【正文】 （3） 利用VISIO繪圖軟件繪制了系統(tǒng)控制的原理圖，由于是初次接觸PLC和礦井排水系統(tǒng)，了解甚微，所以設(shè)計(jì)中的很多細(xì)節(jié)部分考慮不周。其流程圖如圖56所示。如處于用電“峰段”,計(jì)算該“峰段”結(jié)束前的涌水量Q,并與水倉(cāng)允許最大容水量Vmax比較,若Q ≤Vmax ,進(jìn)入“谷段”或“平段”后再開動(dòng)水泵。通過STEP7編程軟件，不僅可以非常方便地使用梯形圖和語句表等形式進(jìn)行離線編程，經(jīng)過編譯后通過轉(zhuǎn)接電纜直接送入PLC的內(nèi)存中執(zhí)行，而且在調(diào)試運(yùn)行時(shí)，還可以在線監(jiān)視程序中各個(gè)輸入輸出或狀態(tài)點(diǎn)的通斷狀況，甚至可以在線修改程序中變量的值，給調(diào)試工作也帶來極大的方便。（1）測(cè)量管路內(nèi)沒有任何突出和可移動(dòng)的部件，因此可用于有懸浮顆粒的漿液等流量的測(cè)量，且壓力損失極??；（2）感應(yīng)電勢(shì)與被測(cè)液體溫度、壓力、粘度等無關(guān)，因此其使用范圍廣泛。電磁流量轉(zhuǎn)換器是為電磁流量傳感器提供電源，并將其測(cè)量的流量信號(hào)整定成為標(biāo)準(zhǔn)的420mA電流等其他形式的信號(hào)。因此適應(yīng)各種工業(yè)測(cè)量場(chǎng)合及介質(zhì)。PT100溫度傳感器是一個(gè)模擬信號(hào)，它在實(shí)際應(yīng)用中有二種形式:一種是不需要顯示的,主要采集到PLC，這樣在使用的時(shí)候只需要一塊PT100的集成電路，要注意的是這個(gè)集成電路采集的不是電流信號(hào)而是電阻值，PT100的集成電路（需要一個(gè)177。當(dāng)然，有些場(chǎng)所可以使用兩種當(dāng)中的任何一種，也可以同時(shí)使用在同一個(gè)被檢測(cè)對(duì)象(水倉(cāng))。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接受到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量。煤礦所用PLC一般為中到大型PLC，所以在設(shè)計(jì)中選用西門子S7300 PLC，又從I/O擴(kuò)展能力、指令執(zhí)行速度、通訊能力等性能上結(jié)合煤礦自身環(huán)境條件，選用CPU3152 DP處理器是比較合適的。PLC所采用的A/D模塊均以積分方式變換，可使輸入信號(hào)的尖峰噪音和感應(yīng)噪聲平均化，適用于噪音嚴(yán)重的工業(yè)場(chǎng)所。執(zhí)行用戶程序操作在程序執(zhí)行前復(fù)位監(jiān)控定時(shí)器T1，即執(zhí)行程序并開始計(jì)時(shí)。與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，PLC的CPU是采用分時(shí)操作的原理，每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作，隨著時(shí)間的延伸一個(gè)動(dòng)作接一個(gè)動(dòng)作順序地進(jìn)行。（2）數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能數(shù)學(xué)運(yùn)算功能包括:1）基本算術(shù):加、減、乘、除。（4）接線簡(jiǎn)單PLC只需將輸入設(shè)備(如按鈕、開關(guān)等)與輸入端子聯(lián)接，將輸出設(shè)備(如接觸器、電磁閥等)與輸出端子聯(lián)接。本章詳細(xì)敘述了離心式水泵排水系統(tǒng)的組成、工作原理，球閥和閘閥的區(qū)別和特點(diǎn)，射流泵和真空泵的區(qū)別以及各自的工作原理，離心式水泵的啟動(dòng)和停機(jī)過程，整個(gè)排水系統(tǒng)的工作流程以及實(shí)現(xiàn)功能簡(jiǎn)介。射流泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，根據(jù)礦井的地下環(huán)境和條件，射流泵的應(yīng)用更為普遍。這種泵通常帶有氣鎮(zhèn)裝置。當(dāng)球旋轉(zhuǎn)90度時(shí)，在進(jìn)、出口處應(yīng)全部呈現(xiàn)球面，從而截?cái)嗔鲃?dòng)。表殼的公稱直徑有60,100,150,200和250mm五種。（如圖22）是指啟閉體(閥板)由閥桿帶動(dòng)閥座密封面作升降運(yùn)動(dòng)的閥門，可接通或截?cái)嗔黧w的通道。水泵運(yùn)行過程中, PLC模塊又適時(shí)檢測(cè)水倉(cāng)液位,當(dāng)水位低于液位下限值時(shí)則關(guān)閉水泵電動(dòng)閘閥。酸性礦井排水及有害元素的影響對(duì)井下排水系統(tǒng)也是一項(xiàng)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。井下排水系統(tǒng)的任務(wù)就是把通過各種途徑流入礦井的積水排送到地表。當(dāng)掘進(jìn)巷道揭露含水層或回采工作面放頂后所形成的冒落裂隙與這些含水層相通時(shí)，含水層水就涌入礦井。大量的礦水威脅到礦井生產(chǎn)的正常運(yùn)行，突發(fā)時(shí)甚至?xí)斐晒ぷ魅藛T的傷亡。所以研究地下水的水量分布、補(bǔ)給條件、動(dòng)態(tài)變化規(guī)律等，對(duì)分析礦井涌水極為重要。（2）天然形成的涌水通道有： 1）孔隙、裂隙——各種巖層中的節(jié)理、層理成為涌水通道。