井下排水控制系统

实实 训（习）报训（习）报 告告课程名称：课程名称：水塔水位自动控制专专 业业：生产过程自动化：生产过程自动化 班班 级：级：093351学学 号：号： 30 姓姓 名名 周钰杰 指导教师：商俊平指导教师：商俊平 成成 绩：绩： 完成日期：完成日期： 2011 年年 8 月月 15 日日沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告1摘要在煤矿开采过程中会连续不断地涌出矿井水，为保证煤矿生产安全，必须及时将涌出的矿井水快速地排放到地面，煤矿主排水系统能否正常运行直接关系到矿井的安全生产。矿井排水系统一般由水仓、吸水井、多台排水泵（包括其抽真空引水装置） 、闸阀、配水阀以及多路排水管路组成，这些设备具有电机功率大、电压高、启动复杂、故障多发等特点。目前，矿井排水系统普遍采用人工操作，人员劳动强度大、电机启停时间长、水泵运行效率低等诸多问题，如何实现煤矿井下排水泵的自动控制和无人值守，并满足煤矿生产调度综合自动化的要求，便成为当前急需解决的问题。针对当前煤矿排水系统的实际情况，本文提出一种实现煤矿井下主排水系统的设计方案，并付诸实践。系统在某煤矿投入运行后，取得了良好的应用效果。 本文详细讲述了基于 PLC 的煤矿井下排水泵自动控制系统的设计方法和思路，该系统已经在煤矿投入使用，通过现场的实际运行结果表明，系统是有效可靠的。本系统优越性在于采用先进的通信网络技术，实现 PLC 与上位机之间的通行，控制执行功能主要由 PLC 完成，上位机则完成信息处理和图像显示，PLC 和上位机实现优势互补、分工合作，使得系统运行可靠稳定。系统特别针对排水系统的高可靠性要求，给出相应的可靠性设计方案，解决了由于通信、传感器的不稳定导致控制系统不能稳定运行的问题，显著地提高了排水自动控制系统的稳定性，实现了煤矿排水系统的无人值守和减员提效，有利于排水自动控制系统的推广应用。关键词：排水泵，PLC，上位机，传感器，自动控制系统沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告2绪绪 论论 .3 31 1 井下排水控制系统设计井下排水控制系统设计 .7 71.11.1 PLCPLC简介简介.7 71.1.11.1.1 plcplc 的基本概念的基本概念 .7 71.1.21.1.2 plcplc 的未来展望的未来展望 .8 81.1.31.1.3 plcplc 的特点的特点 .8 81.1.41.1.4 PLCPLC 的组成的组成 .9 91.1.51.1.5 井下水泵自动排水工艺简介井下水泵自动排水工艺简介 .10101.21.2 井下水泵自动排水总体分析井下水泵自动排水总体分析.11111.2.11.2.1 系统的检测环节系统的检测环节.11111.2.21.2.2 系统的控制方式系统的控制方式.12121.31.3 硬件连接硬件连接.12121.3.11.3.1 硬件系统构成硬件系统构成.12121.3.21.3.2 本系统的本系统的 PLCPLC 配置配置.12121.41.4 器件选用器件选用.13132 2 控制系统控制系统 PLCPLC 软件设计软件设计 .15152.12.1 系统流程图系统流程图 .16162.1.12.1.1 工作方式工作方式.17172.1.22.1.2 系统系统 I/OI/O 地址分配地址分配.17172.1.32.1.3 系统程序的具体分析系统程序的具体分析 .18182.1.42.1.4 系统程序总体运行步骤系统程序总体运行步骤 .1818结结 论论 .2525致致 谢谢 .2626参考文献参考文献 .2727沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告3绪 论1本课题的目的及意义采用 PLC 自动检测水仓水位和其它参数，根据水仓水位的高低、矿井用电信息等因素，建立数学模型，合理调度水泵运行，可以达到避峰填谷及节能的目的。介绍了PLC 在煤矿井下主排水控制系统的组成、系统的功能和特点及应用状况。 2井下水泵自动排水控制技术发展现状2.1 设计的工作的环境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，目前我国普遍使用的井下排水系统依然是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，为井下自动排水系统的研究提供依据。并下排水系统概述井下涌水现象及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。 矿井水的成分很复杂，它对水泵和水管的腐蚀性，不仅与游离硫酸的存在有关系，而且也和硫酸镁、硫酸铁和硫酸铝的存在有一定关系。矿井水的物理性质和酸度，可用氢离子浓度(又叫氢离子指数)pH 值的大小来表示，如表 1.1 所列。沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告4由于酸性矿井水对金属具有腐蚀破坏作用，所以井下排水设备的钢铁零件，一旦遇到酸性矿井水时，将会很快遭到破坏。因此，当 pH 值小于 5 时，就必须采用耐酸泵等防酸措施。 表 1.1 矿井水物理性质与酸度矿井水PH 值PH 值PH 值PH 值PH 值0-3 4-6 78-911-14酸度物理性质 强酸性混浊，浓茶色弱酸性混浊，黄色中性混浊 弱碱性清洁，透明强碱性清洁，透明2.2 井下排水系统的组成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，如图 1-1 所示。 图 1-1 水泵组图沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告5 滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于 0.5m.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。2.3 国内外研究动态 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。国外在软件设计方面提出了许多简单实用的算法。例如，前苏联国家镍工业设计研究院开发的软件包能根据复杂的水文和地质条件，以及矿井排水的参数，优化管理水泵房的运行，并有一定的计算机辅助设计功能。国内的科研工作者在理论研究和设计方面也作了大量的工作。结合水泵特性研究的多种控制方法在不同地区得到应用。大多工作集中在水泵闸阀的设计与控制系统的改进方面。尽管国内外研究者在井下自动排水系统的研究中取得了很多成果，但仍存在优待解决的问题。可控闸阀问题。自动排水系统研究的一项重要任务是可控闸阀研究。目前，在相关领域的研究中，以电动闸阀为主，在手动闸阀机构的基础上增加电机驱动和减速装置，使闸阀能够自动控制。但这样以来，机构更加庞大复杂，运输安装不便。而且，对井下环境而言，电动闸阀存在控制及防爆等问题。还有一些设计方案从液压、机械等方面考虑，设计传动及控制机构，取得一定成果，但难以解决复杂性、可靠性及矿井环境适应性等问题。控制策略问题。矿井涌水是复杂的现象，受多种随机因素的影响，很难准确预测。所以，根据涌水量大小建立排水系统数学模型，并选择合适控制策略很困难。因此，现有的自动排水系统多是采用简单的水位开关控制方法，使问题简化。在处理复杂的排水问题时，这种控制方法显然不能满足需要。2.3 论文的主要内容 本课题根据我国煤矿企业发展需要，针对现有井下排水系统自动化程度低，劳动强度大、安全可靠性差等缺点，研制开发适用于煤矿安全生产的井下自动排水系统。主要研究内容包括:沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告6从现有井下排水系统现状出发，研究切实可行自动化排水方案，解决井下排水现状存在的问题。开发电气控制系统，选择可靠的控制器及附属电气元件，适应井下环境，符合矿用设备的安全标准;并能充分利用井下条件，使控制简便可行。 研制开发可控闸阀，适应于井下自动排水系统，提高排水效率和安全可靠性。优化控制系统，根据井下涌水情况的变化，选择不同的泵站运行方案，是使水泵房工作更加高效节能。井下排水系统自动化程度低是我国煤矿企业普遍面临的问题。随着煤炭行业的发展，对排水系统自动化的要求越来越高，在此背景下，本课题提出了井下自动排水系统的研究方案。沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告71 井下排水控制系统设计1.1 plc 简介1.1.1 plc 的基本概念PLC 问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会 NEMA（National Electrical Manufactory Association）经过四年的调查工作，于 1984 年首先将其正式命名为 PC（Programmable Controller） ，并给 PC 作了如下定义： PC 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行 PC 之功能着，亦被视为 PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。 ”以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了 PLC 标准的草案第一稿，第二稿,并在 1987 年 2 月通过了对它的定义： “可编程控制器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。