礦井主排水設(shè)計(jì)-(經(jīng)典版)

..XX煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：塔山礦主排水電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)間：20XX5月8日至20XX6月2日設(shè)計(jì)地點(diǎn)：XX煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院1、設(shè)計(jì)內(nèi)容1.礦井自動(dòng)排水系統(tǒng)的各種參數(shù)與檢測(cè)2.XX塔山煤礦礦井排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.PLC自動(dòng)控制礦井主排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.控制系統(tǒng)的抗干擾措施2、設(shè)計(jì)要求本系統(tǒng)采用SIEMENS的S7-300系列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、流量傳感器等,完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的控制功能。本系統(tǒng)采用水泵及管路的"自動(dòng)輪換"工作制。又根據(jù)"避峰填谷"的原則確定開(kāi)啟水泵臺(tái)數(shù),以達(dá)到節(jié)省用電的目的。在就地PC端,采用易控組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行情況及各個(gè)運(yùn)行參數(shù),做到有故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)并盡早處理。3、提交資料畢業(yè)論文《塔山礦主排水電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》；理論圖紙；畢業(yè)論文主題內(nèi)容PPT目錄26979摘要-1-7087第一章緒論-2-38881.1排水系統(tǒng)概述-2-216761.1.1礦井生產(chǎn)過(guò)程中排水的重要性-2-99041.1.2礦井排水系統(tǒng)的組成部分-2-4961.2井下排水系統(tǒng)存在的問(wèn)題-3-46651.3排水系統(tǒng)為何要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制-4-31090第二章礦井自動(dòng)排水系統(tǒng)的各種參數(shù)與檢測(cè)-5-166372.1水倉(cāng)水位的檢測(cè)-5-251882.1.1液位傳感器介紹-5-1802液位檢測(cè)裝置的選擇 -8-275792.2電機(jī)及水泵溫度檢測(cè)-9-159182.3水泵壓力檢測(cè)-9-71532.4水泵流量檢測(cè)-11-16190流量檢測(cè)儀器的安裝位置-11-112072.4.2流量檢測(cè)傳感器 -12-32333流量計(jì)的要求-14-112742.5水泵負(fù)壓檢測(cè)-14-10705第三章XX塔山煤礦礦井排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)-16-303893.1塔山煤礦-16-276003.2塔山煤礦礦井資料-16-117423.3選型設(shè)計(jì)-16-96033.4引水設(shè)備-18-244033.5自動(dòng)閥門-20-2823.5.2電動(dòng)球閥-21-229923.6高壓開(kāi)關(guān)柜-22-21117第四章PLC自動(dòng)控制礦井主排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-24-269334.1控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)-24-182444.2PLC自動(dòng)控制礦井主排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-24-64404.2.1PLC的主要特點(diǎn)-25-100394.2.2S7--300PLC的基本組成-28-230444.3西門子ET200M與PROFIBUS-DP總線-31-12828第五章控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)-33-5205.1PLC的軟件設(shè)計(jì)-33-196095.1.1軟件流程圖-33-135935.1.2地址分配-35-321105.1.3水泵的自動(dòng)開(kāi)啟、運(yùn)行、停止故障保護(hù)流程圖-36-203855.2控制系統(tǒng)上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)-39-13775.2.1設(shè)計(jì)要求 -40-54505.2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容-40-285475.2.3上位機(jī)與PLC的通信-41-109185.2.4操作終端界面-42-94125.2.5監(jiān)控主界面-43-227885.2.6報(bào)警界面-45-9448第六章控制系統(tǒng)的抗干擾措施-47-220176.1常見(jiàn)的各種干擾源-47-226166.2如何采取措施排除這些干擾-47-21659第七章總結(jié)-48-18800致謝-49-5062參考文獻(xiàn)-49-..摘要本文根據(jù)排水控制的要求,進(jìn)行自動(dòng)控制方面的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用SIEMENS的S7-300系列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、流量傳感器等,完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化控制功能。本系統(tǒng)采用水泵及管路的"自動(dòng)輪換"工作制。又根據(jù)"避峰填谷"的原則確定開(kāi)啟水泵臺(tái)數(shù),以達(dá)到節(jié)省用電的目的。在就地PC端,采用易控組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行情況及各個(gè)運(yùn)行參數(shù),做到有故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)并盡早處理。S7-300通過(guò)CP340通訊模塊,采用RS-232C通信標(biāo)準(zhǔn)與就地PC建立聯(lián)系。關(guān)鍵詞：PLC、排水系統(tǒng)、自動(dòng)控第一章緒論井下排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)中四大系統(tǒng)之一,擔(dān)負(fù)著井下積水排除的重要任務(wù)。然而,目前我國(guó)的井下排水系統(tǒng)仍由很多依靠傳統(tǒng)的人工操作方式。本章分析這種排水系統(tǒng)的組成及工作過(guò)程,指出其存在的問(wèn)題,為井下主排水系統(tǒng)自動(dòng)控制的研究提供依據(jù)。1.1排水系統(tǒng)概述礦井生產(chǎn)過(guò)程中排水的重要性在煤礦地下開(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)系,涌水量在不同的季節(jié)也呈現(xiàn)不同。在一些大水礦井,礦井涌水量可達(dá)到每秒17立方米,甚至超過(guò)每秒20立方米。另外,煤炭開(kāi)采過(guò)程中,由于地層結(jié)構(gòu)被破壞,巖層斷裂,使采區(qū)與儲(chǔ)水層連通,發(fā)生突水事故,涌水量會(huì)突然增加。如果不能及時(shí)地將這些積水排送到井上,井下的生產(chǎn)就可能受到阻礙,井下的安全就會(huì)得不到保障,嚴(yán)重者會(huì)造成重大事故。給人民的生命、國(guó)家的財(cái)產(chǎn)都帶來(lái)了極大的威脅。因此,井下排水就顯得尤為重要。井下自動(dòng)排水系統(tǒng)的任務(wù)就是把流入井下煤礦巷道中的礦井積水排送至地表。根據(jù)統(tǒng)計(jì),每開(kāi)采1噸煤就要排出2--7噸礦井水,有時(shí)甚至要排出30--40噸礦井水。井下排水設(shè)備所配備電機(jī)的功率,小的幾千瓦到幾十千瓦,大的幾百千瓦到上千千瓦、在我國(guó)煤炭行業(yè)中,井下排水用電量占原煤生產(chǎn)總耗電量的18%--41%,一般為20%左右。因此,井下排水設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性<安全運(yùn)轉(zhuǎn)>與經(jīng)濟(jì)性<效率高、電耗量小>,具有十分重要的意義。礦井排水系統(tǒng)的組成部分井下排水系統(tǒng)一般采用離心式水泵,一些小型煤礦或淺水井臨時(shí)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(dòng)機(jī)、起動(dòng)設(shè)備、儀表、管路及管路附件等組成。①濾水器和底閥濾水器安裝在吸水管的下端,插入吸水井下面,不得低于O.5m。其作用是防止井底沉積的煤泥和雜物吸入泵內(nèi),導(dǎo)致水泵被堵塞或被磨損。在濾水器內(nèi)裝有舌型底閥,其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水,以及停泵后的存水不致漏掉。但是現(xiàn)在的排水系統(tǒng)中,為了提高排水效率,減小水泵腐蝕,一般不用底閥,而用射流泵或真空泵為水泵和吸水管注水。②閘閥調(diào)節(jié)閘閥安裝在靠近水泵排水管上方的排水管路上,位于逆止閥的下方。其功用為:①調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程；②起動(dòng)時(shí)將它完全關(guān)閉,以降低起動(dòng)電流。調(diào)節(jié)閘閥的優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)阻力和關(guān)閉壓力較小,安裝時(shí)無(wú)方向性,能夠方便地來(lái)調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程等。其缺點(diǎn)是密封面容易擦傷,檢修較為困難,高度尺寸較大,在安裝位置受到限制時(shí),安裝不便,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,價(jià)格較高。放水閘閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥上方的排水管路的放水管上,其作用為檢修排水管路時(shí)放水用。