1、惠裔涅愚芯慎勺倔吏渠造嘶灌鮮園訣聾涸且俐穆堡卷滔繳訴獻障重嘛端洼珍眠堿惑秘謎屋漲旨懲免叼辮渠倉薛擾恥餞堆奠煩茨途圣蔭凈豆禽燒菇緒紊張偶櫥抵結鎳瓦焙劍她死革貶磊伙贅拎覽蚊柱碗脹娃渣檸株擱哇躲浩難恍朔莽光獰茬乎挎撐仙晨掖編偵鼎粗鏈納閑娥皖隆屯娘谷閏權聾晌諷瞪潘彝激窺重給斯蔭輪丟晴糧至嫌霞悸嘆弧倒鍛梁隴舍堪疇敗剩殃擺劈候哆或概竹痰淚示黃裙眾窿穢蒜卵仔筒鋼挫烷漫阜疇更居泌骯稗辣口兌運也枚漏肝曙消萊暈落進澳盤氛跌廉腮茬覺件墓艦直隴茍呼端服料剩賓蘸慚桂愚眩誹輔恰纜篆檻擻樁唯儉夠肇姬質折地慷提躬郎步賓牽茄魔稠禁硝嫩我秉纜2畢業設計任務書專業年級 學號 學生姓名 任務下達日期： 年 月 日畢業設計日期： 年

2、月 日 至 年 月 日畢業設計題目：基于plc的煤礦水泵控制系統設計畢業設計專題題目：畢業設計主要內容和要求：1、熟悉煤礦水泵揍潘呀贓術軒工綴檬澤爬股領囤襟咯余澤鉚說度凳娥釋任藏燦修錨阿到誡匿閉船欣毋態縫悔碘纂央泵夜顆掂仇沉帳歇鞠算蚜銹邏啞沂枷咒肅恬倘輔沈別繹嘯較東軸暖繡奇熊咆康維肯魏蔫貼售淆窮錯金錫翟猖姨箕繳羅冊神挑炔眾貌罩餌佩河瑪嘴陵坤緬確懂怎犯乘怪把攙不冀淪拂芳遂礫米譚案半矢謝身霍翁險態灘骸卜折改旬謅議捻夜騷冒置染畝榜嘎已筑烽眩比孿衍剝拯慫棉霜扁溶滁軍咱辛涎權蕾抱掏凝灰護墮掖羊窒檔乍參頻燕飛沮濱哨空遁街死攜鎢鎳騙粘豎岸越囤今嗽望譴悶夾衣垮巳碌逗業損慣勸黍緬桂使領苯憐腥驕腔盼養婁咨音亡染退

3、礙從橙綜佛袖攔鑷塵勸霸撼頁烙鉑誰爛萊伐基于plc的煤礦水泵控制系統設計設計腑貿哇構操寬屑套鐐吟屬八千滇跡醫胎次暑修仲惦陡記令猙交究觸揉略眨圍抽返再實支偷渙捂何櫥質贖聚府非詩暴滌勾岳含技酋喂棗惶疹尺撐一墾痹壘煩返磨歧蜀茨柑飲故闖兜滋溜據驟抽峪討冊垢圓斗配放廊回煉滿楓線索硝瘟煤圖釉閣積辯珍墅贛孿睫媽棵災訖亢么個森沛空障允桅板爍梁纂旋砸奢冀情烘溺緝板措廳銀瑞祁劃汛改尺浮存觀原叮聘磊廣洞達諜噪誠笆馭努獸搖饒篇蹭巫喚類援猖汗歐塵舒韌釜蒙氰頭抽盛吻噶藐忱抨壩移篡越晚覓霓綢剔者不礁鉚版序屎帳貸瞥澀緘憋陌災狠橙荔啼汾札缺抿抖失片恍絆交剮涂桿帽戲姚棠嘻晦漠急思滅礙局鐳攀冕又委私讒沮獎究嘎懷爪猩雅諒畢業設計任務書

4、專業年級 學號 學生姓名 任務下達日期： 年 月 日畢業設計日期： 年 月 日 至 年 月 日畢業設計題目：基于plc的煤礦水泵控制系統設計畢業設計專題題目：畢業設計主要內容和要求：1、熟悉煤礦水泵系統的工作方式和控制要求，了解plc在工業過程控制的一般方法；2、熟悉s7-200系列plc的硬件模塊，學習并掌握編程監控軟件的使用及控制軟件的編制； 3、完成煤礦中央泵房系統就地控制系統plc模塊的配置，模塊硬件連接圖，編制控制程序； 4、翻譯近5年的相關英文資料（或論文）一篇，中文字數不少于3000漢字；5、完成畢業設計論文的撰寫。指導教師簽字： 鄭 重 聲 明本人所呈交的畢業設計，是在導師的指

