目錄32718摘要 116570Abstract 2186221緒論 5187601.1煤礦井下水的形成及排水的重要性 5212781.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及主要問(wèn)題 8214191.2.1課題研究現(xiàn)狀 8303421.2.2主要問(wèn)題 9256991.3本課題研究的主要內(nèi)容 1029901.4本章小結(jié) 1198802煤礦井下排水系統(tǒng)組成概況 11146362.1離心式水泵工作原理 12221192.2射流泵和真空泵的介紹 15171522.2.1真空泵工作原理 1699262.2.2射流泵工作原理 19234132.3離心式水泵的啟停過(guò)程 20182592.3.1離心式水泵的啟動(dòng)過(guò)程 20102812.3.2離心式水泵的停機(jī)過(guò)程 2045512.4多臺(tái)水泵的井下排水系統(tǒng)組成及功能實(shí)現(xiàn) 2110822.5本章小結(jié) 22255813系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2243223.1可編程控制技術(shù) 2346743.1.1PLC的主要特點(diǎn) 23286963.1.2PLC的基本工作原理 271723.1.3PLC實(shí)現(xiàn)控制功能 3184133.2PLC控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 3466423.2.1控制系統(tǒng)的輸入/輸出參數(shù)統(tǒng)計(jì) 35295443.2.2PLC系統(tǒng)選型 38255563.3本章小結(jié) 40315734傳感器選型 4074094.1液位傳感器介紹 42226414.1.1超聲波液位傳感器 42314594.1.2投入式液位傳感器 44130334.1.3液位檢測(cè)裝置的選擇 4546634.2電機(jī)及水泵溫度檢測(cè) 46281254.3水泵壓力檢測(cè) 48325564.4水泵流量檢測(cè) 49275624.4.1流量檢測(cè)儀器的安裝位置 50239014.4.2電磁流量計(jì)工作原理及其特點(diǎn) 52228904.5水泵負(fù)壓檢測(cè) 55199064.6本章小結(jié) 57254595控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 5714475.1軟件流程圖 587385.1.1自動(dòng)輪換工作 61303595.1.2避峰填谷 61216255.2地址分配 62241305.3水泵的自動(dòng)開(kāi)啟、運(yùn)行、停止故障保護(hù)流程圖 67110855.4本章小結(jié) 71181496.總結(jié) 71261466.1展望 72970參考文獻(xiàn) 741125英文原文 7621197中文譯文 888219致謝 971緒論1.1煤礦井下水的形成及排水的重要性在礦井產(chǎn)的正常運(yùn)行，突發(fā)時(shí)甚至?xí)斐晒ぷ魅藛T的傷亡。生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常有各種水源的水涌入礦井，稱(chēng)之為礦水。大量的礦水威脅到礦井生產(chǎn)生礦井涌水的兩個(gè)必備條件是礦井水源和涌水通道。1.礦井涌水的水源礦井涌水的水源有地表水和地下水兩大類(lèi)。(1)地表水源。地表水源主要指大氣降水和地表水。1）大氣降水。大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給水源。降水量對(duì)礦井涌水的影響，對(duì)于分布于河谷洼地，并且煤層上部有透水層、溶洞、裂隙或塌陷的淺井較為顯著，其影響具有明顯的季節(jié)性。雨季礦井涌水量增大，旱季則相反。2）地表水。河流、湖泊、水庫(kù)和塌陷地積水等地表水，可以通過(guò)井筒、塌陷裂隙、斷層、裂隙、溶洞和鉆孔等直接進(jìn)入井下，也可以作為地下水的補(bǔ)給水源，使地下水經(jīng)過(guò)與井巷連通的通道進(jìn)入井巷，造成水災(zāi)。（2）地下水源。地下水是礦井水最經(jīng)常、最主要的水源，而大氣降水和地表水也是一般先補(bǔ)給地下水，然后再流入礦井。所以研究地下水的水量分布、補(bǔ)給條件、動(dòng)態(tài)變化規(guī)律等，對(duì)分析礦井涌水極為重要。根據(jù)地下水的賦存狀態(tài)和賦存位置的不同，可將礦井水分為以下幾種：1）含水層水。地層中的沙層、砂巖和灰?guī)r層等，往往含有豐富的地下水。當(dāng)掘進(jìn)巷道揭露含水層或回采工作面放頂后所形成的冒落裂隙與這些含水層相通時(shí)，含水層水就涌入礦井。含水層水一般都具有很高的壓力，特別是當(dāng)它與地面水源相通時(shí)，對(duì)礦井安全生產(chǎn)的影響較大。2）斷層水。斷層帶及斷層附近巖石破碎，裂隙發(fā)育，常形成構(gòu)造賦水帶。特別是當(dāng)導(dǎo)水?dāng)鄬优c強(qiáng)含水層或積水體相通時(shí)，如發(fā)生斷層突水，就會(huì)形成水災(zāi)。3）老空積水。井下采空區(qū)或煤層露頭附近的古井、小窖常有積水，如果開(kāi)采時(shí)與之相通，就會(huì)發(fā)生突水事故。另外，還有生產(chǎn)用水。煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，如水采、除塵、煤體注水、防火注漿、水砂充填等，都要大量用水，如管理不善、排水不暢也可能引起水災(zāi)事故。2.礦井涌水通道礦井涌水通道可分為人為形成的通道和天然形成的通道兩種。(1)人為形成的通道有：1）頂板冒落裂隙帶——頂板冒落形成導(dǎo)水裂隙。2）地表巖溶塌陷帶——礦區(qū)開(kāi)采后地表下沉，地表水和大氣降水通過(guò)塌陷坑直接進(jìn)入井下。3）封孔質(zhì)量差的鉆孔——打孔后封孔不嚴(yán)，鉆孔成為各類(lèi)含水層的涌水通道。（2）天然形成的涌水通道有：1）孔隙、裂隙——各種巖層中的節(jié)理、層理成為涌水通道。2）巖溶——巖石中的溶洞、孔洞成為涌水通道。3）斷層破碎帶——通過(guò)斷層與含水層相連，斷層破碎帶成為涌水通道。井下排水系統(tǒng)的任務(wù)就是把通過(guò)各種途徑流入礦井的積水排送到地表。在煤礦地下開(kāi)采過(guò)程中，由于地層中含水的涌出，雨水和江河水的滲透，水砂充填和水利采煤礦井的井下供水，將更有大量的水晝夜不停地匯集于井下。如果不能及時(shí)地將這些積水排送到井上，井下的生產(chǎn)可能受到阻礙，井下的安全得不到保障，嚴(yán)重者會(huì)造成重大事故。煤礦大量的井下水在會(huì)對(duì)工作人員和設(shè)備的安全造成很大的威脅，如不采取及時(shí)有效地治理措施，會(huì)造成嚴(yán)重后果，輕者淹井停產(chǎn)，重者礦毀人亡。因此礦井主排水系統(tǒng)是保證礦井安全的關(guān)鍵設(shè)備之一，在煤礦安全生產(chǎn)中有著舉足輕重的作用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及主要問(wèn)題1.2.1課題研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在煤礦井下排水系統(tǒng)控制的研究中取得了很多成就。就國(guó)內(nèi)的研究工作來(lái)看，大多是從煤礦井下排水系統(tǒng)的安全可靠性、節(jié)能的角度進(jìn)行研究。首先是煤礦對(duì)中央泵房水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的成功改造，為我國(guó)井下排水系統(tǒng)自動(dòng)控制開(kāi)辟了一條新的途徑。這也驗(yàn)證了以計(jì)算機(jī)進(jìn)行單臺(tái)水泵的“水泵控制系統(tǒng)”改造和以礦井監(jiān)控為主的“礦井監(jiān)控系統(tǒng)”組成的“礦井排水自動(dòng)控制系統(tǒng)”是一種可行的方法。隨后幾年，根據(jù)煤礦井下排水系統(tǒng)消耗電能大的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)研究人員分別從離心式水泵，排水管路，電動(dòng)機(jī)三個(gè)方面提出了對(duì)井下排水系統(tǒng)的節(jié)能改造。由于各類(lèi)礦井情況差別大，能源消耗尤其是電能消耗大，所以在節(jié)能技術(shù)方面的研究對(duì)煤礦效益，以致可持續(xù)發(fā)展有著很大的意義。國(guó)內(nèi)某計(jì)研究院提出采用PLC自動(dòng)檢測(cè)水倉(cāng)水位、管道壓力、流量等數(shù)據(jù)，根據(jù)水倉(cāng)水位高低和參考礦井用電情況，建立數(shù)學(xué)模型，達(dá)到了水泵運(yùn)行的避峰就谷的效果，有效地節(jié)省了礦井在排水系統(tǒng)上的能耗，縮減了煤礦的生產(chǎn)成本。隨著全國(guó)普及用電分時(shí)段計(jì)費(fèi)后，國(guó)內(nèi)專(zhuān)家就煤礦用電問(wèn)題提出了分時(shí)用電以降低煤礦井下排水的成本。本觀(guān)點(diǎn)避開(kāi)水泵、管道和用電效率等因素，單從用電時(shí)段來(lái)考慮，強(qiáng)調(diào)煤礦井下排水應(yīng)避開(kāi)用電高峰，盡量在用電低谷把井下的水排凈，稱(chēng)為煤礦排水的“避峰填谷”技術(shù)。國(guó)外的研究大多從管道的長(zhǎng)期的維護(hù)和清理，井水質(zhì)量對(duì)排水設(shè)備的影響等更加細(xì)微更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的方面來(lái)研究。俄羅斯研究人員根據(jù)費(fèi)用相等的原理，推導(dǎo)出水泵最佳使用周期和管道清理周期的兩種形式相似的計(jì)算公式，為水泵使用和管道清理從科學(xué)的角度進(jìn)行闡述，提高了整個(gè)排水系統(tǒng)的安全性能。酸性礦井排水及有害元素的影響對(duì)井下排水系統(tǒng)也是一項(xiàng)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。它不僅關(guān)乎到整個(gè)排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，更影響井下設(shè)備和工作人員的安全。因此研究酸性礦井排水和有害元素的危害的新工藝已是國(guó)外礦井排水下大力度解決的科研難題。英國(guó)、德國(guó)、加拿大、西班牙等國(guó)根據(jù)本國(guó)礦井的具體存在的環(huán)境問(wèn)題，特別是酸性礦井排水進(jìn)行了大量的研究。并公開(kāi)發(fā)表了數(shù)百篇學(xué)術(shù)論文和幾部論文集和專(zhuān)著。對(duì)世界礦井排水中的環(huán)境研究作出了巨大的貢獻(xiàn)。1.2.2主要問(wèn)題礦井中央泵房是礦山企業(yè)的機(jī)電要害場(chǎng)所，直接影響到礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的礦山企業(yè)礦井中央泵房的自動(dòng)化水平還不是很高，這影響了生產(chǎn)的安全生和高效性，礦井中央泵房無(wú)人值守自動(dòng)化系統(tǒng)可以有效解決這些問(wèn)題。井下的水泵電壓高、功率大、啟動(dòng)復(fù)雜，水泵啟動(dòng)前吸水管路的充水，通常采用抽真空吸水的方法來(lái)完成?，F(xiàn)泵房?jī)?nèi)設(shè)備的運(yùn)行與管理以及水倉(cāng)水位的觀(guān)察，普遍采用人工操作方式，操作過(guò)程繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、水泵啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、自動(dòng)化程度低、不適應(yīng)現(xiàn)代化礦井管理。隨著我國(guó)頒布分時(shí)繳納電費(fèi)的辦法后，煤礦排水的經(jīng)濟(jì)效益也尤為突出。