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矿井主排水自动控制系统PLC控制毕业设计论文

专业：

电气工程及自动化

设计题目：

矿井主排水自动控制系统设计

毕业设计主要内容和要求：

1．掌握矿井水泵的工作原理和控制方法；

2．设计一种应用PLC作为控制器的水泵自动排水系统；

3．掌握所用传感器的工作原理及使用方法；

4．设计主排水泵自动监控系统；

5．用PLC语言编制控制系统软件。

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

ABSTRACT

Atfirstthistextchoseanddesigneddrainageequipments,thendesignedautocontrolpartbasedondrainagecontrolrequest.ThissystemadoptsS7-300PLCseriesproducedbySIEMENS，withmanysensors（mainlyinclodingwaterlinesensors,minuspressumesensors,pressmesensors,fluxsensors）tocompleteautocontrolfunctiondemandedinthissystemdesign.Waterpumpsandpipelinesofthissystemarecontrolledtoruninturnautomatically.Thenumberofrunningwaterpumpsisconfirmedbytheprincipleofavoidingapexandfillingvaleinordertoeconomizeelectricity.OnthespotofPC,itintroducescontroleaseconfigurationcontrolsystemtotakechargeofinspectingrunningstateandparametersofequipmentssothattroublecanbefoundanddealtwithintime.S7-300usedStandardRS-232tocommunicatewithPConthespotthroughModuleCP340.

KEYWORDS:

drainagesystem；PLC；autocontrol

第一章绪论……………………………………………………………………1

1.1排水系统概述…………………………………………………………1

1.1.1矿井生产过程中排水的重要性………………………………1

1.1.2矿井排水系统的组成部分……………………………………1

1.2井下排水系统存在的问题…………………………………………………3

1.3排水系统为何要实现自动控制…………………………………………3

1.4我国矿井主排水系统的现状……………………………………………4

第二章矿井自动排水系统的各种参数与检测………………………4

2.1水仓水位的检测…………………………………………………………5

2.1.1液位传感器介绍…………………………………………………5

2.1.2液位检测装置选择…………………………………………………8

2.2电机即水泵温度检测………………………………………………………9

2.3水泵压力检测………………………………………………………10

2.4水泵流量检测……………………………………………………12

2.4.1流量检测仪器的安装…………………………………………12

2.4.2流量计的要求……………………………………………………13

2.4.3流量检测传感器的使用…………………………………………15

2.5水泵负压检测………………………………………………………15

第三章基于PLC的矿井主排水自动控制系统的总体设计……………16

3.1控制系统的总体结构……………………………………………………16

3.2基于PLC的矿井主排水控制系统设计………………………………17

3.2.1PLC的主要特点……………………………………………………17

3.2.2PLC的基本工作原理……………………………………………20

3.2.3PLC地址分配和实现控制功能………………………………22

3.2.43s7—300PLC的基本组成……………………………………27

3.3西门子ET200M与PROFIBUS-DP总线………………………………32

第四章矿井自动主排水系统设备的选型设计…………………………33

4.1初始数据……………………………………………………………………33

4.2选型设计……………………………………………………………………33

4.3引水设备……………………………………………………………………35

4.4自动阀门……………………………………………………………38

4.5高压开关柜…………………………………………………………40

第五章控制系统的软件设计…………………………………………………41

5.1PLC的软件设计………………………………………………………41

5.1.1软件流程图……………………………………………………41

5.1.2地址分配……………………………………………………43

5.1.3水泵的自动开启、运行、故障保护流行图…………………45

5.1.4PLC的程序设计………………………………………………47

5.2控制系统上位机的软件设计………………………………………50

5.2.1设计要求………………………………………………………50

5.2.2设计内容………………………………………………………51

5.2.3上位机与PLC的通信…………………………………………51

5.2.4监控主界面……………………………………………………53

5.2.5报警界面………………………………………………………55

第六章如何使矿井主排水自动控制系统抗各种干扰……………………56

6.1常见的各种干扰源………………………………………………56

6.2如何采取措施排除这些干扰………………………………………56

第七章总结…………………………………………………………57

参考文献……………………………………………………………58

致谢……………………………………………………………………………59

翻译部分………………………………………………………………………60

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。

①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。

②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:

①调节水泵的流量和扬程；

②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。

③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。

④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。

⑤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--0.1MPa（一个大气压）。

⑥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：

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。

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。

1.3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4～20mA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：

0～3、5、8、10、15、20m

精度：

0.25%

盲区：

0.3～0.5m

温度：

-20℃～+55℃

电源：

24VDC

控制：

无

输出：

4～20mA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:

①制造成本相对于超声波液位传感器较为低廉:

②量程比较小（5—10米），但一般能满足测量水仓水位的要求:

③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；

④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:

①超声波传播会受到空气中粉尘的影响；

②超声波水位传感器的测量量程大；

③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；

④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。

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）-200℃

 （式3-12）

（2）0℃≤t≤850℃时，

 （式3-13）

式中，A=3.90802×10-3；B=-5.80×10-7；C=4.2735×10-12。

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1-5VDC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24VDC），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±（0.15＋0.002│t│），B级±（0.30＋0.005│t│）；

热响应时间<30s；

最小置入深度：

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。

图3-9为膜片式压力传感器，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3-8）

（式3-9）

式中：

—膜片上均匀分布的压力；

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3-10的全桥电路。

其中，

，且R1=R2=R3=R4，则：

（式3-10）

（式3-11）

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