红外遥控发射与接收系统毕业设计(完整版)

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红外遥控发射与接收系统毕业设计红外遥控发射与接收系统毕业设计（完整版）(文档可以直接使用，也可根据实际需要修改使用,可编辑欢迎下载）红外遥控发射与接收系统设计摘要简单地介绍了红外线遥控发射、接收系统的原理，给出用MC145026/MC145027作为遥控接收系统编、译码器的一种巧妙实现方法。该系统具备一个发射装置和一个接收装置；接收装置中具有4个开关控制的设备。遥控距离大于5m。设遥控系统的载波频率为40KHz。它包括红外遥控发射、接收的原理图及其红外接收电路、红外发射电路接收、发射红外光信号并将其转换成串行代码的过程。由红外接收管PH3028接收的光信号经CX20216进行限幅放大、带通滤波、解调和信号整形,可以消除杂散的电磁干扰或瞬间接收到的红外光干扰信号，提高产品的可靠性。红外线遥控接收装置具有体积小，功耗低、功能强、成本低等特点。关键词：红外遥控发射、接收系统AbstractSimplyintroducedfiredinfraredremotecontrol,theprincipleoftherecei-vingsystem,isusedasaremotereceiversystemMC145026/MC145027series,adecoderingeniousmethods.Thissystemhasalaunchofdeviceandareceivingdevice;Thereceivingdevicehasfourswitchesinthecontroloftheequipment.Remotecontrolrangeismorethan5m.RemoteControlSystemforthecarrierfrequencyis40KHz.Itincludesinfraredremotetransmittingandreceivingschematiccircuitsandinfraredreceivers,infraredtransmitterreceiverfiredinfraredopticalsignalandconvertserialcodeintotheprocess.PH3028bytheinfraredreceiveroftheopticalsignalreceivedbytheCX20216forlimitingenlarge,band-passfiltering,signaldemodulationandplastic,caneliminatestrayelectromagneticinterferenceorreceiveinstantinfraredlightinterferenceletter.Keywords:Infraredremotetrsnsmitingandreceivingsystem目录1…...系统方案的比较2系统方案设计2.1系统设计组成框图2.2…...电路功能简介…...键盘及其代码产生电路…...编码电路…...调制振荡电路；2.3…...单元电路设计…...键盘及其代码产生电路1………电路分析与计算2………电路原理图3………74HC147相关参数①………74HC147内部结构②………74HC147引脚端功能③………74HC147主要技术指标④………74HC147电流特性…...编码电路1………电路分析与计算2………电路原理图3………MC145026/27相关参数①………MC145026/27的内部组成电路图②………MC145026/27工作原理③………MC145026/27各引脚功能④………MC145026/27有关参数及限定值⑤………MC145026/27应用电路…...编码调制及红外发射电路1………电路分析与计算2………电路原理图3………CX20216相关参数①………CX20216内部结构②………CX20216工作原理及其工作波形③………CX20216各引脚静态电压④………CX20216主要电性能参数⑤………CX20216技术特点…...红外接收电路1………电路分析与计算2………电路原理图3………CX20216相关参数①………CX20216内部结构②………CX20216工作原理及其工作波形③………CX20216各引脚静态电压④………CX20216主要电性能参数⑤………CX20216技术特点…...解码电路整机调试1………电路分析与计算2………电路原理图………译码与控制电路1………电路分析与计算2………电路原理图3………CC4013相关参数①………CC4013内部结构②………CC4013工作原理③………CC4013引脚端功能④………CC4013性能参数⑤………CC4013应用电路3………系统测试3.1………键盘与代码产生电路3.2………编码电路3.3………脉冲调制电路3.4………接收电路3.5………整机调试正文1方案比较方案1：采用LM9901/9902红外遥控集成电路形成红外线遥控收发系统采用红外线遥控电路，电路主要由红外线编码发射电路和接收译码电路组成。其中LM9901是红外遥控编射码发电路，LM9902是接收译码电路，能构成6路红外遥控电路。此方案的优点是硬件电路简单，所用器件少，且实现各种信号相对容易；缺点是控制较复杂，但精度不易满足。方案2：采用VD5026和ED5026编、译码器形成红外遥控收发系统VD5026（或ED5025），VD5027（或ED5027）是CMOS大规模数字集成电路。