基于PLC的煤炭矿井排水系统设计

1、徐州工业职业技术学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）基于PLC的煤炭矿井排水系统设计Coal mine drainage system design based on PLC班级 徐工机电112班 学生姓名 王红乐 学号1132207328 指导教师 卓自明 职称 讲师 导师单位 徐州工业职业技术学院 论文提交日期 2013年12月5日 徐州工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书课题名称 基于PLC的煤炭矿井 排水系统设计 课题性质 工程设计类 班 级 徐工机电 112 学生姓名 王红乐 学 号 1132207328指导教师 卓自明 导师职称 讲 师 一选题意义及背景随着计算机控制技术的迅速发

2、展，各行各业均已步入自动化控制领域。煤炭行业也不例外，作为井下煤炭生产中重大系统之一的排水系统煤矿泵房监控系统，担负着井下积水排除的重要任务。但目前煤炭泵房监控系统人多采用继电器控制，水泵的开停及其选择切换均有人工完成，还做不到根据水位或者其他参数自动开停水泵，这将严重影响井下排水泵房的管理水平和经济效益的提高。因此开发一套能够根据水位的高低自动变化启动和停止水泵，且能够通过远程通信通道，把实时采集的各种信息传递到上位管理计算机的自动化系统变得尤为重要。二毕业设计（论文）主要内容：具体的内容包括：（1）掌握矿井排水的工作原理及其控制方法；（2）设计主排水泵的自动监控控制系统；（3）根据控制要求

3、确定所需输入/输出设备，据此确定PLC的I/O点数；（4）编写与调试PLC程序；（5）掌握MCGS编程及其与PLC的通讯方法，并进行程序设计；（6）调试控制并撰写论文。三计划进度：第1-2周：通过查询资料理解矿井排水的工作原理与工作过程；第3-4周：确定排水系统组成和气动回路；第5-6周：根据控制要求确定所需的输入，输出设备，据此确定PLC的I/O点数；第7-8周：编写与调试PLC程序；第9-11周：掌握MCGS编程及其与PLC的通讯方法，并进行程序设计，实现对被控参数进行采集、监控，联机调试基于PLC的矿井排水控制系统，整理资料并撰写论文；第12-15周：准备材料答辩。四毕业设计（论文）结束

4、应提交的材料：1.毕业设计论文（打印文档与电子稿）2.毕业设计相关程序指导教师 教研室主任 年 月 日 年 月 日论文真实性承诺及指导教师声明学生论文真实性承诺本人郑重声明：所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。 毕业生签名： 日 期： 指导教师关于学生论文真实性审核的声明本人郑重声明：已经对学生

5、论文所涉及的内容进行严格审核，确定其内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。 指导教师签名： 日 期： 摘要本文提出了基于PLC的矿井主排水自动控制系统的设计。首先对井下自动排水系统进行了总体的设计，然后详细介绍了系统的软件流程，对矿井主排水自动控制系统进行了编程设计。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，编程确定后，水泵机组将按给定的程序，根据水位的高低变化来控制水泵的启停，极大的减小人工控制的劳动强度。本系统采用FX2N-64MR型 PLC，结合传感器，完成系统设计中实现的控制功能，并且本系统采用易

6、控组态监控系统监视设备的运行情况，做到有故障及时发现并且尽早处理。本系统采用水泵的“自动轮转”、“备用水泵”的工作制。采用“Y-型降压启动”避免因启动多台泵而造成电路高负荷。关键词：PLC、排水系统、自动控制ABSTRACTBasing on programmable logic controller (PLC) is proposed in this paper the design of the automatic control system for mine main drainage. First for underground automatic drainage system t

7、o carry on the overall design, and then introduced the system of software process, automatic control system for mine main drainage for the programming design. The application of automatic control system will make the drainage system reliability enhancement, the whole work process through software pr

8、ogramming, the programming is determined, pump unit will be effected according to the given program, according to the discretion of the water level change to control water pump stop, greatly reduce the labor intensity of manual control. This system uses PLC FX2N - 64MR type, combining with the senso

9、r, the control function of the implementation of the complete system design, and this system uses a manageable configuration monitoring system to monitor equipment operation, do have a fault timely detection and treatment as soon as possible. This system uses the water pump "automatic cycle&quo

