基于S7300PLC的煤礦井下中央泵房控制

1、山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文摘要摘要本文對(duì)煤礦井下中央泵房控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的抗干擾措施進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用siemens的s7-300 plc，并結(jié)合各種傳感器（主要為水位傳感器、負(fù)壓傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器等），完成系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)的控制方式選擇、故障報(bào)警等功能。本系統(tǒng)采用水泵及管路的“自動(dòng)輪換”工作制。采用臺(tái)達(dá)人機(jī)界面就地監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)備的參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的就地手動(dòng)控制，做到有故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)并盡早處理。s7-300 plc采用rs485通信標(biāo)準(zhǔn)與地面監(jiān)控中心上位機(jī)進(jìn)行通信，對(duì)排水系統(tǒng)實(shí)施全面的監(jiān)控，并能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。關(guān)鍵詞：plc 傳感器

2、 排水系統(tǒng) 自動(dòng)控制 abstractin this paper, the selection and design of drainage equipment, then according to the drainage control requirements, the design of automatic control. the system uses the siemens s7-300 plc, and combined with a variety of sensors (mainly for the water level sensor, pressure sensor,

3、pressure sensor, flow sensor, vibration sensor, temperature sensor), control mode to achieve the system choice, alarm and other functions. this system uses the water pump and pipeline "turns" working system. a valley "principle to determine the number of the opening" pump accordi

4、ng to avoid peak, in order to achieve the purpose of saving the power. the parameters of the equipment of delta hmi monitoring system of in situ pc end, and local manual control site, do have the fault timely detection and early treatment. s7-300 plc communication using rs485 communication standard

5、and the ground control center pc, the implementation of a comprehensive monitoring of the drainage system, and is capable of remote control.keywords：plc sensor drainage system automatic control山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文目錄目錄山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文目錄1 緒論11.1 課題的研究意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 課題主要研究?jī)?nèi)容22 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)32.1 課題設(shè)計(jì)要求分析32.2 課題設(shè)計(jì)功能分析4

6、2.3 硬件和軟件功能劃分73 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)93.1 cpu的選型93.2 傳感器的選型設(shè)計(jì)103.3 開(kāi)關(guān)量輸入通道213.4 顯示模塊的設(shè)計(jì)233.5 開(kāi)關(guān)量輸出通道253.6 通訊模塊設(shè)計(jì)263.7 供電電源273.8 系統(tǒng)排水設(shè)備的選型設(shè)計(jì)284 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)314.1 系統(tǒng)軟件的綜述314.2 plc程序設(shè)計(jì)314.3 觸摸屏顯示界面設(shè)計(jì)385 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)425.1 常見(jiàn)干擾源425.2 排除干擾的措施436 總結(jié)45致謝47參考文獻(xiàn)46附錄48附錄1系統(tǒng)圖紙48附錄2 外文文獻(xiàn)翻譯54山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文緒論 1 緒論1.1 課題的研究意義煤礦井下主排水泵房承擔(dān)了將井下的涌

7、水排到地面的重要任務(wù)，為煤礦的安全生產(chǎn)提供必要的保障。針對(duì)煤礦生產(chǎn)中的重要機(jī)電設(shè)備主排水泵房進(jìn)行自動(dòng)化控制，對(duì)保障煤礦的安全生產(chǎn)具有十分重要意義。在煤礦地下開(kāi)采的過(guò)程中，由于地層中含水的涌出，雨水和江河中水的滲透，水砂充填和水力采煤礦井的井下供水，將要有大量的水晝夜不停地匯集于井下。礦井涌水與采區(qū)的水文地質(zhì)及當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件有關(guān)，涌水量在不同的季節(jié)也存在不同。如果不能及時(shí)地將這些積水排送到井上，井下的生產(chǎn)可能受到阻礙，井下的安全得不到保障，嚴(yán)重者會(huì)造成重大事故。煤礦井下中央泵房控制系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。所以，基于plc的井下排水中央泵房的控制系統(tǒng)的研究對(duì)煤礦的安全、高效生產(chǎn)具有非常

8、重要的意義。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀礦井中央泵房是礦山企業(yè)的機(jī)電要害場(chǎng)所，直接影響到礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)礦山企業(yè)礦井中央泵房的自動(dòng)化水平還不是很高，這影響了生產(chǎn)的安全性和高效性，礦井中央泵房自動(dòng)控制可以有效解決這些問(wèn)題。井下的水泵功率大、電壓高、啟動(dòng)復(fù)雜，水泵啟動(dòng)前吸水管路的充水，通常采用抽真空吸水的方法來(lái)完成。現(xiàn)在泵房?jī)?nèi)設(shè)備的運(yùn)行與管理以及水倉(cāng)水位的觀察，普遍采用人工操作方式，操作過(guò)程繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、水泵啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、自動(dòng)化程度低、不適應(yīng)現(xiàn)代化礦井管理。井下排水是伴隨著采礦工程產(chǎn)生的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。傳統(tǒng)的繼電器控制方法，用人工進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)控制方法效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且由于井下環(huán)境惡

9、劣，故障率較高。所以靠人工檢測(cè)的方法已不適應(yīng)國(guó)內(nèi)外煤炭行業(yè)發(fā)展的需要，取而代之的是自動(dòng)化排水系統(tǒng)。由于礦井排水系統(tǒng)屬于多變量、非線(xiàn)性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，特別是在管道和水泵等環(huán)節(jié)中，各變量之間又存在著交叉，因此國(guó)內(nèi)外礦井排水系統(tǒng)普遍采用模糊控制的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。目前，plc在國(guó)內(nèi)外工業(yè)控制中已獲得廣泛應(yīng)用，在礦井排水系統(tǒng)中，采用plc自動(dòng)監(jiān)測(cè)排水系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)記錄、故障報(bào)警、事故分析、多臺(tái)水泵啟動(dòng)的自動(dòng)切換等，所得到的動(dòng)態(tài)資料準(zhǔn)確性高，控制的可靠性高。1.3 課題主要研究?jī)?nèi)容針對(duì)上述排水系統(tǒng)存在的問(wèn)題，本文提出了基于siemens的s7-300 plc的礦井主排

10、水系統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，將使得排水系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)，整個(gè)工作流程通過(guò)軟件的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，程序確定后，水泵機(jī)組將按給定的程序自動(dòng)啟停水泵、開(kāi)關(guān)閥門(mén)，極大的減小工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。plc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)傳至地面生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控中心主機(jī)，管理人員在地面即可掌握井下中央泵房設(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)井下中央泵房的遙測(cè)、遙控。70山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 課題設(shè)計(jì)要求分析本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了如下功能：（1） 根據(jù)井下水倉(cāng)水位的高低自動(dòng)控制3臺(tái)水泵的運(yùn)行；（2） 具有過(guò)流、過(guò)壓、短路、流量等保護(hù)信號(hào)的監(jiān)

