機電一體化畢業(yè)設(shè)計（論文）-礦山井下泵房的PLC控制.doc

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1、山東英才學院畢業(yè)設(shè)計題 目： 礦山井下泵房的PLC控制 專 業(yè)： 機電一體化專業(yè) 姓 名： 指導教師： 二O一O年十一月 四 日目錄摘要3關(guān)鍵詞3Abstract4Keywords5第一章 概述51.1 煤礦水泵自動控制系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)有缺陷51.2煤礦綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)的主要目標5第二章 泵控系統(tǒng)設(shè)計與分析72.1系統(tǒng)硬件72.1.1 井下設(shè)備72.1.2 地面設(shè)備72.2軟件系統(tǒng)82.3控制系統(tǒng)功能設(shè)計82.4 控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計9第三章 水位監(jiān)測系統(tǒng)103.1超聲波液位傳感器103.2投入式液位傳感器123.3水泵的工作環(huán)節(jié)及控制過程133.3.1工作環(huán)節(jié)133.3.2 控制過程13第四章

2、 自動排水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計154.1井下排水系統(tǒng)的組成154.2井下水泵自動排水總體分析154.2.1系統(tǒng)的檢測環(huán)節(jié)164.2.2系統(tǒng)的控制方式174.2.3工作方式與工作環(huán)節(jié)174.3水泵控制的控制原則19第五章 基于PLC的應用分析225.1系統(tǒng)的I/O分配表225.2PLC的接線圖245.3 PLC編程245.3.1 以下為部分PLC程序片段255.4結(jié)語26參考文獻27鳴謝27摘要煤炭行業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)。幾年來煤炭工業(yè)的發(fā)展證明,建設(shè)以自動化、信息化為標志的新型現(xiàn)代化礦井已成為煤炭企業(yè)提高礦井安全程度,實現(xiàn)高產(chǎn)高效,增強核心競爭力的必然途徑。礦山在生產(chǎn)過程中，會有一定的涌水量產(chǎn)生，因此，

3、排水設(shè)備是礦山建設(shè)和生產(chǎn)中不可缺少的固定設(shè)備。它的主要任務是即時迅速的排除井下的涌水，以保證礦井的正常生產(chǎn)和安全。礦山排水系統(tǒng)承擔著排出井下全部涌水的重要任務，是保證礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)備的可靠運行關(guān)系到整個礦井的安全。另一方面，排水系統(tǒng)能否達到經(jīng)濟合理運行，直接影響礦井的安全和經(jīng)濟效益。我國礦山泵房排水系統(tǒng)大部分還處于手動及半自動運行狀態(tài)，這種運行狀態(tài)存在很多弊端。針對這些弊端文章介紹了以PLC為控制核心的泵房自動化控制系統(tǒng)、工作原理、功能實現(xiàn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了礦井排水量的自動控制和水泵、電機等設(shè)備的安全監(jiān)測系統(tǒng)，使中央泵房實現(xiàn)遠程監(jiān)控、無人值守，提高了礦井排水系統(tǒng)的工作效率和安全性。關(guān)鍵

4、詞：PLC，排水系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，傳感器，監(jiān)控系統(tǒng)AbstractThe coal industry is the pillar industry. The development of the coal industry over the years has proved that building to automation, information into the new logo has become a modern coal enterprise to improve mine safety mine, to achieve high efficiency, and enhance

5、 core competitiveness of the inevitable way. Mine in the production process, there will be some inflow generated, so drainage is mine construction and production of essential capital equipment. Its main task is to immediately rule out the underground water gushing rapidly in order to ensure normal p

6、roduction and mine safety. Discharge of mine drainage system to undertake the important task of mine all the gushing water, is to ensure that key aspects of mine safety, reliable operation of its equipment related to the safety of the mine. On the other hand, the drainage system can achieve economic

7、al operation, a direct impact on mine safety and economic benefits. Most of mine drainage pumping station is still in the manual and semi-running state, there are many disadvantages of this operation status. This article introduces these drawbacks to the core of the pumping station for the control o

8、f PLC automatic control system, working principle, function realization system to achieve automatic control of the mine discharge and water pumps, motors and other equipment of the safety monitoring system so that the Central Pumping Station, remote monitoring, unattended, the mine drainage system t

9、o improve the efficiency and safety. Keywords: PLC, drainage systems, control systems, sensors, control systems第一章 概述1.1 煤礦水泵自動控制系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)有缺陷煤礦水泵自動控制系統(tǒng)是根據(jù)煤礦礦井的實際情況，在原來的設(shè)施基礎(chǔ)上進行自動化改造，以使設(shè)備在無人干涉的情況下自動運行和自我診斷的一套系統(tǒng)。通過工業(yè)計算機的決策控制，對設(shè)備的運行狀態(tài)、運行過程進行自動檢測、自動控制，使設(shè)備達到最佳工作狀態(tài)，從而達到有效地節(jié)約能源、降低勞動強度、降低運行成本和延長設(shè)備使用壽命等目的。系統(tǒng)綜合了

