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山西工程技術學院
畢業(yè)設計說明書
學生姓名
：
蘇袁野
學號
：
150514029
專業(yè)
：
機械設計制造及其自動化
指導教師
：
劉愛萍
所屬系（部）
：
機械電子工程系
二〇一九年六月
龍口煤礦基于plc控制的井下排水與組態(tài)
摘 要
在煤礦開采過程中，會有大量的地下水涌出，在滲透作用下，地表水也會被收集到地下。地下水量過大，不僅會影響煤礦的正常開采功能，還會帶來嚴重的安全風險，危及作業(yè)人員的生命安全。因此，井下排水是煤礦生產過程中的一項重要安全措施。開發(fā)可靠、節(jié)能的井下排水系統具有重要的現實意義。
目前，井下排水系統的PLC控制已在許多大型煤礦中得到應用，但許多煤礦仍采用繼電器控制，對水位進行監(jiān)控，泵的開、關和開關的選擇都是手工完成的。而長期使用會造成泵的磨損，以及備用泵的閑置損壞無法及時被發(fā)現。該系統設備相對落后，運行復雜、緩慢，工人勞動強度大，嚴重影響地下排水系統的管理水平和經濟效益的提高。
本文在了解了我國的井下排水系統現有的技術基礎上，針對龍口煤礦用PLC西門子S7-200進行編程實現煤礦井下中央水泵房中水泵的自動輪換，超溫保護等功能。設計有自動和手動兩種控制方式,可以自由切換。同時利用組態(tài)軟件實現了對整套系統的設備運行狀況及數據信息的監(jiān)控，并與井上監(jiān)控中心進行通訊，工作人員在顯示器前就可以了解到排水系統的實時狀況，同時也可以根據采集到的信息進行相應的操作指令，減少勞動強度，以及因人為操作出現的紕漏而導致的事故。
關鍵詞：井下排水;PLC;組態(tài)軟件
Downhole?drainage?and?configuration?based?on?PLC
?control?in? longkou?coal?mine
Abstract
In?the?process?of?mining?coal?mines,?a?lot?of?underground?water?will?be?gushed ?out,?and?surface?water?will?also?be?collected?underground?under?the?effect?of?osmosis.If?there?is?too?
much?water?underground,?it?will?not?only?affect?the?normal?function?of ?coal?mining,?but?also?bring?serious?safety?risks,?endangering?the?lives?of?operators.? Therefore,?downhole?drainage?is?an?important?safety?measure?in?the?process?of?coal? mine?production.?It?is?of?great?practical?significance?to?develop?a?reliable?and? energy-saving?downhole?drainage?system.
At?present,?PLC?control?of?downhole?drainage?system?has?been?used?in?many?large?coal?mines,?but?many?coal?mines?still?use?relay?control,?monitoring?the water level,?turning?on?and?
off?the?pump?and?selecting?the?switch?is?done?manually.?And?long-term?use?will?cause?wear?and?tear?of?the?pump?and?spare?pump?idle?moisture?can?not?be?found?in?time.?The?equipment?of
this?kind?of?system?is?relatively?backward,?the?operation?is?complex,?the?operation?is?slow,?the?labor?intensity?of?workers?is?large,? which?seriously?affects?the?management?level?of?underground?drainage?system?and?the?improvement?of?economic?benefits.
On the basis of understanding the existing technology of downhole drainage system in China, this paper programming Siemens s7-200plc for longkou coal mine to realize the functions of automatic rotation of water pump in the central water pump room in the coal mine and overtemperature protection.At the same time by using configuration software to realize the equipment running status and the data information of the system of monitoring, and communication with the monitoring center inoue, staff in front of the monitor can understand to the drainage system of the real time status, and at the same time also can according to the collected information for the corresponding operation instructions, reduce the labor intensity, and the accident caused by the artificial operation appear cracks.
