矿井泵房自动化设计

1、XXXXXXXXXXXX 学院毕业实践任务书题 目：矿井泵房自动化设计姓 名：XX班 级：XXXX指导老师：XXXX完成日期：XX.XX.XXXXXXXXX 学院制年 月XXXXXXXXX 学院毕业实践任务书成绩及评语表 摘 要文章进行了排水设备的选型设计，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S7-300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

2、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。关键词：PLC 、排水系统、自动控制目 录第一章 绪论 . 51.1排水系统概述 . 51.1.1矿井生产过程中排水的重要性 . 51.1.2矿井排水系统的组成部分 . 61.2井下排水系统存在的问题 . 71.3排水系统为何要实现自动控制 . 8第二章 基于PLC 的井下自动排水系统总体设计 . 82.1控制系统总体结构 . 82.2基于PLC 的矿井主排水控制系统设计 . 92.2.1 PLC的主要特点 . 10第三章 控制系统的软

3、件设计 . 133.1PLC 的软件设计 . 133.1.1软件流程图 . 143.1.2地址分配 . 153.1.3水泵的自动开启、运行、停止故障保护流程图 . 173.1.4PLC 的程序设计 . 20第四章 控制系统的抗干扰措施 . 234.1常见的各种干扰源 . 234.2如何采取措施排除这些干扰 . 24第五章 总结 . 24参考文献 . 26致 谢 . 27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

4、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

5、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

6、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

7、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。 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

8、，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,150mm,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,

9、 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。如图1-2所示。它们的工作原理不同，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

10、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

11、、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

12、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。第二章 基于PLC 的井下自动排水系统总体设计2.1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传。控制系统总体结构如图所示。 图 系统总体结构2.2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

13、拟量和开关量采集）和执行部分等组成，其硬件结构如图4-2所示。 图4-2排水控制系统硬件结构图2.2.1 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

14、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

15、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

16、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

17、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 .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

18、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: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

19、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。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

20、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。第三章 控制系统的软件设计3.1PLC 的软件设计西门子的S7-300系列PLC 所用的编程语言是西门子开发的STEP7，这是一种可运行于通用微机中，在WINDOWS 环境下进行编程的语言。将它通过计算机的串行口和一根PC/MPI转接电缆与PLC 的

21、MPI 口相连，即可进行相互间的通信。通过STEP7编程软件，不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电缆直接送入PLC 的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，甚至可以在线修改程序中变量的值，给调试工作也带来极大的方便。在软件设计之前，首先进行软件流程图的设计和地址的分配：3.1.1软件流程图从整体上来看，系统的软件流程图如图5-1所示： 从图中可以看出，系统开始启动后，首先进行与高压开关柜的通讯，然后进行模拟量以及I/O处理程序，系统自检与门处理程序。然后判断系统处于自动运行、手动运行、半自动运行三种运行方式中的

22、哪一种，然后根据判断得到的结果进行相应的操作。根据控制板上的旋转开关的位置判断出系统的运行方式后，如处于PLC 自动运行方式，则PLC 根据程序流程顺序执行，自动完成水泵的启动，轮换工作，故障报警，停止。如处于半自动运行方式下，则由人工选择哪台水泵投入运行，PLC 根据水泵的泵号自动完成该台水泵的自动启动，运行，停止。而手动方式下，PLC 不参与任何操作控制，全部由人工通过控制按钮来控制整个系统的运行。图系统软件流程图3.1.2地址分配 16 17 3.1.3水泵的自动开启、运行、停止故障保护流程图图5-2给出了其中一台泵的自动开启故障保护流程图。其余两台泵的与此基本相同。通过确定开泵数量的程

23、序以及水泵轮换工作模块，我们可以确定开几号水泵。对于这其中的一台泵便满足了开泵条件，进入了此泵组的自动开启阶段。当PLC 接收到启动某台水泵的指令后，就会按照图5-2所示的水泵的启动流程图进行水泵的自动启动控制。首先是启动抽真空系统将水泵体内的空气排除，让其充满水，这时，抽真空管路上的负压表（真空表）就会达到要求值，当PLC 检测到负压表的读数满足启动要求时，就会发指令给高压开关柜，启动水泵电机，并关掉抽真空设备。这时位于水泵上方主排水管路上的 压力传感器承受的压力越来越大，当达到要求值时，PLC 发指令开启电动闸阀，开始排水。 18图5-2水泵自动开启流程图从流程图中可以看出，系统中设有抽真

24、空超时、闸阀开超时、压力异常等故障报警系统。如果出现异常，对于实时CPU 以及I/O模块内部的错误，自动控制系统会自动跳入故障处理程序块中进行相应的处理；如果是外部回路接线错误或传感器失效等故障系统会自动声光报警，并停泵，禁止该泵投入自动循环运行中。运行过程中，主要监测压力、电流、温度、流量等状态量，出现异常停止水泵，并报警给出故障提示。其流程图如图5-3所示。19 图3-3运行过程故障保护流程停止过程中主要结合定时器监测动作是否正常，出现故障进行报警，并给出故障提示。其流程图如图3-4所示。20图3-4停止过程故障保护流程3.1.4PLC 的程序设计下面给出了部分程序（1）首先介绍模拟量处理

25、程序，这里以水泵流量为例：L PIW 436 /1#流量装入累加器1 ITD/16位整数转化成32位整数 DTR/32位整数转化成32位实数T MD 8 /存入MD 8中L 3.616898e-002 /乘于流量值中间变量 L MD8 *RL 2.900000e-001 /加上校正系数 +RT MD 12/存入MD12中（2）下面给出1#水泵流量累计计算的程序： A I 37.0 /判断1#水泵电动阀是否开JC lllj1 /若RLO=1时跳转，否则，顺序执行JU lllj2 /无条件跳转lllj1: L MD12 /载入流量计读数L 1.666667E-002*R /乘以校正系数T MD 1

