龙口煤矿基于plc控制的井下排水与组态【含CAD图纸】
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山西工程技术学院毕业设计说明书学生姓名：苏袁野学号：150514029专业：机械设计制造及其自动化指导教师：刘爱萍所属系（部）：机械电子工程系二一九年六月龙口煤矿基于plc控制的井下排水与组态摘 要在煤矿开采过程中，会有大量的地下水涌出，在渗透作用下，地表水也会被收集到地下。地下水量过大，不仅会影响煤矿的正常开采功能，还会带来严重的安全风险，危及作业人员的生命安全。因此，井下排水是煤矿生产过程中的一项重要安全措施。开发可靠、节能的井下排水系统具有重要的现实意义。目前，井下排水系统的PLC控制已在许多大型煤矿中得到应用，但许多煤矿仍采用继电器控制，对水位进行监控，泵的开、关和开关的选择都是手工完成的。而长期使用会造成泵的磨损，以及备用泵的闲置损坏无法及时被发现。该系统设备相对落后，运行复杂、缓慢，工人劳动强度大，严重影响地下排水系统的管理水平和经济效益的提高。本文在了解了我国的井下排水系统现有的技术基础上，针对龙口煤矿用PLC西门子S7-200进行编程实现煤矿井下中央水泵房中水泵的自动轮换，超温保护等功能。设计有自动和手动两种控制方式,可以自由切换。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，减少劳动强度，以及因人为操作出现的纰漏而导致的事故。关键词：井下排水;PLC;组态软件 DownholedrainageandconfigurationbasedonPLCcontrolin longkoucoalmineAbstractIntheprocessofminingcoalmines,alotofundergroundwaterwillbegushed out,andsurfacewaterwillalsobecollectedundergroundundertheeffectofosmosis.Ifthereistoomuchwaterunderground,itwillnotonlyaffectthenormalfunctionof coalmining,butalsobringserioussafetyrisks,endangeringthelivesofoperators. Therefore,downholedrainageisanimportantsafetymeasureintheprocessofcoal mineproduction.Itisofgreatpracticalsignificancetodevelopareliableand energy-savingdownholedrainagesystem.Atpresent,PLCcontrolofdownholedrainagesystemhasbeenusedinmanylargecoalmines,butmanycoalminesstilluserelaycontrol,monitoringthe water level,turningonandoffthepumpandselectingtheswitchisdonemanually.Andlong-termusewillcausewearandtearofthepumpandsparepumpidlemoisturecannotbefoundintime.Theequipmentofthiskindofsystemisrelativelybackward,theoperationiscomplex,theoperationisslow,thelaborintensityofworkersislarge, whichseriouslyaffectsthemanagementlevelofundergrounddrainagesystemandtheimprovementofeconomicbenefits.On the basis of understanding the existing technology of downhole drainage system in China, this paper programming Siemens s7-200plc for longkou coal mine to realize the functions of automatic rotation of water pump in the central water pump room in the coal mine and overtemperature protection.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 inoue, staff in front of the monitor can understand to the drainage system of the real time status, and at the same time also can according to the collected information for the corresponding operation instructions, reduce the labor intensity, and the accident caused by the artificial operation appear cracks.Keywords: underground drainage; PLC; configuration softwareiii目 录摘要Abstract1 绪论11.1 矿井水的形成及排水的重要性11.2 现有井下排水系统存在的问题11.3 国内外发展动态21.3.1 国内发展动态21.3.2 国外发展动态21.4 本论文研究的主要内容和选题意义31.4.1 研究的主要内容31.4.2 选题的意义31.5 小结42 控制系统整体方案设计52.1 概述52.2 管路布置的选择52.3 离心式水泵排水系统62.3.1 离心式水泵排水系统的组成82.3.2 离心式水泵的控制原理92.3.3 离心式水泵的启动过程92.3.4 离心式水泵的停止过程102.4 小结113 可编程控制器技术概况123.1 可编程控制器的发展趋势123.2 可编程控制器的特点和功能143.2.1 可编程控制器的主要特点143.2.2 可编程控制器的主要功能153.3 小结174 概述184.1 概述184.2 硬件系统的简介184.3 PLC要实现的控制功能184.4 PLC控制系统的总体设计194.4.1 系统输入输出点数统计204.4.2 PLC模块的选型204.5 设备选型214.5.1 电动阀和电磁阀的介绍及选型214.5.2 传感器的选型224.6 小结265 PLC的软件设计275.1 主程序流程图275.2 运行中的检测程序285.3 输入输出地址分配285.4 程序梯形图305.4.1 液位处理程序305.4.2 温度处理模块305.4.3 负压处理模块325.4.4 水泵启动程序325.4.5 水泵关闭子程序345.4.6 自动轮换设计345.5 设计经验总结365.5.1 干扰信号的排除365.5.2 程序运行的几个状态375.6 小结376 人机界面的设定386.1 概述386.2 组态王软件简介386.3 排水控制组态的建立386.4 组态画面的设计406.5 小结41结论42附录43参考文献46外文资料48中文译文54致谢58山西工程技术学院毕业设计说明书1 绪论1.1 矿井水的形成及排水的重要性井下排水系统是煤矿生产中的重要环节，其工作效率和可靠性对煤矿的安全生产具有重要的意义。在煤矿开采时，会有地表雨水、江河的渗透和开采煤层时地层含水的涌出，汇集起来将会产生大量的矿井积水。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。如果井下的积水没有被及时的从矿井中排除，不但井下生产可能会受到影响，而且井下生产过程中工作人员的安全也不能得到保障，若情况严重可能会产生重大事故。因此，设计安全可靠的井下排水系统对保证矿井的安全、生产的高效、人员的安全有着重要意义。1.2 现有井下排水系统存在的问题我国现在大部分煤矿仍采用人工操作闸阀来控制水泵的排水。当水仓水位达到高水位时，工人打开真空泵，给水泵注水，同时观察真空表读数，当读数达到要求时，启动水泵电机，使泵开始工作。同时，观察压力表的读数，当水泵的出水口压力读数达到要求时，工人手动打开排水闸阀，同时关闭真空泵。在停泵的过程中，操作顺序与启动的顺序相反。当水仓水位逐渐降至低水位时，工人先将排水闸阀关闭，再停止电机。工人根据自己的工作经验来确定水仓的涌水量大小，确定开启水泵的数量，从而达到排水的要求。这种系统存在以下弊端：（1） 效率低。旧式的排水系统既复杂又耗费人力，同时还有可能因为人工的操作失误而造成不必要的麻烦。（2） 可靠性差。现有的电气设备很多采用的是继电器、接触器控制，触点的频繁使用会造成反应不灵敏，造成误动作。（3） 成本高。在操作过程中要大量使用人工，人力物力消耗较多，频繁使用也会造成大量维修费。（4） 预警不及时。传统的排水系统故障只能靠工人的工作经验来判断，有时会因操作错误而造成一些不必要的事故。