基于PLC的井下排水控制系统设计

精选文档 摘 要 矿井下排水设备的正常运行对保障矿井正常安全生产起着相当重要的作用。目前， 国内大部分矿山排水系统仍旧使用继电器控制的常规手段，人为地进行检查。这种检查 和控制的手段因控制线路复杂，可靠性低，工作强度大已不能满足矿业开发的设备运行 和要求。本文设计的排水控制系统由 PLC 与 PC 监控的组合控制，这样它避免了常规继 电器控制方法的短缺和限制，改进了运行的可靠性和稳定性。这种系统具有较长工作寿 命和维护方便的特性。 依据一些矿井的现实情况，本文首先选择和设计排水设备，然后设计了基于排水控 制要求的自动控制系统。本系统采用西门子 S7-300 系列 PLC 并具有自动，半自动和手动 工作模式可供选择。为了防止长期运行水泵和管道磨损严重及防止备用水泵和管道的电 动机和电气设备长期闲置受潮或其他故障没有被发现，本系统设计了水泵及管道的自动 轮换工作制。又根据“避峰填谷”的原则和系统抗干扰的能力完善控制系统。 总而言之，PLC 与 PC 机组合的自动排水系统的优点是传统继电器控制系统无法媲美 的。同时，该系统也改善了现有排水系统存在的不足。因此，它对矿井安全、自动化生 产具有相当重要的意义。 关键词关键词 排水系统，PLC，自动控制，抗干扰 精选文档 ABSTRACT The normal use of drainage under mine well is very important Equipment for ensuring normal Production of mine well. At present, most drainage systems of all domestic mines well adopt conventional means of relay Controlling, inspected artificially .This kind means of inspection and control cant meet the requirement of mining development for its complicated control circuit, low reliability of equipment running and great working intension. The automatism drainage system designed in this text combined control by PLC with stakeout by PC, so that it made up a variety of limitation and shortage of conventional means of relay controlling and improved running reliability and stability .This system has characteristics of long operating life-span and Convenient maintenance According to actual conditions of some mine well, at first this text chose and designed equipments, then designed auto control part based on drainage Control request. This system adopts S7-300 PLC series produces by SIEMENS and has automatic, semiautomatic and manual working modes to choose. In order to prevent running water pumps and pipelines from wearing too badly and prevent electromotor and electric equipments of standby water pumps and pipelines from being affected with damp or their trouble not being found in time, water pumps and pipelines Of this system are controlled to run in turn automatically. According to the principle of avoiding the peak to the valley and the ability of anti-jamming to improve the control system. In conclusion, the automatism