【正文】 閥開過轉(zhuǎn)矩 3 電動閘閥關(guān)過轉(zhuǎn)矩 3 射流 泵狀態(tài) 2 電機(jī)合閘 3 電機(jī)分閘 3 電機(jī)合 閘到位 3 電機(jī)分閘到位 3 射流 泵球閥開到位 2 射流 泵球閥關(guān)到位 2 球閥開到位 9 球閥關(guān)到位 9 故障復(fù)位 1 急停 1 操作方式選擇 3 射流 泵啟動方式選擇 1 總計(jì) 64 表 33數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表 數(shù)字量輸出 點(diǎn)數(shù) 射流 泵球閥開 2 射流 泵球閥關(guān) 2 排水泵球閥開 9 排水泵球閥關(guān) 9 電動閘閥開 3 電動閘閥關(guān) 3 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 電動閘閥開到位 3 電動閘閥關(guān)到位 3 電動閘閥開過轉(zhuǎn)矩 3 電動閘閥關(guān)過轉(zhuǎn)矩 3 射流 泵電機(jī)開 3 射流 泵電機(jī)關(guān) 3 水泵電機(jī) 開 3 水泵電機(jī)關(guān) 3 警鈴 1 故障顯示燈 1 總計(jì) 54 PLC 系統(tǒng)選型 模塊 CPU是 PLC系統(tǒng)的運(yùn)算控制核心。它根據(jù)系統(tǒng)程序的要求完成以下任務(wù)：接收并存儲用戶程序和數(shù)據(jù)，接收現(xiàn)場輸入設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，診斷 PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤，完成用戶程序規(guī)定的運(yùn)算任務(wù)，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)輸出控制或數(shù)據(jù)通信等功能。 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。它 是 S7300 系列中唯一帶現(xiàn)場總線 (PROFIBUS) SINEC L2DP 接口的 CPU 模塊。內(nèi)置 128KB RAM，指令執(zhí)行速度為 300 ns/二進(jìn)制指令 ， 最大數(shù)字量 I/O 點(diǎn)數(shù)為 1024 個，最大模擬量 I/O 通道數(shù)為 128 個。 滿足設(shè)計(jì)要求。 電源模塊是構(gòu)成 PLC 控制系統(tǒng)的重要組成部分，針對不同系列的 CPU，西門子有匹配的電源模塊與之對應(yīng)，用于對 PLC 內(nèi)部電路和外部負(fù)載供電。設(shè)計(jì) 所選定的電源模塊的輸出功率必須大 于 CPU 模塊、所有 I/O 模塊、各種智能模塊的總消耗功率之和，有時甚至還要考慮某些執(zhí)行單元的功率，并且要留有 30％左右的 裕 量。 結(jié)合設(shè)計(jì)中用到的 I/O 模塊和 CPU 模塊 和煤礦自身中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 環(huán)境，設(shè)計(jì)中選用 PS307 電源模塊（ 10A）。 PS307 是交流供電 ， 連接單相交流系統(tǒng) (輸入電壓 120/230V AC， 50/60Hz)， 輸出電壓 24V DC， 具有 防短路和開路保護(hù)。 考慮到前面的設(shè)計(jì)中 I/O 點(diǎn)數(shù)可能有疏漏，并考慮到 I/O 端的分組情況以及隔離與接地要求，應(yīng)在統(tǒng)計(jì)后得出的 I/O 總點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上，增加 10％ 到15％的裕量。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。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。 通過簡單的計(jì)算，設(shè)計(jì)中選用數(shù)字量輸入模塊 SM321，直流 32點(diǎn)輸入， 3 塊；數(shù)字量輸出模塊 SM322， 32點(diǎn)晶體管輸出， 3 塊；模擬量輸入模塊 SM331， 8 通道 12 位模擬量輸入模塊 （ 8AIl2位 ）， 4塊。 綜上所述，本系統(tǒng)選用 PLC 型號如表 34： 表 34PLC 選型表 CPU 模塊 CPU3152 DP 處理器 電源模塊 PS307（ 10A） 數(shù)字量輸入模塊 3 塊 SM321（ 32 點(diǎn) DC） 數(shù)字量輸出模塊 3 塊 SM322（ 32 點(diǎn)晶體） 模擬量輸入模塊 4 塊 SM331（ 8AI 12位） 本章小結(jié) 本章介紹了 PLC 的硬件設(shè)計(jì)方案。