..XX煤炭職業技術學院畢業設計任務書設計題目：塔山礦主排水電氣控制系統設計設計時間：20XX5月8日至20XX6月2日設計地點：XX煤炭職業技術學院1、設計內容1.礦井自動排水系統的各種參數與檢測2.XX塔山煤礦礦井排水系統設計3.PLC自動控制礦井主排水系統的設計4.控制系統的軟件設計5.控制系統的抗干擾措施2、設計要求本系統采用SIEMENS的S7-300系列PLC,并結合各種傳感器〔主要為水位傳感器、負壓傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等,完成系統設計中要實現的控制功能。本系統采用水泵及管路的"自動輪換"工作制。又根據"避峰填谷"的原則確定開啟水泵臺數,以達到節省用電的目的。在就地PC端,采用易控組態監控系統監視設備的運行情況及各個運行參數,做到有故障及時發現并盡早處理。3、提交資料畢業論文《塔山礦主排水電氣控制系統設計》；理論圖紙；畢業論文主題內容PPT目錄26979摘要-1-7087第一章緒論-2-38881.1排水系統概述-2-216761.1.1礦井生產過程中排水的重要性-2-99041.1.2礦井排水系統的組成部分-2-4961.2井下排水系統存在的問題-3-46651.3排水系統為何要實現自動控制-4-31090第二章礦井自動排水系統的各種參數與檢測-5-166372.1水倉水位的檢測-5-251882.1.1液位傳感器介紹-5-1802液位檢測裝置的選擇 -8-275792.2電機及水泵溫度檢測-9-159182.3水泵壓力檢測-9-71532.4水泵流量檢測-11-16190流量檢測儀器的安裝位置-11-112072.4.2流量檢測傳感器 -12-32333流量計的要求-14-112742.5水泵負壓檢測-14-10705第三章XX塔山煤礦礦井排水系統設計-16-303893.1塔山煤礦-16-276003.2塔山煤礦礦井資料-16-117423.3選型設計-16-96033.4引水設備-18-244033.5自動閥門-20-2823.5.2電動球閥-21-229923.6高壓開關柜-22-21117第四章PLC自動控制礦井主排水系統的設計-24-269334.1控制系統總體結構-24-182444.2PLC自動控制礦井主排水系統的設計-24-64404.2.1PLC的主要特點-25-100394.2.2S7--300PLC的基本組成-28-230444.3西門子ET200M與PROFIBUS-DP總線-31-12828第五章控制系統的軟件設計-33-5205.1PLC的軟件設計-33-196095.1.1軟件流程圖-33-135935.1.2地址分配-35-321105.1.3水泵的自動開啟、運行、停止故障保護流程圖-36-203855.2控制系統上位機的軟件設計-39-13775.2.1設計要求 -40-54505.2.2設計內容-40-285475.2.3上位機與PLC的通信-41-109185.2.4操作終端界面-42-94125.2.5監控主界面-43-227885.2.6報警界面-45-9448第六章控制系統的抗干擾措施-47-220176.1常見的各種干擾源-47-226166.2如何采取措施排除這些干擾-47-21659第七章總結-48-18800致謝-49-5062參考文獻-49-..摘要本文根據排水控制的要求,進行自動控制方面的設計。本系統采用SIEMENS的S7-300系列PLC,并結合各種傳感器〔主要為水位傳感器、負壓傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等,完成系統設計中要實現的自動化控制功能。本系統采用水泵及管路的"自動輪換"工作制。又根據"避峰填谷"的原則確定開啟水泵臺數,以達到節省用電的目的。在就地PC端,采用易控組態監控系統監視設備的運行情況及各個運行參數,做到有故障及時發現并盡早處理。S7-300通過CP340通訊模塊,采用RS-232C通信標準與就地PC建立聯系。關鍵詞：PLC、排水系統、自動控第一章緒論井下排水系統是煤礦生產中四大系統之一,擔負著井下積水排除的重要任務。然而,目前我國的井下排水系統仍由很多依靠傳統的人工操作方式。本章分析這種排水系統的組成及工作過程,指出其存在的問題,為井下主排水系統自動控制的研究提供依據。1.1排水系統概述礦井生產過程中排水的重要性在煤礦地下開采的過程中,由于地層中含水的涌出,雨水和江河中水的滲透,水砂充填和水力采煤礦井的井下供水,將要有大量的水晝夜不停地匯集于井下。礦井涌水與采區的水文地質及當地的氣象條件有關系,涌水量在不同的季節也呈現不同。在一些大水礦井,礦井涌水量可達到每秒17立方米,甚至超過每秒20立方米。另外,煤炭開采過程中,由于地層結構被破壞,巖層斷裂,使采區與儲水層連通,發生突水事故,涌水量會突然增加。如果不能及時地將這些積水排送到井上,井下的生產就可能受到阻礙,井下的安全就會得不到保障,嚴重者會造成重大事故。給人民的生命、國家的財產都帶來了極大的威脅。因此,井下排水就顯得尤為重要。井下自動排水系統的任務就是把流入井下煤礦巷道中的礦井積水排送至地表。根據統計,每開采1噸煤就要排出2--7噸礦井水,有時甚至要排出30--40噸礦井水。井下排水設備所配備電機的功率,小的幾千瓦到幾十千瓦,大的幾百千瓦到上千千瓦、在我國煤炭行業中,井下排水用電量占原煤生產總耗電量的18%--41%,一般為20%左右。因此,井下排水設備運轉的可靠性<安全運轉>與經濟性<效率高、電耗量小>,具有十分重要的意義。礦井排水系統的組成部分井下排水系統一般采用離心式水泵,一些小型煤礦或淺水井臨時排水系統也采用潛水泵。離心式水泵排水系統主要由離心式水泵、電動機、起動設備、儀表、管路及管路附件等組成。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O.5m。其作用是防止井底沉積的煤泥和雜物吸入泵內,導致水泵被堵塞或被磨損。在濾水器內裝有舌型底閥,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。但是現在的排水系統中,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閘閥調節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調節水泵的流量和揚程；②起動時將它完全關閉,以降低起動電流。調節閘閥的優點是流動阻力和關閉壓力較小,安裝時無方向性,能夠方便地來調節水泵的流量和揚程等。其缺點是密封面容易擦傷,檢修較為困難,高度尺寸較大,在安裝位置受到限制時,安裝不便,結構較復雜,價格較高。放水閘閥安裝在調節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放水用。③逆止閥逆止閥安裝在調節閘閥的上方,其作用是當水泵突然停止運轉<如突然停電>時,或者在未關閉調節閘閥的情況下停泵時,能自動關閉,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時,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,要通過放氣栓<又叫氣嘴>將水泵和吸水管中的空氣放掉。當排水管中有存水時,也可通過旁通管向水泵和吸水管中灌引水,此時要將旁通管上的閥門打開。