26、6 /放入MD16中L MD 20/调出1#流量累计值 L MD 16+R/相加后再放入MD 20中 T MD 20L MD 58 / 调出系统总流量累计值L MD 16+R / 加上本次流量值T MD 58 /相加后放入MD58中Lllj2: A I69.0 /判断2#水泵电动阀是否开JC lllj2a /若RLO=1时跳转，否则，顺序执行JU lllj3 /无条件跳转Lllj2a: L MD28 /载入流量计读数L 1.666667E-002*R /乘以校正系数T MD 32 /放入MD32中L MD 36/调出1#流量累计值L MD 32+R/相加后再放入MD36中 T MD 36 L

27、MD 58 / 调出系统总流量累计值L MD 32+R / 加上本次流量值T MD 58 /相加后放入MD58中Lllj3: A I101.0 /判断3#水泵电动阀是否开JC lllj3a /若RLO=1时跳转，否则，顺序执行JU lllj1 /无条件跳转Lllj3a: L MD44 /载入流量计读数L 1.666667E-002*R /乘以校正系数T MD 50 /放入MD50中L MD 54/调出1#流量累计值 L MD 50+R/相加后再放入MD54中 T MD 54L MD 58 / 调出系统总流量累计值L MD 50+R / 加上本次流量值T MD 58 /相加后放入MD58中（3）

28、根据3台水泵的各自的流量累计值，就可以比较出开泵的泵号了。求开泵泵号程序可写为：L P #512.1 /1#水泵开泵标志位装入累加器1 T MD 200 /放入MD200中L MD 36 /2#流量累计值装入累加器1L MD 20 /1#流量值装入累加器1，2#移入累加器2 =RJC LAR1 /1#流量=2#流量，则转LAR1， L MD 200L L#1 /否则，泵号+1+DT MD 200 /结果放入MD200中L MD 54 /3#流量累计值装入累加器1L MD 36 /2#流量累计值装入累加器1，3#移入累加器2 =RJC LAR2 /2#流量=3#流量，转LAR2L MD 200L

29、 L#1+D /否则，泵号+1T MD 200 /结果放入MD200中JU LAR2 /转LAR2LAR1： L MD 54 /3#流量值装入累加器1L MD 20 /1#流量值装入累加器1，3#移入累加器2=R /1#流量=3#流量，转LAR2JC LAR2L MD 200L L#2 /否则，泵号+2+DT MD 200 /结果放入MD200中LAR2： S MMD200 /置位输出（4）这样，通过判断是否处于电价的峰值，处于峰值，只有当水位达到危险水位时才能启动水泵，若处于电价低谷时，只要水位达到排水水位时就启动水泵排水。单台水泵自动启动的过程为：启动抽真空系统、检测真空度、启动水泵、检测

30、水泵出水口压力、打开水泵出水口电动闸阀。第四章 控制系统的抗干扰措施PLC控制系统虽然具有可靠性高、功能强、易于实现过程控制等优点，但由于其工作环境较为恶劣，不可避免存在各种干扰。这些干扰会导致控制精度降低、PLC 内部数据丢失、机器误动作，甚至造成PLC 发生故障或损坏。所以，在实际应用过程中，不仅要按照要求合理配置系统，正确配接线，还必须充分考虑各种异常情况，采取相应抗干扰措施以确保PLC 控制系统可靠稳定地运行。4.1常见的各种干扰源1. 电源干扰PLC系统的正常供电电源均由电网供电。当电网上的负载如大型电力设备、交直流传动装置等启停时会引起电网电压的波动，从而产生谐波，谐波通过输电线路

31、传到电源周边，造成PLC 控制系统出现故障。2.电弧干扰在切断负载的瞬时，按钮、接触器、继电器等带有触点的电器触点之间便会产生电弧，从而引发电弧干扰，被切断负载的电流越大，电压越高，切断所用时间越长，干扰就越强。4.2如何采取措施排除这些干扰1. 抗供电电源干扰本系统采用以下三点来有效控制供电电源的干扰:1 采用专用电源，电源的供电要与大的用电设备分开，避免大用电设备启、停时对电源供电电压的影响。2 控制的交流电源与PLC 机之间采用双屏蔽的隔离变压器(见图6-1 ，其一次绕组的屏蔽层接中线，隔离供电电源的干扰，二次绕组的屏蔽层与PLC 系统控制柜共地，使干扰信号入地。3 在隔离变压器和PLC

32、 之间加装交流稳压器或交流低通滤波器(见图6-1 ，以滤除高频脉冲，提高电源稳定性，从而降低电网电压波动对PLC 电源电压的影响。2抗电弧干扰1为了避免或减少起动电弧对PLC 的电磁干扰，我们尽量将PLC 远离大电机起动装置，如低压断路器、减压起动器、交流接触器等。2选择灭弧性能好的低压断路器和交流接触器选用低压断路器时， 250A 以下负载选用DZIO 系列，250A 以上负载选用DW15系列。交流接触器则宜选用CJX 系列，它具有分断能力高、灭弧时间短、飞弧距离小等特点。第五章 总结本论文针对煤矿井下主排水系统自动化程度不高的现状，研究设计了PLC 控制与PC 监视相结合的煤矿井下自动排水系统。本文重点介绍了以下几点内容：（1） 进行系统设计中所使用到的设备的选型工作。首先是根据矿井的涌水量和井深来确定使用水泵的型号和台数，然