10、工業(yè)控制技術(shù)和現(xiàn)代軟件技術(shù)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并可與全煤礦自動化系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)，作為全煤礦自動化系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。排水設(shè)備一般功率大，耗電量多，傳統(tǒng)排水只能靠人工手動控制泵的起停，無法利用排水設(shè)備與倉容，科學、合理的調(diào)度排水量與排水時間。因而傳統(tǒng)的礦井排水方式普遍存在能耗大、效率低、生產(chǎn)成本高的缺點。在煤礦開采過程中會連續(xù)不斷地涌出礦井水，為保證煤礦生產(chǎn)安全，必須及時將涌出的礦井水快速地排放到地面，煤礦主排水系統(tǒng)能否正常運行直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)。礦井排水系統(tǒng)一般由水倉、吸水井、多臺排水泵（包括其抽真空引水裝置）、閘閥、配水閥以及多路排水管路組成，這些設(shè)備具有電機功率大、電壓高、啟動

11、復雜、故障多發(fā)等特點。目前，礦井排水系統(tǒng)普遍采用人工操作，人員勞動強度大、電機啟停時間長、水泵運行效率低等諸多問題，如何實現(xiàn)煤礦井下排水泵的自動控制和無人值守，并滿足煤礦生產(chǎn)調(diào)度綜合自動化的要求，便成為當前急需解決的問題。1.2煤礦綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)的主要目標煤礦綜合自動化系統(tǒng)作為煤礦自動化總平臺,實現(xiàn)了在地面對煤礦井上下諸多設(shè)備的可靠控制。(1)采用光纖組建了煤礦井下工業(yè)以太網(wǎng)并形成環(huán)網(wǎng),全礦井下膠帶、軌道、供電、排水、通風、礦井提升、選煤等自動控制子系統(tǒng)均以現(xiàn)場總線等形式就近接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)1,同時,采用OPC及組態(tài)軟件等技術(shù)接入軟件平臺,形成全礦井自動控制信息傳輸及處理的總集成平臺,基于

12、該平臺實現(xiàn)了在地面集控中心對井下膠帶、供電、排水、軌道、通風、壓風、提升、選煤等設(shè)備的遠程開?？刂坪驮诰€監(jiān)測,井下諸多環(huán)節(jié)和崗位實現(xiàn)了無人值守,大大減少了井下現(xiàn)場人員,提高了礦井安全水平。(2)煤礦安全監(jiān)控、人員定位等監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在地面接入煤礦自動化平臺,實現(xiàn)了礦井自動化信息、安全生產(chǎn)監(jiān)測信息的集成、共享和Web發(fā)布等功能,實現(xiàn)了對井下所有掘進頭、工作面的瓦斯自動檢測和超限自動斷電、告警,實現(xiàn)了對井下所有重要地點的風速、溫度、風門、局扇開停的自動監(jiān)測,實現(xiàn)了對井下人員分布情況的在線監(jiān)測和統(tǒng)計。(3)建立了礦井自動化監(jiān)控中心,具有大屏幕顯示功能,控制功能,數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總功能,網(wǎng)絡(luò)功能等,操作員站之

13、間具備相互冗余功能。(4)建立了礦井工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng),將井下和地面各主要地點攝像機的信號傳輸?shù)降孛嬉曨l服務器,在集控中心顯示和切換圖像,為地面遠程控制提供了必備的監(jiān)視手段。(5)建立了礦井移動通信系統(tǒng),實現(xiàn)了井下現(xiàn)場與集控中心的清晰通話,為地面遠程控制提供了暢通的聯(lián)絡(luò)手段。(6)完成了煤礦綜合自動化系統(tǒng)與煤礦管理網(wǎng)絡(luò)安全對接,將煤礦井下現(xiàn)場的自動化信息、安全監(jiān)測信息、井下視頻與管理信息系統(tǒng)聯(lián)通,通過Web等方式實現(xiàn)了各類信息在全公司的資源共享。第二章 泵控系統(tǒng)設(shè)計與分析2.1系統(tǒng)硬件本系統(tǒng)的硬件由井下和地面兩部分組成。井下主要包括PLC控制箱、操作臺、電動閥和各種監(jiān)測傳感器。地面設(shè)備包括通信站

14、和控制計算機。井下和地面設(shè)備的通信介質(zhì)用光纜。2.1.1 井下設(shè)備1）礦用PLC控制箱 需一采區(qū)礦房設(shè)置礦用PLC控制箱一臺，其主要任務是：通過可編程控制器的輸入模塊采集各監(jiān)測傳感器的信號，按程序要求自動控制五臺水泵的啟停：通過通信接口把信息傳送給地面控制計算機；根據(jù)地面計算機和操作臺的命令控制水泵的啟停。2）操作臺 在泵房設(shè)本操作臺一臺。操作臺主要用于系統(tǒng)工作方式選擇和就地水泵的啟停。操作臺上可以選擇四種操作方式中的一種。1）自動方式，PLC通過對輸入?yún)?shù)的判斷，自動控制每臺水泵的啟停；2）手動方式，即按照操作順序，通過操作臺上的按鈕和開關(guān)，人工依次啟動各個設(shè)備；3）傳統(tǒng)方式，為滿足操作習慣