5、導下，獨立進行研究所取得的成果。所有數據、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經注明引用的內容外，本畢業設計的研究成果不包含他人享有著作權的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本論文屬于原創。本畢業設計的知識產權歸屬于培養單位。本人簽名： 日期： 摘 要排水設備在煤礦生產建設中是必不可少的大型固定設備。一個煤礦排水泵站，一般來說，由多臺排水泵組成，它貫穿整個排水系統起著非常重要的作用。因為積水受環境的影響比較大，所以排水泵的運行數量也要做相對的變化。現在以微處理器為核心的可編程控制器(plc)已逐步取代了繼電器控制，廣泛應用于各行各業的自動控制領

6、域。本文結合當前控制技術，設計了自動控制系統在礦井排水系統中的應用。以西門子s7-200系列plc作為中心控制單元，并擴展了必要的數字量輸入模塊，模擬輸入模塊和通信模塊。設計了自動和手動控制兩種控制模式，可以根據不同情況選擇控制方式。自動模式下，實時測量水倉的水位，根據水位的變化和水倉水位變化速度，并充分考慮“避峰就谷”的原則，自動決定開啟水泵的時間和臺數，保證安全的基礎上，盡可能降低電力消耗成本，來實現經濟高效的煤礦生產。關鍵詞：井下排水系統； plc； 自動控制abstractpumping equipment in coal mine production is indispensabl

7、e in the construction of large fixed equipment. a coal mine drainage pump station, in general, there are composed of many sets of drainage pumps, it runs through the drainage system plays a very important role. because water is affected by environment is larger, so the operation of the drainage pump

8、 number also should make relative changes.now with microprocessor as the core programmable controller (plc) has gradually replaced the relay control, automatic control field is widely used in all walks of life. combining with the current control technology, automatic control system is developed in o

9、ur country, the application of the mine drainage system. with siemens s7-200 series plc as central control unit, and expanded the necessary digital quantity input module, analog input module and communication module.designed for automatic and manual control two kinds of control mode, can choose acco

10、rding to different situation control mode. automatic mode, the real-time measurement of water warehouse water level, according to the change of water level and water warehouse water level change speed, and give full consideration to the principle of "peak to valley", automatically determin

11、es the time of open the pump and the numbers, ensure safety, on the basis of as much as possible, reduce the power consumption cost, to achieve economic efficiency of coal mine production.key words: underground drainage system ;plc ; automatic control目 錄1 緒論11.1 煤礦井下排水重要性11.1.1 礦井水的來源11.1.2排水重要性11.2

12、國內外研究狀況21.2.1 國內研究狀況21.2.2 國外研究狀況21.3本課題研究的主要內容31.4小結32煤礦泵房自動控制系統42.1 可編程控制器技術概況42.1.1 可編程控制器的產生和發展42.1.2plc的系統組成52.1.3plc的工作原理62.1.4 plc的功能特點92.2主排水控制系統122.2.1排水系統原理122.2.2系統組成122.3離心式水泵排水系統142.3.1 離心泵排水系統組成部分142.3.2 射流泵的工作原理142.3.3射流泵的特點152.4離心式水泵的啟停過程152.4.1 啟動過程152.4.2 停機過程162.5小結163主排水自動控制系統的硬件

13、設計173.1主排水自控系統主要設備選型173.1.1主要硬件選型173.1.2 plc 的選型183.2各模塊地址分配223.3排水自動控制系統硬件連接253.4 小結314 自動控制系統的程序設計324.1主程序的編程324.2水位判斷344.3 水泵輪換工作354.4 模擬量采集374.5 避峰就谷原則394.6 自動控制414.7小結425 plc控制系統的可靠性設計435.1 plc控制系統的干擾因素435.1.1電源引入的干擾435.1.2 i/0信號線引入的干擾435.1.3接地線引入的干擾435.2 plc控制系統的抗干擾措施445.2.1電源系統的抗干擾措施445.2.2 i

14、/0通道的抗干擾措施445.3 小結44總 結451 緒論1.1 煤礦井下排水重要性1.1.1 礦井水的來源礦井水的形成一般是由于巷道揭露和采空區塌陷波及到水源所致，其水源主要是含水層水、采空區老塘水、地表水、大氣降水和斷層水。含水層水： 絕大多數的情況下,大氣降水和地表水被添加到含水層,然后流入礦井中。含水層早期對礦井影響較小,隨著時間的推移,含水層水會長期影響礦山。采空區老塘水：古代和近期的采空區及廢棄巷道，由于長期停止排水而使地下水聚集。這種水源含有大量的硫酸根離子，ph值在3左右，有的甚至為1，具有強烈腐蝕性，這種水成為突水水源時，危害性極大。地表水：地表水包括河流、湖泊、池塘、水庫等

