许辉矿山机电(对口)一班

1、毕 业 设 计（论文）（说 明 书）题 目：中央泵房自动化控制系统姓 名： 许 辉 学 号： 20112004844 平顶山工业职业技术学院2014 年 5 月 8 日平顶山工业职业技术学院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书姓名 许 辉 专业班级 矿山机电对口 1 班 任 务 下 达 日 期 2014 年 2 月 18 日设计（论文）开始日期 2014 年 2 月 25 日设计（论文）完成日期 2014 年 4 月 30 日设计（论文）题目： 中央泵房自动化控制系统 指 导 教 师 崔 新 跃 院（部） 主 任 郭 宗 跃 2014 年 5 月 8 日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答

2、辩委员会记录 电力工程 学院 矿山机电 专业，学生 许 辉 于2014 年 6 月 10 日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目： 中央泵房自动化控制系统 专题（论文）题目： 中央泵房自动化控制系统 指导老师： 崔 新 跃 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 许辉 毕业设计（论文）成绩为 。答辩委员会 人，出席 人答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， , 。平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第 页共 页学生姓名： 许 辉 专业班级： 矿山机电对口 1 班 年级 11 级 毕

3、业设计（论文）题目： 中央泵房自动化控制系统 评 阅 人： 指导教师： （签字） 2014 年 6 月 12 日成 绩： 系（科）主任： （签字） 2014 年 6 月 12 日毕业设计（论文）及答辩评语： 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书I摘要本设计是根据首山一矿中央泵房的构造进行设计的。随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程逻辑控制器(PLC)控制已逐步取代继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域。本文采用集中控制器对矿井水泵房设备运行实施实时监控，自动、手动控制水泵的启停及闸阀的开、关，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守。本系统采用SIEMENS

4、的 S7-300 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。S7-300 通过 CP340 通讯模块，采用 RS-232C 通信标准与就地 PC 建立联系。控制系统通过以太网接入矿井工业以太网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享，满足矿井自动化控制的要求。阐述了泵房自动化设计的框架及西门子器件在泵房自

5、动化中的应用，根据实际系统详细给出泵房自动化控制中各个环节的原理及实现方法。关键词：PLC、控制系统、自动控制平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书II目录摘要摘要 .I I第一章中央泵的基本情况第一章中央泵的基本情况 .1 1概述： .11.1 离心泵的种类.11.2 离心泵的特点：.21.3 离心泵基本构造.31.4 离心泵的工作原理.4第二章中央水泵房系统的功能和参数的采集第二章中央水泵房系统的功能和参数的采集 .6 62.1 系统功能综述.62.1.1 地面监控机的主要功能.62.1.2 采区控制站完成的功能.62.1.3 自动控制.72.2 系统参数的采集.72.2.1 水位信

6、号.72.2.2 真空状态检测.72.2.3.电量参数的采集 .72.2.4 系统参数的采集.82.2.5 传感器及执行机构安装位置.8第三章中央水泵房控制系统的工作原理第三章中央水泵房控制系统的工作原理 .9 93.1 概述.93.1.1 系统功能和特点.93.1.2 系统组成.103.1.3 工作原理.123.1.4 管理控制软件介绍.133.1.5 现场视频监控.143.1.6 系统主要设备.163.2 系统设备及组成.163.3 水泵管路系统图.183.4 系统工作原理及工作方式.193.5 水泵控制的控制原则.203.5.1 水泵开机顺序.213.5.2 水泵关机顺序.22第四章通讯

7、设置第四章通讯设置 .2323平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书III4.1 工业以太网.234.1.1 工业以太网的简介.234.1.2 以太网应用于工控领域需解决的主要问题.234.1.3 以太网工业应用的解决方式.254.1.4 冗余网络拓扑形式.254.1.5 以太网的功能.264.2 以太网通信设置.274.3 以太网通信程序.28第五章基于第五章基于 PLCPLC 的井下自动排水系统总体设计的井下自动排水系统总体设计 .31315.1 控制系统总体结构.315.2 基于 PLC 的矿井主排水控制系统设计.315.2.1 PLC 的主要特点.325.2.2 PLC 的主要功

8、能.345.2.3 PLC 的基本工作原理 .355.2.4 PLC 地址分配和实现控制功能.385.2.5 S7-300PLC 的基本组成.465.3 西门子 ET200M 与 PROFIBUS-DP 总线.515.3.1 ET200M .515.3.2 PROFIBUS-DP 总线.51总结总结 .5353参考文献参考文献 .5454平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书1第一章中央泵的基本情况概述：首山一矿有两个泵房，一个为中央泵房，另一个为采区泵房。中央泵房由 5 台排水泵组成。在矿井生产过程中，经常有各种来源的水涌入矿井。有地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透，采煤中的井下供

9、水，如果不能及时地将这些积水排到井上，井下的生产可能受到阻碍，井下的安全得不到保障，严重者会造成淹井事故，带来巨大的人身和财产损失。因此，排水设备对保证矿井正常生产起到至关重要的作用。表 1-1 中央泵房设备配置基本情况设备名称基本情况数量说明水泵YB710M2.4，电动机电压 10V、功率 1400KW5电抗器降压启动出水阀门电动/手动两用阀门。电动机功率 1.5KW,电压 660V5管路阀门同出水阀门5高压供电隔爆型，电压 10KV,有综保，具备通讯和四要功能，型号为 SDZB-L5低压供电低压供电为 660V,有综保，具备通讯和四要功能，型号为 ZBK-365抽真空系统采用水射流和空气射

