毕业设计（论文）-煤矿井下排水泵节能与控制系统的设计.docx

题 目 煤矿井下排水泵节能与控制系统的设计 摘 要排水设备是煤矿生产中必不可少的大型固定设备。一个完整的井下排水系统最核心的部分是对水泵的控制，充分考虑周围环境的积水，根据水位的变化控制水泵的启停时间，启停台数，从而达到节能的目的。本次设计运用了自动控制系统与矿井排水系统的结合，以西门子S7-200系列PLC作为控制中心，并扩展了必要的CPU模块一个，数字量输入/输出模块两个，模拟量输入模块五个。本文采用了自动控制和手动控制两种控制模式，能够根据不同情况选择控制方式。自动模式下，实时测量水仓的水位变化，根据水位的高低和水位变化的速度，并充分考虑“避峰就谷”的原则，自动控制开启水泵的时间和台数，保证安全可靠的基础上，尽可能降低电力消耗成本，节约能量，从而实现经济高效的煤矿生产。关键词：井下排水系统； PLC； 自动控制；节能I ABSTRACTDrainage equipment is essential for coal production and large fixed equipment. A complete underground drainage system is the core part is the pump control, give full consideration to water environment, according to the changes in the water level control of water pump of start stop time, start and stop units, so as to achieve energy-saving purpose.This design using combination and automatic control system of mine drainage system, takes the Siemens S7-200 series PLC as the control center, and expanded the necessary CPU module a, digital input / output module two. Simulation input module five.This paper adopts two control modes, automatic control and manual control, and can choose the control mode according to different circumstances. Automatic mode, real-time measurements of water tank water level changes, according to the speed of the height of the water level and water level changes, and give full consideration to the peak averting Valley of the principle of automatic control opening time and the volume of the pump, to ensure the safe and reliable basis, as far as possible reduce the power consumption of the, energy saving, so as to realize the economic efficiency of coal mine production.Keywords: downhole drainage system; PLC; automatic control; energy saving1目录1绪论11.1引言11.2 本课题的意义和目的11.3 本设计主要研究的内容11.4小结22.