抽水泵的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 xxxxxxxx學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目 抽水泵的plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名 系 別 機(jī)電工程系 專 業(yè) 機(jī)電一體化技術(shù) 年 級(jí) 2009機(jī)電一體化 班 指導(dǎo)教師 年 月 日畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成績?cè)u(píng)定表學(xué) 生姓 名學(xué)生所在系機(jī)電工程系專業(yè)班級(jí)機(jī)電一體化畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）課題名稱抽水泵的plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)語（應(yīng)包括選題是否恰當(dāng)、是否理論聯(lián)系實(shí)際、論點(diǎn)是否正確、論證是否充分、語言是否通順、結(jié)構(gòu)是否合理、行文是否規(guī)范）：成 績：指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系學(xué)術(shù)委員會(huì)意見（同意給優(yōu)、良、及格、不及格等次）簽名： 年 月 日目錄 摘 要 2第一章 煤礦井下排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理及組成 3

2、 第一節(jié) 概述 4 第二節(jié) 工作原理 4 第三節(jié) 系統(tǒng)組成 5第二章 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 第一節(jié) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 8 第二節(jié) 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 8 第三節(jié) 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 8 第四節(jié) 控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì) 10 第五節(jié) 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 10第三章 plc井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng) 13 第一節(jié) plc井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù) 13 第二節(jié) plc井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)分層 14第三節(jié) 影響plc控制系統(tǒng)穩(wěn)定的干擾因素 16 第四節(jié) plc控制系統(tǒng)的抗干擾措施16第四章 結(jié)束語17參考文獻(xiàn)18致 謝19 摘 要基于plc的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制部分是為了煤礦安全和正常生產(chǎn)而進(jìn)行的各種有關(guān)參數(shù)或狀態(tài)的

3、集中監(jiān)測(cè)，并對(duì)有關(guān)環(huán)節(jié)加以控制，是保護(hù)、采掘、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)安全運(yùn)行的重要設(shè)施。本文主要介紹了一種基于西門子s7-300 plc的煤礦井下排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和思路。西門子s7-300 型plc給出了煤礦井下排水系統(tǒng)的傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配置方案、通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泵進(jìn)行自動(dòng)控制，水位監(jiān)測(cè)、自動(dòng)啟停水泵、故障自診斷等功能；同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了水泵運(yùn)行的合理調(diào)度，提高了設(shè)備利用率，達(dá)到了節(jié)能增效的效果，并能與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和在線監(jiān)測(cè)，提高了煤礦自動(dòng)化水平和安全性。關(guān)鍵詞 水泵 plc 自動(dòng)控制 利用率 遠(yuǎn)程控制第一章 煤礦井下排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原

4、理及組成1.1 概述 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以微處理器為核心的可編程序控制器（plc）控制已逐步取代繼電器控制，普遍應(yīng)用于各行各業(yè)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域。當(dāng)然煤炭行業(yè)也不例外，但是目前許多礦井下主排水系統(tǒng)還采用人工控制，水泵的開停及選擇切換均需人工完成，完全依賴于工人的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心，也預(yù)測(cè)不了水位的增長速度，做不到根據(jù)水位和其他參數(shù)在用電的峰谷期自動(dòng)開停水泵，這將嚴(yán)重影響煤礦自動(dòng)化管理水平和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也容易由于人為因素造成各種安全隱患。 在煤礦礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中，隨時(shí)都有各種來源的水涌入礦井，為保證煤礦的生產(chǎn)安全，必須及時(shí)將涌出的礦井水快速地排放到地面，礦井排水設(shè)備不僅要排除各時(shí)