drainage system combining PLC with PC has Advantages that conventional system controlled by relay is unable to come up to. At the same time, this system has made up a variety of shortage of the automatism drainage system in existence. So it has very important meaning for secure automatic production of mine. Key Words drainage system, PLC, auto control, anti-jamming 精选文档 目 录 摘 要 . ABSTRACT . 目 录 . 1 绪论.1 1.1 矿井下排水系统概况.1 1.2 国内外研究现状.2 1.3 本课题研究的主要内容及意义.2 2 井下排水控制系统介绍.3 2.1 功能设定.3 2.2 控制系统总体结构.4 2.3 统中的检测元件.5 2.3.1 水位测量.5 2.3.2 压力测量.6 2.3.3 流量测量.6 3 井下排水控制系统设计.7 3.1 可编程控制技术.7 3.1.1 可编程控制器的主要特点及功能.7 3.1.2 可编程控制器的发展趋势.8 3.1.3 PLC 系统选型 .9 3.1.4 PLC 控制系统的主要抗干扰措施 .10 3.2 PLC 的软件设计 .12 3.2.1 操作方式的选择.12 3.2.2 水泵及管路的自动轮换工作.13 3.2.3 水泵启动过程的程序实现.16 3.3 监控画面设计.27 结 论 .29 致 谢 .30 参考文献 .31 精选文档 1绪论 1.1 矿井下排水系统概况 矿井水是指由于采矿活动对区域水文地质系统的破坏，从而改变地表水和地下水的 流向，最后汇聚在采空区或者采动场所，并在汇聚的过程中遭受污染的水体。采矿作业 中会常常看到其流入工作面和巷道。它的形成一般是因为采空区塌陷等原因波及到水源 导致的，其来源主要是降水、地表水、含水层水等等。而大量的矿井水会严重威胁矿井 的安全生产，突发时甚至会危及生产作业人员的生命，造成重大的人员财产损失，因此， 排水设备就成为了矿井下生产作业必不可缺的设备，它对保障矿井的正常运转起到很关 键的作用。 尽管每个矿区的地质不同，但是矿井水的形成以及制约因素都有或多或少相同的特 点。矿井水一般有两种赋存形式，一种是在采矿的过程中随聚随排的过路水，为保障安 全生产工作必须将其疏排；另一种是在矿井或巷道封闭一段时间之后汇聚而成的滞留水， 其在取用前循环性与交替性极差。依据矿井水的成因和它的赋存形式可知其为矿区水资 源系统的一个特定组成部分，也是一个具有补给能力的含水系统中的特殊单元，但是因 为采动裂隙的扩大或贯通而导致渗流条件改变，使不同水文地质系统的地下水直接向采 空区汇聚排水。而其排水方式亦可分为两种，一种是自流法排水，此法是通过使用倾斜 的坑道将水排放到露天的水沟再进行处理；另一种则是扬水法排水，是利用排水设备将 水排至地面后再处理。排水设备又可以按工作地点分为固定式和移动式。 固定式排水设备的工作原理是主排水设备负责将矿井的大部分水排至地面，辅助排 水设备则将下一开采水平的水排至主排水设备所在水平，区域排水设备则将所在区域的 矿井水排至地面，转载排水设备则将因反向坡度而不能以自流方式到主排水设备的水转 载过去，中央排水设备则将涌水量不大的矿井涌水汇聚到一起排出矿井。 固定排水设备应实现以下功能：工作水泵在 20 小时内应当能排出 24 小时的正常涌 水量，备用水泵的能力应不小于工作水泵的能力的 70%，工作和备用水泵的总能力应达 到正常工作水泵的排水能力，检修水泵的能力最低不小于工作水泵能力的 25%。工作及 备用排水管路的能力应与工作及备用水泵的能力相配。配电设备应足够供工作和备用水 泵同时开动，主排水泵房应有至少两回路供电线路，且每一回路都能在另一回路发生故 障时担起全部负荷的供电能力。主排水设备应该具备针对涌水突然增多而导致设备被淹 的预防措施。 移动式排水设备为了达到排水的目的而要求水泵随着工作面前进或者水位下降而移 动，所用的水泵和电机均安装在设备整体的底架上，绞车用钢绳牵引底架移动。 移动式排水设备应实现以下功能：有较好的吸水性，能够排出泥水。较小的尺寸以 做到快速、方便的移动。适合水流量变化不大而扬程变化较大的需要。 综上所述，设计一套有效的井下排水控制系统是非常必要的，且在矿井涌水速度有 变化时此系统均应及时将水排出。 精选文档 1.2 国内外研究现状 伴随着采矿工程的发展，井下排水系统也随之而产生。现在控制理论和检测技术的 发展，又使得自动排水系统在理论和实践上的研究都取得了一些进展。 目前国内的研究工作，大部分是从井下排水控制系统的可靠性和节能的角度去研究。 