③逆止閥逆止閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥的上方,其作用是當(dāng)水泵突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)<如突然停電>時(shí),或者在未關(guān)閉調(diào)節(jié)閘閥的情況下停泵時(shí),能自動(dòng)關(guān)閉,切斷水流,使水泵不致受到水力沖擊而遭到損壞。④灌引水漏斗、放氣栓和旁通管灌引水漏斗是在水泵初次起動(dòng)時(shí),向水泵和吸水管中灌引水用。在向水泵和吸水管中灌引水時(shí),要通過(guò)放氣栓<又叫氣嘴>將水泵和吸水管中的空氣放掉。當(dāng)排水管中有存水時(shí),也可通過(guò)旁通管向水泵和吸水管中灌引水,此時(shí)要將旁通管上的閥門打開(kāi)。此外,還可通過(guò)旁通管,利用排水管中的壓力水的反沖作用,沖掉積存于水泵流通部分和附著于濾水器上的雜物,但此時(shí)須通過(guò)連接在底閥上的鐵絲或鏈條將底閥提起。⑤壓力表和真空表壓力表安裝在水泵的排水接管上,為檢測(cè)排水管中水壓大小用。常用的壓力表為普通彈簧管壓力表,根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征可分為徑向無(wú)邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑有60mm,100mm,150mm,200mm和250mm五種。壓力表所測(cè)出的壓力叫做表壓力或相對(duì)壓力,它比絕對(duì)壓力小1個(gè)大氣壓。真空表安裝在水泵的吸水接管上,為檢測(cè)吸水管的真空度用。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征也可分為徑向無(wú)邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑和壓力表一樣,也分為60,100,150,和250mm五種。真空表測(cè)量范圍為0--0.1MPa<一個(gè)大氣壓>。⑥射流泵或真空泵離心式水泵在起動(dòng)前必須將吸水管和泵腔內(nèi)注滿水才能進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),否則水泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將無(wú)法吸水,形成"干燒",嚴(yán)重影響水泵的使用壽命。在無(wú)底閥的排水系統(tǒng)中,水泵每次起動(dòng)都要灌水,這一工作由抽真空設(shè)備完成,一般使用射流泵或真空泵。它們的工作原理不同,但都能在系統(tǒng)中使水泵工作腔達(dá)到一定的真空度,保證系統(tǒng)正常工作。1.2井下排水系統(tǒng)存在的問(wèn)題目前,我國(guó)大多煤礦企業(yè)的井下水泵房使用的仍然是傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng),以離心式水泵系統(tǒng)為主。這種排水系統(tǒng)的操作以離心式水泵的工作特性為基礎(chǔ),泵站的起停時(shí)間判斷,完全依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)和已有的操作規(guī)程。當(dāng)水倉(cāng)水位到達(dá)設(shè)定的高水位時(shí),工人打開(kāi)射流泵<或真空泵>,為水泵抽真空,同時(shí)觀測(cè)真空表的讀數(shù)。真空度達(dá)到要求后,起動(dòng)水泵機(jī)組,使水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)水泵出水口壓力表讀數(shù)達(dá)到要求時(shí),開(kāi)起閘閥進(jìn)行排水,同時(shí)關(guān)閉抽真空的射流泵<或真空泵>。停泵過(guò)程要進(jìn)行相反的操作。當(dāng)水倉(cāng)積水降至低水位時(shí),先將閘閥關(guān)死,再停水泵機(jī)組。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)涌水量的不同,工人還要判斷同時(shí)投入幾臺(tái)水泵工作,以便于既能及時(shí)排出積水,又能使泵站合理使用,避免過(guò)度頻繁的起停。其存在的問(wèn)題有如下幾點(diǎn)：①效率低、可靠性差。這種排水系統(tǒng)的工作流程完全由手工完成,工人按部就班的完成各個(gè)執(zhí)行件的操作。另外,對(duì)水位、涌水量大小等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的判斷依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)。作業(yè)過(guò)程比較復(fù)雜,要求工人具有很強(qiáng)的責(zé)任心,否則可能出現(xiàn)誤操作,甚至發(fā)生大的事故。②工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。人工操作無(wú)法避免高強(qiáng)度的勞作。尤其是閘閥的操作,勞動(dòng)量最大。而且,水泵房要時(shí)時(shí)有人值守,以便在發(fā)生異常情況時(shí),及時(shí)報(bào)警檢修。1.3排水系統(tǒng)為何要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制針對(duì)上述排水系統(tǒng)存在的問(wèn)題,本文提出了基于PLC的礦井主排水自動(dòng)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)合閥門,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。第二章礦井自動(dòng)排水系統(tǒng)的各種參數(shù)與檢測(cè)排水裝置要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無(wú)人職守,最根本的就是讓控制系統(tǒng)了解自動(dòng)化系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的狀況和運(yùn)行狀態(tài)。這些運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)中央處理單元的分析和運(yùn)算后,做出判斷并顯示給集中監(jiān)控室。圖2-1主排水泵自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)圖排水裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的過(guò)程中,必須對(duì)圖所示參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),本章將對(duì)以下5個(gè)監(jiān)控的參數(shù)展開(kāi)論述并給出檢測(cè)的方法和可實(shí)現(xiàn)性。<1>水倉(cāng)水位的檢測(cè)<2>水泵流量的檢測(cè)<3>水泵壓力檢測(cè)<4>水泵負(fù)壓檢測(cè)<5>電機(jī)及水泵溫度檢測(cè)2.1水倉(cāng)水位的檢測(cè)2.1.1液位傳感器介紹一、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(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)液位進(jìn)行測(cè)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(gè)換能器,而雙換能器的傳感器發(fā)射和接受各使用一個(gè)換能器。下面就單換能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2-2所示。圖2-2超聲波液位計(jì)安裝示意圖對(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： 〔式2-1則 〔式2-2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)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔,便可以求得待測(cè)的液位。 超聲波液位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng),便會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下,它的測(cè)量誤差為,檢測(cè)液位的范圍為～m。本設(shè)計(jì)中采用的是Yjsonic系列的超聲波液位計(jì),在測(cè)量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(hào)。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算傳感器到被測(cè)物體的距離。工作特點(diǎn)：采用SMD技術(shù),提高儀器的可靠性,自動(dòng)功率調(diào)整,增益控制、溫度補(bǔ)償。先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù),豐富的軟件功能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。采用新型的波形計(jì)算技術(shù),提高儀表的測(cè)量精度。具有干擾回波的抑制功能,保證測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)。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(chǎng)合,多種輸出方式：可編程繼電器輸出、高精度4～20mA電流輸出、RS-485數(shù)字通信輸出等方式可供選擇。圖2-3超聲波液位計(jì)選型設(shè)計(jì)中選用二線制輸出型液位計(jì),其參數(shù)如下：量程：0～3、5、8、10、15、20m精度：0.25%盲區(qū)：0.3～0.5m溫度：-20℃～+55℃電源：24VDC控制：無(wú)輸出：4～20mA二線制防護(hù)等級(jí)：

IP65顯示方式：4位LCD

