【正文】 人員工作量，優(yōu)化運行，延長系統(tǒng)設(shè)備運行壽命。并且據(jù)現(xiàn)場技術(shù)人員介紹大多數(shù)煤礦礦井下排水系統(tǒng)現(xiàn)狀和他們這差不多，都很需要加一控制系統(tǒng)。本課題就是設(shè)計一控制系統(tǒng)來解決以上問題。本系統(tǒng)在設(shè)計的時候是以皖北煤電集團任摟煤礦井下排水泵排水系統(tǒng)為藍本進行設(shè)計的。但本系統(tǒng)的使用是不局限于皖北煤電集團任摟煤礦井下排水泵排水系統(tǒng)。 本課題主要的任務(wù)是設(shè)計檢測部分、控制部分和網(wǎng)絡(luò)（控制器和微機通訊）部分，通過檢測部分檢測主水倉、補水倉液位和各泵的運行參數(shù)，并送至控制器中，通過控制器實現(xiàn)電動控制或自動控制。并且將數(shù)據(jù)傳到地上控制室的上位機中，實現(xiàn)遠程檢測。 第二章 泵控系統(tǒng)設(shè)計與分析 系統(tǒng)總體概述 本系統(tǒng)設(shè)計控制為三部分：一、現(xiàn)場手動控制；二、地下控制室電動控制；三、地上主控制室遠程檢測 。 通過傳感器對主水倉液位的檢測，來自動判斷啟動幾臺水泵進行排水（自動檢測控制），或由人為地選擇啟動幾臺水泵進行排水（電動控制或手動控制）。同時也類似地控制水泵的停止。在水泵運行的過程中對水泵的相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)控，如壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速、負(fù)壓。出現(xiàn)故障時進行報警，若出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，則立即停止水泵，并報警。并 且把所檢測到的所有數(shù)據(jù)傳到地上主控制室內(nèi)的上位機中。 系統(tǒng)控制要求 整體要求： 實現(xiàn)以下控制： 手動控制、電動控制、自動監(jiān)測控制 手動控制時要能自動切斷電動控制和自動控制；自動控制時要能自動切斷手動控制和自動控制；自動控制時要能自動切斷手動控制和電動控制。 電動控制：根據(jù)所要起動的泵來自動決定閥的開閉，只需人為的來決定起動或停止哪臺泵。 自動檢測控制：不需人為的介入，根據(jù)主水倉的液位自動實現(xiàn)泵的啟動、運轉(zhuǎn)參數(shù)檢測、泵的停止及故障診斷報警。 具體要求： 現(xiàn)場 手動控制 /非手動控制轉(zhuǎn)換（非手動控制包括電動控制和自動檢測控制），電動控制 /自動檢測控制轉(zhuǎn)換 現(xiàn)場手動控制直接經(jīng)過電控部分控制，而電動控制 /自動檢測控制則經(jīng) 過控制器來控制 自動檢測控制實現(xiàn)水泵的自動起動： （ 1）根據(jù)水位信號（液位傳感器 cgq1），確定要起動水泵的臺數(shù)和哪臺水泵起動； （ 2）關(guān)閉要起動水泵的排水閥（ df1），并確定排水管路及各分配閥（ df2）的開關(guān)狀態(tài)； （ 3）開啟真空泵；打開真空泵與水泵連接的排氣閥（ df3）；水泵開始排氣，并檢測水泵吸入口的負(fù)壓信號（ cgq3）； （ 4）當(dāng)吸入 口負(fù)壓信號（ cgq3）到達預(yù)定值時，起動水泵（降壓啟動，由電控實現(xiàn)）；打開排水閥（ df1），關(guān)閉真空泵與水泵連接的排氣閥（ df3），關(guān)掉真空泵，水泵進入正常排水運行。 在地下控制室內(nèi)要實時地顯示所投入運行的水泵。 水泵運行時的參數(shù)監(jiān)控： 水泵進入正常排水運行時，檢測水泵運行的參數(shù)有： （ 1）、水位信號（液位傳感器 cgq1）； （ 2）、水泵的排水壓力信號（壓力傳感器 cgq2）； （ 3）、水泵吸入口的負(fù)壓信號（負(fù)壓傳感器 cgq3）； （ 4）、水泵的流量信號（流量傳感器 cgq4）； （ 5）、水泵的轉(zhuǎn)速信號（轉(zhuǎn) 速傳感器 cgq5）； （ 6）、水泵軸承的溫度信號（溫度傳感器 cgq6）； 在地下控制室內(nèi)要實時地顯示所投入運行的水泵以上參數(shù)及主水倉液位。