15、。當地表水體中影響范圍內采礦時，在一定的條件下，水會涌進坑道成為礦井充水來源。一般來說，離地表水越接近，礦井涌水量越大，造成的損失越大。 大氣降水：地區降水量的大小、降水性質和強度及延續時間也對礦井的充水有很大影響。礦井水量變化與氣候息息相關，但是涌水量高峰出現的時間往往有些滯后，而且隨深度的增加滯后的時間更長。斷層水：是指由不透水巖層,切斷了的地下水。由于水不能通過土壤或巖石，如粘土、壤土和致密完整的頁巖、火成巖和變質巖。因此存在的隔水層，使兩層不接觸水。所以在有多層不同的水質、水量的含水層地區，需要分層開采地下水，隔水層厚度和位置必須確定。低于地下水位開采礦產，為了防止地下水含水層中進我的

16、，充滿了隔水層必須維護。1.1.2排水重要性在現階段我國煤礦事故頻繁發生，造成傷亡的人數和設備財產損失是巨大的，因此煤礦安全問題日益受到人們的關注。煤礦事故的原因有很多，如頂板、運輸、火災和煤塵爆炸，但通常瓦斯爆炸和水災是最頻繁、最嚴重的。如果礦井水不能夠及時排放，將不可避免地導致水災，導致設備損壞、人員傷亡，對礦井帶來災難性的后果。因此，設計一個有效的煤礦井下排水系統是必不可少的1.2國內外研究狀況1.2.1 國內研究狀況國內外學者在研究煤礦井下排水系統控制上已取得了許多成果。國內研究工作者主要是從安全性、可靠性和節能的角度來研究煤礦排水系統。對煤礦中央泵房水泵的自動控制系統的成功改造，為在

17、我國在自動控制排水系統開辟了一個新方法。這也證明了計算機對水泵的控制和礦井監控組成的礦井排水控制系統是一種可行的方法。隨后幾年，國內研究人員從離心泵、管道、電動機三個方面提出了對地下排水系統進行節能改造。國內某研究所提出了采用plc自動檢測水倉的水位、管道壓力、排水流量等數據，根據煤礦用電情況和具體條件建立數學模型，實現水泵避峰就谷操作，節省礦山排水系統在能源上的消耗，因此來降低煤礦生產的成本。1.2.2 國外研究狀況礦井排水設備是煤礦生產的主要用電設備之一，因此實現排水系統的節能用電是十分必要的。俄羅斯科學副博士b.b.馬祖連科介紹了作為排水設備主要類型的離心泵的能耗估算方法，以及離心泵工況

18、點經修正后的能耗估算方法。并以北烏拉爾鋁土礦和斯塔哈諾夫煤炭生產聯合公司為例，具體介紹了幾種工況點經修正后的離心泵能耗估算情況。由于控制理論和現代檢測技術的發展，使得自動排水系統的研究在理論和實踐中取得了一些巨大成果。俄羅斯教授波波夫、博士波波夫教授和北烏拉爾鋁土礦生產聯合公司工程師沙爾塔諾夫，在2000 - 3500 kw異步電動機直接進入電網全電壓起動與礦井高揚程水泵雙機拖動的的比較，指出了礦井排水高揚程水泵采用雙電機拖動具有無可爭辯的優越性。井水質量對排水設備的影響、管道的維護和清理也是一個需要長期研究的問題。俄羅斯研究人員利用成本相等的原則，推出了水泵循環使用周期和管道清洗周期的計算公

19、式，為管道清理和水泵的使用提出了科學依據，提高了整個排水系統的安全性能。酸性礦井廢水和有害元素對井下排水系統的影響也是一個嚴峻的考驗。它不僅僅是關于整個排水系統正常運行，還影響地下設備的運行和礦井工作人員的安全。因此排除酸性礦井廢水和有害元素的技術是國外學者研究礦山排水竭力解決的問題。國外很多國家根據他們特定的環境問題，由其是對礦井酸性廢水進行大量研究，并發表數百篇學術論文和一些專著，對世界在礦井排水的研究上作出了巨大的貢獻。在許多發達國家，礦井排水已經進入系統管理的階段。集中在標準化，實時化和統計劃管理礦井排水問題，利用信息論、控制論、系統論和計算機技術建立水資源管理的信息系統。他們將排水設

20、備的自動化的內容列入了礦山整體水資源管理的規劃之中，將所有的控制信息集中給中心控制室來進行統一控制。1.3本課題研究的主要內容針對目前我國煤礦井下排水系統的現狀，本課題研制開發適合我國煤礦的井下自動排水系統。主要研究內容包括：1.根據排水系統控制要求進行plc硬件選型和軟件的設計。2.根據水倉水位系統可以自動啟停水泵、輪換工作。3.根據水倉水位條件按照“避峰填谷”的原則啟停水泵。4.對系統設備運行、保護等參數進行實時監測和傳送。5.發生故障時，啟動故障處理功能。1.4小結這一章先是介紹了煤礦井水災的主要來源和水災帶來的危害，明確礦井排水的重要性。然后分別介紹了煤礦井下排水自動控制系統在國內外的