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 “PC 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行 PC 之功能着，亦被视为 PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。 ”以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了 PLC 标准的草案第一稿，第二稿,并沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告8在 1987 年 2 月通过了对它的定义： “可编程控制器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。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。1.1.2 plc 的未来展望 21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1.1.3 plc 的特点可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告9千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。体积小，重量轻，能耗低以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.1.4 PLC 的组成PLC 的硬件主要是由中央处理器（CPU） 、存储器、输入单元、输出单元，通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU 是 PLC 的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与 CPU 之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。典型 PLC 组成框图如图 1.1 所示。4沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告10图 1.1 典型 PLC 组成框图1.1.5井下水泵自动排水工艺简介本课题根据我国煤矿企业发展需要，针对现有井下排水系统自动化程度低，劳动强度大、安全可靠性差等缺点，研制开发适用于煤矿安全生产的井下自动排水系统。主要研究内容包括:从现有井下排水系统现状出发，研究切实可行自动化排水方案，解决井下排水现状存在的问题。开发电气控制系统，选择可靠的控制器及附属电气元件，适应井下环境，符合矿用设备的安全标准;并能充分利用井下条件，使控制简便可行。研制开发可控闸阀，适应于井下自动排水系统，提高排水效率和安全可靠性。 优化控制系统，根据井下涌水情况的变化，选择不同的泵站运行方案，是使水泵房工作更加高效节能。（1）井下水泵自动排水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。 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沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告11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。通径 DN200 的闸阀开起时，往往需要两个工人同时转动阀门手柄。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。（2）系统保护功能有以下几种。 超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，温度保护装置及 PLC 实现超限报警。 流量保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值，流量保护装置使本 台水泵停车，自动转换为启动另一台水泵。1.2 井下水泵自动排水总体分析典型的井下水泵自动排水生产过程如图 1.2 所示：首先，煤矿中央泵房井下主排水泵自动化控制系统，整个自动控制系统由数据自 动采集传感器、自动轮换工作、自动控制及故障记录报警和通讯接口等 4 个部分组成。PLC 控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序结构具 有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。系统根据水位和压力控制原则，自动实现水泵的轮换工作，延长了水泵的使用寿命。1.2.1 系统的检测环节井下自动排水系统的目的是要实现井下水泵房的无人化操作，能够实时监测、自动运行，提高安全性、可靠性和运行效率，增强抗灾能力。