10、流两种模式，可通过 4 组阀门进行切换，阀门非电动，型号为 DN50-1004阀门需改造压力传感器目前的压力传感器为普通仪表10需更换压力变送器液位传感器无液位传感器流量计无流量计温度传感器目前电动机前后轴和定子有 PT,其信号已接入隔爆型温度仪，水泵前后轴无温度仪5需采用具有通讯能力的温度传感器振动传感器无振动传感器目前无防爆产品水仓闸门采用两组电动阀门实现2其他闸门抽空阀门有 10 个需要改造为电动，型号为 DN25-100防水门有两组防水门，均为手动2需改为液压平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书21.1 离心泵的种类1、按工作叶轮数目来分类单级泵：即在泵轴上只有一个叶轮。多级泵

11、.：即在泵轴上有两个或两个以上的叶轮，这时泵的总扬程为 n 个叶轮产生的扬程之和。2、按工作压力来分类低压泵：压力低于 100 米水柱；中压泵：压力在 100650 米水柱之间；高压泵：压力高于 650 米水柱。3、按叶轮进水方式来分类单侧进水式泵：又叫单吸泵，即叶轮上只有一个进水口；双侧进水式泵：又叫双吸泵，即叶轮两侧都有一个进水口。它的流量比单吸式泵大一倍，可以近似看作是二个单吸泵叶轮背靠背地放在了一起。3、按泵壳结合缝形式来分类水平中开式泵：即在通过轴心线的水平面上开有结合缝。垂直结合面泵：即结合面与轴心线相垂直。4、按泵轴位置来分类卧式泵：泵轴位于水平位置。立式泵：泵轴位于垂直位置。5

12、、按叶轮出来的水引向压出室的方式分类蜗壳泵：水从叶轮出来后，直接进入具有螺旋线形状的泵壳。导叶泵：水从叶轮出来后，进入它外面设置的导叶，之后进入下一级或流入出口管。平时我们说某台水泵属于多级泵，是指叶轮多少来讲的。根据其它结构特征，它又有可能是卧式泵、垂直结合面泵、导叶式泵、高压泵、单面进水式泵等。所以依据不同，叫法就不一样。另外，根据用途也可进行分类，如油泵、水泵、凝结水泵、排灰泵、循环水泵等平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书31.2 离心泵的特点：1、按吸入方式单吸泵液体从一侧流入叶轮，存在轴向力2、双吸泵液体从两侧流入叶轮，不存在轴向力，泵的流量几乎比单吸泵增加一倍3、按级数单

13、级泵泵轴上只有一个叶轮4、多级泵同一根泵轴上装两个或多个叶轮，液体依次流过每级叶轮，级数越多，扬程越高5、按泵轴方位卧式泵轴水平放置，立式泵轴垂直于水平面6、按壳体型式分段式泵壳体，按与轴垂直的平面部分，节段与节段之间用长螺栓连接中开式泵壳体在通过轴心线的平面上剖分7、蜗壳泵装有螺旋形压水室的离心泵，如常用的端吸式悬臂离心泵8、透平式泵装有导叶式压水室的离心泵9、管道泵泵作为管路一部分，安装时无需改变管路10、潜水泵泵和电动机制成一体浸入水中11、液下泵泵体浸入液体中12、屏蔽泵叶轮与电动机转子联为一体，并在同一个密封壳体内，不需采用密封结构，属于无泄漏泵13、磁力泵除进、出口外，泵体全封闭，

14、泵与电动机的联结采用磁钢互吸而驱动14、自吸式泵泵启动时无需灌液15、高速泵由增速箱使泵轴转速增加，一般转速可达 10000r/min 以上，也可称部分流泵或切线增压泵16、立式筒型泵进出口接管在上部同一高度上，有内、外两层壳体，内壳体由转子、导叶等组成，外壳体为进口导流通道，液体从下部吸入。1.3 离心泵基本构造上诚离心泵的基本构造是由六部分组成的，分别是：叶轮，泵体，泵轴，轴承，密封环，填料函。1、叶轮是离心泵的核心部分，它转速高输出力大，叶轮上的叶片又起到主要作用，平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书4叶轮在装配前要通过静平衡实验。叶轮上的内外表面要求光滑，以减少水流的摩擦损失。

15、2、泵体也称泵壳，它是水泵的主体。起到支撑固定作用，并与安装轴承的托架相连接。3、泵轴的作用是借联轴器和电动机相连接，将电动机的转距传给叶轮，所以它是传递机械能的主要部件。4、轴承是套在泵轴上支撑泵轴的构件，有滚动轴承和滑动轴承两种。滚动轴承使用牛油作为润滑剂加油要适当一般为 2/33/4 的体积太多会发热，太少又有响声并发热！滑动轴承离心泵结构使用的是透明油作润滑剂的,加油到油位线。太多油要沿泵轴渗出并且漂，太少轴承又要过热烧坏造成事故！在水泵运行过程中轴承的温度最高在85 度一般运行在 60 度左右，如果高了就要查找原因（是否有杂质，油质是否发黑，是否进水）并及时处理！5、密封环又称减漏环