煤矿井下水泵房自动化监控系统概述32.1煤矿井下排水系统组成32.2离心式水泵排水系统42.2.1 离心泵排水系统组成部分42.2.2 真空泵的工作原理42.2.3真空泵的特点42.3离心式水泵的启停过程52.3.1 启动过程52.3.2 停机过程52.4可编程控制器PLC52.4.1PLC的系统组成52.4.2PLC的工作原理62.5主排水控制系统82.5.1排水系统原理82.5.2系统组成82.6小结93主排水自动控制系统的硬件设计103.1主排水自控系统主要设备选型103.1.1主要硬件选型103.1.2 PLC 的选型113.2各模块地址分配143.3排水自动控制系统硬件连接173.4 小结234 自动控制系统的程序设计244.1主程序的编程244.2水位判断254.3 水泵轮换工作264.4 模拟量采集284.5 避峰就谷原则314.6 自动控制334.8小结345 PLC控制系统的可靠性设计355.1 影响PLC控制系统可靠性的因素及措施355.1.1 电源的抗干扰措施355.1.2 布线的抗干扰措施355.1.3 来自接地系统混乱的抗干扰措施355.1.4 强烈干扰环境中的措施365.1.5PLC输出的可靠性措施365.2 小结366 总结37致谢38参考文献39附录A41附录B491绪论1.1引言中国经济发展经过近30年的快速增长后，其增长速度受资源、能源的约束已经越来越明显，能源供求矛盾日益突出，环境污染严重。水泵是国民经济中应用最广泛、最普遍的常用机械，是各种流体装置中不可替代的设备。根据统计，我国大约有20%的电能用于各类水泵的驱动，2012年全年用电量为50 000亿kWh，其中水泵装置用电量约为10 000亿kWh。目前我国未改造的水泵效率平均比国外的先进水平低百分之三到百分之五，整个泵站系统的效率同比大概低百分之二十。在这样的背景下，推广应用水泵节能技术，既符合我国节能减排的国策，也能为企业带来可观的经济效益，具有非常重大的现实意义。在国外，矿井排水系统的技术起步较早，发展较为迅速，很多现场的总线监控系统己经发展很成熟，而且在生产和安全监控方面已得到广泛应用。如德国的基于GEMATI2900的煤矿排水监控系统、美国在HONEYWELL公司研究的煤矿排水安全监控系统等。 1.2 本课题的意义和目的新形势下，随着市场经济的飞速发展，中国低碳节能的经济目标的提出，与泵类搭配使用的马达的用电量大致是全国耗电总量的两成由于过去水泵的效率比较低，致使资源的浪费问题严重。如何提高水泵的运转效率，是考虑水泵节能的首要工作，这成为当今势必考量的话题。该设计的目的以及意义就是通过分析煤矿井下排水泵的节能方法，找出一种最适合的节能途径，力求做到能源消耗最少，使泵的排水效率实现最大化。1.3 本设计主要研究的内容针对目前我国煤矿井下排水系统的现状，本课题研制开发适合我国煤矿的井下自动排水系统。主要研究内容包括：1.根据排水系统控制要求进行PLC硬件选型和软件的设计。2.根据水仓水位系统可以自动控制启停水泵的时间、台数、轮换工作。3.根据水仓水位条件按照“避峰填谷”的原则启停水泵。4.对排水系统设备运行、保护等参数进行实时监测和传送。5.发生故障时，启动故障处理功能。1.4小结这一章先是介绍了中国煤矿井下排水泵的发展，明确矿井排水的重要性。然后分别介绍了煤矿井下排水自动控制系统在国内外的研究状况，最后根据目前煤矿排水系统所面临的的问题，要求对排水系统分析，寻求水泵节能的最优方法，提出改进方法，提出本文研究的主要内容。12.煤矿井下水泵房自动化监控系统概述2.1煤矿井下排水系统组成 本节对煤矿井下排水系统做了相应的介绍，其中矿井的排水系统中有下面几个部分:水泵房、水仓、排水管道、水泵和供电系统。 (1)水泵房 水泵房是安设矿井主要排水设备的机器房。要求紧固、干燥、照明和通风良好;便于设备的运转与维修;无火灾及爆炸气体钻入其中的危险;设有在必要时能严密封闭的防水、防火门和两条出入通道。它还经吸水井与水仓相通，位于井底车场附近。(2)水仓水仓是矿井下的贮水池和沉淀池，分为主仓和副仓，便于轮流清理淤泥杂物，以保证水仓容量的有效性。水泵从水仓吸水。矿坑水顺排水沟流动时速度很大，其中带有很多泥沙微粒和碎小的木屑，因水仓面积大使上述带来的泥沙逐渐沉于底部，使进入水泵的水洁净，以延长水泵使用期。水仓需要定期清淤。(3)排水管道主排水管路必需设工作水管和备用水管这两种水管。排水管道的管径要与水泵能力相匹配，其趟数要与总设计排水能力相匹配，其壁厚要与相应的扬程相适应。排水管路必须能承受内水静压、水锤动压、钢管自重和温度应力叠加产生的载荷。(4)水泵水泵按排水方式可分为压入式排水和吸入式排水。压入式排水是指被排的水面比水泵的吸水口高的排水方式，它起动方便，但要求机电设备有很高的可靠性，要求水仓围沿没有裂隙。如果水泵或电气设备出了故障，严重时会造成淹泵房和矿井的事故。因此，国内煤矿很少采用;煤矿广泛采用的排水方式是吸入式排水，吸入式排水比压入式排水安全可靠，但它需要起动设备，排水系统效率不如压入式排水高。选择水泵的类型的时候要根据扬程、排水量和相适应的管径及电动机的形式、电压等结合到一起来考虑。