15、，本系統(tǒng)保留原系統(tǒng)的操作方式；4）遠方控制方式，此時允許地面計算機對水泵實施控制。在操作臺和地面計算機操作界面分別設(shè)置急停按鈕。3）礦用光端機 在井下和地面設(shè)置一對光端機，以便用光纜連接地面和井下通信接口。2.1.2 地面設(shè)備地面設(shè)備包括通信站和控制計算機。通信站主要由光信號接收轉(zhuǎn)換器、西門子中繼器、電源模塊等組成。計算機選用IBM商用機，光信號接收轉(zhuǎn)換器選用CVR/T單模光端機。2.2軟件系統(tǒng)1）PLC程序 井下PLC監(jiān)控系統(tǒng)是基于STEP7軟件編寫的，采用模塊化結(jié)構(gòu)編程，包括監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)模塊、控制模塊、顯示模塊、通信模塊等。這種編程方法是系統(tǒng)運行安全可靠，修改方便易于擴展。2）上位機程序

16、 上位機采用組態(tài)軟件WINCC進行開發(fā)，該應用軟件為用戶提供了廠級的可視化過程、數(shù)據(jù)獲取和監(jiān)視控制功能。采用面向目標的開發(fā)方法，可以快速容易的按照操作人員的設(shè)計處理、顯示生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)。采用客戶/服務器體系結(jié)構(gòu)，能夠提供數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的全面集成和共享，為企業(yè)管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，提高監(jiān)控系統(tǒng)的性能。使用WINCC組態(tài)軟件還可以根據(jù)礦生產(chǎn)系統(tǒng)及工藝流程的變化，由用戶制作和修改監(jiān)控畫面，也可以隨時修改界面上設(shè)備的顏色、形狀、尺寸、和位置。 系統(tǒng)采用動畫圖形對設(shè)備進行描述，當設(shè)備是停止狀態(tài)時，代表該設(shè)備的圖形是靜態(tài)的，當設(shè)備是運行狀態(tài)時，系統(tǒng)就會以動畫的形式對設(shè)備進行模擬、效果形象逼真、富有動感；圖中也可

17、以以不同的顏色表示設(shè)備的不同運行狀態(tài)，不填色表示設(shè)備未投入運行；紅的表示設(shè)備故障；所有的流程采用不同的線條進行描述，當系統(tǒng)要發(fā)生一些重大變化時伴隨多媒體語音預報或警告。2.3控制系統(tǒng)功能設(shè)計（1） 系統(tǒng)具有靈活多樣的控制方式。就地控制：操作員通過就地箱上的按鈕及指示燈完成對執(zhí)行機構(gòu)的直接控制，主要用于設(shè)備檢修維護；井下集控：操作員通過觸摸屏實現(xiàn)對水泵的半自動控制，控制命令由觸摸屏下發(fā)至PLC，后者完成整個控制過程；遠程集控：操作員在地面遠程上位機，通過鼠標點擊控制控件，實現(xiàn)對于井下水泵機組的遠程控制；全自動控制：該控制方式下，用戶無需操作，PLC根據(jù)水位等參控信息合理調(diào)度水泵機組，完成排水。還

18、可根據(jù)水倉水位、用電峰谷等參數(shù)選擇合理的控制方案，自動控制水泵機組的投入和退出。 （2） 實現(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)測監(jiān)控，可以通過圖、表、曲線等方式進行數(shù)據(jù)顯示及分析處理。 （3） 根據(jù)水位、供電峰谷時段劃分等情況，合理調(diào)度水泵，節(jié)省運行費用。（4） 系統(tǒng)可實現(xiàn)在故障出現(xiàn)時自動采取停機等保護措施，并提示故障類型，保護類型包括溫度保護、流量保護等多種類型。 （5） 系統(tǒng)故障時能提供聲光報警，報警記錄可查詢。 （6） 系統(tǒng)留有網(wǎng)絡(luò)接口和分站擴展功能。2.4 控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計排水系統(tǒng)是否能可靠運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)

19、等各方面設(shè)計了可靠性保障措施。 （1） 設(shè)備可靠運轉(zhuǎn)保障 設(shè)備可靠運轉(zhuǎn)是安全排水的前提，針對現(xiàn)場實際情況，該系統(tǒng)開發(fā)了排水系統(tǒng)控制軟件的輔助管理模塊，對設(shè)備進行統(tǒng)一的管理。依據(jù)設(shè)備運行情況，監(jiān)控軟件的設(shè)備輔助管理模塊讀取相應數(shù)據(jù)后進行邏輯處理，給出維護意見，從管理上來彌補設(shè)備本身在可靠性上的不足。 （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)系到整個系統(tǒng)安全排水的實現(xiàn)，其余傳感器主要反映單臺泵的運轉(zhuǎn)工況，屬于局部型。