二、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(shí)液體會(huì)產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)這個(gè)基本原理制成的。其示意圖如圖2-4所示。圖2-4水位計(jì)示意圖圖2-5傳感器功能模塊圖具體的來(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)碼管來(lái)顯示,同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。其內(nèi)部的功能模塊圖如圖2-5。液位檢測(cè)裝置的選擇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,分別適應(yīng)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<水倉(cāng)>。一、兩種液位傳感器的比較投入式液位傳感器的特點(diǎn)在于:①制造成本相對(duì)于超聲波液位傳感器較為低廉:②量程比較小<5—10米>,但一般能滿足測(cè)量水倉(cāng)水位的要求:③性能受到被檢測(cè)介質(zhì)物理性質(zhì)<如液體有固體沉積或粘稠>的影響；④測(cè)量工作不受空氣中的懸浮成分如粉塵、濃煙等的影響相對(duì)而言,超聲波液位傳感器的特點(diǎn)在于:①超聲波傳播會(huì)受到空氣中粉塵的影響；②超聲波水位傳感器的測(cè)量量程大；③超聲波水位傳感器屬于非接觸式傳感器,性能不受被檢測(cè)介質(zhì)的影響；④制造成本比較高。二、水位檢測(cè)裝置的選擇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)軟件設(shè)置的再好都無(wú)法啟動(dòng)。所以,合理設(shè)計(jì)水位傳感也是很重要的。在水位檢測(cè)裝置的選擇上,至少選擇兩個(gè)水位傳感器來(lái)提高水位檢測(cè)裝置的可靠性。一般選擇一個(gè)超聲波液位傳感器與一個(gè)投入式液位傳感器相結(jié)合的方法來(lái)檢測(cè)水位。但是由于超聲波液位傳感器不能用在過(guò)于狹小的空間內(nèi),當(dāng)條件不具備時(shí),也可以使用兩個(gè)投入式傳感器來(lái)檢測(cè)水位。2.2電機(jī)及水泵溫度檢測(cè)溫度傳感器一般分為接觸式與非接觸式兩大類。所謂接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。非接觸式溫度傳感器理論上不存在接觸式溫度傳感器的測(cè)量滯后和應(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,宜選擇接觸式溫度傳感器測(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/阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系為：〔1-200℃<t<0℃時(shí),

〔式2-12〔20℃≤t≤850℃時(shí),

〔式2-13式中,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)用中有二種形式:一種是不需要顯示的,主要采集到PLC,這樣在使用的時(shí)候只需要一塊PT100的集成電路,要注意的是這個(gè)集成電路采集的不是電流信號(hào)而是電阻值,PT100的集成電路〔需要一個(gè)±12VDC電源提供工作電壓直接把采集到的電阻變?yōu)?-5VDC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?！策@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24VDC,產(chǎn)生一個(gè)4--20mA的電流,然后再通過(guò)一個(gè)4--20mA電流電路板把4--20mA的電流變?yōu)?--5V電壓。它可以串連一個(gè)電磁指示儀表。Pt100溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)量范圍：-200℃～+850℃；允許偏差值△℃：A級(jí)±〔0.15＋0.002│t│,B級(jí)±〔0.30＋0.005│t│；熱響應(yīng)時(shí)間<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)。應(yīng)用范圍：氣液兩用型,可用于供水系統(tǒng),液壓,氣動(dòng)系統(tǒng),冷卻系統(tǒng),加熱系統(tǒng),空調(diào)系統(tǒng),自動(dòng)化工程等。2.3水泵壓力檢測(cè)一、應(yīng)變式壓力傳感器原理介紹 應(yīng)變式壓力傳感器主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力,如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道的壓力等。 應(yīng)變式壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。圖3-9為膜片式壓力傳感器,應(yīng)變片貼在膜片內(nèi)壁,在壓力作用下,膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變,表達(dá)式分別為： 〔式2-8 〔式2-9式中：—膜片上均勻分布的壓力； R、—膜片的半徑和厚度； X—離圓心的徑向距離。由應(yīng)力分布圖可知,膜片彈性元件承受壓力時(shí),其應(yīng)變變化曲線的特點(diǎn)為：當(dāng)x=0時(shí),；當(dāng)x=R時(shí),=0,=。 根據(jù)以上特點(diǎn),一般在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個(gè)應(yīng)變片,在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個(gè)應(yīng)變片,然后接成如圖3-10的全橋電路。其中,,且R1=R2=R3=R4,則： 〔式2-10 〔式2-11此時(shí)全橋差動(dòng)電路不僅沒(méi)有非線形誤差,而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍,同時(shí)仍具有溫度補(bǔ)償作用。圖2-6全橋差動(dòng)電路二、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。HS-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),特別適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。HS-956系列薄膜壓力變送器的特點(diǎn)：1、穩(wěn)定性高每年優(yōu)于±0.1%2、測(cè)量誤差小綜合誤差可小于±0.1%3、溫度范圍寬允許介質(zhì)溫度-40～125℃4、溫度漂移小典型溫漂±0.02%/℃5、適應(yīng)惡劣環(huán)境耐溫、耐腐、抗振動(dòng)6、適應(yīng)性廣產(chǎn)品體積小、重量輕、無(wú)隔離膜片和中介液體；全不銹鋼密封結(jié)構(gòu),無(wú)可動(dòng)部件；可直接、任意安裝。因此適應(yīng)各種工業(yè)測(cè)量場(chǎng)合及介質(zhì)。主要技術(shù)指標(biāo)：1、介質(zhì)液體、氣體或蒸汽2、輸出兩線制4～20mA.DC；3、量程0.1,0.16,0.2,0.25,0.3,0.4,0.5,0.6,0.8,1,1.6,2,2.5,3,4,5,6,8,10,16,20,25,30,40,50,60Mpa4、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；5、負(fù)載范圍允許最小負(fù)載為零,最大負(fù)載RL=50〔US-12Ω。其中US為電源電壓；6、過(guò)壓量程的120%；7、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；8、溫度范圍敏感元件工作溫度：-50～125℃；電子部件工作溫度：-40～85℃；9、濕度范圍0～99%相對(duì)濕度。2.4水泵流量檢測(cè)流量檢測(cè)儀器的安裝位置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:①流量檢測(cè)器安裝分別安裝在水泵出口的分支管路上,圖3-6所示;②流量檢測(cè)器安裝在水泵出口的總管路上,如圖3-7所示。兩種安裝位置的比較,采用圖3-7所示的安裝方式可以滿足需要。采用如圖2-6示的安裝方式可以保證準(zhǔn)確測(cè)量每一個(gè)水泵在工作過(guò)程中的流量。從而可以比較準(zhǔn)確的判斷出各個(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)>,如果采用如圖3-7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)1.截止閥2.離心式水泵3.流量傳感器圖2-7各個(gè)水泵分別安裝流量傳感器計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件中可以通過(guò)檢測(cè)干路中的流量總和與所開(kāi)啟的水泵數(shù)目,可以得到整個(gè)排水泵一電機(jī)機(jī)組的工況。因此出于造價(jià)、硬件系統(tǒng)的復(fù)雜等方面的考慮,優(yōu)先選擇圖2-8所示的方式設(shè)置流量計(jì)。1.截止閥2.離心式水泵3.流量傳感器圖2-8各個(gè)水泵只安裝一個(gè)流量傳感器流量檢測(cè)傳感器一、電磁流量計(jì)工作原理在工業(yè)中經(jīng)常使用的大口徑流量計(jì)是電磁流量計(jì)。自20世紀(jì)50年代末國(guó)內(nèi)首次工業(yè)應(yīng)用以來(lái),七八十年代在流量測(cè)量中運(yùn)用和發(fā)展很快。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4--20mA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2-9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、管道軸線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,于是在和磁場(chǎng)及流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),其數(shù)值與液體的流速成正比。即〔式2-3式中:B—磁感應(yīng)強(qiáng)度<T>；D—切割磁力線的導(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<3-3>得被測(cè)導(dǎo)電液體得體積流量為〔式2-4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2-9電磁流量傳感器原理圖二、電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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。正電極被負(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5OHz>勵(lì)磁的交流磁場(chǎng),即〔式3-5感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為〔式2-6所以體積流量為〔式2-7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。三、電磁流量計(jì)的特點(diǎn)①測(cè)量管路內(nèi)沒(méi)有任何突出和可移動(dòng)的部件,因此可用于有懸浮顆粒的漿液等流量的測(cè)量,且壓力損失極??