【正文】 .... 41 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )報告用紙 第 1 頁 共 41 頁 1. 緒論 . 研究背景 我國是一個煤炭生產(chǎn)大國，隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對煤炭的需求量將進(jìn)一步增長 。 而傳統(tǒng)的煤礦產(chǎn)業(yè)的開發(fā)，將無法滿足發(fā)展的需要。隨著工業(yè)控制技術(shù)的快速發(fā)展，煤礦產(chǎn)業(yè)的自動化程度在不斷的提高。其中煤礦井下自動排水系統(tǒng)，作為 煤礦產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)的重要系統(tǒng)之一，起著關(guān)鍵的作用。但是 我國多數(shù)礦井的排水系統(tǒng)普遍采用人工操作，存在勞動強(qiáng)度大、啟停時間長、不適應(yīng)現(xiàn)代化礦井管理 等問 題。 國內(nèi)在優(yōu)化排水方案、改造排水設(shè)備及巷道合理布置等方面也做了大量的研究。還有一些研究人員把智能控制理論用于煤礦井下排水系統(tǒng)當(dāng)中。 將規(guī)則控制、模糊控制、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、專家系統(tǒng)等智能型的控制方法用于排水系統(tǒng)的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時控制，自動監(jiān)測排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、自動記錄、故障報警、事故分析、多臺水泵軟啟動的自動切換及控制斷電等，所得到的動態(tài)資料 準(zhǔn)確性高，控制的可靠性 強(qiáng) 。 但由于以上的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開發(fā)成本較高，同時由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，干擾性大所以并不能得到很好的推廣。所以針對我國目前的情況，研發(fā)出一套安全可靠的煤礦井下排水系統(tǒng)，有著很大的應(yīng)用前景。 傳統(tǒng)的排水系統(tǒng) 目前傳統(tǒng)的礦井排水系統(tǒng)， 絕大多數(shù)采用 繼電器、接觸器組 控制 ，使用大量機(jī)械觸點(diǎn)，線路比較復(fù)雜，使用較多的中間繼電器和時間繼電器，而在長期使用過程中繼電器觸點(diǎn)在開閉時易受電弧的損害及受空氣中灰塵污染容易導(dǎo)致接觸不良而產(chǎn)生誤動作，從而使設(shè)備運(yùn)行的可靠性降低。 過去 由于煤礦的需求量少，煤 礦開采的自動化程度低， 對煤礦井下水的檢測監(jiān)控自動化要求不高 。 但是隨著 改革開發(fā)的發(fā)展，我國對煤礦的需求快速上升，傳統(tǒng)的煤礦開采技術(shù)已經(jīng) 無法滿足經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。加上 近年來煤礦事故的頻繁發(fā)生，煤礦安全問題日益引起了人們的廣泛關(guān)注 。而傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)由于采用人工操作，存在勞動強(qiáng)度大、安全系數(shù)低等原因，對煤礦自動化發(fā)展起到很大的阻礙作用。 自動化 排水系統(tǒng)的 發(fā)展 井下排水是伴隨著采礦工程產(chǎn)生的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。隨著控制理論和現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展，自動排水系統(tǒng)的研究在理論和實(shí)踐上都取得了一定進(jìn)步。 隨著煤礦數(shù)字化生產(chǎn)的引入，建 立綜合信息基礎(chǔ)框架，使全體開采過程與集成化支持系統(tǒng)連成網(wǎng)絡(luò) 。大力發(fā)展生產(chǎn)監(jiān)控方面的傳感技術(shù)，減小排水設(shè)備的自動控制和監(jiān)測的誤差 。 國內(nèi)部分煤礦曾嘗試采用自己研發(fā)的自動控制排水系統(tǒng)，但由于受到當(dāng)時檢測技術(shù)、以及控制系統(tǒng)中心處理器落后的影響，自動排水系統(tǒng)的發(fā)展在國內(nèi)并沒有取得很大的 進(jìn) 展。隨著傳感器技術(shù)的 快速 發(fā)展 、 為檢測技術(shù)的更新帶來了巨大的變化。而 可 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )報告用紙 第 2 頁 共 41 頁 編程控制器 PLC推廣和發(fā)展，為礦井排水系統(tǒng)的開發(fā)，提供了很好的微處理控制中心 。無論是發(fā)展傳感器技術(shù)，還是建立統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)，都關(guān)系到自動排水系統(tǒng)的發(fā)展。 而國外，俄 羅斯則針對礦山設(shè)備的研制，提出了采用以微處理技術(shù)為基礎(chǔ)的自動控制和故障診斷系統(tǒng)以及保護(hù)和安全操作系統(tǒng)。