【正文】 達(dá)到自動(dòng)控制和發(fā)信報(bào)警的目的。在電接點(diǎn)裝置的電接觸信號(hào)針上，裝有可調(diào)節(jié)的永久磁鋼，可以增加接點(diǎn)吸力，加快接觸動(dòng)作，從而使觸點(diǎn)接觸可靠，消除電弧，能有效地避免儀表由于工作環(huán)境振動(dòng)或介質(zhì)壓力脈動(dòng)造成觸點(diǎn)的頻繁關(guān)斷，具有動(dòng)作可靠、使用壽命長(zhǎng)、觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)功率較大等優(yōu)點(diǎn)。 排水系統(tǒng)在工作過(guò)程中要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以保證系統(tǒng)正常工作。這出現(xiàn)故障時(shí)要及時(shí)報(bào)警。參數(shù)檢測(cè)包括壓力、流量、電機(jī)溫度、系統(tǒng)漏電保護(hù)等。這些參數(shù)信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的傳感器獲取后，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)(電流或電壓)輸入到測(cè)試電路，經(jīng)處理后，再輸入PLC進(jìn)行存儲(chǔ)運(yùn)算。在井下排水系統(tǒng)中，由于井下環(huán)境的特殊要求，根據(jù)煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)，輸入電信號(hào)與主控制電路之間還要有隔離電路和電源轉(zhuǎn)化電路，將輸入的非本安電信號(hào)轉(zhuǎn)化為本安信號(hào)。 圖43 參數(shù)檢測(cè)電路西門子觸摸屏TP （）（）兩種，顯示器為STN – LCD。除具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力外，在通信接口、顯示技術(shù)等方面也更勝一籌。柔性化標(biāo)準(zhǔn)接口在window CE環(huán)境中，標(biāo)準(zhǔn)硬件和軟件接口均可用于SIMATIC TP 270/OP 270面板。因此使用全新、先進(jìn)的通訊功能即可訪問(wèn)辦公環(huán)境，使用來(lái)自不同制造商的組件即可升級(jí)系統(tǒng)。堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝基于Window CE，無(wú)需硬盤驅(qū)動(dòng)器和冷卻風(fēng)扇，高度可靠實(shí)時(shí)操作，快速啟動(dòng)，為惡劣工況下機(jī)器的安裝提供了有力的保證。TP 270和OP 270均為堅(jiān)固設(shè)計(jì)、具有較高的電磁兼容性和抗振性能。眾多HMI功能SIMATIC TP 270/OP 270型面板，功能強(qiáng)大，盡可能滿足機(jī)器操作和監(jiān)控的可視化需求。256色顯示，過(guò)程值和信息存檔，帶有滾動(dòng)瀏覽和縮放功能的界面友好圖形顯示，以及其他諸多特性。使用 SIMATIC ProTool 高效組態(tài)即使沒(méi)有PLC和TP/OP，亦可PC模擬組態(tài)測(cè)試，可在不同顯示分辨率下縮放組態(tài)，使用矢量圖可快速而容易地創(chuàng)建和修改圖形。使用 TP 270/OP 270面板和ProTool，可以降低維修和啟動(dòng)成本。結(jié)合煤礦井下的特殊環(huán)境以及強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力外，通信接口、顯示技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，且TP 270和OP 270均為堅(jiān)固設(shè)計(jì)、具有較高的電磁兼容性和抗振性能以及防爆效果、同時(shí)具有眾多的HIM功能，最終選擇TP270。 小結(jié) 本章主要介紹了煤礦井下排水系統(tǒng)的硬件選型，根據(jù)控制系統(tǒng)的輸入輸出參數(shù)確定PLC的選型、同時(shí)根據(jù)傳感器的種類選擇了超聲波液位傳感器，最后根據(jù)煤礦井下的狀況選取觸摸屏（TP 270）的類型。5 泵站排水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PLC的軟件設(shè)計(jì) 西門子的S7300系列PLC所用的編程語(yǔ)言是西門子開(kāi)發(fā)的STEP7，這是一種可運(yùn)行于通用微機(jī)中，在WINDOWS環(huán)境下進(jìn)行編程的語(yǔ)言。將它通過(guò)計(jì)算機(jī)的串行口和一根PC/MPI轉(zhuǎn)接電纜與PLC的MPI口相連，即可進(jìn)行相互間的通信。通過(guò)STEP7編程軟件，不僅可以非常方便地使用梯形圖和語(yǔ)句表等形式進(jìn)行離線編程，經(jīng)過(guò)編譯后通過(guò)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(lái)極大的方便。 操作方式的選擇 整個(gè)流程圖如圖51所示：開(kāi)始時(shí)先檢查PLC有無(wú)故障，若有故障轉(zhuǎn)為手動(dòng)操作；若無(wú)故障，再看設(shè)備有無(wú)故障，若有同樣轉(zhuǎn)為手動(dòng)操作，若無(wú)則進(jìn)行操作方式的選擇。