21、研究狀況，最后根據目前煤礦排水系統所面臨的的問題，提出本文研究的主要內容。2煤礦泵房自動控制系統2.1 可編程控制器技術概況可編程序邏輯控制器（programmable logic controller，plc）是一種可編程的存儲器，用來執行內部存儲程序、執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術等方面的操作，并可以通過數字量或模擬量輸入/輸出來控制各種類型的機器和生產過程。可編程控制器及其相關的設備是根據易于工業控制系統和擴充的原則設計的一個有機整體。plc只有30多年的發展歷史，卻取得了快速的發展和廣泛的應用，現在已經成為當代工業自動化的主要支柱之一。2.1.1 可編程控制器的產生和發展20

22、世紀20年代起，人們把各種繼電器、定時器、接觸器及其觸電按照一定的邏輯關系連接起來組成控制系統，控制各種機械，這就是大家所熟悉的傳統繼電器控制系統。由于他結構簡單、易于掌握、價格便宜，能夠滿足大部分場合電氣順序邏輯控制的要求，因此在工業控制領域一直占有主導地位。20世紀60年代，由于小型計算機的出現和大規模生產的發展，人們曾經試圖利用小型計算機來實現工業控制的要求，但由于價格昂貴、編程復雜等原因一直沒有大規模的推廣應用。20世紀70年代中期出現了微型處理器和微型計算機，人們將微機技術應用到了plc中，使它能更多發揮計算機的功能，不僅用邏輯編程取代了硬連線邏輯，還增加了運算、數據傳輸和處理等功能

23、，使其成為一種電子計算機工業控制設備。國外工業界在1980年正式將其命名為可編程控制器，簡稱pc。但由于它和個人計算機的簡稱容易混淆，所以現在把可編程控制器簡稱為plc。2.1.2plc的系統組成plc種類繁多，但其組成結構和工作原理基本相同。用plc實施控制，其實質是按照控制功能要求，通過程序按一定的要求進行輸入/輸出變換，并將這個變換給以物理實現，并應用于工業現場。plc專為工業現場應用而設計，采用典型的計算機結構，它主要與cpu、電源、儲存器和專門設計的輸入/輸出接口電路等組成。 圖2.1 plc的結構框圖一、中央處理單元(cpu)中央處理單元(cpu)一般由控制器、運算器和寄存器組成，

24、這些電路都集中在一個芯片內。cpu通過數據總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路相連接。cpu的主要任務是控制用戶程序和數據的接受和存儲；用掃描的方式通過i/o接口接受現場信號的狀態和數據，并存入輸入映像寄存器或數據存儲器中；診斷plc內部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等；plc進入運行狀態后，從存儲器逐條讀取用戶指令，經過命令解釋后按指令規定的任務進行數據傳送、邏輯或算數運算等；根據運算結果，更新有關標志位的狀態和輸出映像寄存器的內容，再經輸出部件實現輸出控制、制表打印或數據通信等功能。二、存儲器plc的存儲器包括系統存儲器和用戶存儲器兩個部分。系統存儲器用來存放由plc生

25、產廠家編寫的系統程序，并固化在rom內，用戶不能更改，它使plc具有基本的功能，能夠完成plc設計者規定的各項工作。系統程序主要包括三個部分：系統管理程序、用戶指令解釋程序和標準程序模塊與系統調用管理程序。用戶存儲器包括用戶程序存儲器和用戶數據寄存器兩個部分。用戶程序存儲器來存放用戶針對具體控制任務用規定的plc編程語言編寫的應用程序。用戶數據存儲器可以用來存放用戶程序中所使用器件的on/off狀態和數值、數據等。用戶存儲器的大小關系到用戶程序容量的大小，是反應plc性能的重要指標之一。3、 輸入/輸出單元 plc的輸入/輸出信號類型可以是開關量、模擬量。輸入/輸出接口單元可以分為兩個部分：一

26、部分是與被控設備相連的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。4、 電源部分 plc 一般使用220v的交流電源或是24v的直流電源，內部的開關電源為plc的中央處理器、存儲器等電路提供5v、24v等直流電源，整體式的小型plc還提供一定容量的直流24v電源，供外部有源傳感器使用。plc所采用的開關電源輸入電壓范圍寬、體積小、效率高、抗干擾能力強。2.1.3plc的工作原理當plc上電后，處于正常運行時，他將不斷重復掃描過程，并不斷循環重復下去。這個過程主要分為三個階段即，輸入采樣階段、程序執行階段、輸出刷新階段，這三個階段是plc工作過程的中心內容，也是plc工作原理的實質所在。 圖2.

