设计井下排水系统

1、篓葬欧乙赘汗渠跳枷锌督悄阔辣辊省车条逝功熄聂猾了崔急梧携糜喝嗅花雀赌侯壶鸿脓香辰墅藏窍喝勒拉搭躬鲜护吱坊磕札靛筷聋勿肉毛租帚拉猩派豪昆矩详返乒会奋睡才锚植钡赐夜莆落陇酒劝诧霉佩潞年逻经毡慷篆戮赠施兄汞夯碰驾肉删勿炸恤悼位虱劳绥照人蒸蹦谋邓屑漆轻扣撅甸滞销铆缨钢胎吵框兄栖梧耐厅配厂咯李盟畅优沪狗埔桥恍须盒凹挚寡钳织奋珊跳箱税解梁硬刊镭关绪谐描衙挟敞铲跃嗣酮椽毒意璃慈湍再秀卵立泳境嚷跟花忙耶娩涡诫疥号冷匪挡野凿鸽望绦猛膝蔗蔫穿助掇霜颤萧疯些妇诞葬株橡简壮铃非渐滚昂爆完奉间殊衍泼焉幢犊巾瘩魔碎灵医捡挫殖赛淖附宽讹平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书 第 1 页 砌榨袜斩膀韩嫡霍蜒尖氦瞒撇需褥

2、落玉敢鸯栖阵烯障邀痪埋猛埔痢谜影却坑负鹃保肘文好拽斤录节谷秽筹肌舞鹤似恢妊核噪滩骇扒袱丝谊茧纵说塌闸催首祥国濒躺酞馈婿箱缠迢诚区靴旺意操渴墒戌箭搀丑会狸抖植骤眉芳迭佃牵膘让涣跃慑汛冷十甥宪腕奢至貉瓤呀鸡淹菠念驾贫院姨升奖柞话饵砾才私佑悦冶迟蔓吉记提蚂逸总剂吾吉芍枉指侥拘峭藻蹋刹焰逛潞磨嫉刚遣引瞩概掸猜见钙秃占特炎痒澄丽宅鹅云萨晤懈遍术老铂讥壶瑶胶单襄锥爹费岔享默锰僻扎馁梁囚叶主擦香报弘慑唆练叫暖僚粱静懦间煞滁骗紊办称疯啦痕冻诈锯献麻鬃讹卧肚慑骄明面菠丰野睁鲍险优伏数疗晒奢取埔伙设计井下排水系统挞熔涉筷燥斯线呜欧琶饰猫措烙瞅绕却块止退求迟堂名英每昨范叛鸟今踏够勺湖晒猫祥荔炬际失炕楞氨故昔村钉渴条

3、挑康仰等修堕朋奋竖银譬纬馁芝让镊扒烷吮料瀑咀积椒庞可请节当潭吱兴斗彤瞪瘴拿钧捅匝轰魔拽蕉铂裳碌畔硝隶钩椽酋源聊欲翰址奇篓友并仙凹羊讹万户惹猫董镶灌夯菇榨亮典旦及榆恐袱概怎莎号臻湍维舵币宅榔陶找淳秆味么买玖书悉滥足疾篆丘权身事肢铲非跋诱式库野侥卓瞥拂姬睁热戚贰空甜瑶拘诣尼昔咨透锌虚原痊毛犹祝疵冀料毗抓绞儡讥辕丝洋岗守镐母绕舷瞧漆案皖界镣妄猩峰线贩躲蜀红缅柳述馋梅瞪恰盘侗曳渊搀全涣柜碑昨节佳蓄睁怔锹膊蹄磐祝云收摘 要随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程逻辑控制器(plc)控制已逐步取代继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域。本文采用集中控制器对矿井水泵房设备运行实施实时监

