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基于 排水系统 PLC 控制 组态 CAD

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基于排水系统的PLC控制与组态摘 要排水设备在煤矿生产建设中是必不可少的大型固定设备。一个煤矿排水泵站，一般来说，由多台排水泵组成，它贯穿整个排水系统起着非常重要的作用。因为积水受环境的影响比较大，所以排水泵的运行数量也要做相对的变化。现在以微处理器为核心的可编程控制器（PLC）已逐步取代了继电器控制，广泛应用于各行各业的自动控制领域。本文结合当前控制技术，设计了自动控制系统在矿井排水系统中的应用。为实现排水系统的自动控制，本设计选用S7-200 PLC进行编程，并结合了各种传感器（超声波液位传感器、负压传感器及温度传感器等）进行了数据的采集。实现了煤矿井下中央水泵房中水泵的自动轮换，超温保护等功能。同时利用组态软件实现了对整套系统的设备运行状况及数据信息的监控，并与井上监控中心进行通讯，工作人员在显示器前就可以了解到排水系统的实时状况，同时也可以根据采集到的信息进行相应的操作指令，大大减少了劳动强度，以及因人为操作出现的纰漏而导致的事故。关键词：排水；自动控制；PLCDrainage System Based on PLC and ConfigurationAbstractPumping equipment in coal mine production is indispensable in the construction of large fixed equipment. A coal mine drainage pump station, in general, there are composed of many sets of drainage pumps, it runs through the drainage system plays a very important role. Because water is affected by environment is larger, so the operation of the drainage pump number also should make relative changes. Now with microprocessor as the core programmable controller (PLC) has gradually replaced the relay control, automatic control field is widely used in all walks of life. Combining with the current control technology, automatic control system is developed in our country, the application of the mine drainage system.To achieve the automatic control of the drainage system, the design of S7-200 PLC programming, combined with a variety of sensors (ultrasonic liquid level sensor, pressure sensor and temperature sensor, etc.) for data collection. The automatic rotation of water pumps in the central water pumps room in the mine is realized. At the same time by using configuration software to realize the equipment running status and the data information of the system of monitoring, and communication with the monitoring center, is a staff in front of the monitor can understand the drainage system of the real-time condition, can also according to the information collected for the corresponding operation instructions, greatly reduces the labor intensity, and the accident caused by the artificial operation appear cracks. Keywords: drainage; automatic control; PLCiii目 录摘要Abstract1绪论11.1煤矿井下水的形成及排水的重要性11.2国内外研究现状及主要问题31.3排水自动控制系统的简介41.4本课题主要内容41.5小节52.