Keywords: underground drainage; PLC; configuration software
iii
目 錄
摘要 ⅰ
Abstract ⅱ
1 緒論 1
1.1 礦井水的形成及排水的重要性 1
1.2 現有井下排水系統存在的問題 1
1.3 國內外發(fā)展動態(tài) 2
1.3.1 國內發(fā)展動態(tài) 2
1.3.2 國外發(fā)展動態(tài) 2
1.4 本論文研究的主要內容和選題意義 3
1.4.1 研究的主要內容 3
1.4.2 選題的意義 3
1.5 小結 4
2 控制系統整體方案設計 5
2.1 概述 5
2.2 管路布置的選擇 5
2.3 離心式水泵排水系統 6
2.3.1 離心式水泵排水系統的組成 8
2.3.2 離心式水泵的控制原理 9
2.3.3 離心式水泵的啟動過程 9
2.3.4 離心式水泵的停止過程 10
2.4 小結 11
3 可編程控制器技術概況 12
3.1 可編程控制器的發(fā)展趨勢 12
3.2 可編程控制器的特點和功能 14
3.2.1 可編程控制器的主要特點 14
3.2.2 可編程控制器的主要功能 15
3.3 小結 17
4 概述 18
4.1 概述 18
4.2 硬件系統的簡介 18
4.3 PLC要實現的控制功能 18
4.4 PLC控制系統的總體設計 19
4.4.1 系統輸入輸出點數統計 20
4.4.2 PLC模塊的選型 20
4.5 設備選型 21
4.5.1 電動閥和電磁閥的介紹及選型 21
4.5.2 傳感器的選型 22
4.6 小結 26
5 PLC的軟件設計 27
5.1 主程序流程圖 27
5.2 運行中的檢測程序 28
5.3 輸入輸出地址分配 28
5.4 程序梯形圖 30
5.4.1 液位處理程序 30
5.4.2 溫度處理模塊 30
5.4.3 負壓處理模塊 32
5.4.4 水泵啟動程序 32
5.4.5 水泵關閉子程序 34
5.4.6 自動輪換設計 34
5.5 設計經驗總結 36
5.5.1 干擾信號的排除 36
5.5.2 程序運行的幾個狀態(tài) 37
5.6 小結 37
6 人機界面的設定 38
6.1 概述 38
6.2 組態(tài)王軟件簡介 38
6.3 排水控制組態(tài)的建立 38
6.4 組態(tài)畫面的設計 40
6.5 小結 41
結論 42
附錄 43
參考文獻 46
外文資料 48
中文譯文 54
致謝 58
山西工程技術學院――畢業(yè)設計說明書
1 緒論
1.1 礦井水的形成及排水的重要性
井下排水系統是煤礦生產中的重要環(huán)節(jié)，其工作效率和可靠性對煤礦的安全生產具有重要的意義。在煤礦開采時，會有地表雨水、江河的滲透和開采煤層時地層含水的涌出，匯集起來將會產生大量的礦井積水。
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。如果井下的積水沒有被及時的從礦井中排除，不但井下生產可能會受到影響，而且井下生產過程中工作人員的安全也不能得到保障，若情況嚴重可能會產生重大事故。因此，設計安全可靠的井下排水系統對保證礦井的安全、生產的高效、人員的安全有著重要意義。
1.2 現有井下排水系統存在的問題
我國現在大部分煤礦仍采用人工操作閘閥來控制水泵的排水。當水倉水位達到高水位時，工人打開真空泵，給水泵注水，同時觀察真空表讀數，當讀數達到要求時，啟動水泵電機，使泵開始工作。同時，觀察壓力表的讀數，當水泵的出水口壓力讀數達到要求時，工人手動打開排水閘閥，同時關閉真空泵。在停泵的過程中，操作順序與啟動的順序相反。當水倉水位逐漸降至低水位時，工人先將排水閘閥關閉，再停止電機。工人根據自己的工作經驗來確定水倉的涌水量大小，確定開啟水泵的數量，從而達到排水的要求。這種系統存在以下弊端：
（1） 效率低。舊式的排水系統既復雜又耗費人力，同時還有可能因為人工的操作失誤而造成不必要的麻煩。
（2） 可靠性差?，F有的電氣設備很多采用的是繼電器、接觸器控制，觸點的頻繁使用會造成反應不靈敏，造成誤動作。
（3） 成本高。在操作過程中要大量使用人工，人力物力消耗較多，頻繁使用也會造成大量維修費。
（4） 預警不及時。傳統的排水系統故障只能靠工人的工作經驗來判斷，有時會因操作錯誤而造成一些不必要的事故。對于故障井上也不能及時的收到，會耽誤故障的及時處理。
1.3 國內外發(fā)展動態(tài)
1.3.1 國內發(fā)展動態(tài)
經查閱大量的文獻，在礦井水位檢測、排水系統自動控制等技術方面，國內已從初期的摸索到取得一定成果的階段。我國已從初期操作和檢測手段比較落后的情況，發(fā)展到目前已采取了優(yōu)化的排水方案，有了質的飛躍。傳統人工檢測水倉水位、閘閥和水泵等設備的運行情況，檢測系統不健全，出錯率較高。隨著自動控制技術的發(fā)展，我國在井下水泵房的合理布置和排水系統的改造等方面做了大量的研究。另外，新型控制理論，如模糊控制、專家系統等也應用于井下排水系統中，實現了水位的實時檢測、水泵的自動控制、數據的自動采集、故障報警等功能，提高了排水系統的安全性及可靠性。
2002年，邯鄲設計研究院王孝穎和兗礦集團張豐敏等人設計了用PLC檢測水倉水位及其他運行參數的系統。根據水倉水位的變化情況，建立數學模型，合理調度水泵啟停，達到高效節(jié)能的目的。