并能够优化调度水泵运行情况，节能降耗，降低生产成本。图 1.2 系统监控过程示意图沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告12排水系统在工作过程中要对系统参数进行实时检测，以保证系统正常工作。这出现故障时要及时报警。参数检测包括压力、流量、电机温度、系统漏电保护等。这些参数信号通过相应的传感器获取后，转化为电信号(电流或电压)输入到测试电路，经处理后，再输入 PLC 进行存储运算。在井下排水系统中，由于井下环境的特殊要求，根据煤矿安全标准，输入电信号与主控制电路之间还要有隔离电路和电源转化电路，将输入的非本安电信号转化为本安信号。1.2.2 系统的控制方式系统控制具有自动、半自动和手动检修 3 种工作方式如图所示：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。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行。1.3 硬件连接本系统采用了欧姆龙的 CPM2A 型号 PLC，但其主机上只有 12 点输入，8 点输出。所以用到相应扩展模块上输入输出点。1.3.1 硬件系统构成模拟量检测数据主要有：蓄水仓、工作电机、水泵、3 趟排水管、水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器、电动阀、真空泵、电磁阀。 。1.3.2 本系统的 PLC 配置 泵站自动化监控系统的 PLC 采用 SIEMENS 的 S7-300 系列。根据系统要求 ，PLC总体配置如下： 中央处理模块（CPU）：选用 CPU314，内存 RAM 扩展到 64K。 数字量输入模块（DI）：选用 SM321,共 8 块（16 点/块） 。处理 128 点输入信号。 数字量输出模块（DO）：选用 SM322,4 块为 16 点/块，4 块为 8 点/块。处理沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告1396 点输出信号。 模拟量输入模块（AI）：选用 SM331,共 3 块（8 点/块） 。处理 24 点输入信号。 通信模块：选用 CP340,共 2 块，1 块为 RS232 接口，1 块为 RS485 接口。PLC 采用了四个框架，在 RTU 信号柜内有三个，其中一个为备用扩展框架；另一个在操作台内，通过 IM361 扩展连接，这样简化了接线，大大地提高可靠性。井下水泵自动排水自动控制环节采用上位机和下位机组成，下位机直接控制各阀门、泵的工作运行，上位机负责对该控制系统的工作运行的状况进行监视，其中上位机（计算机）通过 COM 端口用 RS-232 与 PLC 相连进行通信的,而 PLC 需先接入 220V交流电源，再将启动停止按钮各个开关通过 24V 直流电源连接到 PLC 的输入端口上（系统硬件接线图见图 1.3 所示） 。图 1.3 PLC 硬件连线图1.4 器件选用采用工控机作为上位机、PLC 系统作为下位机的两级控制模式。PLC 控制系统是该程控系统的核心，工控机作为监控机械手的运行状态使用。 1）上位机计算机作为上位机，用于完成状态显示、打印输出、向 PLC 发送分类控制信号等功能，从而实现对控制系统的实时监控。同时，计算机还是图象处理的核心。沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告142）下位机 PLC 作为下位机，用来完成状态判别、输出控制等工作。它直接控制电磁阀、继电器，从而实现对各执行元件的控制。本系统采用价格适中、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器欧姆龙 CPM2A 型 PLC 来实现井下水泵工艺的控制要求的。欧姆龙 PLC 是由电源、中央处理器和 I/O 元件组成的严密高速的程序控制器，配有丰富的指令系统，易于用户编程，具有丰富的特殊模块和通信能力，可以满足生产自动化的多级要求。本系统采用 CPM2A 是一种功能完善的紧凑型 PLC，大程序容量和存储单位。另外 CPU 单元带 RS-232C 接口，具有 PPI、MPI 等通信协议可实现程序传送，数据通信等功能。欧姆龙公司 C 系列的小型机 CPM2A 型 PLC 20 点输入/输出，配有 CX-Programmer 软件用于控制部分编程时使用。3）通信方式CPM2A CPU 支持多样的通信协议：点到点（Point-to-Point）接口（PPI） 、多点接口（Multi-Point） （MPI） 。这些都基于系统内通信结构模型，都是异步、基于字符的协议。其中 PPI 方式是非常简单方便的通信协议，只需要一根 RS-232C 线进行数据信号的传递，不需要额外再配置模块或软件。