【正文】 可能大的容積，使其在“峰段”容納更多的 礦井涌水而不用啟動(dòng)水泵。 PLC 同時(shí)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)分站傳至地面生產(chǎn)調(diào)度 監(jiān)控中心主機(jī)，與全礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，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，并為礦領(lǐng)導(dǎo)提供生產(chǎn)決策信息。考慮裕量后的 I/O總點(diǎn)數(shù)即為 I/O點(diǎn)數(shù)估計(jì)值。 （ 3） 響應(yīng)速度 PLC 是為工業(yè)自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的通用控制器，不同檔次的 PLC 的響應(yīng)速度一般能滿(mǎn)足起應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。 S7300PLC 的基本組成 本系統(tǒng)選用德國(guó)西門(mén)子公司的 SIMATIC S7300 系列 PLC 系統(tǒng)。 一般的中型可編程控制器多為雙微處理器系統(tǒng)。 PLC 提供了多種操作電平和驅(qū)動(dòng)能力的 I/O 單元，有各種各樣的 I/O 單元供用戶(hù)選用。位處理器也稱(chēng)從處理器，它的主要作用是處理位操作指令和在機(jī)器操作系統(tǒng)的管理下實(shí)現(xiàn) PLC編程語(yǔ)言向機(jī)器語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換。它可以通過(guò) MPI 連 接電纜 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 28 頁(yè) 或通訊模 塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，再加上其全面的診斷功能和完善的自我保護(hù)技術(shù)，使其具有極高的可靠性，極其適合本系統(tǒng)的需求。內(nèi)置 80KB RAM，隨機(jī)存儲(chǔ)器為 48KB， 最大數(shù)字量 I/O 點(diǎn)數(shù)為 1024 個(gè)，最大模擬量 I/O 通道數(shù)為 128個(gè)。這種方法是以 PLC處理每個(gè)信息 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 27 頁(yè) 量所需存儲(chǔ)器數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均經(jīng)驗(yàn)值為依據(jù)，乘以信息量 數(shù)再考慮一定的裕量計(jì)算得到存儲(chǔ)器需要容量。 PLC 柜上設(shè)有該泵的禁止啟動(dòng)按鈕，設(shè)備檢修時(shí)，可防止其他人員誤操作，以保證系統(tǒng)安全可靠。 電動(dòng)閘閥故障：由電動(dòng)機(jī)綜保監(jiān)視閘閥電機(jī)的過(guò)載、短路、漏電、斷相等故障，并參與水泵的聯(lián)鎖 控制。 A/D 變換的精度取決于 A/D 變換器的位數(shù)。 PLC地址分配和實(shí)現(xiàn)控制功能 從系統(tǒng)的控制功能上來(lái)說(shuō)， 應(yīng)具備以下七大功能： 一、 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與檢測(cè) 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與檢測(cè) 主要分為兩類(lèi)：模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)。這步操作稱(chēng)為輸出狀態(tài)刷新。 PLC 進(jìn)行清零或復(fù)位處理，消除各元件狀態(tài)的隨機(jī)性；檢查 I/O單元連接是否正確；啟動(dòng)監(jiān)控定時(shí)器 T0，執(zhí)行一段涉及到各種指令和內(nèi)存單元的程序，如果所用的時(shí)間不超過(guò) T0，則可證實(shí)自身完好，否則系統(tǒng)關(guān)閉。其過(guò)程 示意圖如圖 43所示。 4)通信、聯(lián)網(wǎng)功能 現(xiàn)代 PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有 RS232 或 RS485接口， 可進(jìn)行遠(yuǎn)程 I/O控制，多臺(tái) PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺(tái) 或多臺(tái)可編程控制器的信號(hào)處理單元之間，實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。 順序控制 :在前道工序完成之后，就轉(zhuǎn)入下一道工序，使一臺(tái) PLC 可作為多部步進(jìn)控制器使用。 6)體積小、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 PLC具有體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。如繼電 器、接觸器、電磁閥等聯(lián)接，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。因此，PLC 具有很大的靈活性和通用性，結(jié)構(gòu)形式多 樣化，可以適用于各種不同規(guī)模、不同工業(yè)控制要求?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖所示。由于每臺(tái)水泵的工作曲線特別是使用了一定年限的離心式水泵的流量 /功率、流量 /效率等曲線 有較大的差異，因此無(wú)法給出每臺(tái)水泵在工作過(guò)程中的流量正常閾值和水泵排出水過(guò)少的閾值。且對(duì)于不同直徑的電磁流量計(jì)，其電極、測(cè)量管路都采用不同的材料做成。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 圖 電磁流量傳感器原理圖 二、 電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 理論上認(rèn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度 B是常量，即直流磁場(chǎng)。 電磁流量計(jì)由電磁流量轉(zhuǎn)換器和電磁流量傳感器組成的。 