2005年，北京理工大學的孫東等人結合分布式SCADA系統，設計出了可以實現遠程監(jiān)控和無人值守的空壓機自動遠程監(jiān)控系統，且達到良好的檢測和控制效果。隨著計算機技術、網絡技術的不斷發(fā)展，有關主排水SCADA系統性能的優(yōu)越性已經逐步得到了各方的認可，比如中煤科工集團研制的煤礦井下主排水自動控制系統、長沙昌佳自動化有限公司設計開發(fā)的井下泵房無人值守及遠程監(jiān)控系統己經在多個煤礦有所使用，但這些系統在國內的推廣使用過程中還有著一些實際問題需要解決。
1.3.2 國外發(fā)展動態(tài)
國外的礦井主排水系統從十九世紀六七十年代就開啟了自動化進程。隨后，隨著工業(yè)計算機科技的大跨步發(fā)展，主排水系統將傳統控制技術和工業(yè)計算機技術相結合，大大減輕操作人員的勞動強度，而且經過傳感器等設備形成閉環(huán)控制系統更加準確地使得井下主排水系統平穩(wěn)運行。隨著現代社會軟件技術的發(fā)展，一些發(fā)達國家的著名學者紛紛開始研究搭建主排水監(jiān)測系統，并取得了令世人矚目的進展。例如美國、加拿大、荷蘭等礦業(yè)發(fā)達國家的主排水系統已經開始依托研制好的主排水系統模型進行自動化的調度監(jiān)控，既滿足了復雜的井下排水環(huán)境的需求，也促進了煤礦井下主排水設備的優(yōu)化配置。
俄羅斯國立莫斯科開放大學技術科學副博士B.B.馬祖連科提出在排水設備的使用階段進行能耗估算，介紹了主要排水設備離心泵的能耗估算方法。為了提高排水設備的經濟性，副博士B.B.馬祖連科也提出必須對水泵運行周期加以優(yōu)化，推導出水泵最佳使用周期的兩種計算公式，詳細介紹了優(yōu)化方程的求解程序及有關參數的算法。對煤礦井下排水系統的測評，提供了實用的數學模型。
此外，加拿大提出了數字化礦山的理念，大力發(fā)展傳感器技術在監(jiān)控方面的應用，并且建立綜合信息數據庫，以減小監(jiān)測值的誤差；芬蘭提出了智能化礦山生產理念，實現生產的實時控制、資源的有效管理以及設備維護過程的自動化。
1.4 本論文研究的主要內容和選題意義
1.4.1 研究的主要內容
本文根據山東省龍口礦業(yè)集團有限公司的實際情況，針對目前煤礦井下排水系統存在的問題，應用PLC對現有的水泵房排水系統進行設計，制定了一套井下自動排水系統。課題主要的研究內容有：
（1）用PLC（可編程邏輯控制器）代替繼電器控制，改造原有的手動閘閥為可控閘閥，符合礦用設備的安全使用標準，提高了系統的可靠性。
（2）設計了水泵輪換工作制度，優(yōu)化了水泵的運行，防止長時間使用一臺水泵造成磨損，以及備用泵長期閑置而損壞卻不能被及時發(fā)現。
（3）將傳感器技術應用與系統監(jiān)控中，用以衡量系統的工作性能及作為預警的標準。分析了自動排水系統中需要測量的特征參數及檢測方法。
（4）自動輪換代替了人工的繁瑣操作，節(jié)省了操作時間，提高了工作效率，也減少了人工失誤。
（5）利用以太網可以實現PLC與上位機間的通訊，進行數據傳輸，通過上位機軟件來實時在線的監(jiān)控礦井下排水系統的運行情況。
1.4.2 選題的意義
通過本次設計能提高井下排水的智能化程度，并且可以減少人工，以及信息的實時回報，報警信息傳達復迅速有效，實現問題的具象化，處理問題更加簡單有效，很大程度地提高了處理問題的效率，減少了多余動作，避免了人工的浪費，并通過傳感器的實時上報的數據，進行實時監(jiān)控，使問題解決的更加迅速，避免事故的產生。提高了煤礦井下排水效率以及煤礦井下的安全系數。使工作人員在安全的環(huán)境下工作，同時也提高了工作效率。
1.5 小結
礦井涌水的排放關系到煤礦的安全生產，井下排水系統采用傳統人工操作是我國煤礦企業(yè)普遍存在的問題。本章從煤礦井下涌水的形成入手，提出了排水的重要性。然后闡述了國內外在研究井下排水系統方面取得的成果，最后針對現有井下排水系統存在的問題，立足于本課題調研的煤礦企業(yè)實際情況，提出了本文研究的主要內容和意義。
2 控制系統整體方案設計
2.1 概述
井下排水系統是煤礦的關鍵部分，也是煤礦四大系統之一，所以排水系統不僅要具備手動控制能力，還應具備完善的自動控制功能，實現水泵的自動輪換。
本章提出了排水系統的基本結構和控制方法，然后根據排水系統存在的問題，結合計算機控制、檢測傳感器、控制網絡、可編程控制器等技術開發(fā)了一套功能相對比較完整的井下排水控制系統，根據工藝要求和控制功能了給定系統的主要功能。下圖 2-1 為控制系統的一般組成示意圖：
圖2-1 控制系統組成示意圖
2.2 管路布置的選擇
本文的設計選擇三個水泵和兩條管路。其目的是：三個水泵一個使用，一個備用，一個用于檢修，在正常情況下兩個水泵就能滿足要求，即正常排水時，一個水泵就可以滿足排水的需要，另外兩個用來做備用和輪換。當水位超過最高水位預警時，可以開兩個泵來滿足排水的需要。排水管路有兩條，要保證每條管路都與三個泵相連。一條管路是常用管路，另一條用作在備用或檢修時使用。設置三個泵，兩個管路的原因是防止設備突然損壞，需要修理時沒有備用設備會影響生產的安全。下圖2-2為井下泵房的布置圖：
圖2-2井下泵房布置圖
2.3 離心式水泵排水系統
現在很多煤礦的井下排水系統大部分都用離心式水泵作為主排水泵,因此，井下排水系統的控制主要還是對離心式水泵的控制。離心式水泵和其他的水泵有很多不同,它的啟動過程和停機過程非常復雜,所以如果控制程序不是按照步驟進行控制的,水泵就沒有辦法正常啟動和正常工作,后果嚴重的話，就會縮短水泵的使用壽命,有時還會損壞電機和水泵。因此，為了更好地對離心式水泵進行控制,必須要了解它的工作原理和控制方法。下圖2-3為煤礦井下排水系統的一般組成示意圖:
1.濾水器和底閥
濾水器又叫濾網，安裝于吸水管的底端部位，位于水倉下面大于0.5米的地方。濾水器是一種過濾水的裝置，它的作用是防止水泵吸入水倉底部沉積的煤泥等雜物，使水泵發(fā)生堵塞的現象。有的一些濾水器中還裝有底閥，底閥的作用是使水更加容易地進入吸水管和水泵，在停泵后存水不會導致流失。但是目前大多數排水系統為了提高排水的效率，同時為了防止水泵的腐蝕，都進行了無底閥的改造，轉而采用射流裝置對水泵進行注水。
