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1、山东科技大学学士学位论文摘要摘要本文对煤矿井下中央泵房控制系统的硬件系统设计、软件系统设计以及系统的抗干扰措施进行了详细设计。本系统采用SIEMENS的S7-300 PLC，并结合各种传感器（主要为水位传感器、负压传感器、压力传感器、流量传感器、振动传感器、温度传感器等），完成系统中要实现的控制方式选择、故障报警等功能。本系统采用水泵及管路的“自动轮换”工作制。采用台达人机界面就地监控系统中设备的参数，并进行现场的就地手动控制，做到有故障及时发现并尽早处理。S7-300 PLC采用RS485通信标准与地面监控中心上位机进行通信，对排水系统实施全面的监控，并能进行远程控制。关键词：PLC 传感器
2、 排水系统 自动控制 ABSTRACTIn this paper, the selection and design of drainage equipment, then according to the drainage control requirements, the design of automatic control. The system uses the SIEMENS S7-300 PLC, and combined with a variety of sensors (mainly for the water level sensor, pressure sensor,
3、pressure sensor, flow sensor, vibration sensor, temperature sensor), control mode to achieve the system choice, alarm and other functions. This system uses the water pump and pipeline turns working system. A valley principle to determine the number of the opening pump according to avoid peak, in ord
4、er to achieve the purpose of saving the power. The parameters of the equipment of delta HMI monitoring system of in situ PC end, and local manual control site, do have the fault timely detection and early treatment. S7-300 PLC communication using RS485 communication standard and the ground control c
5、enter PC, the implementation of a comprehensive monitoring of the drainage system, and is capable of remote control.Keywords：PLC sensor drainage system automatic control山东科技大学学士学位论文目录目录山东科技大学学士学位论文目录1 绪论11.1 课题的研究意义11.2 国内外研究现状11.3 课题主要研究内容22 系统总体设计32.1 课题设计要求分析32.2 课题设计功能分析42.3 硬件和软件功能划分73 系统硬件设计93
6、.1 CPU的选型93.2 传感器的选型设计103.3 开关量输入通道213.4 显示模块的设计233.5 开关量输出通道253.6 通讯模块设计263.7 供电电源273.8 系统排水设备的选型设计284 系统软件设计314.1 系统软件的综述314.2 PLC程序设计314.3 触摸屏显示界面设计385 系统抗干扰设计425.1 常见干扰源425.2 排除干扰的措施436 总结45致谢47参考文献46附录48附录1系统图纸48附录2 外文文献翻译54山东科技大学学士学位论文绪论 1 绪论1.1 课题的研究意义煤矿井下主排水泵房承担了将井下的涌水排到地面的重要任务，为煤矿的安全生产提供必要的
7、保障。针对煤矿生产中的重要机电设备主排水泵房进行自动化控制，对保障煤矿的安全生产具有十分重要意义。在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下。矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关，涌水量在不同的季节也存在不同。如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产可能受到阻碍，井下的安全得不到保障，严重者会造成重大事故。煤矿井下中央泵房控制系统具有控制简单、可靠、经济等优点。所以，基于PLC的井下排水中央泵房的控制系统的研究对煤矿的安全、高效生产具有非常重要的意义。1.2 国内外研究现状矿井中央泵房是
8、矿山企业的机电要害场所，直接影响到矿山企业的安全生产，现在国内矿山企业矿井中央泵房的自动化水平还不是很高，这影响了生产的安全性和高效性，矿井中央泵房自动控制可以有效解决这些问题。井下的水泵功率大、电压高、启动复杂，水泵启动前吸水管路的充水，通常采用抽真空吸水的方法来完成。现在泵房内设备的运行与管理以及水仓水位的观察，普遍采用人工操作方式，操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长、自动化程度低、不适应现代化矿井管理。井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。传统的继电器控制方法，用人工进行检测，这种检测控制方法效率低，劳动强度大，且由于井下环境恶劣，故障率较高。所以靠人工检测的方法已不适应国内