(5)供电系统供电系统需与水泵的供电负荷相对应，并保证双电源双回路供电，以便一路电源发生故障时，另一路电源能立即供电，保障排水系统的不间断正常工作。2.2离心式水泵排水系统2.2.1 离心泵排水系统组成部分离心式水泵排水系统的主要组成部分有：离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成。排水系统图2.11-水仓；2-真空表；3-压力表；4-调节闸阀；5-逆止阀；6-水泵；7-电机；8-电磁阀；9-真空泵；10-排空阀图2.1 排水系统图Figure 2.1 drainage system2.2.2 真空泵的工作原理 真空泵常用与大型水泵的注水。其抽气速率比射流泵快，可在短时间内使泵灌满水。水环式真空泵是最常用的一种，真空泵转动后，把泵腔内吸水管内的空气抽出，形成一定真空，泵腔与吸水面形成压力差，水就进入泵腔。图2.1 真空泵结构图Fig. 2.1 structure diagram of vacuum pump2.2.3真空泵的特点抽气速率快，可在短时间内使泵灌满水，不受压力水源控制，应用广泛。采用真空泵注水，可实现无底阀排水，这样就可以减少吸水管路的阻力损失，达到了节能的目的，对于水泵的防止空蚀也是有利的。适合井下排水设备使用。我国煤矿井下很多大型煤矿都选用真空泵做引水设备。 2.3离心式水泵的启停过程2.3.1 启动过程首先是监测水仓的水位，当水仓的水位达到预设的水位标准时，通过控制射流泵的电磁阀线圈，打开喷射泵为离心式水泵注水。射流泵的工作会使水泵入口处的真空度增加，离心泵的腔体会在大气压力的作用下被配水井中的水注满，当水泵入口处的真空度达到理论值后，水泵机组的电动机触电接通使水泵被开启。此后水泵出口压力将慢慢增加，当达到一定值时就不会再增加，此时开启该水泵的电动闸阀，使得这个水泵进行排水，同时关闭射流泵停止为其引水。2.3.2 停机过程在水泵的作用下水仓的水位渐渐下降，当水位低于安全水平时，要先关闭排水管的电动闸阀，然后再关闭逆止阀，以防排水管中的水倒流到水仓内，然后关闭水泵电机，使其停止工作。2.4可编程控制器PLC2.4.1PLC的系统组成PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用PLC实施控制，其实质是按照控制功能要求，通过程序按一定的要求进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，并应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用典型的计算机结构，它主要与CPU、电源、储存器和专门设计的输入/输出接口相连接。 图2.2 PLC的结构框图Figure 2.2 PLC structure diagram2.4.2PLC的工作原理PLC的输入电路是用来采集被控设备的检测信号或操作命令的，输出电路则是用来驱动被控设备的执行机构，而执行机构与检测信号、操作命令之间的控制逻辑靠微处理器执行用户程序来实现。PLC一般采用对用户程序循环扫描的工作方式。扫描工作方式分以下五个阶段。1.自诊断。首先执行自诊断程序，对输入/输出电路、存储器和CPU进行自诊断。2.与编程器通信。如有通信请求，在自诊断后就进行通信处理。3.读入现场信号。当PLC开始执行用户程序时，微处理器首先顺序读入所有输入端的信号状态，并逐一存入相对应的输入状态寄存器中。在程序执行期间，即使输入状态变化，输入状态寄存器的内容也不会改变。这些变化只能在下一个工作周期读入现场信号阶段才被读入。4.执行用户程序。组成程序的每条指令都有顺序号，在PLC中称为步号。指令按步号依次存入存储单元。程序执行期间，微处理器将指令顺序调出并执行。执行时，对输入和输出状态进行处理，即按程序进行逻辑、算数运算，再将结果存入输出状态寄存器中。5.输出结果。在所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器中的状态通过输出电路转换成被控设备所能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备图2.3 PLC的运行框图Figure 2.3PLC run chart2.5主排水控制系统2.5.1排水系统原理在手动控制排水系统的基础上加以改进，使排水系统具备手动和自动两种控制方式，达到智能工作的目的。自动控制是指根据水泵、真空泵以及其它相关联设备的工作要求设定程序来自动完成控制。而手动控制则需要操作员根据要求，按照一定顺序来进行水泵及其相关设备的开停控制。