圖2-3煤礦井下排水系統的一般組成示意圖
1-泵體；2-電動機；3-電機啟動柜；4-吸水管；5-濾水器、底閥；6-調節(jié)閘閥；
7-逆止閥；8-真空表；9-壓力表；10-射流泵；11-放水管；12-靜壓水管
2.調節(jié)閘閥
調節(jié)閘閥安裝于排水系統的排水管路上，位于逆止閥的下方。它在排水系統中的主要作用為：
（1）改變系統的管路特性，調節(jié)水泵的流量和揚程。
（2）水泵起動時完全關閉閥門，可以降低起動電流，節(jié)省能耗。
調節(jié)閘閥的優(yōu)點是啟閉壓力和流動阻力小，可以方便的調節(jié)水泵工作流量和揚程。缺點是由于閥門開關動作頻繁致使閥內密封面容易擦傷、密封性降低；閘閥的尺寸很大，結構也較為復雜，導致其安裝、維修都非常不方便；另外該閥門在目前市場上的價格也比較昂貴。
3.逆止閥
逆止閥安裝在調節(jié)閘閥的上方，它的主要作用是保證液體在吸入管道中單向流動，在緊急停泵的時候，例如突然停電的時候，或者閘閥還沒有關閉的情況下突然停泵的時候，逆止閥能夠自動快速地關閉，從而防止水又返回水泵，產生水力沖擊，有利于泵的啟動。
4.壓力表和真空表
壓力表安裝在排水管路上水泵的出口位置，用來檢測排水管路的水壓大小。常用的壓力表為普通彈簧管壓力表。通過這種壓力表所測出的壓力叫做表壓或相對壓力，它比絕對壓力小 1 個標準大氣壓。
真空表安裝于水泵的吸水管上，作用是檢測吸水管路的吸上真空度。真空表的量程為760毫米汞柱，即一個標準大氣壓。 在離心式水泵起動時，要將壓力表和真空表表管上的旋栓關閉，以防止壓力水沖擊。當水泵起動后達到額定轉速時，再將旋栓打開，進行壓力和真空度檢測。
5.射流泵
離心式水泵只有在泵腔內充滿水時才能啟動。如果泵腔中的水未能充滿，就會造成真空度不夠吸不上水、轉動部件燒壞和氣蝕等故障。因此，運行前注水是離心式水泵工作的一項重要操作。采用射流泵抽真空可以依靠射流的吸力，使泵體內形成真空，靠大氣壓力將吸水井內的水壓入泵內，充滿泵腔，然后可啟動水泵。采用射流泵抽真空設備可以省去底閥、提高水泵運行效率和吸水高度，并具有結構簡單、不占泵房空間、維修量小等優(yōu)點。
2.3.1 離心式水泵排水系統的組成
離心泵結構簡單，主要由泵殼、葉輪、軸承、支架等組成。離心泵主要是借用水的離心運動來實現排水。
離心式水泵的工作原理：啟動前先使泵腔充滿液體，起動后葉輪帶動泵里的水高速旋轉，水作離心運動，被甩到葉輪邊緣，進入泵殼。高速的水流因泵殼內流道的擴大而降速，動能減小，部分轉化成靜壓能，接著憑借較高的水壓進入排水管路，最后排至地面。水之所以會連續(xù)不斷的進入泵腔，是因為水做離心運動會形成局部真空，依靠大氣壓力作用實現。葉輪在電動機驅動下持續(xù)高速旋轉，井下積水就被源源不斷的排送到地表了。
水泵運行之前，如果內部水量不足，產生的離心力會減小，就無法帶動整個泵體吸水和排水，并且這種情況下運轉的水泵會可能因為空轉而燒壞，所以在離心式水泵工作之前首先要對水泵進行注水排氣的工作。
離心式水泵運轉前的注水排氣過程，往往有抽真空設備來完成，井下排水系統中抽真空設備主要為真空泵或射流泵。這兩種設備的工作原理不同但是都能夠實現離心式水泵啟動前抽真空的工作。
2.3.2 離心式水泵的控制原理
離心式水泵的工作環(huán)節(jié)一般包括四個：水位監(jiān)測（或確定開泵）環(huán)節(jié)、射流抽真空控制環(huán)節(jié)、閥門和電機操作環(huán)節(jié)、水泵運行參數監(jiān)測環(huán)節(jié)。
（1）水位監(jiān)測
對水倉水位進行實時監(jiān)測，根據水位的高低來確定啟停水泵的命令，用水位傳感器來監(jiān)測水倉水位的信號。排水系統其實就是要將井下多余的水排到地表，所以水倉水位是排水系統中最重要的參數。因此，系統采用雙水位傳感器，確保檢測到水位的準確度。
（2）射流抽真空過程
抽真空是決定系統順利排水順暢與否的一個重要過程，水泵只有在泵腔完全充滿水的條件下，泵腔內才能保持足夠的真空度實現正常排水。如果真空度不夠，泵腔內就會有氣體存在，將會造成氣濁和無法排水等事故。因此，水泵在運行的時候，必須要保證抽真空快速和安全。
（3）出水閘閥、水泵電機的操作
為減小電機啟動電流和功率，根據《水泵操作規(guī)程》規(guī)定，離心泵在開泵時
出水閘閥必須處于關閉狀態(tài)；而當停泵時，為避免水錘事故的發(fā)生，必須先關閉
出水閘閥，逐漸降低流速，最后再關閉水泵電機。
（4）水泵運行參數的監(jiān)測
在水泵啟動或運行過程中，為了確保系統能夠順利安全的排水，要對設備運行的重要參數實時監(jiān)測，需要監(jiān)測的主要參數有水倉水位高度、吸水管真空度、出水壓力、電機電流、水泵溫度等。當參數不正常時，要及時檢查，確保排水安全。
2.3.3 離心式水泵的啟動過程
離心式水泵啟動前需要進行注水排氣，以此來增加水泵的真空度，否則離心式水泵可能會因為轉動時無法吸水而燒壞，降低水泵使用壽命，這時就需要抽真空設備對離心式水泵進行抽真空，抽真空設備主要有真空泵和射流泵。
首先系統自動檢測水倉水位，當水位達到開啟泵的條件時，再打開真空泵的電磁閥，然后打開真空泵。通過他們向離心泵注水，在真空泵的作用下，離心泵內部和吸水管內逐漸被注滿水，水泵入口處的真空度會隨著整個過程的運行逐漸增大。當入口處真空度增大到滿足要求值時，系統會自動啟動接通水泵電機，開啟水泵。水泵開啟過程中，隨著離心式水泵的運轉，其出口處的壓力會逐漸增大，當壓力值增大到預先設定的標準值時，壓力將不再增加，此時打開離心式水泵出口處的電動閥，開始排水。同時關閉真空泵，停止注水過程。下圖2-4為水泵的開啟流程圖：
圖2-4水泵開啟流程圖
2.3.4 離心式水泵的停止過程
隨著水倉水位的不斷下降，當水位下降至關閉水泵的水位限度時，就會開始關閉水泵的流程。系統會首先關閉離心式水泵出口處的電動閥，待電動閥完全關閉后，在關閉處于電動閥下方的逆止閥以防止排水管中的井水倒流，最后關閉水泵電機，使其脫離運轉狀態(tài)，停止工作。下圖2-5為水泵停止流程圖：