可選擇全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)中的任意一種操作方式。若選擇全自動(dòng)操作方式，且操作被允許，直接進(jìn)入全自動(dòng)循環(huán)啟動(dòng)。若不滿足全自動(dòng)操作條件，則轉(zhuǎn)入手動(dòng)操作。半自動(dòng)操作方式的選擇與此類似。圖51 操作方式選擇流程圖 水泵及管路的自動(dòng)輪換工作水泵的自動(dòng)輪換工作程序是在開(kāi)泵臺(tái)數(shù)確定的情況下進(jìn)行的。在程序中，我們使用兩個(gè)存儲(chǔ)器（M）分別作為系統(tǒng)泵組當(dāng)前開(kāi)機(jī)順序控制字（MW10），每輪換一臺(tái)泵后的開(kāi)機(jī)順序控制字（MW20）。在程序初始化時(shí)，MW10被置為： MSB(15) LSB(0)1000010000100001MW10 MSB=最高有效位 LSB=最低有效位 從最低4位至最高4位，000000100、1000依次代表1～4泵組；MW20被清空。舉例說(shuō)明我們?nèi)绾芜x擇泵組。假設(shè)現(xiàn)在MW10中的數(shù)據(jù)為：0001010010000010 MW10 現(xiàn)在需開(kāi)啟三個(gè)泵組，其循環(huán)如下：0001010010000010MW10 0010000101001000 MW20 0010000101001000 MW10 1000001000010100 MW20 1000001000010100 MW10 0100100000100001 MW20 0100100000100001 MW10 從MW10中的當(dāng)前數(shù)據(jù)開(kāi)始，每一次循環(huán)都確定開(kāi)啟最低4位代碼所代表的泵組，并按圖示進(jìn)行MW10與MW20之間相應(yīng)的賦值，從而完成一次循環(huán)。循環(huán)的次數(shù)等于開(kāi)泵臺(tái)數(shù)。若在循環(huán)過(guò)程中，有某臺(tái)泵有故障或需要檢修，循環(huán)就要跳過(guò)此臺(tái)泵，已累計(jì)的循環(huán)的次數(shù)減一，以保證循環(huán)的次數(shù)等于開(kāi)泵的臺(tái)數(shù)。仍用上面的例子做以詳細(xì)的說(shuō)明。假設(shè)開(kāi)始第二次循環(huán)時(shí)，4組不能使用，則跳過(guò)4，開(kāi)啟排在其后的3。：0001010010000010MW100010000101001000 MW20 0010000101001000 MW10 0100100000100001 MW20 0100100000100001 MW10 0001010010000010 MW20 0001010010000010 MW10 我們使用的是四臺(tái)泵三條管路的排水系統(tǒng)，最大涌水量時(shí)也不過(guò)用三臺(tái)泵。所以我們采用開(kāi)泵臺(tái)數(shù)與管路條數(shù)相對(duì)應(yīng)的方案，開(kāi)幾臺(tái)泵對(duì)應(yīng)著開(kāi)幾條管路。當(dāng)開(kāi)泵臺(tái)數(shù)確定以后，管路的輪換工作就與水泵的輪換工作基本類似。使用兩個(gè)存儲(chǔ)器（M）分別作為管路當(dāng)前開(kāi)機(jī)順序控制字（MW30），每輪換一條管路后的開(kāi)機(jī)順序控制字（MW40）。程序初始化時(shí)，MW30被置為：0000010000100001MW30 由于只有三條管路，故MW30高4位被置為0，而0000010和0100這分別代表2和3管路；MW40被清空。當(dāng)循環(huán)到第四位為0000時(shí)，不開(kāi)啟任何管路，已累計(jì)的循環(huán)的次數(shù)減一，以保證循環(huán)的次數(shù)等于說(shuō)開(kāi)管路數(shù)。除此之外，其余各種情況均與泵控制字的循環(huán)相同，在此不再贅述。 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中PLC定時(shí)向上位機(jī)傳送水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀況和故障信息，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的功能。 本系統(tǒng)主要有漏水保護(hù)，流量、壓力保護(hù)，超溫保護(hù)，過(guò)流保護(hù)和低電壓、漏電保護(hù)五大部分的保護(hù)措施，一般是在需保護(hù)裝置的線路中串接與所需保護(hù)的裝置相對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)有關(guān)的輔助繼電器的常閉觸點(diǎn)，正常情況下，不影響程序的執(zhí)行，出現(xiàn)故障時(shí)，其常閉觸電打開(kāi)，停止故障部分的運(yùn)行并且聲光報(bào)警。 上位機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)于一個(gè)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的PLC控制系統(tǒng)來(lái)講，除了硬件和控制軟件外，還應(yīng)有便于用戶操作的友好的人機(jī)界面。