20、系統(tǒng)中的全局型傳感器采用冗余設(shè)計，而對于局部型傳感器則采取自診斷方式確定其故障類型并報警，提示工作人員進行維護或者更換。（3） 通信可靠性保障 控制PLC與上位機之間的通信故障判別采用校驗碼與狀態(tài)位相結(jié)合的方式，其中校驗碼判斷數(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)位不正常時表明通信通道中斷，啟用備用通訊網(wǎng)絡(luò)。第三章 水位監(jiān)測系統(tǒng)為了保證井下安全生產(chǎn)，系統(tǒng)可靠運行，水位信號是水泵自動化控制的一個非常重要的參數(shù)，水位傳感器的可靠性和準確性直接影響整個控制系統(tǒng)的工作可靠性，為此選用超聲波液位傳感器，它具有精度高、非接觸式、非機械型、維護方便、安裝容易、標定簡單等優(yōu)點，可根據(jù)控制的要求

21、將水位信號的上限和下限分別設(shè)置為四個級別，超高、高、中、低。水位傳感器將水倉中的水位信息傳送至控制中PLC的模擬量輸入模塊，PLC檢測到水位信息后與預先設(shè)置的開啟水位進行比較，當達到開啟一臺水泵的水位時就發(fā)出開泵指令。3.1超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接受到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對液位進行測量。根據(jù)發(fā)射和接受換能器的功能，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換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接受各使用一個換能器。下面就單換能

22、器的超聲波傳感器加以介紹。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。 圖3.1 超聲波液位計安裝示意圖對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時間為： （式3-1）則 （式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，只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時間間隔，便可以求得待測的液位。超聲波液位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下，它的測量誤差為，檢測液位的范圍為m。本設(shè)計中采用的是Yjsonic系列的超聲波液位計，在測量

23、中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)物體表面反射后被同一傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時間來計算傳感器到被測物體的距離。工作特點：采用SMD技術(shù)，提高儀器的可靠性，自動功率調(diào)整，增益控制、溫度補償。先進的檢測技術(shù)，豐富的軟件功能適應各種復雜環(huán)境。采用新型的波形計算技術(shù)，提高儀表的測量精度。具有干擾回波的抑制功能，保證測量數(shù)據(jù)的真實。16位D/A轉(zhuǎn)換，提高電流輸出的精度和分辨率。傳感器采用四氟乙烯材料，可用于各種腐蝕性場合，多種輸出方式：可編程繼電器輸出、高精度420mA電流輸出、RS-485數(shù)字通信輸出等方式可供選擇（圖3.2）。圖3.2 超聲波液位計選型設(shè)計中選用

24、二線制輸出型液位計，其參數(shù)如下：量程： 03、5、8、10、15、20m精度： 0.25% 盲區(qū)： 0.30.5m溫度： -20+55電源： 24VDC控制： 無輸出： 420mA 二線制防護等級： IP65顯示方式： 4位LCD3.2投入式液位傳感器投入式液位傳感器是將傳感器的探頭投入液體中。利用處于一定深度時液體會產(chǎn)生一定的壓強這個基本原理制成的。其示意圖如圖3.3所示。圖3.3水位計示意圖具體的來說是: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，該微弱的電信號經(jīng)放大器放大后送A/D變換器，單片機采集數(shù)字信號經(jīng)運算處理后，輸出的水位高

25、度用數(shù)碼管來顯示，同時輸出對應的輸出信號。其內(nèi)部的功能模塊圖如圖3.4。圖3.4 傳感器功能模塊圖3.3水泵的工作環(huán)節(jié)及控制過程3.3.1工作環(huán)節(jié)水泵的工作大致可概括為四個環(huán)節(jié)：（1）水位自動監(jiān)控水位自動監(jiān)控環(huán)節(jié)的任務是對水池的水位實時監(jiān)測，以便根據(jù)水位的高低自動發(fā)出啟、停水泵命令。本系統(tǒng)選用投入式水位傳感器來監(jiān)測水位信號，以模擬量形式輸送給PLC，PLC根據(jù)水位信號和程序控制水泵的啟停。（2）抽真空水泵只有在其葉輪完全淹沒于水中的情況下，泵體內(nèi)部才能造成必要的真空度實現(xiàn)正常排水。若真空度不夠，甭體內(nèi)有空氣存在，將會造成不上水和轉(zhuǎn)動部件“干燒”等故障。龍東礦西一采區(qū)排水泵采用射流泵抽真空，由真