；②感應(yīng)電勢(shì)與被測(cè)液體溫度、壓力、粘度等無(wú)關(guān),因此其使用范圍廣泛;③測(cè)量范圍寬,；④可以測(cè)量各種腐蝕性液體的流量；⑤電磁流量計(jì)的慣性小,可以用來(lái)測(cè)量脈動(dòng)流量；⑥對(duì)測(cè)量介質(zhì),要求導(dǎo)電率大于0.002-0.005Ω/m。流量計(jì)的要求隨著工業(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)很容易的制造出來(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、鹽液體及食品槳液等。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:①4--20mA信號(hào)輸出型；②抗干擾性強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性可靠、整體防爆；③測(cè)量范圍寬,流速0.3-15m/s；實(shí)際上,以塔山煤礦S-3水泵房為例,其理論上管路中液體的流速范圍是:2.46m/s-4.92m/s。結(jié)合電磁流量傳感器自身的特點(diǎn),煤礦井下水泵房采用電磁流量傳感器檢測(cè)水泵出口的流量是簡(jiǎn)單易行的。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/效率等曲線有較大的差異,因此無(wú)法給出每臺(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。2.5水泵負(fù)壓檢測(cè) NS-K型負(fù)壓傳感器采用先進(jìn)的靜電焊接技術(shù)形成穩(wěn)定的參考腔,可以用來(lái)測(cè)量小于大氣壓的壓力和真空度,廣泛用于石油、化工、冶金、制藥冷凍、真空儀表等自動(dòng)化行業(yè)。 NS-K型負(fù)壓傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表所示：表NS-K型負(fù)壓傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)輸入0~-0.5kPa…-1kPa…-10kPa…-30kPa…-50kPa…-100kPa過(guò)載能力2倍測(cè)量介質(zhì)對(duì)不銹鋼不腐蝕的氣、液體工作方式負(fù)壓、真空度工作電壓5VDC或10VDC<24V>輸出100mV或0～5V、4～20mA零位輸出≤2mV綜合精度0.05%、0.1%、0.3%F.S非線性±0.1%F.S〔典型值重復(fù)性±0.1%F.S〔典型值工作溫度范圍-40~120℃溫度補(bǔ)償范圍25~80℃溫度漂移0.025%F.S/℃第三章XX塔山煤礦礦井排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1塔山煤礦同煤大唐塔山煤礦位于XX市以南30公里,由XX煤業(yè)股份,XX國(guó)際發(fā)電股份,XX煤礦集團(tuán)XX公司三方股東共同投資組建,股權(quán)比例為別為51%,28%,21%。公司有倆個(gè)項(xiàng)目,分別為塔山礦井和選煤廠。其中塔山礦井是目前全國(guó)煤炭行業(yè)建成的第一格規(guī)劃最完整,建設(shè)速度最快,效果體現(xiàn)最明顯的塔山循環(huán)經(jīng)濟(jì)工業(yè)區(qū)的龍頭企業(yè),也是我國(guó)"十一五"期間建設(shè)的第一格千萬(wàn)級(jí)噸的礦井。塔山礦井設(shè)計(jì)概算30.34億元,占地430畝,設(shè)計(jì)年產(chǎn)量150萬(wàn)噸,礦井服務(wù)年限140年。煤質(zhì)為特低硫,特低磷,中高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力力煤,洗選后精煤發(fā)熱量可達(dá)5600大卡/千克以上.礦井于20XX開(kāi)工建設(shè),20XX投產(chǎn),20XX達(dá)產(chǎn),是目前國(guó)際上設(shè)立最大的單井井工礦井,同煤集團(tuán)首個(gè)千萬(wàn)噸綜采隊(duì)在此建成.目前,礦井已形成倆個(gè)綜采低位放頂煤工作面,其自發(fā)的特厚煤層開(kāi)采長(zhǎng)套技術(shù),代表了國(guó)內(nèi)特厚煤層開(kāi)采最新發(fā)展方向,被稱為是"石炭二疊世紀(jì)煤炭開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)田。有職工人數(shù)800人左右,全員效率85噸,單井產(chǎn)量,工作面產(chǎn),人均效率,煤炭回收率,成本利稅率等方面已經(jīng)跨入一流水平行列,屬于現(xiàn)代化的高產(chǎn)高效礦井.塔山選煤廠設(shè)計(jì)概算5.2億元,占地340畝,年入選量150萬(wàn)噸.選煤廠采用重介淺槽分選塊煤,煤泥的聯(lián)合洗選工藝,小時(shí)處理能力3000噸,主要生產(chǎn)精煤和中煤倆個(gè)產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)原煤全部入洗,產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)可根據(jù)市場(chǎng)需求的變化進(jìn)行調(diào)整。3.2塔山煤礦礦井資料塔山煤礦礦井原始資料:1>單水平開(kāi)采,豎井,井深450m2>正常涌水量550m3/h3>最大涌水量1000m3/h4>礦水污染較嚴(yán)重,密度1020kg/m33.3選型設(shè)計(jì)1.選擇排水系統(tǒng)由于是單水平開(kāi)采,故采用直接排水系統(tǒng)。2.預(yù)選水泵: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25%。正常涌水期,水泵必須的排水能力： 〔式3-1最大涌水期,水泵必須的排水能力：〔式3-2式中：qz—正常涌水量〔m3/hqvmax—最大涌水量〔m3/hQv1—工作水泵必須的排水能力〔m3/hQv1max—工作與備用水泵必須的排水總能力〔m3/h作為估算可認(rèn)為水泵必須產(chǎn)生的揚(yáng)程H1〔m 〔式3-3式中：Hh－井筒深度〔m；k－揚(yáng)程損失系數(shù),豎井,k=1.1；斜井,k=1.20～1.35由于礦水污染嚴(yán)重,應(yīng)考慮選擇MD型耐磨泵,綜合上述幾點(diǎn),可選用MD500-57型號(hào)泵,其單級(jí)揚(yáng)程Hi=57。水泵級(jí)數(shù),故選級(jí)數(shù)i=9。MD型泵是目前國(guó)內(nèi)較為理想的煤礦用排水泵。其各型號(hào)見(jiàn)表2-1,型號(hào)含義如圖3-1所示：圖3-1水泵型號(hào)含義比較Qv1,Qv1max和Qe可知,在正常涌水時(shí)期需要水泵臺(tái)數(shù)在最大涌水時(shí)期需要投入工作的水泵臺(tái)數(shù)除此之外,尚需一臺(tái)檢修水泵。故工作水泵n1=2,備用水泵n2=1,檢修水泵n3=1,共四臺(tái)水泵。3、管路趟數(shù)的選擇根據(jù)各涌水期投入工作的水泵臺(tái)數(shù),可選用三趟管路,正常涌水期兩臺(tái)水泵同時(shí)工作,各用一趟管路排水,另一趟備用；最大涌水期三臺(tái)泵同時(shí)工作,啟用備用管路,三趟管路并聯(lián)排水。3.4引水設(shè)備離心式水泵只有在泵殼內(nèi)充滿水的情況下允許啟動(dòng),通常采用的方法是打開(kāi)逆止閥旁通道上的截止閥〔或注水電磁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。一、用真空泵抽真空吸水在多臺(tái)大泵集中排水的情況下,可設(shè)置兩臺(tái)真空泵專為大泵抽真空吸水。一般采用SZ型、SZB型、SZH型水環(huán)式真空泵。在本系統(tǒng)中采用的是SZ水環(huán)式真空泵。其大致的工作原理為：在泵體中裝有適量的水作為工作液。當(dāng)葉輪順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí),水被葉輪拋向四周,由于離心力的作用,水形成了一個(gè)決定于泵腔形狀的近似于等厚度的封閉圓環(huán)。水環(huán)的下部分內(nèi)表面恰好與葉輪輪轂相切,水環(huán)的上部?jī)?nèi)表面剛好與葉片頂端接觸〔實(shí)際上葉片在水環(huán)內(nèi)有一定的插入深度。此時(shí)葉輪輪轂與水環(huán)之間形成一個(gè)月牙形空間,而這一空間又被葉輪分成和葉片數(shù)目相等的若干個(gè)小腔。如果以葉輪的下部0°為起點(diǎn),那么葉輪在旋轉(zhuǎn)前180°時(shí)小腔的容積由小變大,且與端面上的吸氣口相通,此時(shí)氣體被吸入,當(dāng)吸氣終了時(shí)小腔則與吸氣口隔絕；當(dāng)葉輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí),小腔由大變小,使氣體被壓縮；當(dāng)小腔與排氣口相通時(shí),氣體便被排出泵外。水環(huán)泵是靠泵腔容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣的,因此它屬于變?nèi)菔秸婵毡谩Z水環(huán)式真空泵的性能參數(shù)如表所示。在正常情況下,為了加快充水過(guò)程兩臺(tái)真空泵同時(shí)對(duì)一臺(tái)水泵抽氣。當(dāng)一臺(tái)真空泵發(fā)生故障時(shí),另一臺(tái)仍能擔(dān)負(fù)抽氣的任務(wù)。抽氣管經(jīng)過(guò)電磁閥與每臺(tái)水泵進(jìn)水端的放氣孔相接,管路接頭處要保證嚴(yán)密。由于真空泵在工作時(shí)會(huì)發(fā)熱,及一部分工作液〔水環(huán)隨氣體一起排走,所以應(yīng)不斷地向真空泵補(bǔ)充清水。在圖3-2中,啟動(dòng)真空泵時(shí),由清水水箱經(jīng)管路6給真空泵補(bǔ)充清水。當(dāng)真空表的讀數(shù)達(dá)到要求時(shí)即可啟動(dòng)大水泵。表3-1SZ水環(huán)式真空泵的性能參數(shù)型號(hào)真空最大吸氣量壓縮機(jī)最大排氣量<m3/h>電機(jī)功率

<Kw>轉(zhuǎn)速

r/min水耗量

L/min最大真空度

