【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水泵。 PLC 同時將水泵機組的運行狀態(tài)與參數(shù)經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)分站傳至地面生產(chǎn)調(diào)度 監(jiān)控中心主機，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)備的所有檢測數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動化控制信息，實現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的遙測、遙控，并為礦領(lǐng)導(dǎo)提供生產(chǎn)決策信息?？紤]裕量后的 I/O總點數(shù)即為 I/O點數(shù)估計值。 （ 3） 響應(yīng)速度 PLC 是為工業(yè)自動化而設(shè)計的通用控制器，不同檔次的 PLC 的響應(yīng)速度一般能滿足起應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。 S7300PLC 的基本組成 本系統(tǒng)選用德國西門子公司的 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)動能力的 I/O 單元，有各種各樣的 I/O 單元供用戶選用。位處理器也稱從處理器，它的主要作用是處理位操作指令和在機器操作系統(tǒng)的管理下實現(xiàn) PLC編程語言向機器語言的轉(zhuǎn)換。它可以通過 MPI 連 接電纜 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 28 頁 或通訊模 塊與計算機進行通訊，再加上其全面的診斷功能和完善的自我保護技術(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，隨機存儲器為 48KB， 最大數(shù)字量 I/O 點數(shù)為 1024 個，最大模擬量 I/O 通道數(shù)為 128個。這種方法是以 PLC處理每個信息 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 27 頁 量所需存儲器數(shù)的統(tǒng)計平均經(jīng)驗值為依據(jù)，乘以信息量 數(shù)再考慮一定的裕量計算得到存儲器需要容量。 PLC 柜上設(shè)有該泵的禁止啟動按鈕，設(shè)備檢修時，可防止其他人員誤操作，以保證系統(tǒng)安全可靠。 電動閘閥故障：由電動機綜保監(jiān)視閘閥電機的過載、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地址分配和實現(xiàn)控制功能 從系統(tǒng)的控制功能上來說， 應(yīng)具備以下七大功能： 一、 數(shù)據(jù)自動采集與檢測 數(shù)據(jù)自動采集與檢測 主要分為兩類：模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)。這步操作稱為輸出狀態(tài)刷新。 PLC 進行清零或復(fù)位處理，消除各元件狀態(tài)的隨機性；檢查 I/O單元連接是否正確；啟動監(jiān)控定時器 T0，執(zhí)行一段涉及到各種指令和內(nèi)存單元的程序，如果所用的時間不超過 T0，則可證實自身完好，否則系統(tǒng)關(guān)閉。其過程 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， 可進行遠程 I/O控制，多臺 PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺 或多臺可編程控制器的信號處理單元之間，實現(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 PLC 可作為多部步進控制器使用。 6)體積小、重量輕、易于實現(xiàn)機電一體化 PLC具有體積小、重量輕、功耗低等特點。如繼電 器、接觸器、電磁閥等聯(lián)接，具有較強的驅(qū)動能力。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，因此無法給出每臺水泵在工作過程中的流量正常閾值和水泵排出水過少的閾值。且對于不同直徑的電磁流量計，其電極、測量管路都采用不同的材料做成。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 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 理論上認為磁感應(yīng)強度 B是常量，即直流磁場。 電磁流量計由電磁流量轉(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足需要。因此適應(yīng)各種工業(yè)測量場合及介質(zhì)。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 +U 0ER 1 + Δ R 1R 3 Δ R 3R 4 + Δ R 4R 2 Δ R 2 圖 全橋差動電路 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。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 另外， Pt100 溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點。 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)系的特性來進行測溫，其溫度 /阻值對應(yīng)關(guān)系為： （ 1） 200℃t 0℃ 時， 230 [1 C ( 10 0) ]tR R At Bt t t? ? ? ? ? （ 式 312） （ 2） 0℃≤t≤ 850℃ 時， 20 (1 )tR R At Bt? ? ? （ 式 313） 式中， A=10 3； B=10 7； C=10 12。一般選擇一個超聲波液位傳感器與一個投入 式液位傳感器相結(jié)合的方法來檢測水位。其內(nèi)部的功能模塊圖如圖 35。采用新型的波形計算技術(shù)，提高儀表的測量精度。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 圖 超聲波液位計安裝示意圖 對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時間為： 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。這些運行狀態(tài)經(jīng)過系統(tǒng)中央處理單元的分析和運算后，做出判斷并顯示給集中監(jiān)控室。隨著控制理論 和現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展，自動排水系統(tǒng)的研究在理論和實踐上都取得了一定進步。 ② 工人勞動強度大。當(dāng)水泵出水口壓力表讀數(shù)達到要求時，開起閘閥進行排水，同時關(guān)閉抽真空的射流泵 (或真空泵 )。 ⑥ 射流泵或真空泵 離心式水泵在起動前必須將吸水管和泵腔內(nèi)注滿水才能進入運 行狀態(tài)，否則水泵轉(zhuǎn)動時將無法吸水， 形成“干燒”，嚴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，為檢測排水管中水壓大小用。 調(diào)節(jié)閘閥的 優(yōu)點是流動阻力和關(guān)閉壓力較小，安裝時無方向性， 能夠方便地來調(diào)節(jié)水泵的流量和揚程等。 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 臨時排水系統(tǒng)也采用潛水泵。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)與儲水層連通，發(fā)生突水事故，涌水量會突然增加。在就地 PC端，采用易控組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視設(shè)備的運行情況及各個運行參數(shù)，做到有故障及時發(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、負壓傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等），完成系統(tǒng)設(shè)計中要實現(xiàn)的控制功能。 排水系統(tǒng)概述 礦井生產(chǎn)過程中排水的重要性 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。 根據(jù)統(tǒng)計，每開采 1噸煤就要排出 27噸礦井水，有時甚至要 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，要通過放氣栓 (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)，泵站的起停時間判斷，完全依賴于工人的經(jīng)驗和已有的操作規(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執(zhí)行件的操作。自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用，將使得排水系統(tǒng)可靠性增強，整個工作流程通過軟件的編程來實現(xiàn)，程序確定后，水泵機組將按給定的程序自動 啟停水泵、開合閥門，極大的減小工人的勞動強度。該系統(tǒng)采用先進的集散式控制方式，建立了多級模塊化的結(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換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接受各使用一個換能器。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時間來計算傳感器到被測物體的距離。利用處于一定深度時液體會產(chǎn)生一定的壓強這個基本原理制成的。也就是說，一旦水位傳感器失靈，后面的排水硬件和響應(yīng)軟件設(shè)置的再好都無法啟動。 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量滯后和應(yīng)用范圍上的限制，可測高溫、腐蝕、有毒、運動物體及固體、液體表面的溫度，不干擾被測溫度場 ，但測量精度低，使用不太方便。 Pt100溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下： 測量范圍： 200℃ ～ +850℃ ； 允許偏差值 △℃ ： A 級 177。 由應(yīng)力分布圖可知，膜片彈性元件承受壓力 p 時，其應(yīng)變變化曲線的特點為：當(dāng) x=0時， max maxrt??? ；當(dāng) x=R 時， t? =0， r? = max2r?? 。% 測量誤差小 綜合誤差可小于 177。因此水泵出口流量的檢測有非常重要的意義。因此出于造價、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。 當(dāng)被測導(dǎo)電液 體流過管道時，切割磁力線，于是在和磁場及流動方向垂直的方向 上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其數(shù)值與液體的流速成正比。 而對被測量介質(zhì)的流量測量采用交流電 (頻率為 5OHz)勵磁的交流磁場，即 max sin( )B B t?? （式 35） 感應(yīng)電動勢為 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。電磁流量計可以達到以下要求 : ① 420mA信號輸出型 ； ② 抗干擾性強、精度高、穩(wěn)定性可靠、整體防爆 ； ③ 測量范圍寬，流速 ； 實際上，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。如果因為工藝 上少許變化，需要改變電氣控制系統(tǒng)時，原先整個電氣控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進行布線、焊接、固定等工作， 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 耗費大量人力、物力、和時間。 目前， PLC 大多采用梯形圖語言編程方式，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)用實際，電氣技術(shù)人員易于編程，程序修改靈活方便?？煽?制一臺單機、一條生產(chǎn)線，也可控制一個機群、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)器等邏輯運算功能， 可以代替繼電器進行開關(guān)量控制。 模擬數(shù)據(jù)處理 :PID、積分和濾波。 實現(xiàn)人機界面功能的手段 :從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機 的 CRT顯示與鍵盤操作和用通信處理器、專用處理器、個人計算機、工 業(yè)計算機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始新的一輪掃描。在 PLC的存儲器中，有一個專門存放 I/O 的數(shù)據(jù)區(qū)，其中對應(yīng)于輸入端子的數(shù)據(jù)區(qū)，我們稱之為輸入映像存儲器。 處理外設(shè)請求操作 每次執(zhí)行完用戶程序后，就進入服務(wù)外設(shè)請求命令的操作，外設(shè)的請求命令包括操作人員的介入和硬件設(shè)備的中斷。如果兩路信號相差 大于 時系統(tǒng)報警，要求值班人員進行檢查 ；而對于信號干擾，則采用軟件過濾，只有當(dāng)信號在某一值附近穩(wěn)定足夠時間，且回差足夠小時才作為控制量使用，防止了因干擾而濘致機組誤動的情況。 四、 系統(tǒng)保護功能 超溫保護：水泵長期運行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時，通過溫度保護裝置及 PLC 實現(xiàn)超限報警。觸