系统采用PLC（可编程控制)为核心，通过采集各种参数包括水箱水位、压力、温度、真空度、电压、电流等，对水泵的工作状态进行实时监控，当接收到来自操作台的控制命令时，对水泵等电器设备进行启动、停止等相关操作，还可以将数据传至上位机，并通过上位机对井下排水设备进行监控。具体来说，系统具有以下功能：1. 可以选择自动控制或是手动控制2. 水泵轮换工作。以水泵的工作效率高为标准，对系统参数进行实时监测，优化排水系统的工作状态，使系统高效运行,达到节能的目的。3. 在自动控制下，可以根据水仓水位的变化来控制水泵的工作状态。4. 实时监测系统参数，如电压、电流、轴温、出水口压力等。5. 对异常情况可及时发出警报，如高水位警报和其他故障警报。6. 实现避峰就谷，根据不同时间电费的不同结合矿井的用水量和用电负荷，合理调度水泵的工作状态，实现节能的目的。7. 排水系统和上位机实现数据交换，实现数据记录、查询等功能。2.5.2系统组成 煤矿井下主排水自动控制系统主要由远程控制上位机、PLC控制箱、显示操作台、阀门、传输光缆、传感器、交换机等设备组成，根据硬件结构可分为三层：现场层、控制层和管理层。 图2.4井下主排水系统自动控制系统结构图Figure 2.4 automatic control system of main drainage system in underground structure如图2.4所示，管理层中网络视频服务器与井下防爆摄像仪通过以太网通信，实现对中央水泵房工作实际情况的实时监控。上位机用于监控井下主排水的自控系统，通过以太网与PLC控制箱进行信息交换，并且根据摄像仪显示的现场层水泵以及相关联设备的参数信息对其进行远程控制。控制层包括PLC控制箱和显示操作台。PLC控制箱作为主排水的控制中心和数据采集中心，用来采集水泵和相关联设备的运行信息，并与管理层的上位机通过以太网进行实时数据的交换，对各个设备集中监控。显示操作台由开关按钮，指示灯和文本显示器组成。显示各个设备的状态，并实施就地控制。水泵相关联设备主要包括各种传感器和各种阀门。2.6小结本章先是介绍了煤矿井下排水系统的组成，然后介绍了离心式水泵的工作原理以及射流泵，随后介绍了PLC的特点功能，工作原理。分析了煤矿井下自动控制的原理，即是以PLC控制箱为核心，采集现场设备的参数，对水泵的运行状态进行实时监控，同时与上位机通信，接收来自上位机和显示控制台的控制命令，实行远程监控，最后从硬件方面简单介绍了井下排水系统的组成部分。 373主排水自动控制系统的硬件设计3.1主排水自控系统主要设备选型3.1.1主要硬件选型煤矿主排水系统设计两套排水管路，分别为1 #主排水管路和2 #副排水管路。因为地下环境比较复杂，所以采用了3台隔爆型三相异步电动机作为三台水泵的驱动，在正常情况下一台水泵正常运转工作，一台留下备用，另一台维护。除此之外吸水管采用无底阀设计，在泵启动前用真空泵把水泵排水腔和吸入管道中的气体抽空，使水泵叶轮能够完全浸没在水中，能够达到良好的排水。图3.1主排水管道示意图Figure 3.1 main drainage pipeline diagram 从图3.1我们可以看到，所有水泵都分别和1 #主排水管路和2 #副排水管路相接，支路上都分别安装了排水闸阀，并且都在排水管路上安装了真空阀。此外，主排水管路和副排水管路上安装了流量传感器，正压力传感器安装在每台水泵的出水口处，负压力传感器安装在水泵吸水口处，用来检测水泵的真空度，将温度传感器安装在水泵和电机上来检测电机轴承温度和水泵轴承温度。在水仓中装配两组液位传感器，一组是超声波传感器用来检测水仓库水位的变化趋势，另一组为数字液位开关，是由3套浮球液位开关组成，可根据浮球的沉浮情况来判断水位的高低，使得系统能够根据水位变化来自动控制水泵的工作的状态。3.1.2 PLC 的选型根据煤矿安全监管法规，矿用水泵必须有三种工作方式，即工作、备用和检修。工作方式是指在本次水泵操作中当前水泵被优先开启，备用是指在本次水泵操作时当前水泵处于备用状态，当打开的水泵不能满足施工的排水要求时，备用水泵才开始工作，检修是指是在本次水泵的操作中，当前的水泵不被使用，即对该水泵进行维护。根据系统的需求，矿井主排水控制系统的PLC主要包括数字量输入、模拟输入和数字量输出三种信号。数字量输入信号主要包括水泵的工作,水泵的启动和停止信号、水泵控制方式选择的信号、选择真空泵的信号、真空泵启动和停止信号、排水阀以及电磁阀等开关位置的信号等。数字输出信号包括控制水泵起停信号、故障指示信号、水泵操作指令、控制排水闸阀和电磁阀开关的信号等。模拟输入信号是指水泵出水口正压、入水口负压、水泵和电机的轴承温度、排水管路的水流量、水仓水位和水泵的开停状态等信号。