首先是对中央泵房水泵自动控制系统的成功改造，结果可以证明以计算机进行单台水泵 的“水泵控制系统”改建和以矿井监控为主的“矿井监控系统”组成的“矿井排水自动 控制系统”是一种可行的方法。之后的几年，国内研究人员又针对煤矿井下排水系统耗 能大的特性分别从离心式水泵，排水管路，电动机三方面开始了对井下排水系统的节能 改建工作。某设计研究院提出使用 PLC 自动检测水位、管道压力、流量等数据，根据水 位高低和参考矿井的用电情况，建立数学模型，达到了水泵运行的避峰填谷的效果，有 效地节省了矿井在排水系统上的能耗。 而国外的研究多从管道长期的维护和清理以及井下水的质量对排水设备造成的影响 等更细化的方面进行研究。俄罗斯研究人员根据费用相等的原理，推导出水泵最佳使用 周期和管道清理周期的两种形式相似的计算公式，从科学的角度阐述水泵使用和管道清 理，提高了整个排水系统的安全性能。英国、德国、加拿大、西班牙等国根据本国矿井 存在的一些实际环境问题，例如对酸性的矿井排水问题进行了大量的研究。 1.3 本课题研究的主要内容及意义 本文提出了用 PLC 控制系统代替传统继电器控制系统，进行排水设备的选择设计。 根据排水控制的要求，进行 PLC 硬、软件的设计，以满足自动轮换工作机制要求，又充 分考虑“避峰填谷”的原则并采取抗干扰措施以使系统高效稳定工作。建立 PLC 与上位机 的通信进行画面监控，做到发生事故可以及时发现处理。 目前我国井下排水系统中的一些重要工作环节例如水位监测、配电设备的运行操作 等仍依靠人工操作。大多数矿井使用继电器、接触器控制系统中包含且使用了大量的机 械触点，线路比较复杂，在长期使用的过程中继电器触点在开闭时暴露在空气中易受灰 尘污染易导致接触不良而误动作，从而使设备运行的可靠性降低。在 PLC 控制系统中， PLC 采用微电子技术，大量开关动作均由无触点的电子器件完成，只需在 PLC 的端子上 接入相应的输入/输出信号线即可，通过设计软件程序替代继电器等物理电子器件和量大、 繁杂的硬接线线路，因此工作寿命得到延长，可靠性得到提高。此外，PLC 体积小，质 量轻，易安装，还能直观简单地反映出现场信号的变化状态以及整个控制系统的运行状 态，进行维护工作方便。由于使用软件编程代替硬接线实现控制功能，故而设计、施工、 调试都很简便，所需时间大大减少，缩短了投运周期。 因此，采用 PLC 与 PC 监控结合的自动排水控制系统具有的优势是传统继电器控制 系统无法企及的，改善了现有自动排水系统的缺点，对矿井安全生产具有非凡的意义。 精选文档 2井下排水控制系统介绍 2.1 功能设定 本系统中的主要排水设备设计有五台离心式排水泵和三条排水管路，每个排水泵均 与每条排水管路连接。五台排水泵两台工作，两台备用，一台检修，而三条排水管路有 两条工作，一条备用或检修。当使用中的一条管路故障时，继续用另一条管路排水，当 两条管路均发生故障时立即启用备用管路而不至于中断排水。每条排水管路都有电动阀， 可以通过 PLC 选择要使用的管路。水泵及排水管路的系统连接图如图 2.1 所示。 图 2.1 水泵及排水管路系统连接图 由图中可以看出每条排水管路上都安装有排水电动阀，考虑到离心式水泵的启闭特 性，它们需要按先后顺序进行打开和关闭的操作。以 1#泵为例，在启动并需要打开排水 电动阀时，按照“转换工作”的要求，打开 11#电动阀，然后再打开 10#电动阀；在停止时， 应先关 11#电动阀，再关 10#电动阀，其它阀门启闭操作与此相同。 本控制系统为满足实际使用需求，应具备以下功能： 1. 自动轮换工作：为了防止长期运行水泵和管道磨损严重及防止备用水泵和管道的 电动机和电气设备长期闲置受潮或其他故障没有被发现，因此需要设计水泵及管路的自 动轮换工作制。本控制程序自动记录并累加水泵的运行时间及使用次数、管路使用次数 等参数，系统将根据这些参数按照预定顺序自动启停水泵及排水管路，均匀分布各水泵 及其管路的使用率，当某台泵或阀门产生故障、某条管路发生漏水事故时，系统都会自 动发出报警并且进行记录，同时将发生故障的水泵或管路退出轮换工作，其余各泵和管 路继续按设定顺序自动轮换工作，以达到发生故障能够及时发现处理、保障矿井安全生 精选文档 产的目的。 2. “避峰填谷”：所谓“避峰填谷”，是指调度水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段工作， 尽量避免在“峰段”启动。要实现“避峰填谷”，需调度各水泵在用电的“谷段”和“平段”时间 段，将水仓的水位排至设定的低位，以便水仓能够腾出尽可能大的容积，使其在“峰段”容 纳更多的矿井涌水而不用启动水泵8。 3. 