本觀點(diǎn)避開水泵、管道和用電效率等因素，單從用電時(shí)段來考慮，強(qiáng)調(diào)煤礦井下排水應(yīng)避開用電高峰，盡量在用電低谷把井下的水排凈，稱為煤礦排水的“避峰填谷”技術(shù)。煤礦井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)是以單個(gè)水泵的自動(dòng)運(yùn)作為基礎(chǔ)的,每個(gè)水泵在啟動(dòng)前, PLC模塊先啟動(dòng)抽真空系統(tǒng),檢測(cè)真空度。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。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。真空泵和射流泵中所用到的閥門都是球閥。又稱為活塞式空泵。這種泵通常在分子流狀態(tài)下工作。當(dāng)排水管路出口的壓力到達(dá)預(yù)定值時(shí)，開啟排水閥14，進(jìn)行排水。這種面向控制過程、面向問題的編程方式，與匯編語言相比，雖然增加了解釋程序和程序執(zhí)行時(shí)間，但對(duì)大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來說，PLC的控制速度還是足夠快的。定時(shí)控制:它為用戶提供了若干個(gè)電子定時(shí)器，用戶可自行設(shè)定:接通延時(shí)、關(guān)斷延時(shí)和定時(shí)脈沖等方式。（6）編程、調(diào)試等使用復(fù)雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏，進(jìn)行編程、調(diào)試、監(jiān)視、試驗(yàn)和記錄，并通過打印機(jī)打印出程序文件。當(dāng)CPU采樣時(shí)輸入信號(hào)由緩沖區(qū)進(jìn)入映像區(qū)，這就是數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)刷新；同樣道理，CPU不能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 在數(shù)據(jù)采集過程中，模擬量信號(hào)的處理是將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)（A/D轉(zhuǎn)換），其變換速度由采樣定律確定。圖32 排水控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖經(jīng)過粗略計(jì)算，需要數(shù)字量輸入64點(diǎn)，數(shù)字量輸出54點(diǎn)，模擬量輸入通道21路，其具體分配見表31，32，33。主要設(shè)計(jì)出的該系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與檢測(cè)、自動(dòng)輪換工作、“避峰填谷”、系統(tǒng)保護(hù)功能、自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)檢修3種工作方式等功能進(jìn)行原理敘述，完成PLC的選型工作。其示意圖如圖43所示。通過比較，宜選擇接觸式溫度傳感器測(cè)量溫度比較合適。% 測(cè)量誤差小 綜合誤差可小于 177。圖45各個(gè)水泵只安裝一個(gè)流量傳感器在工業(yè)中經(jīng)常使用的大口徑流量計(jì)是電磁流量計(jì)。另外，由于測(cè)量管路處于較強(qiáng)的交流磁場(chǎng)中，管壁產(chǎn)生渦流，因而產(chǎn)生二次磁通。%（典型值）工作溫度范圍40~120℃溫度補(bǔ)償范圍25~80℃溫度漂移%℃本章還對(duì)水倉(cāng)水位、水泵流量、電機(jī)及水泵溫度、水泵壓力和負(fù)壓參數(shù)檢測(cè)以及傳感器選擇方面做了詳細(xì)的闡述。滿足開泵條件的水泵進(jìn)入自動(dòng)開啟程序。圖54運(yùn)行過程故障保護(hù)流程水位在水泵的作用下逐漸下降，直到達(dá)到需要關(guān)閉水泵的水平，即水位下降到安全水位以下，這時(shí)要先關(guān)閉排水管的電動(dòng)閘閥，再關(guān)閉逆止閥，防止排水管中井水倒流，隨后關(guān)閉水泵電機(jī)，使其停止工作。本文重點(diǎn)介紹了以下幾點(diǎn)內(nèi)容：（1） 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所使用到的設(shè)備的選型工作。鑒于此，很多工程技術(shù)人員對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的研究開發(fā)。程序段3：用位存儲(chǔ)器M150代替輸出存儲(chǔ)器Q4。其余兩臺(tái)泵的與此基本相同。然后判斷系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、半自動(dòng)運(yùn)行三種運(yùn)行方式中的哪一種，然后根據(jù)判斷得到的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的操作。在石油化工、礦冶、煤炭、水利工程給排水、污水處理等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。磁場(chǎng)方向、電極連線、管道軸線三者之間是相互垂直的。 水泵的流量與水泵出口的閘閥開度和出口壓力、電動(dòng)機(jī)電流有直接的關(guān)系。它可以串連一個(gè)電磁指示儀表。