此外,還可通過旁通管,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,但此時須通過連接在底閥上的鐵絲或鏈條將底閥提起。⑤壓力表和真空表壓力表安裝在水泵的排水接管上,為檢測排水管中水壓大小用。常用的壓力表為普通彈簧管壓力表,根據其結構特征可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑有60mm,100mm,150mm,200mm和250mm五種。壓力表所測出的壓力叫做表壓力或相對壓力,它比絕對壓力小1個大氣壓。真空表安裝在水泵的吸水接管上,為檢測吸水管的真空度用。根據其結構特征也可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑和壓力表一樣,也分為60,100,150,和250mm五種。真空表測量范圍為0--0.1MPa<一個大氣壓>。⑥射流泵或真空泵離心式水泵在起動前必須將吸水管和泵腔內注滿水才能進入運行狀態,否則水泵轉動時將無法吸水,形成"干燒",嚴重影響水泵的使用壽命。在無底閥的排水系統中,水泵每次起動都要灌水,這一工作由抽真空設備完成,一般使用射流泵或真空泵。它們的工作原理不同,但都能在系統中使水泵工作腔達到一定的真空度,保證系統正常工作。1.2井下排水系統存在的問題目前,我國大多煤礦企業的井下水泵房使用的仍然是傳統的人工操作排水系統,以離心式水泵系統為主。這種排水系統的操作以離心式水泵的工作特性為基礎,泵站的起停時間判斷,完全依賴于工人的經驗和已有的操作規程。當水倉水位到達設定的高水位時,工人打開射流泵<或真空泵>,為水泵抽真空,同時觀測真空表的讀數。真空度達到要求后,起動水泵機組,使水泵運轉。當水泵出水口壓力表讀數達到要求時,開起閘閥進行排水,同時關閉抽真空的射流泵<或真空泵>。停泵過程要進行相反的操作。當水倉積水降至低水位時,先將閘閥關死,再停水泵機組。根據現場涌水量的不同,工人還要判斷同時投入幾臺水泵工作,以便于既能及時排出積水,又能使泵站合理使用,避免過度頻繁的起停。其存在的問題有如下幾點：①效率低、可靠性差。這種排水系統的工作流程完全由手工完成,工人按部就班的完成各個執行件的操作。另外,對水位、涌水量大小等現場數據的判斷依賴于工人的經驗。作業過程比較復雜,要求工人具有很強的責任心,否則可能出現誤操作,甚至發生大的事故。②工人勞動強度大。人工操作無法避免高強度的勞作。尤其是閘閥的操作,勞動量最大。而且,水泵房要時時有人值守,以便在發生異常情況時,及時報警檢修。1.3排水系統為何要實現自動控制針對上述排水系統存在的問題,本文提出了基于PLC的礦井主排水自動控制系統的設計。自動控制系統的應用,將使得排水系統可靠性增強,整個工作流程通過軟件的編程來實現,程序確定后,水泵機組將按給定的程序自動啟停水泵、開合閥門,極大的減小工人的勞動強度。PLC將水泵機組的運行狀態與參數經安全生產監測系統傳至地面生產調度監控中心主機,管理人員在地面即可掌握井下主排水系統設備的所有檢測數據及工作狀態,又可根據自動化控制信息,實現井下主排水系統的遙測、遙控。第二章礦井自動排水系統的各種參數與檢測排水裝置要實現自動控制、無人職守,最根本的就是讓控制系統了解自動化系統中各個設備的狀況和運行狀態。這些運行狀態經過系統中央處理單元的分析和運算后,做出判斷并顯示給集中監控室。圖2-1主排水泵自動化監控系統圖排水裝置實現自動化的過程中,必須對圖所示參數進行檢測,本章將對以下5個監控的參數展開論述并給出檢測的方法和可實現性。<1>水倉水位的檢測<2>水泵流量的檢測<3>水泵壓力檢測<4>水泵負壓檢測<5>電機及水泵溫度檢測2.1水倉水位的檢測2.1.1液位傳感器介紹一、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的分界面上的反射特性而制成的。如果從發射超聲波脈沖開始,到接受到反射波為止的這個時間間隔為已知,就可以求出分界面的位置,利用這種方法可以對液位進行測量。根據發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射和接收超聲波使用同一個換能器,而雙換能器的傳感器發射和接受各使用一個換能器。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2-2所示。圖2-2超聲波液位計安裝示意圖對于單換能器來說,超聲波從發射器到液面,又從液面反射到換能器的時間為： 〔式2-1則 〔式2-2式中：h—換能器距液面的距離；c—超聲波在介質中的傳播速度。 從以上公式中可以看出,只要測得超聲波脈沖從發射到接收的時間間隔,便可以求得待測的液位。 超聲波液位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點,但若液體中有氣泡或液面發生波動,便會產生較大的誤差。在一般使用條件下,它的測量誤差為,檢測液位的范圍為～m。本設計中采用的是Yjsonic系列的超聲波液位計,在測量中脈沖超聲波由傳感器〔換能器發出,聲波經物體表面反射后被同一傳感器接收,轉換成電信號。并由聲波的發射和接收之間的時間來計算傳感器到被測物體的距離。工作特點：采用SMD技術,提高儀器的可靠性,自動功率調整,增益控制、溫度補償。先進的檢測技術,豐富的軟件功能適應各種復雜環境。采用新型的波形計算技術,提高儀表的測量精度。具有干擾回波的抑制功能,保證測量數據的真實。16位D/A轉換,提高電流輸出的精度和分辨率。傳感器采用四氟乙烯材料,可用于各種腐蝕性場合,多種輸出方式：可編程繼電器輸出、高精度4～20mA電流輸出、RS-485數字通信輸出等方式可供選擇。圖2-3超聲波液位計選型設計中選用二線制輸出型液位計,其參數如下：量程：0～3、5、8、10、15、20m精度：0.25%盲區：0.3～0.5m溫度：-20℃～+55℃電源：24VDC控制：無輸出：4～20mA二線制防護等級：

IP65顯示方式：4位LCD

二、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液體會產生一定的壓強這個基本原理制成的。其示意圖如圖2-4所示。圖2-4水位計示意圖圖2-5傳感器功能模塊圖具體的來說是:傳感頭根據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,再把壓力差轉換成微弱的電信號,該微弱的電信號經放大器放大后送A/D變換器,單片機采集數字信號經運算處理后,輸出的水位高度用數碼管來顯示,同時輸出對應的輸出信號。其內部的功能模塊圖如圖2-5。液位檢測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計和制造出來的,分別適應于不同的工作場所。當然,有些場所可以使用兩種當中的任何一種,也可以同時使用在同一個被檢測對象<水倉>。一、兩種液位傳感器的比較投入式液位傳感器的特點在于:①制造成本相對于超聲波液位傳感器較為低廉:②量程比較小<5—10米>,但一般能滿足測量水倉水位的要求:③性能受到被檢測介質物理性質<如液體有固體沉積或粘稠>的影響；④測量工作不受空氣中的懸浮成分如粉塵、濃煙等的影響相對而言,超聲波液位傳感器的特點在于:①超聲波傳播會受到空氣中粉塵的影響；②超聲波水位傳感器的測量量程大；③超聲波水位傳感器屬于非接觸式傳感器,性能不受被檢測介質的影響；④制造成本比較高。