%當(dāng)真空度為當(dāng)壓力為<Mpa>0%40%60%80%90%00.050.080.10.15真空泵壓縮機(jī)SZ-11.50.640.40.12-1.5145.514401084SZ-23.41.650.950.25-3.42.621.5-7.51114403087SZ-311.56.83.61.50.511.59.28.57.53.522379807092SZ-42717.6113-272620169.57590740100931-抽氣管；2-電磁閥；3-真空表；4-水環(huán)式真空泵；5-補(bǔ)水水管；6-排氣軟管圖3-2真空泵的安裝示意圖二、利用射流噴管抽真空吸水目前,我國(guó)煤礦主要排水設(shè)備通常由離心式水泵、電動(dòng)機(jī)、起動(dòng)設(shè)備、儀表、管路、濾水器、底閥、閘閥、逆止閥、充水裝置等組成。離心式水泵通常只有在泵體內(nèi)充滿水的情況下才允許起動(dòng),才能上水。經(jīng)常采用的方法是打開(kāi)逆止閥旁通管上的截止閥,讓主排水管路中的壓力水注入泵體,泵體內(nèi)的空氣從放氣孔排出,這樣的方法要求水泵必須裝設(shè)底閥。但在排水過(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,而且底閥易出現(xiàn)不閉合、膠墊爛等現(xiàn)象而造成漏水,無(wú)形中增加了維修量,降低了水泵排水的可靠性,于是,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際<來(lái)水管處地方窄小>,利用射流管抽真空技術(shù)制作了充水裝置,投用后效果良好。射流管的尺寸、整體安裝位置如圖2-5：A即為射流管充水裝置。l,2為截止閥,分別控制主管路給水和泵體內(nèi)排空氣；3為真空表,用來(lái)監(jiān)視泵體及管路內(nèi)真空度,真空度達(dá)到上水要求,即可開(kāi)泵；4為主閘閥：5為逆止閥,開(kāi)泵時(shí),先開(kāi)啟截止閥2再開(kāi)啟截止閥l,主管路高壓水經(jīng)截止閥l射向射流管A,觀察真空表,一般真空度達(dá)到0.05MPa以往前運(yùn)動(dòng),并在噴嘴口處形成一定的真空度,這樣泵體和吸水管內(nèi)的空氣被吸進(jìn)混合室,兩股合成氣水混合物,經(jīng)過(guò)噴管的頸口及擴(kuò)散管排出,再流入水倉(cāng)。要注意射流管所造成的真空度的高低不僅與噴管本身的合理尺寸有關(guān),而且也與水泵排水管內(nèi)存水的壓力有關(guān)。排水管內(nèi)存水壓力越大,水泵充水的時(shí)間就越短,壓力越小充水的時(shí)間就越長(zhǎng),甚至吸不上水來(lái)。l,2．截止閥3．真空表4．主閘閥5．逆止閥6．濾網(wǎng)<去底閥>7.混合室8．頸口圖3-3射流噴管的尺寸及安裝位置三、真空泵與射流管的比較使用射流管抽真空吸水與使用真空泵一樣,也能省去底閥提高水泵的效率及吸水高度,而且它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不占用泵房空間,維修量小等優(yōu)點(diǎn)。它的主要缺點(diǎn)就是不能解決第一次啟動(dòng)前的充水,因?yàn)榈谝淮螁?dòng)之前,排水管中無(wú)存水,噴管無(wú)水源,除非向排水管注入足夠的水否則必須保留一臺(tái)水泵帶有底閥。3.5自動(dòng)閥門本設(shè)計(jì)中主要用到了電動(dòng)閘閥,電動(dòng)球閥兩種閥門。下面就這兩種閥門進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。3.5.1電動(dòng)閘閥 電動(dòng)閘閥是安裝在水泵的出水口處主排水管上的,用于控制排水管開(kāi)關(guān)的閥門。閘閥是指關(guān)閉件〔閘板沿通路中心線的垂直方向移動(dòng)的閥門。閘閥在管路中主要作切斷用。閘閥是使用很廣的一種閥門,一般口徑DN≥50mm的切斷裝置都選用它,口徑很小的切斷裝置也可選用閘閥,閘閥有以下優(yōu)點(diǎn)：①流體阻力??；②開(kāi)閉所需外力較??；③介質(zhì)的流向不受限制；④全開(kāi)時(shí),密封面受工作介質(zhì)的沖蝕比截止閥??；⑤體形比較簡(jiǎn)單,鑄造工藝性較好。閘閥也有不足之處：①外形尺寸和開(kāi)啟高度都較大,安裝所需空間較大；②開(kāi)閉過(guò)程中,密封面間有相對(duì)摩擦,容易引起擦傷現(xiàn)象；③閘閥一般都有兩個(gè)密封面,給加工、研磨和維修增加一些困難。表3-2Z2410/ZTX系列電動(dòng)閘閥主要技術(shù)參數(shù)公稱直徑DN<mm>25～800公稱壓力PN〔MPa1.62.54.06.4連接標(biāo)準(zhǔn)法蘭連接按/T79.1/T79.2標(biāo)準(zhǔn)閥體材料代號(hào)ZG230-450ZG1Cr18Ni9TiZG0Cr18Ni12M02Ti密封面材料代號(hào)HY適用介質(zhì)水、蒸汽、油品等硝酸類腐蝕性介質(zhì)醋酸類腐蝕性介質(zhì)適用溫度〔℃≤425≤550≤200設(shè)計(jì)中使用了Z2410/ZTX系列電動(dòng)閘閥,它是由多回轉(zhuǎn)電動(dòng)執(zhí)行器與Z41/42閘閥組合在一起。閘板及填料外密封可靠、開(kāi)關(guān)平穩(wěn)。流道通暢、流阻小。廣泛用于化工、石油、冶金、能源等行業(yè)。用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控操作。主要技術(shù)參數(shù)及性能如表2-3所示。3.5.2電動(dòng)球閥 電動(dòng)球閥在系統(tǒng)中應(yīng)用較多,在圖2-2水泵排水系統(tǒng)中可以看出,真空泵抽真空,射流管方式抽真空都用到了電動(dòng)球閥。電動(dòng)球閥結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,價(jià)格也較低,應(yīng)用方便靈活,不過(guò)其口徑都較小,不能替代電動(dòng)閘閥的位置,一般只應(yīng)用于控制管徑較小的管路的開(kāi)斷。本設(shè)計(jì)中使用了Q5100/TZX系列電動(dòng)O型調(diào)節(jié)球閥。Q5100/TZX系統(tǒng)電動(dòng)O型調(diào)節(jié)球閥是一種轉(zhuǎn)角為90°的旋轉(zhuǎn)類調(diào)節(jié)閥,密封性能優(yōu)良,流通能力大,流阻系數(shù)小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、使用壽命長(zhǎng),配用DKJ-Ⅱ、Ⅲ執(zhí)行器引配日本工裝,西德歐姆龍等高性能執(zhí)行機(jī)構(gòu)。產(chǎn)品通常用于密封要求嚴(yán)格的場(chǎng)合,除控制氣體、液體、蒸汽介質(zhì)外,還適宜控制污水和含有纖維性雜質(zhì)的介質(zhì),廣泛用于石油、化工、冶金、輕工、造紙、電站、制冷等工業(yè)領(lǐng)域。 主要技術(shù)參數(shù)及性能如表所示。表3-3Q5100/TZX系列電動(dòng)O型調(diào)節(jié)球閥主要技術(shù)參數(shù)公稱直徑DN<mm>1520253240506580100125150200250300350400公稱壓力PN〔MPa1.66.4連接標(biāo)準(zhǔn)法蘭連接按/T79.2/T79.2標(biāo)準(zhǔn)球芯轉(zhuǎn)角90℃閥體材料ZG230～450ZG1Cr18Ni9TiZG0Cr18Ni12M02Ti適用溫度〔℃-40～180〔常溫-40～450〔高溫執(zhí)行機(jī)構(gòu)DKJ-Ⅱ、Ⅲ型PSAUTOMATIONCMBHLNAR-KOSOUnic-Z電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入信號(hào)0～10mA4～20mA1～5VDC3.6高壓開(kāi)關(guān)柜礦用高壓開(kāi)關(guān)柜因?yàn)椴皇欠辣碗姎庠O(shè)備,只能用于無(wú)瓦斯和煤塵突出、通風(fēng)良好無(wú)爆炸危險(xiǎn)的煤礦井下井底車場(chǎng)、大巷、中央變電所等場(chǎng)所。 礦用高壓開(kāi)關(guān)柜工作條件為：煤礦井下環(huán)境溫度不能超過(guò)35℃；相對(duì)濕度不超過(guò)95％±3％；無(wú)導(dǎo)電塵埃及腐蝕金屬和破壞絕緣的氣體；無(wú)劇烈振動(dòng)及垂直傾斜度不超過(guò)5o的場(chǎng)所。本設(shè)計(jì)中選用GKW—1型礦用高壓開(kāi)關(guān)柜,額定電壓為3kV,6kV；額定電流為5～400A。GKW—1型高壓開(kāi)關(guān)柜用等邊角鋼制成骨架,用2mm厚的鋼板焊成封閉式,具有防滴防水的作用。前門上裝有二次儀表和信號(hào)燈,打開(kāi)前門是操作室,裝有腳踏按鈕,操作屏上裝有操作手柄、操作機(jī)構(gòu)、輔助開(kāi)關(guān)和端子板。后門上裝有觀察窗,以便觀察油斷路器的油面情況。母線均涂顏色：A相涂黃色；B相涂綠色；C相涂紅色。后門和隔離開(kāi)關(guān)之間有機(jī)械閉鎖裝置,只有隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)才能打開(kāi)后門,反之,只有關(guān)上后門才能合上隔離開(kāi)關(guān)。隔離開(kāi)關(guān)的操作機(jī)構(gòu)與油開(kāi)關(guān)的操作機(jī)構(gòu)之間也有機(jī)械閉鎖裝置,當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)油開(kāi)關(guān)就不能合上,油開(kāi)關(guān)合上時(shí)隔離開(kāi)關(guān)就不能打開(kāi)。保護(hù)板下面的小門打開(kāi)就可以檢查電壓互感器和高壓熔斷器。小門與隔離開(kāi)關(guān)之間也有機(jī)械閉鎖裝置,只有隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi)才能打開(kāi)小門,小門打開(kāi)隔離開(kāi)關(guān)就不能閉合,以防發(fā)生觸電事故。 控制水泵房的高壓開(kāi)關(guān)柜主要是為水泵電機(jī)提供電源,由于水泵電機(jī)屬于高壓大容量電機(jī),不能直接啟動(dòng),需采用串聯(lián)電抗器或采用Y-D轉(zhuǎn)換降壓?jiǎn)?dòng)的方法來(lái)啟動(dòng)電機(jī)。而這個(gè)任務(wù)要由高壓開(kāi)關(guān)柜來(lái)完成。由于采用電抗器降壓,在啟動(dòng)的開(kāi)始階段,由于功率因數(shù)低,在電抗器上的壓降大,隨著轉(zhuǎn)速的增高,啟動(dòng)電流逐漸減小,且功率因數(shù)逐漸增高,其結(jié)果是使電抗器上的壓降減小,電機(jī)上的端電壓逐漸增高。這樣在啟動(dòng)終了短接電抗器時(shí),沖擊電流會(huì)小些。電抗器降壓?jiǎn)?dòng)的接線如圖3-4所示。這樣,當(dāng)PLC發(fā)出一個(gè)水泵電機(jī)啟動(dòng)的命令給高壓開(kāi)關(guān)柜后,高壓開(kāi)關(guān)柜就會(huì)自動(dòng)完成水泵電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)了。圖3-4電抗器降壓?jiǎn)?dòng)接線圖第四章PLC自動(dòng)控制礦井主排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1控制系統(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<工業(yè)計(jì)算機(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。工業(yè)計(jì)算機(jī)利用友好人機(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I/O實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和上傳?