10、t;, the "backup" duty. Using "Y - delta step-down start" avoid circuit due to start the pump more high load.KEY WORDS: PLC；Drainage system； Auto control目录摘要1ABSTRACT2目录3第一章 前言51.1 井下排水系统存在的问题51.2 矿井生产过程中排水的重要性51.3 我国矿井主排水系统的现状5第二章 矿井自动排水系统的各种参数与检测72.1 水仓液位的检测72.1.1 液位传感器的介绍72.1.2

11、 液位检测装置的选择82.2 水泵压力检测9第三章 排水系统设计103.1 排水方案的确定103.2 管材的选择及排水系统水力计算103.2.1 管材的选择103.2.2 排水系统的水力计算113.3 水泵选型123.3.1 水泵选取原则123.3.2 水泵选型123.4 电气负载计算及启动方案选择133.4.1 电流计算133.4.2 启动方案选择133.5 电气元件选型143.6 主回路设计14第四章 基于PLC的矿井排水系统的总体设计154.1 控制系统的总体结构154.2 基于PLC的矿井主排水控制系统设计154.3 PLC的主要特点164.3.1 PLC的特点164.3.2 PLC的

12、主要功能174.3.3 PLC的基本工作原理194.4 PLC I/0分配表、PLC接线图和PLC程序图204.4.1 PLC接线图204.4.2 PLC I/0分配表214.4.3 PLC程序图224.5 可编程序控制器（PLC）选型设计254.5.1 PLC接线触点的统计254.5.2 机型的选择254.6 基于MCGS的触摸屏设计264.7 PLC程序的调试304.7.1 对信号进行调试304.7.2 对系统进行调试304.7.3 对触摸屏进行调试30第五章 结论31参考文献32致谢33第一章 前言1.1 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

13、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)。根据现场涌水量的不同，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：1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

14、。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。2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。1.2 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1517立方米，甚至超过每秒2

15、022立方米。另外，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26吨的矿井水，有时甚至要排出2030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17%40%，一般为20

16、%左右。因此，井下排水设备运转的可靠性与经济性，具有十分重要的意义。1.3 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

17、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 矿井自动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

18、给集中监控室。2.1 水仓液位的检测2.1.1 液位传感器的介绍1.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2.1所示。图2.1 超声波液位计安装示意图对于单换能器来说

19、，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为：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10-2104m。本设计中的超声波液位计，在测量中脉冲超声波由传感器发出，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（表面贴装器件）技术，提高仪器的可靠性

20、，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、高精度电流输出、RS-485数字通信输出等方式可供选择。设计中选用二线制输出液位计，其参考数据如下：量程：03、9、15、21、25m精度：0.25%盲区：0.20.7m温度：-2560电源：24VDC控制：无输出：420mA 二线制防护等级：IP65显示方式：4 位LCD2.投入式液位传感器投入式液位

21、传感器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。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，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。图2.2 投入式液位传感器3.通过编码器计算水位高度的测量主要是通过编码器来完成，编码器的A、B相可向可编程序控制器的高速计数端发出脉冲，并通过高速计数器获得该脉冲的计数值。当电动机转动时，高速计数器的计数值就会不断累加。通过传动机构的合理设置，每个脉冲对应规定的的水位高度变化，通过编程计算，可

22、以算出实际水位高度的变化。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(水仓)。而第三种是采用计算机与PLC的连接计算功能，通过编码器发射脉冲，在规定的时间内对其进行计算，然后得到水位的变化方式，其原理类似于超声波液位传感器。1.水位监测装置的特点（1）相对于超声波液位检测传感器的特点：超声波在传播过程中，会受到空中粉尘的影响；超声波液位探测仪的量程相对来说比较大；造价成本相对高；不受监测物质的影响。（2）投入式液位传感器的特点：量程比较小；造价相对低廉

23、一些；不瘦空气中粉尘的影响；性能回收监测物质的影响，如液体中有固体等。（3）编码器计算特点：造价高；量程中等；受空气中粉尘的影响；性能不受检测物质的影响。2.水位探测装置的选择煤矿的井下排水系统在煤炭安全生产中占据着重要的地位，而水位检测装置在整个排水系统中是嗅觉器官。一旦水位传感器无法正常工作，那么后面的排水硬件以及响应的软件设施及时再好也无法正常启动。所以，选用合适的水位传感器是相当重要的。在水位监测装置的选择上，至少要选择两个水位传感器来提高水位检测装置的可靠性。相对来说，超声波液位检测装置不适合于狭小的空间内，并且条件不具备时可以全部选择投入式液位传感器来检测水位。但是，一般来说选择超

