毕业设计（论文）矿井主排水自动控制系统设计

1、矿井排水系统毕业设计课 题： 矿井主排水自动控制系统设计组 长：硬 件：软 件：文 档: 目 录摘 要4第一章 绪论51.1排水系统概述61.1.1矿井生产过程中排水的重要性61.1.2矿井排水系统的组成部分71.2井下排水系统存在的问题91.3排水系统为何要实现自动控制101.4我国矿井主排水系统的现状11第二章 矿井排水系统的各种参数与检测112.1水仓水位的检测122.1.1液位传感器介绍122.1.2液位检测装置的选择152.2电机及水泵温度检测162.3水泵压力检测172.4水泵流量检测192.4.1流量检测仪器的安装位置192.4.2流量检测传感器202.4.3流量计的要求222.

2、5水泵负压检测22第三章 基于plc的井下自动排水系统总体设计233.1控制系统总体结构243.2基于plc的矿井主排水控制系统设计243.2.1 plc的主要特点253.2.2 plc的基本工作原理283.2.3 plc地址分配和实现控制功能303.2.4 s7-200plc的基本组成343.3 profibus-dp总线39第四章 矿井自动主排水系统设备的选型设计404.1初始数据404.2选型设计404.3引水设备424.4自动阀门454.4.1电动闸阀454.4.2 电动球阀464.5高压开关柜474.6电缆的选择494.6.1 高压电缆的选择494.6.2低压电缆的选择51第五章 控

3、制系统的软件设计525.1plc的软件设计525.1.1软件流程图525.1.2地址分配545.1.3水泵的自动开启、运行、停止故障保护流程图565.1.4 plc的程序设计595.2控制系统上位机的软件设计615.2.1设计要求625.2.2设计内容625.2.3上位机与plc的通信625.2.4监控主界面655.2.5报警界面65第六章 控制系统的抗干扰措施666.1常见的各种干扰源666.2如何采取措施排除这些干扰66第七章 3台电动机启动控制线路与程序687.1 3台电动机启动控制线路图与输入/输出端口分配表687.2 操作步骤、程序梯形图与指令表697.2.1 操作步骤697.2.2

4、程序梯形图717.2.3 指令表72第八章 总结74附录：75摘 要文章对晋煤蓝焰凤凰山矿155301综采工作面进行了排水设计，然后根据排水控制的要求，进行自动控制方面的设计。本系统采用siemens的s7-200系列plc，并结合各种传感器（主要为水位传感器、负压传感器、压力传感器、流量传感器等），完成系统设计中要实现的控制功能。本系统采用水泵及管路的“自动轮换”工作制。又根据“避峰填谷”的原则确定开启水泵台数，以达到节省用电的目的。在就地pc端，采用易控组态监控系统监视设备的运行情况及各个运行参数，做到有故障及时发现并尽早处理。s7-200通过cp340通讯模块，采用rs-232c通信标准

5、与就地pc建立联系。第一章 绪论井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，担负着井下积水排除的重要任务。然而，目前我国的井下排水系统仍由很多依靠传统的人工操作方式。本章分析这种排水系统的组成及工作过程，指出其存在的问题，为井下主排水系统自动控制的研究提供依据。1.1排水系统概述1.1.1矿井生产过程中排水的重要性在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下。矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关系，涌水量在不同的季节也呈现不同。在一些大水矿井，矿井涌水量可达到每秒17立方米，甚至超过每秒20立方米。另

6、外，煤炭开采过程中，由于地层结构被破坏，岩层断裂，使采区与储水层连通，发生突水事故，涌水量会突然增加。如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产就可能受到阻碍，井下的安全就会得不到保障，严重者会造成重大事故。给人民的生命、国家的财产都带来了极大的威胁。因此，井下排水就显得尤为重要。井下自动排水系统的任务就是把流入井下煤矿巷道中的矿井积水排送至地表。根据统计，每开采1吨煤就要排出2-7吨矿井水，有时甚至要排出30-40吨矿井水。 井下排水设备所配备电机的功率，小的几千瓦到几十千瓦，大的几百千瓦到上千千瓦、在我国煤炭行业中，井下排水用电量占原煤生产总耗电量的18%-41%，一般为20%左右。因