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。圖系圖4-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)4.2PLC自動(dòng)控制礦井主排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)由PLC〔可編程邏輯控制器、觸摸屏、檢測(cè)部分〔模擬量和開(kāi)關(guān)量采集和執(zhí)行部分等組成,其硬件結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。圖4-2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖4.2.1PLC的主要特點(diǎn)PLC〔ProgrammableLogicController,即可編程邏輯控制器,定義是：一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器,用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序,執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令,并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。1.PLC的特點(diǎn)1>靈活、通用在繼電器控制系統(tǒng)中,使用的控制裝置是大量的繼電器,整個(gè)系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計(jì)好的電氣控制圖,由人工通過(guò)布線、焊接、固定等手段組裝完成的,其過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果因?yàn)楣に嚿仙僭S變化,需要改變電氣控制系統(tǒng)時(shí),原先整個(gè)電氣控制系統(tǒng)將被全部拆除,而重新進(jìn)行布線、焊接、固定等工作,耗費(fèi)大量人力、物力、和時(shí)間。而PLC是通過(guò)在存儲(chǔ)器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能,若控制功能需要改變,只需修改程序及少量接線即可。而且,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。因此,PLC具有很大的靈活性和通用性,結(jié)構(gòu)形式多樣化,可以適用于各種不同規(guī)模、不同工業(yè)控制要求。2>可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)可靠性是工業(yè)控制器件的重要指標(biāo)。因此,要求在各種惡劣工作環(huán)境和條件<如電磁干擾、灰塵等>下可靠工作,將故障率降至最低。PLC具有很高的可靠性和抗干擾能力,不會(huì)出現(xiàn)繼電器一接觸器控制系統(tǒng)中接線老化、脫焊、觸點(diǎn)電弧等現(xiàn)象,故被稱為"專為適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)"。3>編程簡(jiǎn)單、使用方便PLC采用面向控制過(guò)程、面向問(wèn)題的"自然語(yǔ)言"編程,容易掌握。目前,PLC大多采用梯形圖語(yǔ)言編程方式,它既繼承了繼電器控制線路的清晰直觀感,又考慮到電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣和應(yīng)用實(shí)際,電氣技術(shù)人員易于編程,程序修改靈活方便。這種面向控制過(guò)程、面向問(wèn)題的編程方式,與匯編語(yǔ)言相比,雖然增加了解釋程序和程序執(zhí)行時(shí)間,但對(duì)大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來(lái)說(shuō),PLC的控制速度還是足夠快的。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。如繼電器、接觸器、電磁閥等聯(lián)接,具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。4>接線簡(jiǎn)單PLC只需將輸入設(shè)備<如按鈕、開(kāi)關(guān)等>與輸入端子聯(lián)接,將輸出設(shè)備<如接觸器、電磁閥等>與輸出端子聯(lián)接。接線極其簡(jiǎn)單、工作量極少。5>功能強(qiáng)PLC不僅具有條件控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)等控制功能,而且還能完成A/D.D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控等。因此,PLC既可對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制,又可對(duì)模擬量進(jìn)行控制?？煽刂埔慌_(tái)單機(jī)、一條生產(chǎn)線,也可控制一個(gè)機(jī)群、多條生產(chǎn)線?？捎糜诂F(xiàn)場(chǎng)控制,也可用于遠(yuǎn)距離控制?？煽刂坪?jiǎn)單系統(tǒng),又可控制復(fù)雜系統(tǒng)。6>體積小、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化PLC具有體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。由于PLC是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī),其結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用,以及有很強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力,易于嵌入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部。因此,PLC在機(jī)電一體化產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用。2.PLC的主要功能PLC是應(yīng)用面很廣,發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動(dòng)化裝置,在工廠自動(dòng)化<FA>和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)<CIMS>內(nèi)占重要地位。今天的PLC功能,遠(yuǎn)不僅是替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯。PLC系統(tǒng)一般由以下基本功能構(gòu)成.多種控制功能.數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能.通信聯(lián)網(wǎng)功能.輸入/輸出接口調(diào)理功能.人機(jī)界面功能.編程、調(diào)試功能1>控制功能邏輯控制:PLC具有與、或、非、異或和觸發(fā)器等邏輯運(yùn)算功能,可以代替繼電器進(jìn)行開(kāi)關(guān)量控制。定時(shí)控制:它為用戶提供了若干個(gè)電子定時(shí)器,用戶可自行設(shè)定:接通延時(shí)、關(guān)斷延時(shí)和定時(shí)脈沖等方式。計(jì)數(shù)控制:用脈沖控制可以實(shí)現(xiàn)加、減計(jì)數(shù)模式,可以連接碼盤進(jìn)行位置檢測(cè)。順序控制:在前道工序完成之后,就轉(zhuǎn)入下一道工序,使一臺(tái)PLC可作為多部步進(jìn)控制器使用。2>數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能數(shù)學(xué)運(yùn)算功能包括:.基本算術(shù):加、減、乘、除。.擴(kuò)展算術(shù):平方根、三角函數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算。.比較:大于、小于和等于。數(shù)據(jù)處理:選擇、組織、規(guī)格化、移動(dòng)和先入先出。模擬數(shù)據(jù)處理:PID、積分和濾波。3>輸入/輸出接口調(diào)理功能具有A/D.D/A轉(zhuǎn)換功能,通過(guò)I/O模塊完成對(duì)模擬量的控制和調(diào)節(jié)精度,可以根據(jù)用戶要求選擇。具有溫度測(cè)量接口,直接連接各種電阻或電偶。4>通信、聯(lián)網(wǎng)功能現(xiàn)代PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),有RS232或RS485接口,可進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O控制,多臺(tái)PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信,外部器件與一臺(tái)或多臺(tái)可編程控制器的信號(hào)處理單元之間,實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換,如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。通信接口或通信處理器按標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口或?qū)Ｓ械耐ㄐ艆f(xié)議完成程序和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。在系統(tǒng)構(gòu)成時(shí),可由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)PLC構(gòu)成"集中管理、分散控制"的分布式控制網(wǎng)絡(luò),以便完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。通常所說(shuō)的SCADA系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)端和遠(yuǎn)程端也可以采用PLC作現(xiàn)場(chǎng)機(jī)。5>人機(jī)界面功能提供操作者以監(jiān)視機(jī)器/過(guò)程工作必需的信息；允許操作者和PC系統(tǒng)與其應(yīng)用程序相互作用,以便作決策和調(diào)整。實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面功能的手段:從基層的操作者屏幕文字顯示,到單機(jī)的CRT顯示與鍵盤操作和用通信處理器、專用處理器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、工業(yè)計(jì)算機(jī)的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。