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山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
學(xué)生姓名
：
蘇袁野
學(xué)號
：
150514029
專業(yè)
：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師
：
劉愛萍
所屬系（部）
：
機(jī)械電子工程系
二〇一九年六月
龍口煤礦基于plc控制的井下排水與組態(tài)
摘 要
在煤礦開采過程中，會(huì)有大量的地下水涌出，在滲透作用下，地表水也會(huì)被收集到地下。地下水量過大，不僅會(huì)影響煤礦的正常開采功能，還會(huì)帶來嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)，危及作業(yè)人員的生命安全。因此，井下排水是煤礦生產(chǎn)過程中的一項(xiàng)重要安全措施。開發(fā)可靠、節(jié)能的井下排水系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
目前，井下排水系統(tǒng)的PLC控制已在許多大型煤礦中得到應(yīng)用，但許多煤礦仍采用繼電器控制，對水位進(jìn)行監(jiān)控，泵的開、關(guān)和開關(guān)的選擇都是手工完成的。而長期使用會(huì)造成泵的磨損，以及備用泵的閑置損壞無法及時(shí)被發(fā)現(xiàn)。該系統(tǒng)設(shè)備相對落后，運(yùn)行復(fù)雜、緩慢，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，嚴(yán)重影響地下排水系統(tǒng)的管理水平和經(jīng)濟(jì)效益的提高。
本文在了解了我國的井下排水系統(tǒng)現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，針對龍口煤礦用PLC西門子S7-200進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)煤礦井下中央水泵房中水泵的自動(dòng)輪換，超溫保護(hù)等功能。設(shè)計(jì)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式,可以自由切換。同時(shí)利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了對整套系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀況及數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控，并與井上監(jiān)控中心進(jìn)行通訊，工作人員在顯示器前就可以了解到排水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀況，同時(shí)也可以根據(jù)采集到的信息進(jìn)行相應(yīng)的操作指令，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，以及因人為操作出現(xiàn)的紕漏而導(dǎo)致的事故。
關(guān)鍵詞：井下排水;PLC;組態(tài)軟件
Downhole?drainage?and?configuration?based?on?PLC
?control?in? longkou?coal?mine
Abstract
In?the?process?of?mining?coal?mines,?a?lot?of?underground?water?will?be?gushed ?out,?and?surface?water?will?also?be?collected?underground?under?the?effect?of?osmosis.If?there?is?too?
much?water?underground,?it?will?not?only?affect?the?normal?function?of ?coal?mining,?but?also?bring?serious?safety?risks,?endangering?the?lives?of?operators.? Therefore,?downhole?drainage?is?an?important?safety?measure?in?the?process?of?coal? mine?production.?It?is?of?great?practical?significance?to?develop?a?reliable?and? energy-saving?downhole?drainage?system.
At?present,?PLC?control?of?downhole?drainage?system?has?been?used?in?many?large?coal?mines,?but?many?coal?mines?still?use?relay?control,?monitoring?the water level,?turning?on?and?
off?the?pump?and?selecting?the?switch?is?done?manually.?And?long-term?use?will?cause?wear?and?tear?of?the?pump?and?spare?pump?idle?moisture?can?not?be?found?in?time.?The?equipment?of
this?kind?of?system?is?relatively?backward,?the?operation?is?complex,?the?operation?is?slow,?the?labor?intensity?of?workers?is?large,? which?seriously?affects?the?management?level?of?underground?drainage?system?and?the?improvement?of?economic?benefits.
On the basis of understanding the existing technology of downhole drainage system in China, this paper programming Siemens s7-200plc for longkou coal mine to realize the functions of automatic rotation of water pump in the central water pump room in the coal mine and overtemperature protection.At the same time by using configuration software to realize the equipment running status and the data information of the system of monitoring, and communication with the monitoring center inoue, staff in front of the monitor can understand to the drainage system of the real time status, and at the same time also can according to the collected information for the corresponding operation instructions, reduce the labor intensity, and the accident caused by the artificial operation appear cracks.
Keywords: underground drainage; PLC; configuration software
iii
目 錄
摘要 ⅰ
Abstract ⅱ
1 緒論 1
1.1 礦井水的形成及排水的重要性 1
1.2 現(xiàn)有井下排水系統(tǒng)存在的問題 1
1.3 國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài) 2
1.3.1 國內(nèi)發(fā)展動(dòng)態(tài) 2
1.3.2 國外發(fā)展動(dòng)態(tài) 2
1.4 本論文研究的主要內(nèi)容和選題意義 3
1.4.1 研究的主要內(nèi)容 3
1.4.2 選題的意義 3
1.5 小結(jié) 4
2 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 5
2.1 概述 5
2.2 管路布置的選擇 5
2.3 離心式水泵排水系統(tǒng) 6
2.3.1 離心式水泵排水系統(tǒng)的組成 8
2.3.2 離心式水泵的控制原理 9
2.3.3 離心式水泵的啟動(dòng)過程 9
2.3.4 離心式水泵的停止過程 10
2.4 小結(jié) 11
3 可編程控制器技術(shù)概況 12
3.1 可編程控制器的發(fā)展趨勢 12
3.2 可編程控制器的特點(diǎn)和功能 14
3.2.1 可編程控制器的主要特點(diǎn) 14