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，每開(kāi)采1噸煤就要排出2--7噸礦井水，有時(shí)甚至要排出30--40噸礦井水。井下排水設(shè)備所配備電機(jī)的功率，小的幾千瓦到幾十千瓦，大的幾百千瓦到上千千瓦、在我國(guó)煤炭行業(yè)中，井下排水用電量占原煤生產(chǎn)總耗電量的18%--41%，一般為20%左右。因此，煤礦排水系統(tǒng)的節(jié)約用電也開(kāi)始引起人們的注意。1.3本課題研究的主要內(nèi)容1.水泵的啟?？刂茩C(jī)制煤礦井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)是以單個(gè)水泵的自動(dòng)運(yùn)作為基礎(chǔ)的,每個(gè)水泵在啟動(dòng)前,PLC模塊先啟動(dòng)抽真空系統(tǒng),檢測(cè)真空度。如果沒(méi)有達(dá)到所需的真空度則繼續(xù)等待并適時(shí)檢測(cè),當(dāng)達(dá)到所需的真空度,則啟動(dòng)水泵。然后檢測(cè)水泵出水口壓力,如果壓力參數(shù)沒(méi)有達(dá)到要求,則繼續(xù)等待,并適時(shí)檢測(cè),當(dāng)壓力參數(shù)滿(mǎn)足要求,則打開(kāi)水泵出水口電動(dòng)閘閥同時(shí)停止抽真空系統(tǒng)。水泵運(yùn)行過(guò)程中,PLC模塊又適時(shí)檢測(cè)水倉(cāng)液位,當(dāng)水位低于液位下限值時(shí)則關(guān)閉水泵電動(dòng)閘閥。確保閘閥關(guān)閉到位,水泵關(guān)閉完畢。2.水泵自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作每臺(tái)水泵有兩個(gè)數(shù)據(jù)寄存器,分別存放運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行次數(shù)。每次啟動(dòng)水泵,自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間最短的無(wú)故障水泵。當(dāng)兩臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間相近且最少時(shí),則啟動(dòng)運(yùn)行次數(shù)較少的水泵。自動(dòng)累加水泵的排水時(shí)間和排水次數(shù)。3.“避峰填谷”機(jī)制設(shè)定3個(gè)水位限值：H1(水位下限),H2(報(bào)警水位),H3(超限水位),當(dāng)前水位設(shè)為H。當(dāng)H達(dá)到H2時(shí),首先對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)測(cè),若處于用電谷段,即啟動(dòng)水泵；若處于用電峰段,則暫緩啟動(dòng)水泵；當(dāng)水位繼續(xù)上升至H3時(shí),則不論電網(wǎng)負(fù)荷如何,必須立即啟動(dòng)水泵；不論投入幾臺(tái)水泵,水位必須下降到H1時(shí)方可停泵。1.4本章小結(jié)本章簡(jiǎn)述了煤礦井下水的形成和排水的重要性，目前該領(lǐng)域存在的問(wèn)題，并介紹了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后對(duì)本課題所要做的主要內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概括。

2煤礦井下排水系統(tǒng)組成概況2.1離心式水泵工作原理井下排水系統(tǒng)一般采用離心式水泵，一些小型煤礦或淺水井臨時(shí)排水系統(tǒng)也采用潛水泵。離心式水泵排水系統(tǒng)主要由離心式水泵、電動(dòng)機(jī)、起動(dòng)設(shè)備、儀表、管路及管路附件等組成。如圖2-1所示。1.起動(dòng)設(shè)備2.電動(dòng)機(jī)3.水泵4.抽水管5.濾水器6.負(fù)壓表7.壓力表8.閘閥9.逆止閥10.射流泵11.排水閥12.靜壓水管13.射流泵電磁閥圖2-1離心式水泵工作系統(tǒng)1.濾水器和底閥濾水器安裝在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于0.5m。其作用是防止井底沉積的煤泥和雜物吸入泵內(nèi)，導(dǎo)致水泵被堵塞或被磨損。在濾水器內(nèi)裝有舌型底閥，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。但是現(xiàn)在的排水系統(tǒng)中，為了提高排水效率，減小水泵腐蝕，一般不用底閥，而用射流泵或真空泵為水泵和吸水管注水。2.閘閥（如圖2-2）是指啟閉體(閥板)由閥桿帶動(dòng)閥座密封面作升降運(yùn)動(dòng)的閥門(mén)，可接通或截?cái)嗔黧w的通道。當(dāng)閥門(mén)部分開(kāi)啟時(shí)，在閘板背面產(chǎn)生渦流，易引起閘板的侵蝕和震動(dòng)，也易損壞閥座密封面，修理困難。閘閥通常適用于不需要經(jīng)常啟閉，而且保持閘板全開(kāi)或全閉的工況。不適用于作為調(diào)節(jié)或節(jié)流使用。圖2-2閘閥結(jié)構(gòu)圖調(diào)節(jié)閘閥安裝在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止閥的下方。其功用為:（1）調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程；（2）起動(dòng)時(shí)將它完全關(guān)閉，以降低起動(dòng)電流。調(diào)節(jié)閘閥的優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)阻力和關(guān)閉壓力較小，安裝時(shí)無(wú)方向性，能夠方便地來(lái)調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程等。其缺點(diǎn)是密封面容易擦傷，檢修較為困難，高度尺寸較大，在安裝位置受到限制時(shí)，安裝不便，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較高。放水閘閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥上方的排水管路的放水管上，其作用為檢修排水管路時(shí)放水用。3.逆止閥逆止閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥的上方，其作用是當(dāng)水泵突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)(如突然停電)時(shí)，或者在未關(guān)閉調(diào)節(jié)閘閥的情況下停泵時(shí)，能自動(dòng)關(guān)閉，切斷水流，使水泵不致受到水力沖擊而遭到損壞。4.灌引水漏斗、放氣栓和旁通管灌引水漏斗是在水泵初次起動(dòng)時(shí)，向水泵和吸水管中灌引水用。在向水泵和吸水管中灌引水時(shí)，要通過(guò)放氣栓(又叫氣嘴)將水泵和吸水管中的空氣放掉。當(dāng)排水管中有存水時(shí)，也可通過(guò)旁通管向水泵和吸水管中灌引水，此時(shí)要將旁通管上的閥門(mén)打開(kāi)。此外，還可通過(guò)旁通管，利用排水管中的壓力水的反沖作用，沖掉積存于水泵流通部分和附著于濾水器上的雜物，但此時(shí)須通過(guò)連接在底閥上的鐵絲或鏈條將底閥提起。5.壓力表壓力表安裝在水泵的排水接管上，為檢測(cè)排水管中水壓大小用。常用的壓力表為普通彈簧管壓力表，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征可分為徑向無(wú)邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱(chēng)直徑有60,100,150,200和250mm五種。壓力表所測(cè)出的壓力叫做表壓力或相對(duì)壓力，它比絕對(duì)壓力小1個(gè)大氣壓。6.真空表真空表安裝在水泵的吸水接管上，為檢測(cè)吸水管的真空度用。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征也可分為徑向無(wú)邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱(chēng)直徑和壓力表一樣，也分為60,100,150，200和250mm五種。真空表測(cè)量范圍為0--0.1MPa(一個(gè)大氣壓)。2.2射流泵和真空泵的介紹離心式水泵在起動(dòng)前必須將吸水管和泵腔內(nèi)注滿(mǎn)水才能進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，否則水泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將無(wú)法吸水，形成“干燒”，嚴(yán)重影響水泵的使用壽命。在無(wú)底閥的排水系統(tǒng)中，水泵每次起動(dòng)都要灌水，這一工作由抽真空設(shè)備完成，一般使用射流泵或真空泵。它們的工作原理不同，但都能在系統(tǒng)中使水泵工作腔達(dá)到一定的真空度，保證系統(tǒng)正常工作。水泵房排水設(shè)備一般安置在水井液面以上，所以水泵啟動(dòng)前的灌水一般采用吸入式。為了減小井水吸入阻力，提高泵站運(yùn)行效率，吸水管路不宜設(shè)置底閥。無(wú)底閥吸入式灌水，要采用撞門(mén)的引水設(shè)備，對(duì)水泵排水腔和吸水管路進(jìn)行抽真空，使水泵運(yùn)行前充滿(mǎn)水。引水設(shè)備一般為真空泵或射流泵。真空泵和射流泵中所用到的閥門(mén)都是球閥。球閥（如圖2-3）是由旋塞閥演變而來(lái)。它具有相同的啟閉動(dòng)作，不同的是閥芯旋轉(zhuǎn)體不是塞子而是球體。當(dāng)球旋轉(zhuǎn)90度時(shí)，在進(jìn)、出口處應(yīng)全部呈現(xiàn)球面，從而截?cái)嗔鲃?dòng)。球閥在管路中主要用來(lái)做切斷、分配和改變介質(zhì)的流動(dòng)方向。圖2-3球閥結(jié)構(gòu)圖2.2.1真空泵工作原理真空泵是用各種方法在某一封閉空間中產(chǎn)生、改善和維持真空的裝置。真空泵可以定義為：利用機(jī)械、物理、化學(xué)或物理化學(xué)的方法對(duì)被抽容器進(jìn)行抽氣而獲得真空的器件或設(shè)備。隨著真空應(yīng)用的發(fā)展，真空泵的種類(lèi)已發(fā)展了很多種，其抽速?gòu)拿棵肓泓c(diǎn)幾升到每秒幾十萬(wàn)、數(shù)百萬(wàn)升。極限壓力(極限真空)從粗真空到10-12Pa以上的超高真空范圍。由于真空應(yīng)用部門(mén)所涉及的工作壓力的范圍很寬，因此任何一種類(lèi)型的真空泵都不可能完全適用于所有的工作壓力范圍，只能根據(jù)不同的工作壓力范圍和不同的工作要求，使用不同類(lèi)型的真空泵。為了使用方便和各種真空工藝過(guò)程的需要，有時(shí)將各種真空泵按其性能要求組合起來(lái)，以機(jī)組型式應(yīng)用。凡是利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng))以獲得真空的泵，稱(chēng)為機(jī)械真空泵。機(jī)械真空泵按其工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分述如下：1.變?nèi)菡婵毡盟抢帽们蝗莘e的周期變化來(lái)完成吸氣和排氣以達(dá)到抽氣目的的真空泵。氣體在排出泵腔前被壓縮。這種泵分為往復(fù)式及旋轉(zhuǎn)式兩（1）往復(fù)式真空泵利用泵腔內(nèi)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將氣體吸入、壓縮并排出。又稱(chēng)為活塞式空泵。（2）旋轉(zhuǎn)式真空泵利用泵腔內(nèi)轉(zhuǎn)子部件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將氣體吸入、壓縮并排出。