在許多發(fā)達(dá)國家里，礦井排水系統(tǒng)管理己進(jìn)入了系統(tǒng)化管理階段。集中了規(guī)范化、統(tǒng)計(jì)化、實(shí)時化和運(yùn)籌化管理水資源質(zhì)量及水環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用了系統(tǒng)論、信息論、控制論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立起了水資源管理信息系統(tǒng) . 研究意義 礦井主排水系統(tǒng)是煤礦自動化生產(chǎn)中最重要的系統(tǒng)之一、在煤礦安全生產(chǎn)中有著舉足輕重的作用 。 自動化排水系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用 將會 彌補(bǔ)傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的缺點(diǎn)， 增強(qiáng)排水設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性 ， 提高了煤礦產(chǎn)業(yè)的 自動化程度 。 尤其是隨 著我國經(jīng)濟(jì) 快速發(fā)展的需要，國家提出了對 山西省煤礦企業(yè)兼并重組整合 的 宏觀 政策 后，我國煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必將會向數(shù)字自動化的方向發(fā)展。 伴隨著煤礦產(chǎn)業(yè)的整合，為實(shí)現(xiàn) 礦井 數(shù)字自動化的生產(chǎn)，提高煤礦產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、 同時降低安全事故發(fā)生的情況。必將會對 煤礦生產(chǎn) 的 各種 設(shè)備 、以及煤礦產(chǎn)業(yè)中各種控制系統(tǒng)提出更高的要求。 考慮到系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性、抗干擾性、以及對煤礦產(chǎn)業(yè)的促進(jìn)效益。根據(jù)礦井應(yīng)用環(huán)境的的復(fù)雜情況，經(jīng)分析采用基于 PLC作為微處理器的控制系統(tǒng)， 能很好的適用煤礦井下排水系統(tǒng)的需要 。 一套 安全可靠、智能自動化、故障監(jiān)測 、 具體 遠(yuǎn)程監(jiān)控等 的排水系統(tǒng)將為為我國煤礦產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提高很好的保障。 . 研究內(nèi)容 目前國內(nèi)礦井的排水系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，操作者通過繼電器控制排水泵實(shí)現(xiàn)對井下污水的排放。傳統(tǒng)方法控制線路復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)行自動化程度低，可靠性相對較差，工人勞動強(qiáng)度大，排水系統(tǒng)應(yīng)急能力不足，存在一定的安全隱患，不適應(yīng)煤炭工業(yè)數(shù)字化、信息化發(fā)展的需要。 本任務(wù)設(shè)計(jì)了井下排水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，提出利用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò) 化 與采用 PLC（可編程邏輯控制器）構(gòu)建成 遠(yuǎn)程 的 控制系統(tǒng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)繼電器控制的種種缺陷與不足，提高了工作 可靠性和穩(wěn)定性，具有使用壽命長、維護(hù)方便可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控的特點(diǎn) 。 運(yùn)用可編程控制器 PLC（三菱 FX2M64MR 型號 ）作微處理控制器，結(jié)合通信模塊、FX2N4AD 功能模塊，編寫源控制程序，建立控制系統(tǒng) 。 運(yùn)用 組態(tài)軟件開發(fā)仿真 監(jiān)控畫面 ， 通過串口與 PLC（可編程邏輯控制器） 通信，建立上位機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)計(jì)算機(jī)對排水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動化控制。 畫出系統(tǒng)電路接線圖、系統(tǒng)控制框圖及有關(guān)原理圖等 。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )報告用紙 第 3 頁 共 41 頁 2. 控制系統(tǒng)的總體 方案 設(shè)計(jì) . 可編程控制器的 概論 . PLC 的定義和特點(diǎn) 可編程控制器 (Programmable Logic Controller，簡稱 PLC)，是一種以微處理器為核心，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）成功研制出第一臺可編程控制器 — PDP14，并成功地應(yīng)用在美國通用汽車公司（ GM） 的生產(chǎn)線上。 