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(dòng)。下面就單換能器的超聲波傳感器加以介紹。滿足設(shè)計(jì)要求。要實(shí)現(xiàn)“避峰填谷”，需調(diào)度各水泵在用電的“谷段”和“平段”時(shí)間段，將水倉(cāng)的水位排至設(shè)定的低位，以便水倉(cāng)能夠騰出盡可能大的容積，使其在“峰段”容納更多的礦井涌水而不用啟動(dòng)水泵。如果是偶然因素造成超時(shí)，重新掃描程序不會(huì)再遇到“偶然干擾”，系統(tǒng)便轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行；若由于不可恢復(fù)的確定性故障，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地停止執(zhí)行用戶程序、切斷外部負(fù)荷、發(fā)出故障信號(hào)，等待處理。CPU從第一條指令開始，順序逐條地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束。數(shù)據(jù)處理:選擇、組織、規(guī)格化、移動(dòng)和先入先出。因此，PLC既可對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制，又可對(duì)模擬量進(jìn)行控制。 （1）靈活、通用在繼電器控制系統(tǒng)中，使用的控制裝置是大量的繼電器，整個(gè)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(shí)費(fèi)力。地面泵提供的高壓動(dòng)力流體通過噴嘴把其位能(壓力)轉(zhuǎn)換成高速流體的動(dòng)能噴射流體將其周圍的井液從匯集室吸入喉道而充分混合,同時(shí)動(dòng)力液把動(dòng)量傳給井液而增大井液能量,在喉道末端,兩種完全混合的流體仍具有很高的流速 (動(dòng)能),此時(shí),它們進(jìn)人一擴(kuò)散管通過流速降低而把 部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓能,流體獲得的這一壓力足以把自己從井下返出地面,其結(jié)構(gòu)原理如圖24。當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)，把工作液體拋向泵殼形成與泵殼同心的液環(huán)，液環(huán)同轉(zhuǎn)子葉片形成了容積周期變化的幾個(gè)小的旋轉(zhuǎn)變?nèi)菸艢馇?。真空泵可以定義為：利用機(jī)械、物理、化學(xué)或物理化學(xué)的方法對(duì)被抽容器進(jìn)行抽氣而獲得真空的器件或設(shè)備。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。不適用于作為調(diào)節(jié)或節(jié)流使用。每次啟動(dòng)水泵,自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間最短的無故障水泵。英國(guó)、德國(guó)、加拿大、西班牙等國(guó)根據(jù)本國(guó)礦井的具體存在的環(huán)境問題，特別是酸性礦井排水進(jìn)行了大量的研究。煤礦大量的井下水在會(huì)對(duì)工作人員和設(shè)備的安全造成很大的威脅，如不采取及時(shí)有效地治理措施，會(huì)造成嚴(yán)重后果，輕者淹井停產(chǎn)，重者礦毀人亡。斷層帶及斷層附近巖石破碎，裂隙發(fā)育，常形成構(gòu)造賦水帶。(1)地表水源。河流、湖泊、水庫(kù)和塌陷地積水等地表水，可以通過井筒、塌陷裂隙、斷層、裂隙、溶洞和鉆孔等直接進(jìn)入井下，也可以作為地下水的補(bǔ)給水源，使地下水經(jīng)過與井巷連通的通道進(jìn)入井巷，造成水災(zāi)。(1) 人為形成的通道有：1）頂板冒落裂隙帶——頂板冒落形成導(dǎo)水裂隙。由于各類礦井情況差別大，能源消耗尤其是電能消耗大，所以在節(jié)能技術(shù)方面的研究對(duì)煤礦效益，以致可持續(xù)發(fā)展有著很大的意義。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。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。、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。為了減小井水吸入阻力，提高泵站運(yùn)行效率，吸水管路不宜設(shè)置底閥。氣體在排出泵腔前被壓縮。 它是利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子把動(dòng)量傳輸給氣體分子，使之獲得定向速度，從而被壓縮、被驅(qū)向排氣口后為前級(jí)抽走的一種真空泵。，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障或排水管路需要維修的情況需投入備用泵和備用管路時(shí)，而不能及時(shí)投入以至影響礦井安全，本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)了3臺(tái)泵和2條管路的井下排水系統(tǒng)，如圖25。PLC具有很高的可靠性和抗干擾能力，不會(huì)出現(xiàn)繼電器一接觸器控制系統(tǒng)中接線老化、脫焊、觸點(diǎn)電弧等現(xiàn)象，故被稱為“專為適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)”。