排水系统的组成及各类设备的选择62.1泵房内管路布置的选择62.2 离心式水泵72.2.1 离心式水泵的简介72.2.2 离心式水泵的启动过程82.2.3离心式水泵的停机过程82.3 电动阀及电磁阀的简介82.4 传感器的选型92.4.1水仓水位102.4.2水泵温度的测定122.4.3水泵负压132.5小结133. 硬件系统的设计143.1 硬件系统的简介143.1.1 PLC的主要特点143.1.2 PLC 基本工作原理153.2 PLC 要实现的控制功能183.3 PLC控制系统的总体设计193.4 小结214. 控制系统的软件设计224.1 主程序流程图的编写224.2 I/O地址的分配234.3 水泵的自动开启、运行、停止故障保护流程图254.3.1离心式水泵开启程序流程图254.3.2运行中的监测程序254.3.3离心式水泵关闭流程图264.4部分程序梯形图274.4.1液位处理程序274.4.2温度处理模块284.4.3负压处理模块294.4.4水泵启动程序304.4.5水泵关闭子程序324.4.6 自动轮换设计334.5 设计经验总结354.5.1 干扰信号的排除354.5.2 程序运行的几个状态364.6小结365. 人机界面的设定375.1 软件简介375.2 排水控制组态的建立375.3组态画面的设计395.4 小结39总结40参考文献42附录一44附录二59致谢74 1 绪论井下排水系统是煤矿井下最重要的系统之一，实现排水系统的自动控制尤为重要，本章主要分析排水系统的组成及其工作过程，为接下来的排水自动控制系统的设计提供依据。1.1 煤矿井下水的形成及排水的重要性在矿井生产过程中，经常有各种水源的水涌入矿井，称之为矿水。大量的矿水威胁到矿井生产的正常运行，突发时甚至会造成工作人员的伤亡。产生矿井涌水的两个必备条件是矿井水源和涌水通道。1.矿井涌水的水源矿井涌水的水源有地表水和地下水两大类。（1）地表水源。地表水源主要指大气降水和地表水。1）大气降水。大气降水是地下水的主要补给水源。降水量对矿井涌水的影响，对于分布于河谷洼地，并且煤层上部有透水层、溶洞、裂隙或塌陷的浅井较为显著，其影响具有明显的季节性。雨季矿井涌水量增大，旱季则相反。2）地表水。河流、湖泊、水库和塌陷地积水等地表水，可以通过井筒、塌陷裂隙、断层、裂隙、溶洞和钻孔等直接进入井下，也可以作为地下水的补给水源，使地下水经过与井巷连通的通道进入井巷，造成水灾。（2）地下水源。地下水是矿井水最经常、最主要的水源，而大气降水和地表水也是一般先补给地下水，然后再流入矿井。所以研究地下水的水量分布、补给条件、动态变化规律等，对分析矿井涌水极为重要。根据地下水的赋存状态和赋存位置的不同，可将矿井水分为以下几种：1） 含水层水。地层中的沙层、砂岩和灰岩层等，往往含有丰富的地下水。当掘进巷道揭露含水层或回采工作面放顶后所形成的冒落裂隙与这些含水层相通时，含水层水就涌入矿井。含水层水一般都具有很高的压力，特别是当它与地面水源相通时，对矿井安全生产的影响较大。2）断层水。断层带及断层附近岩石破碎，裂隙发育，常形成构造赋水带。特别是当导水断层与强含水层或积水体相通时，如发生断层突水，就会形成水灾。3）老空积水。井下采空区或煤层露头附近的古井、小窖常有积水，如果开采时与之相通，就会发生突水事故。另外，还有生产用水。煤矿生产过程中，如水采、除尘、煤体注水、防火注浆、水砂充填等，都要大量用水，如管理不善、排水不畅也可能引起水灾事故。2.矿井涌水通道矿井涌水通道可分为人为形成的通道和天然形成的通道两种。(1) 人为形成的通道有：1）顶板冒落裂隙带顶板冒落形成导水裂隙。2）地表岩溶塌陷带矿区开采后地表下沉，地表水和大气降水通过塌陷坑直接进入井下。3）封孔质量差的钻孔打孔后封孔不严，钻孔成为各类含水层的涌水通道。（2）天然形成的涌水通道有：1）孔隙、裂隙各种岩层中的节理、层理成为涌水通道。2）岩溶岩石中的溶洞、孔洞成为涌水通道。3）断层破碎带通过断层与含水层相连，断层破碎带成为涌水通道。井下排水系统的任务就是把通过各种途径流入矿井的积水排送到地表。在煤矿地下开采过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河水的渗透，水砂充填和水利采煤矿井的井下供水，将更有大量的水昼夜不停地汇集于井下。如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产可能受到阻碍，井下的安全得不到保障，严重者会造成重大事故。煤矿大量的井下水在会对工作人员和设备的安全造成很大的威胁，如不采取及时有效地治理措施，会造成严重后果，轻者淹井停产，重者矿毁人亡。因此矿井主排水系统是保证矿井安全的关键设备之一，在煤矿安全生产中有着举足轻重的作用。1.2国内外研究现状及主要问题1.2.1课题研究现状目前国内外学者已经在煤矿井下排水系统控制的研究中取得了很多成就。就国内的研究工作来看，大多是从煤矿井下排水系统的安全可靠性、节能的角度进行研究。首先是煤矿对中央泵房水泵自动控制系统的成功改造，为我国井下排水系统自动控制开辟了一条新的途径。这也验证了以计算机进行单台水泵的“水泵控制系统”改造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。随后几年，根据煤矿井下排水系统消耗电能大的特点，国内研究人员分别从离心式水泵，排水管路，电动机三个方面提出了对井下排水系统的节能改造。由于各类矿井情况差别大，能源消耗尤其是电能消耗大，所以在节能技术方面的研究对煤矿效益，以致可持续发展有着很大的意义。