保护功能： (1)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，则停止操作并转为启动下台水泵，发出故障报警信号8； (2)流量、压力保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量或压力没有达到正常值， 则通过流量、压力保护装置使本台水泵停车，转为启动下台水泵8； (3)超温保护：当水泵长期运行导致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8； (4)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8。当出现过流时，对应的保护装置动作； (5)低电压、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8。 4. 三种工作方式：系统控制具有自动、半自动和手动三种工作方式12。自动工作时， 由 PLC 检测水位、压力等相关信号，自动完成各泵组运行，不需要人工参与操控；半自 动工作方式时，由操控人员选择开哪台或哪几台水泵，PLC 自动完成选定的泵组的启停 和监控工作；手动工作方式为 PLC 产生故障与检修状态下的工作方式。PLC 故障时，全 部设备均由操作人员控制相应按钮运行；当某台水泵及附属设备发生故障时，该泵组将 自动退出运行，不影响其它泵组运行8。PLC 控制柜上设有水泵的禁止启动钮，设备检修 时，按下此按钮可防止他人误操作，以保障检修人员的安全以及系统的可靠性。故障排 除或检修完成后，经过手动试车确认没有故障以后，才能继续参与自动轮换工作。 5. 动态监测：通过上位机监控画面实时监测水泵及其附属设备的运行工况，实时显 示水位、流量、压力、温度等参数，提供各种运行及故障信息，超限报警，还可以将记 录的运行报表、事故记录、历史数据、统计报表等打印出来。 6. 抗干扰能力：由于 PLC 控制系统工作环境较为恶劣，避免不了存在各种干扰。这 些干扰会导致控制精度降低、PLC 内部数据丢失、机器误动作，甚至损坏 PLC。所以， 在实际使用中，不仅要按照要求合理配置系统，正确配接线，还必须充分考虑各种异常 情况，采取相应抗干扰措施以确保 PLC 控制系统可靠稳定地运行。 2.2 控制系统总体结构 本系统使用可编程序逻辑控制器和上位计算机组成两级控制系统来完成排水系统的 自动控制。上位机利用人机界面实现对话与监控功能，可编程序逻辑控制器作为下位机 完成数据采集与自动控制的任务。 精选文档 设计系统总体结构如图 2.2 所示: 图 2.2 系统总体结构框图 2.3 系统中的检测元件 PLC 作为工业控制装置，其用以检测信号的传感器的精度与可靠性将影响控制系统 是否能正常运行。因此在选用传感器时，应综合考虑以下参数： 1. 测量范围：传感器规定的测量范围应稍大于实际测量范围，以免超出测量范围造 成结果产生较大误差或造成传感器损坏。 2. 线性度：为了方便标定与处理数据，通常都要求传感器的输出输入成线性关系， 从而能正确地反映被测量的数值。 3. 灵敏度：灵敏度又被称作传感器系数，例如校准线的斜率就是线性传感器的静态 灵敏度。 4. 分辨率：是指传感器可以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，不需要牺牲其它性能而追求过高的分辨率。 5. 工作环境条件：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15。 以上有些方面互相制约，选择时进行综合考虑比较，选用整体性能较高者。 2.3.1 水位测量 精选文档 本文采用感应式数字水位传感器测量水位，它的主要特点是: 1. 测量准确、可靠、失真度小。 2. 不受泥沙、污物的影响。 3. 在信号远距离传输方面，抗干扰能力很强，具有独特的功能。 其优势在于脱离了传统的模拟量检测方式，采用数字式测量，每个量之间有质的区 别，有是与非的区别，没有模糊数据，更不受环境和其它分布参数的影响。它在工作的 过程中能够全部投入水中，达到了国家潜水型 IP68 的防护标准，可以做到较长时间之内 不用人员进行维护。传感器的工作电源设计在 536 伏范围内供电。使用时，垂直安装 在水中，按照由低到高的水位变化转换成 420mA 的电流信号自信号端输出。传感器的 规格不同，其结构是外型光滑无缝的棒式固体传感器，棒的直径为 2050mm，长度为 0.520m。 2.3.2 压力测量 本文选择型号为 YS-2 压力传感器，量程分别为 00.4MPa 和 01.6MPa。其特点为： (1)选用陶瓷压阻测压传感器作为敏感元件，具有明显的抗腐蚀、抗磨损性能。 (2)采用成熟的电路设计，具有较强的稳定性、可靠性以及抗干扰能力。 (3)体积小巧，易安装；对振动、腐蚀、潮湿、干扰不敏感。 (4)输出信号强，具有较高的工作温度范围，并自带温度补偿。 抗腐蚀的陶瓷压力传感器不需要液体的传递，压力直接作用在其膜片表面使产生微 小的形变。厚膜电阻则印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥） 。