11、測(cè)功能；（3） 具有以下三種工作模式：自動(dòng)控制工作模式、就地手動(dòng)控制工作模式、遠(yuǎn)程控制模式；（4） 就地顯示功能：可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作方式、三臺(tái)水泵的狀態(tài)、電源電壓、電流、各水泵的振動(dòng)、電機(jī)繞組溫度、管網(wǎng)的壓力、水倉(cāng)水位等參數(shù)；（5）報(bào)警功能： 振動(dòng)超限 電機(jī)溫度超限 水位超限 過(guò)電流 過(guò)電壓（6）通信功能：通過(guò)與上位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心對(duì)排水系統(tǒng)各參數(shù)及各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制。排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1 排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖井下排水系統(tǒng)的主要構(gòu)成器件有水泵、真空泵、排水管以及各種閘閥。2.2 課題設(shè)計(jì)功能分析該排水系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)排除井下積水功能的前提下，實(shí)現(xiàn)全程

12、的自動(dòng)控制，根據(jù)課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容分析可知設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的功能有排水自動(dòng)控制功能、上位機(jī)顯示功能、故障報(bào)警功能、上位機(jī)參數(shù)設(shè)置功能等，下面根據(jù)功能框圖對(duì)各部分功能具體介紹。圖2.2 排水系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖該控制系統(tǒng)由模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊以及上位機(jī)通信構(gòu)成。模擬量輸入模塊和數(shù)字量輸入模塊輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)cpu模塊的處理后經(jīng)過(guò)數(shù)字量輸出模塊輸出并完成與通信模塊的通信。該系統(tǒng)選用plc作中心控制器，模擬量輸入模塊主要輸入溫度傳感器、壓力傳感器、電流電壓傳感器等的數(shù)值；數(shù)字量輸入模塊主要是水泵電機(jī)的開(kāi)關(guān)信號(hào)；數(shù)字量輸出模塊是電機(jī)及閘閥的控制輸出；通信模塊將上位機(jī)與plc連接，進(jìn)行通信。

13、2.2.1 排水自動(dòng)控制功能該系統(tǒng)處于排水自動(dòng)控制過(guò)程時(shí)，由液位傳感器連續(xù)檢測(cè)水倉(cāng)水位，根據(jù)水倉(cāng)和吸水井的水位，自動(dòng)開(kāi)停水泵及其閥門(mén)，在正常水位時(shí)，各臺(tái)水泵能自動(dòng)輪換工作，在危險(xiǎn)水位時(shí)，自動(dòng)投入必要數(shù)量的水泵運(yùn)行。具體控制流程如下:（1）當(dāng)水倉(cāng)水位達(dá)到高水位時(shí)，水位傳感器發(fā)出開(kāi)泵信號(hào)，由plc控制按程序進(jìn)行開(kāi)泵操作。（2）灌引水，開(kāi)啟抽真空管路上的電動(dòng)球閥，再開(kāi)啟真空泵，利用泵體內(nèi)形成的真空度對(duì)泵體進(jìn)行灌引水，達(dá)到啟動(dòng)主水泵的條件。（3）啟動(dòng)主排水泵：根據(jù)壓力傳感器反饋信號(hào)，決定啟動(dòng)主排水泵。首先通過(guò)plc控制啟動(dòng)高壓柜，然后根據(jù)高壓柜開(kāi)閘合閘信號(hào)反饋，啟動(dòng)高壓軟啟動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)主水泵的軟啟動(dòng)

14、。（4）水泵正常啟動(dòng)后，plc控制電動(dòng)閘閥開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)正常排水。（5）當(dāng)水倉(cāng)水位達(dá)到低水位時(shí)，水位傳感器發(fā)出停泵信號(hào)，由plc控制按程序進(jìn)行停泵操作，停泵操作順序與開(kāi)泵操作順序相反。2.2.2 故障保護(hù)、報(bào)警功能 水泵電機(jī)容量大，耗電量高，屬一級(jí)負(fù)荷。因此，對(duì)排水設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性、可靠性要求較高。本系統(tǒng)設(shè)有以下保護(hù)： （1）過(guò)電流、過(guò)電壓、漏電保護(hù)：plc通過(guò)接在電機(jī)電源主回路里的電量檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出電機(jī)電流、電壓等，把這些數(shù)值通過(guò)模擬量輸入模塊傳輸?shù)娇删幊炭刂破鳎煽删幊炭刂破鱬lc計(jì)算、判斷電動(dòng)機(jī)工況。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或保護(hù)裝置動(dòng)作，故障報(bào)警。 （2）超溫保護(hù)：水泵

15、長(zhǎng)期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度、電機(jī)溫度超出允許值時(shí)，通過(guò)溫度保護(hù)控制使水泵停車(chē)。 （3）流量保護(hù)：當(dāng)水泵在運(yùn)行過(guò)程中，其排水量達(dá)不到正常值時(shí)，應(yīng)通過(guò)流量保護(hù)裝置使水泵停止運(yùn)行。2.2.3 參數(shù)設(shè)置及顯示功能 系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏以圖像、數(shù)據(jù)、文字等方式，直觀、形象、實(shí)時(shí)的反映系統(tǒng)工作狀態(tài)以及水倉(cāng)水位、流量、壓力、電機(jī)溫度等參數(shù)，并通過(guò)通訊模塊與綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)實(shí)行數(shù)據(jù)交換。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還可以通過(guò)觸摸屏來(lái)對(duì)相應(yīng)參數(shù)（如溫度上下限、電壓電流限值、水位值等）進(jìn)行該設(shè)置。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)，并可以節(jié)省水泵的運(yùn)行費(fèi)用。排水檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：（1）實(shí)行在線(xiàn)監(jiān)控 監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)水泵房