PLC是應(yīng)用面很廣，發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動(dòng)化裝置，在工廠自動(dòng)化(FA)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)內(nèi)占重要地位。通常所說的SCADA系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)端和遠(yuǎn)程端也可以采用PLC作現(xiàn)場(chǎng)機(jī)。數(shù)據(jù)I/O操作數(shù)據(jù)I/O操作也稱為I/O狀態(tài)刷新。影響水位的因素主要來自兩方而:一是水位計(jì)故障(如遭受雜物撞擊)，二是水位信號(hào)受干擾(如水波動(dòng)較大)。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。選定的PLC機(jī)型的I/O能力極限值必須大于I/O點(diǎn)數(shù)估計(jì)值，并應(yīng)盡量避免使PLC能力接近飽和，一般應(yīng)留有30％的裕量。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間來計(jì)算傳感器到被測(cè)物體的距離。所謂接觸式就是傳感器直接與被測(cè)物體接觸，這是測(cè)溫的基本形式。該系列產(chǎn)品技術(shù)獨(dú)特、性能優(yōu)越,具有體積小、重量輕、安裝簡(jiǎn)便、能在惡劣環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的特點(diǎn)，特別適合頻繁沖擊壓力的測(cè)量。但是結(jié)合煤礦井下排水過程的特點(diǎn):水泵的工作方式(輪番啟動(dòng))，如果采用如圖45所示的安裝方式，也可以判斷出每個(gè)水泵的流量，但是需要比較復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。破壞了原來的測(cè)量條件。它采用先進(jìn)的靜電焊接技術(shù)形成穩(wěn)定的參考腔，可以用來測(cè)量小于大氣壓的壓力和真空度，廣泛用于石油、化工、冶金、制藥冷凍、真空儀表等自動(dòng)化行業(yè)。自動(dòng)累加水泵的排水時(shí)間和排水次數(shù)。如果出現(xiàn)異常，對(duì)于實(shí)時(shí)CPU以及I/O模塊內(nèi)部的錯(cuò)誤，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳入故障處理程序塊中進(jìn)行相應(yīng)的處理；如果是外部回路接線錯(cuò)誤或傳感器失效等故障系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)聲光報(bào)警，并停泵，禁止該泵投入自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行中。分別給出系統(tǒng)整體的軟件流程圖、水泵的自動(dòng)開啟關(guān)閉、故障保護(hù)的流程圖，以及給出部分STEP7編程程序。研制集中控制排水系統(tǒng)的最終目標(biāo)是將井下排水系統(tǒng)的集中控制納入煤礦的整體集中控制當(dāng)中，使煤礦生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)均實(shí)現(xiàn)集中控制，實(shí)現(xiàn)煤礦發(fā)展的巨大飛躍。程序段2：10泵采集的真空度、電機(jī)電流、電機(jī)溫度（PLC內(nèi)部已將其轉(zhuǎn)化為0～27648）與設(shè)定值相比較。當(dāng)PLC接收到啟動(dòng)某臺(tái)水泵的指令后，就會(huì)按照?qǐng)D53所示的水泵的啟動(dòng)流程圖進(jìn)行水泵的自動(dòng)啟動(dòng)控制。而手動(dòng)方式下，PLC不參與任何操作控制，全部由人工通過控制按鈕來控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。這些閾值只有在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)每臺(tái)水泵不同的流量特性設(shè)定出相應(yīng)的閾值。由式(46 )得被測(cè)導(dǎo)電液體得體積流量為 （式46） 因此，知道感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就可以測(cè)出導(dǎo)電液體的流量。水泵出口流量的檢測(cè)有兩種布置方式: ，如圖44所示；，如圖45所示。（＋│t│）；熱響應(yīng)時(shí)間30s；最小置入深度：熱電阻的最小置入深度≥200mm；允通電流≤5mA。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)合的方法來檢測(cè)水位。 從以上公式中可以看出，只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，便可以求得待測(cè)的液位。結(jié)合設(shè)計(jì)中用到的I/O模塊和CPU模塊和煤礦自身環(huán)境，設(shè)計(jì)中選用PS307電源模塊（10A）。電動(dòng)機(jī)故障：利用PLC及觸摸屏監(jiān)視水泵電機(jī)過電流、漏電、低電壓等電氣故障，并參與控制。如果沒有外設(shè)請(qǐng)求，系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)循環(huán)地掃描進(jìn)行。 PLC接通電源后，在