5、期涌入礦井的水，而且在遭到突然涌水的襲擊有可能淹沒礦井的情況下，還要搶險(xiǎn)排水，因此煤礦主排水系統(tǒng)能否正常運(yùn)行直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)。因此，礦井排水設(shè)備是煤礦建設(shè)和生產(chǎn)中不可缺少的，排水泵的安全可靠運(yùn)行對(duì)保證礦井安全生產(chǎn)起著非常重要的作用。目前，礦井排水系統(tǒng)普遍采用人工操作，存在著人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、電機(jī)啟停時(shí)間長、水泵運(yùn)行效率低等諸多問題，如何實(shí)現(xiàn)煤礦井下排水泵的自動(dòng)控制和無人值守，并滿足煤礦生產(chǎn)調(diào)度綜合自動(dòng)化的要求，便成為當(dāng)前急需解決的問題。針對(duì)當(dāng)前煤礦排水系統(tǒng)的實(shí)際情況，本文提出一種實(shí)現(xiàn)煤礦井下主排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其工作原理和結(jié)構(gòu)做一扼要介紹。1.2 工作原理煤礦井下排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)

6、通過檢測(cè)水倉水位和其它參數(shù)，控制水泵輪流工作與適時(shí)啟動(dòng)備用泵，合理調(diào)度水泵正常運(yùn)行。系統(tǒng)通過觸摸屏以圖形、圖像、數(shù)據(jù)、文字等方式，直觀、形象、實(shí)時(shí)地反映系統(tǒng)工作狀態(tài)以及水倉水位、電機(jī)工作電流、電機(jī)溫度、軸承溫度、排水管流量等參數(shù)，并通過通訊模塊與綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、操作方便、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，并可節(jié)省水泵的運(yùn)行費(fèi)用。1.3 系統(tǒng)組成整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)輪換工作、自動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)顯示及故障記錄報(bào)警和通訊接口等5個(gè)部分組成。 （1）數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與檢測(cè) 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與檢測(cè)主要分為兩類：模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)。 模擬量檢測(cè)的數(shù)據(jù)主要有：水倉水位、電機(jī)工作電

7、流、水泵軸溫、電機(jī)溫度、3趟排水管流量；數(shù)字量檢測(cè)的數(shù)據(jù)主要有：水泵高壓啟動(dòng)柜真空斷路器和電抗器柜真空接觸器的狀態(tài)、電動(dòng)閥的工作狀態(tài)與啟閉位置、真空泵工作狀態(tài)、電磁閥狀態(tài)、水泵吸水管真空度及水泵出水口壓力。 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集主要由plc實(shí)現(xiàn)，plc模擬量輸入模塊通過傳感器連續(xù)檢測(cè)水倉水位，將水位變 化信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，控制排水泵的啟停。電機(jī)電流、水泵軸溫、電機(jī)溫度、排水管流量等傳感器與變送器，主要用于監(jiān)測(cè)水泵、電機(jī)的運(yùn)行狀況，超限報(bào)警，以避免水泵和電機(jī)損壞。plc的數(shù)字量輸入模塊將各種開關(guān)量信號(hào)采集到plc中作為邏輯處理的條件和依據(jù)，

8、控制排水泵的啟停。 在數(shù)據(jù)采集過程中，模擬量信號(hào)的處理是將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)（a/d轉(zhuǎn)換），其變換速度由采樣定律確定。一般情況下，采樣頻率應(yīng)為模擬信號(hào)中最高頻率成分的2倍以上，這樣經(jīng)a/d變換的精度可完全恢復(fù)到原來的模擬信號(hào)精度。a/d變換的精度取決于a/d變換器的位數(shù)。如5v電壓要求以5mv精度變換時(shí)，精度為5mv/5v=0.1%,即1/1000十進(jìn)制的1000用二進(jìn)制表示時(shí)要求為10位,而本系統(tǒng)所采用的a/d模塊分辨率為16bit,其精度在0.05%以上，該精度等級(jí)足以滿足控制系統(tǒng)要求。同時(shí)，plc所采用的a/d模塊均以積分方式變換，可使輸入信號(hào)的尖峰噪音和感應(yīng)噪聲平均化，適用于噪音嚴(yán)