16、設(shè)備運(yùn)行實(shí)行在線(xiàn)監(jiān)控，并具有自診斷功能，可實(shí)現(xiàn)水泵房的無(wú)人值守，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與礦井監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接受管理人員指令。（2）控制靈活可實(shí)現(xiàn)多種控制方式之間的切換，應(yīng)用于不同的工作環(huán)境下。一般情況下，根據(jù)水位情況自動(dòng)運(yùn)行，故障檢修或系統(tǒng)維修時(shí)，可使用半自動(dòng)或手動(dòng)方式，即可對(duì)運(yùn)行環(huán)節(jié)“截?cái)唷辈僮鳌?.3 硬件和軟件功能劃分設(shè)計(jì)系統(tǒng)分硬件和軟件兩大部分，硬件部分主要包括模擬量采集通道設(shè)計(jì)、開(kāi)關(guān)量輸入通道、開(kāi)關(guān)量輸出通道、可編程邏輯控制器的概況、cpu的選型、供電電源、顯示模塊、上位機(jī)通信、泵的介紹設(shè)計(jì)等幾部分，主要在于對(duì)該設(shè)計(jì)硬件組成作詳盡的介紹。 而軟件部分主要有設(shè)計(jì)綜述、主程序設(shè)計(jì)、主要子程序

17、設(shè)計(jì)、上位機(jī)通信幾部分，其完成的主要功能為通過(guò)控制模擬通道對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、完成對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、設(shè)置，并通過(guò)通信將其顯示在上位機(jī)上。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 cpu的選型 cpu是plc系統(tǒng)的運(yùn)算控制核心。它根據(jù)程序的要求完成以下任務(wù)：接收并儲(chǔ)存用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)，接受現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，診斷plc內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程狀態(tài)中的語(yǔ)法錯(cuò)誤，完成用戶(hù)程序規(guī)定的運(yùn)算任務(wù)，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，完成輸出控制或數(shù)據(jù)通信的功能?？紤]到設(shè)計(jì)中i/o點(diǎn)數(shù)可能有疏漏，并考慮到i/o端的分組情況以及隔離與接地要求，應(yīng)在統(tǒng)計(jì)后得出的i/o點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上，增加10

18、%到15%的余量。plc的i/o點(diǎn)數(shù)估算值大小，在很大程度上反映了plc系統(tǒng)的功能要求，因此可以在i/o點(diǎn)數(shù)估算值的基礎(chǔ)上計(jì)算對(duì)plc存儲(chǔ)器容量的需求。目前，大多用統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行存儲(chǔ)器容量估算。這種方法是以plc處理每個(gè)信息量所需存儲(chǔ)器數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均經(jīng)驗(yàn)值為依據(jù)，乘以信息量數(shù)再考慮一定的余量計(jì)算得到存儲(chǔ)器需要容量。作為一般應(yīng)用下的一種經(jīng)驗(yàn)公式是：存儲(chǔ)器容量（kb）=（1.1-1.25）×（di×10+do×5+ai/o×100）/1024其中：di為數(shù)字量輸入總點(diǎn)數(shù)； do為數(shù)字量輸出總點(diǎn)數(shù)； ai/o為模擬量i/o通道總數(shù)。di點(diǎn)數(shù)估計(jì)值為32

19、5;1.15=37，do點(diǎn)數(shù)估計(jì)值為25×1.15=29，ai通道估計(jì)值為43×1.15=50個(gè)。plc是為工業(yè)自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的通用控制器，不同檔次的plc的響應(yīng)速度一般能滿(mǎn)足應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用plc，或者應(yīng)用中的某些功能或信號(hào)有特別的速度要求時(shí)，確定plc的型號(hào)就應(yīng)特別慎重。通過(guò)上面的計(jì)算，考慮到系統(tǒng)通訊要求，選用西門(mén)子s7-300系列中的cpu315-2 dp是最合適的。其中最主要的原因是cpu315-2 dp是s7-300系列中唯一帶現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)sinec l2-dp接口的cpu模塊。內(nèi)置80kb ram，隨機(jī)存儲(chǔ)器為48kb，最大數(shù)字量i/o點(diǎn)數(shù)為1024

20、個(gè)，最大模擬量i/o通道數(shù)為128個(gè)。最大配置4個(gè)機(jī)架，32塊模塊。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。3.2 傳感器的選型設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)中傳感器的信號(hào)輸入為模擬信號(hào)，設(shè)計(jì)中采用sm331模擬量輸入模塊，該模塊主要由a/d轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開(kāi)關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。a/d轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法，積分時(shí)間直接影響到a/d轉(zhuǎn)換時(shí)間和a/d轉(zhuǎn)換的精度。被測(cè)模擬量的精度是所設(shè)定積分時(shí)間的正函數(shù)。sm331可選4檔積分： 2.5ms,16.7ms,20ms,100ms，相應(yīng)對(duì)的精度為9,12,12,14位，設(shè)計(jì)中選擇8通道12位模擬量輸入模塊。硬件連接圖見(jiàn)附錄圖9.1、圖9.2、

21、圖9.3、圖9.4。該設(shè)計(jì)所用模擬通道總路數(shù)為43路，具體如下表3.1。表3.1 模擬量輸入通道統(tǒng)計(jì)表模擬量輸入路數(shù)水倉(cāng)水位1水泵真空度3水泵軸承溫度6電機(jī)溫度15水泵出水口壓力3電機(jī)電壓3電機(jī)電流3水泵電動(dòng)閥開(kāi)度3排水管流量3電機(jī)振動(dòng)3總計(jì)43下面對(duì)于所用模擬通道各路的外部鏈接作具體介紹，分別為液位傳感器、流量傳感器、負(fù)壓傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電流電壓傳感器、振動(dòng)傳感器。3.2.1 液位傳感器的選型設(shè)計(jì) （1）超聲波液位傳感器超聲波傳感器由兩部分組成，即換能器和液位傳感器主控箱。其主要功能是檢測(cè)聲頭到液面的距離，由微處理器計(jì)算液位參數(shù)，輸出模擬信號(hào)。超聲波液位傳感器是利用超聲波在兩

22、種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從反射超聲波脈沖開(kāi)始，到接受到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對(duì)水位進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個(gè)換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各使用一個(gè)換能器。超聲波發(fā)射和接收換能器可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖3.1所示。對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō)，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時(shí)間為： （3.1）則 （3.2）式中：h 換能器距液面的距離； c 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。從以上公式中可以看出，只要測(cè)的超聲波脈沖從發(fā)

23、射到接收的時(shí)間間隔，便可以求得待測(cè)的液位。圖3.1 超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中采用qf-9000防爆型超聲波液位傳感器，其技術(shù)參數(shù)如表3.2所示。表3.2 超聲波液位傳感器技術(shù)參數(shù)表型號(hào)qf-9000測(cè)量范圍070m測(cè)量精度±3mm或35重復(fù)精度1頻率40khz / 24khz輸出420ma、rs485協(xié)議應(yīng)用場(chǎng)合防爆環(huán)境供電電壓dc24v 150ma（2）投入式液位傳感器投入式液位傳感器是一種測(cè)量液位的壓力傳感器，基于所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)

