矿井排水系统自动控制总体设计方案

矿井排水系统自动控制总体设计

4.1煤矿的已知条件

设计原材料：

开拓方式为斜井，坡度为29.3,泵房标高315.61m,出水口标高25.17m,

正常涌水量为300m3/h,最大涌水量为620m3/h,矿井属于低沼气矿井，年

产量为120万吨。

4.2排水方案的确定

在我国煤矿中，目前通常采用集中排水法。臭中排水开拓量小，管路敷设简

单，管理费用低，但由于上水平需要流到下水平后再排出，则增加了电耗。当矿

井较深时可采用分段排水。

涌水量大和水文地质条件复杂的矿井，若发生突然涌水有可能淹没矿井。

因此，当主水泵房设在最终水平时，应设防水门。

在煤矿生产中，单水平开采通常采用集中排水；两个水平同时开采时，应

根据矿井的具体情况进行具体分析，综合基建投资、施工、操作和维护管理等

因素，经过技术和经济比较后。确定最合理的排水系统。

从给定的条件可知，该矿井只有一个开采水平，故可选用单水平开采方案的

直接排水系统，只需要在井底车场副井附近设立中央泵房，就可将井底所有矿水

集中排至地面。

一、水泵的选型计算

根据《煤矿安全规程》的要求，主要排水设备必须有工作水泵、备用水泵和

检修水泵。工作水泵的能力应能在20h内排除矿井24h的正常涌水量（包括充填

水和其他用水）。备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%,并且工作水泵

和备用水泵的总能力，应能在20h内排出矿井24h的最大涌水量。检修水泵的

能力应不小于工作水泵能力的25%O水文地质条件复杂的矿井，可根据具体情况

在主水泵房内预留安装一定数量水泵的位置，或另增设水泵。

排水管路必须有工作和备用水管。工作水管的能力应能配合工作水泵在20h

内排完24h的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水

泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。

二、正常涌水量时水泵的排水能力

正常涌水期；

c24.3

QB=—q=1.2qz=1.2X300=360m/h

三、最大涌水量时水泵的排水能力

最大涌水期：

24

o=—Q=1.2q=1.2X620=784m3/h

20FlmaxTmaxz

式中:

-一工作水泵具备的总排水能力，m3/h

一一工作和备用水泵具备的总排水能力，m3/h

——矿井正常涌水量，m3/h

----矿井最大涌水量，m3/h

四、水泵级数的确定

i=HB/Hi=296.69/60=4.94

取i=5

其中：i——水泵级数

Hi一一单级水泵的额定扬程

五、水泵型号的选择

根据计算的工作水泵排水能力，初选水泵。从水泵产品目录中选取D450-60

X5型号泵，流量400〜500rn3/h额定扬程285〜307m。配用电机型号：

Y4501-4,其额定功率630kw,额定电流71A。

六、水泵台数的确定

工作泵台数：「言》言8

n取A3

Q

备用水泵台数:=784/450-1=0.74

n2^o.7ni=o.7X1=0.7和n22云一n

取Ih=l

检修泵数：n5^0.25n)=0.25X1=0.25,取

因此共选三台泵，如图4.1:

图4.1三泵两趟管路工作图

七、管路趟数及泵房内管路布置形式

根据泵的总台数，选用典型三泵两趟管路系统，一条管路工作一条管路备

用。正常涌水时，一台泵向一趟管路供水；最大涌水时，两台泵同时工作就

能达到20h内排出24h的最大涌水量，故从减少能耗的角度可采用两台泵向

两趟管路供水，从而可知每趟管路内流量Qe等于泵的流量。

八、排水管流速计算

vQe450

Vp=-----------=---------------------=1.769m/s

900^1/900x3.14x0.3~

式中：Qe---所选水泵的额定流量或通过管子的最大流量；m3/h

dp—所选排水管内径；米

通过计算：该流速符合Vp=1.5〜2.2米/秒的要求。

九、吸水管流速计算

式中：Qe--所选水泵的额定流量或通过管子的最大流量；nf/h

dp一所选吸水管外径；米

通过计算：该流速符合Vx=().8〜1.5米/秒的要求，

十、管径的计算

排水管和吸水管的理论管径由下式确定：

dp'二

5

900叫

或dx'=dp'+0.025(米)式中：

Qc——所选水泵的额定流量；m3/h；

Vp'--排水管经济流速；Vp'=1.5〜2.2米/秒；通常取1.8米/秒.

