测量高绝对压力的数字式压力表，测量绝对压力可达10mpa。压力传感器采用DLYJ2-1000型绝对压力传感器。这是一种带隔离膜片，不锈钢外壳、高精度、高稳定性、高灵敏度压阻式传感器，适用于各种环境下的液体，气体，蒸汽等介质的绝对压力测量。非线性度0.1%FS；重复性及迟滞0.05%FS；热零点飘移1*10/-4FS/；长期稳定性0.1%FS/20天。NS-K型真空度（负压）传感器采用先进的静电焊接技术形成稳定的参考腔，可以用来测量小于大气压的压力和真空度。其安装在水泵引水管上开孔焊接仪表缓冲弯，传感器为M20X1.5外螺纹。 2)压力变送器一般用压力表传递压力信号的距离不能很远，为此，往往是将弹性测压元件与电气传感器相结合构成压力变送器，以实现远距离传输。通常将压力变送器分为力平衡式和位移式两大类。力平衡式压力变送器采用力矩平衡的原理，通过负反馈将弹性元件测压产生的力矩与输出信号的反馈力矩相平衡，有效地减小弹性模数随温度的变化、弹性滞后及非线性变形的影响，提高了测量精度。位移式压力变送器是将弹性测压元件的位移变换为电感、电容、电阻等电学量，再经测量桥路、放大电路转换，最后输出压力值。其精度高于力平衡式压力变送器，而且结构简单、运行可靠、维修方便。本系统采用DJYJ2-100D型传感器，使用直流电源供电。稳压值为6-5V，工作电流6-5MA。使用MC/4433A/D转换器，输出标准信号供PLC采集。温度传感器一般分为接触式与非接触式两大类。所谓接触式就是传感器直接与被( 3 )电动闸阀的选择闸阀是离心式水泵排水系统中必不可少的元件。矿井自动排水系统使用可控闸阀要适应井下环境，具有安全防爆、运行可靠。井下水泵房的工作过程对闸阀都有特殊的要求。1)符合“煤安”标准，具有防爆功能。2)电气控制，能够与自动控制系统连接，便于集中控制。3)体积小、重量轻，便于运输、安装、维修。4)符合水泵“缓开缓闭”的要求，关闭状态密封性能良好，不能出现“跑水”、“漏水”现象。5)承压能力强，能够满足高扬程的排水系统应用。电动闸阀的选择：电动闸阀是近年来兴起的一种新型的闸阀，广泛的使用于自动化控制的场合。其工作原理是在原有的闸阀机构上增加电动机驱动装置和相应的减速传动装置，使用电动机的转动替代传统的人工手动转动轮盘。随着煤矿自动化水平的日益提高，煤矿各系统中使用的手动阀门、气动阀门、液动阀门已很难满足现代煤矿提高生产效率与安全效益的要求。矿用ZB系列电动装置，具有体积小，安装方便、性能稳定可靠的优点，与KXBC型煤矿用隔爆型阀门电动装置控制箱相互配套后，可与DCS系统衔接，从而达到无人值班控制的要求。ZB系列电动装置的性能不仅符合企业标准Q/3204AY1001-2005（煤矿用隔爆型阀门电动装置技术条件）的规定，而且符合GB3836.1-2000爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求，GB3836.2-2000爆炸性气体环境用电气设备第2部分：隔爆型“d”的规定及GB3836.3-2000爆炸性气体环境用电气设备第3部分：增安型 “e”的规定。本系统采用ZB系列矿用电动闸阀。其主要特点及用途：1)流体阻力小，启闭时所需力矩小。2)无安装方向要求，双向密封，流阻小，使用寿命长。3)全开时闸板所受工作介质的冲蚀比截止阀小。4)主要用于介质不受流向限制的水、污水、油、汽等场合，不推荐使用介质内含有悬浮颗粒的场合。5)如果有开关速度要求，还可以通过增加阀杆螺纹头数或改变电动装置的输出转速予以满足。设备型号选择为：MZ941H16型电动闸阀，如图2.7 所示。其工作环境和主要技术参数为：电源，额定电压：127/380/660V；控制电压：220/127/36V；工作制：为短时10分钟；环境温度：-5+40；相对湿度：95%（+25时）；适用范围：在有瓦斯，沼气和煤尘等爆炸性混合物体的环境中；防爆标志：Exd I，用于煤矿非采掘工作面。图2.7 电动闸阀结构示意图第二节 保护功能漏水保护：每台水泵均安装真空度电接点压力表，如在规定的注水时间内系统仍未收到真空度达到规定值的信号，则停止启动本台水泵，转为启动下台水泵，并发出故障报警信号。流量、压力保护：当水泵启动后或正常运行中，如流量或压力达不到正常值，通过流量、压力保护装置使本台水泵停车，转为启动下台水泵。超温保护：水泵长期运行，当水泵轴温或电机温度超出允许值时，通过温度保护装置使水泵停车。过流保护：接在主回路里的电流互感器把电流信号送入可编程控制器，由可编程控制器计算、判断电动机工况。当出现过流时，相应的保护装置动作。漏电保护：当高压部分出现低压或漏电故障时，其相应的保护装置动作，并将故障信号送入可编程控制器。第三章 基于PLC的总体控制方案第一节 可编程序控制器PLC的概述可编程序控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程序控制器PLC（Programmable Logic Controller）称为可编程序逻辑控制器，主要用于代替继电器实现逻辑控制。随着科学技术的迅猛发展, PLC的功能己经远远超过了逻辑控制的范畴，使其不仅具有逻辑控制的功能，而且具有运算、模拟量处理和通信联网等功能。因此，人们将当今这种装置称为可编程序控制器，简称为PC。但为了避免与个人计算机混淆，所以将可编程序控制器简称为PLC。一、PLC的应用初期的PLC主要在以开关量居多的电气顺序控制系统中使用，但20世纪90年代以后，PLC也被广泛地在流程工业自动化系统中使用，一直到现在的现场总线控制系统，PLC更是其中的主角，其应用面越来越广。