9、重的工業(yè)場(chǎng)所。（2）自動(dòng)輪換工作為了防止因備用泵及其電氣設(shè)備或備用管路長期不用而使電機(jī)和電氣設(shè)備受潮或其他故障未經(jīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時(shí)，而不能及時(shí)投入以至影響礦井安全，本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)了5臺(tái)泵自動(dòng)輪換工作控制，控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運(yùn)行時(shí)間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動(dòng)記錄并累計(jì)，系統(tǒng)根據(jù)這些運(yùn)行參數(shù)按一定順序自動(dòng)啟停水泵和相應(yīng)管路，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當(dāng)某臺(tái)泵或所屬閥門故障、某趟管路漏水時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并在觸摸屏上動(dòng)態(tài)閃爍顯示，記錄事故，同時(shí)將故障泵或管路自 動(dòng)退出輪換工作，其余各泵和管路繼續(xù)按一定順序自動(dòng)輪換工作，以達(dá)到有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理，

10、以免影響礦井安全生產(chǎn)的目的。 （3）自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)選用了西門子s7-300型plc為控制主機(jī)，該機(jī)為模塊化結(jié)構(gòu)，由plc機(jī)架、cpu、數(shù)字量i/o、模擬量輸入、電源、通訊等模塊構(gòu)成。plc自動(dòng)化控制系統(tǒng)根據(jù)水倉 水位的高低、井下用電負(fù)荷的高、低峰和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價(jià)時(shí) 間段（時(shí)間段可根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)在觸摸屏上進(jìn)行調(diào)整和設(shè)置）等因素，建立數(shù)學(xué)模型，合理調(diào)度水泵，自動(dòng)準(zhǔn)確發(fā)出啟、停水泵的命令，控制水泵運(yùn)行。 為了保證井下安全生產(chǎn)，系統(tǒng)可靠運(yùn)行，水位信號(hào)是水泵自動(dòng)化一個(gè)非常重要的參數(shù)，因此，系統(tǒng)設(shè)置了兩套水位傳感器，模擬量和開關(guān)量傳感器，兩套傳感器均設(shè)于水倉的排水配水倉內(nèi)

11、，plc將接受到的模擬量水位信號(hào)分成若干個(gè)水位段，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，同時(shí)檢測(cè)井下供電電流值，計(jì)算用電負(fù)荷率，根據(jù)礦井涌水量和用電負(fù)荷，控制在用電低峰和一天中電價(jià)最低時(shí)開啟水泵，用電高峰和電價(jià)高時(shí)停止水泵運(yùn)行，以達(dá)到避峰填谷及節(jié)能的目的。（4）動(dòng)態(tài)顯示 動(dòng)態(tài)模擬顯示選用日本digital公司的gp-570t型觸摸式工業(yè)圖形顯示器（觸摸屏），系統(tǒng)通過圖形動(dòng)態(tài)顯示水泵、真空泵、電磁閥和電動(dòng)閥的運(yùn)行狀態(tài)，采用改變圖形顏色和閃爍功能進(jìn)行事故報(bào)警。直觀地顯示電磁閥和電動(dòng)閥的開閉位置，實(shí)時(shí)顯示水泵抽真空情況和壓力值。用圖形填充以及趨勢(shì)圖、棒狀圖方式和數(shù)字形式準(zhǔn)確

12、實(shí)時(shí)地顯示水倉水位，并在啟停水泵的水位段發(fā)出預(yù)告信號(hào)和低段、超低段、高段、超高段水位分段報(bào)警，用不同音響形式提醒工作人員注意。 采用圖形、趨勢(shì)圖和數(shù)字形式直觀地顯示3趟管路的瞬時(shí)流量及累計(jì)流量，對(duì)井下用電負(fù)荷的監(jiān)測(cè)量、電機(jī)電流和水泵瞬時(shí)負(fù)荷及累計(jì)負(fù)荷量、水泵軸溫、電機(jī)溫度等進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示、超限報(bào)警，自動(dòng)記錄故障類型、時(shí)間等歷史數(shù)據(jù)，并在屏幕下端循環(huán)顯示最新出現(xiàn)的3條故障（故障顯示條數(shù)可在觸摸屏上設(shè)置），以提醒工作人員及時(shí)檢修，避免水泵和電機(jī)損壞。 （5）通訊接口plc通過通訊接口和通訊協(xié)議，與觸摸屏進(jìn)行全雙工通訊，將水泵機(jī)組的工作狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)傳至觸摸屏，完成各數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示；同時(shí)，操作人員也可