国外的研究大多从管道的长期的维护和清理，井水质量对排水设备的影响等更加细微更加长远的方面来研究。酸性矿井排水及有害元素的影响对井下排水系统也是一项严峻的考验。它不仅关乎到整个排水系统的正常运行，更影响井下设备和工作人员的安全。1.2.2 主要问题矿井中央泵房是矿山企业的机电要害场所，直接影响到矿山企业的安全生产，现在国内的矿山企业矿井中央泵房的自动化水平还不是很高，这影响了生产的安全生和高效性，矿井中央泵房无人值守自动化系统可以有效解决这些问题。井下的水泵电压高、功率大、启动复杂，水泵启动前吸水管路的充水，通常采用抽真空吸水的方法来完成。现泵房内设备的运行与管理以及水仓水位的观察，普遍采用人工操作方式，操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长、自动化程度低、不适应现代化矿井管理。 随着我国颁布分时缴纳电费的办法后，煤矿排水的经济效益也尤为突出。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。1.3 排水自动控制系统的简介煤矿井下水泵是煤矿排水的重要组成部分，实现中央水泵房的检测与监控，是实现综合自动化控制的关键一步。煤矿自动排水系统可以有计算机远程监控水仓水位，并相应控制某一台或多台水泵的启停。同时，在运行过程中也可以检测其运行参数，以达到保护设备的目。在煤矿井下排水自动控制系统中，水泵房一般设置3组离心水泵，一组使用，一组备用，同时设置一组用于检修时进行轮换的离心水泵。这些水泵运行状况复杂，通过人工进行监控，很难进行的毫无破绽。此外，进行排水前需要人工进行水位监测，抽真空以及水泵房设备运行时的管理、监控。这些工作劳动量较大，难度大，启泵时间也无法控制的毫无差错，人为操作过程中容易出现失误，自动化程度较低。自动控制系统的引入，有效的缓解了上述压力，为实现安全生产做出了重要的贡献。自动排水系统首先应以可靠、安全、先进为原则，在此基础上实现在地面调度中心对中央水泵房进行的控制，从而提高排水自动化程度，从而实现井下“无人或少人值守”，减少劳动强度，提高效率及安全系数。此外高效的井下排水系统，还可以节约对电力资源的使用，井下排水系统所选用的电机，功率消耗较小的有几千瓦到几十千瓦。功率消耗较大的高达上千千瓦。在我国的煤矿开采中，矿井排水系统的用电量占较大比重。大约占总消耗电量的18%40%。一般为20%，所以高效的排水系统对于煤矿生产生活的意义至关重大。1.4 本课题主要内容1.水泵的启停机制：整个排水系统的运行比较负杂，但是在复杂的系统中排水的控制却是以单个水泵的排水为基础而展开的。当水仓水位达到开启时泵的要求时，系统首先要检测真空度，若真空度未达到执行标准，那么就会进行抽真空的操作，在整个抽真空操作进行过程中，传感器会不断检测真空度，达标后即可开启水泵电动机，并停止抽真空的过程，开始排水。而排水过程中液位传感器也会检测水位高度。当高度符合停泵要求时，就会开始停止水泵运行的操作2.水泵自动轮换机制：排水系统中一般有多台水泵，我们在PLC存储系统中为每台水泵设置1个寄存器，其中一个寄存器负责水泵运行时间的记录。当所选两台水泵的运行时间差距较小时。会根据他们的运行次数优先选择运行次数相对较小的的水泵开启，从而实现自动轮换功能。3.整个排水系统的自动控制系统：通过控制单个水泵的启动和停止，在结合水泵的轮换机制，配合井下温度、压力、流量等传感器所测的模拟量及矿井用电量设计合适的排水系统。使排水过程安全高效，能够很好的满足要求。1.5 小节本章主要进行了排水系统的简要介绍，阐述了排水系统在煤炭生产中的重要性。简要概括了自动排水控制系统的组成部分；最后对排水自动控制系统所要实现的功能进行了解释。2 排水系统的组成及各类设备的选择图2-1控制系统组成图如图2-1所示，排水系统一般井下控制分站、就地控制箱、各种传感器，以及控制主站组成。控制主站位于井上调度中心所有的数据经由工业以太网进行传输；本设计中控制分站采用矿用防爆本安型PLC控制器进行控制，采用PLC进行控制具有现场易编程、易维护等特点，同时采用防爆及本质安全型符合井下工作环境的要求。 在井下排水控制系统中，水泵是所有功能系实现的基础，而井下复杂的工作过程也是通过多个的水泵配合工作来实现的，本章主要对井下排水系统的水泵及所使用的各个设备进行简要介绍，同时做出各类传感器的选型。2.1 泵房内管路布置的选择本文的设计选用三台水泵两趟管路的井下排水系统，这样做的目的是：三台水泵一台使用，一台备用，一台用作检修，正常情况下两台水泵即可满足要求，也就是说正常排水时，一台水泵即可满足排水需求，另外两台当作备用和轮换使用。当水位超出最高水位预警时，可以开两台泵，以满足排水的需求量。排水管路为两条，保证每条管路都与三台泵相通。一条管路为常用管路，另一条则作在备用或检修时使用。设置3台泵，两个管路防止设备突然损坏，需要修理时没有备用设备，影响生产安全。示意图如图2-2：图2-2 井下泵房布置图2.2 离心式水泵2.2.1 离心式水泵的简介在井下排水系统中，使用的水泵大多数为离心式水泵，部分小型矿井或这是以浅水井临时排水系统为排水系统的矿井也会使用潜水泵。离心式水泵的组成部分主要包括泵体、吸水管路、压水管路以及附件。其工作原理是：在水泵充满水的状态下，离心式水泵的叶轮开始以很高的速度运转，这种快速转动的状态会带动储存在离心式水泵的积水旋转。