26、空表監(jiān)測真空度。（3）電動閘閥電動機的自動操縱為減小啟動功率，水泵操作規(guī)程規(guī)定離心式水泵一定要關(guān)閉出水閘閥啟動，當水泵停止時，為避免水錘事故，必須先關(guān)閉閘閥，緩慢減小流速，最后停泵。啟動過程為：打開射流泵和抽真空控制閥-進行抽真空-真空度達到要求后-啟動水泵電機-水泵電機電流降至正常值，且水泵出口壓力達到設(shè)定值-打開閘閥，進行排水-關(guān)閉射流泵和抽真空控制閥。停泵過程：關(guān)閉電動閘閥，再停水泵電機。（4）設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)測在水泵啟動或運行過程中，要實時監(jiān)測到設(shè)備運行的有關(guān)參數(shù)，本系統(tǒng)監(jiān)測的主要參數(shù)為：入口真空度、進水管流量、出口壓力、電機電流、電機溫度等。當參數(shù)不正常時，要及時停泵，轉(zhuǎn)為啟動另一臺水

27、泵。3.3.2 控制過程自動排水系統(tǒng)通過信號檢測、PLC控制、執(zhí)行機構(gòu)動作完成水泵站起動、停止以及水泵房在線監(jiān)測（如圖3.5）。 啟泵過程：（1）水位傳感器測得相對高水位或準備開泵，把信號傳給控制器（PLC）；（2）控制器輸出信號啟動射流泵和真空電磁閥，對水泵抽真空；（3）真空傳感器監(jiān)測真空度達到要求，送信號給PLC控制器；（4）控制器輸出控制信號，啟動電機；（5）電機啟動，返回信號；（6）水泵電機電流降至正常值且水泵出口壓力值達到要求，返回信號（7）啟動閘閥，進行排水，并返回信號；（8）關(guān)閉抽真空設(shè)備。停泵過程（1）液位傳感器返回低水位； （2）控制器輸出信號，驅(qū)動閘閥關(guān)閉；（3）關(guān)閉水泵機

28、組。水艙水位情況控制器水泵自動抽 真空設(shè)備電機開關(guān)自動閘閥水泵電機開啟閘閥排水圖3.5過程控制圖第四章 自動排水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計泵站在運行、檢修過程中，需要及時排出泵房內(nèi)各種積水，其中一部分可自流排出泵房外，大部分則匯集到集水井，然后由排水泵排出泵房。為了保證泵房不致受淹或受潮，需要對排水實現(xiàn)自動控制，其基本要求包括：（1）排水泵能自動啟停，保證集水井水位在規(guī)定范圍內(nèi)；（2）當集水井水位在規(guī)定的最低水位時，排水泵能自動停轉(zhuǎn)；（3）當工作排水泵故障，或來水量增大、集水井水位升至備用排水泵啟動水位時，備用排水泵能自動投入；（4）排水泵之間能互為備用運轉(zhuǎn)，當備用排水泵投入時，能發(fā)出警報信號。4.1井下排

29、水系統(tǒng)的組成井下排水系統(tǒng)一般采用離心式水泵，一些小型煤礦或潛水井臨時排水系統(tǒng)也采用潛水泵。離心式水泵排水系統(tǒng)主要由離心式水泵、電動機、啟動設(shè)備、儀表、管路及管路附件等組成。一、離心式水泵離心泵的基本結(jié)構(gòu)由六部分組成，葉輪，齒輪泵體，齒輪泵軸，密封圈，填料函 。4.2井下水泵自動排水總體分析 典型的井下水泵自動排水生產(chǎn)過程如圖4.1所示：首先，煤礦中央泵房井下主排水泵自動化控制系統(tǒng)，整個自動控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)自動采集傳感器、自動輪換工作、自動控制及故障記錄報警和通訊接口等4個部分組成。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，分段運行。該程序結(jié)構(gòu)具有清晰、簡潔、易懂，便于模擬調(diào)試，運行

30、速度快等特點。系統(tǒng)根據(jù)水位和壓力控制原則，自動實現(xiàn)水泵的輪換工作，延長了水泵的使用的壽命。液位傳感器流量傳感器壓力傳感器其它 檢 測 電 路 主控電路電源 圖4.14.2.1系統(tǒng)的檢測環(huán)節(jié) 井下自動排水系統(tǒng)的目的是要實現(xiàn)井下水泵房的無人化操作，能夠?qū)崟r監(jiān)測、自動運行，提高安全性、可靠性和運行效率，增強抗災能力。并能夠優(yōu)化調(diào)度水泵運行情況。節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本。排水系統(tǒng)在工作過程中要對系統(tǒng)參數(shù)進行實時檢測，以保證系統(tǒng)正常工作。在出現(xiàn)故障時要及時報警。參數(shù)檢測包括壓力、流量、電機溫度、系統(tǒng)漏電保護等。這些參數(shù)信號通過相應的傳感器獲取后，轉(zhuǎn)化為電信號（電流或電壓）輸入到測試電路，經(jīng)處理后，在輸入P