3.2.2 可編程控制器的主要功能 15
3.3 小結(jié) 17
4 概述 18
4.1 概述 18
4.2 硬件系統(tǒng)的簡介 18
4.3 PLC要實(shí)現(xiàn)的控制功能 18
4.4 PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 19
4.4.1 系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì) 20
4.4.2 PLC模塊的選型 20
4.5 設(shè)備選型 21
4.5.1 電動(dòng)閥和電磁閥的介紹及選型 21
4.5.2 傳感器的選型 22
4.6 小結(jié) 26
5 PLC的軟件設(shè)計(jì) 27
5.1 主程序流程圖 27
5.2 運(yùn)行中的檢測程序 28
5.3 輸入輸出地址分配 28
5.4 程序梯形圖 30
5.4.1 液位處理程序 30
5.4.2 溫度處理模塊 30
5.4.3 負(fù)壓處理模塊 32
5.4.4 水泵啟動(dòng)程序 32
5.4.5 水泵關(guān)閉子程序 34
5.4.6 自動(dòng)輪換設(shè)計(jì) 34
5.5 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié) 36
5.5.1 干擾信號的排除 36
5.5.2 程序運(yùn)行的幾個(gè)狀態(tài) 37
5.6 小結(jié) 37
6 人機(jī)界面的設(shè)定 38
6.1 概述 38
6.2 組態(tài)王軟件簡介 38
6.3 排水控制組態(tài)的建立 38
6.4 組態(tài)畫面的設(shè)計(jì) 40
6.5 小結(jié) 41
結(jié)論 42
附錄 43
參考文獻(xiàn) 46
外文資料 48
中文譯文 54
致謝 58
山西工程技術(shù)學(xué)院――畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
1 緒論
1.1 礦井水的形成及排水的重要性
井下排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，其工作效率和可靠性對煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的意義。在煤礦開采時(shí)，會(huì)有地表雨水、江河的滲透和開采煤層時(shí)地層含水的涌出，匯集起來將會(huì)產(chǎn)生大量的礦井積水。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，每開采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。如果井下的積水沒有被及時(shí)的從礦井中排除，不但井下生產(chǎn)可能會(huì)受到影響，而且井下生產(chǎn)過程中工作人員的安全也不能得到保障，若情況嚴(yán)重可能會(huì)產(chǎn)生重大事故。因此，設(shè)計(jì)安全可靠的井下排水系統(tǒng)對保證礦井的安全、生產(chǎn)的高效、人員的安全有著重要意義。
1.2 現(xiàn)有井下排水系統(tǒng)存在的問題
我國現(xiàn)在大部分煤礦仍采用人工操作閘閥來控制水泵的排水。當(dāng)水倉水位達(dá)到高水位時(shí)，工人打開真空泵，給水泵注水，同時(shí)觀察真空表讀數(shù)，當(dāng)讀數(shù)達(dá)到要求時(shí)，啟動(dòng)水泵電機(jī)，使泵開始工作。同時(shí)，觀察壓力表的讀數(shù)，當(dāng)水泵的出水口壓力讀數(shù)達(dá)到要求時(shí)，工人手動(dòng)打開排水閘閥，同時(shí)關(guān)閉真空泵。在停泵的過程中，操作順序與啟動(dòng)的順序相反。當(dāng)水倉水位逐漸降至低水位時(shí)，工人先將排水閘閥關(guān)閉，再停止電機(jī)。工人根據(jù)自己的工作經(jīng)驗(yàn)來確定水倉的涌水量大小，確定開啟水泵的數(shù)量，從而達(dá)到排水的要求。這種系統(tǒng)存在以下弊端：
（1） 效率低。舊式的排水系統(tǒng)既復(fù)雜又耗費(fèi)人力，同時(shí)還有可能因?yàn)槿斯さ牟僮魇д`而造成不必要的麻煩。
（2） 可靠性差。現(xiàn)有的電氣設(shè)備很多采用的是繼電器、接觸器控制，觸點(diǎn)的頻繁使用會(huì)造成反應(yīng)不靈敏，造成誤動(dòng)作。
（3） 成本高。在操作過程中要大量使用人工，人力物力消耗較多，頻繁使用也會(huì)造成大量維修費(fèi)。
（4） 預(yù)警不及時(shí)。傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)故障只能靠工人的工作經(jīng)驗(yàn)來判斷，有時(shí)會(huì)因操作錯(cuò)誤而造成一些不必要的事故。對于故障井上也不能及時(shí)的收到，會(huì)耽誤故障的及時(shí)處理。
1.3 國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)
1.3.1 國內(nèi)發(fā)展動(dòng)態(tài)
經(jīng)查閱大量的文獻(xiàn)，在礦井水位檢測、排水系統(tǒng)自動(dòng)控制等技術(shù)方面，國內(nèi)已從初期的摸索到取得一定成果的階段。我國已從初期操作和檢測手段比較落后的情況，發(fā)展到目前已采取了優(yōu)化的排水方案，有了質(zhì)的飛躍。傳統(tǒng)人工檢測水倉水位、閘閥和水泵等設(shè)備的運(yùn)行情況，檢測系統(tǒng)不健全，出錯(cuò)率較高。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，我國在井下水泵房的合理布置和排水系統(tǒng)的改造等方面做了大量的研究。另外，新型控制理論，如模糊控制、專家系統(tǒng)等也應(yīng)用于井下排水系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了水位的實(shí)時(shí)檢測、水泵的自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、故障報(bào)警等功能，提高了排水系統(tǒng)的安全性及可靠性。
2002年，邯鄲設(shè)計(jì)研究院王孝穎和兗礦集團(tuán)張豐敏等人設(shè)計(jì)了用PLC檢測水倉水位及其他運(yùn)行參數(shù)的系統(tǒng)。根據(jù)水倉水位的變化情況，建立數(shù)學(xué)模型，合理調(diào)度水泵啟停，達(dá)到高效節(jié)能的目的。
2005年，北京理工大學(xué)的孫東等人結(jié)合分布式SCADA系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人值守的空壓機(jī)自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，且達(dá)到良好的檢測和控制效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，有關(guān)主排水SCADA系統(tǒng)性能的優(yōu)越性已經(jīng)逐步得到了各方的認(rèn)可，比如中煤科工集團(tuán)研制的煤礦井下主排水自動(dòng)控制系統(tǒng)、長沙昌佳自動(dòng)化有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的井下泵房無人值守及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)己經(jīng)在多個(gè)煤礦有所使用，但這些系統(tǒng)在國內(nèi)的推廣使用過程中還有著一些實(shí)際問題需要解決。
1.3.2 國外發(fā)展動(dòng)態(tài)
國外的礦井主排水系統(tǒng)從十九世紀(jì)六七十年代就開啟了自動(dòng)化進(jìn)程。隨后，隨著工業(yè)計(jì)算機(jī)科技的大跨步發(fā)展，主排水系統(tǒng)將傳統(tǒng)控制技術(shù)和工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，大大減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且經(jīng)過傳感器等設(shè)備形成閉環(huán)控制系統(tǒng)更加準(zhǔn)確地使得井下主排水系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。隨著現(xiàn)代社會(huì)軟件技術(shù)的發(fā)展，一些發(fā)達(dá)國家的著名學(xué)者紛紛開始研究搭建主排水監(jiān)測系統(tǒng)，并取得了令世人矚目的進(jìn)展。例如美國、加拿大、荷蘭等礦業(yè)發(fā)達(dá)國家的主排水系統(tǒng)已經(jīng)開始依托研制好的主排水系統(tǒng)模型進(jìn)行自動(dòng)化的調(diào)度監(jiān)控，既滿足了復(fù)雜的井下排水環(huán)境的需求，也促進(jìn)了煤礦井下主排水設(shè)備的優(yōu)化配置。