对于故障井上也不能及时的收到，会耽误故障的及时处理。1.3 国内外发展动态1.3.1 国内发展动态经查阅大量的文献，在矿井水位检测、排水系统自动控制等技术方面，国内已从初期的摸索到取得一定成果的阶段。我国已从初期操作和检测手段比较落后的情况，发展到目前已采取了优化的排水方案，有了质的飞跃。传统人工检测水仓水位、闸阀和水泵等设备的运行情况，检测系统不健全，出错率较高。随着自动控制技术的发展，我国在井下水泵房的合理布置和排水系统的改造等方面做了大量的研究。另外，新型控制理论，如模糊控制、专家系统等也应用于井下排水系统中，实现了水位的实时检测、水泵的自动控制、数据的自动采集、故障报警等功能，提高了排水系统的安全性及可靠性。 2002年，邯郸设计研究院王孝颖和兖矿集团张丰敏等人设计了用PLC检测水仓水位及其他运行参数的系统。根据水仓水位的变化情况，建立数学模型，合理调度水泵启停，达到高效节能的目的。 2005年，北京理工大学的孙东等人结合分布式SCADA系统，设计出了可以实现远程监控和无人值守的空压机自动远程监控系统，且达到良好的检测和控制效果。随着计算机技术、网络技术的不断发展，有关主排水SCADA系统性能的优越性已经逐步得到了各方的认可，比如中煤科工集团研制的煤矿井下主排水自动控制系统、长沙昌佳自动化有限公司设计开发的井下泵房无人值守及远程监控系统己经在多个煤矿有所使用，但这些系统在国内的推广使用过程中还有着一些实际问题需要解决。1.3.2 国外发展动态国外的矿井主排水系统从十九世纪六七十年代就开启了自动化进程。随后，随着工业计算机科技的大跨步发展，主排水系统将传统控制技术和工业计算机技术相结合，大大减轻操作人员的劳动强度，而且经过传感器等设备形成闭环控制系统更加准确地使得井下主排水系统平稳运行。随着现代社会软件技术的发展，一些发达国家的著名学者纷纷开始研究搭建主排水监测系统，并取得了令世人瞩目的进展。例如美国、加拿大、荷兰等矿业发达国家的主排水系统已经开始依托研制好的主排水系统模型进行自动化的调度监控，既满足了复杂的井下排水环境的需求，也促进了煤矿井下主排水设备的优化配置。俄罗斯国立莫斯科开放大学技术科学副博士B.B.马祖连科提出在排水设备的使用阶段进行能耗估算，介绍了主要排水设备离心泵的能耗估算方法。为了提高排水设备的经济性，副博士B.B.马祖连科也提出必须对水泵运行周期加以优化，推导出水泵最佳使用周期的两种计算公式，详细介绍了优化方程的求解程序及有关参数的算法。对煤矿井下排水系统的测评，提供了实用的数学模型。 此外，加拿大提出了数字化矿山的理念，大力发展传感器技术在监控方面的应用，并且建立综合信息数据库，以减小监测值的误差；芬兰提出了智能化矿山生产理念，实现生产的实时控制、资源的有效管理以及设备维护过程的自动化。 1.4 本论文研究的主要内容和选题意义1.4.1 研究的主要内容本文根据山东省龙口矿业集团有限公司的实际情况，针对目前煤矿井下排水系统存在的问题，应用PLC对现有的水泵房排水系统进行设计，制定了一套井下自动排水系统。课题主要的研究内容有： （1）用PLC（可编程逻辑控制器）代替继电器控制，改造原有的手动闸阀为可控闸阀，符合矿用设备的安全使用标准，提高了系统的可靠性。 （2）设计了水泵轮换工作制度，优化了水泵的运行，防止长时间使用一台水泵造成磨损，以及备用泵长期闲置而损坏却不能被及时发现。 （3）将传感器技术应用与系统监控中，用以衡量系统的工作性能及作为预警的标准。分析了自动排水系统中需要测量的特征参数及检测方法。 （4）自动轮换代替了人工的繁琐操作，节省了操作时间，提高了工作效率，也减少了人工失误。（5）利用以太网可以实现PLC与上位机间的通讯，进行数据传输，通过上位机软件来实时在线的监控矿井下排水系统的运行情况。 1.4.2 选题的意义 通过本次设计能提高井下排水的智能化程度，并且可以减少人工，以及信息的实时回报，报警信息传达复迅速有效，实现问题的具象化，处理问题更加简单有效，很大程度地提高了处理问题的效率，减少了多余动作，避免了人工的浪费，并通过传感器的实时上报的数据，进行实时监控，使问题解决的更加迅速，避免事故的产生。提高了煤矿井下排水效率以及煤矿井下的安全系数。使工作人员在安全的环境下工作，同时也提高了工作效率。1.5 小结矿井涌水的排放关系到煤矿的安全生产，井下排水系统采用传统人工操作是我国煤矿企业普遍存在的问题。本章从煤矿井下涌水的形成入手，提出了排水的重要性。然后阐述了国内外在研究井下排水系统方面取得的成果，最后针对现有井下排水系统存在的问题，立足于本课题调研的煤矿企业实际情况，提出了本文研究的主要内容和意义。 2 控制系统整体方案设计2.1 概述井下排水系统是煤矿的关键部分，也是煤矿四大系统之一，所以排水系统不仅要具备手动控制能力，还应具备完善的自动控制功能，实现水泵的自动轮换。本章提出了排水系统的基本结构和控制方法，然后根据排水系统存在的问题，结合计算机控制、检测传感器、控制网络、可编程控制器等技术开发了一套功能相对比较完整的井下排水控制系统，根据工艺要求和控制功能了给定系统的主要功能。下图 2-1 为控制系统的一般组成示意图：图2-1 控制系统组成示意图2.2 管路布置的选择本文的设计选择三个水泵和两条管路。其目的是：三个水泵一个使用，一个备用，一个用于检修，在正常情况下两个水泵就能满足要求，即正常排水时，一个水泵就可以满足排水的需要，另外两个用来做备用和轮换。当水位超过最高水位预警时，可以开两个泵来满足排水的需要。排水管路有两条，要保证每条管路都与三个泵相连。一条管路是常用管路，另一条用作在备用或检修时使用。设置三个泵，两个管路的原因是防止设备突然损坏，需要修理时没有备用设备会影响生产的安全。下图2-2为井下泵房的布置图：图2-2井下泵房布置图2.3 离心式水泵排水系统现在很多煤矿的井下排水系统大部分都用离心式水泵作为主排水泵,因此，井下排水系统的控制主要还是对离心式水泵的控制。离心式水泵和其他的水泵有很多不同,它的启动过程和停机过程非常复杂,所以如果控制程序不是按照步骤进行控制的,水泵就没有办法正常启动和正常工作,后果严重的话，就会缩短水泵的使用寿命,有时还会损坏电机和水泵。因此，为了更好地对离心式水泵进行控制,必须要了解它的工作原理和控制方法。下图2-3为煤矿井下排水系统的一般组成示意图:1.滤水器和底阀滤水器又叫滤网，安装于吸水管的底端部位，位于水仓下面大于0.5米的地方。滤水器是一种过滤水的装置，它的作用是防止水泵吸入水仓底部沉积的煤泥等杂物，使水泵发生堵塞的现象。有的一些滤水器中还装有底阀，底阀的作用是使水更加容易地进入吸水管和水泵，在停泵后存水不会导致流失。但是目前大多数排水系统为了提高排水的效率，同时为了防止水泵的腐蚀，都进行了无底阀的改造，转而采用射流装置对水泵进行注水。 图2-3煤矿井下排水系统的一般组成示意图1-泵体；2-电动机；3-电机启动柜；4-吸水管；5-滤水器、底阀；6-调节闸阀；7-逆止阀；8-真空表；9-压力表；10-射流泵；11-放水管；12-静压水管2.调节闸阀 调节闸阀安装于排水系统的排水管路上，位于逆止阀的下方。它在排水系统中的主要作用为：（1）改变系统的管路特性，调节水泵的流量和扬程。（2）水泵起动时完全关闭阀门，可以降低起动电流，节省能耗。调节闸阀的优点是启闭压力和流动阻力小，可以方便的调节水泵工作流量和扬程。缺点是由于阀门开关动作频繁致使阀内密封面容易擦伤、密封性降低；闸阀的尺寸很大，结构也较为复杂，导致其安装、维修都非常不方便；另外该阀门在目前市场上的价格也比较昂贵。3.逆止阀逆止阀安装在调节闸阀的上方，它的主要作用是保证液体在吸入管道中单向流动，在紧急停泵的时候，例如突然停电的时候，或者闸阀还没有关闭的情况下突然停泵的时候，逆止阀能够自动快速地关闭，从而防止水又返回水泵，产生水力冲击，有利于泵的启动。4.压力表和真空表压力表安装在排水管路上水泵的出口位置，用来检测排水管路的水压大小。常用的压力表为普通弹簧管压力表。通过这种压力表所测出的压力叫做表压或相对压力，它比绝对压力小 1 个标准大气压。 真空表安装于水泵的吸水管上，作用是检测吸水管路的吸上真空度。真空表的量程为760毫米汞柱，即一个标准大气压。 在离心式水泵起动时，要将压力表和真空表表管上的旋栓关闭，以防止压力水冲击。当水泵起动后达到额定转速时，再将旋栓打开，进行压力和真空度检测。5.射流泵 离心式水泵只有在泵腔内充满水时才能启动。如果泵腔中的水未能充满，就会造成真空度不够吸不上水、转动部件烧坏和气蚀等故障。因此，运行前注水是离心式水泵工作的一项重要操作。采用射流泵抽真空可以依靠射流的吸力，使泵体内形成真空，靠大气压力将吸水井内的水压入泵内，充满泵腔，然后可启动水泵。采用射流泵抽真空设备可以省去底阀、提高水泵运行效率和吸水高度，并具有结构简单、不占泵房空间、维修量小等优点。2.3.1 离心式水泵排水系统的组成离心泵结构简单，主要由泵壳、叶轮、轴承、支架等组成。离心泵主要是借用水的离心运动来实现排水。离心式水泵的工作原理：启动前先使泵腔充满液体，起动后叶轮带动泵里的水高速旋转，水作离心运动，被甩到叶轮边缘，进入泵壳。高速的水流因泵壳内流道的扩大而降速，动能减小，部分转化成静压能，接着凭借较高的水压进入排水管路，最后排至地面。水之所以会连续不断的进入泵腔，是因为水做离心运动会形成局部真空，依靠大气压力作用实现。叶轮在电动机驱动下持续高速旋转，井下积水就被源源不断的排送到地表了。