31、LC進行存儲運算。在井下排水系統(tǒng)中，由于井下環(huán)境的特殊要求，根據(jù)煤礦安全標準，輸入電信號與主控電路之間還要有隔離電路和電源轉(zhuǎn)化電路，將輸入的非本安電信號轉(zhuǎn)化為本安信號。4.2.2系統(tǒng)的控制方式系統(tǒng)控制具有自動、半自動和手動檢修3種工作方式：自動時，由PLC檢測水位、壓力及有關(guān)信號，自動完成各泵組運行，不需人工參與；半自動工作方式時由工作人員選擇某臺或幾臺泵組投入，PLC自動完成已選泵組的啟停和監(jiān)控工作；手動檢修方式為故障檢修和手動試車時使用，當某臺水泵及其附屬設(shè)備發(fā)生故障時，該泵組將自動退出運行，不影響其它泵組正常運行。PLC柜上設(shè)有該泵的禁止啟動按鈕，設(shè)備檢修時，可防止其他人員誤操作，以保證

32、系統(tǒng)安全可靠。系統(tǒng)可隨時轉(zhuǎn)換為自動和半自動工作方式運行。4.2.3工作方式與工作環(huán)節(jié) 雙位邏輯控制是排水泵站最基本的工作方式，通過水井液面變化，運用高低水位與水泵運行現(xiàn)狀態(tài)一定的邏輯運算關(guān)系，控制水泵下一步的運行狀態(tài)。在實際工作中，水泵房還要根據(jù)各種運行參數(shù)（如涌水量大小、水泵狀況等）、現(xiàn)場環(huán)境以及意外事故等，對水泵站進一步控制，或改變控制方法。在離心式水泵排水系統(tǒng)中還要增加許多工作環(huán)節(jié)。這就使排水系統(tǒng)的工作方式更為復雜。利用現(xiàn)代工業(yè)控制器，如工控機、可編程控制器、單片機等，結(jié)合各種檢測傳感器，可以構(gòu)成完整的電氣控制系統(tǒng)，來控制水泵站各執(zhí)行機構(gòu)按一定的規(guī)程完成水位檢測、水泵啟動、停止極其過程控

33、制等工作。并且可以進行數(shù)據(jù)傳輸、處理等工作。工作方式：本監(jiān)控系統(tǒng)有自動、半自動及手動三種工作方式。其中自動工作方式由超聲波液位傳感器連續(xù)檢測水倉水位，根據(jù)水倉的水位變化，自動開、停水泵及其閥門。正常情況下，按雙位邏輯控制和“輪班工作制”各臺水泵能自動輪換工作；水位變化過大時，自動投入必要數(shù)量的水泵運行，此方式下可實現(xiàn)無人值守；半自動方式是操作工人根據(jù)水倉顯示水位，人工手動開、停水泵和確保開泵臺數(shù)，電機及其閥門的開、停由PLC自動執(zhí)行；手動方式是維修工人可操作任一水泵電機、自動閘閥、電磁閥的開關(guān)，解除相互閉鎖關(guān)系，如圖4.2所示。礦井監(jiān)控系統(tǒng)電動機開關(guān)PLC控制電路低壓電器開關(guān)水位傳感器流量傳感

34、器電磁閥電源電磁閥電源1#泵站控制柜5#泵站控制柜自動閘閥開關(guān)射流泵控制閥電接點真空表電接點壓力表自動閘閥開關(guān)射流泵控制閥電接點真空表電接點壓力表圖4.2 監(jiān)控系統(tǒng)工作方式 數(shù)據(jù)自動采集主要由PLC實現(xiàn)，PLC模擬量輸入模塊通過傳感器連續(xù)測量水倉水位，將水位變化信號進行轉(zhuǎn)換處理，計算出單位時間內(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。電機電流、水泵軸溫、電機溫度、排水管流量等傳感器與變送器，主要用于監(jiān)測水泵、電機的運行狀況。超限報警，以避免水泵和電機損壞。PLC的數(shù)字量輸入模塊將各種開關(guān)量信號采集到PLC中作為邏輯處理的條件和依據(jù)，控制水泵的啟停。4.3水泵控制的控制

35、原則一、水泵的自動開啟流程圖圖4.3給出了其中一臺泵的自動開啟故障保護流程圖。其余四臺泵的與此基本相同。通過確定開泵數(shù)量的程序以及水泵輪換工作模塊，我們可以確定開幾號水泵。對于這其中的一臺泵便滿足了開泵條件，進入了此泵組的自動開啟階段。當PLC接收到啟動某臺水泵的指令后，就會按照圖4.3所示的水泵的啟動流程圖進行水泵的自動啟動控制。首先是啟動抽真空系統(tǒng)將水泵體內(nèi)的空氣排除，讓其充滿水，這時，抽真空管路上的負壓表（真空表）就會達到要求值，當PLC檢測到負壓表的讀數(shù)滿足啟動要求時，就會發(fā)指令給高壓開關(guān)柜，啟動水泵電機，并關(guān)掉抽真空設(shè)備。這時位于水泵上方主排水管路上的壓力傳感器承受的壓力越來越大，當