俄羅斯國立莫斯科開放大學(xué)技術(shù)科學(xué)副博士B.B.馬祖連科提出在排水設(shè)備的使用階段進(jìn)行能耗估算，介紹了主要排水設(shè)備離心泵的能耗估算方法。為了提高排水設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，副博士B.B.馬祖連科也提出必須對水泵運(yùn)行周期加以優(yōu)化，推導(dǎo)出水泵最佳使用周期的兩種計(jì)算公式，詳細(xì)介紹了優(yōu)化方程的求解程序及有關(guān)參數(shù)的算法。對煤礦井下排水系統(tǒng)的測評，提供了實(shí)用的數(shù)學(xué)模型。
此外，加拿大提出了數(shù)字化礦山的理念，大力發(fā)展傳感器技術(shù)在監(jiān)控方面的應(yīng)用，并且建立綜合信息數(shù)據(jù)庫，以減小監(jiān)測值的誤差；芬蘭提出了智能化礦山生產(chǎn)理念，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)控制、資源的有效管理以及設(shè)備維護(hù)過程的自動(dòng)化。
1.4 本論文研究的主要內(nèi)容和選題意義
1.4.1 研究的主要內(nèi)容
本文根據(jù)山東省龍口礦業(yè)集團(tuán)有限公司的實(shí)際情況，針對目前煤礦井下排水系統(tǒng)存在的問題，應(yīng)用PLC對現(xiàn)有的水泵房排水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定了一套井下自動(dòng)排水系統(tǒng)。課題主要的研究內(nèi)容有：
（1）用PLC（可編程邏輯控制器）代替繼電器控制，改造原有的手動(dòng)閘閥為可控閘閥，符合礦用設(shè)備的安全使用標(biāo)準(zhǔn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。
（2）設(shè)計(jì)了水泵輪換工作制度，優(yōu)化了水泵的運(yùn)行，防止長時(shí)間使用一臺(tái)水泵造成磨損，以及備用泵長期閑置而損壞卻不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。
（3）將傳感器技術(shù)應(yīng)用與系統(tǒng)監(jiān)控中，用以衡量系統(tǒng)的工作性能及作為預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)。分析了自動(dòng)排水系統(tǒng)中需要測量的特征參數(shù)及檢測方法。
（4）自動(dòng)輪換代替了人工的繁瑣操作，節(jié)省了操作時(shí)間，提高了工作效率，也減少了人工失誤。
（5）利用以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)間的通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過上位機(jī)軟件來實(shí)時(shí)在線的監(jiān)控礦井下排水系統(tǒng)的運(yùn)行情況。
1.4.2 選題的意義
通過本次設(shè)計(jì)能提高井下排水的智能化程度，并且可以減少人工，以及信息的實(shí)時(shí)回報(bào)，報(bào)警信息傳達(dá)復(fù)迅速有效，實(shí)現(xiàn)問題的具象化，處理問題更加簡單有效，很大程度地提高了處理問題的效率，減少了多余動(dòng)作，避免了人工的浪費(fèi)，并通過傳感器的實(shí)時(shí)上報(bào)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使問題解決的更加迅速，避免事故的產(chǎn)生。提高了煤礦井下排水效率以及煤礦井下的安全系數(shù)。使工作人員在安全的環(huán)境下工作，同時(shí)也提高了工作效率。
1.5 小結(jié)
礦井涌水的排放關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)，井下排水系統(tǒng)采用傳統(tǒng)人工操作是我國煤礦企業(yè)普遍存在的問題。本章從煤礦井下涌水的形成入手，提出了排水的重要性。然后闡述了國內(nèi)外在研究井下排水系統(tǒng)方面取得的成果，最后針對現(xiàn)有井下排水系統(tǒng)存在的問題，立足于本課題調(diào)研的煤礦企業(yè)實(shí)際情況，提出了本文研究的主要內(nèi)容和意義。
2 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)
2.1 概述
井下排水系統(tǒng)是煤礦的關(guān)鍵部分，也是煤礦四大系統(tǒng)之一，所以排水系統(tǒng)不僅要具備手動(dòng)控制能力，還應(yīng)具備完善的自動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)輪換。
本章提出了排水系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和控制方法，然后根據(jù)排水系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制、檢測傳感器、控制網(wǎng)絡(luò)、可編程控制器等技術(shù)開發(fā)了一套功能相對比較完整的井下排水控制系統(tǒng)，根據(jù)工藝要求和控制功能了給定系統(tǒng)的主要功能。下圖 2-1 為控制系統(tǒng)的一般組成示意圖：
圖2-1 控制系統(tǒng)組成示意圖
2.2 管路布置的選擇
本文的設(shè)計(jì)選擇三個(gè)水泵和兩條管路。其目的是：三個(gè)水泵一個(gè)使用，一個(gè)備用，一個(gè)用于檢修，在正常情況下兩個(gè)水泵就能滿足要求，即正常排水時(shí)，一個(gè)水泵就可以滿足排水的需要，另外兩個(gè)用來做備用和輪換。當(dāng)水位超過最高水位預(yù)警時(shí)，可以開兩個(gè)泵來滿足排水的需要。排水管路有兩條，要保證每條管路都與三個(gè)泵相連。一條管路是常用管路，另一條用作在備用或檢修時(shí)使用。設(shè)置三個(gè)泵，兩個(gè)管路的原因是防止設(shè)備突然損壞，需要修理時(shí)沒有備用設(shè)備會(huì)影響生產(chǎn)的安全。下圖2-2為井下泵房的布置圖：
圖2-2井下泵房布置圖
2.3 離心式水泵排水系統(tǒng)
現(xiàn)在很多煤礦的井下排水系統(tǒng)大部分都用離心式水泵作為主排水泵,因此，井下排水系統(tǒng)的控制主要還是對離心式水泵的控制。離心式水泵和其他的水泵有很多不同,它的啟動(dòng)過程和停機(jī)過程非常復(fù)雜,所以如果控制程序不是按照步驟進(jìn)行控制的,水泵就沒有辦法正常啟動(dòng)和正常工作,后果嚴(yán)重的話，就會(huì)縮短水泵的使用壽命,有時(shí)還會(huì)損壞電機(jī)和水泵。因此，為了更好地對離心式水泵進(jìn)行控制,必須要了解它的工作原理和控制方法。下圖2-3為煤礦井下排水系統(tǒng)的一般組成示意圖:
1.濾水器和底閥
濾水器又叫濾網(wǎng)，安裝于吸水管的底端部位，位于水倉下面大于0.5米的地方。濾水器是一種過濾水的裝置，它的作用是防止水泵吸入水倉底部沉積的煤泥等雜物，使水泵發(fā)生堵塞的現(xiàn)象。有的一些濾水器中還裝有底閥，底閥的作用是使水更加容易地進(jìn)入吸水管和水泵，在停泵后存水不會(huì)導(dǎo)致流失。但是目前大多數(shù)排水系統(tǒng)為了提高排水的效率，同時(shí)為了防止水泵的腐蝕，都進(jìn)行了無底閥的改造，轉(zhuǎn)而采用射流裝置對水泵進(jìn)行注水。
圖2-3煤礦井下排水系統(tǒng)的一般組成示意圖
1-泵體；2-電動(dòng)機(jī)；3-電機(jī)啟動(dòng)柜；4-吸水管；5-濾水器、底閥；6-調(diào)節(jié)閘閥；
7-逆止閥；8-真空表；9-壓力表；10-射流泵；11-放水管；12-靜壓水管
2.調(diào)節(jié)閘閥
調(diào)節(jié)閘閥安裝于排水系統(tǒng)的排水管路上，位于逆止閥的下方。它在排水系統(tǒng)中的主要作用為：
（1）改變系統(tǒng)的管路特性，調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程。
（2）水泵起動(dòng)時(shí)完全關(guān)閉閥門，可以降低起動(dòng)電流，節(jié)省能耗。
調(diào)節(jié)閘閥的優(yōu)點(diǎn)是啟閉壓力和流動(dòng)阻力小，可以方便的調(diào)節(jié)水泵工作流量和揚(yáng)程。缺點(diǎn)是由于閥門開關(guān)動(dòng)作頻繁致使閥內(nèi)密封面容易擦傷、密封性降低；閘閥的尺寸很大，結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，導(dǎo)致其安裝、維修都非常不方便；另外該閥門在目前市場上的價(jià)格也比較昂貴。
3.逆止閥
逆止閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥的上方，它的主要作用是保證液體在吸入管道中單向流動(dòng)，在緊急停泵的時(shí)候，例如突然停電的時(shí)候，或者閘閥還沒有關(guān)閉的情況下突然停泵的時(shí)候，逆止閥能夠自動(dòng)快速地關(guān)閉，從而防止水又返回水泵，產(chǎn)生水力沖擊，有利于泵的啟動(dòng)。