二、水位檢測裝置的選擇由于煤礦井下的排水系統重要的安全地位,而水位傳感器是整個排水系統的嗅覺器官。也就是說,一旦水位傳感器失靈,后面的排水硬件和響應軟件設置的再好都無法啟動。所以,合理設計水位傳感也是很重要的。在水位檢測裝置的選擇上,至少選擇兩個水位傳感器來提高水位檢測裝置的可靠性。一般選擇一個超聲波液位傳感器與一個投入式液位傳感器相結合的方法來檢測水位。但是由于超聲波液位傳感器不能用在過于狹小的空間內,當條件不具備時,也可以使用兩個投入式傳感器來檢測水位。2.2電機及水泵溫度檢測溫度傳感器一般分為接觸式與非接觸式兩大類。所謂接觸式就是傳感器直接與被測物體接觸,這是測溫的基本形式。這類溫度傳感器具有結構簡單、工作可靠、精度高、穩定性好、價格低廉等優點,是目前應用最多的一類。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量滯后和應用范圍上的限制,可測高溫、腐蝕、有毒、運動物體及固體、液體表面的溫度,不干擾被測溫度場,但測量精度低,使用不太方便。通過比較,宜選擇接觸式溫度傳感器測量溫度比較合適。本文選擇PT100溫度傳感器測電機及水泵溫度。Pt100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數關系的特性來進行測溫,其溫度/阻值對應關系為：〔1-200℃<t<0℃時,

〔式2-12〔20℃≤t≤850℃時,

〔式2-13式中,A=3.90802×10-3；B=-5.80×10-7；C=4.2735×10-12。PT100溫度傳感器是一個模擬信號,它在實際應用中有二種形式:一種是不需要顯示的,主要采集到PLC,這樣在使用的時候只需要一塊PT100的集成電路,要注意的是這個集成電路采集的不是電流信號而是電阻值,PT100的集成電路〔需要一個±12VDC電源提供工作電壓直接把采集到的電阻變為1-5VDC輸入到PLC,經過簡單的計算就可以得到相應的溫度值。〔這樣的形式可以同時采集多路,還有一種就是單獨的一個PT100溫度傳感器〔工作電源是24VDC,產生一個4--20mA的電流,然后再通過一個4--20mA電流電路板把4--20mA的電流變為1--5V電壓。它可以串連一個電磁指示儀表。Pt100溫度傳感器的主要技術參數如下：測量范圍：-200℃～+850℃；允許偏差值△℃：A級±〔0.15＋0.002│t│,B級±〔0.30＋0.005│t│；熱響應時間<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、穩定性好、準確度高、耐高壓等優點。應用范圍：氣液兩用型,可用于供水系統,液壓,氣動系統,冷卻系統,加熱系統,空調系統,自動化工程等。2.3水泵壓力檢測一、應變式壓力傳感器原理介紹 應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質的動態或靜態壓力,如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發動機內部的壓力、槍管及炮管內部的壓力、內燃機管道的壓力等。 應變式壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。圖3-9為膜片式壓力傳感器,應變片貼在膜片內壁,在壓力作用下,膜片產生徑向應變和切向應變,表達式分別為： 〔式2-8 〔式2-9式中：—膜片上均勻分布的壓力； R、—膜片的半徑和厚度； X—離圓心的徑向距離。由應力分布圖可知,膜片彈性元件承受壓力時,其應變變化曲線的特點為：當x=0時,；當x=R時,=0,=。 根據以上特點,一般在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個應變片,在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個應變片,然后接成如圖3-10的全橋電路。其中,,且R1=R2=R3=R4,則： 〔式2-10 〔式2-11此時全橋差動電路不僅沒有非線形誤差,而且電壓靈敏度為單片工作時的4倍,同時仍具有溫度補償作用。圖2-6全橋差動電路二、HS-956系列薄膜壓力變送器 在本系統中使用了HS-956系列薄膜壓力變送器。HS-956系列薄膜壓力變送器由高性能的薄膜壓力傳感器與信號調理電路組成。該系列產品技術獨特、性能優越,具有體積小、重量輕、安裝簡便、能在惡劣環境長期穩定工作的特點,特別適合頻繁沖擊壓力的測量。是目前理想的流體壓力測量儀表。HS-956系列薄膜壓力變送器的特點：1、穩定性高每年優于±0.1%2、測量誤差小綜合誤差可小于±0.1%3、溫度范圍寬允許介質溫度-40～125℃4、溫度漂移小典型溫漂±0.02%/℃5、適應惡劣環境耐溫、耐腐、抗振動6、適應性廣產品體積小、重量輕、無隔離膜片和中介液體；全不銹鋼密封結構,無可動部件；可直接、任意安裝。因此適應各種工業測量場合及介質。主要技術指標：1、介質液體、氣體或蒸汽2、輸出兩線制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,無負載時可工作在12V.DC,最大電源電壓36V.DC；5、負載范圍允許最小負載為零,最大負載RL=50〔US-12Ω。其中US為電源電壓；6、過壓量程的120%；7、輸出限制變送器過壓時,內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%相對濕度。2.4水泵流量檢測流量檢測儀器的安裝位置水泵的流量與水泵出口的閘閥開度和出口壓力、電動機電流有直接的關系。這些參數之間相互結合可以檢測出水泵、電動機的性能和工況。因此水泵出口流量的檢測有非常重要的意義。水泵出口流量的檢測有兩種布置方式:①流量檢測器安裝分別安裝在水泵出口的分支管路上,圖3-6所示;②流量檢測器安裝在水泵出口的總管路上,如圖3-7所示。兩種安裝位置的比較,采用圖3-7所示的安裝方式可以滿足需要。采用如圖2-6示的安裝方式可以保證準確測量每一個水泵在工作過程中的流量。從而可以比較準確的判斷出各個水泵機組的工作特性。但是結合煤礦井下排水過程的特點:水泵的工作方式<輪番啟動>,如果采用如圖3-7所示的安裝方式,也可以判斷出每個水泵的流量,但是需要比較復雜的軟件設1.截止閥2.離心式水泵3.流量傳感器圖2-7各個水泵分別安裝流量傳感器計來實現。軟件中可以通過檢測干路中的流量總和與所開啟的水泵數目,可以得到整個排水泵一電機機組的工況。因此出于造價、硬件系統的復雜等方面的考慮,優先選擇圖2-8所示的方式設置流量計。1.截止閥2.離心式水泵3.流量傳感器圖2-8各個水泵只安裝一個流量傳感器流量檢測傳感器一、電磁流量計工作原理在工業中經常使用的大口徑流量計是電磁流量計。自20世紀50年代末國內首次工業應用以來,七八十年代在流量測量中運用和發展很快。電磁流量計由電磁流量轉換器和電磁流量傳感器組成的。電磁流量轉換器是為電磁流量傳感器提供電源,并將其測量的流量信號整定成為標準的4--20mA電流等其他形式的信號。電磁流量傳感器是根據法拉第原理制成的一種流量計,用來測量導電液體的流量。其原理圖如圖2-9所示,它是由產生均勻磁場的系統、不導磁材料的管道以及在管道橫截面上的導電電極組成。磁場方向、電極連線、管道軸線三者之間是相互垂直的。