36、達到要求值時，PLC發(fā)指令開啟電動閘閥，開始排水。圖4.3水泵自動開啟流程圖從流程圖中可以看出，系統(tǒng)中設(shè)有抽真空超時、閘閥開超時、壓力異常等故障報警系統(tǒng)。如果出現(xiàn)異常，對于實時CPU以及I/O模塊內(nèi)部的錯誤，自動控制系統(tǒng)會自動跳入故障處理程序塊中進行相應的處理；如果是外部回路接線錯誤或傳感器失效等故障系統(tǒng)會自動聲光報警，并停泵，禁止該泵投入自動循環(huán)運行中。二、水泵開啟時，首先檢測水倉水位。當水位超過低水位（滿足開泵條件），開啟一臺水泵，當系統(tǒng)第一次運行，開啟一號泵，以后按照運行時間的多少，選擇運行時間最少的泵開啟，如果說選水泵為檢修狀態(tài)，則開啟下一序號的水泵。當開啟一臺水泵運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)

37、水位仍然上漲，則順序開啟下一序號的水泵。當水位下降到低水位限以下時，則停止一臺運行時間最長的水泵。對于具備開啟條件的水泵，在開啟前首先啟動射流真空系統(tǒng)，檢測真空度，真空度達到后即可開啟。當水位超過警戒水位時（出現(xiàn)涌流），水泵除檢修泵外全部開啟。當水泵出現(xiàn)故障時，及時停泵、檢修。根據(jù)礦方的實際需求，可根據(jù)避峰填谷的需求進行相應的調(diào)整。H1停泵水位H2單泵啟動水位H3雙泵啟動水位H4三泵啟動水位圖4.4水位限制該無人值守系統(tǒng)以水倉水位作為水泵的啟停的基本條件，在此條件滿足的前提下，然后再根據(jù)均勻磨損的原則、電價避峰填谷的原則實現(xiàn)水泵的啟停。該原理為：首先設(shè)定四個水位限制（如圖：H1、H2、H3、H

38、4，當水位達到報警水位時，首先對電網(wǎng)負荷進行檢測，若處于用電谷段或平段時，可以立即啟動；若處于用電峰段，則暫緩啟動。當水位繼續(xù)上升至超限水位時，則不論電網(wǎng)負荷如何，必須立即啟動水泵。若水位繼續(xù)上升到超限水位時，則表明一臺水泵的排水量已不足以排除礦井出水，以礦井的最大排水能力來排出礦井涌水。不論投入幾臺水泵，水位必須下降到底限水位方可停泵。即當PLC讀取的水倉水位值為H1時，表示水倉水位低于底限水位，水泵機組將不投入運行；水位值H2，并且時間為電價谷段或者平段時間，一臺水泵機組投入運行，如果為峰段時間，則等待水位上漲到H3時再投入一臺水泵機組運行。當一臺機組處于運行狀態(tài)時水位仍然上漲到H1，則繼

39、續(xù)投入一臺機組運行，如果水位仍然上漲，則陸續(xù)投入所有水泵。機組運行至水位下降到H1時，水泵機組退出運行。程序流程圖如圖4.5:與高壓柜通信NO根據(jù)泵號調(diào)用相應的程序當前水位大于H3嗎根據(jù)均勻磨損求開泵的泵號系統(tǒng)自檢及門處理模擬量及I/O處理程序處于自動運行狀態(tài)嗎處于高峰時間段嗎當前水位大于H4嗎4當前水位小于H2嗎調(diào)用停泵程序當前水位大于H2嗎當前水位大于H3嗎當前水位小于H1嗎處于手動運行狀態(tài)嗎依據(jù)指示進行相應處理NOYESYESYESYESYESYESYESNONONONOYES根據(jù)泵號調(diào)用相應的程序NONO調(diào)用停泵程序開始圖4.5系統(tǒng)軟件流程圖從圖中可以看出，系統(tǒng)開始啟動后，首先進行與高

40、壓開關(guān)柜的通訊，然后進行模擬量以及I/O處理程序，系統(tǒng)自檢與門處理程序。然后判斷系統(tǒng)處于自動運行、手動運行、半自動運行三種運行方式中的哪一種，然后根據(jù)判斷得到的結(jié)果進行相應的操作。根據(jù)控制板上的旋轉(zhuǎn)開關(guān)的位置判斷出系統(tǒng)的運行方式后，如處于PLC自動運行方式，則PLC根據(jù)程序流程順序執(zhí)行，自動完成水泵的啟動，輪換工作，故障報警，停止。而手動方式下，PLC不參與任何操作控制，全部由人工通過控制按鈕來控制整個系統(tǒng)的運行。第五章 基于PLC的應用分析 PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序向各輸出點發(fā)出相應的控制信號，任一