24、償和線(xiàn)性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，如圖3.2所示。圖3.2 投入式液位傳感器具體的來(lái)說(shuō)是：傳感頭根據(jù)水中的壓力與空氣中的壓力差，傳感頭把水位的高度變換成壓力差，再把壓力差轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，該微弱的電信號(hào)經(jīng)放大器放大后送a/d變換器，單片機(jī)采集數(shù)字信號(hào)經(jīng)運(yùn)算處理后，輸出的水位高度用數(shù)碼管顯示，同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。上述兩種液位傳感器是基于不同的工作原理設(shè)計(jì)和制造出來(lái)的，分別適用于不同的工作場(chǎng)所。當(dāng)然有些場(chǎng)所可以使用兩種當(dāng)中的任何一種，也可以同時(shí)使用在同一個(gè)被檢測(cè)對(duì)象。由于煤礦井下的排水系統(tǒng)重要的安全地位，而水位傳感器是整個(gè)排水系統(tǒng)的嗅覺(jué)器官。也就是說(shuō)，一旦水位傳感器失靈，后面的排水硬件和響應(yīng)軟

25、件設(shè)置得再好都無(wú)法啟動(dòng)。所以，本設(shè)計(jì)采用精度較高的超聲波液位傳感器。3.2.2負(fù)壓傳感器的選型設(shè)計(jì)kgy4型負(fù)壓傳感器由供電電源、傳感頭、放大器、a/d變換器、單片機(jī)、顯示電路、輸出電路等部分組成。傳感器的電源部分向傳感頭提供電源，傳感頭把壓力差變換成微弱的電信號(hào)，放大器把微弱的電信號(hào)加以放大然后由a/d變換器將模擬的電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理把壓力值通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)，并且把壓力值以電流信號(hào)輸出。kgy4型負(fù)壓傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表3.3所示。表3.3 kgy4型負(fù)壓傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)輸入 -100kpa測(cè)量介質(zhì)對(duì)不銹鋼不腐蝕的氣、液體工作方式負(fù)壓、真空度工作電

26、壓5v dc或10v dc（24v）輸出100mv或05v、420ma零位輸出2mv綜合精度0.05%非線(xiàn)性±0.1%es（典型值）工作溫度范圍 -40120溫度漂移0.025%es/3.2.3壓力傳感器的選型設(shè)計(jì)（1）壓阻式壓力傳感器原理介紹壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。壓阻式傳感器常用于壓力、拉力、壓力差和可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓钠渌锢砹浚ㄈ缫何?、加速度、重量、?yīng)變、流量、真空度）的測(cè)量和控制。壓阻式壓力傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi)，引出電極引線(xiàn)。圖3.3為壓阻式式壓力傳感器

27、。壓阻式壓力傳感器又稱(chēng)為固態(tài)壓力傳感器，它不同于粘貼式應(yīng)變計(jì)需通過(guò)彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過(guò)硅膜片感受被測(cè)壓力的。硅膜片的一面是與被測(cè)壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔。硅膜片一般設(shè)計(jì)成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為2060。在圓形硅圖3.3 壓阻式壓力傳感器膜片(n型)定域擴(kuò)散4條p雜質(zhì)電阻條,并接成全橋，其中兩條位于壓應(yīng)力區(qū)，另兩條處于拉應(yīng)力區(qū)，相對(duì)于膜片中心對(duì)稱(chēng)。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴(kuò)散制作電阻條 ，兩條受拉應(yīng)力的電阻條與另兩條受壓應(yīng)力的電阻條構(gòu)成全橋。（2）hs-956系列薄膜壓力變送器在本系統(tǒng)中使用了hs-956系列薄膜壓力變送器。h

28、s-956系列薄膜壓力變送器由高性能的薄膜壓力傳感器與信號(hào)調(diào)理電路組成。該系列產(chǎn)品技術(shù)獨(dú)特、性能優(yōu)越，具有體積小、重量輕、安裝簡(jiǎn)便、能在惡劣環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的特點(diǎn)，特別符合頻繁沖擊壓力的測(cè)量。是目前理想的流體壓力測(cè)量?jī)x表。 主要技術(shù)指標(biāo)： 介質(zhì)：液體、氣體或蒸汽； 輸出：兩線(xiàn)制420ma.dc； 量程：60mpa； 電源：24v.dc，無(wú)負(fù)載時(shí)可工作在12v.dc，最大電源電壓36v.dc； 輸出限制：變送器過(guò)壓時(shí)，內(nèi)部限流器輸出電流限制在25ma以下。 3.2.4流量計(jì)的安裝及使用 （1）水泵的流量與水泵出口的閘閥開(kāi)度和出口壓力、電動(dòng)機(jī)電流有直接的關(guān)系，這些參數(shù)之間相互結(jié)合可以檢測(cè)出水泵、電

29、動(dòng)機(jī)的性能和工況，因此水泵出口流量的檢測(cè)有非常重要的意義。水泵出口流量的檢測(cè)有兩種布置方式： 流量檢測(cè)器安裝分別安裝在水泵出口的分支管路上； 流量檢測(cè)器安裝在水泵的總管路上。兩種安裝位置的比較，采用的安裝方式可以滿(mǎn)足需求。采用的安裝方式可以保證準(zhǔn)確測(cè)量每一個(gè)水泵在每個(gè)工作過(guò)程中的流量。從而可以比較準(zhǔn)確的判斷出每個(gè)水泵機(jī)組的工作特性。但是結(jié)合煤礦井下排水過(guò)程的特點(diǎn)：水泵的工作方式（輪番啟動(dòng)），如果采用所示的安裝方式，也可以判斷出每個(gè)水泵的流量，但是需要比較復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件中可以通過(guò)檢測(cè)干路中的流量總和和所開(kāi)啟的水泵數(shù)目，可以得到整個(gè)排水泵點(diǎn)擊機(jī)組的工況。因此處于造價(jià)、硬件系統(tǒng)的復(fù)雜等方

30、面的考慮，優(yōu)先選擇的方式設(shè)置流量計(jì)。 （2）電磁流量計(jì)工作原理電磁流量計(jì)由電磁流量轉(zhuǎn)換器和電磁流量傳感器組成的。電磁流量轉(zhuǎn)換器是為電磁流量傳感器提供電源，并將其測(cè)量的流量信號(hào)整定成為標(biāo)準(zhǔn)的420ma電流等其他形式的信號(hào)。電磁流量傳感器是根據(jù)法拉第原理制成的一種流量計(jì)，用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電液體的流量。其原理圖如圖3-7所示，它是由產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的系統(tǒng)、不導(dǎo)磁材料的管道以及在管道橫截面上的導(dǎo)電電極組成。磁場(chǎng)方向、電極連線(xiàn)、管道軸線(xiàn)三者之間是相互垂直的。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電液體流過(guò)管道時(shí)，切割磁力線(xiàn)，于是在和磁場(chǎng)及流動(dòng)方向垂直方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其數(shù)值與液體的流速成正比。即 e=bdv （3.3）式中：b磁感應(yīng)強(qiáng)度（