4.壓力表和真空表
壓力表安裝在排水管路上水泵的出口位置，用來檢測排水管路的水壓大小。常用的壓力表為普通彈簧管壓力表。通過這種壓力表所測出的壓力叫做表壓或相對壓力，它比絕對壓力小 1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
真空表安裝于水泵的吸水管上，作用是檢測吸水管路的吸上真空度。真空表的量程為760毫米汞柱，即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。 在離心式水泵起動(dòng)時(shí)，要將壓力表和真空表表管上的旋栓關(guān)閉，以防止壓力水沖擊。當(dāng)水泵起動(dòng)后達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，再將旋栓打開，進(jìn)行壓力和真空度檢測。
5.射流泵
離心式水泵只有在泵腔內(nèi)充滿水時(shí)才能啟動(dòng)。如果泵腔中的水未能充滿，就會(huì)造成真空度不夠吸不上水、轉(zhuǎn)動(dòng)部件燒壞和氣蝕等故障。因此，運(yùn)行前注水是離心式水泵工作的一項(xiàng)重要操作。采用射流泵抽真空可以依靠射流的吸力，使泵體內(nèi)形成真空，靠大氣壓力將吸水井內(nèi)的水壓入泵內(nèi)，充滿泵腔，然后可啟動(dòng)水泵。采用射流泵抽真空設(shè)備可以省去底閥、提高水泵運(yùn)行效率和吸水高度，并具有結(jié)構(gòu)簡單、不占泵房空間、維修量小等優(yōu)點(diǎn)。
2.3.1 離心式水泵排水系統(tǒng)的組成
離心泵結(jié)構(gòu)簡單，主要由泵殼、葉輪、軸承、支架等組成。離心泵主要是借用水的離心運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)排水。
離心式水泵的工作原理：啟動(dòng)前先使泵腔充滿液體，起動(dòng)后葉輪帶動(dòng)泵里的水高速旋轉(zhuǎn)，水作離心運(yùn)動(dòng)，被甩到葉輪邊緣，進(jìn)入泵殼。高速的水流因泵殼內(nèi)流道的擴(kuò)大而降速，動(dòng)能減小，部分轉(zhuǎn)化成靜壓能，接著憑借較高的水壓進(jìn)入排水管路，最后排至地面。水之所以會(huì)連續(xù)不斷的進(jìn)入泵腔，是因?yàn)樗鲭x心運(yùn)動(dòng)會(huì)形成局部真空，依靠大氣壓力作用實(shí)現(xiàn)。葉輪在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)，井下積水就被源源不斷的排送到地表了。
水泵運(yùn)行之前，如果內(nèi)部水量不足，產(chǎn)生的離心力會(huì)減小，就無法帶動(dòng)整個(gè)泵體吸水和排水，并且這種情況下運(yùn)轉(zhuǎn)的水泵會(huì)可能因?yàn)榭辙D(zhuǎn)而燒壞，所以在離心式水泵工作之前首先要對水泵進(jìn)行注水排氣的工作。
離心式水泵運(yùn)轉(zhuǎn)前的注水排氣過程，往往有抽真空設(shè)備來完成，井下排水系統(tǒng)中抽真空設(shè)備主要為真空泵或射流泵。這兩種設(shè)備的工作原理不同但是都能夠?qū)崿F(xiàn)離心式水泵啟動(dòng)前抽真空的工作。
2.3.2 離心式水泵的控制原理
離心式水泵的工作環(huán)節(jié)一般包括四個(gè)：水位監(jiān)測（或確定開泵）環(huán)節(jié)、射流抽真空控制環(huán)節(jié)、閥門和電機(jī)操作環(huán)節(jié)、水泵運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測環(huán)節(jié)。
（1）水位監(jiān)測
對水倉水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)水位的高低來確定啟停水泵的命令，用水位傳感器來監(jiān)測水倉水位的信號。排水系統(tǒng)其實(shí)就是要將井下多余的水排到地表，所以水倉水位是排水系統(tǒng)中最重要的參數(shù)。因此，系統(tǒng)采用雙水位傳感器，確保檢測到水位的準(zhǔn)確度。
（2）射流抽真空過程
抽真空是決定系統(tǒng)順利排水順暢與否的一個(gè)重要過程，水泵只有在泵腔完全充滿水的條件下，泵腔內(nèi)才能保持足夠的真空度實(shí)現(xiàn)正常排水。如果真空度不夠，泵腔內(nèi)就會(huì)有氣體存在，將會(huì)造成氣濁和無法排水等事故。因此，水泵在運(yùn)行的時(shí)候，必須要保證抽真空快速和安全。
（3）出水閘閥、水泵電機(jī)的操作
為減小電機(jī)啟動(dòng)電流和功率，根據(jù)《水泵操作規(guī)程》規(guī)定，離心泵在開泵時(shí)
出水閘閥必須處于關(guān)閉狀態(tài)；而當(dāng)停泵時(shí)，為避免水錘事故的發(fā)生，必須先關(guān)閉
出水閘閥，逐漸降低流速，最后再關(guān)閉水泵電機(jī)。
（4）水泵運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測
在水泵啟動(dòng)或運(yùn)行過程中，為了確保系統(tǒng)能夠順利安全的排水，要對設(shè)備運(yùn)行的重要參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，需要監(jiān)測的主要參數(shù)有水倉水位高度、吸水管真空度、出水壓力、電機(jī)電流、水泵溫度等。當(dāng)參數(shù)不正常時(shí)，要及時(shí)檢查，確保排水安全。
2.3.3 離心式水泵的啟動(dòng)過程
離心式水泵啟動(dòng)前需要進(jìn)行注水排氣，以此來增加水泵的真空度，否則離心式水泵可能會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無法吸水而燒壞，降低水泵使用壽命，這時(shí)就需要抽真空設(shè)備對離心式水泵進(jìn)行抽真空，抽真空設(shè)備主要有真空泵和射流泵。
首先系統(tǒng)自動(dòng)檢測水倉水位，當(dāng)水位達(dá)到開啟泵的條件時(shí)，再打開真空泵的電磁閥，然后打開真空泵。通過他們向離心泵注水，在真空泵的作用下，離心泵內(nèi)部和吸水管內(nèi)逐漸被注滿水，水泵入口處的真空度會(huì)隨著整個(gè)過程的運(yùn)行逐漸增大。當(dāng)入口處真空度增大到滿足要求值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)接通水泵電機(jī)，開啟水泵。水泵開啟過程中，隨著離心式水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，其出口處的壓力會(huì)逐漸增大，當(dāng)壓力值增大到預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，壓力將不再增加，此時(shí)打開離心式水泵出口處的電動(dòng)閥，開始排水。同時(shí)關(guān)閉真空泵，停止注水過程。下圖2-4為水泵的開啟流程圖：
圖2-4水泵開啟流程圖
2.3.4 離心式水泵的停止過程
隨著水倉水位的不斷下降，當(dāng)水位下降至關(guān)閉水泵的水位限度時(shí)，就會(huì)開始關(guān)閉水泵的流程。系統(tǒng)會(huì)首先關(guān)閉離心式水泵出口處的電動(dòng)閥，待電動(dòng)閥完全關(guān)閉后，在關(guān)閉處于電動(dòng)閥下方的逆止閥以防止排水管中的井水倒流，最后關(guān)閉水泵電機(jī)，使其脫離運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，停止工作。下圖2-5為水泵停止流程圖：
圖2-5水泵停止流程圖
2.4 小結(jié)
本章通過對管路的選擇以及對離心式水泵的控制原理進(jìn)行了介紹，可以對后續(xù)的設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。同時(shí)介紹了水泵的啟停過程，通過對真空泵，電動(dòng)閥的控制來實(shí)現(xiàn)水泵的開啟和停止。大致對井下排水系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有了簡單的了解，方便對接下來的工作進(jìn)行準(zhǔn)備。
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3 可編程控制器技術(shù)概況
可編程控制器（Programmable Logic Controller,簡稱PLC）,它是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為適應(yīng)多品種，小批量生產(chǎn)的需求而產(chǎn)生發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制裝置。PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在執(zhí)行存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算和順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬的輸入(I)和輸出(O)接口，控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。