7、此，井下排水设备运转的可靠性(安全运转)与经济性(效率高、电耗量小)，具有十分重要的意义。1.1.2矿井排水系统的组成部分井下排水系统一般采用离心式水泵，一些小型煤矿或浅水井临时排水系统也采用潜水泵。离心式水泵排水系统主要由离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成。滤水器和底阀 滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于o.5m 。其作用是防止井底沉积的煤泥和杂物吸入泵内，导致水泵被堵塞或被磨损。在滤水器内装有舌型底阀，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。但是现在的排水系统中，为了提高排水效率，减小水泵腐蚀，一般不用底阀，而用射流泵或真空泵为水

8、泵和吸水管注水。闸阀调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止阀的下方。其功用为:调节水泵的流量和扬程；起动时将它完全关闭，以降低起动电流。调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小，安装时无方向性，能够方便地来调节水泵的流量和扬程等。其缺点是密封面容易擦伤，检修较为困难，高度尺寸较大，在安装位置受到限制时，安装不便，结构较复杂，价格较高。 放水闸阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上，其作用为检修排水管路时放水用。逆止阀 逆止阀安装在调节闸阀的上方，其作用是当水泵突然停止运转(如突然停电)时，或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时，能自动关闭，切断水流，使水泵不致受到水力冲击而遭到损坏

9、。 灌引水漏斗、放气栓和旁通管 灌引水漏斗是在水泵初次起动时，向水泵和吸水管中灌引水用。在向水泵和吸水管中灌引水时，要通过放气栓(又叫气嘴)将水泵和吸水管中的空气放掉。当排水管中有存水时，也可通过旁通管向水泵和吸水管中灌引水，此时要将旁通管上的阀门打开。此外，还可通过旁通管，利用排水管中的压力水的反冲作用，冲掉积存于水泵流通部分和附着于滤水器上的杂物，但此时须通过连接在底阀上的铁丝或链条将底阀提起。压力表和真空表 压力表安装在水泵的排水接管上，为检测排水管中水压大小用。常用的压力表为普通弹簧管压力表，根据其结构特征可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径有60mm,100mm,1

10、50mm,200mm和250mm五种。压力表所测出的压力叫做表压力或相对压力，它比绝对压力小1个大气压。 真空表安装在水泵的吸水接管上，为检测吸水管的真空度用。根据其结构特征也可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径和压力表一样，也分为60, 100, 150，和250mm五种。真空表测量范围为0-0.1 mpa(一个大气压)。 射流泵或真空泵 离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵腔内注满水才能进入运行状态，否则水泵转动时将无法吸水，形成“干烧”，严重影响水泵的使用寿命。在无底阀的排水系统中，水泵每次起动都要灌水，这一工作由抽真空设备完成，一般使用射流泵或真空泵。它们的工作原理不同

11、，但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真空度，保证系统正常工作。1.2井下排水系统存在的问题目前，我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人工操作排水系统，以离心式水泵系统为主。这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础，泵站的起停时间判断，完全依赖于工人的经验和已有的操作规程。当水仓水位到达设定的高水位时，工人打开射流泵(或真空泵)，为水泵抽真空，同时观测真空表的读数。真空度达到要求后，起动水泵机组，使水泵运转。当水泵出水口压力表读数达到要求时，开起闸阀进行排水，同时关闭抽真空的射流泵(或真空泵)。 停泵过程要进行相反的操作。当水仓积水降至低水位时，先将闸阀关死，再停水泵机组。根据

12、现场涌水量的不同，工人还要判断同时投入几台水泵工作，以便于既能及时排出积水，又能使泵站合理使用，避免过度频繁的起停。其存在的问题有如下几点：效率低、可靠性差。这种排水系统的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的完成各个执行件的操作。另外，对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验。作业过程比较复杂，要求工人具有很强的责任心，否则可能出现误操作，甚至发生大的事故。工人劳动强度大。人工操作无法避免高强度的劳作。尤其是闸阀的操作，劳动量最大。而且，水泵房要时时有人值守，以便在发生异常情况时，及时报警检修。1.3排水系统为何要实现自动控制针对上述排水系统存在的问题，本文提出了基于plc的矿井主

13、排水自动控制系统的设计。自动控制系统的应用，将使得排水系统可靠性增强，整个工作流程通过软件的编程来实现，程序确定后，水泵机组将按给定的程序自动启停水泵、开合阀门，极大的减小工人的劳动强度。plc将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统的遥测、遥控。1.4我国矿井主排水系统的现状井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。随着控制理论和现代检测技术的发展，自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定进步。传统的继电器控制方法，用人工进行检测(如人工检测水仓