24、声波液位传感器和投入式液位传感器相结合的方式来监测水位的变化。2.2 水泵压力检测在本系统中使用了BCY_2B系列便携式泵效测试仪。BCY_2B系列泵效测试仪与传统的水泵测试仪器相比更轻捷，操作更简单快捷，运行更可靠，测试更精确，使用更安全。增加水力学法测试功能，配备超声波流计。该系列产品技术独特、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。适用于煤矿，消防泵等泵类的测试。是目前理想的流体压力测量仪表。 图2.3 便携式泵效测试仪外形图第三章 排水系统设计3.1 排水方案的确定煤矿排水系统作为煤炭生产过程中的一个重要环节。因此，排水系统的

25、可靠性高低一定程度上决定了整个煤矿生产过程中工作人员的生命安全。在国家节能减排政策的要求下，还得综合考虑整个煤矿排水系统的经济性、环保性、节能性和实用性。一方面，要求设计施工人员在选择排水器材时要综合考虑购买排水器材的费用、使用过程中的能源消耗费用以及管理和维护器材的成本费用，因此在选择器材时要选用性价较高的排水器材。另一方面必须设置得有备用水泵和备用水管，只有这样，才能保证在工作机组出故障、不能工作甚至在煤矿矿井涌水量超常的情况下能利用备用机组进行排水或检修。其次还要求设计人员在设计过程中选用功率适当的电动机、性能优良的水泵和符合要求的管道。还要按要求降低系统运行过程中的噪音，保证系统机组启

26、停时无有害冲击，管路中阀门的阻尼要小，尽量减少在排水过程中产生的振动。而在实际应用中，单台水泵的工作排水量达不到矿区的要求，以及使用单台水泵的可靠性差等原因，因此，需要利用多台离心泵并联同时运行。水泵在并联运行时，即使使用的是同一厂家同一型号的水泵，也不能完全认为单台泵性能完全相同，实际运行中负荷有变化，且管路中的阻力损失不能忽略，这些影响到水泵的运行特性。所以掌握水泵实际并联运行特性的变化规律，有着十分重要的现实意义。并联运行后每台泵输送的流量减少，扬程却要升高一些，这是因为并联后共用管路流量增大，阻力也相应增大，需要相应提高扬程来克服阻力损失。因此，并联水泵台数过多并不经济。因此，在本毕业

27、设计中，采用三台工作水泵，一台备用、检修水泵，以及其自己的独立的排水水管，简称“三用一备”单泵单管排水系统。设置三台工作水泵和自己独立的排水管路，出水水管直径减小，在煤矿矿井中布置水管容易，同时避免了各水泵在排水过程中的互相干扰，而且水泵排水能力能根据矿井实际情况提高和改变，同时系统的可靠性增加。在现代给水排水工程中采用采用“三用一备”给水排水系统的比较多，技术较成熟。因此本设计采用“三用一备”单泵单管的煤矿排水系统。3.2 管材的选择及排水系统水力计算3.2.1 管材的选择排水水管有两种，分别为工作水管（即工作水泵使用的水管）和备用水管（即工作水泵使用的水管）。因为使用的水泵型号一致，每台水

28、泵的排水流量一致，所以两者管径一致。排水过程中大多数时间使用的是工作水管，只有当其出现堵塞等故障时就得利用备用水泵和备用水管，以保证在检修时不影响排水系统排水能力。如果没有选择合适的管材，根本就难以完成这样的设计。目前我国给水排水管管材琳琅满目，大体上可分为金属管和非金属属管两大类。应用较多的金属管分为钢管和球墨铸铁管。其中钢管有焊接钢管和无缝钢管。焊接钢管又分为螺旋缝焊和直焊钢管，其中直焊钢管较为常见。结合水管管材的优缺点，以及煤矿排水水管对管道承受压力、工艺性、强度和防腐蚀的要求，选用热轧、热镀锌的无缝钢管。3.2.2 排水系统的水力计算假设：流量为120m3/h，扬程为100m。1.管径

