学士学位论文--中央泵房自动控制系统的设计与维护.doc

天津冶金职业技术学院毕业课题设计中央泵房自动控制系统的设计与维护25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 录摘 要I第一章 绪论11.1排水系统概述11.1.1矿井生产过程中排水的重要性11.1.2矿井排水系统的组成部分21.2井下排水系统存在的问题4第二章 矿井自动排水系统的各种参数与检测62.1水仓水位的检测72.1.1液位传感器介绍72.1.2液位检测装置的选择11第三章 基于PLC的井下自动排水系统总体设计133.1控制系统总体结构133.2基于PLC的矿井主排水控制系统设计133.2.1 PLC的主要特点143.2.2 PLC的基本工作原理18总结23参考文献25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。 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,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, 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、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。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，做出判断并显示给集中监控室。图 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2.1.1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3-2所示。 图 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为： （式3-1）则 （式3-2）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Yjsonic系列的超声波液位计，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 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3-4所示。图3-4水位计示意图图 传感器功能模块图具体的来说是: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3-5。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)。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。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传。控制系统总体结构如图所示。图 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4-2所示。图4-2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 .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: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4-3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。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 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。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，然后确定排水管道和电动闸阀，电动球阀；根据功能要求选择一定数量和类型的传感器，通过估算的输入输出点数和要求的PLC的存储容量及响应速度，确定所用PLC的型号和功能模块。（2） 设计出了系统控制的流程图，使用PLC语言编写了水泵自动控制的部分程序。（3） 使用易控组态软件设计了主排水泵自动监控系统。（4） 利用AUTOCAD绘图软件绘制了系统控制的原理图，由于是初次接触PLC和矿井排水系统，了解甚微，所以设计中的很多细节部分考虑不周。在史丽萍老师的悉心指导下，对结构和部分内容进行了修改，大体上做到了有章可寻。根据要求，使用易控组态软件设计出了主排水泵的自动监控系统，在设计过程中，遇到了很多难题，通过向同学的请教和自己的认真学习，终于得以顺利完成。 参考文献1 郑晟、巩建平、张学.现代可编程序控制器原理与应用.北京：科学出版社，1999.2 顾永辉、范廷瓒.煤矿电工手册（第三分册）修订版.北京：煤炭工业出版社，1997.3 庄宗元.AutoCAD2004使用教程.徐州：中国矿业大学出版社，2004.4 郁有文、常健、程继红.传感器原理及工程应用.西安：西安电子科技大学出版社，2003年7月第2版.5 侯友夫、张景松.流体力学与流体机械.徐州：中国矿业大学出版社，1994年5月第一版.6 孙尚勇.流体力学与流体机械.北京：煤炭工业出版社，1991年10月第1版.7 齐允平.矿山流体机械.北京：煤炭工业出版社，1990年3月第1版.8 张广龙、史丽萍. 矿井中央水泵房综合自动化系统的设计模式.煤矿机电，2005年第4期. 9 谭国俊、韩耀飞、熊树. 基于PLC的中央泵房自动化设计.工矿自动化，2006年2月第1期.10 葛铁.煤矿井工开采排水设备自动控制系统的开发研究.太原理工大学，2005.11 张爱华.基于组态王软件的泵站计算机监控系统研究.西安建筑科技大学，2004.12 李泽松.井下水泵房自动排水系统研究.太原理工大学，2005.13 李瑞.井下排水系统的监测与控制研究.太原理工大学，2006.14 刘敢、刘岩.矿井中央泵房水泵自动化系统的设计. 山东枣庄，高庄煤矿. 15 潘忠、陈桂兰.济宁三号矿井井下主排水泵的自动化设计. 煤矿自动化，2001年第4期.16 张孝颖、张丰敏、张学松. 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