【正文】 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書摘 要隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以微處理器為核心的可編程邏輯控制器(PLC)控制已逐步取代繼電器控制，普遍應(yīng)用于各行各業(yè)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域。本文采用集中控制器對(duì)礦井水泵房設(shè)備運(yùn)行實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)、手動(dòng)控制水泵的啟停及閘閥的開、關(guān)，并具有自診斷功能，可實(shí)現(xiàn)水泵房的無人值守。控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入礦井工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)水泵監(jiān)控子系統(tǒng)與全礦井的監(jiān)控系統(tǒng)信息共享，滿足礦井自動(dòng)化控制的要求。集中控制器采用西門子S7200系列工業(yè)級(jí)PLC及先進(jìn)的過程控制軟件，綜合考慮礦井各種安全信息，實(shí)現(xiàn)井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略；井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警，信息顯示，報(bào)表統(tǒng)計(jì)處理全部融入整個(gè)礦井監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)中央水泵房的自動(dòng)控制功能。本文重點(diǎn)討論了中央水泵房的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)過程、通信、模擬仿真等問題。關(guān)鍵字：PLC，西門子S7200，MCGS，工業(yè)以太網(wǎng) 第二章 緒論井下排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)中四大系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著井下積水排除的重要任務(wù)。然而，目前我國(guó)的井下排水系統(tǒng)仍由很多依靠傳統(tǒng)的人工操作方式。本章分析這種排水系統(tǒng)的組成及工作過程，指出其存在的問題，為井下主排水系統(tǒng)自動(dòng)控制的研究提供依據(jù)。在煤礦地下開采的過程中，由于地層中含水的涌出，雨水和江河中水的滲透，水砂充填和水力采煤礦井的井下供水，將要有大量的水晝夜不停地匯集于井下。礦井涌水與采區(qū)的水文地質(zhì)及當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件有關(guān)系，涌水量在不同的季節(jié)也呈現(xiàn)不同。在一些大水礦井，礦井涌水量可達(dá)到每秒17立方米，甚至超過每秒20立方米。另外，煤炭開采過程中，由于地層結(jié)構(gòu)被破壞，巖層斷裂，使采區(qū)與儲(chǔ)水層連通，發(fā)生突水事故，涌水量會(huì)突然增加。如果不能及時(shí)地將這些積水排送到井上，井下的生產(chǎn)就可能受到阻礙，井下的安全就會(huì)得不到保障，嚴(yán)重者會(huì)造成重大事故。給人民的生命、國(guó)家的財(cái)產(chǎn)都帶來了極大的威脅。因此，井下排水就顯得尤為重要。井下自動(dòng)排水系統(tǒng)的任務(wù)就是把流入井下煤礦巷道中的礦井積水排送至地表。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，每開采1噸煤就要排出27噸礦井水，有時(shí)甚至要排出3040噸礦井水。井下排水設(shè)備所配備電機(jī)的功率，小的幾千瓦到幾十千瓦，大的幾百千瓦到上千千瓦、在我國(guó)煤炭行業(yè)中，井下排水用電量占原煤生產(chǎn)總耗電量的18%41%，一般為20%左右。因此，井下排水設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性(安全運(yùn)轉(zhuǎn))與經(jīng)濟(jì)性(效率高、電耗量小)，具有十分重要的意義。井下排水系統(tǒng)一般采用離心式水泵，一些小型煤礦或淺水井臨時(shí)排水系統(tǒng)也采用潛水泵。離心式水泵排水系統(tǒng)主要由離心式水泵、電動(dòng)機(jī)、起動(dòng)設(shè)備、儀表、管路及管路附件等組成。①濾水器和底閥 濾水器安裝在吸水管的下端，插入吸水井下面， 。其作用是防止井底沉積的煤泥和雜物吸入泵內(nèi)，導(dǎo)致水泵被堵塞或被磨損。在濾水器內(nèi)裝有舌型底閥，其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水，以及停泵后的存水不致漏掉。但是現(xiàn)在的排水系統(tǒng)中，為了提高排水效率，減小水泵腐蝕，一般不用底閥，而用射流泵或真空泵為水泵和吸水管注水。②閘閥調(diào)節(jié)閘閥安裝在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止閥的下方。其功用為:①調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程；②起動(dòng)時(shí)將它完全關(guān)閉，以降低起動(dòng)電流。調(diào)節(jié)閘閥的優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)阻力和關(guān)閉壓力較小，安裝時(shí)無方向性，能夠方便地來調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程等。其缺點(diǎn)是密封面容易擦傷，檢修較為困難，高度尺寸較大，在安裝位置受到限制時(shí)，安裝不便，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較高。 放水閘閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥上方的排水管路的放水管上，其作用為檢修排水管路時(shí)放水用。