當被測導電液體流過管道時,切割磁力線,于是在和磁場及流動方向垂直的方向上產生感應電動勢,其數值與液體的流速成正比。即〔式2-3式中:B—磁感應強度<T>；D—切割磁力線的導體液體的長度<為管道內徑><m>；v—導電液體在管道內的平均流速<m/s>。由式<3-3>得被測導電液體得體積流量為〔式2-4因此,知道感應電動勢就可以測出導電液體的流量。圖2-9電磁流量傳感器原理圖二、電磁流量傳感器的結構特點理論上認為磁感應強度B是常量,即直流磁場。但直流電勢將使被測液體電解,使電極極化。正電極被負離子包圍,負電極被一層正離子包圍,加大了電極的電阻。破壞了原來的測量條件。同時內阻增加隨被測液體成分的變化和工作時間長短而變化,因而使輸出電勢不固定,影響測量精度。而對被測量介質的流量測量采用交流電<頻率為5OHz>勵磁的交流磁場,即〔式3-5感應電動勢為〔式2-6所以體積流量為〔式2-7為了避免測量管路引起磁分流,故需要用非導磁材料做成。另外,由于測量管路處于較強的交流磁場中,管壁產生渦流,因而產生二次磁通。為了減少渦流,要求測量管路的材料具有高電阻率。且對于不同直徑的電磁流量計,其電極、測量管路都采用不同的材料做成。三、電磁流量計的特點①測量管路內沒有任何突出和可移動的部件,因此可用于有懸浮顆粒的漿液等流量的測量,且壓力損失極??；②感應電勢與被測液體溫度、壓力、粘度等無關,因此其使用范圍廣泛;③測量范圍寬,；④可以測量各種腐蝕性液體的流量；⑤電磁流量計的慣性小,可以用來測量脈動流量；⑥對測量介質,要求導電率大于0.002-0.005Ω/m。流量計的要求隨著工業生產技術的加強和進步,各種智能型電磁流量計已經很容易的制造出來,并應用于測量管道中導電液體的體積流量,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、污水處理等行業中廣泛應用。電磁流量計可以達到以下要求:①4--20mA信號輸出型；②抗干擾性強、精度高、穩定性可靠、整體防爆；③測量范圍寬,流速0.3-15m/s；實際上,以塔山煤礦S-3水泵房為例,其理論上管路中液體的流速范圍是:2.46m/s-4.92m/s。結合電磁流量傳感器自身的特點,煤礦井下水泵房采用電磁流量傳感器檢測水泵出口的流量是簡單易行的。隨著工業生產技術的加強和進步,電磁流量計達到抗干擾性強、精度高、穩定性可靠、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。由于每臺水泵的工作曲線特別是使用了一定年限的離心式水泵的流量/功率、流量/效率等曲線有較大的差異,因此無法給出每臺水泵在工作過程中的流量正常閾值和水泵排出水過少的閾值。這些閾值只有在現場根據每臺水泵不同的流量特性設定出相應的閾值。雖然電磁流量傳感器在使用、安裝的過程中比較復雜,但可以肯定的說,隨著流量傳感器在自動排水系統的應用,將大大提高整個系統的穩定性和安全性。2.5水泵負壓檢測 NS-K型負壓傳感器采用先進的靜電焊接技術形成穩定的參考腔,可以用來測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、真空儀表等自動化行業。 NS-K型負壓傳感器的主要技術指標如表所示：表NS-K型負壓傳感器的主要技術指標輸入0~-0.5kPa…-1kPa…-10kPa…-30kPa…-50kPa…-100kPa過載能力2倍測量介質對不銹鋼不腐蝕的氣、液體工作方式負壓、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非線性±0.1%F.S〔典型值重復性±0.1%F.S〔典型值工作溫度范圍-40~120℃溫度補償范圍25~80℃溫度漂移0.025%F.S/℃第三章XX塔山煤礦礦井排水系統設計3.1塔山煤礦同煤大唐塔山煤礦位于XX市以南30公里,由XX煤業股份,XX國際發電股份,XX煤礦集團XX公司三方股東共同投資組建,股權比例為別為51%,28%,21%。公司有倆個項目,分別為塔山礦井和選煤廠。其中塔山礦井是目前全國煤炭行業建成的第一格規劃最完整,建設速度最快,效果體現最明顯的塔山循環經濟工業區的龍頭企業,也是我國"十一五"期間建設的第一格千萬級噸的礦井。塔山礦井設計概算30.34億元,占地430畝,設計年產量150萬噸,礦井服務年限140年。煤質為特低硫,特低磷,中高發熱量的優質動力力煤,洗選后精煤發熱量可達5600大卡/千克以上.礦井于20XX開工建設,20XX投產,20XX達產,是目前國際上設立最大的單井井工礦井,同煤集團首個千萬噸綜采隊在此建成.目前,礦井已形成倆個綜采低位放頂煤工作面,其自發的特厚煤層開采長套技術,代表了國內特厚煤層開采最新發展方向,被稱為是"石炭二疊世紀煤炭開采的實驗田。有職工人數800人左右,全員效率85噸,單井產量,工作面產,人均效率,煤炭回收率,成本利稅率等方面已經跨入一流水平行列,屬于現代化的高產高效礦井.塔山選煤廠設計概算5.2億元,占地340畝,年入選量150萬噸.選煤廠采用重介淺槽分選塊煤,煤泥的聯合洗選工藝,小時處理能力3000噸,主要生產精煤和中煤倆個產品,實現原煤全部入洗,產品質量指標可根據市場需求的變化進行調整。3.2塔山煤礦礦井資料塔山煤礦礦井原始資料:1>單水平開采,豎井,井深450m2>正常涌水量550m3/h3>最大涌水量1000m3/h4>礦水污染較嚴重,密度1020kg/m33.3選型設計1.選擇排水系統由于是單水平開采,故采用直接排水系統。2.預選水泵:主泵房的排水設備,必須有工作、備用和檢修水泵。其中任一臺水泵的排水能力應能在20h排出24h的正常涌水量,兩臺水泵同時工作的總能力,應能在20h內排出礦井24h的最大涌水量,檢修水泵的能力應不小于工作水泵能力的25%。正常涌水期,水泵必須的排水能力： 〔式3-1最大涌水期,水泵必須的排水能力：〔式3-2式中：qz—正常涌水量〔m3/hqvmax—最大涌水量〔m3/hQv1—工作水泵必須的排水能力〔m3/hQv1max—工作與備用水泵必須的排水總能力〔m3/h作為估算可認為水泵必須產生的揚程H1〔m 〔式3-3式中：Hh－井筒深度〔m；k－揚程損失系數,豎井,k=1.1；斜井,k=1.20～1.35由于礦水污染嚴重,應考慮選擇MD型耐磨泵,綜合上述幾點,可選用MD500-57型號泵,其單級揚程Hi=57。水泵級數,故選級數i=9。MD型泵是目前國內較為理想的煤礦用排水泵。其各型號見表2-1,型號含義如圖3-1所示：圖3-1水泵型號含義比較Qv1,Qv1max和Qe可知,在正常涌水時期需要水泵臺數在最大涌水時期需要投入工作的水泵臺數除此之外,尚需一臺檢修水泵。故工作水泵n1=2,備用水泵n2=1,檢修水泵n3=1,共四臺水泵。3、管路趟數的選擇根據各涌水期投入工作的水泵臺數,可選用三趟管路,正常涌水期兩臺水泵同時工作,各用一趟管路排水,另一趟備用；最大涌水期三臺泵同時工作,啟用備用管路,三趟管路并聯排水。3.4引水設備離心式水泵只有在泵殼內充滿水的情況下允許啟動,通常采用的方法是打開逆止閥旁通道上的截止閥〔或注水電磁閥讓排水管道中的壓力水注入泵體,泵體內的空氣從放氣旋塞排出。這種方法要求水泵必須裝設底閥。在排水過程中,底閥產生一定的水力損失使水泵的電耗增加、效率降低。為了取消底閥、增加吸水高度、便于自動控制,還可采用以下充水裝置。一、用真空泵抽真空吸水在多臺大泵集中排水的情況下,可設置兩臺真空泵專為大泵抽真空吸水。一般采用SZ型、SZB型、SZH型水環式真空泵。