圖2-5水泵停止流程圖
2.4 小結
本章通過對管路的選擇以及對離心式水泵的控制原理進行了介紹，可以對后續(xù)的設計打好基礎。同時介紹了水泵的啟停過程，通過對真空泵，電動閥的控制來實現水泵的開啟和停止。大致對井下排水系統的執(zhí)行機構有了簡單的了解，方便對接下來的工作進行準備。
62
3 可編程控制器技術概況
可編程控制器（Programmable Logic Controller,簡稱PLC）,它是隨著科學技術的發(fā)展，為適應多品種，小批量生產的需求而產生發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制裝置。PLC是一種數字運算操作的電子系統，專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可以編制程序的存儲器，用來在執(zhí)行存儲邏輯運算和順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字或模擬的輸入(I)和輸出(O)接口，控制各種類型的機械設備或生產過程。
3.1 可編程控制器的發(fā)展趨勢
我國在20世紀70年代末80年代初期開始引進PLC。目前我國自主生產的PLC主要有:中國科學院自動化研究所的PLC-0088，上海機床電器廠的CKY-40PLC,蘇州電子計算機廠的YZ-PC-001APLC,杭州機床電器廠的DKK02，上海自力電子設備廠的KKI系列等。雖然我國在PLC的生產方面比較薄弱，但是在PLC的應用方面是一個大國。近年來我國每年約新投入10萬臺PLC產品，年銷售額達到了30多億人民幣。另外，PLC的應用范圍也在逐漸擴大。
目前PLC已經廣泛應用到石油、化工、機械、鋼鐵、交通、電力、采礦、環(huán)保等各個領域中，還包括從單機自動化到工廠自動化，從機器人、柔性制造系統到工業(yè)控制網絡等。
從功能上看，PLC的應用范圍大致包括以下幾個方面:
（1）開關量的邏輯控制
開關量的邏輯控制是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代了傳統的繼電器電路實現邏輯控制，既可以用于單機控制，也可以用于多機控制及自動化生產線檢測。如機床、裝配生產線、電鍍流水線、運輸與檢測等方面。
（2）運動控制
通過利用PLC的單軸或多軸等位置控制模塊、高速計數模塊等來控制步進電動機或伺服電動機，使運動部件以適當的速度來實現平滑的直線運動或圓弧運動，可以用于精密的金屬切削機床、裝配機械、成型機械、機器人等設備的控制。
（3） 模擬量處理和PID控制
利用A/D、D/A轉換模塊和智能PID模塊，實現對生產過程中的溫度、壓力、液位、
流量等連續(xù)變化的模擬量進行閉環(huán)調節(jié)控制。
（4）數據處理
PLC具有數據處理能力，可以完成算術運算、邏輯運算、數據比較、數據傳送、數制轉換、數據移位、數據顯示和打印、數據通信等功能，還可以完成數據采集、分析和處理任務。數據處理般應用?J大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統等。
（5）通信聯網
PLC具有通信功能，既可以對遠程I/O進行控制，又能實現PLC與PLC、PLC與計算機之間的通信。PLC與其他智能設備起可以構成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統，以滿足計算機集成制造系統及智能化工廠發(fā)展的需要。PLC自問世以來經過40多年的發(fā)展，已經成為很多國家的重要產業(yè)。另外在國際市場中，PLC已經成為最受歡迎的工業(yè)控制產品。隨著科學技術的發(fā)展以及市場需求量的增加，PLC的結構和功能也在不斷地改進。生產家不停地將功能更強的PLC推入市場，平均3-5年就更新一次。
PLC的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：
（1）向高速度、大容量方向發(fā)展。
為了提高PLC的處理能力，要求PLC具有更高的響應速度和更大的存儲容量可。目前，有的PLC的掃描速度可以達到0.1ms/千步左右。在存儲容量方面，有的PLC最多可以達到幾十兆字節(jié)。
（2）向超大型和超小型方向發(fā)展。
當今中小型PLC比較多，為了適應市場的需求，PLC今后會向著多方向發(fā)展，特別是超大型機和超小型機兩個方向?，F在已經有I/O點數達到14336點的超大型PLC。它使用32位微處理器，多CPU并行工作。小型機由整體式結構向小型模塊化結構發(fā)展，使之配置更加靈話。為了適應市場的需求，現在已經開發(fā)出了超小型PLC。其最小配置的I/O點數為8-16點，以適應單機及小型自動控制的需求。
（3）大力開發(fā)智能模塊，加強聯網通信能力。
為了滿足各種控制系統的要求，近年來不斷開發(fā)出許多功能模塊，如高速計數模塊、溫度控制模塊、遠程I/O模塊、通信和人機接口模塊等。這些智能模塊既擴展了PLC的功能，又擴大了PLC的使用范圍。加強PLC的聯網通信能力是PLC技術進步的潮流。PLC的聯網通信分為兩類:一類是PLC之間的聯網通信，另一類是PLC與計算機之間的聯網通信。
（4）加強故障檢測與處理能力。
在PLC的控制系統故障中，由于CPU、I/O接口導致的故障約占20%左右，它可以通過PLC本身的軟硬件來檢測和處理。由輸入、輸出設備和線路等外部設備導致的故障約占80%，所以PLC的生產廠家都致力于研制用于檢測外部故障的專用智能模塊，進一步提高系統的可靠性。
（5）編程語言的多樣化。
在PLC系統結構不斷發(fā)展的同時，PLC的編程語言也越來越豐富，功能也不斷提高。除了常用的梯形圖、語句表語言之外，又出現了面向順序控制的步進編程語言、面向過程控制的流程圖語言、與計算機兼容的高級語言（C語言、BASIC語言）等。多種語言的并存、互補與發(fā)展是PLC進步的一種趨勢。