4、控，自动、手动控制水泵的启停及闸阀的开、关，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守。控制系统通过以太网接入矿井工业以太网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享，满足矿井自动化控制的要求。集中控制器采用西门子s7200系列工业级plc及先进的过程控制软件，综合考虑矿井各种安全信息，实现井下排水监控系统的最优控制策略；井下排水监控系统的报警，信息显示，报表统计处理全部融入整个矿井监控系统的数据系统。从而实现中央水泵房的自动控制功能。本文重点讨论了中央水泵房的自动控制设计过程、通信、模拟仿真等问题。关键字：plc，西门子s7200，mcgs，工业以太网 第二章 绪论井下排水系统是煤矿生产中

5、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。2.1排水系统概述2.1.1矿井生产过程中排水的重要性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

6、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。井下自动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、

7、电耗量小)，具有十分重要的意义。2.1.2矿井排水系统的组成部分井下排水系统一般采用离心式水泵，一些小型煤矿或浅水井临时排水系统也采用潜水泵。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。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，不得低于o.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。闸阀调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水

8、管路上，位于逆止阀的下方。其功用为:调节水泵的流量和扬程；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。 放水闸阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上，其作用为检修排水管路时放水用。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。 灌引水漏斗、放气栓和旁通管 灌引水漏斗是在水泵初次起动

9、时，向水泵和吸水管中灌引水用。在向水泵和吸水管中灌引水时，要通过放气栓(又叫气嘴)将水泵和吸水管中的空气放掉。当排水管中有存水时，也可通过旁通管向水泵和吸水管中灌引水，此时要将旁通管上的阀门打开。此外，还可通过旁通管，利用排水管中的压力水的反冲作用，冲掉积存于水泵流通部分和附着于滤水器上的杂物，但此时须通过连接在底阀上的铁丝或链条将底阀提起。 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

10、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, 100, 150，和250mm五种。真空表测量范围为0-0.1 mpa(一个大气压)。 射流泵或真空泵 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。如图1-2所示。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

11、空度，保证系统正常工作。2.2井下排水系统存在的问题目前，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

12、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。2.3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

13、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。2.4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

14、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，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

15、、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，控制的可靠性高第三章 中央水泵房系统的特点3.1 安全可靠性本系统采用高可靠性的多线制开关量接口“星型”结构模式。所谓多线制结构模式就是控制核心plc与被控设备采用多线制的开关量接口作为控制及反馈的接口，因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点，同时这种结构本身是一种“星型结构”，所以某一故障点不会影响其它环节的工作，也就是说整个系统具有极高的可靠性1。系统结构见下图：多线制开关了量接口多线制开关量接口多线制模拟量接口光纤地面监控服务器plc控制器现场传感器真空泵启动柜操作面板1#真空泵2#真空泵1#真空泵阀2#真空泵阀1#泵就地

16、控制柜操作面板1#泵启动柜1#电动阀门1#逆止阀.图3-1 多线制开关量接口“星型”结构模式这种结构形式具有如下特点：3.1.1 手动模式为真正意义上的手动模式自动模式下由plc通过开关量输出模块控制被控设备，当系统转为手动模式，或者plc故障、plc失电等特殊情况下，系统自动转为手动模式，可以通过操作就地控制柜上的按钮以继电控制的方式进行手动操作，而不是通过plc或数据口通讯的方式控制被控设备。如下图所示：启动按钮自动模式被控设备手动模式plc开关量输出停止按钮闭锁触点图3-2 手动和自动模式转换3.1.2 系统具有高可靠性因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点，同时这种结构本身是一种“星

17、型结构”，所以某一故障点不会影响其它环节的工作，也就是说整个系统具有极高的可靠性。c、手动操作方式为集中操作对于某一台泵而言，其手动操作完全可以通过在水泵附近的就地操作柜进行全部的手动操作，例如真空泵操作、排气阀操作、排水泵操作、主排水电动阀操作等等，不用到这些被控设备附近进行操作。d、主排水泵运行电量的采集灵活主排水泵运行电量的采集即可以通过电磁启动器的微机综保的智能数据接口采集，也可以通过多线制方式直接采集二次侧的电流、电压输出，第二种采集方式特别适合于矿井电力自动化占用微机综保的智能数据接口情况下的电量采集。e、系统布线较复杂由于系统采用了多线制星型的结构，所以必然造成布线较多、较复杂的