Vx'…吸水管经济流速；Vx'=0.8〜1.5米/秒；通常取1.2米/秒.

dp'-排水管理论管径；米。

dx'--吸水管理论管径；米。

由式(1)得：

dp'二=0.297m

900x3.14x1.8

由式(2)得:

因此，可选用内径dp=30()mm的无缝钢管作排水管；选用dx=370mm的无缝钢

管作吸水管。

4.3系统检测装置选择

4.3.1液位检测

一、超声波液位传感器

超声波液位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成

的。如果从发射超声波脉冲开始，到接受到反射波为止的这个时间间隔为已知，

就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对液位进行测量。根据发射和接受

换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和

接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接受各使用一个换能

器。

下面就单换能器的超声波传感器加以介绍。

超声波发射和接收换能器可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，

如图4.2所示。

图4.2超声波液位计安装示意图

对于单换能否来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间

为：

2/1

（式3-1）

则/?=—（式3-2）

2

式中：h—换能器距液面的距离；

c一超声波在介质中的传播速度。

从以上公式中可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便

可以求得待测的液位。

超声波液位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液

面发生波动，便会产生较大的误差。在一般使用条件下，它的测量误差为±0.1%,

检测液位的范围为10?〜104m。

本设计中采用的是Yjsonic系列的超声波液位计，在测量中脉冲超声波由传

感器(换能器)发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。

并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。

工作特点：采用SMD技术，提高仪器的可靠性，自动功率调整，增益控制、

温度补偿。先进的检测技术，丰富的软件功能适应各种复杂环境。采用新型的波

形计算技术，提高仪表的测量精度。具有干扰回波的抑制功能，保证测量数据的

真实。16位D/A转换，提高电流输出的精度和分辨率。传感器采用四氟乙烯材

料，可用丁各种腐蚀性场合，多种输出方式：可编程继电器输出、高精度4-20niA

电流输出、RS-485数字通信输出等方式可供选择。

设计中选用二线制输出型液位计，其参数如下：

量程：0〜3、5、8、10、15、20m

精度：0.25%

盲区：().3〜().5m

温度：・20℃〜+55C

电源：24VDC

控制：无

输出：4〜20mA二线制

防护等级：IP65

显示方式：4位LCD

由于煤矿井下的排水系统重要的安全地位，而水位传感器是整个排水系统的

嗅觉器官。也就是说，一旦水位传感器失灵，后面的排水硬件和响应软件设置的

再好都无法启动。所以，合理设计水位传感也是很重要的。

4.3.2流量检测

一、电磁流量计工作原理

在工业中经常使用的大口径流量计是电磁流量计。自2()世纪50年代末国内

首次工业应用以来，七八十年代在流量测量中运用和发展很快。

电磁流量计由电磁流量转换器和电磁流量传感器组成的。电磁流量转换器是

为电磁流量传感器提供电源，并将其测量的流量信号整定成为标准的4-20mA电

流等其他形式的信号。电磁流量传感器是根据法拉第原理制成的一种流量计，用

来测量导电液体的流量。其原理图如图4.3所示，它是由产生均匀磁场的系统、

不导磁材料的管道以及在管道横截面上的导电电吸组成。磁场方向、电极连线、

管道轴线三者之间是相互垂直的。

当被测导电液体流过管道时，切割磁力线，于是在和磁场及流动方向垂直的