3.2 可編程控制器的特點和功能
3.2.1 可編程控制器的主要特點
(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,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(guī)模、不同工業(yè)控制要求。
（2）可靠性高、抗干擾能力強
絕大多數用戶都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。針對是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的,故采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施。硬件方面,隔離是抗干擾的主要措施之一。的輸入、輸出電路一般用光電禍合器來傳遞信號,使外部電路與之間無電路聯系,有效地抑制了外部干擾源對的影響,同時,還可以防止外部高電壓竄入模塊。濾波是抗干擾的另一主要措施,在的電源電路和模塊中,設置了多種濾波電路,對高頻干擾信號有良好的抑制作用。軟件方面,設置故障檢測與斷程序。采用以上抗干擾措施后,一般平均無故障時間高達萬萬。
（3）編程簡單、使用方便
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,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(zhí)行時間,但對大多數機電控制設備來說,的控制速度還是足夠快的。此外,的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）控制系統的設計、安裝、調試和維修方便
用軟件功能取代了繼電器控制系統中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等部件,控制柜的設計、安裝接線工作量大為減少。的用戶程序大都可以在實驗室模擬調試,調試好后再將控制系統安裝到生產現場,進行聯機統調。在維修方面,的故障率很低,且有完善的診斷和實現功能,一旦外部的輸入裝置和執(zhí)行機構發(fā)生故障就可根據上發(fā)光二極管或編程器上提供的信息,迅速查明原因。若是本身問題,則可更換模塊,迅速排除故障,維修極為方便。
（5）功能強
不僅具有條件控制、記時、計數、步進等控制功能,而且還能完成、轉換、數字運算和數據處理以及通信聯網、生產過程監(jiān)控等。因此,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。可用于現場控制,也可用于遠距離控制?？煽刂坪唵蜗到y,又可控制復雜系統。
（6）體積小、質量小、功耗低
由于是將微電子技術應用于工業(yè)控制設備的新型產品,因而結構緊湊,堅固體積小,質量小,功耗低,而且具有很好的抗震性和適應環(huán)境溫度、濕度變化的能力。因此,很容易裝入機械設備內部,是實現機電一體化較理想的控制設備。
3.2.2 可編程控制器的主要功能
PLC是應用面很廣,發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置,在工廠自動化和計算機集成制造系統工內占重要地位。今天的功能,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:
(1)多種控制功能
邏輯控制：具有與、或、異或和觸發(fā)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(guī)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(jié)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(jiān)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。如西門子S7-200的Profibus現場總線口,其通信速率可以達到12Mbps。
在系統構成時,可由一臺計算機與多臺構成“集中管理、分散控制”的分布式控制網絡,以便完成較大規(guī)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(jiān)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(yè)計算機的分散和集中操作與監(jiān)視系統。
(6)編程、調試
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(jiān)視、試驗和記錄,并通過打印機打印出程序文件。
3.3 小結
本章主要介紹了PLC的基本特點及主要功能，到目前為止它已經憑借其優(yōu)越的性能得到了迅速的發(fā)展，在已經成為當前最重要的也是應用場合最多的工業(yè)控制器。伴隨著計算機網絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。
4 系統硬件設計
4.1 概述
控制系統功能的實現需要可靠的硬件設計，它是安全高效運行的前提。硬件的選擇和電氣設計與控制器程序的編制工作密切相關，更加關系到系統運行后的安全性和可靠性。本章討論了系統的硬件設計和電氣設計。龍口煤礦泵房共三臺水泵，輔助設備齊全，手動控制可靠。PLC 選用西門子公司的 S7-200 控制器。
4.2 硬件系統的簡介
PLC的CPU同樣是采用分時操作的方式進行工作，每一個時間段內只進行一個指令的的執(zhí)行。隨著時間的延續(xù)，CPU不斷進行指令操作，形成了其對程序的掃描，直到最后一條指令為止。當最后一條指令執(zhí)行完成后CPU又會返回第一條指令，循環(huán)掃描，從而形成整個工作過程的進行。