16、。叶轮进口与泵壳间的间隙过大会造成泵内高压区的水经此间隙流向低压区，影响泵的出水量，效率降低！间隙过小会造成叶轮与泵壳摩擦产生磨损。为了增加回流阻力减少内漏，延缓叶轮和泵壳的所使用寿命，在泵壳内缘和叶轮外援结合处装有密封环，密封的间隙保持在 0.251.10mm 之间为宜。6、填料函主要由填料，水封环，填料筒，填料压盖，水封管组成。填料函的作用主要是为了封闭泵壳与泵轴之间的空隙，不让泵内的水流不流到外面来也不让外面的空气进入到泵内。始终保持水泵内的真空！当泵轴与填料摩擦产生热量就要靠水封管住水到水封圈内使填料冷却！保持水泵的正常运行。所以在水泵的运行巡回检查过程中对填料函的检查是特别要注意！在

17、运行 600 个小时左右就要对填料进行更换。1.4 离心泵的工作原理叶轮安装在泵壳 2 内，并紧固在泵轴 3 上，泵轴由电机直接带动。泵壳中央有一液体吸入 4 与吸入管 5 连接。液体经底阀 6 和吸入管进入泵内。泵壳上的液体排出口8 与排出管 9 连接。在离心泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，启动后，叶平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书5轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场

18、所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。泵的结构图如下：图 1-2 离心泵结构图平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书6第二章中央水泵房系统的功能和参数的采集2.1 系统功能综述2.1.1 地面监控机的主要功能1、实时与采区 PLC 数据通信，采集现场的检测参数。2、实时记录、显示现场运行数据。3、在远程控制允许的方式下，实现对各水泵的启停运行控制。4、实时监测采区开关的闭合状态。5、具有采区水泵的工艺画面的动态模拟。6、具有操作人员的登录管理功能，有

19、效防止非法操作、误操作。7、对井下设备的启停控制实时记录，便于对设备的操作查询管理。8、可以查询设备实时运行数据及历史运行数据。9、具有实时动作状态变化报警提示。2.1.2 采区控制站完成的功能1、对井下泵房的排水泵、抽真空系统和电动阀门的自动监控。2、实时采集水泵的出水口压力，并根据此值作为保护电机的一项参数。3、实时采集水泵进水口的真空度，在启动电机时作为启动的依据。4、实时采集水泵电机温度，作为电机是否运行正常的依据。5、实时采集开关的电压、电流运行参数以及故障保护信号。6、实时采集两水仓水位，在自动运行方式时，根据水仓水位的液位控制电机的自动运行。7、实时采集出水母管的管网压力和出水总

20、流量。8、通过就地控制箱，就地控制系统运行。9、就地控制箱安装工业以太网模块通过矿井千兆工业以太网将运行数据传到地面监控机。平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书72.1.3 自动控制水泵内部只有达到一定的真空度，使其叶轮完全淹没于水中，才能实现正常的排水。若真空度不够，泵内有空气存在，将会造成不上水和转动部件烧坏等故障。系统一般采用真空泵抽真空，由真空表监测真空度，正常运行情况下，有出口压力、流量和真空度三个参数判断水泵运行是否正常。2.2 系统参数的采集2.2.1 水位信号水池水位信号是系统工作的主要控制信号，PLC 要根据水位变化情况来控制水泵的运行情况，并在触摸屏上进行动态显示，

21、能够直观地观察到水位的高低情况，便于管理人员及时了解水位情况，当高水位时发出声光报警信号。为保证水池水位信号的准确采集，系统配置了两套水位检测方式：一种就是正常运行时采用的模拟量输出的投入式液位传感器，另一种就是备用的开关量输出的浮球式液位传感器。两种水位检测方式可以人为地进行切换。2.2.2 真空状态检测根据水泵工作要求，要控制水泵启动必须是在真空度达到设定值时才允许启动，所以启动过程中，对真空度的检测要适时、准确，并可以动态显示。根据以往的工程实践证明，真空状态的检测是水泵控制系统的重点，为保证准确地检测，除在每台水泵吸水口上安装真空度传感器以外，还要在真空泵的出水口安装流量开关，通过检测

22、真空泵出水口是否有水流对真空度进行确认。2.2.3.电量参数的采集通过对每台水泵电机的三相电压、三相电流信号的采集，能够准确地判断系统运行的状态，特别是决大多数故障在早期均体现在电机电流的变化上。所以通过准确地检测电机的工作状态，可以及时地甚至提前对故障进行预警。以便于维护人员提前发现故障。平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书82.2.4 系统参数的采集系统参数包括两个主排水管的累积流量及瞬时流量、每台泵的运行时间、各种阀门的状态等。这些参数不仅是水泵启、停的必要依据，同时也是对系统进行统计、查询的重要依据。2.2.5 传感器及执行机构安装位置在每个水泵出水管路安装压力传感器。每台水泵

23、安装一个贴片式磁钢温度传感器，检测水泵回水温度。每个水泵配套的排真空装置的阀门应安装自动、手动电动球阀。在水泵的吸水管安装一个真空度传感器。在集水井安装一个投入式液位传感器，作为控制水泵启动的主要数据闸阀配置为即可电动又可手动电动闸门。在水仓安装浮球式液位开关，作为系统的备用控制数据。在两个总出水管分别安装压力传感器及流量计平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书9第三章中央水泵房控制系统的工作原理3.1 概述煤矿水泵自动控制系统是根据煤矿矿井的实际情况，在原来的设施基础上进行自动化改造，以使设备在无人干涉的情况下自动运行和自我诊断的一套系统。通过工业计算机的决策控制，对设备的运行状态、运