PLC 自從產(chǎn)生至今，雖然短短 40年，但它具有使用靈活、編程方便、可靠性高、體積小、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，使其 在機(jī)械、冶金、化工、輕工、紡織等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中 PLC技術(shù)、CAD/CAM 技術(shù)并稱為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支 柱。 1. PLC 的主要特點(diǎn) (1)應(yīng)用 靈活、 編程方便 在 傳統(tǒng)的 繼電器 接觸器 控制系統(tǒng)中， 主要是通過“固定接線”的形式實(shí)現(xiàn)邏輯控制與順序控制。 整個系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計(jì)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(fèi)時費(fèi)力。 并且控制系統(tǒng)通用性、靈活性差 ， 當(dāng)生產(chǎn)流程或者生產(chǎn)工藝出現(xiàn)變化，需要更改控制要求時，必須通過改變電器接線或者增加、減少控制器件才能實(shí)現(xiàn)，有時甚至需要重新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，難于適用多品種、小批量 生產(chǎn) 的控制要求。 而 PLC是通過 運(yùn)行在 存儲器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能 的 ， 它采 用與實(shí)際電路非常接 近的梯形圖方式編程，廣大電氣技術(shù)人員非常熟悉、易于掌握、便于推廣。 若控制 系統(tǒng)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(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，可根據(jù)應(yīng)用的規(guī)模進(jìn)行容量、功能和應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，甚至可以通過與集散控制系統(tǒng)（ DCS）或者其他上位機(jī)的通信來擴(kuò)展功能，并與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換 ，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) 由于 PLC主要應(yīng)用于各種 工業(yè)環(huán)境，故采取了一系列硬件和軟件 的 抗 干擾措施 。相當(dāng)其他的控制器而言， 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 是 PLC最重要的特點(diǎn)之一。 硬件方面，PLC 的輸入 /輸出 (I/O)通道采用光電隔離，有效抑制外部干擾源對 PLC的影響 ，同時，還可以防止外部高電壓竄入 CPU 模塊。 同時在設(shè)計(jì)中 采用 濾波 電路增強(qiáng) PLC 對電源波動、振動、電磁波等的干擾， 能確保 PLC 在高溫、高濕以及各種惡劣的工業(yè)環(huán)境下的穩(wěn)定 工作。 (3)易于 安裝、調(diào)試和維修 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )報告用紙 第 4 頁 共 41 頁 PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計(jì)數(shù)器等部件， 大大減少了外圍控制設(shè)備的 安裝接線。 控制系統(tǒng)的應(yīng)用 程序大都可以 在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，調(diào)試好后再將 PLC控制系統(tǒng)安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場，進(jìn)行聯(lián)機(jī)統(tǒng)調(diào) ，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期和成本。由于 PLC的高可靠性 ， 所以 PLC的故障率很低， 并且能通過各種方式直觀地反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況 ， 便于工作人員很好的對系統(tǒng)進(jìn)行檢查和維護(hù)。 一旦 PLC 外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障， 工作人員 可根據(jù) PLC 輸入 /輸出指示燈提 供的信息，迅速查明原因。 當(dāng) 其中某個模塊出現(xiàn)故障 時 ，用戶 可 通過迅速 更換模塊， 排除故障， 使系統(tǒng)能迅速恢復(fù)運(yùn)行 。 (4)功能完善， 適用性強(qiáng) 隨著近年來 PLC功能模塊的快速發(fā)展， PLC 除了具有邏輯運(yùn) 算、算術(shù)運(yùn)算、以及順序控制功能外，而且還 能完成 模擬運(yùn)算、顯示、監(jiān)控打印及報表等功能，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。