因此，本系统选择 PPI 方式，简单且能满足通信要求。CPM2A 型 PLC 上配有 RS-232C 的通信接口，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将 PLC 和计算机互联。上位机与下位机之间通过 RS-232 连接构成 HOST LINK 协议进行通信。RS-232 又称为 EIA-232C 或 RS-232C，是最通用的一种串行通讯标准。它是一种点到点的通信方式，只能连接两个通信设备。19200 波特率时，最大距离为 75 米；9600 波特率时，最大距离为 900 米。计算机的串口即为标准的 RS-232 接口。使用 RS-232 转换器可以免掉一个 RS-422 串行接口板。系统结构如图 1.5 所示。沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告15图 1.5 系统结构系统控制设计选用了日本欧姆龙公司 C200HE 型 PLC 为控制主机，该机为模块化结构，由 PLC 机 架、CPU、数字量 I/O、模拟量输入、电源、通讯等模块构成。PLC自动化控制系统水仓水位高低、井下用电负荷高、低峰和供电部门所规定平段、谷段、峰段供电电价时 间段（时间段可实际情况随时触摸屏上进行调整和设置）等因素，建立数学模型，合理调度水泵，自动准确发出启、停水泵命令，控制 5 台水泵运行。 保证井下安全生产，系统可靠运行，水位信号是水泵自动化一个非常重要参数， ，系统设置了两套水位传感器，模拟量和开关量传感器，两套传感器均设于水仓排水配水仓内，PLC 将接受到模拟量水位信号分成若干个水位段，计算出单位时间内不同水位段水位上升速率，判断矿井涌水量，同时检测井下供电电流值，计算用电负荷率，矿井涌水量和用电负荷，控制用电低峰和一天中电价最低时开启水泵，用电高峰和电价高时停止水泵运行，以达到避峰填谷及节能目。2 控制系统 PLC 软件设计PLC 控制程序用 CX-Programmer 编程软件开发。CX-Programmer 是 OMRON 公司PLC 的软件编程调试的工具程序，其运行在 Windows 操作系统下，具有丰富、简捷的操作环境和强大的编程、调试功能。可实现梯形图的编程、监视和控制等功能，尤其沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告16擅长于大型程序的编写，弥补了手编程器编程效率低的不足1。CX-Programmer 编程软件支持模块化设计，在程序编写时可以直接将编写好的程序通过 RS-232C 传送到 PLC来控制现场设备。2.1 系统流程图 图 2.1 系统流程图自动运行试验是应用 PLC 程序对整个系统进行过程控制。根据贮水箱的高度，设置 PLC 内存变量 V f31. Vt33 的值，即高低水位值。 接通系统电源，开始工作。向贮水箱内注水，水位达到高水位时，6#继电器得电，2#指示灯亮，6#电磁阀得电，射流泵启动;1 分 20 秒后，1#继电器得电，水泵电机启动:延时 5 秒后，2#继电器得电，油沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告17泵电机启动;延时 3 秒后，3#继电器得电，1#电磁阀左位得电，液压马达启动顺时针转动，闸阀打开;15 秒后，闸阀开度最大，3#继电器失电，马达停转:3 秒后，2#继电器失电，油泵停转，同时，6#继电器失电，射流泵停止;水泵进入正常排水过程。水位降至低水位，7#继电器得电，3#指示灯亮，同时，2#继电器得电，油泵启动;3秒后，4#继电器得电，1#电磁阀右位得电，压马达逆时针转动，闸阀关闭;15 秒后，闸阀关紧，4#电磁阀失电，液压马达停止;3 秒后，2#电磁阀失电，油泵停止;3 秒后，1#继电器失电，水泵停止，排水过程结束，系统继续进行水位检测。在系统运行过程中，设置人为故障，检验系统的报警能力。启动时，切断 2#电磁阀电源，使射流泵不能工作，到达设定的时限(01-分钟)，系统 I#报警指示灯开始闪烁，并自动停止系统中正在运行的所有执行件。以同样的过程可以检验系统对闸阀、水泵的故障保护能力试验中，以按钮来进行排水方式的选择，默认情况为自动方式。排水前，如果按下半自动或手动按钮，则进入相应的工作方式。2.1.1 工作方式 本监控系统有自动、半自动及手动三种工作方式。其中自动方式由超声液位传感器连续检测水仓水位，根据水仓的水位变化，自动开、停水泵及其阀门。正常情况下，按双位逻辑控制和“轮班工作制”各台水泵能自动轮换工作;水位变化过大时，自动投入必要数量的水泵运行，此方式下可实现无人值守;半自动方式是操作工人根据水仓显示水位，人工手动开、停水泵和确定开泵台数，电机及其阀门的开、停由 PLC 自动执行;手动方式是维修工人可操作任一水泵电机、自动闸阀、电磁阀的开关，解除相互闭锁关系。