用戶可以通過(guò)人機(jī)界面隨時(shí)了解、觀察并掌握整個(gè)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，必要時(shí)還可以通過(guò)人機(jī)界面向控制系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警，進(jìn)行人工干預(yù)。因此，人機(jī)界面就可以看成是人與硬件（計(jì)算機(jī)、PLC等）、控制軟件的交叉部分，人可以通過(guò)人機(jī)界面與計(jì)算機(jī)、PLC進(jìn)行信息交換，向PLC控制系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)、信息和控制命令，而PLC控制系統(tǒng)又可以通過(guò)人機(jī)界面，由編程終端、計(jì)算機(jī)回送控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和有關(guān)信息給用戶。 設(shè)計(jì)要求在設(shè)計(jì)之前我們應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題： 使用該系統(tǒng)的是一般用戶,還是具有一定專業(yè)知識(shí)的人員。2. 學(xué)習(xí)的難易程度在人機(jī)界面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該讓用戶要花更少的時(shí)間，熟悉的速度快，不需要許多的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，要盡可能有形象提示等等。 3. 操作的響應(yīng)速度PLC應(yīng)用于控制,因此上位機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間和效率。 在設(shè)計(jì)中，適用對(duì)象一般為工人或普通工作人員，因此要求操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易會(huì)，不需要掌握過(guò)多的專門知識(shí)；另外，操作響應(yīng)速度要快，以便及時(shí)得到控制信息。 設(shè)計(jì)內(nèi)容1）編制通訊程序?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)與PLC的實(shí)時(shí)通訊；2）實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前排水系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)數(shù)據(jù)；3）可以進(jìn)行PLC中預(yù)設(shè)值修改；4）對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，允許打?。?）提示報(bào)警信息。 界面顯示使用wincc flexible組態(tài)軟件，可以很好地實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要界面如下：?jiǎn)?dòng)上位機(jī)人機(jī)界面程序后，首先進(jìn)入主界面窗口，如圖52所示。通過(guò)點(diǎn)擊面板上的控制按鈕，根據(jù)所需了解信息的不同，可以進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)、記錄顯示或運(yùn)行參數(shù)的相關(guān)界面。圖52 監(jiān)控主界面本系統(tǒng)設(shè)置“運(yùn)行狀態(tài)”為默認(rèn)窗口，一定時(shí)間內(nèi)無(wú)操作時(shí)，便進(jìn)入該窗口。如圖53所示，我們分別用綠、黃、紅圓點(diǎn)代表設(shè)備的運(yùn)行、停止和故障。當(dāng)設(shè)備從某一狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到另一狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)圓點(diǎn)的顏色也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，通過(guò)運(yùn)行狀態(tài)界面，我們可以及時(shí)了接到設(shè)備的運(yùn)行情況，做到有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理。若出現(xiàn)故障時(shí)不在此界面，系統(tǒng)會(huì)彈出一個(gè)故障消息框，以提示操作人員。 圖53運(yùn)行狀態(tài)界面如圖54所示，本界面顯示每個(gè)泵及每趟管路的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和累計(jì)故障時(shí)間，程序?qū)⑦@些信息保存在數(shù)據(jù)文件中。可以打印相關(guān)時(shí)間記錄，也可以清空運(yùn)行或故障記錄從而重新計(jì)時(shí)。圖54 記錄顯示界面如圖55所示，本界面顯示每一泵組運(yùn)行時(shí)傳感器檢測(cè)到的一系列參數(shù)的值，并在其右側(cè)注有該參數(shù)的預(yù)設(shè)范圍，以便進(jìn)行比較。同時(shí)顯示水位傳感器檢測(cè)到的水位值。我們可以在此修改參數(shù)的設(shè)定范圍，并可將修改值傳輸?shù)絇LC。