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。2.3.2 离心式水泵的控制原理离心式水泵的工作环节一般包括四个：水位监测（或确定开泵）环节、射流抽真空控制环节、阀门和电机操作环节、水泵运行参数监测环节。（1）水位监测对水仓水位进行实时监测，根据水位的高低来确定启停水泵的命令，用水位传感器来监测水仓水位的信号。排水系统其实就是要将井下多余的水排到地表，所以水仓水位是排水系统中最重要的参数。因此，系统采用双水位传感器，确保检测到水位的准确度。（2）射流抽真空过程抽真空是决定系统顺利排水顺畅与否的一个重要过程，水泵只有在泵腔完全充满水的条件下，泵腔内才能保持足够的真空度实现正常排水。如果真空度不够，泵腔内就会有气体存在，将会造成气浊和无法排水等事故。因此，水泵在运行的时候，必须要保证抽真空快速和安全。（3）出水闸阀、水泵电机的操作为减小电机启动电流和功率，根据水泵操作规程规定，离心泵在开泵时出水闸阀必须处于关闭状态；而当停泵时，为避免水锤事故的发生，必须先关闭出水闸阀，逐渐降低流速，最后再关闭水泵电机。（4）水泵运行参数的监测在水泵启动或运行过程中，为了确保系统能够顺利安全的排水，要对设备运行的重要参数实时监测，需要监测的主要参数有水仓水位高度、吸水管真空度、出水压力、电机电流、水泵温度等。当参数不正常时，要及时检查，确保排水安全。2.3.3 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，以此来增加水泵的真空度，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，当水位达到开启泵的条件时，再打开真空泵的电磁阀，然后打开真空泵。通过他们向离心泵注水，在真空泵的作用下，离心泵内部和吸水管内逐渐被注满水，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。下图2-4为水泵的开启流程图：图2-4水泵开启流程图2.3.4 离心式水泵的停止过程 随着水仓水位的不断下降，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。下图2-5为水泵停止流程图：图2-5水泵停止流程图2.4 小结本章通过对管路的选择以及对离心式水泵的控制原理进行了介绍，可以对后续的设计打好基础。同时介绍了水泵的启停过程，通过对真空泵，电动阀的控制来实现水泵的开启和停止。大致对井下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。623 可编程控制器技术概况可编程控制器（Programmable Logic Controller,简称PLC）,它是随着科学技术的发展，为适应多品种，小批量生产的需求而产生发展起来的一种新型的工业控制装置。PLC是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入(I)和输出(O)接口，控制各种类型的机械设备或生产过程。3.1 可编程控制器的发展趋势我国在20世纪70年代末80年代初期开始引进PLC。目前我国自主生产的PLC主要有:中国科学院自动化研究所的PLC-0088，上海机床电器厂的CKY-40PLC,苏州电子计算机厂的YZ-PC-001APLC,杭州机床电器厂的DKK02，上海自力电子设备厂的KKI系列等。虽然我国在PLC的生产方面比较薄弱，但是在PLC的应用方面是一个大国。近年来我国每年约新投入10万台PLC产品，年销售额达到了30多亿人民币。另外，PLC的应用范围也在逐渐扩大。目前PLC已经广泛应用到石油、化工、机械、钢铁、交通、电力、采矿、环保等各个领域中，还包括从单机自动化到工厂自动化，从机器人、柔性制造系统到工业控制网络等。从功能上看，PLC的应用范围大致包括以下几个方面:（1）开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器电路实现逻辑控制，既可以用于单机控制，也可以用于多机控制及自动化生产线检测。如机床、装配生产线、电镀流水线、运输与检测等方面。（2）运动控制通过利用PLC的单轴或多轴等位置控制模块、高速计数模块等来控制步进电动机或伺服电动机，使运动部件以适当的速度来实现平滑的直线运动或圆弧运动，可以用于精密的金属切削机床、装配机械、成型机械、机器人等设备的控制。（3） 模拟量处理和PID控制利用A/D、D/A转换模块和智能PID模块，实现对生产过程中的温度、压力、液位、流量等连续变化的模拟量进行闭环调节控制。（4）数据处理PLC具有数据处理能力，可以完成算术运算、逻辑运算、数据比较、数据传送、数制转换、数据移位、数据显示和打印、数据通信等功能，还可以完成数据采集、分析和处理任务。数据处理般应用J大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统等。（5）通信联网PLC具有通信功能，既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信。PLC与其他智能设备起可以构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，以满足计算机集成制造系统及智能化工厂发展的需要。PLC自问世以来经过40多年的发展，已经成为很多国家的重要产业。另外在国际市场中，PLC已经成为最受欢迎的工业控制产品。随着科学技术的发展以及市场需求量的增加，PLC的结构和功能也在不断地改进。生产家不停地将功能更强的PLC推入市场，平均3-5年就更新一次。PLC的发展趋势主要有以下几个方面：（1）向高速度、大容量方向发展。为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更高的响应速度和更大的存储容量可。目前，有的PLC的扫描速度可以达到0.1ms/千步左右。在存储容量方面，有的PLC最多可以达到几十兆字节。（2）向超大型和超小型方向发展。当今中小型PLC比较多，为了适应市场的需求，PLC今后会向着多方向发展，特别是超大型机和超小型机两个方向。现在已经有I/O点数达到14336点的超大型PLC。它使用32位微处理器，多CPU并行工作。小型机由整体式结构向小型模块化结构发展，使之配置更加灵话。为了适应市场的需求，现在已经开发出了超小型PLC。其最小配置的I/O点数为8-16点，以适应单机及小型自动控制的需求。（3）大力开发智能模块，加强联网通信能力。为了满足各种控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些智能模块既扩展了PLC的功能，又扩大了PLC的使用范围。加强PLC的联网通信能力是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信分为两类:一类是PLC之间的联网通信，另一类是PLC与计算机之间的联网通信。（4）加强故障检测与处理能力。在PLC的控制系统故障中，由于CPU、I/O接口导致的故障约占20%左右，它可以通过PLC本身的软硬件来检测和处理。由输入、输出设备和线路等外部设备导致的故障约占80%，所以PLC的生产厂家都致力于研制用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。（5）编程语言的多样化。在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了常用的梯形图、语句表语言之外，又出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（C语言、BASIC语言）等。多种语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。3.2 可编程控制器的特点和功能3.2.1 可编程控制器的主要特点(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,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、抗干扰能力强绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。针对是专为在工业环境下应用而设计的,故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。硬件方面,隔离是抗干扰的主要措施之一。的输入、输出电路一般用光电祸合器来传递信号,使外部电路与之间无电路联系,有效地抑制了外部干扰源对的影响,同时,还可以防止外部高电压窜入模块。滤波是抗干扰的另一主要措施,在的电源电路和模块中,设置了多种滤波电路,对高频干扰信号有良好的抑制作用。软件方面,设置故障检测与断程序。采用以上抗干扰措施后,一般平均无故障时间高达万万。（3）编程简单、使用方便采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程,容易掌握。目前,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,的控制速度还是足够快的。