方向上产生感应电动势，其数值与液体的流速成正比。即

E=BDv

式中:B—磁感应强度(T)；

D一切割磁力线的导体液体的长度(为管道内径)(m)；

v—导电液体在管道内的平均流速(m/s)。

得被测导电液体的体积流量为

3.1415xZ)23.1415xZ)E

QV=----------------v=-----------------

448

因此，知道感应电动势就可以测出导电液体的流量。

图4.3电磁流量传感器原理图

二、电磁流量传感器的结构特点

理论上认为磁感应强度B是常量，即直流磁场。但直流电势将使被测液体

电解，使电极极化。正电极被负离子包围，负电极被一层正离子包围，加大了电

极的电阻。破坏了原来的测量条件。同时内阻增加随被测液体成分的变化和工作

时间长短而变化，因而使输出电势不固定，影响测量精度。

而对被测量介质的流量测量采用交流电(频率为5()Hz)励磁的交流磁场，即

感应电动势为E=Bi®sin(w)Ou

所以体积流量为QV='Ei后

48mMsin(m)

为了避免测量管路引起磁分流，故需要用非导磁材料做成。另外，由于测量

管路处于较强的交流磁场中，管壁产生涡流，因而产生二次磁通。为了减少涡流,

要求测量管路的材料具有高电阻率。且对于不同直径的电磁流量计，其电极、测

量管路都采用不同的材料做成。

三、电磁流量计的特点

①测量管路内没有任何突出和可移动的部件，因此可用于有悬浮颗粒的浆液

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，因此其使用范围广泛；

③测量范围宽，am/eniin=i5oo；

④可以测量各种腐蚀性液体的流量；

⑤电磁流量计的惯性小，可以用来测量脉动流量；

⑥对测量介质，要求导电率大于0.002-0.005Q/mo

随着工业生产技术的加强和进步，各种智能型电磁流量计已经很容易的制

造出来，并应用于测量管道中导电液体的体积流量，如水、污水、泥浆、矿浆、

酸、碱、盐液体及食品桨液等。在石油化工、矿冶、煤炭、水利工程给排水、污

水处理等行业中广泛应用。电磁流量计可以达到以下要求：

①4-20n】A信号输出型；

②抗干扰性强、精度高、稳定性可靠、整体防爆；

③测量范围宽,流速0.3J5m/s；

随着工业生产技术的加强和进步，电磁流量计达到抗干扰性强、精度高、稳

定性可靠、整体防爆的要求，适合在煤矿井下使用，且也逐步的推广和使用。由

于每台水泵的工作曲线特别是使用了一定年限的离心式水泵的流量/功率、流量/

效率等曲线有较大的差异，因此无法给出每台水泵在工作过程中的流量正常阈值

和水泵排出水过少的阈值。这些阈值只有在现场根据每台水泵不同的流量特性设

定出相应的阈值。虽然电磁流量传感器在使用、安装的过程中比较复杂，但可以

肯定的说，随着流量传感器在自动排水系统的应用，将大大提高整个系统的稳定

性和安全性。

四、流量检测仪器的安装位置

水泵的流量与水泵出口的闸阀开度和出口压刀、电动机电流有直接的关系。

这些参数之间相互结合可以检测出水泵、电动机的性能和工况。因此水泵出口流

量的检测有非常重要的意义。水泵出口流量的检测有两种布置方式：

（1）流量检测器分别安装在水泵出口的分支管路上

（2）流量检测器只安装在水泵出口的总管路上

通过对两种安装位置的比较，本次设计选择将流量检测器分别安装在水泵出

口的分支管路上，采用这种安装方式可以保证准确测量每一个水泵在工作过程中

的流量。从而可以比较准确的判断出各个水泵机组的工作特性。如果采用第二种

安装方式，结合煤矿井下排水过程的特点:水泵的工作方式（轮番启动），虽然也可

以判断出每个水泵的流量，但是需要比较复杂的软件设计来实现。

4.3.3负压检测

NS-K型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，广泛用于石油、化工、冶金、制药冷冻、真空

仪表等自动化行业。

NS-K型负压传感器的主要技术指标如表所示：

NS-K型负压传感器的主要技术指标

输入()-0.5kPa..1kPa..1OkPa...-30kPa...-5OkPa...-1OOkPa

过载能力2倍

测量金，质对不锈钢丕腐蚀的气、液体

工作方鼠煲蚌至空度

工作也血/5.D3或lbMDC(24V)