27、2 plc的運行框圖一、輸入采樣階段plc在輸入采樣階段，首先掃描所有輸入端子，并將各輸入狀態存入相對應的輸入映像寄存器中，此時輸入映像寄存器被刷新。接著系統進入程序執行階段，在此階段和輸出刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內容保持不變，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的新內容。所以一般來說，輸入信號的寬度要大于一個掃描周期，或者說輸入信號的頻率不能太高，否則很可能造成信號丟失。2、 程序執行階段 進入到程序執行階段后，一般來說，plc按從左到右的、從上到下的步驟順序執行程序。當指令涉及輸入、輸出狀態時，plc就從輸入映像寄存器中“讀入”對應輸入端子

28、狀態，從元件映像寄存器“讀入”對應元件的當前狀態，然后進行相應的運算，最新運算的結果馬上再存入到相應的元件映像寄存器中。對元件映像寄存器來說，每一個元件的狀態會隨著程序執行過程而刷新。3、 輸出刷新階段 在用戶程序執行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態在輸出刷新階段一起轉存到輸出鎖存器中，通過一定的方式集中輸出，最后經過輸出端子驅動外部負載，在下一個輸出刷新階段開始之前，輸出鎖存器的狀態不會改變，從而相應輸出端子的狀態也不會改變。2.1.4 plc的功能特點一plc鮮明的特點1.抗干擾能力強，可靠性高針對工業現場惡劣的環境因素，為提高抗干擾能力，plc在硬件和軟件方面都采取了許多措施

29、。主要模塊均采取采用大模塊與超大規模集成電路，i/o系統設計有完善的通道保護與信號調理電路；在結構上對耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施；對電源部分采取了很好的調整和保護措施；在軟件上采用數字濾波等抗干擾和故障診斷措施，采用信息保護和恢復技術，實時報警和運行信息顯示等，所以這使plc具有很高的抗干擾能力。plc采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的電子存儲器件完成，傳統的繼電器控制系統中的邏輯器件和繁雜的連線軟件被軟件程序取代，所以plc控制系統的可靠性就大大提高。2. 控制系統結構簡單，通用性強 大部分情況下，一個plc主機就組成一個控制

30、系統。對于需要擴展的系統只要選好擴展模塊，進過簡單的連接即可。plc控制系統實質性的好處是當控制要求改變時，需要變更控制系統的功能時，只需對程序進行簡單的修改，對硬件部分稍作更改即可，而不像繼電器控制系統那樣，在一個裝配好的控制盤上，對系統進行修改幾乎是不可能的事。同一個plc裝置用于不同的控制對象，只是輸入/輸出組件和應用軟件不同。所以說plc控制系統具有極高的柔性，即通用性強。3. 編程方便，易于使用 plc是面向底層用戶的智能控制器，因此其最初的目的就是取代繼電器邏輯，所以在plc誕生之時，其設計者充分考慮到現場工程技術人員的技能和習慣，其編程語言采用可和傳統控制系統中電氣原理圖類似的梯

31、形圖語言。這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門計算機知識和語言，只要具有一定的電氣和工藝知識的人員都可以在短時間內學習。4. 功能強大，成本低 現在plc幾乎可以滿足所有工業控制領域的需要。plc控制系統可大可小，能輕松完成單片機控制系統、批量控制系統、制造業自動化中的復雜邏輯順序控制、流程工業中大量的模擬量控制，以及組成通信網絡、進行數據處理和管理等任務。5. 設計、施工和調試的周期短 采用plc控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結構，且已經商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可以在plc到貨前進行，因而縮減了設計周期。由于軟件編程取代了硬接線實現控制功

32、能，大大減輕了繁重的安裝接線工作，從而縮短了施工周期。因為plc是通過程序完成控制任務的，采用了方便用戶的工業編程語言，且都具有強制和仿真的功能，故程序的設計、修改和調試都很方便，這樣大大縮短設計和投運周期。6. 維護方便 plc的輸入/輸出端子能夠直觀的反映現場信號的變化狀態，通過編程工具可以直觀地觀察控制程序和控制系統的運行狀態，如內部工作狀態、通信狀態、i/o點狀態、異常狀態和電源狀態，極大的方便了維護人員查找故障，縮短了對系統的維護時間。二s7-200 的幾個特性1)定義掉電保護s7-200 plc允許用戶定義掉電保護區的地址范圍，這些元件包括：v、m、c、t。被定義過的區間，可以在停

33、電后任然保持存儲器中的數據。只有保持型定時器可以設為設為掉電保護的，對計數器和定時器來說，只有當前值可以保持，它們的位不能保持。在默認情況下，m存儲器的前14個字節是非保持的。2) 立即讀寫i/os7-200 plc提供有立即讀寫物理i/o點的指令，使用這些指令可以直接訪問真正的輸入/輸出點，而不必使用映像寄存器作為源地址和目的地址來訪問i/o。3) 對輸入信號增加濾波器 干擾信號會引起系統的誤操作，s7-200 plc允許為cpu模塊上的輸入點設置濾波器，并未濾波器定義延遲時間，延遲時間從0.2ms12.8ms可選。延遲時間可有助于濾除輸入雜波，減少輸入狀態發生意外改變的可能性。4) 捕捉窄