它大致有如下幾種分類(lèi)：1)油封式真空泵它是利用真空泵油密封泵內(nèi)各運(yùn)動(dòng)部件之間的間隙，減少泵內(nèi)有害空間的一種旋轉(zhuǎn)變?nèi)菡婵毡?。這種泵通常帶有氣鎮(zhèn)裝置。它主要包括旋片式真空泵、定片式真空泵、滑閥式真空泵、余擺線(xiàn)真空泵等。2)液環(huán)真空泵將帶有多葉片的轉(zhuǎn)子偏心裝在泵殼內(nèi)。當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)，把工作液體拋向泵殼形成與泵殼同心的液環(huán)，液環(huán)同轉(zhuǎn)子葉片形成了容積周期變化的幾個(gè)小的旋轉(zhuǎn)變?nèi)菸艢馇?。工作液體通常為水或油，所以亦稱(chēng)為水環(huán)式真空泵或油環(huán)式真空泵。3)干式真空泵它是一種泵內(nèi)不用油類(lèi)(或液體)密封的變?nèi)菡婵毡谩Ｓ捎诟墒秸婵毡帽们粌?nèi)不需要工作液體，因此，適用于半導(dǎo)體行業(yè)、化學(xué)工業(yè)、制藥工業(yè)及食品行業(yè)等需要無(wú)油清潔真空環(huán)境的工藝場(chǎng)合。4)羅茨真空泵泵內(nèi)裝有兩個(gè)相反方向同步旋轉(zhuǎn)的雙葉形或多葉形的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子同泵殼內(nèi)壁之間均保持一定的間隙。5）動(dòng)量傳輸泵它依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片或高速射流，把動(dòng)量傳輸給氣體或氣體分子，使氣體連續(xù)不斷地從泵的入口傳輸?shù)匠隹凇?.分子真空泵它是利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子把動(dòng)量傳輸給氣體分子，使之獲得定向速度，從而被壓縮、被驅(qū)向排氣口后為前級(jí)抽走的一種真空泵。這種泵具體可分為：（1)牽引分子泵氣體分子與高速運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子相碰撞而獲得動(dòng)量，被驅(qū)送到泵的出口。（2)渦輪分子泵靠高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉片和靜止的定葉片相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)抽氣的。這種泵通常在分子流狀態(tài)下工作。（3)復(fù)合分子泵它是由渦輪式和牽引式兩種分子泵串聯(lián)組合起來(lái)的一種復(fù)合型的分子真空泵。真空泵運(yùn)行效率高，水泵啟動(dòng)快，但需要提供專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。射流泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，根據(jù)礦井的地下環(huán)境和條件，射流泵的應(yīng)用更為普遍。2.2.2射流泵工作原理射流泵的工作原理是水射流時(shí)的“虹吸現(xiàn)象”。水力射流泵裝置的泵送是通過(guò)兩種運(yùn)動(dòng)流體的能量轉(zhuǎn)換來(lái)達(dá)到的。地面泵提供的高壓動(dòng)力流體通過(guò)噴嘴把其位能(壓力)轉(zhuǎn)換成高速流體的動(dòng)能?chē)娚淞黧w將其周?chē)木簭膮R集室吸入喉道而充分混合,同時(shí)動(dòng)力液把動(dòng)量傳給井液而增大井液能量,在喉道末端,兩種完全混合的流體仍具有很高的流速(動(dòng)能),此時(shí),它們進(jìn)人一擴(kuò)散管通過(guò)流速降低而把部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓能,流體獲得的這一壓力足以把自己從井下返出地面,其結(jié)構(gòu)原理如圖2-4。1.進(jìn)水口2.噴嘴；3.擴(kuò)散管；4.混合管；圖2-4射流泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3離心式水泵的啟停過(guò)程2.3.1離心式水泵的啟動(dòng)過(guò)程首先監(jiān)測(cè)水倉(cāng)水位，當(dāng)水倉(cāng)水位到達(dá)設(shè)定的高水位時(shí)，接通控制射流泵的電磁閥的線(xiàn)圈，開(kāi)啟射流泵，為離心式水泵進(jìn)行注水。在射流泵的作用下，水泵入口處的真空度會(huì)增加，配水井中的水會(huì)在大氣壓的作用下注入離心泵的腔體直至注滿(mǎn)，當(dāng)水泵入口處的真空度達(dá)到要求后（水泵入口處的真空度增加到一定的數(shù)值時(shí)不在會(huì)繼續(xù)增加），接通水泵機(jī)組中的電動(dòng)機(jī)觸點(diǎn)來(lái)開(kāi)啟水泵。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，水泵出口處的壓力會(huì)逐漸增加。最后會(huì)達(dá)到某一數(shù)值（通常為該離心式水泵的堵轉(zhuǎn)水頭）而不再增加，達(dá)到預(yù)先設(shè)定的壓力值后，為該水泵開(kāi)啟其出口處的電動(dòng)閘閥，使得這個(gè)水泵機(jī)組進(jìn)行排水。同時(shí)，關(guān)閉射流泵，停止為其引水。2.3.2離心式水泵的停機(jī)過(guò)程水位在水泵的作用下逐漸下降，直到達(dá)到需要關(guān)閉水泵的水平，即水位下降到安全水位以下，這時(shí)要先關(guān)閉排水管的電動(dòng)閘閥，再關(guān)閉逆止閥，防止排水管中井水倒流，隨后關(guān)閉水泵電機(jī)，使其停止工作。2.4多臺(tái)水泵的井下排水系統(tǒng)組成及功能實(shí)現(xiàn)為了防止因備用泵及其電氣設(shè)備或備用管路長(zhǎng)期不用.而使電機(jī)和電氣設(shè)備受潮或其他故障未經(jīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障或排水管路需要維修的情況需投入備用泵和備用管路時(shí)，而不能及時(shí)投入以至影響礦井安全，本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)了3臺(tái)泵和2條管路的井下排水系統(tǒng)，如圖2-5。圖2-5煤礦井下排水系統(tǒng)圖系統(tǒng)工作原理如下：以離心泵10#和排水管1作為常用工作系統(tǒng)，離心泵20#，離心泵30#和排水管2作為備用的輪換系統(tǒng)。先不考慮避峰填谷機(jī)制的運(yùn)用，當(dāng)排水系統(tǒng)需要排水時(shí)，即假定水位h2時(shí)，射流泵先將水泵注滿(mǎn)水抽真空，即打開(kāi)射流泵的注水閥和排氣閥，進(jìn)行水泵的抽真空，當(dāng)水泵出水口壓力到達(dá)預(yù)定值時(shí)，開(kāi)啟閘閥11#，并關(guān)閉排氣閥和注水閥，停止射流泵工作。當(dāng)排水管路出口的壓力到達(dá)預(yù)定值時(shí)，開(kāi)啟排水閥14#，進(jìn)行排水。井水排完時(shí)，即井下水位低于h1時(shí)，先關(guān)閉排水閥14#，在關(guān)閉逆止閥11#，防止水井倒流打壞水泵，最后關(guān)閉水泵電機(jī)停止工作。系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)三個(gè)主要功能：1.水泵和管道的輪循工作，2.水泵的自動(dòng)啟停，3.避峰填谷機(jī)制，本文將著重闡述避峰填谷機(jī)制在煤礦井下排水系統(tǒng)的運(yùn)用。2.5本章小結(jié)本章詳細(xì)敘述了離心式水泵排水系統(tǒng)的組成、工作原理，球閥和閘閥的區(qū)別和特點(diǎn)，射流泵和真空泵的區(qū)別以及各自的工作原理，離心式水泵的啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程，整個(gè)排水系統(tǒng)的工作流程以及實(shí)現(xiàn)功能簡(jiǎn)介。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1可編程控制技術(shù)3.1.1PLC的主要特點(diǎn)PLC（ProgrammableLogicController），即可編程邏輯控制器，定義是：一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。1.PLC的特點(diǎn)（1）靈活、通用在繼電器控制系統(tǒng)中，使用的控制裝置是大量的繼電器，整個(gè)系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計(jì)好的電氣控制圖，由人工通過(guò)布線(xiàn)、焊接、固定等手段組裝完成的，其過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果因?yàn)楣に嚿仙僭S變化，需要改變電氣控制系統(tǒng)時(shí)，原先整個(gè)電氣控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進(jìn)行布線(xiàn)、焊接、固定等工作，耗費(fèi)大量人力、物力、和時(shí)間。而PLC是通過(guò)在存儲(chǔ)器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能，若控制功能需要改變，只需修改程序及少量接線(xiàn)即可。而且，同一臺(tái)PLC還可用于不同控制對(duì)象，通過(guò)改變軟件則可實(shí)現(xiàn)不同控制的控制要求。因此，PLC具有很大的靈活性和通用性，結(jié)構(gòu)形式多樣化，可以適用于各種不同規(guī)模、不同工業(yè)控制要求。（2）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)可靠性是工業(yè)控制器件的重要指標(biāo)。因此，要求在各種惡劣工作環(huán)境和條件(如電磁干擾、灰塵等)下可靠工作，將故障率降至最低。PLC具有很高的可靠性和抗干擾能力，不會(huì)出現(xiàn)繼電器一接觸器控制系統(tǒng)中接線(xiàn)老化、脫焊、觸點(diǎn)電弧等現(xiàn)象，故被稱(chēng)為“專(zhuān)為適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)”。（3）編程簡(jiǎn)單、使用方便PLC采用面向控制過(guò)程、面向問(wèn)題的“自然語(yǔ)言”編程，容易掌握。目前，PLC大多采用梯形圖語(yǔ)言編程方式，它既繼承了繼電器控制線(xiàn)路的清晰直觀(guān)感，又考慮到電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣和應(yīng)用實(shí)際，電氣技術(shù)人員易于編程，程序修改靈活方便。這種面向控制過(guò)程、面向問(wèn)題的編程方式，與匯編語(yǔ)言相比，雖然增加了解釋程序和程序執(zhí)行時(shí)間，但對(duì)大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來(lái)說(shuō)，PLC的控制速度還是足夠快的。此外，PLC的I/O接口可直接與控制現(xiàn)場(chǎng)的用戶(hù)設(shè)備聯(lián)接。如繼電器、接觸器、電磁閥等聯(lián)接，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。（4）接線(xiàn)簡(jiǎn)單PLC只需將輸入設(shè)備(如按鈕、開(kāi)關(guān)等)與輸入端子聯(lián)接，將輸出設(shè)備(如接觸器、電磁閥等)與輸出端子聯(lián)接。接線(xiàn)極其簡(jiǎn)單、工作量極少。（5）功能強(qiáng)PLC不僅具有條件控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)等控制功能，而且還能完成A/D.D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控等。因此，PLC既可對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制，又可對(duì)模擬量進(jìn)行控制。