主要設(shè)計(jì)出的該系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)自動采集與檢測、自動輪換工作、“避峰填谷”、系統(tǒng)保護(hù)功能、自動、半自動和手動檢修 3種工作方式等功能進(jìn)行原理敘述， 完成 PLC 的選型工作。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 4 傳感器選型 系統(tǒng)所選用的傳感器 如表 41： 表 41 系統(tǒng)選用的傳感器 液位傳感器 超聲波液位計(jì) 、投入式液位計(jì) 溫度傳感器 接觸式 PT100 溫度傳感器 壓力傳感器 薄膜壓力變送器 流量傳感器 潛水型電磁流量計(jì) 負(fù)壓傳感器 NSK 型負(fù)壓傳感器 主要傳感器安裝位置如圖 41： 圖 41 個傳感器安裝示意圖 312456中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 下面分別介紹各個傳感器的原理及選型依據(jù)。 液位傳感器介紹 超聲波液位傳感器 超聲波液位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。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時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對液位進(jìn)行測量。根據(jù)發(fā)射和接受換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。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。 下面就單換能器的超聲波傳感器加以介紹。 超聲波發(fā)射和接收換能器可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖 42所示。 圖 42 超聲波液位計(jì)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： 吸水井中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 ch2t? （式 41） 則 2cth? （式 42） 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。 從以上公式中可以看出，只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時間間隔，便可以求得待測的液位。 超聲波液位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點(diǎn)，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動， 便會產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下，它的測量誤差為 %.10? ，檢測液位的范圍為 210? ～ 410? m。 系統(tǒng)采用 超聲波液位計(jì)，在測量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)物體表面反射后被同一傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時間來計(jì)算傳感器到被測物體的距離。 設(shè)計(jì)中 選用二線制輸出型 液位計(jì) ，其參數(shù)如 表 42： 表 42超聲波液位計(jì)參數(shù) 量程： 0～ 8m 精度： % 盲區(qū)： ～ 溫度： 20℃ ～ +55℃ 電源： 24VDC 控制： 無 輸出： 4～ 20mA二線制 防護(hù)等級： IP65 顯示方式： 4 位 LCD 投入式液位傳感器 投入式液位傳感器是將傳感器的探頭投入液體中。利用處于一定深度時液體會產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)這個基本原理制成的。其示意圖如圖 43所示。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 喇叭口 圖 43水位計(jì)示意圖 具體的來說是 :傳感頭根據(jù)水中的壓力與空氣中的壓力差，傳感 頭把水位的高度 變換成壓力差，再把壓力差轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，該微弱的電信號經(jīng)放大器放大后送 A/D 變換器，單片機(jī)采集數(shù)字信號經(jīng)運(yùn)算處理后，輸出的水位高度用數(shù)碼管來顯示，同 時輸出對應(yīng)的輸出信號。 液位檢測裝置的選擇 上述兩種液位傳感器是基于不同的工作原理設(shè)計(jì)和制造出來的，分別適應(yīng)于不同 的工作場所。當(dāng)然，有些場所可以使用兩種當(dāng)中的任何一種，也可以同時使用在同一個被檢測對象 (水倉 )。 兩種液位傳感器的比較 投入式液位傳感器的特點(diǎn)在于 : : (5 — 10 米 )，但一般能滿足測量水倉水位的要求 : (如液體有固體沉積或粘稠 )的影響 ； 、濃煙等的影響 相對而言，超聲波液位傳感器的特點(diǎn)在于 : 2 . 