在本系統中采用的是SZ水環式真空泵。其大致的工作原理為：在泵體中裝有適量的水作為工作液。當葉輪順時針方向旋轉時,水被葉輪拋向四周,由于離心力的作用,水形成了一個決定于泵腔形狀的近似于等厚度的封閉圓環。水環的下部分內表面恰好與葉輪輪轂相切,水環的上部內表面剛好與葉片頂端接觸〔實際上葉片在水環內有一定的插入深度。此時葉輪輪轂與水環之間形成一個月牙形空間,而這一空間又被葉輪分成和葉片數目相等的若干個小腔。如果以葉輪的下部0°為起點,那么葉輪在旋轉前180°時小腔的容積由小變大,且與端面上的吸氣口相通,此時氣體被吸入,當吸氣終了時小腔則與吸氣口隔絕；當葉輪繼續旋轉時,小腔由大變小,使氣體被壓縮；當小腔與排氣口相通時,氣體便被排出泵外。水環泵是靠泵腔容積的變化來實現吸氣、壓縮和排氣的,因此它屬于變容式真空泵。SZ水環式真空泵的性能參數如表所示。在正常情況下,為了加快充水過程兩臺真空泵同時對一臺水泵抽氣。當一臺真空泵發生故障時,另一臺仍能擔負抽氣的任務。抽氣管經過電磁閥與每臺水泵進水端的放氣孔相接,管路接頭處要保證嚴密。由于真空泵在工作時會發熱,及一部分工作液〔水環隨氣體一起排走,所以應不斷地向真空泵補充清水。在圖3-2中,啟動真空泵時,由清水水箱經管路6給真空泵補充清水。當真空表的讀數達到要求時即可啟動大水泵。表3-1SZ水環式真空泵的性能參數型號真空最大吸氣量壓縮機最大排氣量<m3/h>電機功率

<Kw>轉速

r/min水耗量

L/min最大真空度

%當真空度為當壓力為<Mpa>0%40%60%80%90%00.050.080.10.15真空泵壓縮機SZ-11.50.640.40.12-1.5145.514401084SZ-23.41.650.950.25-3.42.621.5-7.51114403087SZ-311.56.83.61.50.511.59.28.57.53.522379807092SZ-42717.6113-272620169.57590740100931-抽氣管；2-電磁閥；3-真空表；4-水環式真空泵；5-補水水管；6-排氣軟管圖3-2真空泵的安裝示意圖二、利用射流噴管抽真空吸水目前,我國煤礦主要排水設備通常由離心式水泵、電動機、起動設備、儀表、管路、濾水器、底閥、閘閥、逆止閥、充水裝置等組成。離心式水泵通常只有在泵體內充滿水的情況下才允許起動,才能上水。經常采用的方法是打開逆止閥旁通管上的截止閥,讓主排水管路中的壓力水注入泵體,泵體內的空氣從放氣孔排出,這樣的方法要求水泵必須裝設底閥。但在排水過程中,底閥產生一定的水力損失,使水泵的電耗增加,效率降低,而且底閥易出現不閉合、膠墊爛等現象而造成漏水,無形中增加了維修量,降低了水泵排水的可靠性,于是,根據現場實際<來水管處地方窄小>,利用射流管抽真空技術制作了充水裝置,投用后效果良好。射流管的尺寸、整體安裝位置如圖2-5：A即為射流管充水裝置。l,2為截止閥,分別控制主管路給水和泵體內排空氣；3為真空表,用來監視泵體及管路內真空度,真空度達到上水要求,即可開泵；4為主閘閥：5為逆止閥,開泵時,先開啟截止閥2再開啟截止閥l,主管路高壓水經截止閥l射向射流管A,觀察真空表,一般真空度達到0.05MPa以往前運動,并在噴嘴口處形成一定的真空度,這樣泵體和吸水管內的空氣被吸進混合室,兩股合成氣水混合物,經過噴管的頸口及擴散管排出,再流入水倉。要注意射流管所造成的真空度的高低不僅與噴管本身的合理尺寸有關,而且也與水泵排水管內存水的壓力有關。排水管內存水壓力越大,水泵充水的時間就越短,壓力越小充水的時間就越長,甚至吸不上水來。l,2．截止閥3．真空表4．主閘閥5．逆止閥6．濾網<去底閥>7.混合室8．頸口圖3-3射流噴管的尺寸及安裝位置三、真空泵與射流管的比較使用射流管抽真空吸水與使用真空泵一樣,也能省去底閥提高水泵的效率及吸水高度,而且它具有結構簡單,不占用泵房空間,維修量小等優點。它的主要缺點就是不能解決第一次啟動前的充水,因為第一次啟動之前,排水管中無存水,噴管無水源,除非向排水管注入足夠的水否則必須保留一臺水泵帶有底閥。3.5自動閥門本設計中主要用到了電動閘閥,電動球閥兩種閥門。下面就這兩種閥門進行簡單的介紹。3.5.1電動閘閥 電動閘閥是安裝在水泵的出水口處主排水管上的,用于控制排水管開關的閥門。閘閥是指關閉件〔閘板沿通路中心線的垂直方向移動的閥門。閘閥在管路中主要作切斷用。閘閥是使用很廣的一種閥門,一般口徑DN≥50mm的切斷裝置都選用它,口徑很小的切斷裝置也可選用閘閥,閘閥有以下優點：①流體阻力??；②開閉所需外力較小；③介質的流向不受限制；④全開時,密封面受工作介質的沖蝕比截止閥小；⑤體形比較簡單,鑄造工藝性較好。閘閥也有不足之處：①外形尺寸和開啟高度都較大,安裝所需空間較大；②開閉過程中,密封面間有相對摩擦,容易引起擦傷現象；③閘閥一般都有兩個密封面,給加工、研磨和維修增加一些困難。表3-2Z2410/ZTX系列電動閘閥主要技術參數公稱直徑DN<mm>25～800公稱壓力PN〔MPa1.62.54.06.4連接標準法蘭連接按/T79.1/T79.2標準閥體材料代號ZG230-450ZG1Cr18Ni9TiZG0Cr18Ni12M02Ti密封面材料代號HY適用介質水、蒸汽、油品等硝酸類腐蝕性介質醋酸類腐蝕性介質適用溫度〔℃≤425≤550≤200設計中使用了Z2410/ZTX系列電動閘閥,它是由多回轉電動執行器與Z41/42閘閥組合在一起。閘板及填料外密封可靠、開關平穩。流道通暢、流阻小。廣泛用于化工、石油、冶金、能源等行業。用來實現遠控操作。主要技術參數及性能如表2-3所示。3.5.2電動球閥 電動球閥在系統中應用較多,在圖2-2水泵排水系統中可以看出,真空泵抽真空,射流管方式抽真空都用到了電動球閥。電動球閥結構比較簡單,價格也較低,應用方便靈活,不過其口徑都較小,不能替代電動閘閥的位置,一般只應用于控制管徑較小的管路的開斷。本設計中使用了Q5100/TZX系列電動O型調節球閥。Q5100/TZX系統電動O型調節球閥是一種轉角為90°的旋轉類調節閥,密封性能優良,流通能力大,流阻系數小,結構簡單、維修方便、使用壽命長,配用DKJ-Ⅱ、Ⅲ執行器引配日本工裝,西德歐姆龍等高性能執行機構。產品通常用于密封要求嚴格的場合,除控制氣體、液體、蒸汽介質外,還適宜控制污水和含有纖維性雜質的介質,廣泛用于石油、化工、冶金、輕工、造紙、電站、制冷等工業領域。 主要技術參數及性能如表所示。表3-3Q5100/TZX系列電動O型調節球閥主要技術參數公稱直徑DN<mm>1520253240506580100125150200250300350400公稱壓力PN〔MPa1.66.4連接標準法蘭連接按/T79.2/T79.2標準球芯轉角90℃閥體材料ZG230～450ZG1Cr18Ni9TiZG0Cr18Ni12M02Ti適用溫度〔℃-40～180〔常溫-40～450〔高溫執行機構DKJ-Ⅱ、Ⅲ型PSAUTOMATIONCMBHLNAR-KOSOUnic-Z電動執行機構輸入信號0～10mA4～20mA1～5VDC3.6高壓開關柜礦用高壓開關柜因為不是防爆型電氣設備,只能用于無瓦斯和煤塵突出、通風良好無爆炸危險的煤礦井下井底車場、大巷、中央變電所等場所。 礦用高壓開關柜工作條件為：煤礦井下環境溫度不能超過35℃；相對濕度不超過95％±3％；無導電塵埃及腐蝕金屬和破壞絕緣的氣體；無劇烈振動及垂直傾斜度不超過5o的場所。