3.1 可編程控制器的發(fā)展趨勢
我國在20世紀(jì)70年代末80年代初期開始引進(jìn)PLC。目前我國自主生產(chǎn)的PLC主要有:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所的PLC-0088，上海機(jī)床電器廠的CKY-40PLC,蘇州電子計(jì)算機(jī)廠的YZ-PC-001APLC,杭州機(jī)床電器廠的DKK02，上海自力電子設(shè)備廠的KKI系列等。雖然我國在PLC的生產(chǎn)方面比較薄弱，但是在PLC的應(yīng)用方面是一個(gè)大國。近年來我國每年約新投入10萬臺(tái)PLC產(chǎn)品，年銷售額達(dá)到了30多億人民幣。另外，PLC的應(yīng)用范圍也在逐漸擴(kuò)大。
目前PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用到石油、化工、機(jī)械、鋼鐵、交通、電力、采礦、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域中，還包括從單機(jī)自動(dòng)化到工廠自動(dòng)化，從機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)等。
從功能上看，PLC的應(yīng)用范圍大致包括以下幾個(gè)方面:
（1）開關(guān)量的邏輯控制
開關(guān)量的邏輯控制是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代了傳統(tǒng)的繼電器電路實(shí)現(xiàn)邏輯控制，既可以用于單機(jī)控制，也可以用于多機(jī)控制及自動(dòng)化生產(chǎn)線檢測。如機(jī)床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線、運(yùn)輸與檢測等方面。
（2）運(yùn)動(dòng)控制
通過利用PLC的單軸或多軸等位置控制模塊、高速計(jì)數(shù)模塊等來控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)，使運(yùn)動(dòng)部件以適當(dāng)?shù)乃俣葋韺?shí)現(xiàn)平滑的直線運(yùn)動(dòng)或圓弧運(yùn)動(dòng)，可以用于精密的金屬切削機(jī)床、裝配機(jī)械、成型機(jī)械、機(jī)器人等設(shè)備的控制。
（3） 模擬量處理和PID控制
利用A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊和智能PID模塊，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、液位、
流量等連續(xù)變化的模擬量進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。
（4）數(shù)據(jù)處理
PLC具有數(shù)據(jù)處理能力，可以完成算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)制轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)移位、數(shù)據(jù)顯示和打印、數(shù)據(jù)通信等功能，還可以完成數(shù)據(jù)采集、分析和處理任務(wù)。數(shù)據(jù)處理般應(yīng)用?J大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)等。
（5）通信聯(lián)網(wǎng)
PLC具有通信功能，既可以對遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行控制，又能實(shí)現(xiàn)PLC與PLC、PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信。PLC與其他智能設(shè)備起可以構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，以滿足計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)及智能化工廠發(fā)展的需要。PLC自問世以來經(jīng)過40多年的發(fā)展，已經(jīng)成為很多國家的重要產(chǎn)業(yè)。另外在國際市場中，PLC已經(jīng)成為最受歡迎的工業(yè)控制產(chǎn)品。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及市場需求量的增加，PLC的結(jié)構(gòu)和功能也在不斷地改進(jìn)。生產(chǎn)家不停地將功能更強(qiáng)的PLC推入市場，平均3-5年就更新一次。
PLC的發(fā)展趨勢主要有以下幾個(gè)方面：
（1）向高速度、大容量方向發(fā)展。
為了提高PLC的處理能力，要求PLC具有更高的響應(yīng)速度和更大的存儲(chǔ)容量可。目前，有的PLC的掃描速度可以達(dá)到0.1ms/千步左右。在存儲(chǔ)容量方面，有的PLC最多可以達(dá)到幾十兆字節(jié)。
（2）向超大型和超小型方向發(fā)展。
當(dāng)今中小型PLC比較多，為了適應(yīng)市場的需求，PLC今后會(huì)向著多方向發(fā)展，特別是超大型機(jī)和超小型機(jī)兩個(gè)方向?，F(xiàn)在已經(jīng)有I/O點(diǎn)數(shù)達(dá)到14336點(diǎn)的超大型PLC。它使用32位微處理器，多CPU并行工作。小型機(jī)由整體式結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，使之配置更加靈話。為了適應(yīng)市場的需求，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了超小型PLC。其最小配置的I/O點(diǎn)數(shù)為8-16點(diǎn)，以適應(yīng)單機(jī)及小型自動(dòng)控制的需求。
（3）大力開發(fā)智能模塊，加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)通信能力。
為了滿足各種控制系統(tǒng)的要求，近年來不斷開發(fā)出許多功能模塊，如高速計(jì)數(shù)模塊、溫度控制模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊、通信和人機(jī)接口模塊等。這些智能模塊既擴(kuò)展了PLC的功能，又?jǐn)U大了PLC的使用范圍。加強(qiáng)PLC的聯(lián)網(wǎng)通信能力是PLC技術(shù)進(jìn)步的潮流。PLC的聯(lián)網(wǎng)通信分為兩類:一類是PLC之間的聯(lián)網(wǎng)通信，另一類是PLC與計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)通信。
（4）加強(qiáng)故障檢測與處理能力。
在PLC的控制系統(tǒng)故障中，由于CPU、I/O接口導(dǎo)致的故障約占20%左右，它可以通過PLC本身的軟硬件來檢測和處理。由輸入、輸出設(shè)備和線路等外部設(shè)備導(dǎo)致的故障約占80%，所以PLC的生產(chǎn)廠家都致力于研制用于檢測外部故障的專用智能模塊，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。
（5）編程語言的多樣化。
在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時(shí)，PLC的編程語言也越來越豐富，功能也不斷提高。除了常用的梯形圖、語句表語言之外，又出現(xiàn)了面向順序控制的步進(jìn)編程語言、面向過程控制的流程圖語言、與計(jì)算機(jī)兼容的高級語言（C語言、BASIC語言）等。多種語言的并存、互補(bǔ)與發(fā)展是PLC進(jìn)步的一種趨勢。
3.2 可編程控制器的特點(diǎn)和功能
3.2.1 可編程控制器的主要特點(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,由人工通過布線、焊接、固定等手段組裝完成的,其過程費(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。而是通過在存儲(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)還可用于不同控制對象,通過改變軟件則可實(shí)現(xiàn)不同控制的控制要求。因此,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)