兩種安裝位置的比較，采用圖 37所示的安裝方式可以滿(mǎn)足需要。因此適應(yīng)各種工業(yè)測(cè)量場(chǎng)合及介質(zhì)。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) +U 0ER 1 + Δ R 1R 3 Δ R 3R 4 + Δ R 4R 2 Δ R 2 圖 全橋差動(dòng)電路 二、 HS956系列薄膜壓力變送器 在本系統(tǒng)中使用了 HS956 系列薄膜壓力變送器。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 另外， Pt100 溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。 Pt100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)溫，其溫度 /阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系為： （ 1） 200℃t 0℃ 時(shí)， 230 [1 C ( 10 0) ]tR R At Bt t t? ? ? ? ? （ 式 312） （ 2） 0℃≤t≤ 850℃ 時(shí)， 20 (1 )tR R At Bt? ? ? （ 式 313） 式中， A=10 3； B=10 7； C=10 12。一般選擇一個(gè)超聲波液位傳感器與一個(gè)投入 式液位傳感器相結(jié)合的方法來(lái)檢測(cè)水位。其內(nèi)部的功能模塊圖如圖 35。采用新型的波形計(jì)算技術(shù)，提高儀表的測(cè)量精度。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 圖 超聲波液位計(jì)安裝示意圖 對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō)，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時(shí)間為： 2ht c? （式 31） 則 2cth? （式 32） 式中： h — 換能器距液面的距離； c — 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。這些運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)中央處理單元的分析和運(yùn)算后，做出判斷并顯示給集中監(jiān)控室。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。 ② 工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。當(dāng)水泵出水口壓力表讀數(shù)達(dá)到要求時(shí)，開(kāi)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 )。 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(mǎn)水才能進(jìn)入運(yùn) 行狀態(tài)，否則水泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將無(wú)法吸水， 形成“干燒”，嚴(yán)重影響水泵的使用壽命。 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。 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(wú)方向性， 能夠方便地來(lái)調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程等。 礦井排水系統(tǒng)的組成部分 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。另外， 煤炭開(kāi)采過(guò)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。在就地 PC端，采用易控組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行情況及各個(gè)運(yùn)行參數(shù)，做到有故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)并盡早處理。本系統(tǒng)采用 SIEMENS 的 S7300系列 PLC， 并結(jié)合各種傳感器（主要為水位傳感器、負(fù)壓傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等），完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的控制功能。 排水系統(tǒng)概述 礦井生產(chǎn)過(guò)程中排水的重要性 在煤礦地下開(kāi)采的過(guò)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。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)，每開(kāi)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。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。在向水泵和吸水管中灌引水時(shí)，要通過(guò)放氣栓 (又叫氣嘴 )將 水泵和吸水管中的空氣放掉。 根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征也可分為徑向無(wú)邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。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(lài)于工人的經(jīng)驗(yàn)和已有的操作規(guī)程。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。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(guò)軟件的編程來(lái)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(kāi)合閥門(mén)，極大的減小工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。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。