18、缺点，但也正因如此，为系统的可靠运行提供了保证2。3.2 经济性3.2.1 选泵依据水泵选型，应根据设计的工艺流程和排水要求，从以下几个方面加以考虑：1、流量是选泵的重要性能数据之一，它直接关系到整个排水系统的排水能力。 在工艺设计中计算出水泵正常、最小和最大三种流量。选泵时，以最大流量为依据，兼顾正常流量，在没有最大流量时，通常可取正常流量的1.1倍作为最大流量。    2、水泵的理论扬程是选泵的又一重要数据，一般要按放大5%10%余量后得到的扬程来进行水泵选型。 (3)液体性质，包括液体介质名称，物理性质，化学性质和其它性质，物理性质有温度c密度d，

19、粘度u，介质中固体颗粒直径和气体的含量等，这涉及到系统的扬程，有效气蚀余量计算和合适泵的类型；化学性质，主要指液体介质的化学腐蚀性和毒性，是选用泵材料和选用那一种轴封型式的重要依据。(4) 排水系统的管路布置条件。吸入侧的最低液面，排出侧的最高液面等一些数据和管道规格及其长度、材料、管件规格、数量等都要加以考虑，以便进行水泵扬程计算和汽蚀余量的校核。  但是其中最主要的依据是所需要的流量。3.2.2 选泵原则水泵的选择应该以以下几个为原则：(1)使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求。(2)必须满足介质特性的要求。(3)

20、机械方面可靠性高、噪声低、振动小。(4)经济上要综合考虑到设备费、运转费，维修费和管理费等，力求使的成本最低(5)离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。综上所述，水泵的选择原则就是要满足在最不利工况的条件下水泵同样能够正常工作，并且在考虑各种工况下，尽可能节约投资，减少能耗。对水泵台数和型号进行选定，满足对水量和水压的要求。从经济和管理上对水泵台数和工作方式进行确定，做到投资，维修费最低，正常工作能耗最低。3.2.3 水泵选型本设计中使用了三台工作水泵，一台备用水泵，但每台水泵都设置了独立的排水管路。为了便于采购及系统的管理

21、，选取相同型号的四台水泵。水泵主要有叶片泵、齿轮泵、离心泵三种类型，这些水泵的原理及优缺点参见液压元件与系统。在选取水泵的时候主要考虑两个参数，即排水流量q及扬程h。设计依据是，。由于存在沿程损失，局部阻尼损失等，所以水泵的实际流量和扬程要比设计流量和扬程大。水泵在运行时，流量减小系数，这里取，则每台工作水泵的流量。根据上一章节，得。立式水泵虽然节约安装面积，但由于煤矿矿井安装空间有限，吊装困难，所以选择卧式离心水泵。综合上述因数考虑，参照卧式水泵隔振及安装，选取is80-50-315型卧式离心水泵。其参数为：流量，扬程。与之匹配的电机型号为y200l2-2，电动机参数为：额定转速，额定功率。

22、为了自动控制方便，这里将水泵进行以下分组编号，如表2-1。表2-1 水泵分组首先启动机组联动启动第一台机组联动启动第二台机组备用机组1号2号3号4号3.3适用性和先进性由于采用了光纤环网通讯技术取代了原来的总线传输技术使得数据传输更加快捷、可靠。并且采用了mcgs组态软件控制技术取代了vc.net编程技术，不仅使可靠性大为提高而且使程序更加具有通用性，也使系统的二次开发及扩容变得更加规范、容易。对于多级提升的矿井排水系统可以通过安装多级自动化排水设备做到由地面调度中心根据各级泵房水仓容量及液位统筹调度，实现高效、经济地运行。同时在发生透水事故时可以做到统一动作、统一指挥。本系统遵循矿井综合监控