絕大多數(shù)用戶都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。針對是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,故采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施。硬件方面,隔離是抗干擾的主要措施之一。的輸入、輸出電路一般用光電禍合器來傳遞信號,使外部電路與之間無電路聯(lián)系,有效地抑制了外部干擾源對的影響,同時(shí),還可以防止外部高電壓竄入模塊。濾波是抗干擾的另一主要措施,在的電源電路和模塊中,設(shè)置了多種濾波電路,對高頻干擾信號有良好的抑制作用。軟件方面,設(shè)置故障檢測與斷程序。采用以上抗干擾措施后,一般平均無故障時(shí)間高達(dá)萬萬。
（3）編程簡單、使用方便
采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程,容易掌握。目前,大多采用梯形圖語言編程方式,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。這種面向控制過程、面向問題的編程方式,與匯編語言相比,雖然增加了解釋程序和程序執(zhí)行時(shí)間,但對大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來說,的控制速度還是足夠快的。此外,的接口可直接與控制現(xiàn)場的用戶設(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）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維修方便
用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等部件,控制柜的設(shè)計(jì)、安裝接線工作量大為減少。的用戶程序大都可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試,調(diào)試好后再將控制系統(tǒng)安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場,進(jìn)行聯(lián)機(jī)統(tǒng)調(diào)。在維修方面,的故障率很低,且有完善的診斷和實(shí)現(xiàn)功能,一旦外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障就可根據(jù)上發(fā)光二極管或編程器上提供的信息,迅速查明原因。若是本身問題,則可更換模塊,迅速排除故障,維修極為方便。
（5）功能強(qiáng)
不僅具有條件控制、記時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)等控制功能,而且還能完成、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)過程監(jiān)控等。因此,既可對開關(guān)量進(jìn)行控制,又可對模擬量進(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。可用于現(xiàn)場控制,也可用于遠(yuǎn)距離控制?？煽刂坪唵蜗到y(tǒng),又可控制復(fù)雜系統(tǒng)。
（6）體積小、質(zhì)量小、功耗低
由于是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)備的新型產(chǎn)品,因而結(jié)構(gòu)緊湊,堅(jiān)固體積小,質(zhì)量小,功耗低,而且具有很好的抗震性和適應(yīng)環(huán)境溫度、濕度變化的能力。因此,很容易裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部,是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化較理想的控制設(shè)備。
3.2.2 可編程控制器的主要功能
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)化和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)工內(nèi)占重要地位。今天的功能,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:
(1)多種控制功能
邏輯控制：具有與、或、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。
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)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I/O模塊完成對模擬量的控制和調(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)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。如西門子S7-200的Profibus現(xiàn)場總線口,其通信速率可以達(dá)到12Mbps。
在系統(tǒng)構(gòu)成時(shí),可由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)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。通常所說的SCADA系統(tǒng),現(xiàn)場端和遠(yuǎn)程端也可以采用PLC作現(xiàn)場機(jī)。
(5)人機(jī)界面功能
提供操作者以監(jiān)視機(jī)器/過程工作必需的信息,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
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,并通過打印機(jī)打印出程序文件。
3.3 小結(jié)
本章主要介紹了PLC的基本特點(diǎn)及主要功能，到目前為止它已經(jīng)憑借其優(yōu)越的性能得到了迅速的發(fā)展，在已經(jīng)成為當(dāng)前最重要的也是應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制器。伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4.1 概述
控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)需要可靠的硬件設(shè)計(jì)，它是安全高效運(yùn)行的前提。硬件的選擇和電氣設(shè)計(jì)與控制器程序的編制工作密切相關(guān)，更加關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行后的安全性和可靠性。本章討論了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)。龍口煤礦泵房共三臺(tái)水泵，輔助設(shè)備齊全，手動(dòng)控制可靠。PLC 選用西門子公司的 S7-200 控制器。
4.2 硬件系統(tǒng)的簡介
PLC的CPU同樣是采用分時(shí)操作的方式進(jìn)行工作，每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)只進(jìn)行一個(gè)指令的的執(zhí)行。隨著時(shí)間的延續(xù)，CPU不斷進(jìn)行指令操作，形成了其對程序的掃描，直到最后一條指令為止。當(dāng)最后一條指令執(zhí)行完成后CPU又會(huì)返回第一條指令，循環(huán)掃描，從而形成整個(gè)工作過程的進(jìn)行。
接通電源后，PLC不會(huì)直接對程序進(jìn)行循環(huán)掃描，而是首先需要確定PLC自身的完好性，也就是PLC的系統(tǒng)自檢。待PLC自檢過程完成后，確認(rèn)本身沒有故障才會(huì)開始程序的執(zhí)行。
4.3 PLC要實(shí)現(xiàn)的控制功能
（1）自動(dòng)控制功能：
根據(jù)事先設(shè)定好的工作狀態(tài)，配合水倉水位、各水泵工作時(shí)間、運(yùn)行次數(shù)、及水泵軸溫、出水口壓力等，設(shè)計(jì)自動(dòng)排水程序。使排水系統(tǒng)在無人控制的狀態(tài)下自主運(yùn)行。
（2）手動(dòng)控制：
在編寫程序時(shí)，設(shè)置一個(gè)專門作為開啟手動(dòng)模式的數(shù)字量輸入，當(dāng)按下這個(gè)按鍵時(shí)，就會(huì)進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)。進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)后，可以手動(dòng)開啟排水系統(tǒng)中的各個(gè)水泵，進(jìn)行相關(guān)操作。
（3）水位有效檢測：
采用超聲波液位儀以及投入式液位儀兩種液位傳感器對水位進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)兩種傳感器互為參考；編輯程序?qū)λ贿M(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警。