主要应用范围通常可分为以下几种：( 1 )中小型单机电气控制系统这是PLC应用中最广泛的领域，例如塑料机械、印刷机械、包装机械、及电梯控制等。这些设备对控制系统的要求大都属于逻辑顺序控制，用来取代传统的继电器顺序控制，应用于单机控制、多级群控等。( 2 )制造业自动化制造业是典型的工业类型之一，在该领域主要对物体进行品质处理、形状加工、组装，以位置、形状、力、速度等机械量和逻辑控制为主，其电器自动控制系统中的开关量占绝大多数。由于PLC性能的提高和通信功能的增强，使得它在制造业领域中的大型控制系统之也占绝对主导的地位。( 3 )运动控制为了适应高精度的位置控制，现在的PLC制造商为用户提供了功能了完善的运动控制功能。现在工业自动化领域基于PLC的运动控制系统和其他的控制手段相比，功能更强、装置体积更小、价格更速度更快、操作更方便。( 4 )流程工业自动化流程工业是工业类型中的重要分支，如电力、石油、化工、造纸等，其特点是对物流进行连续加工。过程控制系统中以压力、流量、温度、物位等参数进行那个自动调节为主，大部分场合还有防爆要求。二、PLC的主要特点及功能( 1 )PLC的特点1)灵活、通用PLC通过在存储器中的程序实现控制功能，若控制功能需要改变，只需修改程序及少量接线即可。而且，同一台还可用于不同控制对象，通过改变软件则可实现不同控制的控制要求。2)可靠性高、抗干扰能力强可靠性是工业控制器件的重要指标。因此，要求在各种恶劣工作环境和条件下可靠工作，将故障率降至最低。具有很高的可靠性和抗干扰能力，不会出现继电器接触器控制系统中接线老化、脱焊、触点电弧等现象。3)编程简单、使用方便PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。目前，大多采用梯形图语言编程方式，它既继承了继电器控制线路的清晰直观感，又考虑到电气技术人员的读图习惯和应用实际，电气技术人员易于编程，程序修改灵活方便。此外，其接口可直接与控制现场的用户设备联接。4)接线简单PLC只需将输入设备（如按钮、开关等）与输入端子联接，将输出设备（如接触器、电磁阀等）与输出端子联接。接线极其简单、工作量极少。5)功能强PLC不仅具有条件控制、记时、计数、步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等。因此，PLC既可对数字量进行控制，又可对模拟量进行控制。6)体积小、重量轻、易于实现机电一体化由于是专为工业控制而设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用，以及有很强的可靠性和抗干扰能力，易于嵌入机械设备内部。因此，在机电一体化产品中被广泛应用。( 2 )PLC的主要功能PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化和计算机集成制造系统内占重要地位。一般具有以下基本功能：1)控制功能逻辑控制： PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器进行开关量控制。定时控制：它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。计数控制：用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。顺序控制：在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。2) 数据采集、存储与处理功能基本算术加、减、乘、除；扩展算术平方根、三角函数和浮点运算；比较大于、小于和等于；数据处理选择、组织、规格化、移动和先入先出；模拟数据处理、PID、积分和滤波。3) 输入输出接口调理功能具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，精度可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。4) 通信、联网功能现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232 或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，等功能，实现程序和数据交换。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。5）人机界面功能为操作者提供监视机器工作过程必需的信息，允许操作者和系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。6）编程、调试等使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。第二节 PLC系统的基本原理一、PLC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，按控制功能要求，通过程序按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换给物理实现，并应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。