此外,的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）控制系统的设计、安装、调试和维修方便用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。的用户程序大都可以在实验室模拟调试,调试好后再将控制系统安装到生产现场,进行联机统调。在维修方面,的故障率很低,且有完善的诊断和实现功能,一旦外部的输入装置和执行机构发生故障就可根据上发光二极管或编程器上提供的信息,迅速查明原因。若是本身问题,则可更换模块,迅速排除故障,维修极为方便。（5）功能强不仅具有条件控制、记时、计数、步进等控制功能,而且还能完成、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,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、质量小、功耗低由于是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品,因而结构紧凑,坚固体积小,质量小,功耗低,而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。因此,很容易装入机械设备内部,是实现机电一体化较理想的控制设备。3.2.2 可编程控制器的主要功能PLC是应用面很广,发展非常迅速的工业自动化装置,在工厂自动化和计算机集成制造系统工内占重要地位。今天的功能,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:(1)多种控制功能逻辑控制：具有与、或、异或和触发器等逻辑运算功能，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。如西门子S7-200的Profibus现场总线口,其通信速率可以达到12Mbps。在系统构成时,可由一台计算机与多台构成“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。3.3 小结本章主要介绍了PLC的基本特点及主要功能，到目前为止它已经凭借其优越的性能得到了迅速的发展，在已经成为当前最重要的也是应用场合最多的工业控制器。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。4 系统硬件设计4.1 概述控制系统功能的实现需要可靠的硬件设计，它是安全高效运行的前提。硬件的选择和电气设计与控制器程序的编制工作密切相关，更加关系到系统运行后的安全性和可靠性。本章讨论了系统的硬件设计和电气设计。龙口煤矿泵房共三台水泵，辅助设备齐全，手动控制可靠。PLC 选用西门子公司的 S7-200 控制器。4.2 硬件系统的简介PLC的CPU同样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，直到最后一条指令为止。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。4.3 PLC要实现的控制功能（1）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。使排水系统在无人控制的状态下自主运行。（2）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。（3）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。（4）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。（5）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。（6）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。 （7）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，根据报警信号及时作出相应的处理工作。（2）电机保护：利用电机电流、电压等对电机进行保护。4.4 PLC控制系统的总体设计PLC 作为整个控制系统最主要的部分，PLC 硬件设计的可靠性关系到整个控制系统的平稳运行。因此，安全可靠的硬件组态是非常重要的。下面将讨论PLC 设计的各个部分。基于实际情况，不能将现场所有的点数一一枚举，以下以一台水泵为例，介绍硬件设计。下图4-1为系统硬件控制结构图：图4-1 排水系统硬件控制结构图4.4.1 系统输入输出点数统计经过粗略统计，需要模拟量输入8，数字量输入17，数字量输出13。具体分配表见表4-1、4-2、4-3：4.4.2 PLC模块的选型根据设计流程，统计输入输出点数，选择合理的硬件控制型号。在具体的模块选择时，一般要考虑以下几点：（1）所选的模块必须具有满足控制要求的功能，要有较为理想的控制环境和稳定性，确保系统控制的安全有效。（2）在满足控制要求的基础上，选择模块要注重高性价比。（3）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。根据以上原则和控制的要求，选择CPU 226 模块一个， EM231 扩展模块2个选型表如下表4-4 ：表4-1模拟量输入通道统计表模拟量输入通道数水仓水位2电机温度3水泵负压3总计8表4-2数字量输入点统计表数字量输入点数电动阀开到位3电动阀关到位3电动机状态3自动1手动1开泵3关泵3总计17表4-3数字量输出点统计表数字量输出点数电动阀正转3电动阀反转3真空泵启停3电动机启停3故障指示灯1总计13表4-4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4.5 设备选型系统除了PLC模块以外，还有很多设备，包括电动阀、电磁阀、和传感器，包括水仓液位、温度、水泵负压等。4.5.1 电动阀和电磁阀的介绍及选型电动阀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，涉及到开度问题，用于其调节流量属于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。电动阀一般有电机驱动，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：AC（50z）36V、127V,功耗：28,环境温度 5+40,压力适应范围：0-10MPa4.5.2 传感器的选型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，如下图4-2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。图4-2模拟量分布图本设计选用的传感器如表4-5：表4-5传感器选型表水仓液位 超声波液位传感器 投入式液位计水泵温度Pt100温度传感器水泵负压水仓液位NS-K型负压传感器（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。1）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： （4.1）则 （4.2）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，其参数如下表4-6：表4-6超声波液位计参数表量程08m精度0.25%盲区0.450.6m温度-20+60电源24VDC控制无输出420mA二线制防护等级IP65显示方式4位LCD2）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4-3所示：图4-3投入式传感器原理图具体来说是: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，其参数如下表4-7：表4-7投入式液位计参数表工作电源1224VDC输入420mA工作温度-5+40精度1%FS量程010m（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。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，表4-8系数值（Tcr=0.003851）系数ABC数值表4-9PT100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：表4-10电机温度表输出信号420mA测温范围-50200响应时间46s工作电压24VDC（3）水泵负压负压传感器的工作原理：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4-11压力传感器参数表参数技术指标压力范围-100KPa0KPa过载能力200%F.S破坏压力500%F.S输出信号420mA精度0.05%,0.1%,0.25%F.S工作电压24VDC防护等级IP65/IP67工作温度范围-3080120消耗电流不超过30mA绝缘阻抗不小于100M4.6 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。