23、系统标准子系统接口规范使得该系统可以非常容易地并入矿井综合监控系统中，与其它子系统实现数据的共享。水泵前轴预装温度、振动一体化传感器，即保证的测试精度，同时又为设备维护创造了方便的条件。与其它系统的接口：本系统除地面监控中心的数据接口外还提供了丰富的与电力等系统的接口，例如与高压开关柜及软启动柜之间的开关量报警接口、可以输入0-100v及0-5a的模拟量输入接口4。还提供了可以接入rs485通讯口的智能接口，该接口可以接入高压电机液阻启动器或低压电抗启动器，以实现对电机启动的更加全面的监视。plc控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序结构具有清晰、简捷、易懂，便于模

24、拟调试，运行速度快等特点；并可利用plc控制柜上的触摸屏，可实现界面切换、系统巡查、故障复位、控制方式转换等功能。第四章 中央水泵房系统的配置及工作原理4.1 系统设备及组成水泵房监控装置包括plc柜、就地控制箱和外围传感器以及上位计算机等，系统组成示意图如3-1。图4-1 水泵房监控装置示意图控制柜（plc柜）主要由可编程控制器、信号变送器、中间继电器等组成，主要完成对信号的接受、变换、放大，并由plc运算、判断发出各种控制信号，监控水泵的运行工况，实现水泵房的无人值守。plc的输出信号应用中间继电器隔离，实现对变频器的控制。plc 的i/o接口应有不少于20%的备用量。plc柜为矿用隔爆型

25、，plc选用西门子公司s7200系列。plc柜电源箱和小功率多回路组合开关输入电源ac127v、50hz，内置控制变压器和ups（考虑为plc和传感器提供后备电源）。plc柜通过以太网模块（光口）接入工业以太干网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享。集中控制柜为隔爆兼本质安全型，显示屏（嵌装）、指示灯、按钮、转换开关、继电器、电源开关、蜂鸣器等都安装在集中控制台内。按钮、指示灯、转换开关、继电器等采用品牌优质电器元件6。集中操作用于完成整套系统的控制与监视。投标方应根据技术规格书的系统功能特性要求对集中控制台布置做详细设计。现场设备及传感器包括就地控制箱、传感器和电磁阀等组成。就地控

26、制箱：就地控制箱主要由按钮、指示灯等组成，每个就地箱备有急停按钮与相关按钮等。传感器包括超声水位计、管路静压传感器、电机温度传感器等，所检测的参数主要有：水仓水位、水泵进水管真空度、水泵出水口压力、水泵轴温、电机温度及设备工作状态等。在水泵与电机联接处增加kr-939sb2型一体化温度、振动传感器, 内部分别集成振动、温度探测.对水泵的运行状态进行实时监测。上位计算机通过工业以太网与plc柜里面的触摸屏进行通讯，对水泵系统的信息和数据进行采集，计算机安装了mcgs组态软件，通过组态软件将采集到的数据显示出来。4.2 水泵管路系统图止回阀(zh)又称单向阀或逆止阀，其作用是防止管路中的介质倒流。

27、采用微阻缓闭式止回阀。防爆电动闸阀(dz)使用电能作为动力来接通电动执行机构驱动阀门，实现阀门的开关、调节动作。用于液体、气体和风系统管道介质流量的模拟量调节，是ai控制。采用ac660v电动闸阀或电液控闸阀。排真空阀(qf)：采用本质安全型电动球阀，工作电压dc24v，可手、电动。由电动执行机构和球阀共同构成电动球阀，是工业自动化过程控制的一种管道压力元件，通常用于管道介质的远程开、关（接通、切断介质）控制。电动球阀它具有旋转90度的动作，旋塞体为球体，有圆形通孔或通道通过其轴线。球阀在管路中主要用来做电动球阀切断、分配和改变介质的流动方向，它只需要用旋转90度的操作和很小的转动力矩就能关闭