31、t）； d切割磁力線(xiàn)的導(dǎo)體液體的長(zhǎng)度（為管道內(nèi)徑）（m）； v導(dǎo)電液體在管道內(nèi)的平均流速（m/s）。由式（3-7）得被測(cè)導(dǎo)電液體的體積流量為 （3.4）因此，知道感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就可以測(cè)出導(dǎo)電液體的流量。圖3.5 電磁流量傳感器原理圖理論上認(rèn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度b是常量，即直流磁場(chǎng)。但直流電勢(shì)將使被測(cè)液體電解，使電極極化。正電極背負(fù)離子包圍，負(fù)電極被一層正離子包圍，加大了電極的電阻，破壞了原來(lái)的測(cè)量條件。同時(shí)內(nèi)阻增加隨被測(cè)液體成分的變化和工作時(shí)間長(zhǎng)短而變化，因而使輸出電勢(shì)不固定，影響測(cè)量精度。而對(duì)被測(cè)量介質(zhì)的流量測(cè)量采用交流電（頻率為50hz）勵(lì)磁的交流磁場(chǎng)，即 （3.5）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 (3.6)所以體積流

32、量為 (3.7)為了避免測(cè)量管路引起磁分流，故需要用非導(dǎo)磁材料做成。另外，由于測(cè)量管路處于較強(qiáng)的交流磁場(chǎng)中，管壁產(chǎn)生渦流，因而產(chǎn)生二次磁通。為了減少渦流，要求測(cè)量管路的材料具有較高電阻率。且對(duì)于不同直徑的電磁流量計(jì)，其電極、測(cè)量管路都采用不同的材料做成。隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的加強(qiáng)和進(jìn)步，各種智能型電磁流量計(jì)已經(jīng)很容易地制造出來(lái)，并應(yīng)用于測(cè)量管道中導(dǎo)電液體的體積流量，如水、污水、泥漿、礦漿、酸、堿、鹽液體及食品漿液等。在石油化工、礦冶、煤炭、水利工程給排水、污水處理等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。電磁流量計(jì)可以達(dá)到以下要求： 420ma信號(hào)輸出型； 抗干擾性強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性可靠、整體防爆； 測(cè)量范圍寬，流速0.

33、315m/s。隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的加強(qiáng)和進(jìn)步，電磁流量計(jì)達(dá)到抗干擾性強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性可靠、整體防爆的要求，適合在煤礦井下使用，且也逐步的推廣和使用。由于每臺(tái)水泵的工作曲線(xiàn)特別是使用了一定年限的離心式水泵的流量/功率、流量/效率等曲線(xiàn)有較大的差異，因此無(wú)法各處每臺(tái)水泵在工作過(guò)程中的流量正常閾值和水泵排出水過(guò)少的閾值。這些閾值只有在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)每臺(tái)水泵不同的流量特性設(shè)定出相應(yīng)的閾值。雖然電磁流量傳感器在使用、安裝的過(guò)程中比較復(fù)雜，但可以肯定的說(shuō)，隨著流量傳感器在中央泵房自動(dòng)排水系統(tǒng)的應(yīng)用，將大大提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。3.2.5溫度傳感器的選型設(shè)計(jì)溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)。所謂接

34、觸式就是傳感器直接與被測(cè)物體接觸，這是測(cè)溫的基本形式。這類(lèi)溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最多的一類(lèi)。非接觸式溫度傳感器理論上不存在接觸式溫度傳感器的滯后和應(yīng)用范圍上的限制，可測(cè)高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動(dòng)物體及固體、液體表面的溫度，不干擾被測(cè)溫度場(chǎng)，但測(cè)量精度低，使用不太方便。通過(guò)比較，宜選擇接觸器溫度傳感器測(cè)量溫度比較合適。本文選擇pt100溫度傳感器測(cè)電機(jī)及水泵溫度。pt100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)溫，其溫度/組織對(duì)應(yīng)關(guān)系為：-200<t<0時(shí)， （3.8）0t850時(shí)， （3.9）式中

35、，a=3.90802×10-3；b=-5.80×10-7；c=4.2735×10-12。pt100溫度傳感器是一個(gè)模擬信號(hào)，它在實(shí)際應(yīng)用中有兩種形式：一種是不需要顯示的，主要采集到plc，pt100直接把采集到的電阻變?yōu)?5v dc輸入到plc，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以得到相應(yīng)的溫度值（這樣的形式可以同時(shí)采集多路）。還有一種就是單獨(dú)的一個(gè)pt100溫度傳感器（工作電源是24v dc），產(chǎn)生一個(gè)420ma的電流。pt100溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)溫范圍：-200+850；允許偏差值：a級(jí)±（0.15+0.002），b級(jí)±（0.30+0.005

36、）；熱響應(yīng)時(shí)間小于30s；最小置入深度：熱電阻的最小置入深度200mm；允通電流5ma。另外，pt100溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。3.2.6振動(dòng)傳感器振動(dòng)變送器分為分體式跟一體化兩種。bvm-200b系列振動(dòng)變送器，主要用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的絕對(duì)振動(dòng)，如機(jī)殼振動(dòng)、軸瓦振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等。監(jiān)測(cè)由于轉(zhuǎn)子的不平衡、不對(duì)中、機(jī)件松動(dòng)、滾動(dòng)軸承損壞、齒輪損壞等引起的振動(dòng)變化。適用于汽輪機(jī)、水輪機(jī)、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、電機(jī)、齒輪箱等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，適用于不同類(lèi)型的振動(dòng)傳感器。bvm-200b一體化型振動(dòng)變送器，主要用于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)各種大型設(shè)備運(yùn)行時(shí)的機(jī)械振動(dòng)及設(shè)備狀態(tài)，如機(jī)殼振動(dòng)、軸瓦振動(dòng)、