5 PLC的软件设计一个完善的控制系统不仅需要完善的硬件支持，而且还需要合理的软件设计实现系统的功能。软件设计的合理与否，正确与否都将影响到仪表数据的读取、数据的处理、过程控制和操作人员的工作效率等。5.1 主程序流程图选择水泵和管路之后，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，下图5-1为主程序流程图：图5-1 主程序流程图由图中可以看出，系统连接后应当首先与PLC进行通讯，随后PLC会接到指令，采集已经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。处理完这些信息以后，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，则需要人工进行操作，选择所要开启的离心式水泵编号。若处于自动状态，系统会自动判断当前的水位，如果水位大于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。如果水位线不大于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。5.2 运行中的检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。下图5-2为温度检测的流程图：图5-2温度检测流程图5.3 输入输出地址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。下表5-1、5-2、5-3为数字量输入、数字量输出及模拟量输入：表5-1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。表5-1数字量输入：自动模式I0.011#泵电动机1状态I0.11电动阀1开到位I0.21电动阀1关到位I0.312#泵电动机2状态I0.41电动阀2开到位I0.51电动阀2关到位I0.613#泵电动机3状态I0.71电动阀3开到位I1.01电动阀3关到位I1.11手动模式I1.21手动开1#泵I1.31关1#泵I1.41开2#泵I1.51关2#泵I1.61开3#泵I1.71关3#泵I2.01总计17表5-2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。表5-2数字量输出：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Q0.312#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Q0.713#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5-3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。表5-3模拟量输入：水仓液位1AIW011#水泵负压AIW212#水泵负压AIW413#水泵负压AIW611#水泵温度AIW812#水泵温度AIW1013#水泵温度AIW121水仓液位2AIW141总计85.4 程序梯形图5.4.1 液位处理程序如图5-3为液位处理模块，由网络1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，整数转化为双整数，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。首先为规定水仓0-5m，共设置三个水位界限，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266805.4.2 温度处理模块如图5-4为温度处理模块，VD3000中存入水泵超高警戒温度。网络1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2，3，4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。 图5-3液位处理程序图5-4温度处理模块5.4.3 负压处理模块图5-5负压处理模块5.4.4 水泵启动程序以一号泵为例，图5-6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为开启真空泵与电磁阀，I0.2为电动阀开到位信号。Q0.2为电动阀正转指令。由图中可知，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M1.1或M1.2任意一个接通，就会输出Q1.4，故障显示灯亮。图5-6水泵启动程序5.4.5 水泵关闭子程序以一号泵为例，图5-7为水泵关闭的程序。Q0.3为电动阀反转指令，网络1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4S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2表示若4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4表示若状态信号M1.2导通，系统会发出报警信号。图5-7水泵关闭子程序5.4.6 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。如下图5-8，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：如图5-8，VD100为一号泵运行时间，VD110存入二号水泵运行时间，VD120存入三号水泵的运行时间，网络1表示对一、二、三号水泵的运行时间进行两两互相比较，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、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5-8自动轮换程序网络2、3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，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。循环上述状态即可实现C1的三万小时的计时。网络4所示为水泵停止后的存储过程，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。5.5 设计经验总结5.5.1 干扰信号的排除图5-9干扰信号图5-10排除干扰信号的程序如图5-9，一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：若信号输入时间较短，则定时器无法完成延时，就不能达到启动水泵的目的。图5-10中，网络1即为不存在消除干扰信号的梯形图程序，在网络2和网络3中加入了干扰信号的消除程序。图中I1.3为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2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。5.5.2 程序运行的几个状态如图5-11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，就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。图5-11运行状态图5.6 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。6 人机界面的设定6.1 概述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。6.2 组态王软件简介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，监控系统做为其重要部分之一，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Kingview6.55进行组态的设计与通讯。它是一款专业的工业控制系统，具有功能强大、运行稳定、使用方便等特点，提供了曲线、报表及web发布等功能。该产品已经广泛应用于大陆的各行各业，同时在台湾、美洲、欧洲、日本和东南亚等国际市场被成功应用于市政、交通、环保、大型设备等多个领域。具体的操作步骤：（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6.3 排水控制组态的建立第一步：建立“排水控制”工程（如下图6-1）: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。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。如下表6-1：图6-1建立“排水控制”工程表6-1 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。