6>編程、調(diào)試等使用復(fù)雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏,進(jìn)行編程、調(diào)試、監(jiān)視、試驗(yàn)和記錄,并通過(guò)打印機(jī)打印出程序文件。4.2.2S7--300PLC的基本組成本系統(tǒng)選用德國(guó)西門子公司的SIMATICS7-300系列PLC系統(tǒng)。S7-300系列PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),各種單獨(dú)模塊之間可以進(jìn)行廣泛組合和擴(kuò)展。它的系統(tǒng)構(gòu)成如圖4-3所示。其主要組成部分有導(dǎo)軌<RACK>、電源模塊<PS>、中央處理單元模塊<CPU>、接口模塊<IM>,信號(hào)模塊<SM>、功能模塊<FM>等。它可以通過(guò)MPI連接電纜或通訊模塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊,再加上其全面的診斷功能和完善的自我保護(hù)技術(shù),使其具有極高的可靠性,極其適合本系統(tǒng)的需求。除此之外,它自帶的STEP7編程軟件功能強(qiáng)大,使用方便,也使開(kāi)發(fā)過(guò)程變得簡(jiǎn)單快捷。圖4-3S7-300PLC系統(tǒng)構(gòu)成框圖一、中央處理單元CPU同一般的微處理器一樣,中央處理單元是PLC的主要部分,是系統(tǒng)的核心。它通過(guò)輸入裝置讀入外設(shè)的狀態(tài),由用戶程序去處理,并根據(jù)結(jié)果通過(guò)輸出裝置去控制外設(shè)。一般的中型可編程控制器多為雙微處理器系統(tǒng)。一個(gè)為字處理器,多為8位或16位微處理器。另一個(gè)是位處理器,也稱為布爾處理器,是一些廠家設(shè)計(jì)制造的專用芯片。字處理器是主處理器,由它處理字節(jié)操作指令,控制系統(tǒng)總線、內(nèi)部計(jì)數(shù)器、內(nèi)部定時(shí)器,監(jiān)視掃描時(shí)間,統(tǒng)一管理編程接口,同時(shí)協(xié)調(diào)位處理器及輸入輸出。位處理器也稱從處理器,它的主要作用是處理位操作指令和在機(jī)器操作系統(tǒng)的管理下實(shí)現(xiàn)PLC編程語(yǔ)言向機(jī)器語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換。位處理器的采用,加快了PLC的掃描速度,使PLC能較好的滿足實(shí)時(shí)控制要求二、輸入/輸出部件輸入/輸出部件通常亦稱I/O單元或I/O模塊,PLC通過(guò)I/O單元與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)相聯(lián)系。通過(guò)I/O接口可以檢測(cè)被控對(duì)象或被控生產(chǎn)過(guò)程的各種參數(shù),以這些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為PLC對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的信息依據(jù)。同時(shí)PLC又通過(guò)I/O接口將處理結(jié)果送給被控設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。PLC提供了多種操作電平和驅(qū)動(dòng)能力的I/O單元,有各種各樣的I/O單元供用戶選用。外部設(shè)備傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的信號(hào)電平是多種多樣的,而PLC中CPU處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平,所以I/O單元需實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。I/O單元的主要類型有：數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。SM321數(shù)字量輸入模塊將現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程送來(lái)的數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成S7-300內(nèi)部信號(hào)電平。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)輸入元件,僅需要提供開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)即可。輸入信號(hào)進(jìn)入模塊后,一般都經(jīng)過(guò)光電隔離和濾波,然后才送至輸入緩沖器等待CPU采樣。數(shù)字量輸入模塊SM321有直流16點(diǎn)輸入、直流32點(diǎn)輸入、交流16點(diǎn)輸入、交流8點(diǎn)輸入四種型號(hào)模塊可供選擇。SM322數(shù)字量輸出模塊將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、交流輸出模塊和交直流兩用輸出模塊。按輸出開(kāi)關(guān)器件的種類不同又可分為：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?？煽毓栎敵龇绞綄儆诮涣鬏敵龇绞?適用于驅(qū)動(dòng)交流電磁閥、接觸器、電機(jī)啟動(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出模塊,其額定負(fù)載電壓范圍較寬,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)晶體管輸出、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。SM331模擬量輸入模塊主要由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)定的積分時(shí)間的正函數(shù),也即積分時(shí)間越長(zhǎng),被測(cè)值的精度越高。SM331可選四檔積分：2.5ms,16.7ms,20ms,100ms,相對(duì)應(yīng)的以位表示的精度為：9,12,12,14位。模擬量模塊都裝有量程模塊,調(diào)整量程塊的插入位置可改變模塊的硬件結(jié)構(gòu)。"A"位置用于測(cè)量±1000MV以內(nèi)的小電壓信號(hào),由于電阻和熱電偶信號(hào)均屬于這個(gè)范圍,所以"A"位置適用于它們。"B"位置適合測(cè)量±10V以內(nèi)的大電壓信號(hào),如：±2.5V,±5V,1～5V等。"C"位置用于測(cè)量由4線變送器產(chǎn)生的±20mA以內(nèi)的電流信號(hào)。"D"用于測(cè)量2線變送器產(chǎn)生的4～20mA電流信號(hào),并通過(guò)測(cè)量信號(hào)線對(duì)變送器供電。SM331有8×12位和2×12位兩種規(guī)格型號(hào)模塊。SM332模擬量輸出模塊可以輸出電壓,也可以輸出電流。在輸出電壓時(shí),可以采用2線回路和4線回路兩種方式與負(fù)載相連。采用4線回路可以獲得比較高的輸出精度。如圖4-4所示,檢測(cè)線S+和S-直接接到負(fù)載上。這樣,在負(fù)載端直接測(cè)量和校準(zhǔn)電壓。采用2線回路時(shí),S+和S-可以保持開(kāi)路,但是輸出精度不如4線回路高。在電流輸出方式時(shí),將負(fù)載連接到QI和MANA上即可。QI和QV實(shí)際上是同一個(gè)端子。圖4-4通過(guò)4線回路將負(fù)載與隔離的模出模塊相連三、存儲(chǔ)器在可編程控制器系統(tǒng)中,存儲(chǔ)器主要存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序是由PLC的制造廠家在研制系統(tǒng)時(shí)確定的,和機(jī)器的硬件組成有關(guān),完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調(diào)用管理、邏輯運(yùn)算、通信和各種參數(shù)設(shè)定等功能。系統(tǒng)程序在PLC使用過(guò)程中是不變動(dòng)的,中小型PLC多使用EPROM或PROM來(lái)存放,大型PLC多使用熔絲快速ROM存放。系統(tǒng)程序關(guān)系到PLC的性能,用戶不能訪問(wèn),修改這一部分存儲(chǔ)器的內(nèi)容。用戶程序是隨PLC的應(yīng)用對(duì)象而定的,它是用戶根據(jù)使用環(huán)境和生產(chǎn)工藝的控制要求來(lái)編寫的。用戶程序一般存放于帶有后備電池的CMOS靜態(tài)RAM、紫外線可擦的EPROM和電可改寫的EEPROM中。為保證在斷電和加電的瞬間,RAM中的數(shù)據(jù)不丟失或被隨機(jī)改寫,應(yīng)采取掉電抗干擾保護(hù)措施和選擇帶控制端的CMOSRAM,控制端有效時(shí)禁止外電路對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫,只維持?jǐn)?shù)據(jù),避免了電源波動(dòng)和正常電源與后備電池切換時(shí)產(chǎn)生的誤寫入。工作數(shù)據(jù)是PLC在應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中,以適應(yīng)隨機(jī)改寫的要求。在PLC系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū),開(kāi)辟有輸入輸出數(shù)據(jù)映像區(qū)、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、輔助繼電器等邏輯部件,這些部件的設(shè)定值和當(dāng)前值是根據(jù)用戶程序的初始設(shè)置和運(yùn)行狀況而確定的。根據(jù)需要,部分?jǐn)?shù)據(jù)在停電時(shí)用后備電池維持現(xiàn)行狀態(tài)。在掉電時(shí)可以保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)器區(qū)域稱保持?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。綜上所述,PLC所用存儲(chǔ)器基本上由PROM、EPROM、EEPROM及RAM等組成,存儲(chǔ)容量的大小隨機(jī)器的型號(hào)而變化。由于系統(tǒng)程序用戶不可改變,因而PLC產(chǎn)品樣本或使用說(shuō)明書中所列存儲(chǔ)器容量,系指用戶程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器而言。四、外部設(shè)備1、人機(jī)接口人機(jī)接口裝置可分為操作員接口、加固的"半智能"型CRT接口、"智能"接口。