PLC的框图如图3.1所示：图3.1 PLC的结构框图( 1 )中央处理单元中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内，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收和存储；用扫描的方式通过IO接口接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器；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。( 2 )存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。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具有基本功能，能够完成设计者规定的各项工作。系统程序的内容主要包括三部分：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存储器两部分。用户程序存储器用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。用户程序存储器根据所选用存储器单元类型的不同，可以是随机存取存储器RAM、可擦可编程只读存储器EPROM、电可擦除只读存储器EEPROM，其内容可以由用户任意修改或增删。用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ONOFF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，是反映PLC性能的重要指标之一。( 3 )PLC输入/输出单元PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量。输入输出接口单元包括两部分：一部分是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。外部接口电路将这些信号转换成CPU能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并结合其他元器件最新的信息，按照用户程序进行计算，将有关输出的最新计算结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行元件。( 4 )电源部分PLC一般使用220V的交流电源或24V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、正负12V、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。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的PLC，通常电源封装到机壳内部。对于模块式PLC，则多数采用单独的电源模块。( 5 )扩展接口扩展接口用于将扩展单元或功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。( 6 )通信接口为了实现“机-机”“人-机”之间的对话，有些PLC配有一定的通信接口。PLC通过这些通信接口可以显示与设定单元、触摸屏、打印机相连，提供方便的人机交互途径；也可以与其他的PLC、计算机以及现场总线网络相连，组成多机系统或工业网络控制系统。( 7 )编程设备编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能快图、顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以保存和打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。( 8 )其他部件需要时，PLC可配有存储卡、电池卡等。二、PLC的工作方式PLC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PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定，系统通信参数配置及其他初始化处理等。第二部分是扫描过程。PLC上电处理阶段完成以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CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，在转入执行自诊断检查。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O和通信等是否异常或出错。如检查出异常时，CPU面板上的LED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，CPU被强制为Stop方式，所有的扫描便停止。PLC运行正常时，扫描周期长短与CPU的运行速度、I/O点数的情况、用户应用程序的长短及编程情况等有关。不同指令其执行时间是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不同指令所用的扫描时间将会不同，若用于告诉系统要缩短扫描周期时，可从软硬件上同时考虑。考虑到现在的CPU速度高，所以像过去编程那样从用户软件使用指令上来精打细算的节省时间已显得不