圖55運(yùn)行參數(shù)界面 上位機(jī)與PLC的通信 PLC部分系統(tǒng)采用S7300的經(jīng)濟(jì)型串行通信處理器模塊CP340。CP340與就地PC之間通過(guò)RS232C()接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)交換根據(jù)雙方約定的規(guī)則即通信協(xié)議進(jìn)行。通信協(xié)議的要點(diǎn)包括波特率、字符格式、字符間隔、開(kāi)始傳輸?shù)臈l件以及如何保證傳輸信息完整等內(nèi)容。CP340內(nèi)部固化有ASCII和3964(R)兩種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以與多種設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ASCII協(xié)議是與外部系統(tǒng)相連接的簡(jiǎn)單協(xié)議，帶有文本字符的起?；驂K檢查字符，接口的握手信號(hào)由用戶程序查詢和控制。3964（R）協(xié)議用于連接西門子設(shè)備及第三方設(shè)備，是由西門子公司進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的并且對(duì)外開(kāi)放的協(xié)議。CP340通信模塊的技術(shù)數(shù)據(jù)如下：1）一個(gè)RS232C接口，信號(hào)對(duì)S7電源隔離；2）數(shù)據(jù)傳輸率（波特率）：,可選；3）數(shù)據(jù)傳輸距離：15m；4）通信協(xié)議：ASCII或3964（R）。圖56 經(jīng)濟(jì)型串行通信處理器模塊CP340連接如圖56所示，一方面，CP340的RS232C接口與就地計(jì)算機(jī)相連；另一方面，CP340通過(guò)背部總線與PLC的CPU相連。CP340模塊上的處理器即受控制又有自主性，根據(jù)CPU模塊的命令自主管理串行口的收發(fā)工作。CP340模塊上有接收緩沖存儲(chǔ)器（接受緩存區(qū)）和發(fā)送緩沖存儲(chǔ)器（發(fā)送緩沖區(qū)），由此建立CPU模塊與CP340聯(lián)系。發(fā)送時(shí)，CPU模塊把發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，由CP340把緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)逐個(gè)發(fā)給計(jì)算機(jī)。CP340還負(fù)責(zé)從計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)，并把接收到的數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)。CPU模塊以查詢方式讀接收緩沖區(qū)，如果緩沖區(qū)不空，CPU便得到接收數(shù)據(jù)。讀寫CP340上的緩沖區(qū)需要在用戶程序中調(diào)用專用的功能塊，專用功能塊有4個(gè)：發(fā)送功能塊FB3(P_SEND)、接收功能塊FB2(P_RCV)、讀RS232C接口信號(hào)狀態(tài)功能塊FC5(V24_STAT)、接口信號(hào)狀態(tài)設(shè)置功能塊FC6(V24_SET)。其功能為：1）將數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)寫入CP340的發(fā)送緩沖區(qū)，F(xiàn)B3需要大小為40B的背景數(shù)據(jù)塊；2）監(jiān)測(cè)CP340發(fā)送并返回CP340的發(fā)送情況。FB3完成一次發(fā)送需要多個(gè)掃描周期，故每一掃描周期都要調(diào)用FB3，使其在每一循環(huán)周期得到掃描，以避免一個(gè)信息幀的發(fā)送過(guò)程中斷。FB3 P_SEND有閑置和發(fā)送兩種狀態(tài)。若發(fā)送請(qǐng)求REQ輸入有上升沿，由閑置轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，向CP340傳送數(shù)據(jù)，并由CP340將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收方。FB3 P_SEND只能將數(shù)據(jù)塊中連續(xù)存放的數(shù)據(jù)傳給CP340。發(fā)送持續(xù)時(shí)間由數(shù)據(jù)量和通信線路質(zhì)量決定。發(fā)送過(guò)程中，若放棄發(fā)送請(qǐng)求R的輸入為1，則放棄發(fā)送請(qǐng)求并且將FB3 P_SEND復(fù)位，已傳入CP340的數(shù)據(jù)繼續(xù)發(fā)送。發(fā)送過(guò)程結(jié)束后，由發(fā)送轉(zhuǎn)為閑置狀態(tài)。通過(guò)FB3 P_SEND輸入信號(hào)可得發(fā)送完成情況，正確完成，輸出DONE為1，輸出STATUS的值為0；錯(cuò)誤完成時(shí)，輸出ERROR為1，輸出STATUS的值表示錯(cuò)誤細(xì)節(jié)。其功能為：1）將CP340接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀回存入數(shù)據(jù)塊，F(xiàn)B2需要大小為40B的背景數(shù)據(jù)塊；2）返回CP340的接收情況。類似于FB3，完成讀數(shù)需要多個(gè)掃描周期。FB2 P_RCV有閑置、查詢和接受三種狀態(tài)。若允許讀EN_R輸