37、軸系振動(dòng)等。監(jiān)測(cè)由于轉(zhuǎn)子的不平衡，不對(duì)中、機(jī)件松動(dòng)、滾動(dòng)軸承損壞、齒輪損壞等引起的振動(dòng)變化。適用于汽輪機(jī)、水輪機(jī)、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、制氧機(jī)、電機(jī)、泵、齒輪箱等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械。適用于不同類(lèi)型的振動(dòng)傳感器。bvm-200b振動(dòng)變送器的主要技術(shù)參數(shù)如表3.4所示。表3.4 bvm-200b振動(dòng)變送器的主要技術(shù)參數(shù)輸出 加速度型測(cè)量范圍振動(dòng)速度（mm/s）振動(dòng)位移峰值 (m)振動(dòng)加速度峰(m/s2)0-2000-20000-200輸出三線(xiàn)制對(duì)應(yīng)420ma負(fù)載電阻0500動(dòng)態(tài)波形輸出+1v (7mv/mms-1)頻率響應(yīng)51000hz3.2.7電壓、電流傳感器的設(shè)計(jì)選型該設(shè)計(jì)中測(cè)量電流電壓信號(hào)采用霍爾電流、電

38、壓傳感器，霍爾電流、電壓傳感器是當(dāng)今電子測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，可廣泛應(yīng)用于電力、電子、交流變頻調(diào)速、逆變裝置、電子測(cè)量和開(kāi)關(guān)電源等諸多領(lǐng)域，可完全替代傳統(tǒng)的互感器和分流器，并具有精度高、線(xiàn)性度好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失測(cè)量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。（1）霍爾傳感器/變送器的工作原理 霍爾電流、電壓傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的。它有兩種工作方式，即磁平衡式和直放式，霍爾電流、電壓傳感器一般由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件和放大電路等組成。 直測(cè)式霍爾電流傳感器原邊電流ip產(chǎn)生的磁通量聚集在磁路中，并由霍爾器件檢測(cè)出霍爾電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大，該電壓信號(hào)精確地反映原邊電流。磁平衡霍爾電流

39、傳感器原邊電流ip產(chǎn)生的磁通量與霍爾電壓經(jīng)放大產(chǎn)生的副邊電流is通過(guò)副邊線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁通量相平衡。副邊電流is精確地反映原邊電流。磁平衡霍爾電壓傳感器原邊電壓vp通過(guò)原邊電阻r 1轉(zhuǎn)換為原邊電流ip，ip產(chǎn)生的磁通量與霍爾電壓經(jīng)放大產(chǎn)生的副邊電流is通過(guò)副邊線(xiàn)圈所產(chǎn)生的。（2）霍爾電流、電壓傳感器技術(shù)指標(biāo)及特點(diǎn) 量程：電流為510000a；電壓為55000v； 精度：霍爾傳感器模塊在工作區(qū)域內(nèi)的精度優(yōu)于1%； 線(xiàn)性度：優(yōu)于0.5%； 工作頻帶：020hz； 過(guò)載能力：0±10000a。3.3 開(kāi)關(guān)量輸入通道 開(kāi)關(guān)量輸入為數(shù)字量輸入模塊，設(shè)計(jì)采用sm321數(shù)字量輸入模塊。該模塊共有32

40、點(diǎn)輸入，按每組16個(gè)隔離，直流24v供電，模塊接口電路完成現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)變?yōu)閜lc內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，其中外部開(kāi)關(guān)信號(hào)與內(nèi)部電路通過(guò)光耦隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)煤礦井下防爆電氣設(shè)備的要求，從危險(xiǎn)區(qū)域引入水泵控制裝置的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)電氣隔離。因此該系統(tǒng)中需要在sm321接口模塊前端加以光耦隔離板。危險(xiǎn)區(qū)引入的開(kāi)關(guān)量信號(hào)采用本安電源供電，引入到sm321模塊內(nèi)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)采用ps307電源模塊供電，如圖3.6所示。圖3.6 sm321接線(xiàn)原理 該設(shè)計(jì)所用數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，具體如下表3.5 。表3.5 數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)方式選擇開(kāi)關(guān)2水泵手動(dòng)啟動(dòng)3水泵手動(dòng)停止3水泵檢修3真空電磁閥開(kāi)到

41、位2真空電磁閥關(guān)到位2水泵電動(dòng)閥開(kāi)到位3水泵電動(dòng)閥關(guān)到位3電機(jī)開(kāi)返回信號(hào)3電機(jī)關(guān)返回信號(hào)3備用開(kāi)關(guān)1故障復(fù)位信號(hào)1采集水位信號(hào)3總計(jì)323.4 顯示模塊的設(shè)計(jì)3.4.1觸摸屏簡(jiǎn)介 觸摸屏是一種定位設(shè)備，用戶(hù)可以直接用手向計(jì)算機(jī)輸入坐標(biāo)信息和鼠標(biāo)、鍵盤(pán)一樣，是一種輸入設(shè)備。觸摸屏具有堅(jiān)固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點(diǎn)。利用這種技術(shù)，只要用手指輕輕地碰觸計(jì)算機(jī)顯示屏上的圖符或文字就能實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)操作，從而使人機(jī)交互更為直接了當(dāng)，這種技術(shù)極大方便了那些不懂電腦操作的用戶(hù)。觸摸屏的應(yīng)用范圍非常廣闊，主要有公共信息的查詢(xún)，如電信局、稅務(wù)局、銀行、電力等部門(mén)的業(yè)務(wù)查詢(xún)；城市街頭的信息查詢(xún)；此

42、外還可廣泛應(yīng)用于企業(yè)辦公、工業(yè)控制、軍事指揮、電子游戲、點(diǎn)歌點(diǎn)菜、多媒體教學(xué)、房地產(chǎn)預(yù)售等。 所謂觸摸屏，從市場(chǎng)概念來(lái)講，就是一種人人都會(huì)使用的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，或者說(shuō)是人人都會(huì)使用的與計(jì)算機(jī)溝通的設(shè)備。不用學(xué)習(xí)，人人都會(huì)使用，是觸摸屏最大的魔力，這一點(diǎn)無(wú)論是鍵盤(pán)，還是鼠標(biāo)，都無(wú)法與其相比。人人都會(huì)使用，也就標(biāo)志著計(jì)算機(jī)應(yīng)用普及時(shí)代的真正到來(lái)。 從技術(shù)原理角度來(lái)講，觸摸屏是一套透明的絕對(duì)定位系統(tǒng)，首先它必須保證是透明的，因此它必須通過(guò)材料科技來(lái)解決透明問(wèn)題，像數(shù)字化儀、寫(xiě)字板、電梯開(kāi)關(guān)，它們都不是觸摸屏；其次它是絕對(duì)坐標(biāo)，觸摸屏軟件都不需要光標(biāo)，有光標(biāo)反倒影響用戶(hù)的注意力，因?yàn)楣鈽?biāo)是給相對(duì)定位的