14、水位、淤泥厚度、管道、闸阀及配电设备状况等)，这种检测控制方法效率低，工人劳动强度大，且由于井下环境恶劣，故障率较高。所以靠人工检测的方法已不适应煤炭发展的需要，取而代之的是自动化排水系统。随之，一种新颖的矿井排水计算机自动控制系统问世。由于矿井排水系统属于多变量、非线性、时变的复杂系统，特别是在管道和水泵等环节中，各变量之间又存在着交叉，因此矿井排水系统非常适合于采用模糊控制的方法进行动态监测和故障诊断。该系统采用先进的集散式控制方式，建立了多级模块化的结构体系，提出了多参数的模糊综合决策方法。目前，plc在国内外工业控制中已获得广泛应用，在矿井排水系统中，采用plc自动监测排水系统的运行状

15、况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵启动的自动切换等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性高。第二章 矿井排水系统的各种参数与检测排水装置要实现自动控制、无人职守，最根本的就是让控制系统了解自动化系统中各个设备的状况和运行状态。这些运行状态经过系统中央处理单元的分析和运算后，做出判断并显示给集中监控室。图1 主排水泵自动化监控系统图排水装置实现自动化的过程中，必须对图所示参数进行检测，本章将对以下5个监控的参数展开论述并给出检测的方法和可实现性。(1)水仓水位的检测(2)水泵流量的检测(3)水泵压力检测(4)水泵负压检测(5)电机及水泵温度检测2.1水仓水位的检测2.

16、1.1液位传感器介绍一、超声波液位传感器超声波液位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声波脉冲开始，到接受到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对液位进行测量。根据发射和接受换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接受各使用一个换能器。下面就单换能器的超声波传感器加以介绍。超声波发射和接收换能器可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图2所示。 图2 超声波液位计安装示意图对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间

17、为： 则 式中： h 换能器距液面的距离； c 超声波在介质中的传播速度。从以上公式中可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的液位。 超声波液位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会产生较大的误差。在一般使用条件下，它的测量误差为，检测液位的范围为m。本设计中采用的是超声波液位计，在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。工作特点：采用smd技术，提高仪器的可靠性，自动功率调整，增益控制、温度补偿。先进的检测技术，丰富的软

18、件功能适应各种复杂环境。采用新型的波形计算技术，提高仪表的测量精度。具有干扰回波的抑制功能，保证测量数据的真实。16位d/a转换，提高电流输出的精度和分辨率。传感器采用四氟乙烯材料，可用于各种腐蚀性场合，多种输出方式：可编程继电器输出、高精度420ma电流输出、rs-485数字通信输出等方式可供选择。图3 超声波液位计选型设计中选用二线制输出型液位计，其参数如下：量程： 03、5、8、10、15、20m精度： 0.25% 盲区： 0.30.5m温度： -20+55电源： 24vdc控制： 无输出： 420ma 二线制防护等级： ip65显示方式： 4位lcd二、投入式液位传感器投入式液位传感器

19、是将传感器的探头投入液体中。利用处于一定深度时液体会产生一定的压强这个基本原理制成的。其示意图如图4所示。图4 水位计示意图具体的来说是:传感头根据水中的压力与空气中的压力差，传感头把水位的高度变换成压力差，再把压力差转换成微弱的电信号，该微弱的电信号经放大器放大后送a/d变换器，单片机采集数字信号经运算处理后，输出的水位高度用数码管来显示，同时输出对应的输出信号。其内部的功能模块图如图5。图5 传感器功能模块图2.1.2液位检测装置的选择上述两种液位传感器是基于不同的工作原理设计和制造出来的，分别适应于不同的工作场所。当然，有些场所可以使用两种当中的任何一种，也可以同时使用在同一个被检测对象

20、(水仓)。一、两种液位传感器的比较投入式液位传感器的特点在于: 制造成本相对于超声波液位传感器较为低廉: 量程比较小(5 10米)，但一般能满足测量水仓水位的要求: 性能受到被检测介质物理性质(如液体有固体沉积或粘稠)的影响；测量工作不受空气中的悬浮成分如粉尘、浓烟等的影响相对而言，超声波液位传感器的特点在于:超声波传播会受到空气中粉尘的影响；超声波水位传感器的测量量程大；超声波水位传感器属于非接触式传感器，性能不受被检测介质的影响； 制造成本比较高。二、水位检测装置的选择由于煤矿井下的排水系统重要的安全地位，而水位传感器是整个排水系统的嗅觉器官。也就是说，一旦水位传感器失灵，后面的排水硬件和