13、利用觸摸屏將操作指令傳至plc，控制水泵運(yùn)行。plc同時(shí)將水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分站傳至地面 生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控中心主機(jī)，與全礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，管理人員在地面即可掌握井下主排水系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動(dòng)化控制信息，實(shí)現(xiàn)井下主排水系統(tǒng) 的遙測(cè)、遙控，并為礦領(lǐng)導(dǎo)提供生產(chǎn)決策信息。觸摸屏與監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)均可動(dòng)態(tài)顯示主排水系統(tǒng)運(yùn)行的模擬圖、運(yùn)行參數(shù)圖表，記錄系統(tǒng)運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)，并顯示故障點(diǎn)以提醒操作人員注意。第二章 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)層(遠(yuǎn)程io)、控制層(plc)和管理層(上位機(jī))組成的三級(jí)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動(dòng)控制。上位

14、機(jī)利用友好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，plc作為控制器完成邏輯處理和控制任務(wù)，遠(yuǎn)程io實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和上傳，通過專門的控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和統(tǒng)一調(diào)度控制。其中控制層主要由plc控制柜構(gòu)成，是整個(gè)排水系統(tǒng)的控制核心，plc控制柜由plc、觸摸屏、檢測(cè)部分(模擬量和開關(guān)量監(jiān)測(cè)采集)、執(zhí)行部分等組成。 plc控制柜中的核心部分是plc模塊，用于完成對(duì)于監(jiān)測(cè)量的處理、運(yùn)算和存儲(chǔ)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行邏輯處理，控制水泵及附屬設(shè)備啟停。為保證控制器的可靠性，系統(tǒng)選用德國西門子生產(chǎn)的s7-300系列plc作為主要控制單元，考慮到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備比較分散，就地控制箱采用遠(yuǎn)程i/o的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制，

15、并通過現(xiàn)場(chǎng)總線同cpu模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)、就地控制命令采集、輸出控制指令、設(shè)備邏輯控制等功能，主plc配置了2塊32路數(shù)字量輸入模塊和2塊16路數(shù)字量輸出模塊，遠(yuǎn)程i/o配置1塊32路數(shù)字量和1塊16路數(shù)字量輸出模塊。主plc還配置了1塊模擬量采集模塊完成對(duì)水位的監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程i/o部分配置1塊模擬量采集模塊完成對(duì)壓力、負(fù)壓及流量的監(jiān)測(cè)。為便于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水泵的半自動(dòng)控制，系統(tǒng)配置了觸摸屏，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示水泵當(dāng)前狀態(tài)，并為用戶提供水泵控制的平臺(tái)。2.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制網(wǎng)絡(luò) 排水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)及參控設(shè)備較多，采用傳統(tǒng)的plc控制系統(tǒng)接線復(fù)雜、可靠性低且維護(hù)困難

16、。因此，系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)設(shè)備層和控制層的連接。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，主要用于數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出等小數(shù)量級(jí)的快速循環(huán)通信，將現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)配置成profibus-dp網(wǎng)絡(luò)，采用西門子的et200分布式i/o進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及控制。2.2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) 在plc控制柜與設(shè)在礦調(diào)度室的上位機(jī)之間建立了工業(yè)以太網(wǎng)，用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制層與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換?？刂茖觩lc統(tǒng)一采用了西門子的s7-300系列plc進(jìn)行配置，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單清晰，避免了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連時(shí)必須安裝相應(yīng)網(wǎng)關(guān)的缺點(diǎn)。系統(tǒng)選取西門子的s7-300系列以太網(wǎng)通信模塊cp343-1，利用該模塊可以方便地實(shí)現(xiàn)plc與監(jiān)控中