單換能器的傳感器發(fā)射 和接收超聲波使用同一個(gè)換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接受各使用一個(gè)換能器。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算傳感器到被測(cè)物體的距離。利用處于一定深度時(shí)液體會(huì)產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)這個(gè)基本原理制成的。也就是說(shuō)，一旦水位傳感器失靈，后面的排水硬件和響應(yīng)軟件設(shè)置的再好都無(wú)法啟動(dòng)。 非接觸式溫度傳感器理論上不存在接觸式溫度傳感器的測(cè)量滯后和應(yīng)用范圍上的限制，可測(cè)高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動(dòng)物體及固體、液體表面的溫度，不干擾被測(cè)溫度場(chǎng) ，但測(cè)量精度低，使用不太方便。 Pt100溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下： 測(cè)量范圍： 200℃ ～ +850℃ ； 允許偏差值 △℃ ： A 級(jí) 177。 由應(yīng)力分布圖可知，膜片彈性元件承受壓力 p 時(shí)，其應(yīng)變變化曲線的特點(diǎn)為：當(dāng) x=0時(shí)， max maxrt??? ；當(dāng) x=R 時(shí)， t? =0， r? = max2r?? 。% 測(cè)量誤差小 綜合誤差可小于 177。因此水泵出口流量的檢測(cè)有非常重要的意義。因此出于造價(jià)、硬件系統(tǒng)的復(fù)雜等方面的考慮，優(yōu)先選擇圖 37所示的方式設(shè) 置 流量計(jì)。 當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電液 體流過(guò)管道時(shí)，切割磁力線，于是在和磁場(chǎng)及流動(dòng)方向垂直的方向 上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其數(shù)值與液體的流速成正比。 而對(duì)被測(cè)量介質(zhì)的流量測(cè)量采用交流電 (頻率為 5OHz)勵(lì)磁的交流磁場(chǎng)，即 max sin( )B B t?? （式 35） 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 m ax si n( )E B t Dv?? （式 36） 所以體積流量為 m a x3 .1 4 1 54 sin ( )DQ V EBt??? （式 37） 為了避免測(cè)量管路引起磁分流，故需要用非導(dǎo)磁材料做成。電磁流量計(jì)可以達(dá)到以下要求 : ① 420mA信號(hào)輸出型 ； ② 抗干擾性強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性可靠、整體防爆 ； ③ 測(cè)量范圍寬，流速 ； 實(shí)際上，以常村煤礦 S3水泵房為例，其理論上管路中液體的流速范圍是 :。% （典型值） 重復(fù)性 177。如果因?yàn)楣に?上少許變化，需要改變電氣控制系統(tǒng)時(shí)，原先整個(gè)電氣控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進(jìn)行布線、焊接、固定等工作， 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 耗費(fèi)大量人力、物力、和時(shí)間。 目前， PLC 大多采用梯形圖語(yǔ)言編程方式，它既繼承了繼電器控制線路 的清晰直觀感，又考慮到電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣和應(yīng)用實(shí)際，電氣技術(shù)人員易于編程，程序修改靈活方便。可控 制一臺(tái)單機(jī)、一條生產(chǎn)線，也可控制一個(gè)機(jī)群、多條生產(chǎn)線。 PLC系統(tǒng)一般由以下基本功能構(gòu)成 .多種控制功能 .數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功 .通信聯(lián)網(wǎng)功能 .輸入 /輸出接口調(diào)理功能 .人機(jī)界面功能 .編程、調(diào)試功能 1)控制功能 邏輯控制 :PLC 具有與、或、非、異或和觸發(fā)器等邏輯運(yùn)算功能， 可以代替繼電器進(jìn)行開(kāi)關(guān)量控制。 模擬數(shù)據(jù)處理 :PID、積分和濾波。 實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面功能的手段 :從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機(jī) 的 CRT顯示與鍵盤(pán)操作和用通信處理器、專(zhuān)用處理器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、工 業(yè)計(jì)算機(jī)的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。然后返回第一條指令開(kāi)始新的一輪掃描。在 PLC的存儲(chǔ)器中，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)存放 I/O 的數(shù)據(jù)區(qū)，其中對(duì)應(yīng)于輸入端子的數(shù)據(jù)區(qū)，我們稱(chēng)之為輸入映像存儲(chǔ)器。 處理外設(shè)請(qǐng)求操作 每次執(zhí)行完用戶(hù)程序后，就進(jìn)入服務(wù)外設(shè)請(qǐng)求命令的操作，外設(shè)的請(qǐng)求命令包括操作人員的介入和硬件設(shè)備的中斷。如果兩路信號(hào)相差 大于 時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，要求值班人員進(jìn)行檢查 ；而對(duì)于信號(hào)干擾，則采用軟件過(guò)濾，只有當(dāng)信號(hào)在某一值附近穩(wěn)定足夠時(shí)間，且回差足夠小時(shí)才作為控制量使用，防止了因干擾而濘致機(jī)組誤動(dòng)的情況。 四、 系統(tǒng)保護(hù)功能 超溫保護(hù)：水泵長(zhǎng)期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時(shí)，通過(guò)溫度保護(hù)裝置及 PLC 實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警。觸