21、响应软件设置的再好都无法启动。所以，合理设计水位传感也是很重要的。在水位检测装置的选择上，至少选择两个水位传感器来提高水位检测装置的可靠性。一般选择一个超声波液位传感器与一个投入式液位传感器相结合的方法来检测水位。但是由于超声波液位传感器不能用在过于狭小的空间内，当条件不具备时，也可以使用两个投入式传感器来检测水位。2.2电机及水泵温度检测温度传感器一般分为接触式与非接触式两大类。所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触，这是测温的基本形式。这类温度传感器具有结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低廉等优点，是目前应用最多的一类。非接触式温度传感器理论上不存在接触式温度传感器的测量滞后和应用

22、范围上的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，但测量精度低，使用不太方便。通过比较，宜选择接触式温度传感器测量温度比较合适。本文选择pt100温度传感器测电机及水泵温度。pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值对应关系为：（1）-200t0时， （2）0t850时， 式中，a=3.9080210-3； b=-5.8010-7； c=4.273510-12。pt100温度传感器是一个模拟信号，它在实际应用中有二种形式:一种是不需要显示的,主要采集到plc，这样在使用的时候只需要一块pt100的集成电

23、路，要注意的是这个集成电路采集的不是电流信号而是电阻值，pt100的集成电路（需要一个12vdc电源提供工作电压）直接把采集到的电阻变为1-5v dc输入到plc，经过简单的计算就可以得到相应的温度值。（这样的形式可以同时采集多路），还有一种就是单独的一个pt100温度传感器（工作电源是24v dc），产生一个4-20ma的电流，然后再通过一个4-20ma电流电路板把4-20ma的电流变为1-5v电压。它可以串连一个电磁指示仪表。 pt100温度传感器的主要技术参数如下：测量范围：-200+850；允许偏差值：a级（0.150.002t），b级（0.300.005t）；热响应时间30s；最小置

24、入深度：热电阻的最小置入深度200mm；允通电流5ma。另外，pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。应用范围：气液两用型，可用于供水系统，液压，气动系统，冷却系统，加热系统，空调系统，自动化工程等。2.3水泵压力检测一、应变式压力传感器原理介绍应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力，如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。应变式压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力作用下，膜片产生径向应变和切向应变，表达式分别为：式中： 膜片上均匀分布的压力；

25、r、 膜片的半径和厚度； x 离圆心的径向距离。 由应力分布图可知，膜片弹性元件承受压力时，其应变变化曲线的特点为：当x=0时，；当 x=r时，=0，=。 根据以上特点，一般在平膜片圆心处切向粘贴r1、r4两个应变片，在边缘处沿径向粘贴r2、r3两个应变片，然后接成如图6的全桥电路。其中，且r1=r2=r3=r4，则：此时全桥差动电路不仅没有非线形误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。图6 全桥差动电路二、hs-956系列薄膜压力变送器 在本系统中使用了hs-956系列薄膜压力变送器。hs-956系列薄膜压力变送器由高性能的薄膜压力传感器与信号调理电路组成。该系列产品

26、技术独特、性能优越,具有体积小、重量轻、安装简便、能在恶劣环境长期稳定工作的特点，特别适合频繁冲击压力的测量。是目前理想的流体压力测量仪表。hs-956系列薄膜压力变送器的特点：1、稳定性高 每年优于 0.1% 2、测量误差小 综合误差可小于 0.1% 3、温度范围宽 允许介质温度 -401254、温度漂移小 典型温漂 0.02%/5、适应恶劣环境 耐温、耐腐、抗振动 6、适应性广 产品体积小、重量轻、无隔离膜片和中介液体：全不锈钢密封结构，无可动部件；可直接、任意安装。因此适应各种工业测量场合及介质。主要技术指标：1、介质 液体、气体或蒸汽2、输出 两线制420ma.dc ；3、量程 0.1

27、,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、电源 24v.dc,无负载时可工作在12v.dc，最大电源电压36 v.dc；5、负载范围允许最小负载为零，最大负载rl=50（us-12）。其中us为电源电压；6、过压 量程的120% ；7、输出限制 变送器过压时，内部限流器输出电流限制在25m以下；8、温度范围 敏感元件工作温度：-50125；电子部件工作温度：-4085 ；9、湿度范围099% 相对湿度 。2.4水泵流量检测2.4.1流量检测仪器的安装位置 水泵的流量