前者是编码器，后者是译码器。他们组合应用起来构成一个发射―接收数字编译码系统。VD5026编码器是一种8位编码发射器VD5027接收解码器有相应于VD5026的12位信息该编译码集成电路工作电压范围较宽此这种电路应用非常广泛。如保安、消防、有线对讲、BP机等多用户系统。MC145026和MC145027编、译码器形成红外遥控收发系统红外遥控系统包括红外光脉冲编码发射器的红外接收，、译码器两大部分。采用MC145026和MC145027编、译码器可以构成多路红外编码译码系统、多通道全集化红外遥控系统等。其构成编、译码电路结构相对较简单，是一种可实现且较方便的系统。2系统方案设计2.1系统设计组成框图图1系统设计组成框图2.2电路功能简介它产生表示控制信号的BCD代码；对控制信号代码地址代码进行编码，并转换成串行发送数据;它产生频率约为40KHz的振荡信号，并由发送的数据对其进行脉冲调剂，形成发射信号。2.3单元电路设计1电路分析与计算图中S1-S8表示1-8路控制信号的按键开关，按下是产生有效电平（低电平）。当键未按下是，S1-S8与S10-S13分压器使键盘输出端为大于3.5V高电平Voh,当键按下时，则该键所连的输出键产生低电平送编码器74HC147，同时在TE端得到0.7V的低电平。74HC147是BCD码优先编码器，将有效的输入键值变成BCD反码。2电路原理图图2键盘及其代码产生单元电路374HC147相关参数①74HC147内部结构图374HC147内部结构②HC147引脚端功能输入 输出 123456789 HHHH HHHHHHHHH LHHL XXXXXXXXL LHHH XXXXXXXLH LHHH XXXXXXLHH HLLL XXXXXLHHH HLLH XXXXLHHHH HLHL XXXLHHHHH HLHH XXLHHHHHH HHLL XLHHHHHHH HHLH LHHHHHHHH HHHL 表1HC147引脚端功能③74HC147主要技术指标电源电压v-0.5～+7.0V输入电压V-0.5～+v1.5V输出电压V-0.5～+v1.5V二极管端电流I,I±20mA输出电流I±25mA各引脚电流I±50 mA储存温度变化T-65℃～+150℃功率耗散P NOTE3600mWS.O壳管500mW铅沐回火T260℃④74HC147电流特性符号 参量 条件 V TA25°C 74HCTA-40～85°C单位 类型 工作电压 V 最小高电平输入电压 2.04.56.0 1.53.154.2 1.53.154.2 1.53.154.2 VVv v 最大低电平输入电压 2.04.56.0 0.51.151.8 0.51.351.8 0.51.351.8 VVV v 最小高电平输出电压 VV或v|I|≤20uA 2.04.56.0 2.04.56.0 1.94.45.9 .1.94.45.9 .1.94.45.9 VVV VV或v|I|≤4.0mA|I|≤5.2mA 4.56.0 4.75.2 3.985.48 3.845.48 3.75.2 VVV v 最大低电平输出电压 VV或v|I|≤20uA 2.04.56.0 000 0.10.10.1 0.10.10.1 0.10.10.1 VVV VV或v|I|≤20uA 4.56.0 0.20.2 0.260.26 0.330.33 0.40.4 VV I 最大输入电流 Vv或GND 6.0 ±1.0 ±1.0 ±1.0 ±1.0 uA I 最大静态电源电流 Vv或GNDI0uA 6.0 8.0 8.0 80 160 uA 表274HC147电流特性1电路分析与计算编码电路由集成编码器MC145026外接RC元件组成，其中，A1~A5是地址线，A6/D6~A9/D9是地址数据复用线，MC145026可对9位并行输入数据进行编码，并在收到传输启动信号TE时输出串行数据。TE为低电平时，器件开始启动传输赛程；TE为1时，器件被阻塞而无输出信号，输出端为“高阻”状态。DOUT为数据输出端，送出经过编码的串行数据。RS、CTC和RTC是内部振荡器的外接元件，产生电路的振荡频率信号。MC145026/27集成度高，功能强，在进行编码和译码的设计时，所需的外围元件相当少。对于振荡频率f在1-400kH之间的编、译码电路，振荡频率和外围元件的关系式为式中：100≤≤15uF≥10R-2≥10KΩC≥400pF100kΩC700pF译码中的阻容元件，一般是在编码器中的R、、选定之后，在按上式进行计算并选定。下表列出了一组振荡频率f与阻容元件参数的对应值。f（kHz） （Ω） （pF） R（Ω）（Ω） C（F） （Ω） C（F） 362 10 100 20 10 470p 100 910p 181 10 220 20 10 910p 100 1800p 88.7 10 470 20 10 2000p 100 3900p 42.6 10 1000 20 10 3900p 100 7500p 21.5 10 2000 20 10 8200u 100 0.015u 8.53 10 5100 20 10 0.02u 200 0.02u 1.71 50 5100 100 50 0.02u 200 0.1u 表3振荡频率f与阻容元件参数的对应值2电路原理图设计图4编码单元电路3MC145026/2相关参数①MC145026/27的内部组成电路图图5MC145026/27的内部组成电路②MC145026/27工作原理MC145026是多路数字电子集成电路，MC145027是多路数字译码器集成电路，它们使用于电压范围宽，功耗低，功能强，宜于采用红外、超声、光纤、射频、电力线载波放入等各种传输方式的接口，用于各种控制、测控和检测系统。