2.1.2 系统 I/O 地址分配本系统需使用 6 个输入点，14 个输出点来对系统的各个运行状态进行输出指示。具体分配表见表 1.1。表 1.1 系统输入 I/O 地址分配表输入功能输出功能00000系统电源200.00保持功能00001高水位输入200.01高水位报警灯00002低水位输入200.02低水位报警灯沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告1800003切换手动控制201.011#继电器得电00004切换成自动控制201.022#继电器得电00005切换半自动201.033#继电器得电201.041#电磁阀左位201.054#继电器得电10.02工作开始10.03高水位指示灯10.04水泵电机启动10.05油泵电机转动10.10报警灯201.001#电磁阀右位2.1.3 系统程序的具体分析PLC 采用循环扫描的的工作方式，这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向各输出点发出相应的控制信号，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说 PLC 是以“串行”方式工作的，它能有效地避免继电接触器控制系统中易出现的触点竞争和时序失配的问题。PLC 执行用户程序是从梯形图左母线开始由上至下，由左向右逐个扫描每个梯级的每个元素，进行运算，此时 CPU 只是与映象区进行数据交换，读取输入数据，送出输出信号。当 CPU 执行到 END 指令时，表示程序段结束，则此次扫描用户程序结束。2.1.4 系统程序总体运行步骤自动运行试验是应用 PLC 程序对整个系统进行过程控制。根据贮水箱的高度，设置 PLC 内存变量 V f31. Vt33 的值，即高低水位值。 接通系统电源，开始工作。向贮水箱内注水，水位达到高水位时，6#继电器得电，2#指示灯亮，6#电磁阀得电，射流泵启动;1 分 20 秒后，1#继电器得电，水泵电机启动:延时 5 秒后，2#继电器得电，油泵电机启动;延时 3 秒后，3#继电器得电，1#电磁阀左位得电，液压马达启动顺时针转动，闸阀打开;15 秒后，闸阀开度最大，3#继电器失电，马达停转:3 秒后，2#继电器失电，油泵停转，同时，6#继电器失电，射流泵停止;水泵进入正常排水过程。水位降至低水位，7#继电器得电，3#指示灯亮，同时，2#继电器得电，油泵启动;3沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告19秒后，4#继电器得电，1#电磁阀右位得电，压马达逆时针转动，闸阀关闭;15 秒后，闸阀关紧，4#电磁阀失电，液压马达停止;3 秒后，2#电磁阀失电，油泵停止;3 秒后，1#继电器失电，水泵停止，排水过程结束，系统继续进行水位检测。在系统运行过程中，设置人为故障，检验系统的报警能力。启动时，切断 2#电磁阀电源，使射流泵不能工作，到达设定的时限(01-分钟)，系统 I#报警指示灯开始闪烁，并自动停止系统中正在运行的所有执行件。以同样的过程可以检验系统对闸阀、水泵的故障保护能力，具体步骤如下：实现功能：按下启动按钮 0.00，中间继电器点 200.00 通电保持，同时中间继电器200.00 的常开触点闭合，常闭触点断开， ，当定时器 TIM007 所定时间到时，其常开触点闭合作为 200.00 的复位输入，同时中间继电器 200.00 的常开触点断开，常闭触点闭合。实现功能：中间继电器点 200.00 的常开触点闭合，输出点 10.02 通电被点亮，表示向贮水箱里注水，使水箱里水位上升。实现功能：按下常开触点 0.01 表示贮水箱里水位高于设置的水位，即高水位，则此时中间继电器点 200.01 通电，同时中间继电器点 200.01 的常开触点闭合自锁，使同时中间继电器点 200.01 一直通电且中间继电器点 200.01 的所有常开触点闭合，所有常闭触点断开，当同时中间继电器点 200.02 的常闭触点断开时，同时中间继电器点200.01 失电，其常开触点断开，常闭触点闭合。沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告20实现功能：按下常开触点 0.01,表示贮水箱里水位高于设置的另一水位，即低水位，则此时中间继电器点 200.02 通电，同时中间继电器点 200.02 的常开触点闭合自锁，使同时中间继电器点 200.02 一直通电且中间继电器点 200.02 的所有常开触点闭合，所有常闭触点断开，当同时中间继电器点 200.01 的常闭触点断开时，同时中间继电器点200.02 失电，其常开触点断开，常闭触点闭合。实现功能：在中间继电器点 200.00 的常开触点闭合时，且水位达到高水位（常开触点0.01 闭合）6#继电器（201.06）得电同时 2#指示灯（10.02）被点亮，在定时器TIM005 定时时间到或中间继电器点 200.02 得电分别使定时器 TIM005 的常闭触点断开和中间继电器 200.02 的常闭触点断开可以使 6#继电器失电。