28、与水泵出口的闸阀开度和出口压力、电动机电流有直接的关系。这些参数之间相互结合可以检测出水泵、电动机的性能和工况。因此水泵出口流量的检测有非常重要的意义。水泵出口流量的检测有两种布置方式: 流量检测器安装分别安装在水泵出口的分支管路上，图7所示;流量检测器安装在水泵出口的总管路上，如图8所示。两种安装位置的比较，采用图8所示的安装方式可以满足需要。采用如图7示的安装方式可以保证准确测量每一个水泵在工作过程中的流量。从而可以比较准确的判断出各个水泵机组的工作特性。但是结合煤矿井下排水过程的特点:水泵的工作方式(轮番启动)，如果采用如图8所示的安装方式，也可以判断出每个水泵的流量，但是需要比较复杂的

29、软件设计来实现。软件中可以通过检测干路中的流量总和与所开启的水泵数目，可以得到整个排水泵一电机机组的工况。因此出于造价、硬件系统的复杂等方面的考虑，优先选择图8所示的方式设置流量计。1.截止阀2.离心式水泵3.流量传感器图7 各个水泵分别安装流量传感器1.截止阀2.离心式水泵3.流量传感器图8 各个水泵只安装一个流量传感器2.4.2流量检测传感器一、电磁流量计工作原理在工业中经常使用的大口径流量计是电磁流量计。自20世纪50年代末国内首次工业应用以来，七八十年代在流量测量中运用和发展很快。电磁流量计由电磁流量转换器和电磁流量传感器组成的。电磁流量转换器是为电磁流量传感器提供电源，并将其测量的流

30、量信号整定成为标准的4-20ma电流等其他形式的信号。电磁流量传感器是根据法拉第原理制成的一种流量计，用来测量导电液体的流量。其原理图如图9所示，它是由产生均匀磁场的系统、不导磁材料的管道以及在管道横截面上的导电电极组成。磁场方向、电极连线、管道轴线三者之间是相互垂直的。当被测导电液体流过管道时，切割磁力线，于是在和磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势，其数值与液体的流速成正比。即式中:b磁感应强度(t)； d切割磁力线的导体液体的长度(为管道内径)(m)； v导电液体在管道内的平均流速(m/s )。由上式得被测导电液体得体积流量为 因此，知道感应电动势就可以测出导电液体的流量。图9 电磁

31、流量传感器原理图二、电磁流量传感器的结构特点理论上认为磁感应强度b是常量，即直流磁场。但直流电势将使被测液体电解，使电极极化。正电极被负离子包围，负电极被一层正离子包围，加大了电极的电阻。破坏了原来的测量条件。同时内阻增加随被测液体成分的变化和工作时间长短而变化，因而使输出电势不固定，影响测量精度。而对被测量介质的流量测量采用交流电(频率为5ohz)励磁的交流磁场，即 感应电动势为 所以体积流量为 为了避免测量管路引起磁分流，故需要用非导磁材料做成。另外，由于测量管路处于较强的交流磁场中，管壁产生涡流，因而产生二次磁通。为了减少涡流，要求测量管路的材料具有高电阻率。且对于不同直径的电磁流量计，

32、其电极、测量管路都采用不同的材料做成。三、电磁流量计的特点测量管路内没有任何突出和可移动的部件，因此可用于有悬浮颗粒的浆液等流量的测量，且压力损失极小；感应电势与被测液体温度、压力、粘度等无关，因此其使用范围广泛;测量范围宽，；可以测量各种腐蚀性液体的流量；电磁流量计的惯性小，可以用来测量脉动流量；对测量介质，要求导电率大于0.002-0.005/m。2.4.3流量计的要求随着工业生产技术的加强和进步，各种智能型电磁流量计已经很容易的制造出来，并应用于测量管道中导电液体的体积流量，如水、污水、泥浆、矿浆、酸、碱、盐液体及食品桨液等。在石油化工、矿冶、煤炭、水利工程给排水、污水处理等行业中广泛应