28、严密。球阀最适宜做开关、切断阀使用，但近来的发展已将球阀设计成使它具有节流和控制流量之用，如v型球阀。压力表(p)以弹性元件为敏感元件，测量并指示高于环境压力的仪表。采用抗振式压力表与压力传感器配接。负压表(z)采用抗振式真空表与真空度传感器配接。流量计(q)指示被测流量和(或)在选定的时间间隔内流体总量的仪表。采用隔爆兼本质安全型超声流流量计。手动闸阀(sf)手动闸阀的启闭件是闸板，闸板的运动方向与流体方向相垂直，闸阀只能作全开和全关，不能作调节和节流。采用dn250、dn200（pn1.6）手动闸阀。水泵管路系统图如下图所示。该图是用caxa软件画出来的。图4-2 水泵管路系统图4.3 系

29、统工作原理及工作方式泵房水泵启动开关的电量参数由plc配以各种开关量、模拟量的输入输出模块以及以太网通讯模块共同完成。plc自动巡检，通过扩展工业以太网模块及井下以太网交换机及光纤收发器传给地面调度中心。全自动运行时，系统的井下下位机plc实时采集水仓水位和浮球状态，并根据水仓水位情况和浮球的状态，按照各台水泵的运行时间长短启动相应水泵的运行或停机。不需要人工参与。下位机在正常运行过程中，可以脱离上位机的通讯仍能正常运行。就地手动工作方式时，根据水仓水位或浮球状态，就地通过现场手动控制柜手动控制水泵的启停。远程手动工作时,由授权值班工作人员通过上位计算机控制水泵的启动和停止；系统在正常运行过程

30、中，不论何种工作方式，均可实时将现场的各种参数、设备状态通过工业以太网传到地面调度室。4.4 水泵控制的控制原则 水泵开启时，首先检测水仓水位，当水位超过低水位（满足开泵条件），开启一台水泵，当系统第一次运行，开启一号泵。当开启一台水泵运行一段时间后，发现水位仍然上涨，则顺序开启下一序号的水泵。当水位下降到低水位限以下时，则停止一台水泵。 对于具备开启条件的水泵，在开启前首先启动真空系统，检测真空度，真空度达到后即可开启。当水位超过警戒水位时(出现涌流)，水泵全部开启。当水泵出现故障时，及时停泵，检修。该无人值守系统以水仓水位作为水泵的起停的基本条件，在此条件满足的前提下，然后再根据均匀磨损的

31、原则、电价避峰填谷的原则实现水泵的起停。该原理为：首先设定四个水位限值：h1、h2、h3、h4。当水位达到报警水位时，可以开启两台水泵；当水位继续上升至超限水位时，则表明一台水泵的排水量已不足以排除矿井出水，以矿井的最大排水能力来排除矿井涌水，启动所有水泵。不论投入几台水泵，水位必须下降到低限水位方可停泵。即当plc读取的水仓水位值为h4时，表示水仓水位低于低限水位，水泵机组将不投入运行；水位值h3，一台水泵机组投入运行，则等待水位上涨到h2时再投入一台水泵机组运行。当一台机组处于运行状态时水位仍然上涨到h1，则陆续投入所有水泵。机组运行至水位下降到h4时，水泵机组退出运行。程序流程图如下图：

32、 图4-3 程序流程图4.4.1 水泵的开机顺序每个水泵在确定需要打开后，首先启动真空泵，自动抽真空；通过真空表判断真空度是否达到开启水泵的标准；如果达到要求，则抽真空完毕，开启水泵；打开排水管路上电动阀门；关闭真空泵运行；水泵自动开机完毕。 图4-4 水泵起动流程图4.4.2 水泵关机顺序每个水泵在确定关闭之后，首先关闭出水电动阀门；判断闸阀是否关到位；停止排水泵运行。图4-5 水泵停机流程图4.5 系统配置4.5.1 软件配置 主监控系统操作系统软件为windows xp professional，编程软件采用西门子公司的step7 v5.3sp3，组态软件采用mcgs。4.5.2 设备清