实现功能：2#指示灯通电时其常开触点 12.03 闭合作为输入条件，线圈 13.02 通电 即6#电磁阀得电，同时定时器 TIM001 开始定时，定时时间到计时器 TIM001 的常开触点闭合，常闭触点断开。沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告21实现功能：当 2#指示灯（10.03 通电）被点亮时，常开触点 10.03 闭合，此时线圈13.03 通电，即射流泵通电启动，在 6#继电器通电（中间继电器 201.06 得电）其常闭触点断开或中间继电器点 12.00 通电使其常闭触点断开时，线圈 13.03 失电即射流泵停止工作。实现功能：定时器 TIM001 定时时间到时其常开触点闭合，1#继电器得电（中间继电器201.01 得电） ，定时器 TIM006 定时时间到时其常闭触点断开使得 1#继电器失电（中间继电器 201.01 失电） 。实现功能：中间继电器 201.01 通电时其常开触点 201.01 闭合，1 秒脉冲周期性给10.04 通电，使其闪亮，即水泵电机启动。同时定时器 TIM002 开始定时，定时时间到其所有常开触点闭合，常闭触点断开。实现功能：定时器 TIM002 定时时间到其常开触点 TIM002 闭合或中间继电器 200.02 得电其常开触点闭合使 2#继电器得电（中间继电器点 201.02 得电） 。同时定时器 TIM003开始定时，定时时间到其所有常开触点闭合，常闭触点断开。当定时器 TIM005 定时时间到时其常闭触点断开使得中间继电器 201.02 失电即 2#继电器失电。沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告22实现功能：中间继电器点 201.02 得电时其常开触点 201.02 闭合由于秒脉冲则线圈10.05 周期性得电表示油泵电机启动，在线圈 12.00 得电时其常闭触点断开，则线圈10.05 失电表示油泵电机停转。实现功能：定时器 TIM003 定时时间到时其常开触点 TIM003 闭合，3#继电器得电（中间继电器 201.03 得电） ，当中间继电器点 200.02 得电时其常闭触点 200.02 断开或定时器 TIM004 定时时间到其常闭触点 TIN004 断开都使得 3#继电器（中间继电器201.03）失电。实现功能：定时器 TIM003 定时时间到其常开触点闭合使得 1#电磁阀左位（中间继电器201.004）得电，当中间继电器点 200.03 得电其常闭触点断开时，使得 1#电磁阀（中间继电器点 201.04）失电。实现功能：定时器 TIM003 定时时间到其常开触点闭合和中间继电器 200.02 得电使其常开触点闭合使得 4#继电器（中间继电器 201.05）得电，同时 1#电磁阀右位（中间继电器点 201.00）得电，当定时器 TIM004 定时时间到时其常闭触点 TIM004 断开，此时4#继电器（201.05）断电。实现功能：这个程序段用来控制液压马达的顺时针，逆时针转动和停转，1#电磁阀左位得电即中间继电器点 201.04 得电使其常开触点闭合时，线圈 10.06 得电即液压马达顺时针转动。6#继电器得电其常开触点闭合，常闭触点断开，由于脉冲则线圈 10.06沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告23周期性得电，液压马达逆时针转动，当定时器 TIM004 定时时间到时其常闭触点断开，线圈 10.06 失电，即液压马达停转。实现功能：中间继电器 201.06(6#继电器)得电其常开触点闭合，定时器 TIM004 开始定时，定时时间到其所有常开触点闭合，所有常闭触点断开。实现功能：此程序段是对门阀开关状况的控制，中间继电器 201.04（1#电磁阀左位）得电其常开触点闭合，由于秒脉冲得线圈 10.07 周期性得电表示门阀正在打开，当定时器 TIMM004 定时时间到其常开触点闭合，常闭触点断开时线圈 10.07 得电表示门阀此时开度达到最大，中间继电器点 201.06（6#继电器）得电其常闭触点断开，线圈10.07 失电表示门阀关闭。实现功能：中间继电器点（6#继电器）得电其常开触点闭合，线圈 10.08 周期性得电，表示关闭门阀动作，当定时器 TIM004 定时时间到时其常闭触点断开线圈 10.08 失电表示门阀关紧。实现功能：定时器 TIM004 定时时间到其常开触点闭合，定时器 TIM005 开始定时，定时时间到其所有常闭触点断开，所有常开触点闭合。沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告24实现功能：中间继电器 200.02 和中间继电器 200.00 通电他们的常开触点闭合中间继电器 201.07（7#继电器）得电，同时线圈 10.09（3#指示灯）通电。