29、确定根据流量公式式中 _水泵排水流量； _水管管径； _流体流速。得因为采用三用一备单泵单管排水系统，所以单台工作泵流量 根据建筑给排水手册，取 所以 圆整后取 符合建筑给排水手册中的,，DN80及以上的管径，。2.沿程水头损失计算根据水力学基本原理，管理的沿程水头损失可以按水力坡降进行计算。公式如下： 式中_管道沿程损失； _水泵富余扬程，一般为； _水力坡降，即管道单位长度水头损失（）。值查阅有关手册取 ，因选取的水管为热轧、热镀锌的无缝钢管，根据建筑给排水手册以及拥有的参数，查得，所以 3.3 水泵选型3.3.1 水泵选取原则水泵的选择应该以以下几个为原则：1.使所选泵的型号和性能符合装

30、置所需要的流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求；2.需满足介质特性的要求；3.机械方面可靠性高、噪声低、振动小；4.经济上要综合考虑到设备成本费、维修保养费和管理费用等等，力求使所用的成本最低；5.离心泵具有体积小、重量轻、结构简单、效率高、转速高、流量大、性能平稳、维修方便和容易操作等特点。根据以上的分析阐述，水泵的选择原则就是要满足在最不利工况的条件下水泵同样能够正常工作，并且要考虑各种工作环境下，尽可能节约投资，减少能耗。对水泵台数和型号进行选定，满足对水流量和水压的要求。从经济和管理上对水泵台数和工作方式进行确定，做到投资、维修费最低，正常工作能耗最低。3.3.2 水

31、泵选型本设计中使用了四台水泵。其中有三台作为工作水泵，一台作为备用水泵，但每台水泵都设置了其自己独立的排水管路。为了便于采购及以后系统的管理，选取了相同型号的四台水泵。水泵主要有齿轮泵、叶片泵、离心泵三种类型，这些水泵的原理及优缺点参见液压元件与系统。在选取水泵的时候主要考虑两个参数，即排水流量Q及扬程H。设计依据是，。由于存在沿程损失，局部阻尼损失等，所以水泵的实际流量和扬程要比设计流量和扬程大。水泵在运行时，流量减小系数，这里取，则每台工作水泵的流量。根据上一章节，得。立式水泵虽然节约安装面积，但由于煤矿矿井安装空间有限，吊装困难，所以选择卧式离心水泵。为了自动控制方便，这里将水泵进行以下

32、分组编号，如下表。表3.1 水泵分组首先启动机组联动启动第一台机组联动启动第二台机组备用机组1号泵2号泵3号泵4号泵3.4 电气负载计算及启动方案选择3.4.1 电流计算水泵电机型号为Y200L2-2，已知：转速；额定电压;额定功率；功率因数。根据功率计算公式 得 3.4.2 启动方案选择离心泵所用的电动机的功率为37KW，额定电流约为66A，电机直接启动时，启动电流一般为额定电流的5-7倍，以6倍记，则。启动电流较大，直接启动会对电网造成冲击，可能导致同一电网中其他正在工作的大功率电器因电压供应不足而停机。为了有效地减少启动电流，采用星三角降压启动，此时启动电流为直接启动的，所以降压启动电流

33、。显然，启动电流下降明显，对电网的冲击程度大为减少。减小启动电流，能有效避免对电网的冲击。3.5 电气元件选型1.电线选择电线电缆无论是在输电系统还是在用电系统中都承担着电力的传输与分配，在电力系统里面，电线选择至关重要，它关系到整个系统的用电安全，选择不当会造成绝缘皮的烧损而漏电，甚至造成火灾更严重的事故。在选择电线时，一般应考虑发热，电压损失，经济电流密度，机械强度等选择条件。同时还要考虑导线的工作环境。2.交流接触器交流接触器常用来接通和断开电动机和其他设备的主电路，每小时可以开闭千余次，可以实现远程控制。主要由电磁铁和触点两部分组成，它是利用电磁铁的吸引力而动作的。接触器主要技术参数除

34、额定电流、电压之外还有使用类别、机械寿命、操作寿命和电寿命。CJ10系列交流接触器是一般任务型接触器，主要使用于交流电动机得启停和控制。3.自动空气断路器断路器具有过载、短路和欠电压保护的功能，有油浸式断路器、真空式断路器和空气式断路器三大类，在低压电路中空气式断路器目前是应用最多的。空气式断路器结构型式可分为框架式和塑料式外壳，框架式分断能力较高，常用于主电路或大容量电路中，塑料式结构紧凑，便于独立安装。4.热继电器： 热继电器是用来保护电动机使之免受长期过载的危害，它是利用电流的热效应而工作的。通常用的热继电器有JR20，JR15和引进的JRS等系列。它的主要技术数据是整定电流，整定电流与