33、用。电磁流量计可以达到以下要求: 4-20ma信号输出型； 抗干扰性强、精度高、稳定性可靠、整体防爆；测量范围宽，流速0.3-15m/s；实际上，以常村煤矿s-3水泵房为例，其理论上管路中液体的流速范围是:2.46m/s-4.92m/s。结合电磁流量传感器自身的特点，煤矿井下水泵房采用电磁流量传感器检测水泵出口的流量是简单易行的。 随着工业生产技术的加强和进步，电磁流量计达到抗干扰性强、精度高、稳定性可靠、整体防爆的要求，适合在煤矿井下使用，且也逐步的推广和使用。由于每台水泵的工作曲线特别是使用了一定年限的离心式水泵的流量/功率、流量/效率等曲线有较大的差异，因此无法给出每台水泵在工作过程中的

34、流量正常阈值和水泵排出水过少的阈值。这些阈值只有在现场根据每台水泵不同的流量特性设定出相应的阈值。虽然电磁流量传感器在使用、安装的过程中比较复杂，但可以肯定的说，随着流量传感器在自动排水系统的应用，将大大提高整个系统的稳定性和安全性。2.5水泵负压检测ns-k型负压传感器采用先进的静电焊接技术形成稳定的参考腔，可以用来测量小于大气压的压力和真空度，广泛用于石油、化工、冶金、制药冷冻、真空仪表等自动化行业。ns-k型负压传感器的主要技术指标如表1所示：表1 ns-k型负压传感器的主要技术指标输入0-0.5kpa-1kpa-10kpa-30kpa-50kpa-100kpa过载能力2倍测量介质对不锈

35、钢不腐蚀的气、液体工作方式负压、真空度工作电压5vdc或10vdc(24v)输出100mv或05v、420ma零位输出2mv综合精度0.05%、0.1%、0.3%f.s非线性0.1%f.s（典型值）重复性0.1%f.s（典型值）工作温度范围-40120温度补偿范围2580温度漂移0.025%f.s/第三章 基于plc的井下自动排水系统总体设计3.1控制系统总体结构系统采用现场层(远程io),控制层(plc)和管理层(工业计算机)组成的三级控制系统来实现排水系统的自动控制。工业计算机利用友好人机界面实现人机对话和远程监控功能，plc作为控制器完成逻辑处理和控制任务，远程io实现现场数据的采集和上

36、传。控制系统总体结构如图所示。图10 系统总体结构3.2基于plc的矿井主排水控制系统设计系统由plc（可编程逻辑控制器）、触摸屏、检测部分（模拟量和开关量采集）和执行部分等组成，其硬件结构如图10所示。图10 排水控制系统硬件结构图3.2.1 plc的主要特点plc（ programmable logic controller） ，即可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 1. plc

37、的特点 1)灵活、通用 在继电器控制系统中，使用的控制装置是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电气控制图，由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上少许变化，需要改变电气控制系统时，原先整个电气控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，耗费大量人力、物力、和时间。而plc是通过在存储器中的程序实现控制功能，若控制功能需要改变，只需修改程序及少量接线即可。而且，同一台plc还可用于不同控制对象，通过改变软件则可实现不同控制的控制要求。因此，plc具有很大的灵活性和通用性，结构形式多样化，可以适用于各种不同规模、不同工业控制要求。2)可靠性高、抗干扰

38、能力强可靠性是工业控制器件的重要指标。因此，要求在各种恶劣工作环境和条件(如电磁干扰、灰尘等)下可靠工作，将故障率降至最低。plc具有很高的可靠性和抗干扰能力，不会出现继电器一接触器控制系统中接线老化、脱焊、触点电弧等现象，故被称为“专为适应恶劣工业环境而设计的计算机”。3)编程简单、使用方便 plc采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。目前，plc大多采用梯形图语言编程方式，它既继承了继电器控制线路的清晰直观感，又考虑到电气技术人员的读图习惯和应用实际，电气技术人员易于编程，程序修改灵活方便。这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与汇编语言相比，虽然增加了解释程序和程序执行

39、时间，但对大多数机电控制设备来说，plc的控制速度还是足够快的。此外，plc的i/o接口可直接与控制现场的用户设备联接。如继电器、接触器、电磁阀等联接，具有较强的驱动能力。 4)接线简单 plc只需将输入设备(如按钮、开关等)与输入端子联接，将输出设备(如接触器、电磁阀等)与输出端子联接。接线极其简单、工作量极少。 5)功能强 plc不仅具有条件控制、定时、计数、步进等控制功能，而且还能完成a/d. d/a转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等。因此，plc既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。可控制一台单机、一条生产线，也可控制一个机群、多条生产线。可用于现场控制，也可用