本設計中選用GKW—1型礦用高壓開關柜,額定電壓為3kV,6kV；額定電流為5～400A。GKW—1型高壓開關柜用等邊角鋼制成骨架,用2mm厚的鋼板焊成封閉式,具有防滴防水的作用。前門上裝有二次儀表和信號燈,打開前門是操作室,裝有腳踏按鈕,操作屏上裝有操作手柄、操作機構、輔助開關和端子板。后門上裝有觀察窗,以便觀察油斷路器的油面情況。母線均涂顏色：A相涂黃色；B相涂綠色；C相涂紅色。后門和隔離開關之間有機械閉鎖裝置,只有隔離開關斷開時才能打開后門,反之,只有關上后門才能合上隔離開關。隔離開關的操作機構與油開關的操作機構之間也有機械閉鎖裝置,當隔離開關斷開時油開關就不能合上,油開關合上時隔離開關就不能打開。保護板下面的小門打開就可以檢查電壓互感器和高壓熔斷器。小門與隔離開關之間也有機械閉鎖裝置,只有隔離開關斷開才能打開小門,小門打開隔離開關就不能閉合,以防發生觸電事故。 控制水泵房的高壓開關柜主要是為水泵電機提供電源,由于水泵電機屬于高壓大容量電機,不能直接啟動,需采用串聯電抗器或采用Y-D轉換降壓啟動的方法來啟動電機。而這個任務要由高壓開關柜來完成。由于采用電抗器降壓,在啟動的開始階段,由于功率因數低,在電抗器上的壓降大,隨著轉速的增高,啟動電流逐漸減小,且功率因數逐漸增高,其結果是使電抗器上的壓降減小,電機上的端電壓逐漸增高。這樣在啟動終了短接電抗器時,沖擊電流會小些。電抗器降壓啟動的接線如圖3-4所示。這樣,當PLC發出一個水泵電機啟動的命令給高壓開關柜后,高壓開關柜就會自動完成水泵電機的平穩啟動了。圖3-4電抗器降壓啟動接線圖第四章PLC自動控制礦井主排水系統的設計4.1控制系統總體結構系統采用現場層<遠程IO>,控制層<PLC>和管理層<工業計算機>組成的三級控制系統來實現排水系統的自動控制。工業計算機利用友好人機界面實現人機對話和遠程監控功能,PLC作為控制器完成邏輯處理和控制任務,遠程I/O實現現場數據的采集和上傳。控制系統總體結構如圖4-1所示。圖系圖4-1系統總體結構4.2PLC自動控制礦井主排水系統的設計系統由PLC〔可編程邏輯控制器、觸摸屏、檢測部分〔模擬量和開關量采集和執行部分等組成,其硬件結構如圖4-2所示。圖4-2控制系統硬件結構圖4.2.1PLC的主要特點PLC〔ProgrammableLogicController,即可編程邏輯控制器,定義是：一種數字運算操作的電子系統,專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器,用于其內部存儲程序,執行邏輯運算,順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令,并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。1.PLC的特點1>靈活、通用在繼電器控制系統中,使用的控制裝置是大量的繼電器,整個系統是根據設計好的電氣控制圖,由人工通過布線、焊接、固定等手段組裝完成的,其過程費時費力。如果因為工藝上少許變化,需要改變電氣控制系統時,原先整個電氣控制系統將被全部拆除,而重新進行布線、焊接、固定等工作,耗費大量人力、物力、和時間。而PLC是通過在存儲器中的程序實現控制功能,若控制功能需要改變,只需修改程序及少量接線即可。而且,同一臺PLC還可用于不同控制對象,通過改變軟件則可實現不同控制的控制要求。因此,PLC具有很大的靈活性和通用性,結構形式多樣化,可以適用于各種不同規模、不同工業控制要求。2>可靠性高、抗干擾能力強可靠性是工業控制器件的重要指標。因此,要求在各種惡劣工作環境和條件<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,不會出現繼電器一接觸器控制系統中接線老化、脫焊、觸點電弧等現象,故被稱為"專為適應惡劣工業環境而設計的計算機"。3>編程簡單、使用方便PLC采用面向控制過程、面向問題的"自然語言"編程,容易掌握。目前,PLC大多采用梯形圖語言編程方式,它既繼承了繼電器控制線路的清晰直觀感,又考慮到電氣技術人員的讀圖習慣和應用實際,電氣技術人員易于編程,程序修改靈活方便。這種面向控制過程、面向問題的編程方式,與匯編語言相比,雖然增加了解釋程序和程序執行時間,但對大多數機電控制設備來說,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場的用戶設備聯接。如繼電器、接觸器、電磁閥等聯接,具有較強的驅動能力。4>接線簡單PLC只需將輸入設備<如按鈕、開關等>與輸入端子聯接,將輸出設備<如接觸器、電磁閥等>與輸出端子聯接。接線極其簡單、工作量極少。5>功能強PLC不僅具有條件控制、定時、計數、步進等控制功能,而且還能完成A/D.D/A轉換、數字運算和數據處理以及通信聯網、生產過程監控等。因此,PLC既可對開關量進行控制,又可對模擬量進行控制?？煽刂埔慌_單機、一條生產線,也可控制一個機群、多條生產線?？捎糜诂F場控制,也可用于遠距離控制。可控制簡單系統,又可控制復雜系統。6>體積小、重量輕、易于實現機電一體化PLC具有體積小、重量輕、功耗低等特點。由于PLC是專為工業控制而設計的專用計算機,其結構緊湊、堅固耐用,以及有很強的可靠性和抗干擾能力,易于嵌入機械設備內部。因此,PLC在機電一體化產品中被廣泛應用。2.PLC的主要功能PLC是應用面很廣,發展非常迅速的工業自動化裝置,在工廠自動化<FA>和計算機集成制造系統<CIMS>內占重要地位。今天的PLC功能,遠不僅是替代傳統的繼電器邏輯。PLC系統一般由以下基本功能構成.多種控制功能.數據采集、存儲與處理功能.通信聯網功能.輸入/輸出接口調理功能.人機界面功能.編程、調試功能1>控制功能邏輯控制:PLC具有與、或、非、異或和觸發器等邏輯運算功能,可以代替繼電器進行開關量控制。定時控制:它為用戶提供了若干個電子定時器,用戶可自行設定:接通延時、關斷延時和定時脈沖等方式。計數控制:用脈沖控制可以實現加、減計數模式,可以連接碼盤進行位置檢測。順序控制:在前道工序完成之后,就轉入下一道工序,使一臺PLC可作為多部步進控制器使用。2>數據采集、存儲與處理功能數學運算功能包括:.基本算術:加、減、乘、除。.擴展算術:平方根、三角函數和浮點運算。.比較:大于、小于和等于。數據處理:選擇、組織、規格化、移動和先入先出。模擬數據處理:PID、積分和濾波。3>輸入/輸出接口調理功能具有A/D.D/A轉換功能,通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調節精度,可以根據用戶要求選擇。具有溫度測量接口,直接連接各種電阻或電偶。4>通信、聯網功能現代PLC大多數都采用了通信、網絡技術,有RS232或RS485接口,可進行遠程I/O控制,多臺PLC可彼此間聯網、通信,外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間,實現程序和數據交換,如程序轉移、數據文檔轉移、監視和診斷。通信接口或通信處理器按標準的硬件接口或專有的通信協議完成程序和數據的轉移。在系統構成時,可由一臺計算機與多臺PLC構成"集中管理、分散控制"的分布式控制網絡,以便完成較大規模的復雜控制。通常所說的SCADA系統,現場端和遠程端也可以采用PLC作現場機。5>人機界面功能提供操作者以監視機器/過程工作必需的信息；允許操作者和PC系統與其應用程序相互作用,以便作決策和調整。