图3.2 PLC各模块信号连接图 Figure 3.2 the module signals the PLC connection diagram 根据上图，详细统计出PLC所需的模拟量输入点数，数字量输入、输出点数和通讯模块点数，见表3.1 表3.1 模拟量输入点数统计Table 3.1 analog input numbers and statistics模拟量输入点数统计参数名称所需点数水泵出水口压力3水泵吸收口真空度3水泵轴承温度3电机轴承温度3排水管的流量2水泵开停检测3水仓的水位1合计18 表3.2 数字量输入点数统计Table 3.2 digital inputs number statistics数字量输入点数统计参数名称所需点数控制模式选择2急停1复位1水泵启动、停止6水泵的工作方式选择6自动、手动1真空泵的选择1真空泵启动、停止2排水阀开、关12排空阀开、关12数字液位开关3合计47表3.3 通讯口数目统计Table 3.3 number communication port statistics通讯口数目通讯对象所需点数 上位计算机1电量检测模块1合计2表3.4 数字量输出点数统计Table 3.4 digital output numbers and statistics数字量输出点数统计参数名称 所需点数 水泵启动、停止 6水泵运行的指示3故障指示1急停指示1水位超限指示1报警1排水阀开、关 12排空阀开、关 12合计37从上面的几个表我们可以统计出，数字量输入点共有47个，数字量输出点共有37个，模拟量输入点有18个，通讯口共有2个，其中PLC与文本显示器通过RS485通信；PLC和PC机通过工业以太网通信，PLC通信模块的信息首先传递到地下光纤通信箱，然后通过光纤传输到地面光纤接线盒，再把用光端机转换成以太网的信号传送交换机，供地面监测和控制系统使用。通过对系统I / O点数的统计我们选择西门子S7 -200系列的PLC做为控制核心，包括226CN的CPU模块1个， EM223CN数字量输入/输出扩展模块2个，EM231模拟量输入模块5个3.2各模块地址分配PLC的I/O端口分别对应于不同的映像寄存器，端口的分配要与程序中使用的寄存器相互对应，不然就会因为逻辑混乱而使系统无法正常工作。根据煤矿井下主排水控制系统的要求，对每一个PLC模块I/O端口的定义如下表所示表3.5EM231端口定义Table 3.5EM231 port definitionEM231端口定义模块号输入端口端口定义EM231-1AIW01#水泵开停检测AIW21#水泵吸水口负压AIW41#水泵出水口负压AIW61#主排水管路流量EM231-2AIW82#水泵开停检测AIW102#水泵吸水口负压AIW122#水泵出水口正压AIW142#副排水管路流量EM231-3AIW163#水泵开停检测AIW183#水泵吸水口负压AIW203#水泵出水口正压AIW22水仓水位EM231-4AIW241#水泵轴温AIW261#电机轴温AIW282#水泵轴温AIW302#电机轴温EM231-5AIW323#水泵轴温AIW343#电机轴温AIW36备用AIW38备用 表3.6 EM223CN端口定义Table 3.6 EM223CN port definitionEM223CN端口定义模块号输入端口端口定义输出端口端口定义EM223-1I3.01#排水闸阀开到位Q2.01#排水闸阀打开I3.11#排水闸阀关到位Q2.11#排水闸阀关闭I3.22#排水闸阀开到位Q2.22#排水闸阀打开I3.32#排水闸阀关到位Q2.32#排水闸阀关闭I3.43#排水闸阀开到位Q2.43#排水闸阀打开I3.53#排水闸阀关到位Q2.53#排水闸阀关闭I3.64#排水闸阀开到位Q2.64#排水闸阀打开I3.74#排水闸阀关到位Q2.74#排水闸阀关闭I4.05#排水闸阀开到位Q3.05#排水闸阀打开I4.15#排水闸阀关到位Q3.15#排水闸阀关闭I4.26#排水闸阀开到位Q3.26#排水闸阀打开I4.36#排水闸阀关到位Q3.36#排水闸阀关闭I4.41#电磁阀开到位Q3.41#电磁阀打开I4.51#电磁阀关到位Q3.51#电磁阀关闭I4.62#电磁阀开到位Q3.62#电磁阀打开I4.72#电磁阀关到位Q3.72#电磁阀关闭EM223-2I5.03#电磁阀开到位Q4.03#电磁阀打开I5.13#电磁阀关到位Q4.13#电磁阀关闭I5.24#电磁阀开到位Q4.24#电磁阀打开I5.34#电磁阀关到位Q4.34#电磁阀关闭I5.45#电磁阀开到位Q4.45#电磁阀打开I5.55#电磁阀关到位Q4.55#电磁阀关闭I5.66#电磁阀开到位Q4.66#电磁阀打开I5.76#电磁阀关到位Q4.76#电磁阀关闭I6.0备用Q5.0备用I6.1备用Q5.1备用I6.2备用Q5.2备用I6.3备用Q5.3备用I6.4备用Q5.4备用I6.5备用Q5.5备用I6.6备用Q5.6备用I6.7备用Q5.7备用表3.7 