③逆止閥 逆止閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥的上方，其作用是當(dāng)水泵突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)(如突然停電)時(shí)，或者在未關(guān)閉調(diào)節(jié)閘閥的情況下停泵時(shí)，能自動(dòng)關(guān)閉，切斷水流，使水泵不致受到水力沖擊而遭到損壞。 ④灌引水漏斗、放氣栓和旁通管 灌引水漏斗是在水泵初次起動(dòng)時(shí)，向水泵和吸水管中灌引水用。在向水泵和吸水管中灌引水時(shí)，要通過放氣栓(又叫氣嘴)將水泵和吸水管中的空氣放掉。當(dāng)排水管中有存水時(shí)，也可通過旁通管向水泵和吸水管中灌引水，此時(shí)要將旁通管上的閥門打開。此外，還可通過旁通管，利用排水管中的壓力水的反沖作用，沖掉積存于水泵流通部分和附著于濾水器上的雜物，但此時(shí)須通過連接在底閥上的鐵絲或鏈條將底閥提起。 ⑤壓力表和真空表 壓力表安裝在水泵的排水接管上，為檢測(cè)排水管中水壓大小用。常用的壓力表為普通彈簧管壓力表，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑有60mm,100mm,150mm,200mm和250mm五種。壓力表所測(cè)出的壓力叫做表壓力或相對(duì)壓力，它比絕對(duì)壓力小1個(gè)大氣壓。 真空表安裝在水泵的吸水接管上，為檢測(cè)吸水管的真空度用。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征也可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑和壓力表一樣，也分為60, 100, 150，和250mm五種。 MPa(一個(gè)大氣壓)。 ⑥射流泵或真空泵 離心式水泵在起動(dòng)前必須將吸水管和泵腔內(nèi)注滿水才能進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，否則水泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將無法吸水，形成“干燒”，嚴(yán)重影響水泵的使用壽命。在無底閥的排水系統(tǒng)中，水泵每次起動(dòng)都要灌水，這一工作由抽真空設(shè)備完成，一般使用射流泵或真空泵。如圖12所示。它們的工作原理不同，但都能在系統(tǒng)中使水泵工作腔達(dá)到一定的真空度，保證系統(tǒng)正常工作。目前，我國(guó)大多煤礦企業(yè)的井下水泵房使用的仍然是傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng)，以離心式水泵系統(tǒng)為主。這種排水系統(tǒng)的操作以離心式水泵的工作特性為基礎(chǔ)，泵站的起停時(shí)間判斷，完全依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)和已有的操作規(guī)程。當(dāng)水倉水位到達(dá)設(shè)定的高水位時(shí)，工人打開射流泵(或真空泵)，為水泵抽真空，同時(shí)觀測(cè)真空表的讀數(shù)。真空度達(dá)到要求后，起動(dòng)水泵機(jī)組，使水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)水泵出水口壓力表讀數(shù)達(dá)到要求時(shí)，開起閘閥進(jìn)行排水，同時(shí)關(guān)閉抽真空的射流泵(或真空泵)。 停泵過程要進(jìn)行相反的操作。當(dāng)水倉積水降至低水位時(shí)，先將閘閥關(guān)死，再停水泵機(jī)組。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)涌水量的不同，工人還要判斷同時(shí)投入幾臺(tái)水泵工作，以便于既能及時(shí)排出積水，又能使泵站合理使用，避免過度頻繁的起停。其存在的問題有如下幾點(diǎn)：①效率低、可靠性差。這種排水系統(tǒng)的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的完成各個(gè)執(zhí)行件的操作。另外，對(duì)水位、涌水量大小等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的判斷依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)。作業(yè)過程比較復(fù)雜，要求工人具有很強(qiáng)的責(zé)任心，否則可能出現(xiàn)誤操作，甚至發(fā)生大的事故。②工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。人工操作無法避免高強(qiáng)度的勞作。尤其是閘閥的操作，勞動(dòng)量最大。而且，水泵房要時(shí)時(shí)有人值守，以便在發(fā)生異常情況時(shí)，及時(shí)報(bào)警檢修。針對(duì)上述排水系統(tǒng)存在的問題，本文提出了基于PLC的礦井主排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，將使得排水系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)，整個(gè)工作流程通過軟件的編程來實(shí)現(xiàn)，程序確定后，水泵機(jī)組將按給定的程序自動(dòng)啟停水泵、開合閥門，極大的減小工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。PLC將水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳至地面生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控中心主機(jī)，管理人員在地面即可掌握井下主排水系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動(dòng)化控制信息，實(shí)現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的遙測(cè)、遙控。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(cè)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)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。