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。图6-2 设置图6.4 组态画面的设计如图6-3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，分别为一二三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6.5 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立，以及参数的设定。最后，设计了井下排水系统的组态画面。结论本文针对现有煤矿排水系统的诸多弊端，通过分析问题，找出问题存在的根源，采用自动轮换的方式实现了井下排水的自动化控制，同时也减少了人员的使用。运用计算机、网络通信、PLC、检测等技术，开发了一套与煤矿企业的现代化管理方式相适应且高效、节能的自动排水系统。论文主要总结如下：（1）综述了煤矿排水控制系统的研究和发展现状，对我国目前的煤矿井下排水存在的问题进行了分析。（2）针对龙口煤矿的运行状况，采用工业以太网的结构设计了一套基于西门子 S7-200PLC 的高效、节能的自动排水系统。（3）根据排水系统的总体结构设计方案，完成了硬件部分的选型和软件的设计。实现了检测、水泵启停、自动轮换等功能。（4）在软件设计方面，设计了一套完善的故障检测和保护措施系统，用于监测系统的状态。一旦系统发生故障，会及时的报警并记录，采用抗干扰技术，进一步提高了系统可靠性。（5）通过对人机界面的设定，实现了在井上的监控中心直接对井下排水系统进行远程控制的功能，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。本课题在经过多次修改后依然有很多不足。例如，在涌水量正常或变化不大的情况下，具有良好的工作效果。但是当涌水量变化明显时，现制定控制策略存在很大的改进空间，以便将灾害程度降到最低。因此，在涌水量的预测方面仍需要改进，做到早发现、早处理;开泵的临界真空度一直使用固定值，事实上不同的水仓水位条件下开泵的临界真空度是不一样的，所以临界真空度的判断是很有价值的研究方向。附录1：硬件接线图：附录2：扩展模块附录3：组态画面参考文献1.王孝颖,张丰敏.PLC在煤矿井下主排水控制系统中的应用.中国煤炭,2002 (8):43452.刘生建,邱晓芬.基于PLC 矿井排水控制系统的设计.矿山机械,2006(8)：97983.宫学东，陈威，朱亚坤.煤矿强排自动控制系统设计.工矿自动化,2017（5）:23264.付勇.PLC技术下煤矿井下排水自动控制系统的设计与实现.山东工业技术，2016(7):2232235.Vazquez.H.C. 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However, the current drainage system is still manual-operating mode in China at present. With the development of modern science and technology,especially that of the microelectronic technology and the control theory which have been applied in all trades, the security, reliability and efficiency of current industrial equipment have been greatly improved. The traditional drainage system can not adapt to the contemporary administration and operation of modern coal enterprises, which urges a new drainage system to guarantee the safety and efficiency of coal mining. The automatic mine drainage system is an automated system which can satisfy the need. On the basis of the traditional drainage system, it is the application of modern industrial control technology and detection equipment to realize automatic mine drainage system. It has also extends its function that when pumps unmanned operating underground, the system can choose the best operation scheme in accordance with the specific conditions and requirements, and provide datum for ground monitoring system. II. The Composition And Characteristics Of Underground Drainage SystemThe mine drainage system mainly consists of drain sump, inflow pipes, pumps, drainpipes, irrigation devices and several control valves. A. Main features 1)Water level is subject to various factors, such as the amount of gushing water and drainage in mine, and net volumes and sediment of water warehouses, the control of which should leave sufficient safety mThe mine drainage system mainly consists of drain sump, inflow pipes, pumps, argin.2)The pump motor is of high voltage and big power, and the process of start is relatively complex. 3)The bibulous way of bottomless valve is widely used in water pumps. In the drainage system are water pumps, water pipes and irrigation device. Before start pumps and water pipes should be filled with water. 4)A lot of suspended solids in the gushing water will greatly damage the water pump and easily deposit on the drainage pipes, and that will lessen the area of passage, affecting the pump and drainage efficiency. 5)Under the “peak-valley price” system set by the state power department, work time of the underground drainage should be arranged in “avoiding peak” as far as possible to reduce drainage electric expenses. 