CPU226CN端口定义Table 3.7 CPU226CN port definitionCPU226CN端口定义输入端口端口定义输出端口端口定义I0.0远控Q0.0故障指示I0.1就地Q0.1急停指示I0.2自动/手动Q0.2水位超限指示I0.3复位Q0.3报警I0.4急停Q0.41#水泵运行指示I0.5超高限水位开关Q0.52#水泵运行指示I0.6高限水位开关Q0.63#水泵运行指示I0.7底限水位开关Q0.71#水泵启动I1.01#水泵工作Q1.01#水泵停止I1.11#水泵检修Q1.12#水泵启动I1.22#水泵工作Q1.22#水泵停止I1.32#水泵检修Q1.33#水泵启动I1.43#水泵工作Q1.43#水泵停止I1.53#水泵检修Q1.5备用I1.61#水泵启动Q1.6备用I1.71#水泵停止Q1.7备用I2.02#水泵启动I2.12#水泵停止I2.23#水泵启动I2.33#水泵停止I2.41#/2#真空泵选择I2.5真空泵选择I2.6真空泵停止I2.7备用表3.8 部分内存变量分配Table 3.8 part memory variables部分内存变量分配变电量名称地址备注上电延时T37预设值5s1#水泵运行计时T38预设值10s2#水泵运行计时T39预设值10s3#水泵运行计时T40预设值10s1#水泵运行时间VD722#水泵运行时间VD763#水泵运行时间VD801#水泵运行次数VD842#水泵运行次数VD883#水泵运行次数VD92最少运行时间VD96最少运行次数VD1001#泵启动标志M1.02#泵启动标志M2.03#泵启动标志M3.03.3排水自动控制系统硬件连接PLC作为煤矿主排水系统的控制中枢和数据处理中心，按照煤矿安全标准，因为工作地点在煤矿井下的中央泵房内，所以PLC的控制柜应该使用防爆外壳，电缆需要从外壳上的喇叭进出，不用的喇叭嘴用堵片将其密封，这样就达到能够防爆的效果。数字输入和输出连接到中间继电器，即可以实现隔离保护和抑制信号干扰。图3.3 PLC CPU226 接线图Figure 3.3 PLC CPU226 wiring diagram图3.4 数字量I/O模块EM223-1Figure 3.4 digital I/O module EM223-1图3.5 数字量I/O模块EM223-2Figure 3.5 digital I/O module EM223-2图3.6 模拟量输入模块 EM231Figure 3.6 analog input module EM231图3.7 PLC 模块的连接图Figure 3.7 PLC connection diagram module3.4 小结第三章介绍了主排水自动控制系统的硬件设计。对煤矿井下排水系统的管路情况进行了说明，结合前两章对煤矿井下排水系统中水泵的选择及布置情况，以及对PLC技术的详细说明与选用，采用了主副两组排水管路，采用3台矿用隔爆型三相异步电机驱动3台离心式水泵。接下来统计了系统输入输出的所有点数，根据点数选择对PLC模块进行选型并对各个模块的端口进行定义。最后绘出系统硬件的接线图，从而为系统软件的设计打好基础。4 自动控制系统的程序设计系统所采用的编程语言为西门子公司开发的STEP7，这是一种可应用于通用微机中，在Windows操作环境下进行编程的语言。通过软件提供的梯形图逻辑编程语言来完成程序编译，然后可以直接通过S7-200专用的PC/PPI电缆完成程序的下载以及PLC与计算机的通信。4.1主程序的编程主程序是由上电延时和子程序的调用两部分组成。上电延时的目的是为了给PLC足够的启动时间，为了避免开机的不合理操作，本系统设置了5秒的上电延时时间，程序如图4.1所示。 图4.1 上电延时Figure 4.1 power on delay当输入信号X000为“1”时，定时器T0开始计时，当定时器的当前值等于设定时间（延时时间）时，输出Y000为“1”，直到输入信号X000为“0”为止（设T0的时钟周期为0.01s）。因为S7-200系列的PLC程序是以并行处理的方式来运行的，所以调用子程序时不需要设置先后顺序，CPU会周期性的反复扫描主程序，并且可在一定条件下执行扫描各个子程序。