43、設(shè)備用的，相對(duì)定位的設(shè)備要移動(dòng)到一個(gè)地方首先要知道現(xiàn)在在何處，往哪個(gè)方向去，每時(shí)每刻還需要不停的給用戶(hù)反饋當(dāng)前的位置才不至于出現(xiàn)偏差。這些對(duì)采取絕對(duì)坐標(biāo)定位的觸摸屏來(lái)說(shuō)都不需要;再其次就是能檢測(cè)手指的觸摸動(dòng)作并且判斷手指位置。3.4.2觸摸屏工作原理 為了操作上的方便，人們用觸摸屏來(lái)代替鼠標(biāo)或鍵盤(pán)。工作時(shí)，我們必須首先用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然后系統(tǒng)根據(jù)手指觸摸的圖標(biāo)或菜單位置來(lái)定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測(cè)部件和觸摸屏控制器組成；觸摸檢測(cè)部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測(cè)用戶(hù)觸摸位置，接受后送觸摸屏控制器;而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測(cè)裝置上接收觸摸信息，并

44、將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)，再送給cpu，它同時(shí)能接收cpu發(fā)來(lái)的命令并加以執(zhí)行。本設(shè)計(jì)選用臺(tái)達(dá)觸摸屏（如圖3.7所示）作為顯示界面，其工作原理為：電容屏表面涂有透明電導(dǎo)層itd，電壓連接到四角，微小直流電散部在屏表面，形成均勻之電場(chǎng)，用手觸屏?xí)r，人體作為耦合電容一極，電流從屏四角匯集形成耦合電容另一極，通過(guò)控制器計(jì)算電流傳到碰觸位置的相對(duì)距離得到觸摸的坐標(biāo)。臺(tái)達(dá)觸摸屏是一種可接收觸頭等輸入訊號(hào)的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當(dāng)接觸了屏幕上的圖形按鈕時(shí)，屏幕上的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程序驅(qū)動(dòng)各種連結(jié)裝置，可用以取代機(jī)械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫(huà)面制造出生動(dòng)的影音效果。圖3.7 臺(tái)達(dá)觸摸屏3.5 開(kāi)關(guān)量

45、輸出通道開(kāi)關(guān)量輸出為數(shù)字量輸出模塊，設(shè)計(jì)采用sm322數(shù)字量輸出模塊，該模塊將s7-300內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成過(guò)程所需要的外部信號(hào)電平，可直接用于驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、小型電動(dòng)機(jī)、燈和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器等。按負(fù)載回路使用的電源不同分為：直流輸出模塊、交流輸出模塊和直交流兩用輸出模塊。按輸出開(kāi)關(guān)器件的種類(lèi)不同可分為：晶體管輸出方式、可控硅輸出方式和繼電器輸出方式。晶體管輸出方式的模塊，只能帶直流負(fù)載，屬于直流輸出模塊，沒(méi)有反極性保護(hù)措施，輸出具有短路保護(hù)功能，使用于驅(qū)動(dòng)電磁閥和直流接觸器。可控硅輸出方式屬于交流輸出方式，適用于驅(qū)動(dòng)交流電磁閥、接觸器、電機(jī)起動(dòng)器和燈。繼電器觸點(diǎn)輸出方式的模塊屬于交直流兩用輸

46、出模塊，其額定負(fù)載電壓較寬，直流可以從24v到120v，交流可以從48v到230v。sm322有16點(diǎn)晶體管輸出、32點(diǎn)晶體管輸出、16點(diǎn)可控硅輸出、8點(diǎn)晶體硅輸出、8點(diǎn)可控硅輸出、8點(diǎn)繼電器輸出和16點(diǎn)繼電器輸出共七種型號(hào)輸出模塊可供選擇。該硬件連接圖見(jiàn)附錄圖9.6 。該設(shè)計(jì)選用32點(diǎn)晶體輸出。該設(shè)計(jì)所用數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)為25點(diǎn)，具體如下表3.6 。表3.6 數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)水泵電動(dòng)閥開(kāi)3水泵電動(dòng)閥關(guān)3真空泵電磁閥開(kāi)1真空泵電磁閥關(guān)1真空泵啟動(dòng)2真空泵停止2水泵啟動(dòng)3水泵停止3指示燈7總計(jì)253.6 通訊模塊設(shè)計(jì) 上位機(jī)與plc之間進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息的有效傳遞。設(shè)計(jì)中運(yùn)用rs

47、485通訊方式進(jìn)行通訊。rs485和rs232的基本的通訊機(jī)理是一致的，他的優(yōu)點(diǎn)在于彌補(bǔ)了rs232 通訊距離短，不能進(jìn)行多臺(tái)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理的缺點(diǎn)。計(jì)算機(jī)通過(guò) rs232/rs485轉(zhuǎn)換器，既可以實(shí)現(xiàn)rs232接口與rs485接口的轉(zhuǎn)變，還可以實(shí)現(xiàn)依次連接多臺(tái)485設(shè)備，采用輪詢(xún)的方式，對(duì)總線(xiàn)上的設(shè)備輪流進(jìn)行通訊。rs485的基本特性：通訊距離：只負(fù)載一臺(tái)485設(shè)備時(shí)，最遠(yuǎn)的設(shè)備（控制器）到計(jì)算機(jī)的連線(xiàn)距離可達(dá)1200米。485通訊總線(xiàn)必須用雙絞線(xiàn)，或者網(wǎng)線(xiàn)的其中一組，如果用普通的電線(xiàn)（沒(méi)有雙絞）干擾將非常大，通訊不暢，甚至通訊不上;rs-485的電氣特性：邏輯“1”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為+

48、(26)v表示；邏輯“0”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為-(26)v表示。接口信號(hào)電平比rs-232-c降低了，就不易損壞接口電路的芯片， 且該電平與ttl電平兼容，可方便與ttl 電路連接;rs-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率:10mbps ;rs-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好; rs-485最大傳輸速率為10mb/s，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100kb/s的傳輸速率下，才可以達(dá)到最大的通信距離，如果需傳輸更長(zhǎng)的距離，需要加485中繼器。該設(shè)計(jì)中不需要。該設(shè)計(jì)中采用pc/ppi電纜連接上位機(jī)與plc，該電纜自帶rs232/rs485轉(zhuǎn)換器，是一根rs2