由于压 敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力、激励电压成正比的高度线性电压信号。标 准的信号根据压力量程的不同标定为 2.0/3.0/3.3mV/V，能够兼容于应变式传感器。经过 激光标定以后，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿 070，并可以和绝大多数介质进行直接接触。 2.3.3 流量测量 本系统中的流量测量元件选用电磁流量计，其特点为： 1. 测量管路内没有任何突出和可以移动的部件，因此可用于有悬浮颗粒的液体等流 量的测量，且压力损失极小； 2. 感应电势与被测液体温度、压力、粘度等无关，因此其受适用范围的局限较小； 3. 测量范围较大，最大流量/最小流量=1500； 4. 可以测量具有腐蚀性的液体； 5. 惯性小，可以测脉动流量； 6. 介质导电率大于 0.0020.005 /m。 电磁流量计由电磁流量转换器和电磁流量传感器组成。电磁流量转换器是为电磁流 精选文档 量传感器提供电源，并将其测量回的流量信号整定成为标准的 420mA 电流等其他形式 的信号。系统选用 LDZ5 电磁流量转换器和相应的电磁流量传感器配合工作，其输出信 号为 4-20mA DC，精度等级为 0.3 级，励磁电流为 200+0.4mA，电源电压为 220V AC。 3井下排水控制系统设计 3.1 可编程控制技术 可编程序控制器（Programmable Logic Controller）的发展起源于 20 世纪 60 年代末。 在 20 世纪 60 年代的时候，制造业采用的自动控制系统几乎完全是由继电器控制装置组 成的。到了 60 年代末期，因为制造业十分激烈的竞争，并且每一次产品改型都会导致继 电器控制装置进行重新设计与安装，不但费时、费工、费料，甚至还延长了更新周期。 为了改变当时这种情况，美国通用汽车公司根据市场形势与生产发展的需要，提出一种 新的工业控制装置的招标指标，即历史上有名的“通用十条” 。 1969 年，美国数字设备公司（DEC）根据其要求，研制出了这种新的工业控制装置， 并在美国通用汽车位于底特律的一条汽车自动装配线上试用，最后获得了成功。这种新 型的工业控制装置因为它独有的集简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、 使用寿命长等于一身的一系列优点，很快地在其他工业领域得到推广应用。由于这个装 置的主要功能是逻辑运算，因此，它又被称作可编程序逻辑控制器。随后，这种工业装 置也得到了世界其他国家的高度重视，并且部分国家相继引进并研制出它们的 PLC。 随着技术的进步，PLC 的功能越来越强大，指令越来越丰富，用途越来越广泛，在 工厂自动化(AF)和计算机集成制造系统(CIMS)之中占有非常重要的地位。 3.1.1 可编程控制器的主要特点及功能 1. PLC 的特点 (1)可靠性高，抗干扰能力强 (2)通用性强，程序可变，使用方便 (3)功能强，使用面广 (4)编程简单，容易掌握 (5)减少了控制系统的设计及施工的工作量 (6)体积小、重量轻、功耗低、维护方便 2. PLC 的主要功能 到目前为止，在国内外冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、 环保及文化娱乐等各行各业都会发现 PLC 的存在，并且随着它性价比不断提高，它的应 用领域也在继续扩大。如今 PLC 的功能，已不仅仅是替代传统的继电器逻辑控制，其基 本功能如下： (1)多种控制功能 精选文档 PLC 具有逻辑控制、定时控制、计数控制和顺序控制等功能。 (2)数据采集、存储与处理功能 具有数学运算、比较和数据处理等功能。 (3)通信联网功能 PLC 的通信包括 PLC 与 PLC、PLC 与上位计算机、PLC 与其他智能设备之间的通信， PLC 系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实 现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自 动化（FA）系统发展的需要。 (4)输入/输出接口调理功能 输入/输出接口是 PLC 与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。现场 控制或检测元件输入给 PLC 各种控制信号，通过输入接口电路将这些信号转换成 CPU 能 够接收和处理的信号。输出接口电路将 CPU 送出的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、接触器等被控设备的执行元件。 (5)人机界面功能 将实时采集的数据信息形象化的表示出来，反映到人机界面上，通过编程或操作人 员进行直观的分析和修改，实现远程监测和控制。 (6)编程、调试功能 PLC 一般有多种编程语言，IEC61131-3（PLC 编程语言的国际标准）说明了语法、 语义和五种 PLC 编程语言的表达式，按照此标准可以方便的进行编程和调试。 3.1.2 可编程控制器的发展趋势 长期以来，PLC 为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要 原因在于它能够可以提供安全可靠和比较完善的自动控制解决方案，正适用于当前工业 企业对自动化的需求。 1.产品向高性能、高容量、高速度发展 大型 PLC 大多采用多 CPU 结构，不断向高性能、高速度和大容量方向发展，尤其近 年来 PLC 生产厂商不断推出功能更强的小型 PLC，更新换代越来越快，而且增加了例如 高速计数器、脉冲列输出等以前大型 PLC 才具有的功能4。 2.不断加强网络通信功能 无论是大型还是小型 PLC，网络通信功能都在不断增强，PLC 向上可以连接各种管 理网，向下可以连接各种现场设备4。现代很多 PLC 不仅设计了与 CPU 集成一体的标准 MODBUS 协议、专有协议和自由协议串行通信接口，还能通过网络接口模块与其他系统 实现互联4。 3.新器件和模块不断推出 高档的 PLC 除了主要采用 CPU 以提高处理速度外，还有带处理器的 EPROM 或 RAM 的智能 I/O 模块、高速计数模块等专用化模块4。 4.编程工具丰富，功能不断增加，编程语言趋向标准化 精选文档 有各种简单或复杂的编程器及编程软件可以用来编写程序。 5.更加专业化 在 PLC 通用功能的基础上针对不同行业不同的应用特点开发专业化 PLC 产品，不但 能提高产品性能降低成本，而且可以提高产品的易用性以及综合竞争实力。 6.追求软硬件的标准化 PLC 将越来越开放，提供一个开放性的平台，通过提高标准化以及开放性的接口， PLC 可以简便地接入其它系统。另外，越来越多的 PLC 采用标准的编程语言。 3.1.3 PLC 系统选型 通过统计得知所需的数字量输入约 69 点，数字量输出约 30 点，模拟量输入通道约 28 路。选用德国西门子公司的 SIMATIC S7300 系列 PLC 系统。 S7300 系列 PLC 是模块化结构设计，各种单独模块之间可以广泛的进行组合和扩 展。它的系统构成如图 3.1 所示。其主要组成部分有导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处 理单元模块(CPU)、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)等8。它可以通过 MPI 转接电缆或通讯模块与计算机进行通讯，再加上其全面的诊断功能和完善的自我保护技 术，使其具有极高的可靠性，非常适合本系统的需求8。除此之外，它自带的 STEP7 编 程软件功能也比较强大，使用起来也很方便易上手，也使开发过程变得比较简单。 图 3.1 S7300 系列 PLC 系统构成框图 本系统选用的主机模块是 CPU314，它能够用于对处理能力和响应速度要求很高的场 合。内置 128KB 的高速 RAM，其装载存储器为最大 8MB 的微型存储卡，允许将项目存 储在 CPU 中，它对每条二进制指令的处理时间大约为 60ns，每个浮点预算时间为 0.59ns。I/O 模块为 6 个交流输入模块，4 个交流输出模块及 1 个直流输出模块；最多可扩 精选文档 展至 32 个模块 4 排结构，512 个开关量 I/O 或 64 路模拟量通道。 本系统主要由下面的模块组成: 1 块中央处理单元 CPU314 4 块数字量输入模块 SM321，32X24V，DC 1 块继电器输出模块 SM322，16XRel AC120V/230V 1 块数字量输出模块 SM322，32X24V，DC 5 块模拟量输入模块 SM331，8X12 位 1 块通信处理模块 CP340 l 块电源模块 PS307，10A 3.1.4 PLC 控制系统的主要抗干扰措施 由于 PLC 的特性允许其在比较恶劣的环境下工作因而得到了比较广泛的应用。但正 是因为它使用的场合更广泛，环境更加复杂，受到干扰也更多而影响了其稳定性。因此， 采取 PLC 控制系统的干扰信号源抑制措施，对于提高其抗干扰能力和可靠性有着很重要 的意义和作用。 1. 电源系统抗干扰 (1)使用专用电源供电且不能与大用电设备共用，以避免大用电设备的启动和停止影 响供电电压。 (2)在系统的交流电源与可编程控制器间使用双屏蔽的隔离变压器(图 3.2)，它一次绕 组的屏蔽层接中线，可以做到隔离供电电源的干扰，其二次绕组的屏蔽层与 PLC 控制柜 共地，可让干扰信号入地。 图 3.2 PLC 的供电电源 (3)在隔离变压器和可编程控制器间加装交流稳压器或低通滤波器(图 3.2)，用来滤除 交流电源输入的高频干扰和高次谐波。 2. 安装布线与接地的抗干扰 (1)电源线、输入/输出线与动力线 合理的布线可以明显减少电磁干扰。