17、心之間的以太網(wǎng)通信。為保證信號(hào)的可靠傳遞和防止電氣干擾對(duì)通信的影響，系統(tǒng)采用以太網(wǎng)與光纖傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制plc與調(diào)度中心上位機(jī)之間的通信。2.3控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)針對(duì)當(dāng)前許多煤礦排水泵控制自動(dòng)化水平不高、主要以人工控制為主，開發(fā)出一套以plc 為核心的井下泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）plc控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可按程序模塊分段調(diào)試，分段運(yùn)行。該程序結(jié)構(gòu)具 有清晰、簡捷、易懂，便于模擬調(diào)試，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。（2）系統(tǒng)根據(jù)水位和壓力控制原則，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作，延長了水泵的使用壽命。 （3）系統(tǒng)可根據(jù)投入運(yùn)行泵組的位置，自動(dòng)選擇啟動(dòng)就近的真空泵，若在程序設(shè)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)不到真

18、空度，便自動(dòng)啟動(dòng)備用真空泵。 （4）系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價(jià)時(shí)間段，以“避峰填谷”原則確定開、停水泵時(shí)間，從而合理地利用電網(wǎng)信息，提高礦井的電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。 （5）plc自動(dòng)檢測(cè)水位信號(hào)，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，自動(dòng)投入和退出水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，合理地調(diào)度水泵運(yùn)行。 （6）在觸摸屏上動(dòng)態(tài)監(jiān)控水泵及其附屬設(shè)備的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)顯示水位、流量、壓力、溫 度、電流、電壓等參數(shù)，超限報(bào)警，故障畫面自動(dòng)彈出，故障點(diǎn)自動(dòng)閃爍。具有故障記錄，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。 （7）系統(tǒng)具有通訊接口功能，plc可同時(shí)與觸摸屏及地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)通訊，傳送數(shù)據(jù)，交

19、換信息，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控功能。 （8）系統(tǒng)保護(hù)功能有以下幾種。 超溫保護(hù)：水泵長期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時(shí)，通過溫度保護(hù)裝置及plc實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警。 流量保護(hù)：當(dāng)水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行時(shí)，如流量達(dá)不到正常值，通過流量保護(hù)裝置使本臺(tái)水泵停車，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)另一臺(tái)水泵。 電動(dòng)機(jī)故障：利用plc及觸摸屏監(jiān)視水泵電機(jī)過電流、漏電、低電壓等電氣故障，并參與控制。 電動(dòng)閘閥故障：由電動(dòng)機(jī)綜保監(jiān)視閘閥電機(jī)的過載、短路、漏電、斷相等故障，并參與水泵的聯(lián)鎖控制。 （9）系統(tǒng)控制具有自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)檢修3種工作方式。自動(dòng)時(shí)，由plc檢測(cè)水位、壓力及有關(guān)信號(hào)，自動(dòng)完成各泵組運(yùn)行，不需人工參與；半自動(dòng)工作方式

20、時(shí)，由工作人員選擇某臺(tái)或幾臺(tái)泵組投入，plc自動(dòng)完成已選泵組的啟停和監(jiān)控工作；手動(dòng)檢修方式為故障檢修和手動(dòng)試車時(shí)使用，當(dāng)某臺(tái)水泵及其附屬設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，該泵組將自動(dòng)退出運(yùn)行，不影響其它泵組正常運(yùn)。plc柜上設(shè)有該泵的禁止啟動(dòng)按鈕，設(shè)備檢修時(shí)，可防止其他人員誤操作，以保證系統(tǒng)安全可靠。系統(tǒng)可隨時(shí)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)和半自動(dòng)工作方式運(yùn)行。2.4 控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì) 排水系統(tǒng)是否能可靠運(yùn)行直接影響著煤礦生產(chǎn)和人員安全，為提高控制系統(tǒng)的可靠性，針對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的不足，系統(tǒng)從設(shè)備本身、傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)等各方面設(shè)計(jì)了可靠性保障措施。2.4.1 設(shè)備可靠運(yùn)轉(zhuǎn)保障設(shè)備可靠運(yùn)轉(zhuǎn)是安全排水的前提，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，該系統(tǒng)開