實現人機界面功能的手段:從基層的操作者屏幕文字顯示,到單機的CRT顯示與鍵盤操作和用通信處理器、專用處理器、個人計算機、工業計算機的分散和集中操作與監視系統。6>編程、調試等使用復雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏,進行編程、調試、監視、試驗和記錄,并通過打印機打印出程序文件。4.2.2S7--300PLC的基本組成本系統選用德國西門子公司的SIMATICS7-300系列PLC系統。S7-300系列PLC是模塊化結構設計,各種單獨模塊之間可以進行廣泛組合和擴展。它的系統構成如圖4-3所示。其主要組成部分有導軌<RACK>、電源模塊<PS>、中央處理單元模塊<CPU>、接口模塊<IM>,信號模塊<SM>、功能模塊<FM>等。它可以通過MPI連接電纜或通訊模塊與計算機進行通訊,再加上其全面的診斷功能和完善的自我保護技術,使其具有極高的可靠性,極其適合本系統的需求。除此之外,它自帶的STEP7編程軟件功能強大,使用方便,也使開發過程變得簡單快捷。圖4-3S7-300PLC系統構成框圖一、中央處理單元CPU同一般的微處理器一樣,中央處理單元是PLC的主要部分,是系統的核心。它通過輸入裝置讀入外設的狀態,由用戶程序去處理,并根據結果通過輸出裝置去控制外設。一般的中型可編程控制器多為雙微處理器系統。一個為字處理器,多為8位或16位微處理器。另一個是位處理器,也稱為布爾處理器,是一些廠家設計制造的專用芯片。字處理器是主處理器,由它處理字節操作指令,控制系統總線、內部計數器、內部定時器,監視掃描時間,統一管理編程接口,同時協調位處理器及輸入輸出。位處理器也稱從處理器,它的主要作用是處理位操作指令和在機器操作系統的管理下實現PLC編程語言向機器語言的轉換。位處理器的采用,加快了PLC的掃描速度,使PLC能較好的滿足實時控制要求二、輸入/輸出部件輸入/輸出部件通常亦稱I/O單元或I/O模塊,PLC通過I/O單元與工業生產過程現場相聯系。通過I/O接口可以檢測被控對象或被控生產過程的各種參數,以這些現場數據作為PLC對被控對象進行控制的信息依據。同時PLC又通過I/O接口將處理結果送給被控設備或工業生產過程。PLC提供了多種操作電平和驅動能力的I/O單元,有各種各樣的I/O單元供用戶選用。外部設備傳感器和執行機構所需的信號電平是多種多樣的,而PLC中CPU處理的信息只能是標準電平,所以I/O單元需實現這種轉換。I/O單元的主要類型有：數字量輸入、數字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。SM321數字量輸入模塊將現場過程送來的數字信號電平轉換成S7-300內部信號電平。對于現場輸入元件,僅需要提供開關觸點即可。輸入信號進入模塊后,一般都經過光電隔離和濾波,然后才送至輸入緩沖器等待CPU采樣。數字量輸入模塊SM321有直流16點輸入、直流32點輸入、交流16點輸入、交流8點輸入四種型號模塊可供選擇。SM322數字量輸出模塊將S7-300內部信號電平轉換成過程所需要的外部信號電平,可直接用于驅動電磁閥、接觸器、小型電動機、燈和電動機啟動器等。按負載回路使用的電源不同分為：直流輸出模塊、交流輸出模塊和交直流兩用輸出模塊。按輸出開關器件的種類不同又可分為：晶體管輸出方式、可控硅輸出方式和繼電器輸出方式。晶體管輸出方式的模塊,只能帶直流負載,屬于直流輸出模塊,沒有反極性保護措施,輸出具有短路保護功能,使用于驅動電磁閥和直流接觸器?？煽毓栎敵龇绞綄儆诮涣鬏敵龇绞?適用于驅動交流電磁閥、接觸器、電機啟動器和燈。繼電器觸點輸出方式的模塊屬于交直流兩用輸出模塊,其額定負載電壓范圍較寬,直流可以從24V到120V,交流可以從48V到230V。SM322有16點晶體管輸出、32點晶體管輸出、16點可控硅輸出、8點晶體管輸出、8點可控硅輸出、8點繼電器輸出和16點繼電器輸出共七種型號輸出模塊可供選擇。SM331模擬量輸入模塊主要由A/D轉換部件、模擬切換開關、補償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。A/D轉換部件是模塊的核心,其轉換原理采用積分方法,積分時間直接影響到A/D轉換時間和A/D轉換的精度。被測模擬量的精度是所設定的積分時間的正函數,也即積分時間越長,被測值的精度越高。SM331可選四檔積分：2.5ms,16.7ms,20ms,100ms,相對應的以位表示的精度為：9,12,12,14位。模擬量模塊都裝有量程模塊,調整量程塊的插入位置可改變模塊的硬件結構。"A"位置用于測量±1000MV以內的小電壓信號,由于電阻和熱電偶信號均屬于這個范圍,所以"A"位置適用于它們。"B"位置適合測量±10V以內的大電壓信號,如：±2.5V,±5V,1～5V等。"C"位置用于測量由4線變送器產生的±20mA以內的電流信號。"D"用于測量2線變送器產生的4～20mA電流信號,并通過測量信號線對變送器供電。SM331有8×12位和2×12位兩種規格型號模塊。SM332模擬量輸出模塊可以輸出電壓,也可以輸出電流。在輸出電壓時,可以采用2線回路和4線回路兩種方式與負載相連。采用4線回路可以獲得比較高的輸出精度。如圖4-4所示,檢測線S+和S-直接接到負載上。這樣,在負載端直接測量和校準電壓。采用2線回路時,S+和S-可以保持開路,但是輸出精度不如4線回路高。在電流輸出方式時,將負載連接到QI和MANA上即可。QI和QV實際上是同一個端子。圖4-4通過4線回路將負載與隔離的模出模塊相連三、存儲器在可編程控制器系統中,存儲器主要存放系統程序、用戶程序及工作數據。系統程序是由PLC的制造廠家在研制系統時確定的,和機器的硬件組成有關,完成系統診斷、命令解釋、功能子程序調用管理、邏輯運算、通信和各種參數設定等功能。系統程序在PLC使用過程中是不變動的,中小型PLC多使用EPROM或PROM來存放,大型PLC多使用熔絲快速ROM存放。系統程序關系到PLC的性能,用戶不能訪問,修改這一部分存儲器的內容。用戶程序是隨PLC的應用對象而定的,它是用戶根據使用環境和生產工藝的控制要求來編寫的。用戶程序一般存放于帶有后備電池的CMOS靜態RAM、紫外線可擦的EPROM和電可改寫的EEPROM中。為保證在斷電和加電的瞬間,RAM中的數據不丟失或被隨機改寫,應采取掉電抗干擾保護措施和選擇帶控制端的CMOSRAM,控制端有效時禁止外電路對存儲器的讀寫,只維持數據,避免了電源波動和正常電源與后備電池切換時產生的誤寫入。工作數據是PLC在應用過程中經常變化、經常存取的一些數據。這部分數據存儲在RAM中,以適應隨機改寫的要求。在PLC系統的工作數據存儲區,開辟有輸入輸出數據映像區、計數器、定時器、輔助繼電器等邏輯部件,這些部件的設定值和當前值是根據用戶程序的初始設置和運行狀況而確定的。根據需要,部分數據在停電時用后備電池維持現行狀態。在掉電時可以保持數據的存儲器區域稱保持數據區。綜上所述,PLC所用存儲器基本上由PROM、EPROM、EEPROM及RAM等組成,存儲容量的大小隨機器的型號而變化。由于系統程序用戶不可改變,因而PLC產品樣本或使用說明書中所列存儲器容量,系指用戶程序和數據存儲器而言。四、外部設備1、人機接口人機接口裝置可分為操作員接口、加固的"半智能"型CRT接口、"智能"接口。