抽水泵的PLC控制系统设计讲解

《抽水泵的PLC控制系统设计讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《抽水泵的PLC控制系统设计讲解（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、XLAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY继续教育学院毕业设计（论文）题目：抽水泵的 PLC 控制系统设计院、系（站）：学科专业：机电一体化学 生：学 号：指导教师：2013 年 09 月抽水泵的PLC控制系统设计摘要基于PLC的矿井排水监控系统现场控制部分是为了煤矿安全和正常生产而进行 的各种有关参数或状态的集中监测，并对有关环节加以控制，是保护、采掘、运输、 通风、排水等主要生产环节安全运行的重要设施。本文主要介绍了一种基于西门子 S7-300 PLC的煤矿井下排水泵自动控制系统的设计方法和思路。西门子S7-300型PLC 给出了煤矿井下排水系统的传感器及执行机构的配置方案

2、、通信网络结构和系统功 能设计，实现了对水泵进行自动控制，水位监测、自动启停水泵、故障自诊断等功 能；同时也实现了水泵运行的合理调度，提高了设备利用率，达到了节能增效的效 果，并能与上位机通讯，实现远程控制和在线监测，提高了煤矿自动化水平和安全 性。关键词 ： 水泵； PLC； 自动控制 ； 利用率； 远程控制目录1 煤矿井下排水泵自动控制系统的工作原理及组成 11.1 概述 11.2 工作原理 11.3 系统组成 22 控制系统结构设计 52.1 系统总体结构 52.2 控制系统网络设计 52.2.1 现场级控制网络 52.2.2 远程监控网络 52.3 控制系统功能设计 62.4 控制系统

3、可靠性设计 82.4.1 设备可靠运转保障 82.4.2 传感器可靠性保障 82.4.3 通信可靠性保障 82.5 控制系统程序设计 82.5.1 PLC程序设计 92.5.2 组态软件程序设计 103 PLC 井下排水自动控制系统 123.1 PLC 井下排水自动控制系统的技术 123.2 PLC 井下排水自动控制系统分层 123.3 影响 PLC 控制系统稳定的干扰因素 143.4 PLC 控制系统的抗干扰措施 144 结束语 16致谢 1718参考文献1 煤矿井下排水泵自动控制系统的工作原理及组成1.1 概述随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器(PLC)控 制已

4、逐步取代继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域。当然煤炭行业也 不例外，但是目前许多矿井下主排水系统还采用人工控制，水泵的开停及选择切换均 需人工完成，完全依赖于工人的技术、经验和责任心，也预测不了水位的增长速度， 做不到根据水位和其他参数在用电的峰谷期自动开停水泵，这将严重影响煤矿自动化 管理水平和经济效益，同时也容易由于人为因素造成各种安全隐患。在煤矿矿井建设和生产过程中，随时都有各种来源的水涌入矿井，为保证煤矿的 生产安全，必须及时将涌出的矿井水快速地排放到地面，矿井排水设备不仅要排除各 时期涌入矿井的水，而且在遭到突然涌水的袭击有可能淹没矿井的情况下，还要抢险 排水，因此煤矿主

5、排水系统能否正常运行直接关系到矿井的安全生产。因此，矿井排 水设备是煤矿建设和生产中不可缺少的，排水泵的安全可靠运行对保证矿井安全生产 起着非常重要的作用。目前，矿井排水系统普遍采用人工操作，存在着人员劳动强度大、电机启停时间 长、水泵运行效率低等诸多问题，如何实现煤矿井下排水泵的自动控制和无人值守， 并满足煤矿生产调度综合自动化的要求，便成为当前急需解决的问题。针对当前煤矿 排水系统的实际情况，本文提出一种实现煤矿井下主排水系统的设计方案，并对其工 作原理和结构做一扼要介绍。1.2 工作原理煤矿井下排水泵自动控制系统通过检测水仓水位和其它参数，控制水泵轮流工作 与适时启动备用泵，合理调度水泵

6、正常运行。系统通过触摸屏以图形、图像、数据、 文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、 电机温度、轴承温度、排水管流量等参数，并通过通讯模块与综合监测监控主机实现 数据交换。该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点，并可节省水泵的 运行费用。1.3 系统组成整个自动控制系统由数据自动采集、自动轮换工作、自动控制、动态显示及故障 记录报警和通讯接口等5个部分组成。（1）数据自动采集与检测数据自动采集与检测主要分为两类：模拟量数据和数字量数据。模拟量检测的数据主要有：水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、3趟 排水管流量；数字量检测的数据主要有：水泵

7、高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空 接触器的状态、电动阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电磁阀状态、水泵 吸水管真空度及水泵出水口压力。数据自动采集主要由PLC实现，PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水 位，将水位变 化信号进行转换处理，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率， 从而判断矿井的涌水量，控制排水泵的启停。电机电流、水泵轴温、电机温度、排水 管流量等传感器与变送器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，超限报警，以避免 水泵和电机损坏PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理 的条件和依据，控制排水泵的启停。在数据采集过程中，模拟量信号的处理是将模

8、拟信号变换成数字信号（A/D转换）, 其变换速度由采样定律确定。一般情况下，采样频率应为模拟信号中最高频率成分的2 倍以上，这样经A/D变换的精度可完全恢复到原来的模拟信号精度。A/D变换的精度取 决于A/D变换器的位数。如5V电压要求以5mV精度变换时，精度为5mV/5V=0.1%,即卩 1/1000十进制的1000用二进制表示时要求为10位,而本系统所采用的A/D模块分辨率为 16bit,其精度在0.05%以上，该精度等级足以满足控制系统要求。同时，PLC所采用 的 A/D 模块均以积分方式变换，可使输入信号的尖峰噪音和感应噪声平均化，适用于 噪音严重的工业场所。（2）自动轮换工作为了防止