实现功能：定时器 TIM005 定时时间到其常开触点 TIM005 闭合，中间继电器 200.02 通电器常开触点闭合，定时器 TIM006 开始定时，时间到其常开触点闭合，常闭触点断开。实现功能：中间继电器 201.10 通电，当定时器 TIM005 定时间到其常闭触点断开，或按下紧急停止按钮 0.06，中间继电器 201.10 失电。实现功能：按下紧急停止按钮，松开线圈 12.00 被置为高电平，其所有常开触点闭合，常闭触点断开，定时器 TIM 定时时间到时按下紧急停止按钮不起作用。实现功能：线圈 12.00 通电时其常开触点闭合，定时器 TIM007 开始定时，定时时间到其所有常开触点闭合，常闭触点断开。实现功能：定时器 TIM007 定时时间到时其常开触点闭合，由于秒脉冲所以 1#报警灯（10.10）闪烁报警。沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告25结 论本课题在进行了大量调查和文献检索的基础上，对我国目前的井下排水系统进行了解分析。从实际情况出发，仔细分析现有排水系统存在的问题，进行井下水泵房排水系统的研究，得出以下主要结论: 1.可控闸阀是关键的执行件。闸阀是排水系统必不可少的关键元件。通过理论分析研究及试验结果验证。闸阀的性能直接关系水泵的启起停特性。本课题从煤矿井下环境出发，提出液控闸阀和电磁先导通断阀的设计。以适应不同情况下的使用:在大流量、水质差的大型排水系统中，使用可控性强，通流量大的液控闸阀:在流量不太大，水质清洁的排水系统中，使用灵活度高，轻便的电磁先导通断阀。不同的环境下，选择不同的可控闸阀能达到较理想的控制效果。 2.以 PLC 为核心的自动监控系统可实现多水泵集中控制。大型排水系统由多台水泵并联组成。每台水泵及其管路、电气附件组成相对独立的水泵站。自动监控系统根据超声波液位检测装置反馈的水位信号自动调度水泵的运行，实现集中控制。 3.最优化控制的策略为排水系统提供了节能高效的途径。在排水系统这样用电量大的系统中，节能问题与效率问题一样重要。本课题提出以动态规划法来实现井下排水系统的最优控制。在排水系统离散数学模型的基础上，结合涌水量变化和电价收费情况，实施最优控制策略。并且在涌水量很大时，优先考虑排水，提高排水效率。 本课题以井下主排水系统为主要对象，研究开发自动排水系统。但是应用范围上任然有些局限，例如：在涌水量不大的辅助水仓和临时水仓排水系统中，情况比主排水系统简单，经常用到潜水泵和继电器控制系统，而不是复杂的离心式水泵排水系统。但仍然是井一下排水的重要组成部分。因此，在今后的研究工作中，要涉及到这些小沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告26型排水系统的自动化控制问题，扩展井下排水系统的适用范围。 另外，在多级水仓接力式排水系统中，不同层面的排水系统之间存在相互祸合关系;要建立更为复杂的数学模型和控制系统，以满足排水系统的控制要求。因此，要在已取得成果的基础上，做进一步的深化研究工作。沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告27致 谢本文是在 指导老师悉心指导下完成的。从论文的选题到相关材料的收集，从论文框架的设计到具体内容遣词造句，每一章节都凝聚着指导老师的心血。在此，学生表示最诚挚的谢意。金老师严谨的治学态度、积极的人生观、学术上孜孜追求的精神以及对学生无微不至的关怀，都给我留下了终生难忘的印象，必然将对我以后的学习和生活产生重要影响。在完成整个论文期间，对各位老师、同学、朋友、亲人辛勤劳动以及他们在治学和人品上给予我的深刻影响，我同样铭记在心，并表示由衷的感谢。在此，我向所有在学业上、生活上帮助、理解、支持我的老师、同学、朋友和亲人致以最真诚的谢意。最后，感谢各位专家、学者在百忙之中审阅我的拙作。沈阳理工大学高等职业技术学院综合实训报告28参考文献1陈晓泉.泵房水锤消除设备浅议.给水排水.1994. 10(3): 52-532赵晓波，刘峰.差动闸阀.阀门.2000. 17(6): 17-183曾津，循环水泵出口闸阀控制回路的改进.电力建4谢晖，王胜利等.液控自动闸阀的应用.给水排水.1998. 24(9):65-675孟宝堂张建亮.26(9):高压自动闸阀设计试验与分析.流体机械.1998.6-86张宏，赵国栋.新型液压阀一液控式截止法.煤炭科技.1999 .(3)7刘兰田，张桂良.泵站水压闸阀自动关闭控制系统的研制与应用.农田水利与小水电.1995.9(6): 20-228孙希奎，庄立会.埠村煤矿三井改扩建西区主排水系统设计问题探讨.山东煤炭科技.1996.20(4): 46-479付华，朱华.矿井排水模糊控制系统.电子技术应用.1997. 3(2):29-31