在旋转过程中会产生离心力，由于离心力的作用，液体撞击泵壳的过程中压力会增大，这时水流会自动向着压力较低的位置流动。所以此时水流会从出水口排出，而水流随叶轮高速运转时产生离心力的同时会使水泵内部产生真空。这时水泵就具有了吸水的能力，从而源源不断的产生动力，进行排水。水泵运行之前，如果内部水量不足，产生的离心力会减小，就无法带动整个泵体吸水和排水，并且这种情况下运转的水泵会可能因为空转而烧坏，所以在离心式水泵工作之前首先要对水泵进行注水排气的工作。离心式水泵运转前的注水排气过程，往往有抽真空设备来完成，井下排水系统中抽真空设备主要为真空泵或射流泵。这两种设备的工作原理不同但是都能够实现离心式水泵启动前抽真空的工作。2.2.2 离心式水泵的启动过程离心式水泵启动前需要进行注水排气，以此增加水泵的真空度，否则离心式水泵可能会因为转动时无法吸水而烧坏，降低水泵使用寿命，这时就需要抽真空设备对离心式水泵进行抽真空，抽真空设备主要有真空泵和射流泵。首先系统自动检测水仓水位，水位达到开泵的条件时，打开真空泵的电磁阀，然后打开真空泵。通过他们给离心式水泵注水，在真空泵的作用下，离心式水泵内部和吸水管内被逐渐注满水，水泵入口处的真空度会随着整个过程的运行逐渐增大。当入口处真空度增大到满足要求值时，系统会自动启动接通水泵电机，开启水泵。水泵开启过程中，随着离心式水泵的运转，其出口处的压力会逐渐增大，当压力值增大到预先设定的标准值时，压力将不再增加，此时打开离心式水泵出口处的电动阀，开始排水。同时关闭真空泵，停止注水过程。2.2.3 离心式水泵的停机过程随着水仓水位不断下降，当水位下降至关闭水泵的水位限度时，就会开始关闭水泵的流程。系统会首先关闭离心式水泵出口处的电动阀，待电动阀完全关闭后，在关闭处于电动阀下方的逆止阀以防止排水管中的井水倒流，最后关闭水泵电机，使其脱离运转状态，停止工作。2.3 电动阀及电磁阀的简介电动阀简单的说就是用电执行器。按开闭方式可以分为两种，其中一种为角行程的电动阀，还有一种是直行程的电动阀。通常被使用在控制流量的管路中。在大型控制系统中也可以用来作为关断阀。当被用于流量控制中时，涉及到开关、调度问题，用其调节流量属于AI控制。而用做关断阀时，也可以用电动阀做两位开关控制。电动阀时通过电机驱动阀芯运作，从而实现阀门的开或关，用作关断阀门时是两位式的工作方式，即全开或全关。此时用于控制系统中需要正转和反转的输出信号，并且要有开闭到位的状态返回信号，电磁阀的内部含有带电线圈，当线圈通电就会产生磁力，与两侧磁铁相互作用，从而克服弹簧的反作用力，实现阀门的开和闭。结构较为简单，造价低，但只能用于小口径的管路中，只能实现开关。电动阀的驱动一般是用电机，整个开闭过程需要一定的时间并可以调节，而电磁阀是快开和快关的，属于电动阀的一个种类。所以在排水系统中选择电动阀作为水泵出水口的阀门，控制电动阀运作的信号分别为电动阀正转和电动阀反转，并且产生开到位或关到位两个反馈信号，而电磁阀由于适用的管路直径较小，用在真空泵抽真空时的真空阀，由于电磁阀时快开和快关的，所以在控制时用一个信号同时控制抽真空设备和电磁阀。即当真空泵打开时，会自动控制电磁阀随着射流泵打开一起开闭。最终选择MZ941H矿用电动闸阀，防爆型产品dI适用于煤矿井下非采掘工作面。用于煤矿井下时，这类防爆电动阀电源电压电压为380v或660V，远程控制为24VDC。电磁阀选择DFB20矿用隔爆型电磁阀，额定控制电源电压：（50z）36V、127V,功耗：28,环境温度 5+40,压力适应范围：0-10MPa2.4 传感器的选型图2-3 模拟量分布图由图2-3可知，要想实现井下排水系统的完整运行，在排水过程中就要不断对水仓水位、水泵出口压力、真空度、电机电流电压、排水管流量、温度进行检测，这些量的检测需要使用模拟量传感器进行，如图2-1 为排水系统中各类传感器的安装位置。这些传感器良好的运行，并且将采集的信号准确无误的传输给系统，才能让整个系统有更好的运行环境。本设计选用的传感器如表2-1所示：表2-1 传感器选型表水仓液位水泵温度水泵负压超声波液位传感器 投入式液位计PT100温度传感器NS-K型负压传感器2.4.1 水仓水位由于排水系统在井下煤矿生产中的重要性异常重大，所以排水的各部分都要精益求精，而水位传感器相当于排水系统的感知部位，一旦液位计失灵，整个自动排水系统的运行都将受到阻碍，所以排水系统的液位检测装置应确保万无一失。井下排水系统一般选用两个传感器相互监控，共同监控水位。超声波液位传感器工作原理：超声波液位传感器是基于超声波在不同种介质得分界面上具有反射特性的原理而制成的，由此只要发射到接收声波脉冲的时间间隔为已知，即可求得页面距离传感器距离。计算公式如下：则 L 换能器距液面的距离；v 超声波在介质中的传播速度。设计中选用二线制输出型液位计，其参数如表。超声波液位计参数表2-2 超声波液位计参数表量程精度盲区温度电源控制输出防护等级显示方式08m0.25%0.0.m-20+24VDC无420mA二线制IP654位LCD投入式液位传感器：投入式液位传感器是将传感器的探头投入液体中。利用处于一定深度时液体会产生一定的压强这个基本原理制成的，如图2-4所示。图2-4投入式传感器原理图具体的来说是:传感头根据水中的压力与空气中的压力差，传感头把水位的高度变换成压力差，再把压力差转换成微弱的电信号，该微弱的电信号经放大器放大后送A/D变换器，单片机采集数字信号经运算处理后，输出的水位高度用数码管来显示，同时输出对应的输出信号。