③MC145026/27各引脚功能图6MC145026芯片图符号 参数 大小 单位 V 电压（不包括SC41343、SC41344） -0.5-+18 V V 电压（只用于SC41343、SC41344） -0.5-+10 V V 输入电压 -0.5-V+0.5 V V 输出电压 -0.5-V+0.5 V I 每脚的输入电流 ±10 mA I 每脚的输出电流 ±10 mA P 耗散功率 500 mW T 存储温度 -65-+150 ℃ 表4MC145026/27各引脚功能⑤MC145026/27应用电路MC145026/27广泛用应于编译码电路，可以组成多路红外编、译码系统、分制多通道红外遥控装置、全集成化红外遥控系统等。1电路设计与分析编码信号还必须调制到高频率的载波上才能发射出去，以提高传输的抗干扰能力。图a是调制电路的工作波形，当编码信号A为高电平时，振荡器工作，输出40KHz的载波信号；当A为低电平时，振荡器不工作，输出低电平。调制后的信号经门电路隔离、放大后由红外管MLED81发送出去。图b表示了编码调制与发射电路，其中红外管的工作电流为200~300mA。2电路原理图图7编码调制及红外发射电路1分析计算2电路原理图设计图8红外接收单元电路3电路相关参数①CX20216内部结构图9CX20216内部结构②CX20216工作原理及其工作波形图10CX20216工作原理及其工作波形CX20216内设有带通滤波器，其中心频率fo可由脚的外接电阻或电位器调节，调节方便，不像uPC1373那样需在外电路中接LC谐振回路。因此，CX20216比uPC1373的外围电路更加简单，抗干扰能力得到增强。③CX20216引脚排列图及其功能图11CX20216芯片图引脚号 符号 电压（V） 功能 1 IN 2.5 遥控信号输入端（此脚与地之间接红外线接收二极管） 2 C1 2.5 前置放大器频率特性和增益设定（此脚与地之间构成RC） 3 C2 1.5 接检波电路 4 GND 0Vss 接地 5 Fo 1.4 设定带通滤波器的中心频率（此脚与电源间接电阻） 6 C3 1.0 外接积分电容 7 OUT 5.0 遥控指令输出端 8 Vcc 5.0（Vdd） 外接电源 ④各引脚静态电压及功能表5各引脚静态电压及功能⑤CX20216主要电性能参数参数名称 单位 最小值 典型值 最大值 工作电压 V 4.7 5.0 17 电源电压 Ma 1.1 1.8 2.8 滤波中心频率fo kHz 30 40 60 电压增益 Db 74 78 84 功耗 W 0.6 工作温度 -20 +70 表6CX20216主要电性能参数⑥CX20216技术特点.低电压供电，其典型值为5V.功耗低。Vcc5V时，其典型值为9mV；.带通滤波器的中心频率可通过改变5脚和电源之间的电阻进行调节，其调节的范围为30-60KHz.由于未使用电感，可不受磁场的干扰，因此抗干扰能力强。.能与PIN光点二极管直接连接。.集电极开始输出，能直接驱动TTL或CMOS电路：.8脚单列直插式塑料封装：.配套使用型号为M50462AP。1单元电路设计与分析计算解码电路采用与MC145026编码器配套的MC145027解码器实现，外接和组成的电路用于判断接收的脉冲是宽脉冲还窄脉冲，调整R1C1，为1.72×编码器时钟周期。R2,C2组成的电路用于检测接收到的末位信号，使R2,C2等于33.5×编码器的时钟周期。此时间常数用于判断输入保留低电平的时间是否已达到了4个数据周期，若达到，则由数据提取电路将提取到的低电平传送到控制逻辑电路，使有效传输输出端VT为低电平并终止传输。2电路原理图设计图12解码电路1电路分析与计算从解码电路输出的是4位二进制控制代码，还要经译码控制电路变换为与发射装置对应的8个控制信号去驱动8个被控设备。在图中译码控制电器线-10线译码器CC4013的双D触发器去驱动被控的发光二极管3CC4013相关参数①CC4013内部结构图13CC4013内部结构②CC4013工作原理它是由具有Set和复位的2个D型触发器构成的。对D输入施加的信息以时钟脉冲的低电平读入以高电平传输到输出Q。③CC4013引脚端功能引脚 主要功能 1 数据出1 2 数据出1 3 时钟入1 4 清除入 5 数据入1 6 置位入1 7 电源地 8 置位入2 9 数据入2 10 清除入 11 时钟入2 12 数据出2 13 数据出2 14 电源 表7CC4013引脚端功能④CC4013性能参数双列14脚封装,金属-氧化物-半导体型互补MOS,Vdd-0.5～18V;输入电压Vi-0.5～Vdd+0.5V;输出引脚电压Vo-0.5～Vdd+0.5V;峰值输入,输出端±Ii10mA;允许功耗Pd100mW。CC4013应用电路双D触发电路3系统测试电路调试通常是按照信号传输的顺序追踪信号进行调试，输入信号可以是实际信号，也可以用开关、信号发生器的输出等模拟输入信号。