9、因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或 其他故障未经及时发现，当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以 至影响矿井安全，本系统程序设计了5台泵自动轮换工作控制，控制程序将水泵启停次 数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数 按一定顺序自动启停水泵和相应管路，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当某台 泵或所属阀门故障、某趟管路漏水时，系统自动发出声光报警，并在触摸屏上动态闪 烁显示，记录事故，同时将故障泵或管路自 动退出轮换工作，其余各泵和管路继续按 一定顺序自动轮换工作，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全生产的目

10、的。（3）自动控制系统控制设计选用了西门子S7-300型PLC为控制主机，该机为模块化结构，由PLC 机架、CPU、数字量I/O、模拟量输入、电源、通讯等模块构成。PLC自动化控制系统根 据水仓 水位的高低、井下用电负荷的高、低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段 供电电价时 间段（时间段可根据实际情况随时在触摸屏上进行调整和设置）等因素， 建立数学模型，合理调度水泵，自动准确发出启、停水泵的命令，控制水泵运行。为了保证井下安全生产，系统可靠运行，水位信号是水泵自动化一个非常重要的 参数，因此，系统设置了两套水位传感器，模拟量和开关量传感器，两套传感器均设 于水仓的排水配水仓内，PLC将接受到

11、的模拟量水位信号分成若干个水位段，计算出单 位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，同时检测井下供电电 流值，计算用电负荷率，根据矿井涌水量和用电负荷，控制在用电低峰和一天中电价 最低时开启水泵，用电高峰和电价高时停止水泵运行，以达到避峰填谷及节能的目的。（4）动态显示动态模拟显示选用日本Digital公司的GP-570T型触摸式工业图形显示器（触摸 屏），系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动阀的运行状态，采用改变图 形颜色和闪烁功能进行事故报警。直观地显示电磁阀和电动阀的开闭位置，实时显示 水泵抽真空情况和压力值。用图形填充以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时

12、地显示水仓水位，并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高 段水位分段报警，用不同音响形式提醒工作人员注意。采用图形、趋势图和数字形式直观地显示3趟管路的瞬时流量及累计流量，对井下 用电负荷的监测量、电机电流和水泵瞬时负荷及累计负荷量、水泵轴温、电机温度等 进行动态显示、超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，并在屏幕下端循环 显示最新出现的3条故障（故障显示条数可在触摸屏上设置），以提醒工作人员及时检 修，避免水泵和电机损坏。（5）通讯接口PLC通过通讯接口和通讯协议，与触摸屏进行全双工通讯，将水泵机组的工作状态 与运行参数传至触摸屏，完成各数据的动态显示；同时，操作人员

13、也可利用触摸屏将 操作指令传至PLC,控制水泵运行。PLC同时将水泵机组的运行状态与参数经安全生产 监测系统分站传至地面 生产调度监控中心主机，与全矿井安全生产监控系统联网，管 理人员在地面即可掌握井下主排水系统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，实现井下主排水系统 的遥测、遥控，并为矿领导提供生产决策信息。 触摸屏与监测监控主机均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表，记录 系统运行和故障数据，并显示故障点以提醒操作人员注意。2 控制系统结构设计2.1 系统总体结构系统采用现场层（远程IO）、控制层（PLC）和管理层（上位机）组成的三级控制系统来 实现排水系统的自

14、动控制。上位机利用友好的人机界面实现人机对话和远程监控功能， PLC作为控制器完成逻辑处理和控制任务，远程10实现现场数据的采集和上传，通过 专门的控制网络实现数据交换和统一调度控制。其中控制层主要由 PLC 控制柜构成， 是整个排水系统的控制核心，PLC控制柜由PLC、触摸屏、检测部分（模拟量和开关量 监测采集） 、执行部分等组成。PLC控制柜中的核心部分是PLC模块，用于完成对于监测量的处理、运算和存储， 并根据监测结果进行逻辑处理，控制水泵及附属设备启停。为保证控制器的可靠性， 系统选用德国西门子生产的S7-300系列PLC作为主要控制单元，考虑到现场设备比较 分散，就地控制箱采用远程

15、I/0 的方式进行数据采集及控制，并通过现场总线同 CPU 模块进行数据交换。系统为实现对设备状态、就地控制命令采集、输出控制指令、设 备逻辑控制等功能，主PLC配置了2块32路数字量输入模块和2块16路数字量输出模块, 远程I/O配置1块32路数字量和1块16路数字量输出模块。主PLC还配置了 1块模拟量采 集模块完成对水位的监测，远程I/O部分配置1块模拟量采集模块完成对压力、负压及 流量的监测。为便于现场对水泵的半自动控制，系统配置了触摸屏，可实现实时动态 显示水泵当前状态，并为用户提供水泵控制的平台。2.2 控制系统网络设计2.2.1 现场级控制网络排水系统监测参数及参控设备较多，采用传统的PLC控制系统接线复杂、可靠性低且维护困难。因此，系统采用现场总线实现设备层和控制层的连接。系统设计了现场总线网络，主要用于数字量输入/输出、模拟量输入/输出等小数量级的快速循环通信，将现场网络配置成Profibus-DP网络， 采用西门子的ET200分布式I/O进行现场设备的数据采集及控制。2.2.2 远程监控网络在 PLC 控制柜与设在矿调度室的上位机之间建立了工业以太网，用于实现现场控 制层与上位机之间的数据交换。控制层PLC统一采用了西门子的S7-300系列PLC进行 配置，网络结构简单清晰，避免了异构网络互连时必须安装相应网关的缺点。系统选 取西门子的S7-300系