选用GUY10矿用本安型投入式液位计：工作电源：1224VDC输出：420mA 工作温度：-5+40 精度：1%FS量程：0-10m2.4.2 水泵温度的测定中央水泵房中的水泵在工作时，水泵电机温度会不断变化，当水泵及电机长时间在高温状态下运转时，会缩短其使用寿命。同时会引起其他事故。所以在整个系统运行的状态下必须对水泵温度进行检测。这样不但可以有效地缓解水泵因长时间高温运转给自身带来的压力，还可以通过监控温度达到及时停泵、轮换水泵，以达到保护水泵、延长使用寿命的目的。温度传感器：本次选用PT100接触式温度传感器测水泵温度。工作原理：金属铂的阻值随温度变化而变化，并具有较好地重现性和稳定性通常使用的传感器0时阻值为100，电阻变化率为0.3851/，铂电阻具有精度高，稳定性好等特点。Pt100温度传感器接入电路时，随温度的变化引起阻值变化时，通过连接一个变送装置可将电阻输入信号转化为电流信号，通过计算可以对应出相对的温度，从而达到对电机温度的监控本文选用的pt100型温度传感器具体参数如下：（1） -200t0时， （2）0t850时，系数值（Tar=0.003851）系数ABC数值表2-3 pt100 阻值变化表温度051015202530阻值100101.95103.90105.85107.79109.73111.67温度35404550556065阻值113.61115.54117.47119.40121.32123.24125.16温度707580859095100阻值127.06128.98130.89132.80134.70136.60138.50选用WZP系列 PT100温度传感器测量井下水泵电机温度，参数如下：输出信号：4-20mA测温范围：-50-200响应时间：4-6s工作电压：24VDC2.4.3 水泵负压负压传感器 ：工作原理：未启动时水泵中的空气介质直接作用在传感器的膜片上，从而产生正比于空气压力的微小形变， 传感器记录这一信号，经过系统处理后即可测得水泵真空度。本设计选用NS-K型矿用本安型负压传感器。具体参数如下：表 2-4 压力传感器参数表参数技术指标压力范围过载能力破坏压力输出信号精度工作电压防护等级工作温度范围消耗电流绝缘阻抗-100KPa-0KPa200%F.S500%F.S420mA0.05%,0.1%,0.25%F.S24VDCIP65/IP67-3080120不超过30mA不小于100M2.5 小结本章对排水系统的组成进行了介绍，同时对自动控制系统中的外围执行机构进行了选型以及介绍，主要包括：离心式水泵的原理、启停过程，电动阀、电磁阀的工作方式及选型，还有井下部分传感器的选型。通过这一章的介绍，大致对惊喜排水系统的执行机构有了简单的了解，方便对接下来的工作进行准备。3 硬件系统的设计3.1 硬件系统的简介根据设计要求，本此设计选用S7-200型PLC 控制系统对整套控制系统进行控制。相似于计算机的工作方式，PLC的CPU同样是是采用分时操作的方式进行工作，每一个时间段内只进行一个指令的执行。随着时间的延续，CPU不断进行指令操作，形成了其对程序的扫描，知道最后一条指令为止。当最后一条指令执行完成后CPU又会返回第一条指令，循环扫描，从而形成整个工作过程的进行。接通电源后，PLC不会直接对程序进行循环扫描，而是首先需要确定PLC自身的完好性，也就是PLC的系统自检。待PLC自检过程完成后，确认本身没有故障才会开始程序的执行。3.1.1 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)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: PLC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。3.1.2 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的操作（如果外部设备有中断请求）。其过程示意图如图3-1所示。图3-1 PLC工作原理示意图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：1.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。3.2 PLC要实现的控制功能自动控制功能：根据事先设定好的工作状态，配合水仓水位、各水泵工作时间、运行次数、及水泵轴温、出水口压力等，设计自动排水程序。使排水系统在无人 掌控的状态下自主运行。手动控制：在编写程序时，设置一个专门作为开启手动模式的数字量输入，当按下这个按键时，就会进入手动状态。进入手动状态后，可以手动开启排水系统中的各个水泵，进行相关操作。水位有效检测：采用超声波液位仪以及投入式液位仪两种液位传感器对水位进行监测，同时两种传感器互为参考；编辑程序对水位进行监控，当出现故障时进行报警。水泵的运行：当水泵开始运行时，系统会开始记录这些水泵开启了多久，每次开始排水时，会比较时间的大小，选择开启水泵的编号。出现故障时自动停止，并由备用水泵代替；要进行温度监测，负压检测、流量检测，及管网压力检测。全部数据都符合条件是水泵才能运行；使用射流泵和真空泵对离心泵进行抽真空，防止水泵启动时真空度不足，损伤水泵。数据的采集与处理： 在井下排水系统中PLC需要进行对井下排水系统中各个模拟量、数字量的采集。