3.1键盘与代码产生电路分别按住S1~S8使74HC147的一个输入端为低怦，用万用表或示波器测出对应的BCD码逻辑电平3.2编码电路先调整电阻RP使（12）脚的时钟频率到设计值；然后按一个编码键如S1，用示波器测输出波形DOUT3.3脉冲调制电路先调整电阻RP使（12）脚的时钟频率到设计值；然后按一个编码键如S1，用示波器测输出波形DOUT3.4接收电路先调整电阻RP使（12）脚的时钟频率到设计值；然后按一个编码键如S1，用示波器测输出波形DOUT3.5整机调试先将发射装置与接收装置直接连机进行调试，即将编码器MC145026的（15）脚输出DOUT，与接收装置MC145027的输入⑨脚连接，按各编码键观察相应各发光二极管的亮/灭情况。然后作无线联调。如果遥控距离不够，可增大红外发射管的电流，用多个红外管串联以增强红外光。也可以在将接收红外管并联以增大接收灵敏度。还可以检查发射载波频率与接收装置带通滤波的中心频率是否一致。5.结论课程设计对于我们大三一次搞第的人来说，是熟悉而又陌生的。第一次接触，有点兴奋，，又有些许的紧张，很担心自己做不好。然而经过二个星期的电子技术课程设计，功夫不负苦心人，本人在黄智伟教授的导下指，顺利完成该课程设计。通过该课程设计，收获颇多。一、对电路原理有更深的理解通过该课程设计，掌握了什么是红外遥控系统发射与接收信号的基本过程及其设计各阶段的基本任务，学会了各设计方案优劣的比较，了解了电路的设计的基本要求、构造工具及其相关的技术。对课本上的知识有了更深的理解，课本上的知识师机械的，表面的。通过对单元电路的设计和计算，并将电路进行仿真验证，把原来以为很深奥的书本知识变的更为简单，对实验原理有更深的理解。二、对该理论在实践中的应用有深刻的理解在本次课程设计中老师要求我们进行单元电路的设计与仿真，这使得我们根据对设计目的，进行电路的设计，使我们在大二学的《电路原理》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》等课本的理论知识得到了充分的利用;进一步加深了理论在实践中作用。三、激发了学习的积极性通过该课程设计，全面系统的理解了红外遥控系统的发射与接收原理。把死板的课本知识变得生动有趣，激发了学习的积极性。把学过的电子技术各原理知识强化，能够把课堂上学的知识通过自己设计的程序表示出来，加深了对理论知识的理解。以前对电路、电子技术的操作的认识是模糊的，概念上的，通现在过自己动手做实验，从实践上认识了操作系统是如何处理好各单元电路之间的设计，以及各单元电路在总的红外遥控接收系统中的作用，学会了如何协调各单元电路。在每个单元电路中如何充分利用和发挥芯片的功能是非常重要的，每个芯片都有其特定的功能和参数，这需要我们熟练的掌握各芯片资料，对我们以后的工作和实践都是非常有益的。课程设计中程序比较复杂，在检测调试时应该细心，周到，将一切可能的出错原因都要设法检测出来，然后付诸实践，这样得出的设计系统才是合格的。在这次课程设计中，我就是按照课程设计的指导思想来完成。加深了理解红外遥控接收与发射的系统的内部功能及内部实现，培养实践动手能力和电路设计的目的。四、理解了该知识点以及学科之间的融合渗透本次课程设计采用Word文档格式，这使得我们进一步熟悉了Word文档操作应用。另外要求电路图采用手画，或采用PROTEL或其它软件工具绘画，也使我们本学期的电子实习得到了应用。通过本次课程设计我们使用把《电路原理》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《PROTEL99SE原理图与PCB设计教程》等学科联系起来，把各个学科之间的知识融合起来，把各门课程的知识联系起来，对电子技术整体的认识更加深刻。使我加深了对《《电路原理》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《PROTEL99SE原理图与PCB设计教程》课程的认识。附录元件清单键盘单元 元件代号 元件参数 元件数量 备注 ～ 10KΩ 8 10KΩ 1 ～ 20K 8 ～ IN4001 8 ～ 8 T1 74HC147 1 相关参数见正文 T2 74LS04 1 具有4个非门 译码单元外围元件 MC145026 1 具体参数见正文 100KΩ 1 10KΩ 1 R 43K 1 2700PF 编码调制及红外发射电路 ～ CC4011 1 具有4个与非门 100KΩ 1 10KΩ 1 10KΩ 1 0.01μF 1 D MLED81 1 ～ 一对管,组成复合管 红外接收单元电路设计 D PH3028 1 1μF 1 330PF 1 3.3μF 1 4.7KΩ 1 200KΩ 1 2.2KΩ 1 解码电路 ～ 4 100KΩ 1 10μF 1 ～ IN4001 1 CC4013 4 具体参数见正文 MC145027 1 具体参数见正文 CC4028 1 具体参数见正文 参考文献1苏长赞.实用遥控技术手册M.北京:人民邮电出版社,1996.2苏长赞.红外线与超声波遥控M.北京:人民邮电出版社,1993.3魏立君,韩华琦.CMOS4000系列60种常用集成电路的应用M.北京:人民邮电出版社,19934刘晓胜,吴乐南,周爽.智能小区系统工程技术导论M.北京:电力工业出版社,2001.5谢瑞和,周如彪,王晨.编码器/解码器专用芯片及其应用Z.华中理工大学,1994.6李朝青.PC机及单片机数据通信技术.北京航空航天大学出版社7郭万里,等.一种红外遥控的信息解码方法.