35、电动机的额定电流基本上一致。3.6 主回路设计电动机的主电路设计要保证整个排水系统能够正常运行，以保障煤矿的正常生产安全。每台电机设置自己的空气自动短路器。当排水系统发生意外故障时，电路能够自动切断电源，保证排水设备的安全。为了保证在电机长时间过载运行而发生意外，还要设置热继电器等。参照电工手册，画出了图3.1所示电路图：图3.1 水泵电机电气主回路图第四章 基于PLC的矿井排水系统的总体设计4.1 控制系统的总体结构系统采用现场层（远程I0）、控制层（PLC）和管理层（上位机）组成的三级控制系统来实现排水系统的自动控制。上位机利用友好的人机界面来实现人机对话和远程控制系统监控功能，PLC作为

36、控制器完成逻辑处理和快做任务。远程I0实现现场数据的采集和上传，通过专门的控制网络实现数据的交换和统一调度。其中，控制层主要由PLC控制柜构成，是整个排水系统的控制中心，PLC控制柜是由PLC、触摸屏、检测部分（模拟量和开关量监测采集）、执行部分等组成。PLC控制柜中的核心部分是PLC模块，用于完成对于监测量的处理，运算和存储。并根据检测结果进行逻辑处理，控制水泵及附属设备启停。考虑到现场设备比较分散，控制箱采用远程I/0的方式进行数据采集及控制，通过现场总线同CPU模块进行数据交换。系统为了实现对设备的运行状态、控制命令的采集、输出控制指令等功能，为了方便对水泵的自动和手动控制，系统配置了触

37、摸屏，可实现实时动态水泵、水位当前状态的监控，并为用户提供水泵控制的平台。4.2 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，如图：图 4.1 排水系统硬件结构图4.3 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。4.3.1

38、 PLC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

39、干扰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

40、行时间，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，也可用于远距

41、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。 4.3.2 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。控制功能包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等功能。1.运算功能 简单PLC的运算功能包

42、括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。 2.控制功能 控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟

43、量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。 3.通信功能 大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。 PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1:1冗余配置，通信总线

44、应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。 PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络； 1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络； PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。 4.编程功能 离线编程方式：PLC和编程器公用一

45、个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。 五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本

46、语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 5.诊断功能 PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。 PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 6.处理速度 PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越

47、好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。 处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。在本设计中，PLC主要承担简单逻辑运算和计时功能，同时还具备与触摸屏的通讯功能、离线编程功能。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；人机界面

48、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。3.输入/输出接口调理功能具有A/D、D/A转

49、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，以便完成较大规模的复杂控制。5.人机界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必

50、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。4.3.3 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

51、示意图如图4.2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，这是起始操作的主要工作。图4.2 PLC控制程序流程原理图从系统的控制功能上来说，应具备以下四大功能：1.数据自动采集与检测数据自动采集

52、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、水泵压力；数字量检测的数据主要有：泵的工作状态等。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，从而控制排水泵的启停。2.自动轮换工作 本系统程序设计了3台泵自动轮换工作控制，一台备用泵。控制程序将水泵启停。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。当某台泵发生故障时，系统自动发出声光报警，并在触摸屏上动态闪烁显示，同时将故障泵自动退出轮换工作，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。3.动态显示系统通过图

53、形动态显示水泵运行状态。用曲线图以及实时的水位表显示水仓水位的变化，并在启、停水泵的水位段发出预告信号和安全、警戒和紧急水位分段报警，用不同闪烁颜色变化形式提醒工作人员注意。采用图形直观地显示4台泵并在屏幕下端循环显示最新出现的4条故障（故障显示数可在触摸屏上设置），以提醒工作人员及时检修，避免水泵和电机损坏。4.三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

54、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。4.4 PLC I/0分配表、PLC接线图和PLC程序图4.4.1 PLC接线图根据输入输出通道的端子排列，设计PLC接线图如图所示。图4.3 PLC硬件接线图4.4.2 PLC I/0分配表根据设计中的功能要求以及接线图得到I/O分配表，如表4.1所示：表4.1 PLC I/0分配表输入输出手动 / 自动选择开关SAX01号泵正常启动指示HL1Y0水位下限SL1X12号泵正常启动指示HL2Y1水位上限SL2X23号泵正常启动指示HL3Y2水位上上线SL3X34号泵正常启动指示HL4Y31号泵手动启动按钮SB1X10水位下限报警HK5Y41号泵手动停止按钮SB2X11水位上限报警H