大學(xué)設(shè)計(jì)方案—王燕飛

1、基于 PLC的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制部分設(shè)計(jì)作者姓名王燕飛專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師姓名馬鳳英目錄摘要 ········································

2、3;·············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 ···· 31.1概述···························&

3、#183;······················31.2工作原理··························

4、;····················31.3系統(tǒng)組成····························

5、83;·················3第二章控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ······························&#

6、183;··· 52.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)··········································52.2控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

7、83;····································· 52.3控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)··········&#

8、183;··························· 62.4控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)····················

9、················ 62.5 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)·······························

10、3;······ 7第三章PLC井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng) ··························93.1PLC井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)···········&#

11、183;···············93.2 PLC 井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)分層···························93.3 影響 PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定的干擾因素&

12、#183;·······················103.4PLC控制系統(tǒng)的抗干擾措施·······················&

13、#183;······· 11第四章結(jié)語(yǔ)········································11參考獻(xiàn)

14、·············································12致束文謝····

15、···········································13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

16、種有關(guān)參數(shù)或狀態(tài)的集中監(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。該系統(tǒng)的使用必將提高煤礦生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義，有

17、利于排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。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(kāi)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(zhǎng)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(kāi)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(guò)程中，隨時(shí)都

18、有各種來(lái)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)期涌入礦井的水，而且在遭到突然涌水的襲擊有可能淹沒(méi)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(zhǎng)、水泵運(yùn)行效率低等諸多問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)煤礦井下排水泵的自動(dòng)控制和無(wú)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(wèn)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

19、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)通過(guò)檢測(cè)水倉(cāng)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(guò)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(cāng)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(guò)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

20、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(cāng)水位、電機(jī)工作電流、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?jiǎn)?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(guò)傳感器連續(xù)檢測(cè)水倉(cāng)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

21、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(kāi)關(guān)量信號(hào)采集到PLC中作為邏輯處理的條件和依據(jù)，控制排水泵的啟停。在數(shù)據(jù)采集過(guò)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(lái)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

22、± 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)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(zhǎng)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)

23、，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，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(cāng) 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，

24、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(kāi)關(guān)量傳感器，兩套傳感器均設(shè)于水倉(cāng)的排水配水倉(cāng)內(nèi)， 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(kāi)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(guò)圖形動(dòng)態(tài)顯示水泵、真空泵、電

25、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(kāi)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)確實(shí)時(shí)地顯示水倉(cāng)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

26、時(shí)檢修，避免水泵和電機(jī)損壞。（5）通訊接口PLC通過(guò)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

27、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(lái)實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動(dòng)控制。上位機(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(guò)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(kāi)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

28、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(guó)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，并通過(guò)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

29、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。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

30、層與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換?？刂茖覲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(jiǎn)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(kāi)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

31、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(jiǎn)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(zhǎng)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(kāi)、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

32、）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(zhǎng)期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時(shí)，通過(guò)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(guò)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

33、摸屏監(jiān)視水泵電機(jī)過(guò)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(guò)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。

34、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。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(kāi)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(jiàn)，從管理上來(lái)彌補(bǔ)設(shè)備本社在可靠性上的不足。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

35、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)或者更換。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

36、 程序設(shè)計(jì)和組態(tài)軟件程序設(shè)計(jì)兩大部分。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(yǔ)句表進(jìn)行程序編制。 S7 系列 PLC包括一個(gè)供電單元、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(guò)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

37、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。 STEP 7軟件通過(guò)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(kāi) / 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、供電突水信號(hào)狀態(tài)檢測(cè)供電時(shí)段邏輯判斷自選泵組選擇泵組（優(yōu)先運(yùn)行時(shí)間短的泵組、跳過(guò)故障泵正常啟動(dòng)泵組故障報(bào)

38、警運(yùn)行間各參數(shù)、水位檢測(cè)故障停泵正常停泵圖1控制程序流程圖組態(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(guò)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(guò)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(guò)程的可視化。并且可以通過(guò)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)

39、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(yǔ)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(guò)在存儲(chǔ)器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能，且同一臺(tái) PLC 還可用于不同控制對(duì)象，通過(guò)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(lái)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。3.2PLC井下排水自動(dòng)控制

40、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(guò)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(guò)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?tīng)顩r。·控制及通訊管理層由PLC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

41、數(shù)記憶等功能。通過(guò)數(shù)據(jù)采集、模塊采集水位信號(hào)決定泵是否開(kāi)啟以及開(kāi)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(kāi)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(guò)數(shù)據(jù)交換設(shè)備傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控主站?？刂圃砣鐖D 3所示。觸摸屏超聲波液位儀模數(shù)擬字量量輸輸聲光報(bào)警入出突水檢測(cè)信號(hào)模主模塊C塊PU啟動(dòng)開(kāi)關(guān)電機(jī)、水泵軸承模數(shù)溫度信號(hào)塊字進(jìn)出口壓力信號(hào)量啟動(dòng)開(kāi)關(guān)輸配水閥到位信號(hào)入模管道流量信號(hào)塊工業(yè)以太網(wǎng)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

42、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。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(guò)程控制裝置。因?yàn)槠浔旧淼母呖煽啃?，它的?yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越廣，環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，所受到

43、的干擾也越來(lái)越多。在 PLC控制系統(tǒng)中，就 PLC 本身來(lái)說(shuō)，其薄弱環(huán)節(jié)在 I/O 端口。來(lái)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(guò)程主要有三個(gè)因素組成：(1) 電源引入的干擾。雷電沖擊、開(kāi)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

44、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。3.4PLC 控制系統(tǒng)的抗干擾措施對(duì) PLC 的干擾的產(chǎn)生過(guò)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(lái)解決。另外，也可以使用交流穩(wěn)壓電源來(lái)增大抗干擾能力或使用在線式不間斷供電源 (UPS)來(lái)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