对子程序的调用如图4.2所示：T37水位判断EN操作台指示EN水泵轮换工作EN避峰就谷EN闸阀故障检测EN模拟量采集EN水泵控制方式EN排水闸阀关到位EN保护环节EN故障复位EN图4.2 主程序Figure 4.2 the main program主程序采用了十个子程序，包括模拟量采集、水位判断、操作台指示、水泵轮换工作、避峰就谷、闸阀故障检测、水泵控制方式、排水闸阀关到位、保护环节、故障复位。4.2水位判断当水泵处于自动方式工作的状态时，对于水仓水位的判断则显得十分重要，水泵的开停、超限指示和报警指示都应该按照水位的变化自行控制。把水仓的水位划分为4个等级，分别为：超低限水位、底限水位、高限水位和超高限水位。数字液位开关由3组浮球开关组成，这3组浮球开关根据规定的液位进行安装，初设置浮球浮起时为导通信号，并按照信号来判断水位。1和2号浮球为第一组，3和4号浮球为第二组，5和6号为第三组。当三组浮球均没有浮起时为超低限水位，此时指示灯亮但不会报警；当只有第三组浮球浮起时为低限水位，此时指示灯和警报都不工作；当只有第一组浮球没有浮起时为高限水位，此时超限指示灯亮但不会报警；当三组浮球都浮起时为超高限水位，水位超限指示和警报同时工作。水位判断的程序如下图所示符号地址注释超低限水位M0.0超高限水位开关M0.3低限水位I0.51/2号浮球水位开关低限水位M0.1低限水位开关I0.75/6号浮球水位开关高限水位M0.2高限水位开关I0.63/4浮球水位开关图4.3 水位判断Figure 4.3 water level to judge4.3 水泵轮换工作总体在一般情况下并不需要水泵和排水管全部投入使用，如果长期使用某部分水泵和排水管路，则这部分的水泵和排水管道会受到非常严重的磨损，从而大大缩短设备的使用寿命，而另一部分水泵和排水管道则基本不会用到，从而不利于水泵和管路的合理利用，降低了设备的利用率，不能达到节能的目的。为了提高设备的利用率，本系统进行了把水泵和排水管路进行轮换工作的设计，这样是为了水泵和排水管道等设备能够得到充分的利用，而且可以降低故障发生率并减少维修费用，从而达到节能的目的，还使得排水系统更加稳定可靠的工作。在编辑程序时，可使用辅助继电器 M1.0、M2.0、M3.0 作为三台水泵的启动标志。当有水泵开始工作时，与其相对应的辅助继电器就会导通，同时定时计时器也开始计时，与此同时给运算器输出信号，运算器计算出水泵的运行时间并且储存在数据寄存器中。当该水泵停止工作时，相对应的启动标志器断开，同时定时计时器停止计时。水泵的运行次数加1，当水泵运行时，运算器自动累加水泵的运行次数，然后把水泵的工作次数在相应的数据寄存器中进行储存。当所有水泵停止工作时水泵的运行时间和运行的次数将会自动叠加，同时累加器清零。通过相互比较各个水泵运行的时间和运行次数，合理安排运行时间和次数少的水泵担任下次的排水任务，这样就实现了水泵的轮流工作，水泵与排水管路也得到了合理有效的运用，延长了水泵与排水管路的使用寿命，节约了排水成本。水泵轮换工作时的程序流程图如图4.4所示。图4.4 水泵轮换工作Figure 4.4 pump rotation4.4 模拟量采集软件中安装 STEP 7-Micro/WIN Instruction Library 指令库，能够直接调用其中的 Scale_I_To_R 子程序来实现 A/D 转化。因为系统选用的传感器同类型产品都为同一型号，为简化说明，只给出一套产品 A/D 转换的程序。具体的模拟量输入转换程序图4.5所示。图4.5 模拟量采集Figure 4.5 analog acquisition4.5 避峰就谷原则为了节能和降低水泵的运行成本，排水系统在自动控制时往往都会采用避峰就谷的控制方式，避峰就谷的原则是根据用电部门提供的不同时间段的电价和本安式数字液位开关的信号自动对水泵的启停进行有效地控制。通过供电部门提供的不同时间段的用电价格，将时间段分为“峰段”、“平段”和“谷段”，通常有两个“峰段”，分段的界线为时和分。当判断是否启动水泵的控制逻辑中，水仓中水位的变化是最重要的因素，同时为了节约电能消耗，也要着重考虑到“避峰填谷”的原则。但是和节能相比较而言，安全是第一位的，有着更高的优先级，所以当这两个因素发生冲突时，应该首先考虑到水仓水位的变化。在这种思想的基础上，制定出下面的控制逻辑。系统把水仓水位分为四段，即超低水位、低水位、高水位和超高水位。因为矿井涌水量涉及多方面的因素，涌水率又是随时间的变化而变化，在设计应用程序时，每隔十分钟采集水仓的水位，并通过简单的运算计算出水位的变化率。在排水系统工作中“避峰就谷”的使用方法1、当排水系统没有在“峰端”工作时，只进行高水位段涌水率上升检测，根据水仓的水位和涌水率可以将水泵的运行状态分为四种情况：1）当水位处于超低水位时，三台水泵都不工作超限指示灯亮。2）当水位处于低水位时，只启动一台水泵使其工作。