41、時刻它只能執(zhí)行一條指令，這就是說PLC是以“串行”方式工作的，它能有效的避免繼電接觸器控制系統(tǒng)中易出現(xiàn)的觸點競爭和時序失配的問題。 PLC執(zhí)行用戶程序是從梯形圖左母線開始由上至下，由左向右逐個掃描每個階級的每個元素，進行運算，此時CPU只是與映像區(qū)進行數(shù)據(jù)交換，讀取輸入數(shù)據(jù)，送出輸出信號。當CPU執(zhí)行到END指令時，表示程序段結(jié)束。5.1系統(tǒng)的I/O分配表表5.1 I/O分配表輸入輸出名稱I/O名稱I/O1#泵啟動按鈕I0.0開啟1#泵Q0.02#泵啟動按鈕I0.1開啟2#泵Q0.13#泵啟動按鈕I0.2開啟3#泵Q0.24#泵啟動按鈕I0.3開啟4#泵Q0.35#泵啟動按鈕I0.4開啟5#泵

42、Q0.4下下限水位H1I1.1指示燈1Q0.5下限水位H2I1.2指示燈2Q0.6上限水位H3I1.3指示燈3Q0.7上上限水位H4I1.4指示燈4Q1.01#泵故障I2.0指示燈5Q1.12#泵故障I2.1報警Q1.23#泵故障I2.24#泵故障I2.35#泵故障I2.4報警I2.5手動啟動按鈕I0.5自動啟動按鈕I0.6停止按鈕I0.75.2PLC的接線圖 表2 PLC接線圖5.3 PLC編程【3】特點.西門子系列PLC有3種編程語言：梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）、語句表（STL）。通常梯形圖（LAD）程序、功能塊圖（FBD）程序、語句表（STL）程序可有條件的方便地轉(zhuǎn)換。梯形圖（

43、LAD）編程語言是與電氣控制電路圖相呼應的圖形語言。它沿用了繼電器、觸點、串并聯(lián)等術(shù)語和類似的圖形符號，并簡化了符號，還增加了一些功能性的指令。梯形圖（LAD）在PLC中用的非常普遍，融邏輯操作、控制于一體，面向?qū)ο蟮摹崟r的、圖形化的編程語言，備有將復雜的順序控制變?yōu)槌绦虬姆奖阒噶?，以減輕可編程控制器的編程負擔與節(jié)省輸入輸出點數(shù)。梯形圖信號流向清楚、簡單、直觀、易懂，很適合電氣工程人員使用。因此，本工程結(jié)合實際應用要求采用梯形圖（LAD）編程語言。S7-226 PLC數(shù)據(jù)存儲卡中存儲有通過上位機軟件西門子V4.0 Step7 microwin SP3編制的PLC程序82條。5.3.1 以下

44、為部分PLC程序片段：5.4結(jié)語煤礦綜合自動化系統(tǒng)在地面遠程控制井下設(shè)備,實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守,不僅減人提效,也是煤礦“無人為安”思想的體現(xiàn),對煤礦安全生產(chǎn)的發(fā)展具有重大意義。基于可編程控制技術(shù)的煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)是利用當前優(yōu)秀的工業(yè)控制技術(shù)精心研究與開發(fā)而制成的，它具有許多傳統(tǒng)控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，PLC控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用和具有廣大的發(fā)展前景，但是PLC系統(tǒng)在井下排水自動控制系統(tǒng)中的應用還存在著一些問題需要，這需要我們做進一步的研究和實踐，并最終解決問題。參考文獻:1陸錚,汪叢笑.工業(yè)以太網(wǎng)在全礦井綜合自動化系統(tǒng)中的應用J.工礦自動化,2006(3):31-33.2儲璐.淺談煤礦綜

45、合自動化系統(tǒng)架構(gòu)及實施J.山東煤炭科技,2008(6):132-133.3張敏,于寶申.煤礦綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及應用J.煤炭技術(shù),2008,27(2):37-39.4黃益莊.變電所綜合自動化系統(tǒng)M.北京:中國電力出版社,2000. 5丁恩杰，馬方清監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線M中國礦業(yè)大學出版社，20036張國盛，林安棟礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史及趨勢J煤炭技術(shù)，2009，28（2）7李利青，等PLC在礦井主排水系統(tǒng)自動化平臺及遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用J煤，2008，17（10）鳴謝感謝老師的幫助和支持，在論文編寫的過程中，李老師一直給我提出最好的建議，老師淵博的專業(yè)學識、敏銳的學術(shù)眼光、深邃的學術(shù)思想無不讓人欽佩。您無論多忙都會抽出時間幫我指導論文，我在這里說一聲：“老師，辛苦了。” 望老師給予批評指正！