并把這些參數(shù)傳到地上控制室的上位機中。 自動檢測控制實現(xiàn)水泵的自動停止： （ 1）、根據(jù)水位信號（液位傳感器 cgq1），確定停止水泵臺數(shù)和停哪臺水泵； （ 2）、切斷要停止水泵的電源，關(guān)閉排水閥（ df1）； （ 3）、根據(jù)水位信號（液位傳感器 cgq1），當(dāng)水位低于最低水位時，停止最 后一臺水泵，步驟同上。 （ 4）、水泵全部停止后，系統(tǒng)處于自動監(jiān)控狀態(tài)，隨時準(zhǔn)備起動。 搶險 排水： （ 1）當(dāng)水位信號（液位傳感器 cgq1）超過警戒水位時（井底水平高度），所有水泵全部開動（起動程序同上，逐臺起動，防止起動電流過大）； （ 2）隨著水位信號（液位傳感器 cgq1）的逐淅下降，當(dāng)水位信號（液位傳感器 cgq1）低于安全警戒線時，逐步停掉部分水泵（停止程序同上）； （ 3）當(dāng)水位信號（液位傳感器 cgq1）低于最低水位時，停掉所有水泵（停止程序同上），系統(tǒng)處于自動監(jiān)控狀態(tài)，隨時準(zhǔn)備起動。 水泵運行的故障診斷及故障報警 （ 1）、水泵不吸水（真空信號）； （ 2）、流量?。ㄕ婵招盘?，壓力信號）； （ 3）、水泵不上水（壓力信號、流量信號）； （ 4）、轉(zhuǎn)速變化大（轉(zhuǎn)速信號、壓力信號、流量信號）； （ 5）、軸承過熱（溫度信號）； （ 6）、內(nèi)部聲音異常，可能原因是流量大，吸入高度過大，吸入處有空氣滲入，所吸入的液體溫度過高。（流量信號、負(fù)壓信號、溫度信號）。 出現(xiàn)以上故障，及時報警通知操作人員；嚴(yán)重故障時，報警并停止出現(xiàn)故障的水泵。 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 手動控制方案的確定 ，其所需開關(guān)有： 現(xiàn)場手動控制 /非手動控制轉(zhuǎn)換開關(guān) 各水 泵起動 /停止開關(guān) 各水泵排氣閥、排水閥、分配閥打開 /關(guān)閉開關(guān) ： 各閥開啟信號燈 系統(tǒng)電動控制 /自動檢測控制方案的確定 根據(jù)現(xiàn)場具備的條件及系統(tǒng)的控制要求，得到泵房控制系統(tǒng)的控制 I/O點配置及參數(shù)顯示，主要包括： 輸入開關(guān)量： 電動控制 /自動檢測控制模式選擇開關(guān) 顯示各泵參數(shù)按鍵 泵控制按鈕 輸入模擬量： 輸入溫度 輸入負(fù)壓 輸入壓力 輸入液位 輸入轉(zhuǎn)速 輸入流量 輸出開關(guān)量： 真空泵、主水泵電機起停 電磁閥 /電動閥開關(guān) 手動模式信號燈 電動模式信號燈 自動模式信號燈 故障報警燈 根據(jù)前文所述，可采用如圖 21 所示的泵控制系統(tǒng)。 控 制 器液位傳感器傳感器主 水 泵電機閥主水倉人機交互圖2 泵控示意圖 在上述控制系統(tǒng)中，采用不同的控制器，模擬量的測量及信號的轉(zhuǎn)換方式也隨之改變，使得該系統(tǒng)的實現(xiàn)有不同的方案。 方案一：采用單片機為控制器的方案如圖 22所示。 圖2采用單片機控制示意圖看門狗電路鍵盤設(shè)定單片機多路開關(guān)調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)電路故障報警和信號燈數(shù)據(jù)顯示電機閥A/D轉(zhuǎn) 換調(diào)節(jié)電路S/H電 路S/H電 路S/H 電路 液位傳感器液位傳感器傳感器溫度、負(fù)壓等補水倉主水倉水泵 采用單片機的控制方案功耗低，控制功能強，能滿足本 系統(tǒng)的各種要求，但是單片機對環(huán)境的要求比較高，而且以單片機為控制器的系統(tǒng)需要許多的外圍擴展電路，如上圖中的調(diào)節(jié)電路（濾波、信號放大電路）、 S/H 電路、轉(zhuǎn)換開關(guān)、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 I/O 接口電路及其光電隔離電路、干擾抑制電路等，使得系統(tǒng)接線復(fù)雜，這對于井下條件來說，增加了故障發(fā)生率，導(dǎo)致控制不可靠，因此本系統(tǒng)不采用單片機控制方案。 