21、發(fā)了排水系統(tǒng)控制軟件的輔助管理模塊，對(duì)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理。依據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況，監(jiān)控軟件的設(shè)備輔助管理模塊讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)后進(jìn)行邏輯處理，給出維護(hù)意見，從管理上來彌補(bǔ)設(shè)備本社在可靠性上的不足。2.4.2 傳感器可靠性保障排水系統(tǒng)采用了多種傳感器，傳感器的可靠性直接影響著系統(tǒng)的整體可靠性。不同的傳感器對(duì)系統(tǒng)的影響也不盡相同，根據(jù)影響范圍的不同，系統(tǒng)將傳感器分為全局型和局部型。其中全局型傳感器為液位傳感器，它的可靠性關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)安全排水的實(shí)現(xiàn)，其余傳感器主要反映單臺(tái)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，屬于局部型。系統(tǒng)中的全局型傳感器采用冗余設(shè)計(jì)，而對(duì)于局部型傳感器則采取自診斷方式確定其故障類型并報(bào)警，提示工作人員進(jìn)行維護(hù)或者

22、更換。2.4.3通信可靠性保障控制plc與上位機(jī)之間的通信故障判別采用校驗(yàn)碼與狀態(tài)位相結(jié)合的方式，其中校驗(yàn)碼判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，狀態(tài)位判斷傳輸通道的通暢性，如果狀態(tài)位不正常時(shí)表明通信通道中斷，啟用備用通訊網(wǎng)絡(luò)。2.5 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)主要基于控制要求和具體控制方案的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)包括plc 程序設(shè)計(jì)和組態(tài)軟件程序設(shè)計(jì)兩大部分。2.5.1 plc 程序設(shè)計(jì) plc 程序設(shè)計(jì)采用step 7 軟件編制。step 7軟件是用于西門子s7-300/400 型plc 創(chuàng)建可編程邏輯程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形邏輯圖、功能塊圖和語句表進(jìn)行程序編制。s7 系列plc包括一個(gè)供電單元、

23、一個(gè)cpu，以及輸入和輸出模塊(i/o 模塊)。plc 應(yīng)用step 7軟件編制的s7 程序監(jiān)視控制整個(gè)系統(tǒng)，并通過地址尋址尋找i/o 模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。 plc 編制程序時(shí)首先作硬件組態(tài)。其主要任務(wù)就是在step 7 中生成一個(gè)與實(shí)際硬件系統(tǒng)完全相同的系統(tǒng),生成網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)站的機(jī)架和模塊,以及設(shè)置各硬件組成部分的參數(shù),即給參數(shù)賦值。硬件組態(tài)確定了輸入/輸出變量的地址,為編制順序控制程序打下了基礎(chǔ)。然后根據(jù)手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)控制的方式選擇，進(jìn)入相應(yīng)的程序流程。整個(gè)程序主要包括運(yùn)行前水位和供電狀態(tài)檢測(cè)、正常啟停泵組、運(yùn)行中參數(shù)檢測(cè)和故障報(bào)警、故障停泵等模塊，程序流程如圖1 所示。st

24、ep 7軟件通過建立在線連接下載程序到plc以對(duì)編制好的程序進(jìn)行調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)程序的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、強(qiáng)制性數(shù)據(jù)變更和輸入輸出信號(hào)的強(qiáng)制開/關(guān)等。系統(tǒng)初始化控制方式選擇調(diào)試、維修、人工控制流程水位、供電狀態(tài)檢測(cè)供電時(shí)段突水信號(hào)運(yùn)行間各參數(shù)、水位檢測(cè)自選泵組選擇泵組（優(yōu)先運(yùn)行時(shí)間短的泵組、跳過故障泵組）邏輯判斷正常啟動(dòng)泵組故障報(bào)警故障停泵正常停泵 圖 1 控制程序流程圖2.5.2 組態(tài)軟件程序設(shè)計(jì)組態(tài)軟件編程主要用于生成人機(jī)交互界面，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本系統(tǒng)應(yīng)用西門子公司的wincc自動(dòng)化監(jiān)控軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可以生成標(biāo)準(zhǔn)化輸入/輸出域、棒圖、趨勢(shì)圖、光柵和矢量圖，且具有動(dòng)態(tài)性能的屬性，可進(jìn)行便捷的過