3）当水位处于高水位时，再启动第二台水泵工作，超限指示灯亮并检测涌水率，若满足条件则启动第三台水泵工作。4）处于超高水位段时，三台水泵均工作，超限指示灯亮并报警。2、系统在“峰段”工作时，根据水仓的水位和涌水率也可以把水泵的运行状态分为四种情况：1）当水位处于超低水位时，三台水泵都不工作并使超限指示灯亮。2）当水位处于低水位时，三台水泵不工作。若有水泵工作则检测涌水率，当满足条件时，则停止运行时间最长的水泵。3） 当水位处于高水位时，一台水泵工作，超限指示灯亮，同时开始检测涌水率，若满足条件，再启动第二台水泵，若条件满足将继续检测。4）当水位处于超高水时段，三台水泵均工作，超限指示灯亮并报警。图4.6 避峰就谷流程图Figure 4.6 averting Valley flow4.6 自动控制图4.7 系统自动控制流程图Figure 4.7 control flow chart由系统自动控制流程图可知，当系统选择自动控制方式后，系统开始对模拟量进行采集，然后运行避峰就谷和水泵轮换程序，接着判断系统是否满足启动条件。当条件满足时，进行真空泵选择，然后打开真空阀，判断真空度是否达到设定值。如果真空度达到设定值时，则把排水阀关闭同时打开水泵开始排水。当判断水泵是否失压时，如果水泵正压达到设定值时打开排水闸阀，然后判断是否满足停机条件。如果满足则先关闭排水闸阀，如果压力较小则关闭水泵结束程序，如果压力过大则先打开真空阀，然后关闭水泵结束程序。4.8小结本章利用梯形图和流程框图对自动排水系统进行编程，因对PLC知识掌握的程度有限，所以只对主程序及水位判断进行简单的梯形图编辑。同时分析了PLC自动控制系统中模拟量采集、水位判断、水泵的轮换工作、避峰就谷、控制方式选择等程序，并相应地画出各功能实现的流程框图。各功能的实现只是在理想状态下，实际运行工作中还会遇到各种突发的问题，所以可能还会有许多考虑不到的地方，还需要在排水系统运行工作中针对实际问题不断改进方案，调整方法，力求达到最佳的排水效果。5 PLC控制系统的可靠性设计5.1 影响PLC控制系统可靠性的因素及措施 尽管可编程控制器本身具有很高的可靠性,但如果给PLC输入的开关量信号出现错误,模拟量信号出现比较大的偏差,PLC输出口控制的执行机构没有按照要求动作,这些原因都可能使控制过程出错,造成无法挽回的经济损失。5.1.1 电源的抗干扰措施PLC系统的正常供电电源全部都是由电网供电。电源是干扰进入PLC的途径之一，电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的，各种大功率用电设备是主要的干扰源。在干扰较强或对可靠性要求很高的场合，可以在PLC的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器。高频干扰信号不是通过变压器绕组的耦合，而是通过一次、二次绕组间的分布电容传递的。在一次、二次绕组之间加绕屏蔽层，并将它和铁心一起接地，可以减少绕组间的分布电容，提高抗高频共模干扰的能力，屏蔽层应可靠接地。5.1.2 布线的抗干扰措施PLC应远离强干扰源，不能与高压电器安装在同一个开关柜内，在柜内PLC应远离动力线，两者之间的距离应大于200毫米，信号线与功率线应分开走线，电力电缆应单独走线，不同类型的线应分开装，保持足够的距离。当数字量输入、输出线不能与动力线分开布线，且距离较远时，可以用继电器来隔离输入/输出线上的干扰。不同的信号线最好不用同一个插接件转接，如果必须用同一个插接件，要用备用端子或地线端子将它们分隔开，以减少相互干扰。5.1.3 来自接地系统混乱的抗干扰措施 良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件，PLC与强电设备最好分别使用不同的接地装置，接地线的横截面积应大于2平方毫米，接地点与PLC的距离应小于50m。在发电厂和变电站中，有接地网络可供使用。各控制屏和自动化元件可能相距甚远，若分别将它们在就近的接地母线上接地，强电设备的接地电流可能在两个接地点之间产生较大的电位差，干扰控制系统的工作。为防止不同信号回路接地线上的电流引起的交叉干扰，必须分系统将弱电信号的内部地线接通，然后各自用规定截面积的导线统一引到接地网络上的某一点，从而实现控制系统一点接地的要求。 5.1.4 强烈干扰环境中的措施一般没有必要在PLC外部再设置干扰隔离器件。在大的发电厂等工业环境，空间中极强的电磁场和高电压、大电流断路器的通断将会对PLC产生强烈的干扰。在这种情况下，对于用长线引入PLC的数字量信号，可以用小型继电器来隔离。来自开关柜内和距离开