系统的动力线应足够粗，以降低大容量异步电 动机启动时的线路电压降，且动力线要远离 PLC 装置 20cm 以上4。在进行 PLC 控制系 统线路的敷设过程中，要尽量减小动力线与信号线平行敷设的长度，否则应增大两者的 距离以减小噪声干扰4。PLC 的输入、输出线，不允许放在同一根多芯屏蔽电缆内（尤其 是引线部分更不能捆扎在一起） ，而且在槽架内需要隔开一定的距离后再安放，屏蔽层需 精选文档 要接地4。 (2)接地线 配电柜中存在有两种接地方式，一种是 PLC 系统的接地线。另一种是其他用电设备 的接地线。在连接地线时需要注意 PLC 控制系统要单独接地，不能和其它系统共地； PLC 系统的接地电阻应尽可能小于 100，使用专用的接地线；输入/输出信号电缆的屏蔽 线需要与接地端子(GR)端连接，并且要连接良好。 3. 输入/输出线外围设备的抗干扰措施 在选用 I/O 模块前应了解到绝缘的输入输出信号和内部回路的抗干扰性能较非绝缘的 更好，无触点输出比有触点输出产生的干扰小等。因此，在干扰大的场合以及装设在控 制对象侧的 I/O 模块，从抗干扰能力方面考虑，使用绝缘型的 I/O 模块较好。 4. 解决漏电流的措施 当使用接近开关等 DC 两线式传感器输入信号时，应考虑由于漏电流较大的原因导致 的误动作，不能关断 PLC 输入信号。通常解决方法是在 PLC 输入端子连接一个旁路电阻 来达到减少输入阻抗的目的。当使用双向可控硅为输出时，也可以采取同样的方法在输 出端并联旁路电阻。接法如图 3.3 所示。 图 3.3 解决漏电流的措施 5. 触点抖动的消除 对于外部输入设备可能产生的触点抖动，如按钮、继电器、传感器等的输入信号可 以通过延时来消除。对于部分能够持续一定时间的脉冲干扰，也可以通过使用此方法进 行消除。选择时间设定值时，其需要大于触点抖动间隔时间或干扰脉冲持续时间。若干 扰持续时间较短，为了减少系统的响应时间，可以利用程序扫描时间或某段指令的执行 时间来替代定时器的作用。 6. 可测干扰信号的抑制 对于能够使用特定办法测量到的短时干扰信号，可以经过检测设备将这个干扰信号 产生的时间传送给 PLC，然后通过 PLC 的跳转指令进行相应的屏蔽动作，即在有干扰信 号影响的这段时间，不收集输入信号。 7. 漏扫描检测 在编制程序时，将程序分成几个部分，在每一个程序段末端加一个校验节点。当在 每次扫描之后，如果程序的每个部分都被扫描，就给出一个正确信号，然后继续执行编 程的指令；如果有程序段被漏扫描，则发出报警信号并按预设方案处理。 以上即为本控制系统在抗干扰方面使用的一些措施。然而，在实际使用中，仍然有 精选文档 可能出现各种意想不到的干扰，这需要以后通过大量的实践经验，积累技术不断改进， 使抗干扰能力不仅仅满足系统的技术要求，也能达到系统环境的要求，特别是电磁环境， 以达到更稳定、可靠地目的。 3.2 PLC 的软件设计 3.2.1 操作方式的选择 整个流程图如图 3.4 所示。 在系统开始工作前需要先检查 PLC 是否有故障，如果有则需要选择手动操作方式； 如果没有则进入下一步，检查设备是否存在故障，如果有则同样需要选择手动操作方式， 如果没有则可以继续对任意一种操作方式进行选择。当选择自动操作时且条件满足则系 统进入自动工作方式，若不满足则切换选择手动操作方式。半自动操作方式与自动方式 选择相似。 精选文档 图 3.4 操作方式选择 精选文档 3.2.2 水泵及管路的自动轮换工作 本控制系统设计为每台水泵配备两个数据寄存器，其中一个存放运行时间，而另一 个存放运行次数。每次开始排水工作时会自动选择处于空闲状态的运行时间最少的正常 水泵，若此条件相同，则会选择运行次数最少的。每次排水工作结束，自动累计水泵的 工作时间和次数。 为了避免数据寄存器存放过多数据导致溢出，每当某台水泵的运行时间达到最长时， 所有水泵的寄存器存放的运行时间数据都自动减去它们之中最少的运行时间。每当某台 水泵的运行次数达到最多时，所有水泵的寄存器存放的运行次数数据都自动减去它们之 中最少的运行次数。当运行的过程中，某台水泵发生故障则会自动停止工作，且会退出 自动轮换工作制，同时按照设定的系统工作原理来启动其它水泵工作。 排水管路的自动轮换工作机制与排水泵相似。 将五台水泵依次编号为 1#，2#，3#，4#，5#。五台水泵的运行时间和次数均按顺序 保存在寄存器 D230D239 中，将 1#泵的运行时间存放在 D230 中，运行次数存放在 D231 中，依次类推。在记录运行时间上，采用辅助继电器 M8014，其振荡周期为一分钟， 并分别用 C1，C2，C3，C4，C5 记录下五台水泵运行时它的振荡次数，即运行时间，并 把它们的设定值设成最大值 32767。每当启动某一台水泵时，它所对应的计数器就会开始 计数即记录下运行时间，当这台水泵停止运行时，则相应的计数器就会停止计数，并把 目前的计数值累加到它对应的运行时间寄存器中，然后这台水泵对应的运行次数寄存器 计数加 1，最后计数器清零。