6)Mine drainage system is designed according to the maximum gushing water and the corresponding quantity of pumps in mine. When pump is in normal state, its back-up ability is relatively high. III. The Double Logic Control Mode In Water Pump Station It is the simplest control mode to judge the operation states of pump station in accordance with well levels. Realized by microcomputer control system, the double logic control system will obtain the operation state of pump according to the water level setting and logic operation results. As shown in table 1, when the well surface level in water pump room is between level a and b, pumps will automatically open and stop along with the change of water level: when the water level is higher than level a, pump starts draining; while when the level is lower than level b, pump stop working. Therefore, the water level switch should be set at the corresponding level in logic control system. When the water level is higher than the prescribed value, the water switch close through electricity and the logic value is one; while when the water level is below the prescribed value, the water switch cut off through electricity and the logic value is zero. IV. The Composition And Function Of The Monitoring System The double logic control system is the most basic working mode to the drainage pumping station. With the application of logic relationship between the high and low water level and pump running state, it controls the next operation of water pump along with the change of water level. In practical work, the water pump will change the control method according to various operational parameters (such as the amount of water inflow, pump condition, etc.), field environment and accidents, etc. In the drainage system of centrifugal pumps, additional work will be needed, which will make the drainage system much more complicated. The drainage monitoring system is the combination of PLC as controller, ultrasound level sensor monitoring water level, the corresponding control circuits and controlled valves and contactor as executive pieces to monitor the control system in pump station .The monitoring system has three working styles, which are automatic, semi-automatic and manual. The automatic mode means that the ultrasound level sensor continually detects the variation of water level in water warehouse, and automatically opens or stops the pump and valve according to the water level. Normally, each pump can automatically work in rotation under the control of double logic control and “shift work system”; When the water level varies too greatly, the necessary pumps will be automatically put in operation and this mode can be realized unattended. The semi-automatic mode means operating workers manually open or stop the water pump and decide the number of working pumps and motors according to water level displayed in warehouse, while the valve is, whether it is to open or close, automatically determined by PLC. The manual mode means that maintenance workers can operate any switch of pump motor, automatic valve or solenoid valve to remove mutual atresia relations.The monitoring system can be classified into six parts: the automatic injection of water (vacuum), the manipulation of valve, the automatic monitoring of water level, the transmission of parameters, the maintenance of breakdown and the automatic control of motor. Fig. 4 shows the water drain pipes in pumping house.1)The automatic injection of water (vacuum) Only when the pump impellers completely submerge in the water, can the vacuum in the pump reach certain degree to realize drainage. If the vacuum is insufficient and air still exists in pump, it will result in no water pumping up and working machine “heating without water circulation”, etc. The system uses jet pump to extract air, vacuum gauge to monitor vacuum degree and flow as the back-up of monitoring. It also controls the starts and stops of jet pump through the static pressure of conduit switch (control valves 10#, 20#, 30#, 40# and 50#). 2)The manipulation of controllable valves To reduce the start-up power, the operation procedures of water pump require the outlet valve to be turned off when starting the centrifugal pump. When stopping the pump, in order to avoid water hammer accident, first close the valve to gradually reduce to the speed of flow and finally stop the pump. Take the pump 1 # as an example. After the pump body filled with water, the process is as follows. Open control valve 10 #, vacuuming; when the vacuum degree meets the requirements, start the motor 1 #. After the outlet pressure reaches the set value, open the valve 11 # for drainage and close the valve 10 #. When it stops, turn off the valve 11 # and then stop the pump motor 1 #. 