24、行过程进行自动检测、自动控制，使设备达到最佳工作状态，从而达到有效地节约能源、降低劳动强度、降低运行成本和延长设备使用寿命等目的。系统综合了工业控制技术和现代软件技术，保证了系统的稳定性和可靠性，并可与全煤矿自动化系统进行联网，作为全煤矿自动化系统的一个子系统。3.1.1 系统功能和特点1、无需人为干预，由工业计算机控制，根据水位自动启、停水泵，自动实现水泵的轮换工作，做出合理调度；2、系统具有过载、欠压、泄漏、超温、轴温等保护功能，当出现以上状况或电机出现故障，系统自动停止该水泵的工作，同时启用备用水泵；3、现场控制中心将采集的数据和调度策略传至地面指挥中心，使地面指挥中心同步显示水泵运行工

25、况，地面指挥中心可以发出指令给现场控制中心，实现远端指挥；4、通过摄像机将水泵工况画面传输到现场控制中心和地面指挥中心，使现场控制中心和地面指挥中心能够直观的看到水泵现场的具体情况；5、本系统保留了设备原先手动控制方式，手动控制具有优先控制权，保证了即使系统出现故障，也可以在手动控制下实现水泵的正常工作；6、系统的实时性好，对各设备的运行工况能够实时监测、实时控制；7、可以随时查询、打印实时趋势及任意时间段的历史趋势；8、人机界面显示的内容丰富、形象、直观，操作简单、易懂；平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书109、软件中嵌入了大量的控制策略，可以根据实际情况做出不同的决策，大大提高系

26、统的自动化程度和智能程度；10、根据不同时期的具体情况，可以对软件的运行参数进行调整，以适应复杂的情况，提高了系统的适应性；11、系统能够进行远距离监控，并可无限扩展；12、软件对操作权限进行了划分，不同的值班人员具有不同的操作权限，并能够对值班人员进行考勤。3.1.2 系统组成整个系统由数据采集与检测、现场监测与控制、远端监控指挥三部分组成。1、数据采集与检测。数据采集由 DCS 模块完成，模块检测传感器状态，并将数据通过通讯模块传送至控制计算机。主要采集的模拟量数据有：水位、主电机电流、水泵轴温、电机绕组温度、电机轴温、排水管流量、真空度等；数字量数据有：启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触

27、器状态、真空泵工作状态、电动阀门状态、水泵出水口压力等。2、现场监测与控制。现场监测与控制部分由控制计算机、管理控制软件、手动集中操作面板组成。控制计算机和管理控制软件组成自动监控系统，负责将模块传输来的数据整理分析，根据控制策略做出决策，并将数据记录存储。手动集中操作面板与自动监控系统平行实现控制功能，直接操作启动柜。3、由计算机、管理软件、网络传输部分组成，通过计算机网络，同步显示现场工况。远端监控具有开放的接口，可以扩展功能或接入其他系统。图 3-1 系统组成示意平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书11图 3-1 系统组成图平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书123.1.

28、3 工作原理当小井水位上升时，水位传感器将信号传至 DCS 柜，由模块将信号转变为计算机可识别的数字信号后，送至控制计算机。控制计算机对水位做出判断，超过规定水位，先后发出打开真空泵阀门指令和打开真空泵指令至 DCS 柜，由 DCS 柜操纵水泵启动柜先打开真空泵阀门后打开真空泵。同时真空传感器将真空度通过 DCS 柜传至计算机，计算机判断真空度达到一定程度后，顺序发出关闭真空泵阀门、关闭真空泵、启动主电机指令，DCS 柜收到上述指令后操纵启动柜完成相应动作。类似的，压力传感器或转速互感器将数据经 DCS 柜传到控制计算机，计算机根据预设条件打开排水电动阀门。以上流程完成一台水泵的启动过程。同时

29、控制计算机不停的检测水位信号，如果水位上升较快或水位达到另一规定的数值时，启动另一台水泵，直到水位符合预设的要求。在启用水泵时选择空闲时间最长的一组，实现水泵的合理调度。在泵的运转过程中，电流互感器、温度传感器等设备将数据经 DCS 柜转换传至控制计算机，从而对水泵的运行工况进行监控。如果发现水泵运转异常（水泵轴承、电机轴承、定子温度超过设定温度、管路出现漏水、过载等等） ，控制计算机发出一系列指令经 DCS 柜停止水泵运转，同时启动备用水泵。在此过程中，计算机通过流量计、电流互感器等设备将流量、电流、扬程等数据发出，计算机记录下这些数据，供以后查询，并计算有效功率。当小井水位降低到规定位置时

30、，水位传感器将数据传至 DCS 柜，DCS 柜转换数据后传至控制计算机，控制计算机收到数据后做出判断。控制计算机首先发出水泵出口的电动阀门的指令，同时检测流量，当流量接近为零时，控制计算机再发出关闭主电机的指令从而关闭主电机，完成关闭过程。上述由控制计算机采集到的数据，通过光纤传至远端地面控制计算机上，远端计算机同步显示水泵的运行工况。需要远端控制中心控制时，远端计算机将指令通过光纤发送到现场计算机，由现场计算机控制相应的设备完成预定动作。因此现场计算机比远端计算机有更高的控制权。设备发生故障时可以在现场控制中心的控制面板上直接手动操纵水泵的启停。平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书1