可控制一臺(tái)單機(jī)、一條生產(chǎn)線(xiàn)，也可控制一個(gè)機(jī)群、多條生產(chǎn)線(xiàn)?？捎糜诂F(xiàn)場(chǎng)控制，也可用于遠(yuǎn)距離控制。可控制簡(jiǎn)單系統(tǒng)，又可控制復(fù)雜系統(tǒng)。（6）體積小、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化PLC具有體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。由于PLC是專(zhuān)為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用，以及有很強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力，易于嵌入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部。因此，PLC在機(jī)電一體化產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用。2.PLC的主要功能PLC是應(yīng)用面很廣，發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動(dòng)化裝置，在工廠(chǎng)自動(dòng)化(FA)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)內(nèi)占重要地位。今天的PLC功能，遠(yuǎn)不僅是替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯。PLC系統(tǒng)一般由以下基本功能構(gòu)成：.多種控制功能.數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功.通信聯(lián)網(wǎng)功能.輸入/輸出接口調(diào)理功能.人機(jī)界面功能.編程、調(diào)試功能（1）控制功能邏輯控制:PLC具有與、或、非、異或和觸發(fā)器等邏輯運(yùn)算功能，可以代替繼電器進(jìn)行開(kāi)關(guān)量控制。定時(shí)控制:它為用戶(hù)提供了若干個(gè)電子定時(shí)器，用戶(hù)可自行設(shè)定:接通延時(shí)、關(guān)斷延時(shí)和定時(shí)脈沖等方式。計(jì)數(shù)控制:用脈沖控制可以實(shí)現(xiàn)加、減計(jì)數(shù)模式，可以連接碼盤(pán)進(jìn)行位置檢測(cè)。順序控制:在前道工序完成之后，就轉(zhuǎn)入下一道工序，使一臺(tái)PLC可作為多部步進(jìn)控制器使用。（2）數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能數(shù)學(xué)運(yùn)算功能包括:1）基本算術(shù):加、減、乘、除。2）擴(kuò)展算術(shù):平方根、三角函數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算。3）比較:大于、小于和等于。數(shù)據(jù)處理:選擇、組織、規(guī)格化、移動(dòng)和先入先出。模擬數(shù)據(jù)處理:PID、積分和濾波。（3）輸入/輸出接口調(diào)理功能具有A/D.D/A轉(zhuǎn)換功能，通過(guò)I/O模塊完成對(duì)模擬量的控制和調(diào)節(jié)精度，可以根據(jù)用戶(hù)要求選擇。具有溫度測(cè)量接口，直接連接各種電阻或電偶。（4）通信、聯(lián)網(wǎng)功能現(xiàn)代PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有RS232或RS485接口，可進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O控制，多臺(tái)PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺(tái)或多臺(tái)可編程控制器的信號(hào)處理單元之間，實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。通信接口或通信處理器按標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口或?qū)Ｓ械耐ㄐ艆f(xié)議完成程序和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。在系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)，可由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)PLC構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，以便完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。通常所說(shuō)的SCADA系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)端和遠(yuǎn)程端也可以采用PLC作現(xiàn)場(chǎng)機(jī)。（5）人機(jī)界面功能提供操作者以監(jiān)視機(jī)器/過(guò)程工作必需的信息；允許操作者和PC系統(tǒng)與其應(yīng)用程序相互作用，以便作決策和調(diào)整。實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面功能的手段:從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機(jī)的CRT顯示與鍵盤(pán)操作和用通信處理器、專(zhuān)用處理器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、工業(yè)計(jì)算機(jī)的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。（6）編程、調(diào)試等使用復(fù)雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏，進(jìn)行編程、調(diào)試、監(jiān)視、試驗(yàn)和記錄，并通過(guò)打印機(jī)打印出程序文件。3.1.2PLC的基本工作原理PLC運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部要進(jìn)行一系列操作，大致可分為四大類(lèi)：以故障診斷、通信處理為主的公共操作，聯(lián)系工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)輸入和輸出操作，執(zhí)行用戶(hù)程序的操作，以及服務(wù)于外部設(shè)備的操作（如果外部設(shè)備有中斷請(qǐng)求）。其過(guò)程示意圖如圖3-1所示。與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，PLC的CPU是采用分時(shí)操作的原理，每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作，隨著時(shí)間的延伸一個(gè)動(dòng)作接一個(gè)動(dòng)作順序地進(jìn)行。這種分時(shí)操作進(jìn)程稱(chēng)為CPU對(duì)程序的掃描。PLC的用戶(hù)程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按序號(hào)順序排列。CPU從第一條指令開(kāi)始，順序逐條地執(zhí)行用戶(hù)程序，直到用戶(hù)程序結(jié)束。然后返回第一條指令開(kāi)始新的一輪掃描。PLC就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述的掃描循環(huán)的。PLC接通電源后，在進(jìn)行循環(huán)掃描之前，PLC首先確定自身的完好性，這是起始操作的主要工作。PLC進(jìn)行清零或復(fù)位處理，消除各元件狀態(tài)的隨機(jī)性；檢查I/O單元連接是否正確；啟動(dòng)監(jiān)控定時(shí)器T0，執(zhí)行一段涉及到各種指令和內(nèi)存單元的程序，如果所用的時(shí)間不超過(guò)T0，則可證實(shí)自身完好，否則系統(tǒng)關(guān)閉。此后，將監(jiān)控定時(shí)器T0復(fù)位，允許掃描用戶(hù)程序。PLC的基本工作過(guò)程為：3-1PLC工作原理示意圖1、公共操作公共操作是在每次掃描程序前進(jìn)行自檢，若發(fā)現(xiàn)故障，除了故障燈外，還可判斷故障性質(zhì)：一般性故障，只報(bào)警不停機(jī)，等待處理；嚴(yán)重故障，則停止運(yùn)行用戶(hù)程序，此時(shí)PLC切斷一切輸出聯(lián)系。2、數(shù)據(jù)I/O操作數(shù)據(jù)I/O操作也稱(chēng)為I/O狀態(tài)刷新。它包括兩種操作：一個(gè)是采樣輸入信號(hào)，即刷新輸入狀態(tài)表的內(nèi)容；二是送出處理結(jié)果，即用輸出狀態(tài)表的內(nèi)容刷新輸出電路。在PLC的存儲(chǔ)器中，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)存放I/O的數(shù)據(jù)區(qū)，其中對(duì)應(yīng)于輸入端子的數(shù)據(jù)區(qū)，我們稱(chēng)之為輸入映像存儲(chǔ)器。當(dāng)CPU采樣時(shí)輸入信號(hào)由緩沖區(qū)進(jìn)入映像區(qū)，這就是數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)刷新；同樣道理，CPU不能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。當(dāng)前處理的結(jié)果放在輸出映像存儲(chǔ)器區(qū)內(nèi)，在程序執(zhí)行結(jié)束后，才將輸出映像區(qū)的內(nèi)容通過(guò)鎖存器輸出到端子上。這步操作稱(chēng)為輸出狀態(tài)刷新。3、執(zhí)行用戶(hù)程序操作在程序執(zhí)行前復(fù)位監(jiān)控定時(shí)器T1，即執(zhí)行程序并開(kāi)始計(jì)時(shí)。監(jiān)控定時(shí)器T1就是通常所說(shuō)的“看門(mén)狗”，它是用來(lái)監(jiān)視程序執(zhí)行是否正常的，正常時(shí)，執(zhí)行完用戶(hù)程序所用的時(shí)間不會(huì)超過(guò)T1的設(shè)定值，執(zhí)行完用戶(hù)程序后立即使“看門(mén)狗”復(fù)位，表示程序執(zhí)行正常。當(dāng)程序執(zhí)行過(guò)程中因某種干擾使掃描失控或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，“看門(mén)狗”會(huì)發(fā)出超時(shí)報(bào)警信號(hào)，使程序重新開(kāi)始執(zhí)行。如果是偶然因素造成超時(shí)，重新掃描程序不會(huì)再遇到“偶然干擾”，系統(tǒng)便轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行；若由于不可恢復(fù)的確定性故障，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地停止執(zhí)行用戶(hù)程序、切斷外部負(fù)荷、發(fā)出故障信號(hào)，等待處理。4、處理外設(shè)請(qǐng)求操作每次執(zhí)行完用戶(hù)程序后，就進(jìn)入服務(wù)外設(shè)請(qǐng)求命令的操作，外設(shè)的請(qǐng)求命令包括操作人員的介入和硬件設(shè)備的中斷。外設(shè)請(qǐng)求一般不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作，而且可能更有利于系統(tǒng)的控制和管理。