模拟量输入主要有 水仓水位、水泵出水口压力、水泵负压、水泵轴温、电机电流压力等。而数字量主要有水泵运行状态，阀门开闭状态等。自动控制系统的正常运行要求对以上数据的精确测量。所以要实现系统中各种数据的采集与处理。自动轮换功能：排水系统中一般有多台水泵，我们在PLC存储系统中为每台水泵设置两个寄存器，其中一个寄存器负责水泵运行时间的记录。而另一个寄存器则负责水泵运行次数的记录。当所选两台水泵的运行时间差距较小时。会根据他们的运行次数优先选择运行次数相对较小的的水泵开启，从而实现自动轮换功能。 动态显示功能： 通过与组态软件的实时通讯，排水控制系统的基本情况可以在上位机组态画面中详细的显示，上位机组态画面中可以清楚地显示水泵运行状态、水仓水位、元器件故障等；此外还可以通过添加TD200c文本显示器进行各个功能做部分的状态，并通过按键改变控制参数等。除上述功能外还应实现以下保护功能1.超温保护：水泵，轴承温度超过警戒值时，能够提供报警功能，根据报警信号及时做出相应的处理工作。2.电机保护：利用电机电流、电压等对电机进行保护。3.3 PLC控制系统的总体设计图3-2 排水系统硬件控制结构图经过粗略统计，需要数字量输入17，模拟量输入8，数字量输出13。具体分配表见表3-1、3-2、3-3：表3-1 模拟量输入通道统计表模拟量输入通道数水仓水位电机温度水泵负压总计2338表3-2 数字量输入点统计表数字量输入点数电动阀开到位电动阀关到位电动机状态自动手动开泵关泵总计333113317表3-3数字量输出点统计表数字量输出点数电动阀正转电动阀反转真空泵启停电动机启停故障指示灯总计3333113在选取输入输出点数时，需要在预设的点数的基础上增加10%到15%，这样做的原因是可能设计过程中有遗漏的量，以及分组情况和接地等因素可能导致恰到好处的选取输入输出量时，可能会不够。所以应该一定程度的增加预设量。DI点数估计值为171.15=23，DO点数估计值为131.15=17，AI通道估计值为81.15=10个。综上所述选择CPU 226 模块一个 EM231 扩展模块2个选型表如下 ：表3-4 选型表CPU模块CPU226 CN 24输入/16输出模拟量扩展模块EM231 CN 4位模拟量输入下图为PLC硬件模块接线图：图3-3排水系统PLC面板接线图3.4 小结本章介绍了PLC的硬件选择方案，提出了设计出的该系统应具有手动控制、自动控制、水位有效检测、数据采集与处理、自动轮换、人机交互、以及保护功能，初步确定了PLC输入输出点数，以及硬件的选型。4 控制系统的软件设计4.1 主程序流程图的编写选则水泵和管路之后，为了能够有清晰地明确的编程思路，首先要进行流程图的编写和I/O点的地址分配，以下为主程序流程图：图4-1 主程序流程图从图4-1 可以看出，系统接通后首先与PLC进行通讯，随后PLC会接到指令，采集已设置的模拟量传感器传送回的信息，对水仓水位，负压，温度等进行处理。处理完这些信息后，PLC会进入自检状态，待以上步骤都完成后，首先会判断系统处于自动状态或手动状态，若处于手动状态，则需要人为进行操作选择所要开启的离心式水泵编号等。若处于自动状态，系统会自动判断当前水位，若水为大于H3（即超限水位），此时系统会根据水泵开启次数以及每台泵开启的时间进行判断，选择出要开启的两台泵进行排水，当水位线降至H1（即低水位）时调用停泵程序关闭水泵。若水位线不大于H3，此时系统会自动判断水位线是否大于H2（即高水位），若水位线小于H2，则不用开泵；若水位线大于H2，此时需要开启一台水泵，系统会根据水泵开启次数以及每台泵开启的时间进行判断，开启一台水泵进行排水。待到水位下降至H1以下时，关闭水泵停止排水。4.2 I/O地址的分配根据主程序流程图以及所选的三台水泵配合两套管路排水方式，初步确定系统所需要的I/O输入及输出点。根据系统需要的输入输出，进行I/O点的设定。表4-1数字量输入1#泵手自动转换电动机1状态电动阀1开到位I0.0I0.1I0.21112#泵电动阀1关到位电动机2状态电动阀2开到位I0.3I0.4I0.51113#泵电动阀2关到位电动机3状态电动阀3开到位电动阀3关到位I0.6I0.7I1.0I1.11111手动自动模式开1#泵关1#泵I1.2I1.3I1.4111开2#泵关2#泵开3#泵关3#泵I1.5I1.6I1.7I2.01111总计17表4-1为数字量输入点，其中包含离心式水泵电机的状态反馈信号，电动阀完全打开，完全关闭信号，故障报警、急停以及手动状态下开关1-3#泵的输入点。共计17个输入点。水仓液位11#水泵负压2#水泵负压3#水泵负压1#水泵温度2#水泵温度3#水泵温度水仓液位2总计AIW0AIW2AIW4AIW6AIW8AIW10AIW12AIW14111111118表4-2模拟量输入以上为本次编程设计选用的模拟量，每台水泵分别测定水泵轴温与吸水口处负压，并利用超声波液位传感器测量水仓水位。共8路模拟量输入。1#泵电动机1Q0.01真空泵1Q0.11电动阀1正转Q0.21电动阀1反转Q0.311#泵电动机2Q0.41真空泵2Q0.51电动阀2正转Q0.61电动阀2反转Q0.711#泵电动机3Q1.01真空泵3Q1.11电动阀3正转Q1.21电动阀3反转Q1.31故障显示灯Q1.41总计13表4-3数字量输出以上为数字量输出点，包括每台离心式水泵电动机、真空泵等启动和停止、电动阀的正转、反转，以及故障显示灯。共13个数字量输出点。