方案二：采用 PLC 為控制器的方案如圖 23 所示。 水泵主水倉補水倉溫度、負(fù)壓等傳感器液位傳感器液位傳感器調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)電路鍵盤設(shè)定圖2 采用PL C控制示 意圖PLC模擬量擴展模塊 閥電機信號燈及報警人機交互 采用 PLC 的泵控系統(tǒng)在控制方法上與單片機的方案相同，但是 PLC 集成度高，接線簡單，所以其在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等方面，其具有較大的優(yōu)勢： PLC 是面向工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的一種工業(yè)計算機，可靠性高，特別適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。 PLC 有多種擴展模塊，其中模擬量擴展模塊可與系統(tǒng)中的溫度、負(fù)壓、壓力等模擬量信號直接相連，并能自動進行信號處理。不需設(shè)計外部信號處理電路，抗干擾性好，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。 PLC 模塊化的結(jié)構(gòu)便于擴展，設(shè)計簡單。 此外， PLC 比較容易構(gòu)建一控制網(wǎng)絡(luò)，所以，本系統(tǒng)采用 PLC 泵控系統(tǒng)。 初步設(shè)計方案的確定 根據(jù)前面所述，初步確定其總體設(shè) 計方案見圖 24。 圖2總體 設(shè)計方案上位機 地上主控制室PLC現(xiàn)場PLC水泵1水泵2水泵3水泵4水泵5水泵6 現(xiàn)場控制由 PLC 控制網(wǎng)絡(luò)組成，第一臺 PLC檢測主水倉、補水倉的液位、控制 3臺水泵、并控制第二臺 PLC，第二臺 PLC 控制 6泵；地上控制室由一臺上位機組成，主要接收井下控制室傳上來的主水倉液位及各臺泵的運行參數(shù)。 PLC 泵控的硬件選型 PLC 的選型 PLC 的型號有許多，目前性能較好的有 SIEMENS 公司、日本的三菱、歐姆龍、美國 AB公司等產(chǎn)品，根據(jù)性價比的選擇，本系統(tǒng)采用 SIEMENS公司 S7200系列 PLC?？紤]到以后系統(tǒng)的擴展要求，選用“ CPU226AC/DC/繼電器”型號PLC，該型號具有 24 輸入 /14 輸出，可提供標(biāo)準(zhǔn)值為 24V DC 的輸入和輸出電壓，此外還提供范圍為 5250V AC 的輸出電壓。 S7200 CPU 模塊包括一個中央處理單元（ CPU）、電源以及數(shù)字量 I/O 點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設(shè)備中。 模擬量擴展模塊的選型 由于系統(tǒng)有多個模擬量輸入，故可采用與 S7200 CPU 相配套的 EM231模擬量輸入模塊，其具有 4 路模擬量輸入，輸入信號可以是電壓也 可以是電流，輸入與 PLC 具有隔離。輸入信號的范圍可以由 SW SW2 和 SW3 設(shè)定。 其具體技術(shù)指標(biāo)見表 21。 表 2 EM231技術(shù)指標(biāo) 型號 EM231模擬量輸入模塊 總體特性 外形尺寸： ㎜ 80㎜ 62 ㎜ 功耗： 3W 輸入特性 本機輸入： 4路模擬量輸入 電源電壓：標(biāo)準(zhǔn) DC24V/4mA 輸入類型： 0～ 10V、 0～ 5V、 ＋ 5V、 ＋ 、 0～ 20mA 分辨率： 12bit 轉(zhuǎn)換速度： 250μ s 隔離：有 耗電 從 CPU 的 DC 5V(I/O總線 )耗電 10mA 開關(guān)設(shè)置 SW1 SW2 SW3 輸入類型 ON OFF ON 0～ 10V ON ON OFF 0～ 5V或 0～ 20mA OFF OFF ON ＋ 5V OFF ON OFF ＋ 本系統(tǒng)輸入類型為 0～ 5V，因此開關(guān)設(shè)置為 SW1(ON)、 SW2(ON)、 SW3(OFF)。 