傳統(tǒng)的繼電器控制方法，用人工進(jìn)行檢測(cè)(如人工檢測(cè)水倉水位、淤泥厚度、管道、閘閥及配電設(shè)備狀況等)，這種檢測(cè)控制方法效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且由于井下環(huán)境惡劣，故障率較高。所以靠人工檢測(cè)的方法已不適應(yīng)煤炭發(fā)展的需要，取而代之的是自動(dòng)化排水系統(tǒng)。隨之，一種新穎的礦井排水計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)問世。由于礦井排水系統(tǒng)屬于多變量、非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，特別是在管道和水泵等環(huán)節(jié)中，各變量之間又存在著交叉，因此礦井排水系統(tǒng)非常適合于采用模糊控制的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的集散式控制方式，建立了多級(jí)模塊化的結(jié)構(gòu)體系，提出了多參數(shù)的模糊綜合決策方法。目前，PLC在國(guó)內(nèi)外工業(yè)控制中已獲得廣泛應(yīng)用，在礦井排水系統(tǒng)中，采用PLC自動(dòng)監(jiān)測(cè)排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)記錄、故障報(bào)警、事故分析、多臺(tái)水泵啟動(dòng)的自動(dòng)切換等，所得到的動(dòng)態(tài)資料準(zhǔn)確性高，控制的可靠性高第三章 中央水泵房系統(tǒng)的特點(diǎn) 安全可靠性本系統(tǒng)采用高可靠性的多線制開關(guān)量接口“星型”結(jié)構(gòu)模式。所謂多線制結(jié)構(gòu)模式就是控制核心PLC與被控設(shè)備采用多線制的開關(guān)量接口作為控制及反饋的接口，因?yàn)殚_關(guān)量本身具有不受周圍環(huán)境干擾的特點(diǎn)，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)本身是一種“星型結(jié)構(gòu)”，所以某一故障點(diǎn)不會(huì)影響其它環(huán)節(jié)的工作，也就是說整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性[1]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖：多線制開關(guān)了量接口多線制開關(guān)量接口多線制模擬量接口光纖地面監(jiān)控服務(wù)器PLC控制器現(xiàn)場(chǎng)傳感器真空泵啟動(dòng)柜操作面板1真空泵2真空泵1真空泵閥2真空泵閥1泵就地控制柜操作面板1泵啟動(dòng)柜1電動(dòng)閥門1逆止閥......圖31 多線制開關(guān)量接口“星型”結(jié)構(gòu)模式這種結(jié)構(gòu)形式具有如下特點(diǎn)： 手動(dòng)模式為真正意義上的手動(dòng)模式自動(dòng)模式下由PLC通過開關(guān)量輸出模塊控制被控設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)模式，或者PLC故障、PLC失電等特殊情況下，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)模式，可以通過操作就地控制柜上的按鈕以繼電控制的方式進(jìn)行手動(dòng)操作，而不是通過PLC或數(shù)據(jù)口通訊的方式控制被控設(shè)備。如下圖所示：?jiǎn)?dòng)按鈕自動(dòng)模式被控設(shè)備手動(dòng)模式PLC開關(guān)量輸出停止按鈕閉鎖觸點(diǎn)圖32 手動(dòng)和自動(dòng)模式轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)具有高可靠性因?yàn)殚_關(guān)量本身具有不受周圍環(huán)境干擾的特點(diǎn)，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)本身是一種“星型結(jié)構(gòu)”，所以某一故障點(diǎn)不會(huì)影響其它環(huán)節(jié)的工作，也就是說整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性。C、手動(dòng)操作方式為集中操作對(duì)于某一臺(tái)泵而言，其手動(dòng)操作完全可以通過在水泵附近的就地操作柜進(jìn)行全部的手動(dòng)操作，例如真空泵操作、排氣閥操作、排水泵操作、主排水電動(dòng)閥操作等等，不用到這些被控設(shè)備附近進(jìn)行操作。D、主排水泵運(yùn)行電量的采集靈活主排水泵運(yùn)行電量的采集即可以通過電磁啟動(dòng)器的微機(jī)綜保的智能數(shù)據(jù)接口采集，也可以通過多線制方式直接采集二次側(cè)的電流、電壓輸出，第二種采集方式特別適合于礦井電力自動(dòng)化占用微機(jī)綜保的智能數(shù)據(jù)接口情況下的電量采集。E、系統(tǒng)布線較復(fù)雜由于系統(tǒng)采用了多線制星型的結(jié)構(gòu)，所以必然造成布線較多、較復(fù)雜的缺點(diǎn)，但也正因如此，為系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了保證[2]。 經(jīng)濟(jì)性 選泵依據(jù)水泵選型，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝流程和排水要求，從以下幾個(gè)方面加以考慮：流量是選泵的重要性能數(shù)據(jù)之一，它直接關(guān)系到整個(gè)排水系統(tǒng)的排水能力。在工藝設(shè)計(jì)中計(jì)算出水泵正常、最小和最大三種流量。選泵時(shí)，以最大流量為依據(jù)，兼顧正常流量，在沒有最大流量時(shí)。 水泵的理論揚(yáng)程是選泵的又一重要數(shù)據(jù)，一般要按放大5%—10%余量后得到的揚(yáng)程來進(jìn)行水泵選型。 (3)液體性質(zhì)，包括液