25、程可視化,并提供集成的消息和報(bào)警系統(tǒng)。編制的人機(jī)界面主要有控制畫面、參數(shù)顯示畫面及故障報(bào)警記錄等狀態(tài)信息，編程框圖如圖2 所示。操作員可通過觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)的控制方式選擇以及各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)的顯示，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)控制過程的可視化。并且可以通過通訊同步到地面上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)。初始畫面系統(tǒng)菜單運(yùn)行方式報(bào)警系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置運(yùn)行操作狀態(tài)顯示圖 2 組態(tài)軟件編程框圖第三章plc井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)3.1 plc井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)可編程控制器(plc)，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，向用戶的“自然語言”編程，使不熟悉計(jì)算機(jī)的人也能方便地使用。plc是通過在存儲(chǔ)器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能，且同一臺(tái)plc還可

26、用于不同控制對(duì)象，通過改變軟件則可實(shí)現(xiàn)不同控制的控制要求，具有很大的靈活性和通用性。plc的輸入、輸出電路一般用光電禍合器來傳遞信號(hào)，有效地抑制了外部干擾源對(duì)plc的影響，具有可靠性高、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。此外，plc的i/o接口可直接與控制現(xiàn)場(chǎng)的用戶設(shè)備聯(lián)接。3.2 plc井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)分層整個(gè)系統(tǒng)可分為3 個(gè)層次：地面監(jiān)控主站層;以plc為核心的控制及通訊管理層;機(jī)械設(shè)備層。地面監(jiān)控主站層 主要由工控機(jī)、監(jiān)控組態(tài)軟件、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)等組成，通過光纜與井下plc、防爆型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)連接。工控機(jī)通過組態(tài)軟件可以實(shí)時(shí)顯示由井下plc采集并傳輸?shù)闹髋潘玫倪\(yùn)行參數(shù)，并存儲(chǔ)相關(guān)記錄，操作人員也只

27、需在地面生產(chǎn)指揮中心采用鼠標(biāo)操作，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各泵組的控制；工業(yè)電視和硬盤錄像機(jī)可實(shí)時(shí)顯示、記錄井下狀況?？刂萍巴ㄓ嵐芾韺佑蓀lc和觸摸屏組成的數(shù)據(jù)采集終端及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、電控設(shè)備、數(shù)據(jù)交換設(shè)備、信號(hào)采集裝置等組成。plc負(fù)責(zé)完成信號(hào)處理、邏輯判斷、故障診斷和參數(shù)記憶等功能。通過數(shù)據(jù)采集、模塊采集水位信號(hào)決定泵是否開啟以及開啟臺(tái)數(shù)，然后根據(jù)選擇的控制方式按流程啟動(dòng)泵組，此時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊將采集供電電源、電機(jī)、水泵的各項(xiàng)參數(shù)，如：檢測(cè)開關(guān)的帶電狀態(tài)、電機(jī)定子溫度、軸承溫度、泵出水口壓力、主排水管流量、水泵前后軸溫度等。各參數(shù)將在觸摸屏上顯示，并且通過數(shù)據(jù)交換設(shè)備傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控主站?？刂圃砣鐖D3

28、所示。觸摸屏主cpu模塊超聲波液位儀突水檢測(cè)信號(hào)電機(jī)、水泵軸承溫度信號(hào)進(jìn)出口壓力信號(hào)配水閥到位信號(hào)管道流量信號(hào)聲光報(bào)警啟動(dòng)開關(guān)啟動(dòng)開關(guān)工業(yè)以太網(wǎng)模擬量輸入模塊數(shù)字量輸入模塊數(shù)字量輸出模塊電參數(shù)信號(hào)圖 3 水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖機(jī)械設(shè)備層煤礦排水系統(tǒng)主要設(shè)備包括電機(jī)、水泵、吸水管道、排水管道、管道閥門等。該自動(dòng)控制系統(tǒng)是基于原煤礦排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，只需在原有排水系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分改動(dòng)。除在電機(jī)、水泵和管道上做部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的改動(dòng)以滿足傳感器的安裝需要外，主要是對(duì)原有排水閥門、注水閥門更換為電動(dòng)可控閥門；加裝為水泵注水的射流泵或?yàn)楸贸檎婵沼玫恼婵毡靡詽M足水泵啟動(dòng)的需要。為保證安全性，防止自動(dòng)控制