3)the automatic monitoring of water level The task of the automatic monitoring is to automatically drive or stop pumps according to the water levels. Based on the principle of double logic control, collect water-level signals and transmit them to PLC in the form of the switching value(water level switch) and analogue quantity. The reliability and accuracy of water-level sensor directly affects that of the whole control system. Therefore, ultrasonic level sensor is preferred with its own advantages, such as high accuracy, non-contact,non-mechanical type, convenient maintenance, easy installation, simple calibration, etc. When the water level reaches the level 2, start pump if it is at low billing period of electricity and postpone starting if it is at a high billing period; when the water level rises to the level 3, start pump immediately, no matter it is in low or high billing period. If the water level climbs to the level 4, indicating that one water pump is not sufficient to exclude mine water gushing, start the second pump, with two water pumps draining, at its maximum drainage capacity. No matter how many pumps are operated, the water level must be below the level 1 before they stop draining. The information of water level changing from 1 to 4 will be sent to PLC by the ultrasonic liquid gauge in the form of analog signals and calibrated by PLC via software. Time-sharing billing will also be calibrated by PLC via software. 4)the transmission of parameters The analog screen of the main control cabinet can indicate water level, water flow, pump pressure and the working states of motor, solenoid valve and automatic valve. All parameters and working states will be transmitted to computer above ground by PLC. After analyzing, the information will be displayed on the analog screen in the form of curves and reports so that the managers above ground can make judgments and send commands to PLC. 5)the maintenance of breakdowns Flow protection: when the pump starts working or it is in normal condition, if the water flow can not reach the normal value, stop the current pump and start another through the flow protection device; Motor breakdown: PLC monitors breakdowns of pump motor, such as under voltage, over current and short circuit. High-voltage switchgear will provide comprehensive protection and participate in control; The normality of the valve is to be judged through the measurement of the parameters such as the pressure, flow and pipeline of the valve in operation, the result of which is to be fed back to PLC so that the breakdown could be protected and controlled. 6)the automatic control of motor It is the key point of the automatic drainage system, consisting of PLC, intermediate relay and the contactor. The previous five parts should be in accord with the final one. The motor will automatically open or stop the pump, and decide how many pumps should be put in operation according to the change of water level. In case of dampened motor for long time being unused or some hidden breakdowns so that it might not be put into operation in emergency, “shift work system” is to be adopted in this part in order to guarantee the safety with an early discovery and treatment of the breakdown. Based on the starting number of pumps, the system will automatically operate pumps in rotation. When one pump or its subordinate valve fails to work or is in maintenance, this pump should be excluded and the rest continue draining in rotation. V. Summaries 1)The monitoring system adopts on-line monitoring to the equipment operation in the water pump room, and wit
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