4.3 水泵的自动开启、运行、停止故障保护流程图4.3.1 离心式水泵开启程序流程图图4-2 水泵开启子程序流程图图4-2为启泵的程序，当系统调用开泵程序时，会按照上图的启动流程图进行水泵的启动，首先启动抽真空设备，即真空泵进行抽真空，此时会对真空泵开启时间进行计时，若超出计时时间真空度尚未满足要求系统会自动报警；若真空度满足要求，那么系统会关闭抽真空设备并开启水泵电机，此时离心式水泵会开始运转。开启电动阀，并计时，当电动阀开到位以后，开始排水。否则报警。4.3.2 运行中的监测程序在水泵的运行工程中也要不断的对系统中的温度、压力、电流等进行检测，防止出现故障时因检测不到位而不能及时的采取相应的措施本次设计只选择水泵温度进行检测。图4-34.3.3 离心式水泵关闭流程图图4-4如上图4-4，随着水泵的正常运行，水仓的水位会逐渐降低，当水为降低至H1以下时，就会开始停止水泵的相关操作，首先会先关闭水泵出口处的电动阀，当电动阀完全关闭时，关闭电动机，随后水泵完全停止。若电动阀关闭超时，则证明有故障出现，此时需要利用急停来实现水泵的紧急停止。4.4 部分程序梯形图4.4.1 液位处理程序图4-5首先为规定水仓0-5m，共设置三个水位界限，由前章节可知分别为低水位，高水位与超限水位，分别对应2、3、4m。所选的液位传感器测量水位时会输入给PLC的扩展模块一个4-20mA的电流，转化为PLC可以识别的数字量信号即为6400-32000，对应0-5m水位 根据函数关系则水位h与转换后数值N的关系为可得2、3、4米水位对应值分别为16640、21760和26680如图4-5，为液位处理模块，由网络一可知当液位值有模拟量通道AIW0传入系统后，会先经过两个转换模块，整数装化为双整数，再由双整数转化为实数，即浮点数。并存入寄存器VD200中。 网络2、3、4为三个比较指令，网络2表示当数位小于2米时，输出标记M0.0；网络3表示当水位大于3米时，输出标记位M0.1；网络4表示当水位大于4米时，谁出标记位M0.2。这样就可以，根据不同的水位做出相应的启泵或停泵指令。4.4.2 温度处理模块图4-6如图4-6为温度处理模块，VD3000中存入水泵超高警戒温度，网络一表示分别将一二三号水泵的温度模拟量采集由整数转化为双整数，再由双整数化为浮点数，网络二三四分别表示一二三号水泵温度值超过预设温度警戒值时就会输出相应的标识。即M0.6表示一号泵温度超高，M0.7表示二号泵温度超高，M1.0表示三号泵温度超高。当系统检测到该类信号时就会根据此类信号，发出相应的报警或停泵指令。4.4.3 负压处理模块图4-7如图4-7为负压处理模块，VD3000中存入水泵超高警戒负压，网络一表示分别将一二三号水泵吸水口处的负压模拟量采集由整数转化为双整数，再由双整数化为浮点数，网络二三四分别表示一二三号水泵负压值超过预设负压警戒值时就会输出相应的标识。即M0.3表示一号泵负压超高，M0.4表示二号泵负压超高，M0.5表示三号泵负压超高。当系统检测到该类信号时就会根据此类信号，发出相应的报警或停泵指令。4.4.4 水泵启动程序图4-8以一号泵为例，以上为水泵开启程序，T37 T38为两个3秒延时程序M0.3为一号泵负压满足开泵条件的标记位，I0.1为水泵当前状态的反馈信号，Q0.1为开启射流泵与电磁阀，I0.2为电动阀开到位信号。Q0.2为电动阀正转指令。由图4-8可知调用该开泵程序时，网络1最终输出为开启真空泵与真空泵电磁阀，并输出一个3S延时，网络2的编写是为了确定真空泵是否存在故障，当3S延时完成后，此时若负压尚未满足要求，则视为真空泵出现故障发出报警信号M1.1，网络3表示，当负压标记M0.3满足条件输出为1时，就会启动电机，启动电机后会执行开启电动阀的指令，网络4的编写即为了开启电动阀，水泵开启后，若电动阀为开到位，则会执行电动阀正转指令，并输出3s延时。当电动阀完全打开时，整个程序结束。若延时结束后，电动阀没有开到位，则视为电动阀出现故障。此时输出报警信号M1.2，即为网络5；若M1.2或M1.2任意一个接通，就会输出Q1.4，故障显示灯亮。4.4.5 水泵关闭子程序以一号泵为例，图4-9为水泵关闭的程序。Q0.3为电动阀反转指令，网络一表示水位小于两米后，系统发出电动阀反转指令，并输出一个3S延时T39，当电动阀关到位以后常闭点I0.3断开，停止电动阀反转指令。网络二表示若三秒延时后，水泵电动阀还是没有关到位，那么此时会输出一个状态故障信号M1.2。当电动阀关到位，Q0.0复位，关闭电动机。网络四表示若状态信号M1.2导通，系统会发出报警信号。图4-94.4.6 自动轮换设计在煤矿井下实现三台泵的自动轮换，可以实现均匀使用每一台泵的目的。如下列梯形，将每一台水泵的运行时间分别存储，在水泵开启之前就可以通过计算实现轮换使用了。以水位大于4m时，开两台水泵为例：图4-10如图4-10，VD100为一号泵运行时间，VD110存入2号水泵运行时间，VD120存入三号水泵的运行时间，网络一表示对一、二、三号水泵的运行时间进行两两比较，M2.2输出为1时表示一号泵运行时间最长，M2.3输出为1时表示二号水泵运行时间最长，M2.4输出为1时表示三号泵运行时间最长。分别将一、二、的三号泵运行时间初值设置为1,2,3. M5.0 M5.1 M5.2分别表示三台泵中的两台运行时间相同。图4-11为记录水泵运行时间的梯形图，以一号泵为例：I0.1为1表示，电动机1开启。可知当电动机1开启，计数器C0开始计时，SM0.5每0.5秒发射一个脉冲信号，以此实现了计数器C0每秒实现一次加1计数。