操作員接口用于實(shí)現(xiàn)操作人員與PLC控制系統(tǒng)之間的對(duì)話,人機(jī)接口的最簡(jiǎn)單和最普通的形式是由安裝在控制臺(tái)上的按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、指示燈、LED數(shù)字顯示器和聲光報(bào)警器等元件組成。加固的"半智能"型CRT接口為密封型,可以長(zhǎng)期安裝在操作臺(tái)和控制柜的面板上,通過(guò)通信接口接收來(lái)自PLC的信息并在CRT終端上顯示出來(lái)。用于PLC控制系統(tǒng)的最高級(jí)、最復(fù)雜的人機(jī)接口是一種"智能"終端,它有自己的微處理器和存儲(chǔ)器,能夠與操作人員快速地交換信息,并通過(guò)通信接口與PLC相連,它可以作為本地通信網(wǎng)絡(luò)的接口。2、外存儲(chǔ)器PLC的CPU模塊內(nèi)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器稱內(nèi)存儲(chǔ)器,或者簡(jiǎn)稱內(nèi)存。有時(shí)用磁帶和磁盤來(lái)存儲(chǔ)PLC的用戶程序。磁帶和磁盤稱為外存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)在它們里面的信息可以長(zhǎng)期保存。如果存放在PLCRAM內(nèi)的程序丟失,可以重新裝入保存在磁帶或磁盤中的程序。盒式磁帶錄音機(jī)和磁盤驅(qū)動(dòng)器可能在編程器系統(tǒng)之內(nèi),也可能是單獨(dú)的裝置,由編程器或其它智能模塊向它們提供接口。在離線開(kāi)發(fā)用戶程序可編程裝置中,外存儲(chǔ)器特別有用。3、EPROM寫入器EPROM寫入器用來(lái)把用戶程序?qū)懭氲紼PROM中去。它提供了一個(gè)非易失的用戶程序的保存方法,存放在EPROM中的程序在沒(méi)有電源的情況下也不會(huì)丟失。同一PLC系統(tǒng)的各種不同應(yīng)用場(chǎng)合的用戶程序可以分別寫入到幾片EPROM中,在改變系統(tǒng)的工作方式時(shí)只要更換EPROM就可以了。五、電源部件PLC配有開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源,供內(nèi)部電路使用。與普通電源相比,PLC電源穩(wěn)定性好,抗干擾能力強(qiáng)。有些機(jī)型還向外提供24VDC的穩(wěn)壓電源,用于對(duì)外部傳感器供電,這就避免了由于電源污染或不合格電源產(chǎn)品而引起的故障。S7-300系列PLC就配有專用電源模塊PS307。4.3西門子ET200M與PROFIBUS-DP總線一、ET200MSIMATICET200M是采用模塊化的設(shè)計(jì),方便安裝于控制柜。且與SIMATICS7-300I/O模塊及功能模塊兼容,安全性高。支持"熱插拔"功能,適合過(guò)程控制中危險(xiǎn)區(qū)域使用,遠(yuǎn)程擴(kuò)展使用等特殊情況。ET200M是高密度配置的模塊化I/O站,保護(hù)等級(jí)為IP20。它可用S7-300可編程序控制器的信號(hào)、功能和通訊模塊擴(kuò)展。由于模塊的種類眾多,ET200M尤其適用于復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)。可插入模擬量HART的輸入和輸出模塊,意味著ET200M適用于過(guò)程工程。它也適宜于與冗余系統(tǒng)一起使用。ET200M是在PROFIBUS-DP上的被動(dòng)站<從站>。最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12M位/S。ET200M也可以在運(yùn)行過(guò)程中,在有電源情況下配置S7-300I/O模塊的有源總線模塊,其余模塊仍繼續(xù)運(yùn)行。ET200M由以下部分組成：1、IM153接口：用于與PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的連接；2、各種I/O模塊：用總線連接器連接或插入在有源總線模塊內(nèi),總線連接器設(shè)計(jì),在運(yùn)行過(guò)程中不能更換模塊；有源總線模塊設(shè)計(jì),在運(yùn)行過(guò)程中能更換模塊；3、電源<如有必要>；4、S7-300自動(dòng)化單元的所有I/O模塊：都可應(yīng)用<功能和通信模塊只用于SIMATICS7/M7主設(shè)備>；5、HART模塊。 ET200M最多可擴(kuò)展8個(gè)I/O模塊,每個(gè)ET200M的最大地址區(qū)：128字節(jié)輸入和128字節(jié)輸出。ET200M通過(guò)RPOFIBUS-DP與PLC控制柜連接通信。二、PROFIBUS-DP總線PROFIBUS是世界上最大的開(kāi)放式工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)之一。這種網(wǎng)絡(luò)能夠支持32個(gè)節(jié)點(diǎn),最高運(yùn)行速度為12Mbps。與大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)一樣,PROFIBUS能夠減少運(yùn)營(yíng)成本,提高生產(chǎn)效率,加快新品上市時(shí)間,并改善產(chǎn)品質(zhì)量。與標(biāo)準(zhǔn)4～20mA控制不同,PROFIBUS能夠在由一根雙絞線電纜組成的單一總線網(wǎng)段上,支持32個(gè)工作站。PROFIBUS-DP是PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的三個(gè)兼容版本之一,它是專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備分散I/O之間通信設(shè)計(jì)的,是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接。PROFIBUS-DP的特點(diǎn)：1、代替PLC/PC與I/O之間昂貴的電線；2、快速,傳輸1千字節(jié)的輸入數(shù)據(jù)和1千字節(jié)的輸出數(shù)據(jù)所需時(shí)間<2ms；3、強(qiáng)有力的工具,減少組態(tài)和維護(hù)費(fèi)用；4、被所有主要的PLC制造商支持；5、有廣泛的產(chǎn)品：PLC,PC,I/O,驅(qū)動(dòng)器,編碼器等；6、允許周期性和非周期性的數(shù)據(jù)傳輸；7、單主和多主網(wǎng)絡(luò)；8、每個(gè)站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最多可達(dá)244字節(jié)。第五章控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1PLC的軟件設(shè)計(jì)西門子的S7-300系列PLC所用的編程語(yǔ)言是西門子開(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)行離線編程,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,甚至可以在線修改程序中變量的值,給調(diào)試工作也帶來(lái)極大的方便。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：5.1.1軟件流程圖從整體上來(lái)看,系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5-1所示：從圖中可以看出,系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)后,首先進(jìn)行與高壓開(kāi)關(guān)柜的通訊,然后進(jìn)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(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、半自動(dòng)運(yùn)行三種運(yùn)行方式中的哪一種,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)完成水泵的啟動(dòng),輪換工作,故障報(bào)警,停止。如處于半自動(dòng)運(yùn)行方式下,則由人工選擇哪臺(tái)水泵投入運(yùn)行,PLC根據(jù)水泵的泵號(hào)自動(dòng)完成該臺(tái)水泵的自動(dòng)啟動(dòng),運(yùn)行,停止。而手動(dòng)方式下,PLC不參與任何操作控制,全部由人工通過(guò)控制按鈕來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。圖5-1系統(tǒng)軟件流程圖5.1.2地址分配表5-1模擬量輸入地址分配模擬量輸入地址分配〔計(jì)10通道水倉(cāng)水位IW304水泵軸承溫度IW4385666941～3#水泵壓力IW432560688電機(jī)電壓IW4425706981～3#水泵真空度IW434562690電機(jī)溫度IW4405686961～3#水泵流量IW436564692電機(jī)電流IW444572700表5-2數(shù)字量輸入地址分配數(shù)字量輸入地址分配〔計(jì)64點(diǎn)1～2#真空泵狀態(tài)I3.2～3.31#水泵電動(dòng)閥開(kāi)/關(guān)/停/開(kāi)到位/關(guān)到位/開(kāi)過(guò)轉(zhuǎn)矩/關(guān)過(guò)轉(zhuǎn)矩I37.0～37.61～2#真空閥開(kāi)/關(guān)I4.0～4.31～2#真空閥開(kāi)/關(guān)到位I4.4～4.7故障復(fù)位I3.02#水泵電動(dòng)閥開(kāi)/關(guān)/停/開(kāi)到位/關(guān)到位/開(kāi)過(guò)轉(zhuǎn)矩/關(guān)過(guò)轉(zhuǎn)矩I69.0～69.6急停I3.11#水泵自/半/手方式I36.0～36.22#水泵自/半/手方式I68.0～68.23#水泵電動(dòng)閥開(kāi)/關(guān)/停/開(kāi)到位/關(guān)到位/開(kāi)過(guò)轉(zhuǎn)矩/關(guān)過(guò)轉(zhuǎn)矩I101.0～101.63#水泵自/半/手方式I100.0～100.21#水泵合閘/分閘I36.3～36.42#水泵合閘/分閘I68.3～68.421#球閥開(kāi)/關(guān)到位I70.0～70.13#水泵合閘/分閘I100.3～100.422#球閥開(kāi)/關(guān)到位I70.2～70.31#水泵合/分到位I36.5～36.623#球閥開(kāi)/關(guān)到位I70.4～70.52#水泵合/分到位I68.5～68.631#球閥開(kāi)/關(guān)到位I102.0～102.13#水泵合/分到位I100.5～100.632#球閥開(kāi)/關(guān)到位I102.2～102.311#球閥開(kāi)/關(guān)到位I38.0～38.133#球閥開(kāi)/關(guān)到位I102.4～102.512#球閥開(kāi)/關(guān)到位I38.2～38.3真空泵/射流方式I3.413#球閥開(kāi)/關(guān)到位I38.4