31、3图 3-2 工作流程示意图 3-2 工作流程示意3.1.4 管理控制软件介绍1、软件运行环境：基于 PC 的工业控制计算机，奔腾 133MHz 以上 CPU、128MB以上内存，MicrosoftWindows2000 及以上版本操作系统。平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书14图 3-3 视频监控2、软件主界面：从软件界面上显示的内容丰富，可以直观的看到各个水泵的运行工况，水位的高低，观察到近期内水位走势，通过水位的曲线图能够提前分析出水位变化，起到预警的作用。3、软件用 VisualC+开发，快速、稳定，控制功能强；软件根据不同的环境和实际情况，采用不同的控制策略，具有无可比拟的

32、灵活和智能优势。3.1.5 现场视频监控本系统除通过数据监控设备运行情况外，还可通过视频摄像机实时观察到现场画面，两方面结合可取得如同工作人员亲临现场操作一样的效果。视频监控界面：数字监控系统(JDVR)可集音视频数据实时采集与压缩、联动报警、辅助设备控制、网络远程控制等于一体，数据压缩采用 H.264 算法，声音与画质非常清晰、可将现场情况录制在硬盘中，以便于在需要的情况下回查。平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书15视频监控部分的主要特点.稳定性高：系统各功能模块互不干扰，协同工作，即便在突然断电的情况下亦也不会造成原有数据丢失，重新启动后会按照原配置信息继续运行。图像画质清晰：可

33、采用 Half-D1 格式进行压缩存储，使得不论本地还是远程均可以得到清晰的画质。运行速度快：独特的线程处理技术使得系统在具有了高稳定性的同时仍然保证了系统的流畅运行，相比同类产品，本系统可运行于更低配置。支持移动侦测、支持预置点设置和联动报警， （如瓦斯探测器） 。支持 16 路报警输入和输出，无需报警主机，报警输出支持声卡报警和 PC 喇叭报警。支持 16 路视频实时预览与压缩，支持 16 路音频输入。音视频实时压缩和复合通过硬件完成，不占用 CPU 资源。支持远程网络传输与控制。全中文图形界面，操作直观，设置方便。灵活的画面分割设置，支持 11 种画面分割模式，支持视频画面的随意组合。支

34、持所有状态的自动记忆功能。主要技术指标系统支持 16 路视频输入、16 路音频输入、16 路报警输入、16 路报警输出。视频压缩比特率、图像压缩质量灵活可调，录像文件每小时 40-160M。支持独立的音频监听功能，监听、录音效果佳。支持移动侦测功能，每通道可独立设置 8 个侦测区域。支持无视频信号侦测与报警。支持预览抓图与回放抓图功能。录像回放支持单画面、四画面同时回放，录像文件可自动删除也支持日志记录的查询、打印，支持系统信息查看。支持用户管理与锁定功能。平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书163.1.6 系统主要设备按照一个泵组列出主要部分如下：温度传感器水位传感器（液位计）流量计

35、真空传感器压力传感器电流互感器摄像机数据采集模块系统（包括模拟量采集模块、数字量采集模块、控制模块）RS-485/RS-232 转换模块工业控制计算机视频监控主机（可选）UPS电磁继电器控制面板线缆光缆光纤收发器交换机24 伏电源打印机操作台3.2 系统设备及组成平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书17水泵房监控装置包括 PLC 柜、就地控制箱和外围传感器以及上位计算机等，系统组成示意图如 3-1。远程控制计算机控制计算机通信模块模拟量采集模块控制模块控制柜柜真空泵阀门真空泵水泵防爆电动阀门水位信号电机定子、电机轴承、水泵轴承温度流量真空度传感器压力传感器图 3-1 水泵房监控装置示意

36、图控制柜（PLC 柜）主要由可编程控制器、信号变送器、中间继电器等组成，主要完成对信号的接受、变换、放大，并由 PLC 运算、判断发出各种控制信号，监控水泵的运行工况，实现水泵房的无人值守。PLC 的输出信号应用中间继电器隔离，实现对变频器的控制。PLC 的 I/O 接口应有不少于 20%的备用量。PLC 柜为矿用隔爆型，PLC 选用西门子公司 S7200 系列。PLC 柜电源箱和小功率多回路组合开关输入电源AC127V、50HZ，内置控制变压器和 UPS（考虑为 PLC 和传感器提供后备电源） 。PLC柜通过以太网模块（光口）接入工业以太干网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享。集

37、中控制柜为隔爆兼本质安全型，显示屏（嵌装） 、指示灯、按钮、转换开关、继平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书18电器、电源开关、蜂鸣器等都安装在集中控制台内。按钮、指示灯、转换开关、继电器等采用品牌优质电器元件6。集中操作用于完成整套系统的控制与监视。投标方应根据技术规格书的系统功能特性要求对集中控制台布置做详细设计。现场设备及传感器包括就地控制箱、传感器和电磁阀等组成。就地控制箱：就地控制箱主要由按钮、指示灯等组成，每个就地箱备有急停按钮与相关按钮等。传感器包括超声水位计、管路静压传感器、电机温度传感器等，所检测的参数主要有：水仓水位、水泵进水管真空度、水泵出水口压力、水泵轴温、电机

38、温度及设备工作状态等。在水泵与电机联接处增加 KR-939SB2 型一体化温度、振动传感器,内部分别集成振动、温度探测.对水泵的运行状态进行实时监测。上位计算机通过工业以太网与PLC 柜里面的触摸屏进行通讯，对水泵系统的信息和 数据进行采集，计算机安装了MCGS 组态软件，通过组态软件将采集到的数据显示出来。3.3 水泵管路系统图止回阀(ZH)又称单向阀或逆止阀，其作用是防止管路中的介质倒流。采用微阻缓闭式止回阀。防爆电动闸阀(DZ)使用电能作为动力来接通电动执行机构驱动阀门，实现阀门的开关、调节动作。用于液体、气体和风系统管道介质流量的模拟量调节，是AI控制。采用 AC660V 电动闸阀或电