接通電源后，PLC不會直接對程序進行循環(huán)掃描，而是首先需要確定PLC自身的完好性，也就是PLC的系統自檢。待PLC自檢過程完成后，確認本身沒有故障才會開始程序的執(zhí)行。
4.3 PLC要實現的控制功能
（1）自動控制功能：
根據事先設定好的工作狀態(tài)，配合水倉水位、各水泵工作時間、運行次數、及水泵軸溫、出水口壓力等，設計自動排水程序。使排水系統在無人控制的狀態(tài)下自主運行。
（2）手動控制：
在編寫程序時，設置一個專門作為開啟手動模式的數字量輸入，當按下這個按鍵時，就會進入手動狀態(tài)。進入手動狀態(tài)后，可以手動開啟排水系統中的各個水泵，進行相關操作。
（3）水位有效檢測：
采用超聲波液位儀以及投入式液位儀兩種液位傳感器對水位進行監(jiān)測，同時兩種傳感器互為參考；編輯程序對水位進行監(jiān)控，當出現故障時進行報警。
（4）水泵的運行：
當水泵開始運行時，系統會開始記錄這些水泵開啟了多久，每次開始排水時，會比較時間的大小，選擇開啟水泵的編號。出現故障時自動停止，并由備用水泵代替；要進行溫度監(jiān)測，負壓檢測、流量檢測，及管網壓力檢測。全部數據都符合條件是水泵才能運行；使用射流泵和真空泵對離心泵進行抽真空，防止水泵啟動時真空度不足，損傷水泵。
（5）數據的采集與處理：
在井下排水系統中PLC需要進行對井下排水系統中各個模擬量、數字量的采集。模擬量輸入主要有 水倉水位、水泵出水口壓力、水泵負壓、水泵軸溫、電機電流壓力等。而數字量主要有水泵運行狀態(tài)，閥門開閉狀態(tài)等。自動控制系統的正常運行要求對以上數據的精確測量。所以要實現系統中各種數據的采集與處理。
（6）自動輪換功能：
排水系統中一般有多臺水泵，我們在PLC存儲系統中為每臺水泵設置兩個寄存器，其中一個寄存器負責水泵運行時間的記錄。而另一個寄存器則負責水泵運行次數的記錄。當所選兩臺水泵的運行時間差距較小時。會根據他們的運行次數優(yōu)先選擇運行次數相對較小的的水泵開啟，從而實現自動輪換功能。
（7）動態(tài)顯示功能：
通過與組態(tài)軟件的實時通訊，排水控制系統的基本情況可以在上位機組態(tài)畫面中詳細的顯示，上位機組態(tài)畫面中可以清楚地顯示水泵運行狀態(tài)、水倉水位、元器件故障等；此外還可以通過添加TD200c文本顯示器進行各個功能做部分的狀態(tài)，并通過按鍵改變控制參數等。
除上述功能外還應實現以下保護功能：
（1）超溫保護：
水泵，軸承溫度超過警戒值時，能夠提供報警功能，根據報警信號及時作出相應的處理工作。
（2）電機保護：
利用電機電流、電壓等對電機進行保護。
4.4 PLC控制系統的總體設計
PLC 作為整個控制系統最主要的部分，PLC 硬件設計的可靠性關系到整個控制系統的平穩(wěn)運行。因此，安全可靠的硬件組態(tài)是非常重要的。下面將討論PLC 設計的各個部分。基于實際情況，不能將現場所有的點數一一枚舉，以下以一臺水泵為例，介紹硬件設計。下圖4-1為系統硬件控制結構圖：
圖4-1 排水系統硬件控制結構圖
4.4.1 系統輸入輸出點數統計
經過粗略統計，需要模擬量輸入8，數字量輸入17，數字量輸出13。具體分配表見表4-1、4-2、4-3：
4.4.2 PLC模塊的選型
根據設計流程，統計輸入輸出點數，選擇合理的硬件控制型號。在具體的模塊選擇時，一般要考慮以下幾點：
（1）所選的模塊必須具有滿足控制要求的功能，要有較為理想的控制環(huán)境
和穩(wěn)定性，確保系統控制的安全有效。
（2）在滿足控制要求的基礎上，選擇模塊要注重高性價比。
（3）在選取輸入輸出點數時，需要在預設的點數的基礎上增加10%到15%，這樣做的原因是可能設計過程中有遺漏的量，以及分組情況和接地等因素可能導致恰到好處的選取輸入輸出量時，可能會不夠。所以應該一定程度的增加預設量。
DI點數估計值為17×1.15=23，DO點數估計值為13×1.15=17，AI通道估計值為8×1.15=10個。
根據以上原則和控制的要求，選擇CPU 226 模塊一個， EM231 擴展模塊2個
選型表如下表4-4 ：
表4-1模擬量輸入通道統計表
模擬量輸入
通道數
水倉水位
2
電機溫度
3
水泵負壓
3
總計
8
表4-2數字量輸入點統計表
數字量輸入
點數
電動閥開到位
3
電動閥關到位
3
電動機狀態(tài)
3
自動
1
手動
1
開泵
3
關泵
3
總計
17
表4-3數字量輸出點統計表
數字量輸出
點數
電動閥正轉
3
電動閥反轉
3
真空泵啟停
3
電動機啟停
3
故障指示燈
1
總計
13
表4-4選型表
CPU模塊
CPU226 CN 24輸入/16輸出
模擬量擴展模塊
EM231 CN 4位模擬量輸入
4.5 設備選型
系統除了PLC模塊以外，還有很多設備，包括電動閥、電磁閥、和傳感器，包括水倉液位、溫度、水泵負壓等。
4.5.1 電動閥和電磁閥的介紹及選型
電動閥按開閉方式可以分為兩種，其中一種為角行程的電動閥，還有一種是直行程的電動閥。通常被使用在控制流量的管路中。在大型控制系統中也可以用來作為關斷閥。
當被用于流量控制中時，涉及到開度問題，用于其調節(jié)流量屬于AI控制。而用做關斷閥時，也可以用電動閥做兩位開關控制。
電動閥時通過電機驅動閥芯運作，從而實現閥門的開或關，用作關斷閥門時是兩位式的工作方式，即全開或全關。
此時用于控制系統中需要正轉和反轉的輸出信號，并且要有開閉到位的狀態(tài)返回信號，電磁閥的內部含有帶電線圈，當線圈通電就會產生磁力，與兩側磁鐵相互作用，從而克服彈簧的反作用力，實現閥門的開和閉。結構較為簡單，造價低，但只能用于小口徑的管路中，只能實現開關。
電動閥一般有電機驅動，整個開閉過程需要一定的時間并可以調節(jié)，而電磁閥是快開和快關的，屬于電動閥的一個種類。
所以在排水系統中選擇電動閥作為水泵出水口的閥門，控制電動閥運作的信號分別為電動閥正轉和電動閥反轉，并且產生開到位或關到位兩個反饋信號.