例如，当启动 1#泵时 C l 就会开始计数，当 1# 泵停止运行 时，则 C1 就停止计数并把目前 C1 里的计数值累加到运行时间寄存器 D230 中，然后运 行次数寄存器 D231 的值加 1，最后 C1 计数器清零。 根据预设的工作机制，使用 M1，M2，M3，M4，M5 五个辅助继电器作为 PLC 内部 启动五台水泵的开关，当某个继电器接通时，它所对应的水泵就会启动，此时计数器会 开始计数，当这个继电器断开时，它对应的水泵就会停止运行，此时计数器会停止计数。 当每次排水工作结束后，已经启动保持运行的水泵依次隔 30 秒停止运行。当工作中的水 泵全部停止运行时，按顺序比较它们的运行时间和次数，并将它们中最少的运行时间和 次数分别存放在 D40，D41 中，之后再分别用它们的运行时间寄存器和运行次数寄存器减 去 D40、D41。D221-D225 中存放按从少到多的无故障运行时间顺序排列的水泵编号，如 果时间相同，则按运行次数排序，次数少的在前面。D220 中存放没有发生故障的水泵数 目，其中每增加一台故障水泵，则 D220 计数减一。使用继电器 M11-M15 作为每台水泵 的故障发生标识，发生故障的水泵就会接通对应的继电器，最后在 D60 中存放启动的水 泵数目。 精选文档 图 3.5 单台泵启动流程图 图 3.6 单台泵停止流程图 精选文档 图 3.7 五台泵停止流程图 精选文档 图 3.7 注释： 查找最少的运行时间并存放在 D40 中 1 查找最少的运行次数并存放在 D41 中 2 减去最少运行时间 D40 和最少运行次数 D41 3 泵的编号存放在 V5 中，已排列的泵的数目存放在 D42 中 4 查找无故障且没有被排列的泵的编号，V6 累加被排列泵的数目 5 V7 为运行时间变址寄存器，D43 用来检验是否新一轮参与比较的第一个运行时间 6 比较结果中较小的运行时间存放在 D50 中 7 比较运行次数，V3 是参与比较的前一个运行次数寄存器的变址，V4 是最后一个的 8 变址 判断被排列出的泵的数目和无故障泵的数目是否相等 9 3.2.3 水泵启动过程的程序实现 五台水泵均有各自的 PLC 程序分别控制它们的启停，它们各自互相独立。五台水泵 的阀门开关端口分配见表 3.1。 表 3.1 阀门开关的端口分配表 五台水泵虽然各自独立，但启动的过程都是相同的，下面就以 1#泵的启动流程为例 进行说明，见图 3.8。 精选文档 图 3.8 1#水泵启动流程图 精选文档 I/O 地址分配如表 3.2 所示。 表3.2 I/O地址分配表 输入功能输出功能 I0.0水仓水位高Q0.0一号水泵启动/停止 I0.1水仓水位低Q0.1二号水泵启动/停止 I0.2一号泵出水口压力Q0.2三号水泵启动/停止 I0.3二号泵出水口压力Q0.3四号水泵启动/停止 I0.4三号泵出水口压力Q0.4五号水泵启动/停止 I0.5四号泵出水口压力Q0.5一号泵出水口压力高报警 I0.6五号泵出水口压力Q0.6二号泵出水口压力高报警 I0.7一号泵水泵轴承温度Q0.7三号泵出水口压力高报警 I1.0二号泵水泵轴承温度Q1.0四号泵出水口压力高报警 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 I3.0 I3.1 I3.2 M0.0 M0.1 M1.0 M1.1 M2.0 M2.1 M2.2 三号泵水泵轴承温度 四号泵水泵轴承温度 五号泵水泵轴承温度 一号泵电机温度 二号泵电机温度 三号泵电机温度 四号泵电机温度 五号泵电机温度 一号电机电流 二号电机电流 三号电机电流 四号电机电流 五号电机电流 一号电机电压 二号电机电压 三号电机电压 四号电机电压 五号电机电压 启动 T1 标志 水泵接通脉冲标志 启动 T2 标志 水泵切除脉冲标志 水泵接通寄存器 1 水泵接通寄存器 2 水泵接通寄存器 3 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6 Q2.7 Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 Q3.4 Q3.5 五号泵出水口压力高报警 一号泵轴承温度高报警 二号泵轴承温度高报警 三号泵轴承温度高报警 四号泵轴承温度高报警 五号泵轴承温度高报警 一号泵电机温度高报警 二号泵电机温度高报警 三号泵电机温度高报警 四号泵电机温度高报警 五号泵电机温度高报警 一号电机电流大 二号电机电流大 三号电机电流大 四号电机电流大 五号电机电流大 一号电机电压高 二号电机电压高 三号电机电压高 四号电机电压高 五号电机电压高 精选文档 续表 3.2 M2.3 水泵接通寄存器 4 M2.4 水泵接通寄存器 5 M2.5 水泵接通寄存器 6 M2.6 水泵切除寄存器 1 M2.7 水泵切除寄存器 2 M3.0 水泵切除寄存器 3 M3.1 水泵切除寄存