29、系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)不能正常啟動(dòng)泵組排水，不破壞原排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，保留原始人工操作方式。該系統(tǒng)的主要功能是通過觸摸屏組態(tài)畫面的切換，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、設(shè)定和動(dòng)態(tài)監(jiān)視，完成歷史數(shù)據(jù)歸檔及異常信號(hào)的報(bào)警，并通過檢測(cè)水倉水位和其它參數(shù)，實(shí)時(shí)控制水泵工作與適時(shí)啟動(dòng)水泵，合理調(diào)度水泵運(yùn)行。3.3 影響plc控制系統(tǒng)穩(wěn)定的干擾因素plc作為一種自動(dòng)化程度高、配置靈活的工業(yè)生產(chǎn)過程控制裝置。因?yàn)槠浔旧淼母呖煽啃?，它的?yīng)用場(chǎng)合越來越廣，環(huán)境越來越復(fù)雜，所受到的干擾也越來越多。在plc控制系統(tǒng)中，就plc本身來說，其薄弱環(huán)節(jié)在i/o端口。來自電源波形的畸變、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所產(chǎn)生的電磁干擾、接地電阻的耦合、輸入元件

30、觸點(diǎn)的抖動(dòng)等各種形式的干擾，都可能使系統(tǒng)不能正常工作。研究影響plc控制系統(tǒng)的干擾因素，對(duì)于提高plc控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性具有重要作用。對(duì)plc的干擾的產(chǎn)生過程主要有三個(gè)因素組成：(1)電源引入的干擾。雷電沖擊、開關(guān)操作、大型電力設(shè)備啟停等，都有可能會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成plc系統(tǒng)故障。(2)i/o信號(hào)線引入的干擾。在使用plc組成控制系統(tǒng)時(shí)，要連接大小設(shè)備和各種通信線路，這樣就有可能會(huì)發(fā)生各種各樣的電磁干擾環(huán)境，影響plc系統(tǒng)的運(yùn)行。(3)接地線引入的干擾。若接地線處理混亂或是電線上的電位分布不等，則會(huì)電路的正常運(yùn)行，有可能在成數(shù)據(jù)換亂，信號(hào)失真。3.4 plc控制系統(tǒng)的抗干擾措

31、施對(duì)plc的干擾的產(chǎn)生過程主要有三個(gè)因素組成，相應(yīng)地對(duì)抑制所有電磁干擾的方法也從這三個(gè)要素著手解決。(1)最大限度地抑制干擾源。電源系統(tǒng)的抗干擾措施是為了抑制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)及畸變對(duì)系統(tǒng)電源產(chǎn)生的干擾，可采用使用隔離變壓器或者使用低通濾波器的措施來解決。另外，也可以使用交流穩(wěn)壓電源來增大抗干擾能力或使用在線式不間斷供電源(ups)來作為plc控制系統(tǒng)的理想電源。(2)阻隔禍合通道或衰減干擾信號(hào)。輸入端有感性負(fù)載時(shí)，在交流信號(hào)輸入負(fù)載兩端并聯(lián)rc浪涌吸收器或壓敏電阻rv；在直流信號(hào)負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管vd或壓敏電阻rv或穩(wěn)壓二極管vx或rc浪涌吸收器等。在使用多芯信號(hào)電纜時(shí)，要避免i/o線和其它控制線共用同一電纜。(3)降低系統(tǒng)本身對(duì)電磁噪聲的靈敏度，提高自身抗干擾能力。第四章 結(jié)束語 井下排水技術(shù)在煤礦的開采中的重要性和井下水資源的缺乏利用以及人工控制井下排水系統(tǒng)的種種弊端決定了井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)研究的重要性?；诳删幊炭刂萍夹g(shù)的煤礦井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)是利用當(dāng)前優(yōu)秀的工業(yè)控制技術(shù)精心研究與開發(fā)而成的，它具有許多傳統(tǒng)控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，plc控制系統(tǒng)得到