输出二

_向岫3_0/可、4〜20mA/

零位瑜出,h

<2m^\\

综合F畴-X0伤你他%、0.3%F.S/R2RIjR4

R3\一

非线第±0.1%F.S《典型值）1:--------1

J,

重复4f±0.1%F.S(桃型值)/>Ir~

工作6度i-4(L1W：\

范"J

温度偿

RH25M℃'>__i—--)

范i

温度漂移(().025%F.S/℃(b)

4.3.4压力检测

一、应变式压力传感器原理介绍

应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力，如动力管道设

备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内

燃机管道的压力等。

应变式压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。图4.3为膜片式压力传

感器，应变片贴在膜片内壁，在压力〃作用下，膜片产生径向应变"和切向应变

%,表达式分别为：

一/I”及2-3X2)

87/2万

3P（1一//）（/?一工2

式中：P-膜片上均匀分布的压力;

R、〃一膜片的半径和厚度；

X—离圆心的径向距离。

(a)应变变化图(b)应变片粘贴

图4.3为膜片式压力传感器

由应力分布图可知，膜片弹性元件承受压力〃时，其应变变化曲线的特点

当x=0时，勒山”…

当x=R时，j=0，与=-2£，3

根据以上特点，一般在平膜片圆心处切向粘贴Ri、R4两个应变片，在边缘

处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成如图4.4的全桥电路。

其中，bR\=AR2=△6=八七，且RI=R2=R3=R4,则：

4=喈

K(j=E1

此时全桥差动电路不仅没有非线形误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，

同时仍具有温度补偿作用。

图4.4全桥差动电路

二、HS-956系列薄膜压力变送器

在本系统中使用了HS-956系列薄膜压力变送器。HS-956系列薄膜压力变送

器由高性能的薄膜压力传感器与信号调理电路组成。该系列产品技术独特、性能

优越,具有体积小、重量轻、安装简便、能在恶劣环境长期稳定工作的特点，特

别适合频繁冲击压力的测量。是目前理想的流体压力测量仪表。

HS-956系列薄膜压力变送器的特点:

1、稳定性高每年优于±0.1%

2、测量误差小综合误差可小丁±0.1%

3、温度范围宽允许介质温度-40〜125℃

4、温度漂移小典型温漂±().()2%/℃

5、适应恶劣环境、耐温、耐腐、抗振动

6、适应性广、产品体积小、重量轻、无隔离膜片和中介液体；全不锈钢密封

结构，无可动部件；可直接、任意安装。因此适应各种工业

测量场合及介质。

主要技术指标:

1、介质液体、气体或蒸汽

2、输出两线制4〜20mA.DC；

3、量程0.L0.16,0.2,0.25,0.3,0.4,0.5,0.6,0.8,1,1.6,2,

2.5,3A5,6,8,10,16,20,25,30,40,50,60Mpa

4、电源24V.DC,无负载时可工作在I2V.DC,

最大电源电压36V.DC；

5、负载范围允许最小负载为零，最大负载RL=50(US-12)Qo其中US

为电源电压:

6^过压量程的120%；

7、输出限制变送器过压时，内部限流器输出电流限制在25mA以下；

8、温度范围敏感元件工作温度：・50〜125℃；电子部件工作温度：・40〜

85c；

9、湿度范围0-99%相对湿度。

4.3.5电机电流检测

LT508-S6型电流传感器

1、工作原理

该传感器采用磁平衡霍尔检测原理工作。原边电流产生的磁通量与霍尔电压经放

大产生的副边电流，通过副边线圈所产生的磁通量相平衡，副边电流便能精确地

反映原边电流。

2、特点

该传感器具有出色的精度、良好的线性度、低温漂、最佳的反应时间和宽频带，

无插入损耗，抗干扰能力强，有电流过载能力。应用霍尔效应的闭环(补偿)电

流传感器，原边和副边之间的高度绝缘，具有符合UL94-V0标准的绝缘外壳。

3、应用范围

该传感器用于测量直流、交流和脉冲电流，用在交流变频调速、伺服电机牵引、

直流电机牵引的静态转换、电流电源、不间断电源（UPS）、开关电源（SMPS）、

电焊机电源等之中。

4、主要技术指标

该传感器的主要技术指标如下所示：

电流传感器LT508-S6

原边和副边之间是给缘的，用于测量直流、交流和脉冲电流。

电参数

原边颔鱼有殁伯.电流500A

原边电沌.包量范因0..±800A

io

RM加量电的@

^Mnw»X

with±15V@±500A—040

@士800A—05

with±18V@±500A060

@士800A-015

L司边额定有效使电流100mA

K、转换或1：5000

vc电源电压（±5%）±15..18V

L电疣洎耗20(@±15V)+LmA

VT有效值电压用于文泛绝缘检旗产.50Hz,1分钟6kV

精度-动态参数

X总站度@l入，1\=25。0±0.4%

V线，洼度<0.1%

TypMax

»o看点失调电流@1\=25°C±0.13mA

U琮,洼失调电流z@]±0透过"L、6勺过载±0.14mA

JL白勺泾津（一10℃..*70℃）±0.15±0.64mA

t.反应时间@10%ofI”..<500ns

t,响应时间3)@90%ofL-<1MS

di/dtdi/dt原转精度>100A/ps

f领带完度（-3dB）DC..100kHz

一般参数

TAT-10*70

S京境贮存温度-25*80

e

Rm-副边线蚓电阻@T.=70C60

质量320

标;隹4）prEN50178

注珏二原副边之间

2〉磁场的强磁力的结果

35100ZVpsS勺di/dt

«务有相应的桧汰j清单

4.3.6温度检测

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

与被测物体接触，这是测温的基本形式。这类温度传感器具有结构简单、工作可

靠、精度高、稳定性好、价格低廉等优点，是目前应用最多的一类。

非接触式温度传感器理论上不存在接触式温度传感器的测量滞后和应用范

围上的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干

扰被测温度场，但测量精度低，使用不太方便。

通过比较，宜选拦接触式温度传感器测量温度比较合适。本文选择PT100

温度传感器测电机及水泵温度。

PT100传感器是利用祐电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的

特性来进行测温，其温度/阻值对应关系为：

(1)-200℃<l<0℃时，R,=6)[1+4+8产+Q3(f—IOO)](式3-12)

(2)()℃WtW85()℃时，耳=/?()(1+4+8/)(式3-13)

712

式中，A=3.9O8O2x10%B=-5.8Ox]0：C=4.2735xjQ0

PT100温度传感器是一个模拟信号，它在实际应用中有二种形式:一种是不

需要显示的，主要采集到PLC,这样在使用的时候只需要一块PT1OO的集成电路,

要注意的是这个集成电路采集的不是电流信号而是电阻值，PT1OO的集成电路

(需要一个±12VDC电源提供工作电压)直接把采集到的电阻变为1-5VDC输

入到PLC,经过简单的计算就可以得到相应的温度值。(这样的形式可以同时采

集多路)，还有一种就是单独的一个PT1OO温度传感器(工作电源是24VDC),

产生一个4-20mA的电流，然后再通过一个4-20mA电流电路板把4--20mA的

电流变为1--5V电压。它可以串连一个电磁指示仪表。

PT1OO温度传感器的主要技术参数如下：

测量范围：-200C〜+850C；

允许偏差值A级土(0.15+0.002|t|),B级土(O.3O+O.OO5I”〕；

热响应时间v30s；

最小置入深度：热电阻的最小置入深度2200mm；

允通电流W5mA。

另外，PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优

点。

应用范围：气液两用型，可用丁供水系统，液压，气动系统，冷却系统，加

热系统，空调系统，自动化工程等。

4.4控制系统软、硬件设计

4.4.1PLC硬件设计部分

在硬件设计之前，首先需要明确系统的总体工作结构，以下为本次设计的系

统总体结构框图(如图4.5)