（4）水泵的運(yùn)行：
當(dāng)水泵開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)開始記錄這些水泵開啟了多久，每次開始排水時(shí)，會(huì)比較時(shí)間的大小，選擇開啟水泵的編號。出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)停止，并由備用水泵代替；要進(jìn)行溫度監(jiān)測，負(fù)壓檢測、流量檢測，及管網(wǎng)壓力檢測。全部數(shù)據(jù)都符合條件是水泵才能運(yùn)行；使用射流泵和真空泵對離心泵進(jìn)行抽真空，防止水泵啟動(dòng)時(shí)真空度不足，損傷水泵。
（5）數(shù)據(jù)的采集與處理：
在井下排水系統(tǒng)中PLC需要進(jìn)行對井下排水系統(tǒng)中各個(gè)模擬量、數(shù)字量的采集。模擬量輸入主要有 水倉水位、水泵出水口壓力、水泵負(fù)壓、水泵軸溫、電機(jī)電流壓力等。而數(shù)字量主要有水泵運(yùn)行狀態(tài)，閥門開閉狀態(tài)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行要求對以上數(shù)據(jù)的精確測量。所以要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)的采集與處理。
（6）自動(dòng)輪換功能：
排水系統(tǒng)中一般有多臺(tái)水泵，我們在PLC存儲(chǔ)系統(tǒng)中為每臺(tái)水泵設(shè)置兩個(gè)寄存器，其中一個(gè)寄存器負(fù)責(zé)水泵運(yùn)行時(shí)間的記錄。而另一個(gè)寄存器則負(fù)責(zé)水泵運(yùn)行次數(shù)的記錄。當(dāng)所選兩臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間差距較小時(shí)。會(huì)根據(jù)他們的運(yùn)行次數(shù)優(yōu)先選擇運(yùn)行次數(shù)相對較小的的水泵開啟，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輪換功能。
（7）動(dòng)態(tài)顯示功能：
通過與組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)通訊，排水控制系統(tǒng)的基本情況可以在上位機(jī)組態(tài)畫面中詳細(xì)的顯示，上位機(jī)組態(tài)畫面中可以清楚地顯示水泵運(yùn)行狀態(tài)、水倉水位、元器件故障等；此外還可以通過添加TD200c文本顯示器進(jìn)行各個(gè)功能做部分的狀態(tài)，并通過按鍵改變控制參數(shù)等。
除上述功能外還應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下保護(hù)功能：
（1）超溫保護(hù)：
水泵，軸承溫度超過警戒值時(shí)，能夠提供報(bào)警功能，根據(jù)報(bào)警信號及時(shí)作出相應(yīng)的處理工作。
（2）電機(jī)保護(hù)：
利用電機(jī)電流、電壓等對電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。
4.4 PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
PLC 作為整個(gè)控制系統(tǒng)最主要的部分，PLC 硬件設(shè)計(jì)的可靠性關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。因此，安全可靠的硬件組態(tài)是非常重要的。下面將討論P(yáng)LC 設(shè)計(jì)的各個(gè)部分?；趯?shí)際情況，不能將現(xiàn)場所有的點(diǎn)數(shù)一一枚舉，以下以一臺(tái)水泵為例，介紹硬件設(shè)計(jì)。下圖4-1為系統(tǒng)硬件控制結(jié)構(gòu)圖：
圖4-1 排水系統(tǒng)硬件控制結(jié)構(gòu)圖
4.4.1 系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)
經(jīng)過粗略統(tǒng)計(jì)，需要模擬量輸入8，數(shù)字量輸入17，數(shù)字量輸出13。具體分配表見表4-1、4-2、4-3：
4.4.2 PLC模塊的選型
根據(jù)設(shè)計(jì)流程，統(tǒng)計(jì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)，選擇合理的硬件控制型號。在具體的模塊選擇時(shí)，一般要考慮以下幾點(diǎn)：
（1）所選的模塊必須具有滿足控制要求的功能，要有較為理想的控制環(huán)境
和穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)控制的安全有效。
（2）在滿足控制要求的基礎(chǔ)上，選擇模塊要注重高性價(jià)比。
（3）在選取輸入輸出點(diǎn)數(shù)時(shí)，需要在預(yù)設(shè)的點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上增加10%到15%，這樣做的原因是可能設(shè)計(jì)過程中有遺漏的量，以及分組情況和接地等因素可能導(dǎo)致恰到好處的選取輸入輸出量時(shí)，可能會(huì)不夠。所以應(yīng)該一定程度的增加預(yù)設(shè)量。
DI點(diǎn)數(shù)估計(jì)值為17×1.15=23，DO點(diǎn)數(shù)估計(jì)值為13×1.15=17，AI通道估計(jì)值為8×1.15=10個(gè)。
根據(jù)以上原則和控制的要求，選擇CPU 226 模塊一個(gè)， EM231 擴(kuò)展模塊2個(gè)
選型表如下表4-4 ：
表4-1模擬量輸入通道統(tǒng)計(jì)表
模擬量輸入
通道數(shù)
水倉水位
2
電機(jī)溫度
3
水泵負(fù)壓
3
總計(jì)
8
表4-2數(shù)字量輸入點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表
數(shù)字量輸入
點(diǎn)數(shù)
電動(dòng)閥開到位
3
電動(dòng)閥關(guān)到位
3
電動(dòng)機(jī)狀態(tài)
3
自動(dòng)
1
手動(dòng)
1
開泵
3
關(guān)泵
3
總計(jì)
17
表4-3數(shù)字量輸出點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表
數(shù)字量輸出
點(diǎn)數(shù)
電動(dòng)閥正轉(zhuǎn)
3
電動(dòng)閥反轉(zhuǎn)
3
真空泵啟停
3
電動(dòng)機(jī)啟停
3
故障指示燈
1
總計(jì)
13
表4-4選型表
CPU模塊
CPU226 CN 24輸入/16輸出
模擬量擴(kuò)展模塊
EM231 CN 4位模擬量輸入
4.5 設(shè)備選型
系統(tǒng)除了PLC模塊以外，還有很多設(shè)備，包括電動(dòng)閥、電磁閥、和傳感器，包括水倉液位、溫度、水泵負(fù)壓等。
4.5.1 電動(dòng)閥和電磁閥的介紹及選型
電動(dòng)閥按開閉方式可以分為兩種，其中一種為角行程的電動(dòng)閥，還有一種是直行程的電動(dòng)閥。通常被使用在控制流量的管路中。在大型控制系統(tǒng)中也可以用來作為關(guān)斷閥。
當(dāng)被用于流量控制中時(shí)，涉及到開度問題，用于其調(diào)節(jié)流量屬于AI控制。而用做關(guān)斷閥時(shí)，也可以用電動(dòng)閥做兩位開關(guān)控制。
電動(dòng)閥時(shí)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)作，從而實(shí)現(xiàn)閥門的開或關(guān)，用作關(guān)斷閥門時(shí)是兩位式的工作方式，即全開或全關(guān)。
此時(shí)用于控制系統(tǒng)中需要正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的輸出信號，并且要有開閉到位的狀態(tài)返回信號，電磁閥的內(nèi)部含有帶電線圈，當(dāng)線圈通電就會(huì)產(chǎn)生磁力，與兩側(cè)磁鐵相互作用，從而克服彈簧的反作用力，實(shí)現(xiàn)閥門的開和閉。結(jié)構(gòu)較為簡單，造價(jià)低，但只能用于小口徑的管路中，只能實(shí)現(xiàn)開關(guān)。
電動(dòng)閥一般有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，整個(gè)開閉過程需要一定的時(shí)間并可以調(diào)節(jié)，而電磁閥是快開和快關(guān)的，屬于電動(dòng)閥的一個(gè)種類。
所以在排水系統(tǒng)中選擇電動(dòng)閥作為水泵出水口的閥門，控制電動(dòng)閥運(yùn)作的信號分別為電動(dòng)閥正轉(zhuǎn)和電動(dòng)閥反轉(zhuǎn)，并且產(chǎn)生開到位或關(guān)到位兩個(gè)反饋信號.