从而实现了C0 3600秒的计时当C0接通时，C1会自动加1。此时C0会自动复位再次进行3600秒的计时，循环上述状态即可实现C1的三万小时的计时。图4-11网络七所示为水泵停止后的存储过程，其中M3.5为水泵关闭时的输出状态信号。M1.3为1时将C1当前计数值存入VD100。下次启动水泵时就可以根据比较寄存器中的数值选择开启水泵。 I2.1为复位信号，即I2.1为1时计时器C1复位从0开始重新计数，用于数据更新或检修后重新计数。4.5 设计经验总结4.5.1 干扰信号的排除图4-12如图4-11，一些开关量的输入信号，可能会在未导通的状态下发生短暂的冲击干扰，图中t1、t3即为干扰信号。在编写程序时应排除这种干扰信号，由于这类信号的存在时间一般较短，所以可以利用这一特点来消除干扰信号，以手动开启水泵的程序为例：图4-13图4-13网络一即为不存在消除干扰信号的梯形图程序，在网络八和网络九中加入了干扰信号的消除程序。图中I1.4位手动开启一号泵的按钮，由于干扰信号时间较短，所以在网络八中加入了一个延时模块，当按键时间超过20ms则视为开启信号。若信号输入时间较短，则定时器无法完成延时，就不能达到启动书水泵的目的。4.5.2 程序运行的几个状态图4-14如图4-14所示，每个工艺流程都有这四个阶段，即启动过程、运行过程、停止过程和停止状态。在运行过程中又包含四个转折点，即启动开始、启动结束、停止过程开始和停止过程结束。所以在程序编写的过程中，确定这些过程中对应的各种设备运行状态，理顺思路，确定各个阶段的标志位，可以使程序的编写更加准确，减少编程过程中的丢失或造成的冲突。4.6 小结通过对井下排水系统的过程的学习，本章在此基础上进行了主程序、启动程序、关闭程序的流程图的编写。同时，列出了部分梯形图程序，包括液位处理模块、离心式水泵启动程序、关闭程序等。最后，对整个变成过程进行了总结，简要列举出了程序编写过程中的部分经验。其中包括干扰信号的排除方法，以及程序运行时的过程分析5人机界面的设定5.1 软件简介井下排水系统设计完成后，在井上监控中心还应该设计一个人机交互界面，这样就可以在井上的监控中心直接对井下排水系统进行远程控制，并可以在监控画面中观察井下排水自动控制系统中各个部分的参数，如水泵温度，水位，压力，流量等。人机界面的设计通过组态软件来完成，随着计算机技术和网络技术的发展，自动控制系统的发展过程中，监控系统作为其重要部分之一，得到了良好的发展，组态软件随之而出现，“组态”是指利用计算机对所设计的系统中各部分资源进行自动配置，使工作人员可以通过计算机实现对自动控制系统中各个部分的控制，监测。本次设计采用的软件组态王King view 6.55 进行组态的设计与通讯。具体操作步骤：1.建立一个空工程2.定义外部设备3.建立数据库4.制作排水系统画面5.进行动画连接6.调试运行5.2 排水控制组态的建立第一步：建立“排水控制”工程（如图5-1）:打开组态王工程管理器界面，输入工程“排水主界面”、路径和工程描述等信息。图5-1第二步：定义设备和变量: 先来定义设备:下位机选择“PLC”，生产厂家选“西门子”，设备名称选“PLC200，通讯描述“以太网”，接下来再来定义变量上位机组态监控与PLC之间的变量设置。表5-1 变量对照表一号泵显示灯I0.1二号泵显示灯I0.4三号泵显示灯I0.7电动阀1故障灯M1.2电动阀2故障灯M1.5电动阀3故障灯M2.0真空泵1故障灯M1.1真空泵2故障灯M1.4真空泵3故障灯M1.7故障显示Q1.4手动开关按钮I0.0自动开关按钮I1.2一号泵开按钮I1.3一号泵关按钮I1.4二号泵开按钮I1.5二号泵关按钮I1.6三号泵开按钮I1.7三号泵关按钮I2.0一号泵超温M0.6二号泵超温M0.7三号泵超温M1.0一号泵负压满足M0.3二号泵负压满足M0.4三号泵负压满足M0.5计时复位I2.1 第三步是一些参数的设置:设置波特率为9600，奇偶校验选择为偶校验，停止位选1，通讯超时为3000秒。图5-2 设置图另外再把运行系统设置一下:启动时主画面选“最大”，菜单选“画面”、“特殊”、“调试”和“关于”等几项。第四步设计画面:为建立一个新的画面:在工程浏览器中左侧的树形结构中选择“画面”，在右侧视图中双击“新建”工程浏览器将弹出“新画面”对话框。5.3 组态画面的设计如图5-3为组态画面的构成，在本图中左侧为水泵房中各个水泵的布置状况，一二三号泵两个排水管路，以及每台水泵配备的真空泵，右侧为系统运行时的状态显示等，分别为123号水泵运行的显示灯，以及每台水泵运行时电动阀以及真空泵故障灯。下方为各类传感器测定模拟量或传输回系统的数值。在手动模式下，组态画面中设计了一 二 三 号水泵的启动和停止按钮。方便在认为监控整个井下控制系统时，可以手动选择要启动和关闭的水泵。另外，由于系统设计了自动轮换系统，对每台水泵的运行时间进行了记录，组态画面中包含了记录三台水泵运行时间的指示器。同时，水泵要求重新记录时间或检修水泵刷新纪录时，还专门设计了复位水泵运行时间计数器的按键。通过这一按键可同时使三台离心式水泵的运行时间刷新为0。方便在主控画面直接对系统进行操作。图5-3 组态画面5.4 小结通过组态画面的显示可以直观的观测到排水系统中各个部分的运行情况，所以组态监控对于整个自动控制系统也较为重要。本章主要对组态的设计进行了简要的介绍，首先对所选亚控组态王软件进行了简单的介绍，随后讲述了组态工程的建