4.4.1.1系统总体结构框图

水泵电机开关状态

数

I电磁阀开关状态:____,>字

量

通

输

电动阀开关到位状态=信

入

模上位机控制中心

模

块

故障诊断块

急停

CPU

模

块

水仓水位信号-N水泵电机开关控制

数

水泵入水口真空度字电磁阀开关控制

量

模

输

拟电动阀开关控制

出

量

模

输

块故障指示灯控制

入

模

块警铃

图4.5系统总体结构框图

4.4.1.2PLC模块选型及点数统计

本系统选用西门子S7-200系列PLC作为中心片制器,主机模块选用CPU226,

同时扩展一块16点DC输入/16点继电器输出模块EM223和5个模拟量输入扩

展模块EM231o

PLC数字量输入点数统计

数字量输入参数所需点数

电动机开关状态6

电磁阀开关状态6

电动闸阀开关到位状态12

故障诊断1

急停1

总计26

PLC模拟量输入点数统计

模拟量输入参数所需点数

水位1

真空度3

压力3

流量3

水泵温度3

电机轴温3

电流传感器3

总计19

PLC数字量输出点数统计

数字量输出参数所需点数

水泵电机开关控制6

电磁阀开关控制6

电动阀开关捽制12

警铃1

故障显示3

总计28

PLC的I/O地址分配表

序变量名称变量地信号类型

号址

11#泵电机启动10.0数字量输入

21#泵电机停止10.1数字量输入

32#泵电机启动10.2数字量输入

42#泵电机停止10.3数字量输入

53#泵电机启动10.4数字量输入

63#泵电机停止10.5数字量输入

7故障诊断10.6数字量输入

8急停10.7数字量输入

91#射流泵电磁阀开11.0数字量输入

101#射流泵电磁阀关11.1数字量输入

112#射流泵电磁阀开11.2数字量输入

122#射流泵电磁阀关11.3数字量输入

133#射流泵电磁阀开11.4数字量输入

143#射流泵电磁阀关11.5数字量输入

1511#电动阀开到位12.0数字量输入

1611#电动阀关到位T2.1数字量输入

1712#电动阀开到位12.2数字量输入

1812#电动阀关到位12.3数字量输入

1921#电动阀开到位12.4数字量输入

2021#电动阀关到位12.5数字量输入

2122#电动阀开到位12.6数字量输入

2222#电动阀关到位12.7数字量输入

2331#电动阀开到位13.0数字量输入

2431#电动阀关到位13.1数字量输入

2532#电动阀开到位13.2数字量输入

2632#电动阀关到位13.3数字量输入

27水位信号AIW0模拟量输入

281#泵真空度AIW2模拟量输入

292#泵真空度ATW4模拟量输入

303#泵真空度AIW6模拟量输入

311#泵压力值AIW8模拟量输入

322#泵压力值AIW10模拟量输入

333#泵压力值ATW12模拟量输入

341#泵流量值AIW14模拟量输入

352#泵流量值ATW16模拟量输入

363#泵流量值AIW18模拟量输入

371#泵温度AIW20模拟量输入

382#泵温度AIW22模拟量输入

393#泵温度AIW24模拟量输入

401#泵电机轴温AIW26模拟量输入

412#泵电机轴温AIW28模拟量输入

423#泵电机轴温AIW32模拟量输入

431#泵电机电流信号A1W30模拟量输入

442#泵电机电流信号AIW34模拟量输入

453#泵电机电流信号A1W36模拟量输入

46驱动1#泵Q0.0继电器输出

47切断1#泵Q0.1继电器输出

48驱动2#泵Q0.2继电器输出

49切断2#泵Q0.3继电器输出

50驱动3#泵Q0.4继电器输出

51切断3#泵Q0.5继电器输出

52驱动1#泵电磁阀开Q0.6继电器输出

53驱动1#泵电磁阀关Q0.7继电器输出

54驱动2#泵电磁阀开Q1.0继电器输出

55驱动2#泵电磁阀关Q1.1继电器输出

56驱动3#泵电磁阀开Q1.2继电器输出

57驱动3#泵电磁阀关Q1.3继电器输出

581#泵故障显示Q1.4开关量输出

592#泵故障显示Q1.5开关量输出

603#泵故障显示Q1.6开关量输出

61警铃Q1.7开关量输出