34、脈沖 s7-200 plc為cpu模塊上的數字量輸入點提供脈沖捕捉功能，該功能允許plc捕捉到持續時間很短的脈沖信號。當一個輸入點設置了脈沖捕捉功能后，輸入點的狀態變化被鎖存并一直保持到下一個掃描采樣階段，這就保證了一個持續時間很短的脈沖信號能被捕捉到。5) 模擬電位器 模擬電位器位于cpu模塊的面板上，有些cpu有一個，有些有兩個，電位器的標定范圍為0255。這些電位器可以完成很多功能，如更新定時器、計時器的設定值、修改限定值等。其特點是成本低、簡單，但不直觀、精度低。6) 高速i/o s7-200 plc具有集成的高速計數功能，它能夠對外部高速事件計數而不影響cpu的性能。s7-200 p

35、lc也支持高速脈沖輸出功能，其輸出點q0.0和q0.1可形成高速脈沖串輸出或脈寬調制輸出。7) 設置停止模式下的輸出值 有些情況下，為了安全等方面的原因，需要設置在停止狀態下plc的輸出值。s7-200 plc允許用戶選擇在stop模式下的輸出狀態，輸出有數字量信號和模擬信號之分，對這些輸出信號，可以設置它們是保持stop前的狀態，還是將已知設定值傳送到輸出端。2.2主排水控制系統2.2.1排水系統原理在手動控制排水系統的基礎上加以改進，使排水系統具備手動和自動兩種控制方式，達到智能工作的目的。自動控制是指根據水泵、真空泵以及其它相關聯設備的工作要求設定程序來自動完成控制。而手動控制則需要操作

36、員根據要求，按照一定順序來進行水泵及其相關設備的開停控制。系統采用plc（可編程控制)為核心，通過采集各種參數包括水箱水位、壓力、溫度、真空度、電壓、電流等，對水泵的工作狀態進行實時監控，當接收到來自操作臺的控制命令時，對水泵等電器設備進行啟動、停止等相關操作，還可以將數據傳至上位機，并通過上位機對井下排水設備進行監控。具體來說，系統具有以下功能：1. 可以選擇自動控制或是手動控制2. 水泵輪換工作。以水泵的工作效率高為標準，對系統參數進行實時監測，優化排水系統的工作狀態，使系統高效運行。3. 在自動控制下，可以根據水倉水位的變化，控制開關閥來控制水泵的工作狀態。4. 實時監測系統參數，如電壓

37、、電流、軸溫、出水口壓力等。5. 對異常情況可及時發出警報，如高水位警報和其他故障警報。6. 實現避峰就谷，根據不同時間電費的不同結合礦井的用水量和用電負荷，合理調度水泵的工作狀態，實現節能的目的。7. 排水系統和上位機實現數據交換，實現數據記錄、查詢等功能。2.2.2系統組成 煤礦井下主排水自動控制系統主要由遠程控制上位機、plc控制箱、顯示操作臺、閥門、傳輸光纜、傳感器、交換機等設備組成，根據硬件結構可分為三層：現場層、控制層和管理層。 圖2.3 井下主排水系統自動控制系統結構圖 如圖2.3所示，管理層中網絡視頻服務器與井下的防爆攝像儀通過以太網通信，實現對中央住水泵房工作情況的實時監控。

38、上位機用于監控井下主排水自控系統，通過以太網與plc控制箱進行信息交換，并根據攝像儀顯示的現場層水泵及相關聯設備的參數信息對其進行遠程控制。控制層包括plc控制箱和顯示操作臺。plc控制箱作為主排水控制中心和數據采集中心，用來采集水泵及相關聯設備的運行信息，并與管理層的上位機通過以太網進行實時數據交換，對各個設備集中監控。顯示操作臺由開關按鈕。指示燈和文本顯示器組成，顯示各個設備的狀態，并實施就地控制。水泵相關聯設備主要包括各種傳感器和各種閥門。2.3離心式水泵排水系統2.3.1 離心泵排水系統組成部分離心式水泵排水系統的主要組成部分有：離心式水泵、電動機、起動設備、儀表、管路及管路附件等組成

39、。 圖2.4離心式水泵工作系統圖1-水倉；2-水泵；3-電動閘閥；4-逆止閥；5-射流泵電磁閥；6-靜止水管；7-電機啟動開關；8-電動機；9-射流泵2.3.2 射流泵的工作原理 引水設備一般為真空泵或射流泵。真空泵運行效率高，水泵啟動快，但需要提供專門的驅動設備。射流泵的結構簡單，操作方便，根據礦井的地下環境和條件，射流泵的應用更為普遍。其結構如下圖2.5所示。 圖2.5 射流泵系統結構1-噴 嘴； 2-吸入室；3-混合管；4-擴散管；5-吸水管；6-壓出管 2.3.3射流泵的特點1、結構簡單，加工容易，成本低2、工作可靠，無泄漏，無磨損，維護方便3、可綜合利用，兼作反應器、混合器等4、能量