0534512中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 ； ； ，性能不受被檢測介質(zhì)的影響 ； 。 由于煤礦井下的排水系統(tǒng)重要的安全地位，而水位傳感器是整個排水系統(tǒng)的 嗅覺 器官。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。所以，合理設(shè)計(jì)水位傳感也是很重要的。 在水位檢測裝置的選擇上，至少選擇兩個水位傳感器來提高水位檢測裝置的可靠 性。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。但是由于超聲波液位傳感器不能用在過于狹小的空間內(nèi)，當(dāng)條件不具備時，也可以使用兩個投入式傳感器來檢測水位。 綜上所述，本系統(tǒng)選用一個二線制輸出型液位計(jì)， 一個投入式液位計(jì)。 電機(jī)及水泵溫度檢測 溫 度 傳感器一般分為接觸式與非接觸式兩大類。所 謂接觸式就是傳感器直接與被測物體接觸，這是測溫的基本形式。 這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最多的一類。 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(yùn)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。 通過比較，宜選擇接觸式溫度傳感器測量溫度比較合適。本文選擇 PT100溫度傳感器測電機(jī)及水泵溫度。 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(jìn)行測 溫，其溫度 /阻值對應(yīng)關(guān)系為： （ 1） 200℃ t0℃ 時， ? ?? ?1 0 0tCtBtAt1RR 320t ????? （ 式 43） （ 2） 0℃ ≤t≤850℃ 時， ? ?20t BtAt1RR ??? （ 式 44） 式中， A=10 3； B=10 7； C=10 12。 PT100 溫度傳感器是一個模擬信號，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，這樣在使用的時候只需要一塊 PT100 的集成電路，要注意的是這 個集成電路采集的不是電流信號 而 是電阻值， PT100 的集成電路（需要一個 177。 12VDC 電源提供工作電壓）直接把采集到的電阻變?yōu)橹袊V業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 15VDC 輸入到 PLC，經(jīng)過簡單的計(jì)算就可以得到相應(yīng)的溫度值 。 （這樣的形式可以同時采集多路），還有一種就是單獨(dú)的一個 PT100 溫度傳感器（工作電源是 24VDC），產(chǎn)生一個 420mA 的電流，然后再通過一個 420mA電流電路板把 420mA 的電流變?yōu)?15V 電壓 。它 可以 串 連一個電磁指示儀表 。 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。 （ ＋ │t│ ）， B 級 177。 （ ＋│t│ ）； 熱響應(yīng)時間 30s； 最小置入深度：熱電阻的最小置入深度 ≥200mm ； 允通電流 ≤5mA 。 另外， Pt100 溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。 水泵壓力檢測 系統(tǒng)中使用了薄膜壓力變送器。薄膜壓力變送器由高性能的薄膜壓力傳感器與信號調(diào)理電路組成。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、安裝簡便、能在惡劣環(huán)境長期穩(wěn)定工作的特點(diǎn)，特別適合頻繁沖擊壓力的測量。是目前理想的流體壓力測量儀表。 HS956 系列薄膜壓力變送器的特點(diǎn)： 穩(wěn)定性高 每年優(yōu)于 177。% 測量誤差小 綜合誤差可小于 177。% 溫度范圍寬 允許介質(zhì)溫度 40～ 125℃ 溫度漂移小 典型溫漂 177。%/ ℃ 適應(yīng)惡劣環(huán)境 耐溫、耐腐、抗振動 適應(yīng)性廣 產(chǎn)品體積小、重量輕 、 無隔離膜片和中介液體；全不銹鋼密封結(jié)構(gòu)，無可動部件；可直接、任意安裝。因此適應(yīng)各種工業(yè)測量場合及介質(zhì)。 主要技術(shù)指標(biāo)： 介質(zhì) 液體、氣體或蒸汽 輸出 兩線制 4～ ； 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 量程 ,,,1,2, ,3,4,5,6,8,10,16,20,25,30,40,50,60Mpa 電源 ,無負(fù)載時可工作在 ， 最大電源電壓 36 ； 負(fù)載范圍 允許最小負(fù)載為零，最大負(fù)載 RL=50（ US12） Ω 。其中US 為電源電壓 ； 過壓 量程的 120