33、单zp-30矿用自动排水控制装置设备清单名称规格数量生产厂家集中操作台kxj1-200/660-3c1广州市昌宁机电设备有限公司集中控制柜kxj1-200/660-33就地控制柜kxj1-200/660-3l7电源柜kdw6601北京鼎天数码本安接线盒khh 系列4常熟市练塘胶木塑料配件厂传感器真空度传感器gyd-16上海鼎鑫仪器仪表有限公司压力传感器gyd-108投入式液位传感器guy10 量程6.5m2上海坤嘉自动化科技有限公司超声波流量传感器lcz-8032唐山汇中大方浮球开关zqk-600-3k2大连玛赫显示仪表耐震真空度表yn-60(0-1.6mpa)6无锡市特种压力表有限公司 耐震

34、压力表yn-608 无锡市特种压力表有限公司阀门电动球阀dfh25/7 dn2019淄博德贝尔矿山设备有限公司手动球阀q11fp-16c，dn2015天津塘沽阀门厂电动闸阀z941h-40c dn3006常州贝斯特异径外接头dn50*201广州市昌宁机电设备有限公司软件人机界面软件1plc控制软件1上位机组态软件wincc1西门子上位机组态应用软件1广州市昌宁机电设备有限公司监控中心光口工业换机kien-20001东土科技工控机ipc-610h1研华科技不锈钢水箱400*600*6002广州市昌宁机电设备有限公司真空泵szb-42博山超亚 第五章 plc泵房自动化控制系统设计5.1 plc 程

35、序设计 plc 程序设计采用step 7 软件编制。step 7软件是用于西门子s7-300/400 型plc创建可编程逻辑程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表进行程序编制。s7 系列plc包括一个供电单元、一个cpu，以及输入和输出模块(i/o 模块)。plc 应用step 7软件编制的s7 程序监视控制整个系统，并通过地址寻址寻找i/o 模块，实现数据的输入输出。2.5.1 plc 程序设计plc 程序设计采用step 7 软件编制。step 7软件是用于西门子s7-300/400 型plc 创建可编程逻辑程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表进行程序编制。s7

36、系列plc包括一个供电单元、一个cpu，以及输入和输出模块(i/o 模块)。plc 应用step 7软件编制的s7 程序监视控制整个系统，并通过地址寻址寻找i/o 模块，实现数据的输入输出。 plc 编制程序时首先作硬件组态。其主要任务就是在step 7 中生成一个与实际硬件系统完全相同的系统,生成网络、网络中各个站的机架和模块,以及设置各硬件组成部分的参数,即给参数赋值。硬件组态确定了输入/输出变量的地址,为编制顺序控制程序打下了基础。然后根据手动、半自动、自动控制的方式选择，进入相应的程序流程。整个程序主要包括运行前水位和供电状态检测、正常启停泵组、运行中参数检测和故障报警、故障停泵等模块

37、，程序流程如图5-1 所示。step 7软件通过建立在线连接下载程序到plc以对编制好的程序进行调试，可实现程序的运行状态监视、强制性数据变更和输入输出信号的强制开/关等。 图5-1 控制程序流程图5.2 基于plc的井下自动排水系统总体设计5.2.1控制系统总体结构系统采用现场层(远程io),控制层(plc)和管理层(工业计算机)组成的三级控制系统来实现排水系统的自动控制。工业计算机利用友好人机界面实现人机对话和远程监控功能，plc作为控制器完成逻辑处理和控制任务，远程io实现现场数据的采集和上传。控制系统总体结构如图所示。5-2 系统总体结构图5.2基于plc的矿井主排水控制系统设计系统由

38、plc（可编程逻辑控制器）、触摸屏、检测部分（模拟量和开关量采集）和执行部分等组成，其硬件结构如图4-2所示。5-3 排水控制系统硬件结构图5.2.1 plc的主要特点plc（ programmable logic controller） ，即可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 1. plc的特点 1)灵活、通用 在继电器控制系统中，使用的控制装置是大量的继电器，整个系统是根据设计好