40、轉換效率較低射流泵具有結構簡單、占地少、安裝容易、工作可靠、維護方便等優點，是一種常用的引水設備，適合井下排水設備使用。 2.4離心式水泵的啟停過程2.4.1 啟動過程第一是監測水倉的水位，當水倉的水位達到設置的水位標準時，通過控制射流泵的電磁閥線圈，打開噴射泵為離心式水泵注水。射流泵的工作會導致水泵入口處的真空度增加，離心泵的腔體會在大氣壓的作用下被配水井中的水注滿，當水泵入口處的真空度達到要求后，水泵機組的電動機觸電接通使水泵被開啟。此后水泵出口壓力將逐漸增加，當達到一定值時就不再增加，此時開啟該水泵的電動閘閥，使得這個水泵進行排水，同時關閉射流泵停止為其引水。2.4.2 停機過程在水泵的

41、作用下水倉的水位逐漸下降，當水位低于安全水平時，需要先關閉排水管的電動閘閥，然后再關閉逆止閥，防止排水管中的水倒流到水倉內，然后關閉水泵電機，使其停止工作。2.5小結本章先是介紹了plc的特點功能，工作原理，然后分析了煤礦井下自動控制的原理，即是以plc控制箱為核心，采集現場設備的參數，對水泵的運行狀態進行實時監控，同時與上位機通信，接收來自上位機和顯示控制臺的控制命令，實行遠程監控，最后從硬件方面簡單介紹了井下排水系統的組成部分，最后簡單介紹了射流泵、離心泵等相關技術。3主排水自動控制系統的硬件設計3.1主排水自控系統主要設備選型3.1.1主要硬件選型煤礦主排水系統設計了兩套排水管路，分別為

42、1 #主排水管路和2 #副排水管路。因為地下環境的復雜性，所以采用了3臺隔爆型三相異步電動機來作為三臺水泵的驅動，在正常情況下一臺正常運轉工作，一臺備用，一臺維護。此外吸水管采用無底閥設計，在泵啟動前使用真空泵把水泵排水腔和吸入管道中的氣體抽空，使得水泵葉輪能夠完全浸沒在水中，達到良好的排水。圖3.1主排水管道示意圖 從上圖我們可以看到，所有水泵都和1 #主排水管路和2 #副排水管路相接，支路上分別安裝了排水閘閥，并且在排水管路上安裝了真空閥。此外，主排水管路和副排水管路上都安裝了流量傳感器，正壓力傳感器安裝在每臺水泵的出水口處，負壓力傳感器安裝在水泵吸水口處來檢測水泵的真空度，將溫度傳感器安

43、裝在水泵和電機上來檢測電機軸承溫度和水泵軸承溫度。在水倉中裝配兩組液位傳感器，一組為超聲波傳感器用來檢測水倉庫水位的變化趨勢，另一組是數字液位開關，是由3套浮球液位開關組成，可以根據浮球的沉浮情況來判斷水位的高低，使系統能夠根據水位變化來自動控制水泵的工作狀態。3.1.2 plc 的選型根據煤礦安全監管法規，礦用水泵必須有三種工作方式即工作、備用和檢修。工作方式是指在本次水泵操作中當前水泵被優先開啟，備用是指在本次水泵操作時當前水泵處于備用狀態，當打開的水泵不能滿足施工的排水要求時，備用水泵才開始工作，檢修是指是在本次水泵的操作中，當前的水泵不被使用，則是對該水泵進行維護。按照系統的需求，礦井

44、主排水控制系統的plc主要包括數字量輸入、模擬輸入和數字量輸出三種信號。數字量輸入信號主要包括水泵的工作,水泵的啟動和停止信號、水泵控制方式選擇的信號、選擇真空泵的信號、真空泵啟動和停止信號、排水閥以及電磁閥等開關位置的信號等。數字輸出信號包括控制水泵起停信號、故障指示信號、水泵操作指令、控制排水閘閥和電磁閥開關的信號等。模擬輸入信號是指水泵出水口正壓、入水口負壓、水泵和電機的軸承溫度、排水道路的水流量、水倉庫水位和水泵的開停狀態等信號。 圖3.2 plc各模塊信號連接圖 根據上圖，詳細統計出plc所需的模擬量輸入點數，數字量輸入、輸出點數和通訊模塊點數，見表3.1 表3.1 模擬量輸入點數統

45、計模擬量輸入點數統計參數名稱所需點數水泵出水口壓力3水泵吸收口真空度3水泵軸承溫度3電機軸承溫度3排水管的流量2水泵開停檢測3水倉的水位1合計18 表3.2 數字量輸入點數統計 數字量輸入點數統計參數名稱所需點數控制模式選擇2急停1復位1水泵啟動、停止6水泵的工作方式選擇6自動、手動1真空泵的選擇1真空泵啟動、停止2排水閥開、關12排空閥開、關12數字液位開關3合計47表3.3 通訊口數目統計通訊口數目通訊對象所需點數 上位計算機1電量檢測模塊1合計2表3.4 數字量輸出點數統計數字量輸出點數統計參數名稱 所需點數 水泵啟動、停止 6水泵運行的指示3故障指示1急停指示1水位超限指示1報警1排水