如果沒(méi)有外設(shè)請(qǐng)求，系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)循環(huán)地掃描進(jìn)行。3.1.3PLC實(shí)現(xiàn)控制功能從系統(tǒng)的控制功能上來(lái)說(shuō)，應(yīng)具備以下五大功能：1.數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與檢測(cè)主要分為兩類(lèi)：模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)。模擬量檢測(cè)的數(shù)據(jù)主要有：水倉(cāng)水位、電機(jī)工作電流、水泵軸溫、電機(jī)溫度、3臺(tái)水泵的流量、水泵吸水管真空度及水泵出水口壓力；數(shù)字量檢測(cè)的數(shù)據(jù)主要有：工作系統(tǒng)的操作方式選擇、電動(dòng)閘閥的工作狀態(tài)與啟閉位置、真空泵工作狀態(tài)、電動(dòng)球閥狀態(tài)。數(shù)據(jù)自動(dòng)采集主要由PLC實(shí)現(xiàn)，PLC模擬量輸入模塊通過(guò)傳感器連續(xù)檢測(cè)水倉(cāng)水位，將水位變化信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，控制排水泵的啟停。影響水位的因素主要來(lái)自?xún)煞蕉?一是水位計(jì)故障(如遭受雜物撞擊)，二是水位信號(hào)受干擾(如水波動(dòng)較大)。對(duì)于前一個(gè)因素采用雙水位計(jì)，在水倉(cāng)中設(shè)置兩個(gè)同樣的水位計(jì)，PLC同時(shí)對(duì)兩個(gè)水位計(jì)取樣。如果兩路信號(hào)相差大于0.15m時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，要求值班人員進(jìn)行檢查；而對(duì)于信號(hào)干擾，則采用軟件過(guò)濾，只有當(dāng)信號(hào)在某一值附近穩(wěn)定足夠時(shí)間，且回差足夠小時(shí)才作為控制量使用，防止了因干擾而濘致機(jī)組誤動(dòng)的情況。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，模擬量信號(hào)的處理是將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)（A/D轉(zhuǎn)換），其變換速度由采樣定律確定。一般情況下，采樣頻率應(yīng)為模擬信號(hào)中最高頻率成分的2倍以上，這樣經(jīng)A/D變換的精度可完全恢復(fù)到原來(lái)的模擬信號(hào)精度。A/D變換的精度取決于A(yíng)/D變換器的位數(shù)。PLC所采用的A/D模塊均以積分方式變換，可使輸入信號(hào)的尖峰噪音和感應(yīng)噪聲平均化，適用于噪音嚴(yán)重的工業(yè)場(chǎng)所。2.自動(dòng)輪換工作為了防止因備用泵及其電氣設(shè)備或備用管路長(zhǎng)期不用而使電機(jī)和電氣設(shè)備受潮或其他故障未經(jīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時(shí)，而不能及時(shí)投入以至影響礦井安全，本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)了3臺(tái)泵和2條管路自動(dòng)輪換工作控制，控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運(yùn)行時(shí)間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動(dòng)記錄并累計(jì)，系統(tǒng)根據(jù)這些運(yùn)行參數(shù)按一定順序自動(dòng)啟停水泵和相應(yīng)管路，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當(dāng)某臺(tái)泵或所屬閥門(mén)故障、某趟管路漏水時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并在觸摸屏上動(dòng)態(tài)閃爍顯示，記錄事故，同時(shí)將故障泵或管路自動(dòng)退出輪換工作，其余各泵和管路繼續(xù)按一定順序自動(dòng)輪換工作，以達(dá)到有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理，以免影響礦井安全生產(chǎn)的目的。3.“避峰填谷”所謂“避峰填谷”，是指調(diào)度水泵在用電的“谷段”和“平段”時(shí)間段工作，盡量避免在“峰段”啟動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)“避峰填谷”，需調(diào)度各水泵在用電的“谷段”和“平段”時(shí)間段，將水倉(cāng)的水位排至設(shè)定的低位，以便水倉(cāng)能夠騰出盡可能大的容積，使其在“峰段”容納更多的礦井涌水而不用啟動(dòng)水泵。4.系統(tǒng)保護(hù)功能超溫保護(hù)：水泵長(zhǎng)期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時(shí)，通過(guò)溫度保護(hù)裝置及PLC實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警。流量保護(hù)：當(dāng)水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行時(shí)，如流量達(dá)不到正常值，通過(guò)流量保護(hù)裝置使本臺(tái)水泵停車(chē)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)另一臺(tái)水泵。電動(dòng)機(jī)故障：利用PLC及觸摸屏監(jiān)視水泵電機(jī)過(guò)電流、漏電、低電壓等電氣故障，并參與控制。電動(dòng)閘閥故障：由電動(dòng)機(jī)綜保監(jiān)視閘閥電機(jī)的過(guò)載、短路、漏電、斷相等故障，并參與水泵的聯(lián)鎖控制。5.三種工作方式系統(tǒng)控制具有自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)檢修3種工作方式。自動(dòng)時(shí)，由PLC檢測(cè)水位、壓力及有關(guān)信號(hào)，自動(dòng)完成各泵組運(yùn)行，不需人工參與；半自動(dòng)工作方式時(shí)，由工作人員選擇某臺(tái)或幾臺(tái)泵組投入，PLC自動(dòng)完成已選泵組的啟停和監(jiān)控工作；手動(dòng)檢修方式為故障檢修和手動(dòng)試車(chē)時(shí)使用，當(dāng)某臺(tái)水泵及其附屬設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，該泵組將自動(dòng)退出運(yùn)行，不影響其它泵組正常運(yùn)。PLC柜上設(shè)有該泵的禁止啟動(dòng)按鈕，設(shè)備檢修時(shí)，可防止其他人員誤操作，以保證系統(tǒng)安全可靠。系統(tǒng)可隨時(shí)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)和半自動(dòng)工作方式運(yùn)行。3.2PLC控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)由PLC（可編程邏輯控制器）、觸摸屏、檢測(cè)部分（模擬量和開(kāi)關(guān)量采集）和執(zhí)行部分等組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-2排水控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.2.1控制系統(tǒng)的輸入/輸出參數(shù)統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)粗略計(jì)算，需要數(shù)字量輸入64點(diǎn)，數(shù)字量輸出54點(diǎn)，模擬量輸入通道21路，其具體分配見(jiàn)表3-1，3-2，3-3。表3-1模擬量輸入通道統(tǒng)計(jì)表模擬量輸入通道數(shù)水倉(cāng)水位1水泵真空度3出水口壓力3排水管流量2水泵軸承溫度3電機(jī)溫度3電機(jī)電流3電機(jī)電壓3總計(jì)21表3-2數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)電動(dòng)閘閥開(kāi)3電動(dòng)閘閥關(guān)3電動(dòng)閘閥停3電動(dòng)閘閥開(kāi)到位3電動(dòng)閘閥關(guān)到位3電動(dòng)閘閥開(kāi)過(guò)轉(zhuǎn)矩3電動(dòng)閘閥關(guān)過(guò)轉(zhuǎn)矩3射流泵狀態(tài)2電機(jī)合閘3電機(jī)分閘3電機(jī)合閘到位3電機(jī)分閘到位3射流泵球閥開(kāi)到位2射流泵球閥關(guān)到位2球閥開(kāi)到位9球閥關(guān)到位9故障復(fù)位1急停1操作方式選擇3射流泵啟動(dòng)方式選擇1總計(jì)64表3-3數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)射流泵球閥開(kāi)2射流泵球閥關(guān)2排水泵球閥開(kāi)9排水泵球閥關(guān)9電動(dòng)閘閥開(kāi)3電動(dòng)閘閥關(guān)3電動(dòng)閘閥開(kāi)到位3電動(dòng)閘閥關(guān)到位3電動(dòng)閘閥開(kāi)過(guò)轉(zhuǎn)矩3電動(dòng)閘閥關(guān)過(guò)轉(zhuǎn)矩3射流泵電機(jī)開(kāi)3射流泵電機(jī)關(guān)3水泵電機(jī)開(kāi)3水泵電機(jī)關(guān)3警鈴1故障顯示燈1總計(jì)543.2.2PLC系統(tǒng)選型1.CPU模塊CPU是PLC系統(tǒng)的運(yùn)算控制核心。它根據(jù)系統(tǒng)程序的要求完成以下任務(wù)：接收并存儲(chǔ)用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)，接收現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，診斷PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤，完成用戶(hù)程序規(guī)定的運(yùn)算任務(wù)，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)輸出控制或數(shù)據(jù)通信等功能。煤礦所用PLC一般為中到大型PLC，所以在設(shè)計(jì)中選用西門(mén)子S7-300PLC，又從I/O擴(kuò)展能力、指令執(zhí)行速度、通訊能力等性能上結(jié)合煤礦自身環(huán)境條件，選用CPU315-2DP處理器是比較合適的。它是S7-300系列中唯一帶現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)(PROFIBUS)SINECL2-DP接口的CPU模塊。內(nèi)置128KBRAM，指令執(zhí)行速度為300ns/二進(jìn)制指令，最大數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)為1024個(gè)，最大模擬量I/O通道數(shù)為128個(gè)。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。2.電源模塊電源模塊是構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)的重要組成部分，針對(duì)不同系列的CPU，西門(mén)子有匹配的電源模塊與之對(duì)應(yīng)，用于對(duì)PLC內(nèi)部電路和外部負(fù)載供電。設(shè)計(jì)所選定的電源模塊的輸出功率必須大于CPU模塊、所有I/O模塊、各種智能模塊的總消耗功率之和，有時(shí)甚至還要考慮某些執(zhí)行單元的功率，并且要留有30％左右的裕量。結(jié)合設(shè)計(jì)中用到的I/O模塊和CPU模塊和煤礦自身環(huán)境，設(shè)計(jì)中選用PS307電源模塊（10A）。PS307是交流供電，連接單相交流系統(tǒng)(輸入電壓120/230VAC，50/60Hz)，輸出電壓24VDC，具有防短路和開(kāi)路保護(hù)。