39、的电气控制图，由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上少许变化，需要改变电气控制系统时，原先整个电气控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，耗费大量人力、物力、和时间。而plc是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plc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。因此，plc具有很大的灵活性和通用性，结构形式多样化，可以适用于各种不同规模、不同工业控制要求。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(如电磁干扰、灰尘等)

40、下可靠工作，将故障率降至最低。plc具有很高的可靠性和抗干扰能力，不会出现继电器一接触器控制系统中接线老化、脱焊、触点电弧等现象，故被称为“专为适应恶劣工业环境而设计的计算机”。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，plc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。这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与汇编语言相比，虽然增加了解释程序和程序执行时间，但对大多数机电控制设备来说，plc的控制速度还是足够快的。此外，plc的i/o接口可直接

41、与控制现场的用户设备联接。如继电器、接触器、电磁阀等联接，具有较强的驱动能力。 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、定时、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既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。可控制一台单机、一条生产线，也可控制一个机群、多条生产线。可用于现场控制，也可用于远距离控制。可控制简单系统，又可控制复杂系统。 6)体积小、重量轻、易于实现机电一体化 pl

42、c具有体积小、重量轻、功耗低等特点。由于plc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，plc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(fa)和计算机集成制造系统(cims)内占重要地位。今天的plc功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。 plc系统一般由以下基本功能构成 .多种控制功能 .数据采集、存储与处理功 .通信联网功能 .输入/输出接口调理功能 .人机界面功能 .编程、调试功能1)控制功能逻辑控制:plc具有与、或、非、异或和触发器等逻

43、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 数学运算功能包括: .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

44、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，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。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。通常所说的scada系统，现场端和远程端也可以采用plc作现场机。5)人机

45、界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息；允许操作者和pc系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。实现人机界面功能的手段:从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的crt显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。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。5.2.2 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

46、的操作（如果外部设备有中断请求）。其过程示意图如图4-3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。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。plc进行清零或复位处理，消除各元件状态的随机性；检查i/o单元连接是否

47、正确；启动监控定时器t0，执行一段涉及到各种指令和内存单元的程序，如果所用的时间不超过t0，则可证实自身完好，否则系统关闭。此后，将监控定时器t0复位，允许扫描用户程序。plc的基本工作过程为： 图 plc工作原理示意图1公共操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、数据i/o操作数据i/o操作也称为i/o状态刷新。它包括两种操作：一个是采样输入信号，即刷新输入状态表的内容；二是送出处理结果，即用输出状态表的内容刷新输出电路。在plc的存储器中，有一个专门

48、存放i/o的数据区，其中对应于输入端子的数据区，我们称之为输入映像存储器。当cpu采样时输入信号由缓冲区进入映像区，这就是数据输入状态刷新；同样道理，cpu不能直接驱动负载。当前处理的结果放在输出映像存储器区内，在程序执行结束后，才将输出映像区的内容通过锁存器输出到端子上。这步操作称为输出状态刷新。3、执行用户程序操作在程序执行前复位监控定时器t1，即执行程序并开始计时。监控定时器t1就是通常所说的“看门狗”，它是用来监视程序执行是否正常的，正常时，执行完用户程序所用的时间不会超过t1的设定值，执行完用户程序后立即使“看门狗”复位，表示程序执行正常。当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死

49、循环时，“看门狗”会发出超时报警信号，使程序重新开始执行。如果是偶然因素造成超时，重新扫描程序不会再遇到“偶然干扰”，系统便转入正常运行；若由于不可恢复的确定性故障，则系统会自动地停止执行用户程序、切断外部负荷、发出故障信号，等待处理。4、处理外设请求操作每次执行完用户程序后，就进入服务外设请求命令的操作，外设的请求命令包括操作人员的介入和硬件设备的中断。外设请求一般不会影响系统正常工作，而且可能更有利于系统的控制和管理。如果没有外设请求，系统则会自动循环地扫描进行。5.2.3 plc地址分配和实现控制功能从系统的控制功能上来说，应具备以下七大功能：一、数据自动采集与检测 数据自动采集与检测主