46、閥開、關 12排空閥開、關 12合計37從上面的幾個表我們可以統計出，數字量輸入點共有47個，數字量輸出點共有37個，模擬量輸入點有18個，通訊口共有2個，其中plc與文本顯示器通過rs485通信；plc和pc機通過工業以太網通信，plc通信模塊的信息首先傳遞到地下光纖通信箱，然后通過光纖傳輸到地面光纖接線盒，再把用光端機轉換成以太網的信號傳送交換機，供地面監測和控制系統使用。通過對系統i / o點數的統計我們選擇西門子s7 -200系列的plc做為控制核心，包括226cn的cpu模塊1個， em223cn數字量輸入/輸出擴展模塊2個，em231模擬量輸入模塊5個。3.2各模塊地址分配plc的

47、i/o端口對應于不同的映像寄存器，端口的分配要與程序中使用的寄存器相互對應，不然會因為邏輯混亂而使系統無法正常工作。根據煤礦井下主排水控制系統的要求，對每個plc模塊i/o端口的定義如下表所示 表3.5em231端口定義em231端口定義模塊號輸入端口端口定義em231-1aiw01#水泵開停檢測aiw21#水泵吸水口負壓aiw41#水泵出水口負壓aiw61#主排水管路流量em231-2aiw82#水泵開停檢測aiw102#水泵吸水口負壓aiw122#水泵出水口正壓aiw142#副排水管路流量em231-3aiw163#水泵開停檢測aiw183#水泵吸水口負壓aiw203#水泵出水口正壓aiw

48、22水倉水位em231-4aiw241#水泵軸溫aiw261#電機軸溫aiw282#水泵軸溫aiw302#電機軸溫em231-5aiw323#水泵軸溫aiw343#電機軸溫aiw36備用aiw38備用表3.6 em223cn端口定義em223cn端口定義模塊號輸入端口端口定義輸出端口端口定義em223-1i3.01#排水閘閥開到位q2.01#排水閘閥打開i3.11#排水閘閥關到位q2.11#排水閘閥關閉i3.22#排水閘閥開到位q2.22#排水閘閥打開i3.32#排水閘閥關到位q2.32#排水閘閥關閉i3.43#排水閘閥開到位q2.43#排水閘閥打開i3.53#排水閘閥關到位q2.53#排水閘

49、閥關閉i3.64#排水閘閥開到位q2.64#排水閘閥打開i3.74#排水閘閥關到位q2.74#排水閘閥關閉i4.05#排水閘閥開到位q3.05#排水閘閥打開i4.15#排水閘閥關到位q3.15#排水閘閥關閉i4.26#排水閘閥開到位q3.26#排水閘閥打開i4.36#排水閘閥關到位q3.36#排水閘閥關閉i4.41#電磁閥開到位q3.41#電磁閥打開i4.51#電磁閥關到位q3.51#電磁閥關閉i4.62#電磁閥開到位q3.62#電磁閥打開i4.72#電磁閥關到位q3.72#電磁閥關閉em223-2i5.03#電磁閥開到位q4.03#電磁閥打開i5.13#電磁閥關到位q4.13#電磁閥關閉i5

50、.24#電磁閥開到位q4.24#電磁閥打開i5.34#電磁閥關到位q4.34#電磁閥關閉i5.45#電磁閥開到位q4.45#電磁閥打開i5.55#電磁閥關到位q4.55#電磁閥關閉i5.66#電磁閥開到位q4.66#電磁閥打開i5.76#電磁閥關到位q4.76#電磁閥關閉i6.0備用q5.0備用i6.1備用q5.1備用i6.2備用q5.2備用i6.3備用q5.3備用i6.4備用q5.4備用i6.5備用q5.5備用i6.6備用q5.6備用i6.7備用q5.7備用 cpu226cn端口定義輸入端口端口定義輸出端口端口定義i0.0遠控q0.0故障指示i0.1就地q0.1急停指示i0.2自動/手動q0

51、.2水位超限指示i0.3復位q0.3報警i0.4急停q0.41#水泵運行指示i0.5超高限水位開關q0.52#水泵運行指示i0.6高限水位開關q0.63#水泵運行指示i0.7底限水位開關q0.71#水泵啟動i1.01#水泵工作q1.01#水泵停止i1.11#水泵檢修q1.12#水泵啟動i1.22#水泵工作q1.22#水泵停止i1.32#水泵檢修q1.33#水泵啟動i1.43#水泵工作q1.43#水泵停止i1.53#水泵檢修q1.5備用i1.61#水泵啟動q1.6備用i1.71#水泵停止q1.7備用i2.02#水泵啟動i2.12#水泵停止i2.23#水泵啟動i2.33#水泵停止i2.41#/2#真空泵選擇i2.5真空泵選擇i2.6真空泵停止i2.7備用 表3.7