3.輸入輸出模塊考慮到前面的設(shè)計(jì)中I/O點(diǎn)數(shù)可能有疏漏，并考慮到I/O端的分組情況以及隔離與接地要求，應(yīng)在統(tǒng)計(jì)后得出的I/O總點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上，增加10％到15％的裕量。考慮裕量后的I/O總點(diǎn)數(shù)即為I/O點(diǎn)數(shù)估計(jì)值。選定的PLC機(jī)型的I/O能力極限值必須大于I/O點(diǎn)數(shù)估計(jì)值，并應(yīng)盡量避免使PLC能力接近飽和，一般應(yīng)留有30％的裕量。通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，設(shè)計(jì)中選用數(shù)字量輸入模塊SM321，直流32點(diǎn)輸入，3塊；數(shù)字量輸出模塊SM322，32點(diǎn)晶體管輸出，3塊；模擬量輸入模塊SM331，8通道12位模擬量輸入模塊（8AI×l2位），4塊。綜上所述，本系統(tǒng)選用PLC型號(hào)如表3-4：表3-4PLC選型表CPU模塊CPU315-2DP處理器電源模塊PS307（10A）數(shù)字量輸入模塊3塊SM321（32點(diǎn)DC）數(shù)字量輸出模塊3塊SM322（32點(diǎn)晶體）模擬量輸入模塊4塊SM331（8AI×12位）3.3本章小結(jié)本章介紹了PLC的硬件設(shè)計(jì)方案。主要設(shè)計(jì)出的該系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與檢測(cè)、自動(dòng)輪換工作、“避峰填谷”、系統(tǒng)保護(hù)功能、自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)檢修3種工作方式等功能進(jìn)行原理敘述，完成PLC的選型工作。

4傳感器選型系統(tǒng)所選用的傳感器如表4-1：表4-1系統(tǒng)選用的傳感器液位傳感器超聲波液位計(jì)、投入式液位計(jì)溫度傳感器接觸式PT100溫度傳感器壓力傳感器薄膜壓力變送器流量傳感器潛水型電磁流量計(jì)負(fù)壓傳感器NS-K型負(fù)壓傳感器主要傳感器安裝位置如圖4-1：1.投入式液位計(jì)2.超聲波液位計(jì)3.溫度傳感器4.負(fù)壓傳感器5.壓力傳感器6.流量傳感器圖4-1個(gè)傳感器安裝示意圖4.1液位傳感器介紹4.1.1超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲波脈沖開(kāi)始，到接受到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)發(fā)射和接受換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個(gè)換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接受各使用一個(gè)換能器。下面就單換能器的超聲波傳感器加以介紹。超聲波發(fā)射和接收換能器可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖4-2所示。圖4-2超聲波液位計(jì)安裝示意圖對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō)，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時(shí)間為： （式4-1）則 （式4-2）式中：h—換能器距液面的距離；c—超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。從以上公式中可以看出，只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，便可以求得待測(cè)的液位。超聲波液位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下，它的測(cè)量誤差為，檢測(cè)液位的范圍為～m。系統(tǒng)采用超聲波液位計(jì)，在測(cè)量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)物體表面反射后被同一傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算傳感器到被測(cè)物體的距離。設(shè)計(jì)中選用二線(xiàn)制輸出型液位計(jì)，其參數(shù)如表4-2：表4-2超聲波液位計(jì)參數(shù)量程：0～8m精度：0.25%盲區(qū)：0.3～0.5m溫度：-20℃～+55℃電源：24VDC控制：無(wú)輸出：4～20mA二線(xiàn)制防護(hù)等級(jí)：IP65顯示方式：4位LCD4.1.2投入式液位傳感器投入式液位傳感器是將傳感器的探頭投入液體中。利用處于一定深度時(shí)液體會(huì)產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)這個(gè)基本原理制成的。其示意圖如圖4-3所示。1.傳感頭2.通氣電纜3.通氣孔4.電纜喇叭口圖4-3水位計(jì)示意圖具體的來(lái)說(shuō)是:傳感頭根據(jù)水中的壓力與空氣中的壓力差，傳感頭把水位的高度變換成壓力差，再把壓力差轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，該微弱的電信號(hào)經(jīng)放大器放大后送A/D變換器，單片機(jī)采集數(shù)字信號(hào)經(jīng)運(yùn)算處理后，輸出的水位高度用數(shù)碼管來(lái)顯示，同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。4.1.3液位檢測(cè)裝置的選擇上述兩種液位傳感器是基于不同的工作原理設(shè)計(jì)和制造出來(lái)的，分別適應(yīng)于不同的工作場(chǎng)所。當(dāng)然，有些場(chǎng)所可以使用兩種當(dāng)中的任何一種，也可以同時(shí)使用在同一個(gè)被檢測(cè)對(duì)象(水倉(cāng))。兩種液位傳感器的比較投入式液位傳感器的特點(diǎn)在于:1.制造成本相對(duì)于超聲波液位傳感器較為低廉:2.量程比較小(5—10米)，但一般能滿(mǎn)足測(cè)量水倉(cāng)水位的要求:3.性能受到被檢測(cè)介質(zhì)物理性質(zhì)(如液體有固體沉積或粘稠)的影響；4.測(cè)量工作不受空氣中的懸浮成分如粉塵、濃煙等的影響相對(duì)而言，超聲波液位傳感器的特點(diǎn)在于:1.超聲波傳播會(huì)受到空氣中粉塵的影響；2.超聲波水位傳感器的測(cè)量量程大；3.超聲波水位傳感器屬于非接觸式傳感器，性能不受被檢測(cè)介質(zhì)的影響；4.制造成本比較高。由于煤礦井下的排水系統(tǒng)重要的安全地位，而水位傳感器是整個(gè)排水系統(tǒng)的嗅覺(jué)器官。也就是說(shuō)，一旦水位傳感器失靈，后面的排水硬件和響應(yīng)軟件設(shè)置的再好都無(wú)法啟動(dòng)。所以，合理設(shè)計(jì)水位傳感也是很重要的。在水位檢測(cè)裝置的選擇上，至少選擇兩個(gè)水位傳感器來(lái)提高水位檢測(cè)裝置的可靠性。一般選擇一個(gè)超聲波液位傳感器與一個(gè)投入式液位傳感器相結(jié)合的方法來(lái)檢測(cè)水位。但是由于超聲波液位傳感器不能用在過(guò)于狹小的空間內(nèi)，當(dāng)條件不具備時(shí)，也可以使用兩個(gè)投入式傳感器來(lái)檢測(cè)水位。綜上所述，本系統(tǒng)選用一個(gè)二線(xiàn)制輸出型液位計(jì)，一個(gè)投入式液位計(jì)。4.2電機(jī)及水泵溫度檢測(cè)溫度傳感器一般分為接觸式與非接觸式兩大類(lèi)。所謂接觸式就是傳感器直接與被測(cè)物體接觸，這是測(cè)溫的基本形式。這類(lèi)溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最多的一類(lèi)。非接觸式溫度傳感器理論上不存在接觸式溫度傳感器的測(cè)量滯后和應(yīng)用范圍上的限制，可測(cè)高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動(dòng)物體及固體、液體表面的溫度，不干擾被測(cè)溫度場(chǎng)，但測(cè)量精度低，使用不太方便。通過(guò)比較，宜選擇接觸式溫度傳感器測(cè)量溫度比較合適。本文選擇PT100溫度傳感器測(cè)電機(jī)及水泵溫度。Pt100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)溫，其溫度/阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系為：（1）-200℃<t<0℃時(shí)，（式4-3）（2）0℃≤t≤850℃時(shí)，（式4-4）式中，A=3.90802×10-3；B=-5.80×10-7；C=4.2735×10-12。PT100溫度傳感器是一個(gè)模擬信號(hào)，它在實(shí)際應(yīng)用中有二種形式:一種是不需要顯示的,主要采集到PLC，這樣在使用的時(shí)候只需要一塊PT100的集成電路，要注意的是這個(gè)集成電路采集的不是電流信號(hào)而是電阻值，PT100的集成電路（需要一個(gè)±12VDC電源提供工作電壓）直接把采集到的電阻變?yōu)?-5VDC輸入到PLC，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以得到相應(yīng)的溫度值。（這樣的形式可以同時(shí)采集多路），還有一種就是單獨(dú)的一個(gè)PT100溫度傳感器（工作電源是24VDC），產(chǎn)生一個(gè)4--20mA的電流，然后再通過(guò)一個(gè)4--20mA電流電路板把4--20mA的電流變?yōu)?--5V電壓。它可以串連一個(gè)電磁指示儀表。Pt100溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)量范圍：-200℃～+850℃；允許偏差值△℃：A級(jí)±（0.15＋0.002│t│），B級(jí)±（0.30＋0.005│t│）；熱響應(yīng)時(shí)間<30s；最小置入深度：熱電阻的最小置入深度≥200mm；允通電流≤5mA。另外，Pt100溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。4.3水泵壓力檢測(cè)系統(tǒng)中使用了薄膜壓力變送器。薄膜壓力變送器由高性能的薄膜壓力傳感器與信號(hào)調(diào)理電路組成。該系列產(chǎn)品技術(shù)獨(dú)特、性能優(yōu)越,具有體積小、重量輕、安裝簡(jiǎn)便、能在惡劣環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的特點(diǎn)，特別適合頻繁沖擊壓力的測(cè)量。是目前理想的流體壓力測(cè)量?jī)x表。HS-956系列薄膜壓力變送器的特點(diǎn)：1、穩(wěn)定性高每年優(yōu)于±0.1%2、測(cè)量誤差小綜合誤差可小于±0.1%3、溫度范圍寬允許介質(zhì)溫度-40～125℃4、溫度漂移小典型溫漂±0.02%/℃5、適應(yīng)惡劣環(huán)境耐溫、耐腐、抗振動(dòng)6、適應(yīng)性廣產(chǎn)品體積小、重量輕、無(wú)隔離膜片和中介液體；全不銹鋼密封結(jié)構(gòu)，無(wú)可動(dòng)部件；可直接、任意安裝。因此適應(yīng)各種工業(yè)測(cè)量場(chǎng)合及介質(zhì)。