62驱动11#泵电动阀开Q2.0继电器输出

63驱动11#泵电动阀关Q2.1继电器输出

64驱动12#泵电动阀开Q2.2继电器输出

65驱动12#泵电动阀关Q2.3继电器输出

66驱动21#泵电动阀开Q2.4继电器输出

67驱动21#泵电动阀关Q2.5继电器输出

68驱动22#泵电动阀开Q2.6继电器输出

69驱动22#泵电动阀关Q2.7继电器输出

70驱动31#泵电动阀开Q3.0继电器输出

71驱动31#泵电动阀关Q3.1继电器输出

72驱动32#泵电动阀开Q3.2继电器输出

73驱动32#泵电动阀关Q3.3继电器输出

4.4.1.3硬件接线图

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图4.6硬件接线图

4.4.2PLC软件设计部分

西门子的S7-200系列PLC所用的编程语言是西门子开发的STEP7,这是一

种可运行于通用微机中，在WINDOWS环境下进行编程的语言。将它通过计算

机的串行口和一根PC/MPI转接电缆与PLC的MPI口相连，即可进行相互间的

通信。通过STEP7编程软件，不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式

进行离线编程，经过编译后通过转接电缆直接送入PLC的内存中执行，而且在

调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，甚至可

以在线修改程序中变量的值，给调试工作也带来极大的方便。

在软件设计之前，首先需要明确系统的开启流程，以及故障诊断流程。同时，

还要将模拟量信号进行A/D数值转换。

4.4.2.1水泵自动开启流程图

当PLC接收到启动某台水泵的指令后，就会按照下图所示的水泵的启动流

程图进行水泵的自动启动控制。首先是启动抽真空系统将水泵体内的空气排除，

让其充满水，这时，抽真空管路上的负压表（真空表）就会达到要求值，当PLC

检测到负压表的读数满足启动要求时，就会发指令给高压开关柜，启动水泵电机,

并关掉抽真空设备。这时位于水泵上方主排水管路上的压力传感器承受的压力越

来越大，当达到要求值时，PLC发指令开启电动闸阀，开始排水。（如图4.7）

检测压力值

图4.7设备无故隙情况下水泵自动开启流程图

4.4.2.2水泵故障诊断流程图

运行过程中，主要监测水位、压力、温度、流量、电动机电流值等状态量，

出现异常情况后，立即停止工作水泵，并启动备月泵继续工作。运行过程中故障

诊断流程图如图4.8：

图4.8运行过程中的故障诊断流程图

4.4.2.3模拟量输入信号与A/D数值转换计算

模拟量输入模块是将输入的0〜20mA信号转换为0〜32000的数字量,4〜20mA

对应的A/D转换数值应为6400〜32000。

本次设计中液位传感器选取量程0〜5m,设置水位值小于3m为安全水位，达

到3m为第一水位，启动一台泵进行排水工作。达到2m为第二水位，启动备用

泵进行排水工作。达到1m为警戒水位，启动第三台泵，使三台泵同时进行排水

工作。当水位下降到相应水位时，依次减少工作泵数量，直到水位回到安全水位。

L-05-()由

由公式:-------=-----------得

X-640032000-6400

5

L=------------------(X-6400)=(X-6400)

32000-640025600

32000-640025600

X=L+6400二L+6400

L——水位

X——A/D转换数值

水位输入信号与A/D转换数值表

测量物理范围2〜3ml~2m(Tim

0〜5nl

输入信号4〜20mA

A/D转换6400^3200016640^2176011520〜166406400^11520

后数据

已知吸水管流速为0.8〜1.5m/s,D=0.3m,由公式:

感应电动势：E=BmaxsinaDv

3.14D

体积流量：Q=E

4

Binaxsina

则：Q=().05〜0.1m3/s,因此控制范围为0.()5〜0.1m3/s,现取测量范围为

0.02〜0.13m3/s厕：

流量输入信号与A/D转换数值表

测量范围控制范围