此外， PLC 還具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，能與上位機(jī)構(gòu)成分部式控制系統(tǒng)， 這樣通過通信實(shí)現(xiàn) 遠(yuǎn)距離控制 ，便于建立系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)。 (5)體積小、質(zhì)量輕 、功耗低 PLC內(nèi)部電路采用 微電子技術(shù) 設(shè)計(jì)，因而 體積小，質(zhì)量輕 ， 便于 PLC 裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化較理想的控制設(shè)備。 . PLC 的 結(jié)構(gòu)和原理 由于 PLC是在繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的控制器，所以 PLC的實(shí)際 組成與常用的微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)很相似，主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。 從廣義上來看，可編程控制器也是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但相對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 它具備 更適用于控制要求的 編程語言和更適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境的抗干擾性能，因此 PLC是一種用于工業(yè)控制的專用計(jì)算機(jī)。 1． PLC 的硬件組成 PLC 的硬件主要由主機(jī)、 I/O 擴(kuò)展單元 、電源模塊、外部功能擴(kuò)展模塊等組成，如圖 。 其中 PLC 的主機(jī)部分由中央處理器（ CPU） 、存儲器、輸入 /輸出 接口 、通信接口、擴(kuò)展 模塊 接口等部分組成 。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )報告用紙 第 5 頁 共 41 頁 圖 21 PLC 的硬件結(jié)構(gòu)圖 (1)中央處理器（ CPU） CPU是 PLC 的核心部件，作為 PLC運(yùn)算和控制的中心，統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào) PLC 的工作過程。 CPU 主要由微處理器和控制器兩大部分組成，能實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，按照系統(tǒng)程序、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分工作。 (2)存儲器 存儲器是 PLC存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運(yùn)行數(shù)據(jù)的單元。主要由系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分組成。 存儲器的類型主要包括 ROM、 PROM、 EPROM、 EEPROM、RAM 等。由于隨機(jī)存取存儲 器 (RAM),在供電電源關(guān)掉后，其存儲的內(nèi)容會丟失，所以在實(shí)際使用中，通常生產(chǎn)廠家會為 PLC配備掉電保護(hù)電話，當(dāng)正常電源關(guān)閉后，由備用電池供電，保護(hù) 存儲器的內(nèi)容不丟失。采取的措施，一般是為 RAM配備一個鋰電池，通常鋰電池能用 2～ 5年 。 (3) I/O接口單元 I/O接口單元通常也稱 I/O 接口模塊，是 PLC 在工業(yè)過程控制現(xiàn)場與外部設(shè)備相連接的部件。外部設(shè)備提供的各種開關(guān)信號，經(jīng)輸入接口，經(jīng)過處理成為生產(chǎn)過程中各種重要的參數(shù)。通過用戶程序的運(yùn)行，產(chǎn)生各種控制信號，經(jīng)輸出接口輸出達(dá)到控制外部設(shè)備的效的目的。通常 PLC的 I/O接口電路 都具有 光電隔離和濾波功能 ，能很好的應(yīng)對外部的各種干擾，使 PLC 具備很好的安全可靠性。另外， I/O 接口上通常有狀態(tài)指示燈，工作人員可根據(jù)指示燈的狀態(tài)了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，便于檢查和維護(hù)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )報告用紙 第 6 頁 共 41 頁 (4)電源 電源模塊是保障 PLC安全工作的重要模塊之一，由于 PLC內(nèi)部的 CPU、存儲器和 I/O接口電路等都工作在電壓比較低的直流電壓環(huán)境下，而工業(yè)現(xiàn)場往往提供的電源只有交流電壓，所以通常 PLC都配備一個電源模塊。電源模塊經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后 將外供應(yīng)的交流電源轉(zhuǎn)換滿足 PLC 工作的直流電源 。 如 本次設(shè)計(jì) 中采用的 PLC（三菱FX2