主要技術(shù)指標(biāo)：1、介質(zhì)液體、氣體或蒸汽2、輸出兩線(xiàn)制4～20mA.DC；3、量程0.1,0.16,0.2,0.25,0.3,0.4,0.5,0.6,0.8,1,1.6,2,2.5,3,4,5,6,8,10,16,20,25,30,40,50,60Mpa4、電源24V.DC,無(wú)負(fù)載時(shí)可工作在12V.DC，最大電源電壓36V.DC；5、負(fù)載范圍允許最小負(fù)載為零，最大負(fù)載RL=50（US-12）Ω。其中US為電源電壓；6、過(guò)壓量程的120%；7、輸出限制變送器過(guò)壓時(shí)，內(nèi)部限流器輸出電流限制在25mA以下；8、溫度范圍敏感元件工作溫度：-50～125℃；電子部件工作溫度：-40～85℃；9、濕度范圍0～99%相對(duì)濕度。4.4水泵流量檢測(cè)4.4.1流量檢測(cè)儀器的安裝位置水泵的流量與水泵出口的閘閥開(kāi)度和出口壓力、電動(dòng)機(jī)電流有直接的關(guān)系。這些參數(shù)之間相互結(jié)合可以檢測(cè)出水泵、電動(dòng)機(jī)的性能和工況。因此水泵出口流量的檢測(cè)有非常重要的意義。水泵出口流量的檢測(cè)有兩種布置方式:1.流量檢測(cè)器安裝分別安裝在水泵出口的分支管路上，如圖4-4所示；2.流量檢測(cè)器安裝在水泵出口的總管路上，如圖4-5所示。兩種安裝位置的比較，采用圖4-5所示的安裝方式可以滿(mǎn)足需要。圖4-4各個(gè)水泵分別安裝流量傳感器采用如圖4-4示的安裝方式可以保證準(zhǔn)確測(cè)量每一個(gè)水泵在工作過(guò)程中的流量。從而可以比較準(zhǔn)確的判斷出各個(gè)水泵機(jī)組的工作特性。但是結(jié)合煤礦井下排水過(guò)程的特點(diǎn):水泵的工作方式(輪番啟動(dòng))，如果采用如圖4-5所示的安裝方式，也可以判斷出每個(gè)水泵的流量，但是需要比較復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件中可以通過(guò)檢測(cè)干路中的流量總和與所開(kāi)啟的水泵數(shù)目，可以得到整個(gè)排水泵一電機(jī)機(jī)組的工況。因此出于造價(jià)、硬件系統(tǒng)的復(fù)雜等方面的考慮，優(yōu)先選擇圖4-5所示的方式設(shè)置流量計(jì)。圖4-5各個(gè)水泵只安裝一個(gè)流量傳感器4.4.2電磁流量計(jì)工作原理及其特點(diǎn)1.工作原理在工業(yè)中經(jīng)常使用的大口徑流量計(jì)是電磁流量計(jì)。自20世紀(jì)50年代末國(guó)內(nèi)首次工業(yè)應(yīng)用以來(lái)，七八十年代在流量測(cè)量中運(yùn)用和發(fā)展很快。電磁流量計(jì)由電磁流量轉(zhuǎn)換器和電磁流量傳感器組成的。電磁流量轉(zhuǎn)換器是為電磁流量傳感器提供電源，并將其測(cè)量的流量信號(hào)整定成為標(biāo)準(zhǔn)的4--20mA電流等其他形式的信號(hào)。電磁流量傳感器是根據(jù)法拉第原理制成的一種流量計(jì)，用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電液體的流量。其原理圖如圖4-6所示，它是由產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的系統(tǒng)、不導(dǎo)磁材料的管道以及在管道橫截面上的導(dǎo)電電極組成。磁場(chǎng)方向、電極連線(xiàn)、管道軸線(xiàn)三者之間是相互垂直的。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電液體流過(guò)管道時(shí)，切割磁力線(xiàn)，于是在和磁場(chǎng)及流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其數(shù)值與液體的流速成正比。即（式4-5）式中:B—磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)；D—切割磁力線(xiàn)的導(dǎo)體液體的長(zhǎng)度(為管道內(nèi)徑)(m)；v—導(dǎo)電液體在管道內(nèi)的平均流速(m/s)。由式(4-6)得被測(cè)導(dǎo)電液體得體積流量為（式4-6）因此，知道感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就可以測(cè)出導(dǎo)電液體的流量。圖4-6電磁流量傳感器原理圖2.電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)理論上認(rèn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度B是常量，即直流磁場(chǎng)。但直流電勢(shì)將使被測(cè)液體電解，使電極極化。正電極被負(fù)離子包圍，負(fù)電極被一層正離子包圍，加大了電極的電阻。破壞了原來(lái)的測(cè)量條件。同時(shí)內(nèi)阻增加隨被測(cè)液體成分的變化和工作時(shí)間長(zhǎng)短而變化，因而使輸出電勢(shì)不固定，影響測(cè)量精度。而對(duì)被測(cè)量介質(zhì)的流量測(cè)量采用交流電(頻率為50Hz)勵(lì)磁的交流磁場(chǎng)，即（式4-7）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為（式4-8）所以體積流量為（式4-9）為了避免測(cè)量管路引起磁分流，故需要用非導(dǎo)磁材料做成。另外，由于測(cè)量管路處于較強(qiáng)的交流磁場(chǎng)中，管壁產(chǎn)生渦流，因而產(chǎn)生二次磁通。為了減少渦流，要求測(cè)量管路的材料具有高電阻率。且對(duì)于不同直徑的電磁流量計(jì)，其電極、測(cè)量管路都采用不同的材料做成。3.電磁流量計(jì)的特點(diǎn)（1）測(cè)量管路內(nèi)沒(méi)有任何突出和可移動(dòng)的部件，因此可用于有懸浮顆粒的漿液等流量的測(cè)量，且壓力損失極??；（2）感應(yīng)電勢(shì)與被測(cè)液體溫度、壓力、粘度等無(wú)關(guān)，因此其使用范圍廣泛;（3）測(cè)量范圍寬，；（4）可以測(cè)量各種腐蝕性液體的流量；（5）電磁流量計(jì)的慣性小，可以用來(lái)測(cè)量脈動(dòng)流量；（6）對(duì)測(cè)量介質(zhì)，要求導(dǎo)電率大于0.002-0.005Ω/m。4.流量計(jì)的要求隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的加強(qiáng)和進(jìn)步，各種智能型電磁流量計(jì)已經(jīng)很容易的制造出來(lái)，并應(yīng)用于測(cè)量管道中導(dǎo)電液體的體積流量，如水、污水、泥漿、礦漿、酸、堿、鹽液體及食品槳液等。在石油化工、礦冶、煤炭、水利工程給排水、污水處理等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。電磁流量計(jì)可以達(dá)到以下要求:（1）4--20mA信號(hào)輸出型；（2）抗干擾性強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性可靠、整體防爆；（3）測(cè)量范圍寬，流速0.3-15m/s；隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的加強(qiáng)和進(jìn)步，電磁流量計(jì)達(dá)到抗干擾性強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性可靠、整體防爆的要求，適合在煤礦井下使用，且也逐步的推廣和使用。由于每臺(tái)水泵的工作曲線(xiàn)特別是使用了一定年限的離心式水泵的流量/功率、流量/效率等曲線(xiàn)有較大的差異，因此無(wú)法給出每臺(tái)水泵在工作過(guò)程中的流量正常閾值和水泵排出水過(guò)少的閾值。這些閾值只有在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)每臺(tái)水泵不同的流量特性設(shè)定出相應(yīng)的閾值。雖然電磁流量傳感器在使用、安裝的過(guò)程中比較復(fù)雜，但可以肯定的說(shuō)，隨著流量傳感器在自動(dòng)排水系統(tǒng)的應(yīng)用，將大大提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。綜上所述，本系統(tǒng)選用潛水型電磁流量計(jì)，安裝在進(jìn)水管垂直段。4.5水泵負(fù)壓檢測(cè)本系統(tǒng)選用NS-K型負(fù)壓傳感器。它采用先進(jìn)的靜電焊接技術(shù)形成穩(wěn)定的參考腔，可以用來(lái)測(cè)量小于大氣壓的壓力和真空度，廣泛用于石油、化工、冶金、制藥冷凍、真空儀表等自動(dòng)化行業(yè)。NS-K型負(fù)壓傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表4-1所示：表4-1NS-K型負(fù)壓傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)輸入0~-0.5kPa…-1kPa…-10kPa…-30kPa…-50kPa…-100kPa過(guò)載能力2倍測(cè)量介質(zhì)對(duì)不銹鋼不腐蝕的氣、液體工作方式負(fù)壓、真空度工作電壓5VDC或10VDC(24V)輸出100mV或0～5V、4～20mA零位輸出≤2mV綜合精度0.05%、0.1%、0.3%F.S非線(xiàn)性±0.1%F.S（典型值）重復(fù)性±0.1%F.S（典型值）工作溫度范圍-40~120℃溫度補(bǔ)償范圍25~80℃溫度漂移0.025%F.S/℃4.6本章小結(jié)本章還對(duì)水倉(cāng)水位、水泵流量、電機(jī)及水泵溫度、水泵壓力和負(fù)壓參數(shù)檢測(cè)以及傳感器選擇方面做了詳細(xì)的闡述。

5控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)西門(mén)子的S7-300系列PLC所用的編程語(yǔ)言是西門(mén)子開(kāi)發(fā)的STEP7，這是一種可運(yùn)行于通用微機(jī)中，在WINDOWS環(huán)境下進(jìn)行編程的語(yǔ)言。將它通過(guò)計(jì)算機(jī)的串行口和一根PC/MPI轉(zhuǎn)接電纜與PLC的MPI口相連，即可進(jìn)行相互間的通信。通過(guò)STEP7編程軟件，不僅可以非常方便地使用梯形圖和語(yǔ)句表等形式進(jìn)行離線(xiàn)編程，經(jīng)過(guò)編譯后通過(guò)轉(zhuǎn)接電纜直接送入PLC的內(nèi)存中執(zhí)行，而且在調(diào)試運(yùn)行時(shí)，還可以在線(xiàn)監(jiān)視程序中各個(gè)輸入輸出或狀態(tài)點(diǎn)的通斷狀況，甚至可以在線(xiàn)修改程序中變量的值，給調(diào)試工作也帶來(lái)極大的方便。在軟件設(shè)計(jì)之前，首先進(jìn)行軟件流程圖的設(shè)計(jì)和地址的分配。5.1軟件流程圖從整體上來(lái)看，系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5-1所示：從圖5-1中可以看出，系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)后，首先進(jìn)行與PLC的通訊，然后進(jìn)行模擬量以及I/O處理程序，系統(tǒng)自檢與門(mén)處理程序。然后判斷系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、半自動(dòng)運(yùn)行三種運(yùn)行方式中的哪一種，然后根據(jù)判斷得到的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的操作。根據(jù)控制板上的旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)的位置判斷出系統(tǒng)的運(yùn)行方式后，如處于PLC自動(dòng)運(yùn)行方式，則PLC根據(jù)程序流程順序執(zhí)行，自動(dòng)完成水泵的啟動(dòng)，輪換工作，故障報(bào)警，停止。