49、32/rs485匹配電纜。如圖3.8所示。圖3.8 plc與上位機(jī)通信結(jié)構(gòu)框圖3.7 供電電源 一般s7-300 cpu的電源分配是這樣的：ps307采用交流120/230v供電（面板上有輸入電壓選擇開(kāi)關(guān)），輸出直流24v，有三種規(guī)格2a、5a、10a，提供給s7-300 plc使用，同時(shí)也可以作為負(fù)載電源，通過(guò)i/o模塊向使用直流24v的負(fù)載（傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）供電，但大多數(shù)情況下，主要提供給cpu模塊使用，把24v直流轉(zhuǎn)換為5v直流，提供背板總線(xiàn)供電電流用。本設(shè)計(jì)選用 ps307（5a）電源模塊作為plc的供電電源，其屬性為： （1）輸出電流為5a;（2）輸出電壓為24vdc；短路和短路

50、保護(hù)；（3）與單向交流電源連接（額定輸入電壓120/230vac,50/60hz）；（4）安全隔離符合en 60 950;（5）可用作負(fù)載電源。圖3.9 電源接線(xiàn)圖 “24 v dc輸出電壓工作”顯示； 24 v dc輸出電壓接線(xiàn)端； 固定裝置； 主回路和保護(hù)性導(dǎo)體接線(xiàn)端； 24 v dc開(kāi)關(guān)。圖3.10 電源方塊圖3.8 系統(tǒng)排水設(shè)備的選型設(shè)計(jì)由于是單水平開(kāi)采，故采用直接排水系統(tǒng)。主泵房的排水設(shè)備，必須有工作、備用和檢修水泵。其中任一臺(tái)水泵的排水能力應(yīng)能在20h內(nèi)排出24h的正常涌水量，兩臺(tái)水泵同時(shí)工作的總能力，應(yīng)能在20h內(nèi)排出礦井24h的最大涌水量，檢修水泵的能力應(yīng)不小于工作水泵能力的2

51、5%。 離心式水泵是礦井中應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)水泵，泵的主要工作部件是安裝在主軸上的葉輪，葉輪上有一定數(shù)量的葉片，泵的外殼為一螺線(xiàn)形擴(kuò)散室，泵的吸水口和吸水管連接，排水口和排水管連接。 泵一般分單級(jí)和多級(jí)，該設(shè)計(jì)中采用多級(jí)泵，多級(jí)泵是煤礦中使用最多的一類(lèi)離心泵，井下主排水、鍋爐給水、深井排水等使用的幾乎全部是多級(jí)離心泵，常見(jiàn)的型號(hào)有d型。多級(jí)泵一般由固定部分、轉(zhuǎn)動(dòng)部分、軸承部分、密封部分組成。固定部分包括進(jìn)水段、中間段和出水段；轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括泵軸、葉輪、平衡盤(pán)；軸承部分包括軸承及潤(rùn)滑油；密封部分有紙墊密封、口環(huán)密封、填料密封、水封密封等。離心式水泵只有在泵殼內(nèi)充滿(mǎn)水的情況下允許啟動(dòng)，通常采用的方法是

52、打開(kāi)逆止閥旁通道上的截止閥讓排水管道中的壓力水注入泵體，泵體內(nèi)的空氣從放氣旋塞中排出。這種方法要求水泵必須裝設(shè)底閥。在排水過(guò)程中，底閥產(chǎn)生一定的水力損失使水泵的電耗增加，效率降低。為了取消底閥、增加吸水高度、便于自動(dòng)控制，還可采用以下充水裝置。水泵房排水設(shè)備一般安置在水井液面以上，所以水泵啟動(dòng)前的灌水一般采用吸入式。為了減小井水吸入阻力，提高泵站運(yùn)作效率，吸水管路不宜設(shè)置底閥。無(wú)底閥吸入式灌水，要采用撞門(mén)的飲水設(shè)備，對(duì)水泵排水腔和吸水管路進(jìn)行抽真空，是水泵運(yùn)行前充滿(mǎn)水，引水設(shè)備一般為真空泵或射流泵。在本系統(tǒng)中采用的是sk型水環(huán)式真空泵。在正常情況下，一臺(tái)真空泵抽氣，當(dāng)一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)備用

53、泵工作，仍能負(fù)擔(dān)抽氣的任務(wù)。抽氣管經(jīng)過(guò)電磁閥與每臺(tái)水泵進(jìn)水端的放氣孔相連，管道接頭處要保證嚴(yán)密。由于真空泵在工作是會(huì)發(fā)熱，及一部分工作液隨氣體一起排走，所以應(yīng)不斷地向真空泵補(bǔ)充清水。當(dāng)真空表的讀數(shù)達(dá)到要求即可啟動(dòng)大水泵。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文軟件設(shè)計(jì)4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)軟件的綜述西門(mén)子的s7-300系列plc所用的編程語(yǔ)言是西門(mén)子開(kāi)發(fā)的step7，這是一種可運(yùn)行于通用微機(jī)中，在windows環(huán)境下進(jìn)行編程的語(yǔ)言。將它通過(guò)計(jì)算機(jī)的串行口和一根pc/mpi轉(zhuǎn)接電纜與plc的mpi口相連，即可進(jìn)行相互間的通信。通過(guò)step7編程軟件，不僅可以非常方便地使用梯形圖和語(yǔ)句表等形式進(jìn)行離線(xiàn)編程，

54、經(jīng)過(guò)編譯后通過(guò)轉(zhuǎn)接電纜直接送入plc的內(nèi)存中執(zhí)行，而且在調(diào)試運(yùn)行時(shí)，還可以在線(xiàn)監(jiān)視程序中各個(gè)輸入輸出或狀態(tài)點(diǎn)的通斷狀況，甚至可以在線(xiàn)修改程序變量的值，給調(diào)試工作也帶來(lái)極大的方便。 此外，還運(yùn)用screen editor實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，以便于隨時(shí)掌控整個(gè)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。采用rs485通信實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與plc的通信，應(yīng)用pc/ppi電纜傳輸（自帶rs485轉(zhuǎn)換器），實(shí)現(xiàn)上位機(jī)操作監(jiān)控。4.2 plc程序設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)之前，首先進(jìn)行軟件流程圖的設(shè)計(jì)和地址的分配。軟件流程圖如圖4.1所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)后，首先與plc通信，然后進(jìn)行模擬量以及i/o處理程序，系統(tǒng)自檢與門(mén)處理程序。然后判斷系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、遠(yuǎn)程控制三種工作方式的哪一種，然后根據(jù)判斷得到的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的操作。根據(jù)控制板上的旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)的位置判斷出系統(tǒng)的運(yùn)行方式后，如處于plc自動(dòng)運(yùn)行方式，則plc根據(jù)程序流程順序執(zhí)行，自動(dòng)完成水泵