39、液控闸阀。排真空阀(QF)：采用本质安全型电动球阀，工作电压 DC24V，可手、电动。由电动执行机构和 球阀共同构成电动球阀，是工业自动化 过程控制的一种管道 压力元件，通常用于管道介质的远程开、关（接通、切断介质）控制。电动球阀它具有旋转 90 度的动作，旋塞体为球体，有圆形通孔或通道通过其轴线。球阀在管路中主要用来做电动球阀切断、分配和改变介质的流动方向，它只需要用旋转90 度的操作和很小的转动力矩就能关闭严密。球阀最适宜做开关、切断阀使用，但近来的发展已将球阀设计成使它具有节流和控制流量之用，如V 型球阀。压力表(P)以弹性元件为敏感元件，测量并指示高于环境压力的仪表。采用抗振式压力表与

40、压力传感器配接。负压表(Z)采用抗振式真空表与真空度传感器配接。平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书19流量计(Q)指示被测流量和(或)在选定的时间间隔内流体总量的仪表。采用隔爆兼本质安全型超声流流量计。手动闸阀(SF)手动闸阀的启闭件是闸板，闸板的运动方向与流体方向相垂直，闸阀只能作全开和全关 ，不能作调节和节流。采用 DN250、DN200（PN1.6）手动闸阀。水泵管路系统图如下图所示。该图是用 CAXA 软件画出来的。1#仓 仓ZHQQPPW D ZD ZPS FSFQ FQ FS FQ FYZK仓 仓ZHW D ZD ZPS FQ FYZK2#仓 仓ZHW D ZDZPS F

41、Q FYZKZHW D ZDZPS FQ FYZKW DZS FQFZK3#仓 仓4#仓 仓仓 仓 仓 1仓 仓 仓 23-2 水泵管路系统图3.4 系统工作原理及工作方式泵房水泵启动开关的电量参数由 PLC 配以各种开关量、模拟量的输入输出模块以及以太网通讯模块共同完成。PLC 自动巡检，通过扩展工业以太网模块及井下以太网交换机及光纤收发器传给地面调度中心。全自动运行时，系统的井下下位机 PLC 实时采集水仓水位和浮球状态，并根据水仓水位情况和浮球的状态，按照各台水泵的运行时间长短启动相应水泵的运行或停机。不需要人工参与。下位机在正常运行过程中，可以脱离上位机的通讯仍能正常运行。就地手动工作

42、方式时，根据水仓水位或浮球状态，就地通过现场手动控制柜手动控制水泵的启停。远程手动工作时,由授权值班工作人员通过上位计算机控制水泵的启动和停止；系平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书20统在正常运行过程中，不论何种工作方式，均可实时将现场的各种参数、设备状态通过工业以太网传到地面调度室。3.5 水泵控制的控制原则水泵开启时，首先检测水仓水位。当水位超过低水位（满足开泵条件） ，开启一台水泵，当系统第一次运行，开启一号泵。当开启一台水泵运行一段时间后，发现水位仍然上涨，则顺序开启下一序号的水泵。当水位下降到低水位限以下时，则停止一台水泵。对于具备开启条件的水泵，在开启前首先启动真空系统，

43、检测真空度，真空度达到后即可开启。当水位超过警戒水位时(出现涌流)，水泵全部开启。当水泵出现故障时，及时停泵，检修。该无人值守系统以水仓水位作为水泵的起停的基本条件，在此条件满足的前提下，然后再根据均匀磨损的原则、电价避峰填谷的原则实现水泵的起停。该原理为：首先设定四个水位限值：H1、H2、H3、H4。当水位达到报警水位时，可以开启两台水泵；当水位继续上升至超限水位时，则表明一台水泵的排水量已不足以排除矿井出水，以矿井的最大排水能力来排除矿井涌水，启动所有水泵。不论投入几台水泵，水位必须下降到低限水位方可停泵。即当PLC 读取的水仓水位值为 H4 时，表示水仓水位低于低限水位，水泵机组将不投入

44、运行；水位值H3，一台水泵机组投入运行，则等待水位上涨到 H2 时再投入一台水泵机组运行。当一台机组处于运行状态时水位仍然上涨到 H1，则陆续投入所有水泵。机组运行至水位下降到 H4 时，水泵机组退出运行。程序流程图如下图：水泵。机组运行至水位下降到 H4 时，水泵机组退出运行。程序流程图如下图：平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书21NNNYYYY开始HH3投入一台水泵HH2投入两台水泵HH1全部投入HH4水泵全停图 3-3 程序流程图3.5.1 水泵开机顺序每个水泵在确定需要打开后，首先启动真空泵，自动抽真空；通过真空表判断真空度是否达到开启水泵的标准；如果达到要求，则抽真空完毕，

45、开启水泵；打开排水管路上电动阀门；关闭真空泵运行；水泵自动开机完毕。平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书22YNYN压力达到要求？启动抽真空真空度达到要求？启动水泵开电动闸阀停止抽真空开启水泵图 3-4 水泵起动流程图3.5.2 水泵关机顺序每个水泵在确定关闭之后，首先关闭出水电动阀门；判断闸阀是否关到位；停止排水泵运行。YNYN关电动闸阀水位低于下限闸阀关到位？关闭水泵图 3-5 水泵停机流程图平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书23第四章通讯设置4.1 工业以太网4.1.1 工业以太网的简介工业以太网符合 IEEE802.3（以太网）国际标准的局域和单元网络，设计用于现场级