40、于远距离控制。可控制简单系统，又可控制复杂系统。 6)体积小、重量轻、易于实现机电一体化 plc具有体积小、重量轻、功耗低等特点。由于plc是专为工业控制而设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用，以及有很强的可靠性和抗干扰能力，易于嵌入机械设备内部。因此，plc在机电一体化产品中被广泛应用。 2. plc的主要功能 plc是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(fa)和计算机集成制造系统(cims)内占重要地位。今天的plc功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。 plc系统一般由以下基本功能构成 .多种控制功能 .数据采集、存储与处理功 .通信联网功能 .输入/输出接口调理功能

41、 .人机界面功能 .编程、调试功能1)控制功能逻辑控制:plc具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器进行开关量控制。定时控制:它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定:接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。计数控制:用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。顺序控制:在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台plc可作为多部步进控制器使用。 2)数据采集、存储与处理功能 数学运算功能包括: .基本算术:加、减、乘、除。 .扩展算术:平方根、三角函数和浮点运算。 .比较:大于、小于和等于。 数据处理:选择、组织、规格化、移动和先入先出。 模拟数据处理:

42、pid、积分和滤波。3)输入/输出接口调理功能具有a/d. d/a转换功能，通过i/o模块完成对模拟量的控制和调节精度，可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。4)通信、联网功能现代plc大多数都采用了通信、网络技术，有rs232或rs485接口，可进行远程i/o控制，多台plc可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。在系统构成时，可由一台计算机与多台plc构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成

43、较大规模的复杂控制。通常所说的scada系统，现场端和远程端也可以采用plc作现场机。5)人机界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息；允许操作者和pc系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。实现人机界面功能的手段:从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的crt显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。6)编程、调试等使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。3.2.2 plc的基本工作原理plc运行时，内部要进行一系列操作，大致可分为四大类：以故障诊断、通

44、信处理为主的公共操作，联系工业现场的数据输入和输出操作，执行用户程序的操作，以及服务于外部设备的操作（如果外部设备有中断请求）。其过程示意图如图11所示。与其它计算机系统一样，plc的cpu是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行。这种分时操作进程称为cpu对程序的扫描。plc的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。cpu从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束。然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。plc就是这样周而复始地重复上述的扫描循环的。plc接通电源后，在进行循环扫描之前，plc首先确定自身的完好性，这是

45、起始操作的主要工作。plc进行清零或复位处理，消除各元件状态的随机性；检查i/o单元连接是否正确；启动监控定时器t0，执行一段涉及到各种指令和内存单元的程序，如果所用的时间不超过t0，则可证实自身完好，否则系统关闭。此后，将监控定时器t0复位，允许扫描用户程序。plc的基本工作过程为： 图11 plc工作原理示意图1、公共操作公共操作是在每次扫描程序前进行自检，若发现故障，除了故障灯外，还可判断故障性质：一般性故障，只报警不停机，等待处理；严重故障，则停止运行用户程序，此时plc切断一切输出联系。2、数据i/o操作数据i/o操作也称为i/o状态刷新。它包括两种操作：一个是采样输入信号，即刷新输

46、入状态表的内容；二是送出处理结果，即用输出状态表的内容刷新输出电路。在plc的存储器中，有一个专门存放i/o的数据区，其中对应于输入端子的数据区，我们称之为输入映像存储器。当cpu采样时输入信号由缓冲区进入映像区，这就是数据输入状态刷新；同样道理，cpu不能直接驱动负载。当前处理的结果放在输出映像存储器区内，在程序执行结束后，才将输出映像区的内容通过锁存器输出到端子上。这步操作称为输出状态刷新。3、执行用户程序操作在程序执行前复位监控定时器t1，即执行程序并开始计时。监控定时器t1就是通常所说的“看门狗”，它是用来监视程序执行是否正常的，正常时，执行完用户程序所用的时间不会超过t1的设定值，执

47、行完用户程序后立即使“看门狗”复位，表示程序执行正常。当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循环时，“看门狗”会发出超时报警信号，使程序重新开始执行。如果是偶然因素造成超时，重新扫描程序不会再遇到“偶然干扰”，系统便转入正常运行；若由于不可恢复的确定性故障，则系统会自动地停止执行用户程序、切断外部负荷、发出故障信号，等待处理。4、处理外设请求操作每次执行完用户程序后，就进入服务外设请求命令的操作，外设的请求命令包括操作人员的介入和硬件设备的中断。外设请求一般不会影响系统正常工作，而且可能更有利于系统的控制和管理。如果没有外设请求，系统则会自动循环地扫描进行。3.2.3 plc地址分配和实