而電磁閥由于適用的管路直徑較小，用在真空泵抽真空時的真空閥，由于電磁閥時快開和快關的，所以在控制時用一個信號同時控制抽真空設備和電磁閥。即當真空泵打開時，會自動控制電磁閥隨著射流泵打開一起開閉。
最終選擇MZ941H礦用電動閘閥，防爆型產品dI煤礦井下非采掘工作面。用于煤礦井下時，這類防爆電動閥電源電壓電壓為380V或660V，遠程控制為24VDC。
電磁閥選擇DFB20礦用隔爆型電磁閥，額定控制電源電壓：AC（50Ｈz）36V、127V,功耗：≤28Ｗ,環(huán)境溫度 5℃～+40℃,壓力適應范圍：0-10MPa
4.5.2 傳感器的選型
要想實現井下排水系統的完整運行，在排水過程中就要不斷對水倉水位、水泵出口壓力、真空度、電機電流電壓、排水管流量、溫度進行檢測，這些量的檢測需要使用模擬量傳感器進行，如下圖4-2為排水系統中各類傳感器的安裝位置。這些傳感器良好的運行，并且將采集的信號準確無誤的傳輸給系統，才能讓整個系統有更好的運行環(huán)境。
圖4-2模擬量分布圖
本設計選用的傳感器如表4-5：
表4-5傳感器選型表
水倉液位
超聲波液位傳感器 投入式液位計
水泵溫度
Pt100溫度傳感器
水泵負壓水倉液位
NS-K型負壓傳感器
（1）水倉水位
由于排水系統在井下煤礦生產中的重要性異常重大，所以排水的各部分都要精益求精，而水位傳感器相當于排水系統的感知部位，一旦液位計失靈，整個自動排水系統的運行都將受到阻礙，所以排水系統的液位檢測裝置應確保萬無一失。井下排水系統一般選用兩個傳感器相互監(jiān)控，共同監(jiān)控水位。
1）超聲波液位傳感器：
工作原理：超聲波液位傳感器是基于超聲波在不同種介質得分界面上具有反射特性的原理而制成的，由此只要發(fā)射到接收聲波脈沖的時間間隔為已知，即可求得頁面距離傳感器距離。
計算公式如下：
（4.1）
則
（4.2）
L —換能器距液面的距離；
v —超聲波在介質中的傳播速度。
設計中選用二線制輸出型液位計，其參數如下表4-6：
表4-6超聲波液位計參數表
量程
0～8m
精度
0.25%
盲區(qū)
0.45～0.6m
溫度
-20℃～+60℃
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
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液體會產生一定的壓強這個基本原理制成的，如圖4-3所示：
圖4-3投入式傳感器原理圖
具體來說是: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。
選用GUY10礦用本安型投入式液位計，其參數如下表4-7：
表4-7投入式液位計參數表
工作電源
12～24VDC
輸入
4～20mA
工作溫度
-5℃～+40℃
精度
±1%FS
量程
0～10m
（2）水泵溫度的測定
中央水泵房中的水泵在工作時，水泵電機溫度會不斷變化，當水泵及電機長時間在高溫狀態(tài)下運轉時，會縮短其使用壽命。同時會引起其他事故。所以在整個系統運行的狀態(tài)下必須對水泵溫度進行檢測。這樣不但可以有效地緩解水泵因長時間高溫運轉給自身帶來的壓力，還可以通過監(jiān)控溫度達到及時停泵、輪換水泵，以達到保護水泵、延長使用壽命的目的。
本次選用Pt100接觸式溫度傳感器測水泵溫度。
工作原理：金屬鉑的阻值隨溫度變化而變化，并具有較好地重現性和穩(wěn)定性。
通常使用的傳感器0℃時阻值為100Ω，電阻變化率為0.3851Ω/℃，鉑電阻具有精度高，穩(wěn)定性好等特點。
Pt100溫度傳感器接入電路時，隨溫度的變化引起阻值變化時，通過連接一個變送裝置可將電阻輸入信號轉化為電流信號，通過計算可以對應出相對的溫度，從而達到對電機溫度的監(jiān)控。
本文選用的Pt100型溫度傳感器具體參數如下：
（1）-200℃
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