此時，其分辨率為 （見 S7200 編程手冊） 其輸入數(shù)據(jù)格式為 : 模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器（ ADC）的 12 位讀數(shù)，其數(shù)據(jù)格式是左端對齊的，最高有效位是符 號位，對單極性格式，最高位為 0， 0 表示正值數(shù)據(jù)字，后三位有效數(shù)字為 0，這就使得 ADC 計數(shù)值每變化 1個單位，則數(shù)據(jù)字的變化是 以 8為單位變化的。 以上的分辨率和輸入數(shù)據(jù)格式是把 PLC 采樣處理過程中要用到的重要數(shù)據(jù)。 數(shù)字量擴展模塊的選型 由于 PLC的輸入與輸出量較多 ,所以選用與 S7200配套的 EM223數(shù)字量混合模塊。 EM223 數(shù)字量混合模塊有 6 種類型，包括 24 V 4 點輸入 /4 點輸出， 24 V 4 點輸入 /繼電器 4 點輸出， 24 V 8 點輸入 /繼電器 8 點輸出， 24 V 8 點輸入/8 點輸出， 24 V 16 點輸入 /繼電器 16點輸出， 24 V 16 點輸入 /16 點輸出，6 種類型均有隔離，本系統(tǒng)選用 24 V 16 點輸入 /繼電器 16點輸出，其技術(shù)指標(biāo)見表 22。 表 2 EM223技術(shù)指標(biāo) 型號 EM223數(shù)字量（ DC輸入 /繼電器輸出）組合模塊 總體特性 外形尺寸： ㎜ 80㎜ 62 ㎜ 功耗： 3W 輸入特性 本機輸入： 4/8/16路數(shù)字量輸入 電源電壓：標(biāo)準(zhǔn) DC24V/4mA。最大 DC30V 輸入延時：最大 分辨率： 12bit 轉(zhuǎn)換速度： 250μ s 隔離：光隔離， AC500V,1min。 4點 /組 電纜長度：不屏蔽 350m，屏蔽 500m 輸出特性 本機輸出： 4/8/16路數(shù)字量輸出 輸出電壓： DC5～ AC5～ 250V 輸出電流： 輸出延時：最大 10ms 分辨率： 12bit 轉(zhuǎn)換速度： 250μ s 隔離：光隔離， AC500V,1min。 4點 /組 電纜長度：不屏蔽 150m，屏蔽 500m 耗電 從 CPU 的 DC 5V(I/O總線 )耗電 40/80/150mA 、 PLC 與輸入輸出模塊的連接 西門子 S7200 系列 PLC 模塊化設(shè)計，可使用戶根據(jù)自己控制目的和I/O 控制點數(shù)，選擇相應(yīng)模塊。本系統(tǒng)選擇 CPU226, EM223, EM231 模塊，它們之間的連接通過模塊上的數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)線槽連接如圖 25 所示，整個PLC 和膜塊將安裝在 DIN 軌道上。 圖 25CPU 與模塊連接示意圖 人機交互設(shè)備的選型 根據(jù)需要，在地上控制室和井下控制室中要具有人機交互設(shè)備，地上控制室采用上位機，井下控制室中采用與 SIMATIC PLC 配套的 TD200 操作員界面，其可以實現(xiàn)人機交互功能，且價格低，占用空間小，可與 PLC 同時安裝在同一操作盤上，顯示從 S7200CPU 讀來的信息。 TD200 可以單獨供電，也可由 S7200CPU 通過 TD/CPU 電纜供電。圖 25為 TD200 的界面示意圖 圖 2 TD200的界面示意圖 系統(tǒng)各模塊的 I/O 或功能鍵配置 按照系統(tǒng)要求及所選模塊，系統(tǒng)各模塊的 I/O 或功能鍵配置如下： PLC（ 4 號站） : （ 1）、輸入數(shù)字量： 電動控制 /自動檢測控制模式開關(guān)（ 1個） 流量、轉(zhuǎn)速高速脈沖輸入（ 6個） 水泵起動（降壓起動）與停止開關(guān)（ 6個） 電動閥開與關(guān)限位開關(guān)（ 24 個） 報警器復(fù)位開關(guān)（ 1個 ） （ 2）、輸出數(shù)字量： 電動、自動模式信號燈（ 2個） 水泵起動（降壓起動）與停止（ 6 個） 閥開與關(guān)（ 27 個） 3臺泵故障報警器（ 3 個） 補水倉液位不足故障報警器（ 1個） 故，需 2個 16 點輸入 /繼電器 16