48、现控制功能从系统的控制功能上来说，应具备以下七大功能：一、数据自动采集与检测数据自动采集与检测主要分为两类：模拟量数据和数字量数据。模拟量检测的数据主要有：水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、3台水泵的流量、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力；数字量检测的数据主要有：水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动闸阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电动球阀状态。数据自动采集主要由plc实现，plc模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，将水位变化信号进行转换处理，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，控制排水泵的启停。影响水位的因素主要来自两方

49、而:一是水位计故障(如遭受杂物撞击)，二是水位信号受干扰(如水波动较大)。对于前一个因素采用双水位计，在水仓中设置两个同样的水位计，plc同时对两个水位计取样。如果两路信号相差大于0.15m时系统报警，要求值班人员进行检查；而对于信号干扰，则采用软件过滤，只有当信号在某一值附近稳定足够时间，且回差足够小时才作为控制量使用，防止了因干扰而泞致机组误动的情况。 在数据采集过程中，模拟量信号的处理是将模拟信号变换成数字信号（a/d转换），其变换速度由采样定律确定。一般情况下，采样频率应为模拟信号中最高频率成分的2倍以上，这样经a/d变换的精度可完全恢复到原来的模拟信号精度。a/d变换的精度取决于a/

50、d变换器的位数。plc所采用的a/d模块均以积分方式变换，可使输入信号的尖峰噪音和感应噪声平均化，适用于噪音严重的工业场所。二、自动轮换工作 为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未经及时发现，当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以至影响矿井安全，本系统程序设计了3台泵自动轮换工作控制，控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相应管路，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当某台泵或所属阀门故障、某趟管路漏水时，系统自动发出声光报警，并在触摸屏上动态闪烁显示，记录事故

51、，同时将故障泵或管路自动退出轮换工作，其余各泵和管路继续按一定顺序自动轮换工作，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全生产的目的。三、“避峰填谷”所谓“避峰填谷”，是指调度水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段工作，尽量避免在“峰段”启动。要实现“避峰填谷”，需调度各水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段，将水仓的水位排至设定的低位，以便水仓能够腾出尽可能大的容积，使其在“峰段”容纳更多的矿井涌水而不用启动水泵。四、系统保护功能超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及plc 实现超限报警。流量保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值，通过流量保护

52、装置使本台水泵停车，自动转换为启动另一台水泵。电动机故障：利用plc及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障，并参与控制。电动闸阀故障：由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障，并参与水泵的联锁控制。五、三种工作方式系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。自动时，由plc检测水位、压力及有关信号，自动完成各泵组运行，不需人工参与；半自动工作方式时，由工作人员选择某台或几台泵组投入，plc自动完成已选泵组的启停和监控工作；手动检修方式为故障检修和手动试车时使用，当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行，不影响其它泵组正常运。plc柜上设有该泵的禁止启

53、动按钮，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统安全可靠。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行。经过粗略计算，需要数字量输入64点，数字量输出56点，模拟量输入通道22路，其具体分配见表2、3、4 。表2 模拟量输入通道统计表模拟量输入通道数水仓水位1水泵真空度3出水口压力3排水管流量3水泵轴承温度3电机温度3电机电流3电机电压3总计22表3数字量输入点数统计表数字量输入点数电动闸阀开3电动闸阀关3电动闸阀停3电动闸阀开到位3电动闸阀关到位3电动闸阀开过转矩3电动闸阀关过转矩3真空泵状态2电机合闸3电机分闸3电机合闸到位3电机分闸到位3真空泵球阀开到位2真空泵球阀关到位2球阀开到位9球阀关到位9故障复位1急停1操作方式选择3真空泵射流管启动方式选择1总计64表4数字量输出点数统计表数字量输出点数真空泵球阀开2真空泵球阀关2排水泵球阀开9排水泵球阀关9电动闸阀开3电动闸阀关3电动闸阀开到位3电动闸阀关到位3电动闸阀开过转矩3电动闸阀关过转矩3真空泵电机开3真空泵电机关3水泵电机开3水泵电机关3警铃1故障显示灯1总计54考虑到前面的设计中i/o点数可能有疏漏，并考虑到i/o端的分组情况以及隔离与接地要求，应在统计后得出的i/o总点数基础上，增加10到15的裕量。考虑裕量后的i/o总点数即为i/o点数估计值。选定的plc机型的i/o能力极限值必须大于