46、的工业环境，可以实现自动化部件之间的连接，以及自动化部件与 PC 机/工作站之间的连接，并可连接无线通信部件。PROFINET 是一种基于工业以太网的开放式标准，支持从公司管理层到现场层之间设备的连接。工业以太网可实现范围广泛的开放式网络解决方案，是已被证实并被世界各地所接受的工业标准。工业以太网是世界范围内局域网应用中的领先网络，其市场占有率超过 80%，并在不断增长。工业以太网具有以下优点：连接简捷，调试快速；灵活性高，可扩展现有的设备而不影响其运行；是公司范围内实现联网的基础（纵向集成） ；是因特网服务的基础；采用冗余网络拓扑结构，具有高可用性；通过交换机技术其性能可伸缩，通信性能几乎无

47、限制；用于不同应用领域的联网，例如办公环境与生产环境；利用SCALANCEW，通过与 WAN（广域网）或 IWLAN（工业无线局域网）连接，实现公司范围内的通信；利用 SCALANCEW，实现 WLAN 或 IWLAN 与移动站无故障连接。持续的兼容性开发，投资安全；采用简单、有效的信令概念，持续监控网络部件。在工业以太网中，可实现工厂范围内的时间同步。这样，在订购整个工厂的备件时，就可以做到有的放矢。通过西门子 SCALANCES 所实现的安全功能，能够保护网络与数据。4.1.2 以太网应用于工控领域需解决的主要问题近 10 年来，随着互联网技术飞速发展，以太网成为商业通讯中的主导网络技术，

48、以太网的通讯速率要比目前任何工业现场总线高很多，因它是 IT 界标准网络技术，成千上万的公司参与开发生产有关产品，使其成本低廉，可选择范围十分广阔。因此，人们期望以太网也能应用到工控领域，凭着它的低成本、极高的通信速率、全球普及平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书24的标准，逐渐取代现有工控行业中繁多的总线系统，用以太网来实现从管理层到工业现场层的贯穿一致性通信。但由于以太网是以办公自动化为目标设计的，并不完全符合工业环境和标准的要求，将传统的以太网用于工控领域还需要解决确定性、实时性、可靠性等问题，使其符合工业环境的特殊需求7。1、确定性由于以太网采用的协议是 CSMA/CD，在以太

49、网中所有的站点均采用相同的物理介质相连，这就意味着两条设备同时发送数据时，就会出现数据间的互相冲突。为了解决这个问题，以太网规定，在一个站点访问网络前，必须先监听网络上有没有其他站点在同时使用，只有检测到网络空闲时，才能发送数据。在基于竞争的以太网中，只要网络空闲，任何一个工作站均可发送数据，当两个工作站发现网络空闲，同时发送数据时，就发生了冲突。特别是在网络负荷过大时，更易发生冲突。对于一个工业网络，特别是对一些过程控制如运动控制和一些高精确度闭环控制的网络，对世界精确度有很高的要求，即要求同样过程每次完成或相应时间上的偏差很小。如果存在大量的冲突，网间通信的不确定性将大大增加。在工控网络中

50、这种从一处到另一处的不确定性，必然会带来系统控制性能的降低。2、实时性在工业控制系统中，实时可定义为系统对某事件响应时间的可预测性。一个事件发生后，系统须在一个可准确预见的时间范围内做出反应。工业上对数据传递的实时性要求十分严格，往往要求在数 10s 内完成数据的更新，在高动态传动控制中系统反应时间更需达到微妙级。可是由于以太网采用的是 CSMA/CD 协议，当发生冲突的时候，就得重发数据，有时甚至需多次重发（最多可达 16 次） ，很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一旦出现掉线，哪怕是仅仅几秒钟的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备、人身安全事故。3、可靠性由于以太网在

51、设计之初，并不是从工业网应用出发的。当它应用到工业现场，面对相对恶劣的工作环境，必然会引起其可靠性降低。由于工业环境对 EMI（工业抗干扰）和 ESD（工业抗震）的不同要求，对 EMC（电磁兼容性）也提出更高的要求。在生产环境中工业网络必须具备较好的可靠平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书25性，可恢复性，以及可维护性。即保证一个网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序、操作系统，甚至网络系统的崩溃和瘫痪。4.1.3 以太网工业应用的解决方式针对以上这些以太网工业应用的缺陷和工业领域对工业网络的特殊要求，除了选用能在恶劣的工业环境中可靠工作的工业级以太网设备外，目前已采用多种方法

52、来改善以太网的性能和品质，以满足工业领域的要求。1、采用高速以太网以降低冲突概率显而易见，如果网络中没有太多的数据，冲突概率就会大大降低。有资料显示当一个网络的负荷低于 36%时，基本上不会发生冲突；在负荷为 10%以下时，10Mb/s 以太网冲突概率为每 5 年一次、100Mb/s 以太网冲突概率为每 15 年一次。但超过 36%后随着负荷的增加发生冲突的概率是以几何级数的速度增加的。显然提高以太网的通信速度，就可以有效降低网络的负荷率，从而降低冲突概率。幸运的是现在以太网已经出现高速以太网，再加上细致全面的设计及系统中的网络结点的数量和通信流量进行控制，完全可以采用以太网作为工业网络。但这