电子技术,总42期7141213126534891110VSSQ2Q2SD1CP1SD2CP2D1RD1D2RD2VDDCC4013Q1Q2 目录摘要 ⑸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1.2国内外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。外研究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，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2000-3500kw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。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。2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序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，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。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。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2.1PLC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。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。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。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。图2.2PLC的运行框图一、输入采样阶段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。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。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。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。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。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。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。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。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S7-200PLC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。立即读写I/OS7-200PLC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。对输入信号增加滤波器干扰信号会引起系统的误操作，S7-200PLC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。捕捉窄脉冲S7-200PLC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。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。高速I/O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。S7-200PLC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：可以选择自动控制或是手动控制水泵轮换工作。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。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。实时监测系统参数，如电压、电流、轴温、出水口压力等。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。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。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。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。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。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。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。2.4离心式水泵的启停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。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。3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。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。图3.2PLC各模块信号连接图根据上图，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。

3.2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EM231-1AIW01#水泵开停检测AIW21#水泵吸水口负压AIW41#水泵出水口负压AIW61#主排水管路流量EM231-2AIW82#水泵开停检测AIW102#水泵吸水口负压AIW122#水泵出水口正压AIW142#副排水管路流量EM231-3AIW163#水泵开停检测AIW183#水泵吸水口负压AIW203#水泵出水口正压AIW22水仓水位EM231-4AIW241#水泵轴温AIW261#电机轴温AIW282#水泵轴温AIW302#电机轴温EM231-5AIW323#水泵轴温AIW343#电机轴温AIW36备用AIW38备用

表3.6EM223CN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EM223-1I3.01#排水闸阀开到位Q2.01#排水闸阀打开I3.11#排水闸阀关到位Q2.11#排水闸阀关闭I3.22#排水闸阀开到位Q2.22#排水闸阀打开I3.32#排水闸阀关到位Q2.32#排水闸阀关闭I3.43#排水闸阀开到位Q2.43#排水闸阀打开I3.53#排水闸阀关到位Q2.53#排水闸阀关闭I3.64#排水闸阀开到位Q2.64#排水闸阀打开I3.74#排水闸阀关到位Q2.74#排水闸阀关闭I4.05#排水闸阀开到位Q3.05#排水闸阀打开I4.15#排水闸阀关到位Q3.15#排水闸阀关闭I4.26#排水闸阀开到位Q3.26#排水闸阀打开I4.36#排水闸阀关到位Q3.36#排水闸阀关闭I4.41#电磁阀开到位Q3.41#电磁阀打开I4.51#电磁阀关到位Q3.51#电磁阀关闭I4.62#电磁阀开到位Q3.62#电磁阀打开I4.72#电磁阀关到位Q3.72#电磁阀关闭EM223-2I5.03#电磁阀开到位Q4.03#电磁阀打开I5.13#电磁阀关到位Q4.13#电磁阀关闭I5.24#电磁阀开到位Q4.24#电磁阀打开I5.34#电磁阀关到位Q4.34#电磁阀关闭I5.45#电磁阀开到位Q4.45#电磁阀打开I5.55#电磁阀关到位Q4.55#电磁阀关闭I5.66#电磁阀开到位Q4.66#电磁阀打开I5.76#电磁阀关到位Q4.76#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I6.6备用Q5.6备用I6.7备用Q5.7备用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Q0.41#水泵运行指示I0.5超高限水位开关Q0.52#水泵运行指示I0.6高限水位开关Q0.63#水泵运行指示I0.7底限水位开关Q0.71#水泵启动I1.01#水泵工作Q1.01#水泵停止I1.11#水泵检修Q1.12#水泵启动I1.22#水泵工作Q1.22#水泵停止I1.32#水泵检修Q1.33#水泵启动I1.43#水泵工作Q1.43#水泵停止I1.53#水泵检修Q1.5备用I1.61#水泵启动Q1.6备用I1.71#水泵停止Q1.7备用I2.02#水泵启动I2.12#水泵停止I2.23#水泵启动I2.33#水泵停止I2.41#/2#真空泵选择I2.5真空泵选择I2.6真空泵停止I2.7备用表3.7CPU226CN端口定义表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5s1#水泵运行计时T38预设值10s2#水泵运行计时T39预设值10s3#水泵运行计时T40预设值10s1#水泵运行时间VD722#水泵运行时间VD763#水泵运行时间VD801#水泵运行次数VD842#水泵运行次数VD883#水泵运行次数VD92最少运行时间VD96最少运行次数VD1001#泵启动标志M1.02#泵启动标志M2.03#泵启动标志M3.03.3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。图3.3PLCCPU226接线图图3.4数字量I/O模块EM223-1图3.5数字量I/O模块EM223-2图3.6模拟量输入模块EM231-1图3.7PLC模块的连接图3.4小结本章介绍了煤矿井下排水系统的管路情况，采用了主副两组排水管路，用3台矿用隔爆型三相异步电机驱动3台离心式水泵。之后统计了系统输入输出的点数，根据点数选择对PLC模块进行类型并对各个模块的端口进行定义，最后给出系统硬件的接线图，为系统软件的设计打好基础。4自动控制系统的程序设计系统采用的编程语言为西门子公司开发的STEP7，这是一种可运行于通用微机中，在Windows操作环境下进行编程的语言。