9、外煤炭行业发展的需要，取而代之的是自动化排水系统。由于矿井排水系统属于多变量、非线性、时变的复杂系统，特别是在管道和水泵等环节中，各变量之间又存在着交叉，因此国内外矿井排水系统普遍采用模糊控制的方法进行动态监测和故障诊断。目前，PLC在国内外工业控制中已获得广泛应用，在矿井排水系统中，采用PLC自动监测排水系统的运转状况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵启动的自动切换等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性高。1.3 课题主要研究内容针对上述排水系统存在的问题，本文提出了基于Siemens的S7-300 PLC的矿井主排水系统自动化控制系统的设计。自动控制系统的应用，
10、将使得排水系统可靠性增强，整个工作流程通过软件的编程来实现，程序确定后，水泵机组将按给定的程序自动启停水泵、开关阀门，极大的减小工人的劳动强度。PLC将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机，管理人员在地面即可掌握井下中央泵房设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下中央泵房的遥测、遥控。30山东科技大学学士学位论文系统总体设计 2 系统总体设计2.1 课题设计要求分析本设计主要实现了如下功能：（1） 根据井下水仓水位的高低自动控制3台水泵的运行；（2） 具有过流、过压、短路、流量等保护信号的监测功能；（3） 具有以下三种工作模式：自动控制工
11、作模式、就地手动控制工作模式、远程控制模式；（4） 就地显示功能：可以实时显示系统工作方式、三台水泵的状态、电源电压、电流、各水泵的振动、电机绕组温度、管网的压力、水仓水位等参数；（5）报警功能： 振动超限 电机温度超限 水位超限 过电流 过电压（6）通信功能：通过与上位机的通信，实现远程监测中心对排水系统各参数及各设备的运行状态进行远程监测以及远程实时控制。排水系统结构图如图2.1所示。图2.1 排水系统结构图井下排水系统的主要构成器件有水泵、真空泵、排水管以及各种闸阀。2.2 课题设计功能分析该排水系统在实现排除井下积水功能的前提下，实现全程的自动控制，根据课题的设计内容分析可知设计主要实
12、现的功能有排水自动控制功能、上位机显示功能、故障报警功能、上位机参数设置功能等，下面根据功能框图对各部分功能具体介绍。图2.2 排水系统功能结构框图该控制系统由模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块以及上位机通信构成。模拟量输入模块和数字量输入模块输入的信号经过CPU模块的处理后经过数字量输出模块输出并完成与通信模块的通信。该系统选用PLC作中心控制器，模拟量输入模块主要输入温度传感器、压力传感器、电流电压传感器等的数值；数字量输入模块主要是水泵电机的开关信号；数字量输出模块是电机及闸阀的控制输出；通信模块将上位机与PLC连接，进行通信。2.2.1 排水自动控制功能该系统处于排水自动控
13、制过程时，由液位传感器连续检测水仓水位，根据水仓和吸水井的水位，自动开停水泵及其阀门，在正常水位时，各台水泵能自动轮换工作，在危险水位时，自动投入必要数量的水泵运行。具体控制流程如下:（1）当水仓水位达到高水位时，水位传感器发出开泵信号，由PLC控制按程序进行开泵操作。（2）灌引水，开启抽真空管路上的电动球阀，再开启真空泵，利用泵体内形成的真空度对泵体进行灌引水，达到启动主水泵的条件。（3）启动主排水泵：根据压力传感器反馈信号，决定启动主排水泵。首先通过PLC控制启动高压柜，然后根据高压柜开闸合闸信号反馈，启动高压软启动装置，实现对主水泵的软启动。（4）水泵正常启动后，PLC控制电动闸阀开启，
14、实现正常排水。（5）当水仓水位达到低水位时，水位传感器发出停泵信号，由PLC控制按程序进行停泵操作，停泵操作顺序与开泵操作顺序相反。2.2.2 故障保护、报警功能 水泵电机容量大，耗电量高，属一级负荷。因此，对排水设备自动控制系统的安全性、可靠性要求较高。本系统设有以下保护： （1）过电流、过电压、漏电保护：PLC通过接在电机电源主回路里的电量检测模块实时监测出电机电流、电压等，把这些数值通过模拟量输入模块传输到可编程控制器，由可编程控制器PLC计算、判断电动机工况。当出现故障时，控制相应的执行机构或保护装置动作，故障报警。 （2）超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度、电机温度超出允许
15、值时，通过温度保护控制使水泵停车。 （3）流量保护：当水泵在运行过程中，其排水量达不到正常值时，应通过流量保护装置使水泵停止运行。2.2.3 参数设置及显示功能 系统通过触摸屏以图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时的反映系统工作状态以及水仓水位、流量、压力、电机温度等参数，并通过通讯模块与综合监测监控主机实行数据交换。此外，系统设计还可以通过触摸屏来对相应参数（如温度上下限、电压电流限值、水位值等）进行该设置。系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点，并可以节省水泵的运行费用。排水检测系统的特点如下：（1）实行在线监控 监控系统对水泵房设备运行实行在线监控，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守，并通过网络与矿井监控系统进行数据交换，接受管理人员指令。（2）控制灵活可实现多种控制方式之间的切换，应用于不同的工作环境下。一般情况下，根据水位情况自动运行，故障检修或系统维修时，可使用半自动或手动方式，即可对运行环节“截断”操作。2.3 硬件和软件功能划分设计系统分硬件和软件两大部分，硬件部分主要包括模拟量