而電磁閥由于適用的管路直徑較小，用在真空泵抽真空時(shí)的真空閥，由于電磁閥時(shí)快開和快關(guān)的，所以在控制時(shí)用一個(gè)信號同時(shí)控制抽真空設(shè)備和電磁閥。即當(dāng)真空泵打開時(shí)，會(huì)自動(dòng)控制電磁閥隨著射流泵打開一起開閉。
最終選擇MZ941H礦用電動(dòng)閘閥，防爆型產(chǎn)品dI煤礦井下非采掘工作面。用于煤礦井下時(shí)，這類防爆電動(dòng)閥電源電壓電壓為380V或660V，遠(yuǎn)程控制為24VDC。
電磁閥選擇DFB20礦用隔爆型電磁閥，額定控制電源電壓：AC（50Ｈz）36V、127V,功耗：≤28Ｗ,環(huán)境溫度 5℃～+40℃,壓力適應(yīng)范圍：0-10MPa
4.5.2 傳感器的選型
要想實(shí)現(xiàn)井下排水系統(tǒng)的完整運(yùn)行，在排水過程中就要不斷對水倉水位、水泵出口壓力、真空度、電機(jī)電流電壓、排水管流量、溫度進(jìn)行檢測，這些量的檢測需要使用模擬量傳感器進(jìn)行，如下圖4-2為排水系統(tǒng)中各類傳感器的安裝位置。這些傳感器良好的運(yùn)行，并且將采集的信號準(zhǔn)確無誤的傳輸給系統(tǒng)，才能讓整個(gè)系統(tǒng)有更好的運(yùn)行環(huán)境。
圖4-2模擬量分布圖
本設(shè)計(jì)選用的傳感器如表4-5：
表4-5傳感器選型表
水倉液位
超聲波液位傳感器 投入式液位計(jì)
水泵溫度
Pt100溫度傳感器
水泵負(fù)壓水倉液位
NS-K型負(fù)壓傳感器
（1）水倉水位
由于排水系統(tǒng)在井下煤礦生產(chǎn)中的重要性異常重大，所以排水的各部分都要精益求精，而水位傳感器相當(dāng)于排水系統(tǒng)的感知部位，一旦液位計(jì)失靈，整個(gè)自動(dòng)排水系統(tǒng)的運(yùn)行都將受到阻礙，所以排水系統(tǒng)的液位檢測裝置應(yīng)確保萬無一失。井下排水系統(tǒng)一般選用兩個(gè)傳感器相互監(jiān)控，共同監(jiān)控水位。
1）超聲波液位傳感器：
工作原理：超聲波液位傳感器是基于超聲波在不同種介質(zhì)得分界面上具有反射特性的原理而制成的，由此只要發(fā)射到接收聲波脈沖的時(shí)間間隔為已知，即可求得頁面距離傳感器距離。
計(jì)算公式如下：
（4.1）
則
（4.2）
L —換能器距液面的距離；
v —超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。
設(shè)計(jì)中選用二線制輸出型液位計(jì)，其參數(shù)如下表4-6：
表4-6超聲波液位計(jì)參數(shù)表
量程
0～8m
精度
0.25%
盲區(qū)
0.45～0.6m
溫度
-20℃～+60℃
電源
24VDC
控制
無
輸出
4～20mA二線制
防護(hù)等級
IP65
顯示方式
4位LCD
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(shí)液體會(huì)產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)這個(gè)基本原理制成的，如圖4-3所示：
圖4-3投入式傳感器原理圖
具體來說是: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(jī)采集數(shù)字信號經(jīng)運(yùn)算處理后，輸出的水位高度用數(shù)碼管來顯示，同時(shí)輸出對應(yīng)的輸出信號。
選用GUY10礦用本安型投入式液位計(jì)，其參數(shù)如下表4-7：
表4-7投入式液位計(jì)參數(shù)表
工作電源
12～24VDC
輸入
4～20mA
工作溫度
-5℃～+40℃
精度
±1%FS
量程
0～10m
（2）水泵溫度的測定
中央水泵房中的水泵在工作時(shí)，水泵電機(jī)溫度會(huì)不斷變化，當(dāng)水泵及電機(jī)長時(shí)間在高溫狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)縮短其使用壽命。同時(shí)會(huì)引起其他事故。所以在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)下必須對水泵溫度進(jìn)行檢測。這樣不但可以有效地緩解水泵因長時(shí)間高溫運(yùn)轉(zhuǎn)給自身帶來的壓力，還可以通過監(jiān)控溫度達(dá)到及時(shí)停泵、輪換水泵，以達(dá)到保護(hù)水泵、延長使用壽命的目的。
本次選用Pt100接觸式溫度傳感器測水泵溫度。
工作原理：金屬鉑的阻值隨溫度變化而變化，并具有較好地重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。
通常使用的傳感器0℃時(shí)阻值為100Ω，電阻變化率為0.3851Ω/℃，鉑電阻具有精度高，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。
Pt100溫度傳感器接入電路時(shí)，隨溫度的變化引起阻值變化時(shí)，通過連接一個(gè)變送裝置可將電阻輸入信號轉(zhuǎn)化為電流信號，通過計(jì)算可以對應(yīng)出相對的溫度，從而達(dá)到對電機(jī)溫度的監(jiān)控。
本文選用的Pt100型溫度傳感器具體參數(shù)如下：
（1）-200℃
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