操作員接口用于實現操作人員與PLC控制系統之間的對話,人機接口的最簡單和最普通的形式是由安裝在控制臺上的按鈕、轉換開關、指示燈、LED數字顯示器和聲光報警器等元件組成。加固的"半智能"型CRT接口為密封型,可以長期安裝在操作臺和控制柜的面板上,通過通信接口接收來自PLC的信息并在CRT終端上顯示出來。用于PLC控制系統的最高級、最復雜的人機接口是一種"智能"終端,它有自己的微處理器和存儲器,能夠與操作人員快速地交換信息,并通過通信接口與PLC相連,它可以作為本地通信網絡的接口。2、外存儲器PLC的CPU模塊內的半導體存儲器稱內存儲器,或者簡稱內存。有時用磁帶和磁盤來存儲PLC的用戶程序。磁帶和磁盤稱為外存儲器。存儲在它們里面的信息可以長期保存。如果存放在PLCRAM內的程序丟失,可以重新裝入保存在磁帶或磁盤中的程序。盒式磁帶錄音機和磁盤驅動器可能在編程器系統之內,也可能是單獨的裝置,由編程器或其它智能模塊向它們提供接口。在離線開發用戶程序可編程裝置中,外存儲器特別有用。3、EPROM寫入器EPROM寫入器用來把用戶程序寫入到EPROM中去。它提供了一個非易失的用戶程序的保存方法,存放在EPROM中的程序在沒有電源的情況下也不會丟失。同一PLC系統的各種不同應用場合的用戶程序可以分別寫入到幾片EPROM中,在改變系統的工作方式時只要更換EPROM就可以了。五、電源部件PLC配有開關式穩壓電源,供內部電路使用。與普通電源相比,PLC電源穩定性好,抗干擾能力強。有些機型還向外提供24VDC的穩壓電源,用于對外部傳感器供電,這就避免了由于電源污染或不合格電源產品而引起的故障。S7-300系列PLC就配有專用電源模塊PS307。4.3西門子ET200M與PROFIBUS-DP總線一、ET200MSIMATICET200M是采用模塊化的設計,方便安裝于控制柜。且與SIMATICS7-300I/O模塊及功能模塊兼容,安全性高。支持"熱插拔"功能,適合過程控制中危險區域使用,遠程擴展使用等特殊情況。ET200M是高密度配置的模塊化I/O站,保護等級為IP20。它可用S7-300可編程序控制器的信號、功能和通訊模塊擴展。由于模塊的種類眾多,ET200M尤其適用于復雜的自動化任務?？刹迦肽M量HART的輸入和輸出模塊,意味著ET200M適用于過程工程。它也適宜于與冗余系統一起使用。ET200M是在PROFIBUS-DP上的被動站<從站>。最大數據傳輸速率為12M位/S。ET200M也可以在運行過程中,在有電源情況下配置S7-300I/O模塊的有源總線模塊,其余模塊仍繼續運行。ET200M由以下部分組成：1、IM153接口：用于與PROFIBUS-DP現場總線的連接；2、各種I/O模塊：用總線連接器連接或插入在有源總線模塊內,總線連接器設計,在運行過程中不能更換模塊；有源總線模塊設計,在運行過程中能更換模塊；3、電源<如有必要>；4、S7-300自動化單元的所有I/O模塊：都可應用<功能和通信模塊只用于SIMATICS7/M7主設備>；5、HART模塊。 ET200M最多可擴展8個I/O模塊,每個ET200M的最大地址區：128字節輸入和128字節輸出。ET200M通過RPOFIBUS-DP與PLC控制柜連接通信。二、PROFIBUS-DP總線PROFIBUS是世界上最大的開放式工業現場總線網絡之一。這種網絡能夠支持32個節點,最高運行速度為12Mbps。與大多數現場總線系統一樣,PROFIBUS能夠減少運營成本,提高生產效率,加快新品上市時間,并改善產品質量。與標準4～20mA控制不同,PROFIBUS能夠在由一根雙絞線電纜組成的單一總線網段上,支持32個工作站。PROFIBUS-DP是PROFIBUS現場總線的三個兼容版本之一,它是專為自動控制系統和設備分散I/O之間通信設計的,是經過優化的高速、廉價的通信連接。PROFIBUS-DP的特點：1、代替PLC/PC與I/O之間昂貴的電線；2、快速,傳輸1千字節的輸入數據和1千字節的輸出數據所需時間<2ms；3、強有力的工具,減少組態和維護費用；4、被所有主要的PLC制造商支持；5、有廣泛的產品：PLC,PC,I/O,驅動器,編碼器等；6、允許周期性和非周期性的數據傳輸；7、單主和多主網絡；8、每個站的輸入和輸出數據最多可達244字節。第五章控制系統的軟件設計5.1PLC的軟件設計西門子的S7-300系列PLC所用的編程語言是西門子開發的STEP7,這是一種可運行于通用微機中,在WINDOWS環境下進行編程的語言。將它通過計算機的串行口和一根PC/MPI轉接電纜與PLC的MPI口相連,即可進行相互間的通信。通過STEP7編程軟件,不僅可以非常方便地使用梯形圖和語句表等形式進行離線編程,經過編譯后通過轉接電纜直接送入PLC的內存中執行,而且在調試運行時,還可以在線監視程序中各個輸入輸出或狀態點的通斷狀況,甚至可以在線修改程序中變量的值,給調試工作也帶來極大的方便。在軟件設計之前,首先進行軟件流程圖的設計和地址的分配：5.1.1軟件流程圖從整體上來看,系統的軟件流程圖如圖5-1所示：從圖中可以看出,系統開始啟動后,首先進行與高壓開關柜的通訊,然后進行模擬量以及I/O處理程序,系統自檢與門處理程序。然后判斷系統處于自動運行、手動運行、半自動運行三種運行方式中的哪一種,然后根據判斷得到的結果進行相應的操作。根據控制板上的旋轉開關的位置判斷出系統的運行方式后,如處于PLC自動運行方式,則PLC根據程序流程順序執行,自動完成水泵的啟動,輪換工作,故障報警,停止。如處于半自動運行方式下,則由人工選擇哪臺水泵投入運行,PLC根據水泵的泵號自動完成該臺水泵的自動啟動,運行,停止。而手動方式下,PLC不參與任何操作控制,全部由人工通過控制按鈕來控制整個系統的運行。圖5-1系統軟件流程圖5.1.2地址分配表5-1模擬量輸入地址分配模擬量輸入地址分配〔計10通道水倉水位IW304水泵軸承溫度IW4385666941～3#水泵壓力IW432560688電機電壓IW4425706981～3#水泵真空度IW434562690電機溫度IW4405686961～3#水泵流量IW436564692電機電流IW444572700表5-2數字量輸入地址分配數字量輸入地址分配〔計64點1～2#真空泵狀態I3.2～3.31#水泵電動閥開/關/停/開到位/關到位/開過轉矩/關過轉矩I37.0～37.61～2#真空閥開/關I4.0～4.31～2#真空閥開/關到位I4.4～4.7故障復位I3.02#水泵電動閥開/關/停/開到位/關到位/開過轉矩/關過轉矩I69.0～69.6急停I3.11#水泵自/半/手方式I36.0～36.22#水泵自/半/手方式I68.0～68.23#水泵電動閥開/關/停/開到位/關到位/開過轉矩/關過轉矩I101.0～101.63#水泵自/半/手方式I100.0～100.21#水泵合閘/分閘I36.3～36.42#水泵合閘/分閘I68.3～68.421#球閥開/關到位I70.0～70.13#水泵合閘/分閘I100.3～100.422#球閥開/關到位I70.2～70.31#水泵合/分到位I36.5～36.623#球閥開/關到位I70.4～70.52#水泵合/分到位I68.5～68.631#球閥開/關到位I102.0～102.13#水泵合/分到位I100.5～100.632#球閥開/關到位I102.2～102.311#球閥開/關到位I38.0～38.133#球閥開/關到位I102.4～102.512#球閥開/關到位I38.2～38.3真空泵/射流方式I3.413#球閥開/關到位I38.4