53、种方法不能充分利用带宽，易造成浪费，且不能百分之百地保证冲突不发生。2、采用交换技术以避免数据冲突为了改善以太网重负荷时的网络拥塞问题，可以使用以太网交换机（switch）将可能发生冲突的网络用网络交换机隔开，以减少 CSMA/CD 机制带来的冲突问题和错误传输。这样可以尽量避免冲突的发生，提供系统的确定性。在交换型工业以太网中，利用以太网交换机将一个共享型以太网分割成若干网段，工作在每一网段的主机对介质的争用仍采用 CSMA/CD 的竞争机制，而连接个网段的交换机则采用路由机制。在以太网引入交换机后不仅可以扩展网络的有效带宽，还能有效扩展网络的范围。但这种方法成本较高，且数据通信被网络交换机

54、的分配和缓冲过程所带来的延迟时间所影响，传输时间受制于网络交换机的配置而会有一些偏差。平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书264.1.4 冗余网络拓扑形式在实际应用中，工业以太网主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则采用屏蔽双绞线，对重要的网段则可以采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。常见的冗余网络拓扑形式有以太网快速生产树冗余（RSTP） 、环网冗余（RapidRingTM）和主干冗余（TrunkingTM）等8。1、STP 及 RSTPSTP(SpanningTreeProtocol)，生成树算法，IEEE802.1D，是一个链路层协议，提供路径冗余和阻止网络循环发

55、生。它强令设备用数据路径为阻塞状态。如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置并链路重构。网络中断恢复时间为3060s 之间。RSTP（快速生成树算法，IEEE802.1W）作为 STP 的升级，将网络中断恢复时间，缩短到 12s。生成树算法网络结构灵活，但也存在恢复速度慢的缺点。2、RapidRingTM为了能满足工控网络实时性强的特点，RapidRing 孕育而生。这是在以太网网络中使用环网提供高速冗余的一种技术。这个技术可以使网络在中断后 300ms 之内自行恢复。并可以通过交换机的出错继电连接、状态显示灯和 SNMP 设置等方法来提醒用户出现的断网现象，并帮助诊断环网断开

56、的地方。与总线型网络相比冗余环网进一步增加了数据交换的可靠性。RapidRingTM 也支持两个连接在一起的环网，使网络拓扑更为灵活多样。两个环通过双通道连接，以避免单根线缆出错带来的问题。3、TrunkingTM将不同交换机的多个端口设置为 Trunking 主干端口，并建立连接，则这些交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。不但成倍地提高了骨干链接的网络带宽，增强了网络吞吐量，而且还提供了另外一个功能，即冗余功能。如果网络中的骨干链接产生断线等问题，那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递，保证网络的通信正常。Trunking 主干网络采用总线型和星型网络结构，理论通信距离可以无限延长。该技

57、术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法，所以使网络中断恢复时间达到了新的高度，一般恢复时间再 10ms 以下。平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书274.1.5 以太网的功能监控网络结构选用 100Mb/s 光纤以太环网，泵闸内监控、通信计算机设备以及各现场控制 PLC 均通过工业级网络交换机挂接在以太网上，PLC 通过现场总线同高低柜内机现场各种微机型保护测控装置、自动化设备进行数据通信。把现场设备的运行参数、状态等由 S7-300 控制主站通过以太网通讯传至上位机上监控软件平台上，以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度、

58、轴承温度、排水压力、排水管流量等参数。4.2 以太网通信设置如果要将 S7200PLC 与以太网网络连接，则必须在 STEP7-Micro/WIN 软件中配置CP243-1 以太网模块，通过下图一步步配置。图 4-1 以太网向导CP243-1 以太网模块通过 RJ45 以太网电缆与 S7200 连接，通过以太网 LAN 与 PC机连接，如下图所示：平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书28图 4-2CP243-1 模块连接应用4.3 以太网通信程序在 STEP7-Micro/WIN 软件中设置完以太网向导后，则需要编写以太网通信程序，先进行以太网初始化和控制，然后是以太网数据交换，下面通

59、过两种语言来编写程序，其原理是相同的。梯形图更直接的展示出来，如下图所示：图 4-3 以太网初始化和控制平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书29图 4-4 以太网数据交换STL 语言：以太网初始化和控制LDSM0.0CALLETH2_CTRL:SBR7,V2000.0,VW2002,VW2004以太网数据交换LDSM0.5=L60.0LDSM0.5EU=L63.7LDL60.0CALLETH2_XFR:SBR8,L63.7,Connection2_0:VB460,PeerMessage20_1:VB461,V2000.1,V2000.2,VB2005四、MCGS 与 PLC 之间的连接

60、MCGS 通过上位机中的串行口设备和 PLC 上的通讯单元（编程口）建立串行通讯连接，从而达到操作 PLC 设备的目的。PLC 的默认设置是只支持 RS232 通信，所以要使用 RS485 通信协议，必须事先用 RS232（即 PLC 的编程口）通信，设置寄存器PLCD8120 寄存器9。此次 MCGS 通过监控计算机的 RS-232 串行口读取 PLC 存储区的数据，与 PLC 建立连接。MCGS 的结构形式使其成为一个“与设备无关”的系统，对于不同的硬件设备，只需定制相应的设备构件，放置到设备窗口中，并设置相关的属平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书30性，系统就可对这一设备进行操