如處于半自動(dòng)運(yùn)行方式下，則由人工選擇哪臺(tái)水泵投入運(yùn)行，PLC根據(jù)水泵的泵號(hào)自動(dòng)完成該臺(tái)水泵的自動(dòng)啟動(dòng)，運(yùn)行，停止。而手動(dòng)方式下，PLC不參與任何操作控制，全部由人工通過(guò)控制按鈕來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。5.1.1自動(dòng)輪換工作1.水泵輪換工作每臺(tái)水泵有兩個(gè)數(shù)據(jù)寄存器,分別存放運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行次數(shù)。每次啟動(dòng)水泵,自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間最短的無(wú)故障水泵。當(dāng)兩臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間相近且最少時(shí),則啟動(dòng)運(yùn)行次數(shù)較少的水泵。自動(dòng)累加水泵的排水時(shí)間和排水次數(shù)。2．管路轉(zhuǎn)換工作當(dāng)啟動(dòng)某臺(tái)水泵時(shí),在和它相連的兩條排水管路中,選用工作時(shí)間最短的一條管路,如果兩條管路工作時(shí)間相近,則選工作次數(shù)最少的管路。5.1.2避峰填谷通過(guò)確定開(kāi)泵數(shù)量的程序以及水泵輪換工作模塊,就可以確定開(kāi)哪幾臺(tái)水泵。滿(mǎn)足開(kāi)泵條件的水泵進(jìn)入自動(dòng)開(kāi)啟程序。圖5-2為確定開(kāi)啟水泵臺(tái)數(shù)的流程圖。根據(jù)“避峰就谷”的原則:當(dāng)水位上升到上限水位時(shí),如處于用電“谷段”或“平段”,計(jì)算距“峰段”開(kāi)始的時(shí)間t,進(jìn)而算出排水量Q和需開(kāi)水泵的臺(tái)數(shù)n。如處于用電“峰段”,計(jì)算該“峰段”結(jié)束前的涌水量Q,并與水倉(cāng)允許最大容水量Vmax比較,若Q≤Vmax,進(jìn)入“谷段”或“平段”后再開(kāi)動(dòng)水泵;若Q>Vmax,則應(yīng)開(kāi)動(dòng)水泵,以免發(fā)生水倉(cāng)溢水。圖5-2確定開(kāi)啟水泵臺(tái)數(shù)的流程圖5.2地址分配本設(shè)計(jì)約用到139個(gè)I/O點(diǎn)，其中數(shù)字量輸入點(diǎn)約64個(gè)，模擬量輸入點(diǎn)約21個(gè)，輸出點(diǎn)約54個(gè)，部分分配情況如表1所示：表1地址的分配和相關(guān)符號(hào)的功能絕對(duì)地址符號(hào)地址連接的外部設(shè)備功能說(shuō)明I0.0M100.0按鈕SB0手動(dòng)起動(dòng)10#泵I0.1M100.1按鈕SB1手動(dòng)起動(dòng)20#泵I0.2M100.2按鈕SB2手動(dòng)起動(dòng)30#泵I0.4M100.4按鈕SB4手動(dòng)停止10#泵I0.5M100.5按鈕SB5手動(dòng)停止20#泵I0.6M100.6按鈕SB6手動(dòng)停止30#泵I1.0M101.010#真空閥開(kāi)返回采集10#電動(dòng)閥全開(kāi)返回I1.1M101.110#真空閥關(guān)返回采集10#電動(dòng)閥全閉返回I1.2M101.220#真空閥開(kāi)返回采集20#電動(dòng)閥全開(kāi)返回I2.0M101.320#真空閥關(guān)返回采集20#電動(dòng)閥全閉返回I2.1M101.430#真空閥開(kāi)返回采集30#電動(dòng)閥全開(kāi)返回I2.2M101.530#真空閥關(guān)返回采集30#電動(dòng)閥全閉返回I2.5M102.01#電機(jī)開(kāi)返回采集1#電機(jī)開(kāi)返回I2.6M102.11#電機(jī)關(guān)返回采集1#電機(jī)關(guān)返回I2.7M102.22#電機(jī)開(kāi)返回采集2#電機(jī)開(kāi)返回I3.0M103.02#電機(jī)關(guān)返回采集2#電機(jī)關(guān)返回I3.1M103.13#電機(jī)開(kāi)返回采集3#電機(jī)開(kāi)返回I3.2M103.23#電機(jī)關(guān)返回采集3#電機(jī)關(guān)返回I3.5M103.5按鈕SB8采集手動(dòng)控制信號(hào)I3.6M103.6按鈕SB9采集自動(dòng)控制信號(hào)I3.7M103.7按鈕SB10采集遠(yuǎn)程控制信號(hào)I4.0M104.0水位h1采集水位1信號(hào)I4.1M104.1水位h2采集水位2信號(hào)I4.2M104.2水位h3采集水位3信號(hào)PIW256MW11010#泵真空傳感器采集10#泵真空度PIW258MW1121#電機(jī)溫度傳感器采集10#泵電機(jī)溫度PIW260MW1141#電機(jī)電流傳感器采集10#泵電機(jī)電流PIW262MW11620#泵真空傳感器采集20#泵真空度PIW264MW1182#電機(jī)溫度傳感器采集20#泵電機(jī)溫度PIW266MW1202#電機(jī)電流傳感器采集20#泵電機(jī)電流PIW268MW12230#泵真空傳感器采集30#泵真空度PIW270MW1243#電機(jī)溫度傳感器采集30#泵電機(jī)溫度PIW284MW1263#電機(jī)電流傳感器采集30#泵電機(jī)電流Q4.0M150.0控制繼電器J10控制1#電機(jī)開(kāi)Q4.1M150.1控制繼電器J11控制1#電機(jī)停Q4.2M150.2控制繼電器J12控制2#電機(jī)開(kāi)Q4.3M150.3控制繼電器J13控制2#電機(jī)停Q4.4M150.4控制繼電器J14控制3#電機(jī)開(kāi)Q4.5M150.5控制繼電器J15控制3#電機(jī)停Q6.0M152.0控制繼電器J20控制10#真空閥開(kāi)Q6.1M152.1控制繼電器J21控制10#真空閥關(guān)Q6.2M152.2控制繼電器J22控制20#真空閥開(kāi)Q6.3M152.3控制繼電器J23控制20#真空閥關(guān)Q6.4M152.4控制繼電器J24控制30#真空閥開(kāi)Q6.5M152.5控制繼電器J25控制3#真空閥關(guān)Q7.0M153.0指示燈L0顯示10#水泵運(yùn)行狀態(tài)Q7.1M153.1指示燈L1顯示10#水泵停止?fàn)顟B(tài)Q7.2M153.2指示燈L2顯示20#水泵運(yùn)行狀態(tài)Q7.3M153.0指示燈L3顯示20#水泵停止?fàn)顟B(tài)Q7.4M153.3指示燈L4顯示30#水泵運(yùn)行狀態(tài)Q7.5M153.4指示燈L5顯示30#水泵停止?fàn)顟B(tài)Q8.0M153.7指示燈L8顯示電源Q8.1M154.0指示燈L9顯示預(yù)警狀態(tài)Q8.2M154.1指示燈L10顯示水位狀態(tài)

5.3水泵的自動(dòng)開(kāi)啟、運(yùn)行、停止故障保護(hù)流程圖圖5-3給出了其中一臺(tái)泵的自動(dòng)開(kāi)啟故障保護(hù)流程圖。其余兩臺(tái)泵的與此基本相同。通過(guò)確定開(kāi)泵數(shù)量的程序以及水泵輪換工作模塊，我們可以確定開(kāi)幾號(hào)水泵。對(duì)于這其中的一臺(tái)泵便滿(mǎn)足了開(kāi)泵條件，進(jìn)入了此泵組的自動(dòng)開(kāi)啟階段。當(dāng)PLC接收到啟動(dòng)某臺(tái)水泵的指令后，就會(huì)按照?qǐng)D5-3所示的水泵的啟動(dòng)流程圖進(jìn)行水泵的自動(dòng)啟動(dòng)控制。首先是啟動(dòng)抽真空系統(tǒng)將水泵體內(nèi)的空氣排除，讓其充滿(mǎn)水，這時(shí)，抽真空管路上的負(fù)壓表（真空表）就會(huì)達(dá)到要求值，當(dāng)PLC檢測(cè)到負(fù)壓表的讀數(shù)滿(mǎn)足啟動(dòng)要求時(shí)，就會(huì)發(fā)指令給高壓開(kāi)關(guān)柜，啟動(dòng)水泵電機(jī)，并關(guān)掉抽真空設(shè)備。這時(shí)位于水泵上方主排水管路上的壓力傳感器承受的壓力越來(lái)越大，當(dāng)達(dá)到要求值時(shí)，PLC發(fā)指令開(kāi)啟電動(dòng)閘閥，開(kāi)始排水。從流程圖中可以看出，系統(tǒng)中設(shè)有抽真空超時(shí)、閘閥開(kāi)超時(shí)、壓力異常等故障報(bào)警系統(tǒng)。如果出現(xiàn)異常，對(duì)于實(shí)時(shí)CPU以及I/O模塊內(nèi)部的錯(cuò)誤，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳入故障處理程序塊中進(jìn)行相應(yīng)的處理；如果是外部回路接線(xiàn)錯(cuò)誤或傳感器失效等故障系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)聲光報(bào)警，并停泵，禁止該泵投入自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行中。運(yùn)行過(guò)程中，主要監(jiān)測(cè)壓力、電流、溫度、流量等狀態(tài)量，出現(xiàn)異常停止水泵，并報(bào)警給出故障提示。其流程圖如圖5-4所示。圖5-4運(yùn)行過(guò)程故障保護(hù)流程水位在水泵的作用下逐漸下降，直到達(dá)到需要關(guān)閉水泵的水平，即水位下降到安全水位以下，這時(shí)要先關(guān)閉排水管的電動(dòng)閘閥，再關(guān)閉逆止閥，防止排水管中井水倒流，隨后關(guān)閉水泵電機(jī)，使其停止工作。如果排水閥，逆止閥，電機(jī)關(guān)閉沒(méi)有到位，則觸發(fā)聲光報(bào)警，緊急停泵，其流程如圖5-5。圖5-5停泵流程圖停止過(guò)程中主要結(jié)合定時(shí)器監(jiān)測(cè)動(dòng)作是否正常，出現(xiàn)故障進(jìn)行報(bào)警，并給出故障提示。其流程圖如圖5-6所示。5-6停止過(guò)出故障保護(hù)流程圖5.4本章小結(jié)本章介紹了煤礦井下排水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案。分別給出系統(tǒng)整體的軟件流程圖、水泵的自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉、故障保護(hù)的流程圖，以及給出部分STEP-7編程程序。完成了整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。6總結(jié)與展望

6.總結(jié)本論文針對(duì)煤礦井下主排水系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高的現(xiàn)狀，研究設(shè)計(jì)了PLC控制與PC監(jiān)視相結(jié)合的煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹了以下幾點(diǎn)內(nèi)容：進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所使用到的設(shè)備的選型工作。首先是根據(jù)礦井的涌水量和井深來(lái)確定使用水泵的型號(hào)和臺(tái)數(shù)，然后確定排水管道和電動(dòng)閘閥，電動(dòng)球閥；根據(jù)功能要求選擇一定數(shù)量和類(lèi)型的傳感器，通過(guò)估算的輸入輸出點(diǎn)數(shù)和要求的PLC的存儲(chǔ)容量及響應(yīng)速度，確定所用PLC的型號(hào)和功能模塊。設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)控制的流程圖，使用PLC語(yǔ)言編寫(xiě)了水泵自動(dòng)控制的部分程序。。利用VISIO繪圖軟