使用软件提供的梯形图逻辑编程语言来完成程序编译，然后可直接通过S7-200专用的PC/PPI电缆完成程序的下载和PLC与计算机的通信。4.1主程序的编程主程序是由上电延时和子程序的调用两个部分组成的。上电延时是为了给PLC足够的启动时间，为了避免开机的误操作，本系统设置了5秒的上电延时时间，程序如图4.1所示。图4.1上电延时因为S7-200系列PLC程序是以并行处理的方式运行的，所以调用子程序不需要设置先后顺序，CPU会周期性的反复扫描主程序，并在一定的条件下执行扫描各个子程序。子程序的调用如图4.2所示：图4.2主程序主程序共用了十个子程序，包括模拟量采集、水位判断、水泵轮换工作、避峰就谷和水泵控制方式等。4.2水位判断当水泵处于自动方式工作时，水仓水位的判断十分重要，水泵的开停、超限指示和报警指示都应该来根据水位的变化自行控制。将水仓的水位划分为4个等级，即分别为：超低限水位、底限水位、高限水位和超高限水位。数字液位开关由3组浮球开关组成，这3组浮球开关按照规定的液位进行安装，设置浮球浮起时为导通信号，并根据信号来判断水位。即1和2号浮球为第一组，3和4号浮球为第二组，5和6号为第三组。当三组浮球都没有浮起时为超低限水位，此时指示灯亮但是不报警；当只有第三组浮球浮起时为低限水位，此时指示灯和警报都不工作；当只有第一组没有浮起时为高限水位，此时超限指示灯亮但是不报警；当三组浮球都浮起时为超高限水位，水位超限指示和警报同时工作。水位判断的程序如下图所示图4.3水位判断4.3水泵轮换工作一般情况并不需要水泵和排水管全部投入使用，如果长期使用部分水泵和排水管路，则这部分的水泵和排水管道会受到更严重的磨损，会大大缩短设备的使用寿命，而另一部分水泵和排水管道则会闲置很长时间。为了提高设备的利用率，本系统进行了将水泵和排水管路进行轮换工作的设计，这样是水泵和排水管道等设备得到充分利用，而且可以降低故障发生率并减少维修费用，还使得排水系统更加稳定的工作。在编辑程序时，使用辅助继电器M1.0、M2.0、M3.0作为三台水泵的启动标志。当有水泵开始工作时，其相对应的辅助继电器就会导通，同时定时计时器开始计时，同时输出信号给运算器，运算器计算出水泵的运行时间并储存在数据寄存器中。当该水泵停止工作时，相对应的启动标志器断开，定时计时器停止计时。水泵的运行次数加1，在水泵运行的时候，运算器自动累加水泵的运行次数，然后将水泵的工作次数在相应的数据寄存器中储存。当所有水泵停止工作时水泵的运行时间和运行的次数将会自动叠加，同时清零累加器。通过相互比较各个水泵运行的时间和运行次数，来合理安排运行时间和次数少的水泵担任下次的排水任务，这样就实现了水泵的轮流工作。水泵轮换工作时的程序流程图如图4.4所示。图4.4水泵轮换工作4.4模拟量采集在软件中安装STEP7-Micro/WINInstructionLibrary指令库，可以直接调用其中的Scale_I_To_R子程序来实现A/D转化。因为系统选用的传感器同类型产品均为同一型号，为了简化说明，只给出一套产品A/D转换的程序。具体的模拟量输入转换程序图4.5所示。图4.5模拟量采集4.5避峰就谷原则为了节能和降低运行成本，排水系统在自动控制时通常会采用避峰就谷的控制方式，这种方法是根据用电部门提供的不同时间段的电价和本安式数字液位开关的信号自动控制水泵的启停数量。根据供电部门提供的不同时间段的电价，将时间分为“峰段”、“平段”和“谷段”，通常有两个“峰段”，分段的界线为时和分。在判断是否启动水泵的控制逻辑中，水仓水位的变化是最重要的因素，但同时为了节约电能消耗，也要着重考虑到“避峰填谷”的因素。但是和节能相比，安全是第一位的，是有着更高优先级的，所以当这两个因素发生冲突时，应该首先顾及到水仓水位的变化。基于这种思想，制定出下面的控制逻辑。系统将水仓水位分为四段，即超低水位、低水位、高水位和超高水位。由于矿井水涌量涉及多方面的因素，涌水率又是随着时间的变化而变化的，在设计应用程序时，每十分钟来采集水仓的水位，并通过简单的运算计算出水位的变化率。在排水系统工作中“避峰就谷”的使用方法一、当系统没有工作在“峰端”时，只进行高水位段涌水率上升检测，根据水仓的水位和涌水率可以将水泵的运行状态分为四种情况：1）当水位处于超低水位时，三台水泵都不工作超限指示灯亮。2）当水位处于低水位时，启动一台水泵使其工作。3）当水位处于高水位时，再启动一台泵工作，超限指示灯亮并检测涌水率，若满足条件启动第三台水泵工作。4）处于超高水位段时，三台水泵全部工作，超限指示灯亮并报警。二、系统在“峰段”工作时，根据水仓的水位和涌水率也可以将水泵的运行状态分为四种情况：1）当水位处于超低水位时，三台水泵都不要工作并使超限指示灯亮。2）当水位处于低水位时，三台水泵不工作。若有水泵工作则检测涌水率，当满足条件时，停止运行时间最长的水泵。3）当水位处于高水位时，一台水泵工作，超限指示灯亮并开始检测涌水率，若满足条件，再启动一台台水泵，若条件满足将继续检测。4）当水位处于超高水时段，三台水泵都工作，超限指示灯亮并报警。图4.6避峰就谷流程图4.6自动控制图4.7系统自动控制流程图从上面自动控制的流程图可知，当系统选择自动控制方式后，系统开始对模拟量进行采集，接着运行避峰就谷和水泵轮换程序，然后判断系统是否满足启动条件，当条件满足时，进行真空泵选择，接着打开真空阀，判断真空度是否达到设定值，如果真空度达到设定值则将排水阀关闭同时打开水泵开始排水。