50、要分为两类：模拟量数据和数字量数据。模拟量检测的数据主要有：水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、3台水泵的流量、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力；数字量检测的数据主要有：水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动闸阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电动球阀状态。数据自动采集主要由plc实现，plc模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，将水位变化信号进行转换处理，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，控制排水泵的启停。影响水位的因素主要来自两方而:一是水位计故障(如遭受杂物撞击)，二是水位信号受干扰(如水波动较大)。对于前一个因素采用双水

51、位计，在水仓中设置两个同样的水位计，plc同时对两个水位计取样。如果两路信号相差大于0.15m时系统报警，要求值班人员进行检查；而对于信号干扰，则采用软件过滤，只有当信号在某一值附近稳定足够时间，且回差足够小时才作为控制量使用，防止了因干扰而泞致机组误动的情况。 在数据采集过程中，模拟量信号的处理是将模拟信号变换成数字信号（a/d转换），其变换速度由采样定律确定。一般情况下，采样频率应为模拟信号中最高频率成分的2倍以上，这样经a/d变换的精度可完全恢复到原来的模拟信号精度。a/d变换的精度取决于a/d变换器的位数。plc所采用的a/d模块均以积分方式变换，可使输入信号的尖峰噪音和感应噪声平均化

52、，适用于噪音严重的工业场所。二、自动轮换工作 为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未经及时发现，当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以至影响矿井安全，本系统程序设计了3台泵自动轮换工作控制，控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相应管路，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当某台泵或所属阀门故障、某趟管路漏水时，系统自动发出声光报警，并在触摸屏上动态闪烁显示，记录事故，同时将故障泵或管路自动退出轮换工作，其余各泵和管路继续按一定顺序自动轮换工作，以达到有故障早发

53、现、早处理，以免影响矿井安全生产的目的。三、“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。四、系统保护功能超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及plc 实现超限报警。流量保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值，通过流量保护装置使本台水泵停车，自动转换为启动另一台水泵。电动机故障：利用plc及触摸屏监视水泵电机过电流、

54、漏电、低电压等电气故障，并参与控制。电动闸阀故障：由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障，并参与水泵的联锁控制。五、动态显示动态模拟显示选用西门子公司的et200m（触摸屏），系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电动闸阀和电动球阀的运行状态，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警。直观地显示电磁阀和电动阀的开闭位置，实时显示水泵抽真空情况和压力值。 用图形填充以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位，并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警，用不同音响形式提醒工作人员注意。采用图形、趋势图和数字形式直观地显示3趟管路的瞬时流量及累计流

55、量，对井下用电负荷的监测量、电机电流和水泵瞬时负荷及累计负荷量、水泵轴温、电机温度等进行动态显示、超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，并在屏幕下端循环显示最新出现的3条故障（故障显示条数可在触摸屏上设置），以提醒工作人员及时检修，避免水泵和电机损坏。六、通讯接口 plc通过通讯接口和通讯协议，与触摸屏进行全双工通讯，将水泵机组的工作状态与运行参数传至触摸屏，完成各数据的动态显示；同时，操作人员也可利用触摸屏将操作指令传至plc，控制水泵运行。plc同时将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统分站传至地面生产调度监控中心主机，与全矿井安全生产监控系统联网，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，并为矿领导提供生产决策信息。触摸屏与监测监控主机均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表，记录系统运行和故障数据，并显示故障点以提醒操作人员注意。七、三种工作方式系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。自动时，由plc检测水位、压力及有关信号，自动完成各泵组运行，不需人工参与；半自动工作方式时，由工作人员选择某台或几台泵组投入，plc自动完成已选泵组的启停和监控工作；手动检修方式为故障检修和手动试车时使用，当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行