判断水泵是否失压，如果水泵正压达到设定值时打开排水闸阀，接着判断是否满足停机条件，如果满足则先关闭排水闸阀，如果压力较小则关闭水泵结束程序，如果压力过大则先打开真空阀，然后关闭水泵结束程序。4.7小结本章利用流程框图和梯形图对自动排水系统进行编程，分析了PLC自动控制系统中模拟量采集、水位判断、水泵的轮换工作、避峰就谷、控制方式选择等程序。但是在实际生产过程中总会有很多突发情况，所以系统还是不够完善，需要继续改进。5PLC控制系统的可靠性设计5.1PLC控制系统的干扰因素经过仔细分析可知，对PLC的干扰的产生过程主要有三个因素组成：一是各种干扰源，二是各种干扰的传播途径，三是各种干扰的接受体。电源引入的干扰PLC控制系统的均是由国家电网正常的供电。PLC受到电源干扰的主要原因是雷电冲击输电线、开关的操作、大型用电设备的启停和电网短路瞬态冲击等引起的波动通过输电线路传递到PLC的系统电源上，从而影响PLC控制系统的正常运转，也会影响到PLC的扩展模块和CPU，导致PLC出现故障无法正常工作。PLC组成的控制系统，要连接很多设备、各种通信线路。在工业生产环境中电磁干扰很难得到解决，主要干扰环境如下：1)各种输入信号线间电场感应，线间串扰产生感应电动势。2)大型设备的启动与停止使能量强大的交流系统对模拟量采样传输线直接产生干扰。3)输入接点、输出继电器和接触器等元器件的触点在开闭时产生电火花(或电弧)，I/O端口侵入电磁噪声。。4)动力电缆、大型机械和功率高的设备在电力传输中会在I/O信号线周围产生电磁藕合。5)输入信号源为感性元件，输出驱动负载为感性负载时，输入或输出回路开关通断时会产生很高的感应电势或浪涌电流。这些干扰从信号线引入会引起I/O信号工作异常并降低其测量精度，严重时会损伤元器件。PLC控制系统的地线是由系统地线、交流地线、屏蔽地线和保护地线等组成的。地上电流的各种信号和地线阻抗耦合产生共模电压会对输入共模干扰信号线路形成。但是如果系统接地和其他接地处理比较混乱，将影响正常运行的内部逻辑电路和模拟电路，使逻辑数据混乱模拟信号失真。5.2PLC控制系统的抗干扰措施所有的电磁干扰的解决方案：阻隔祸合通道或衰减干扰信号、最大限度地抑制干扰源和降低系统本身对电磁噪声的灵敏度，来提高系统的抗干扰能力。在抗干扰源方面，工程设计应充分提高系统的电磁环境，使PLC的模块和信号输入/输出线远离高电压、高电流和高频率的设备。在设计PLC控制系统时在应该选择抗干扰能力较高的的产品，了解产品出厂时给的抗干扰指标。为了减少电网电压的波动以及畸变对系统电源产生的干扰，可采取如下措施：使用隔离变压器。2）使用低通滤波器。使用交流稳压电源。使用在线式不间断供电源。绝缘的输入输出信号要比非绝缘的抗干扰能力强，无触点输出比有触电输出产生的干扰要小，输入模块允许输入信号的电压差大抗干扰能力好，等等。在选择PLC的模块时都要考虑这些能够减少干扰的措施，使系统受到的干扰达到最小，从使PLC能够正常的工作。5.3小结本章对PLC控制系统的的可靠性进行研究，先是介绍了PLC控制系统的干扰因素，即电源引入干扰、输入/输出信号线干扰、接地线引入干扰，然后介绍了PLC控制系统的抗干扰措施、电源系统的抗干扰措施、输入/输出通道的抗干扰措施。最后对PLC控制系统研究模块型号的选择提出了合理的建议，提高系统的抗干扰能力。总结本文根据现在矿井排水控制系统的发展现状，以当前先进的PLC工业控制技术为基础，基于S-200系列的PLC为中心控制单元，对煤矿煤矿井下自动排水系统进行研究。根据水仓的水位和水仓水位的变化速度，并根据“避峰就谷”原则和水泵轮换工作原则，设计井下自动排水系统，使得井下排水能够在无人操作的情况下智能、安全的完成排水工作，减少了煤矿工人工作的强度，系统还设有报警功能，能够在水仓水位超标时及时发出警报，并作出相应的措施，这将极大的降低了煤矿水灾的发生几率，同时系统还可以利用“避峰就谷”原则，根据国家在不同时间，用电收费的不同，来控制井下排水系统的工作，这将减少煤矿电力的消耗，使煤矿的经济效益提高。根据煤矿的排水系统的情况统计输入/输出点数，然后依此来确定PLC及其扩展模块的类型，然后完成PLC硬件部分的连接图，最后完成排水控制系统软件工作。PLC在工业中的应用极大的推进了工业自动化的发展，为以后的工业发展指明了方向。同时在生活给人们带来极大的便利。

外文翻译矿井排水系统运行状态的监测与故障诊断SHIXiaojuan摘要一个监测煤矿井下排水系统运行状态的系统依旧存在，以便于故障诊断和解决问题。该系统包括一个单片机（SCM）Atmega169和工业PC机作为一种主从结构。利用排水系统的特征参数进行提取和分析。同时，还发起了一个基于模糊综合评价方法对离心泵故障诊断的研究项目。所提出的监测与故障诊断系统，可以提高自动化，安全，可靠，经济和矿井排水系统效率，减少盲目性，缩短水泵维修所需的时间。关键词：矿井排水系统，单片机，特征参数，故障诊断，模糊综合评价1简介一个矿井排水系统的主要功能是把水很快从地下提取到矿山地面。目前矿山设备的管理是在手动模式操作的，其自动化程度低，同时需要劳动密集型的工作。同时，如果对设备运行状态产生的实时数据不能进行及时的监测和处理，排水系统可能发生故障。在这样的情况下，煤矿的生产可能会中止，矿工的安全难以得到保证，更有可能发生严重的事故。因此，为了实现水泵的自动控制，确保煤矿安全生产，减少能源浪费，提高经济效率，需要设计一个功能性，安全可靠的故障诊断系统，这个系统可以监控排水系统的自动操作，收集并记录