【導讀】央水泵控制系統(tǒng)設計。XXX工業(yè)職業(yè)技術學院。平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院。畢業(yè)設計（論文）任務書。任務下達日期2020年9月19日。系（部）主任郭宗躍。自動化與信息工程系電氣自動化專業(yè)，學生梁占營。經(jīng)答辯委員會討論評定，給予學生梁占營畢業(yè)設計（論文）成績。答辯委員會人，出席人

　　

【正文】 閘成功后，主排水管壓力降低，流量減小， 當流量小于 50 立方米 /小時，系統(tǒng)水流顯示信息關閉，表示系統(tǒng)停止成 功。若彈出操作失敗的窗口則操作失敗，需 在操作箱上打到就地方式人工手動停止。 2)全自動控制 水泵就地控制箱上按鈕旋至全自動，則對應水泵處于全自動狀態(tài)，水泵將按照排水用時測算以及用電峰谷時段的劃分等條件自動啟動 /停止水泵。 全自動控制主要由平時處理和谷時處理兩個部分組成。在平時當水位超過上限時啟動水泵，谷時的時候判斷水倉里的蓄水需要多久能夠抽完，并將該時間與谷時結束前所剩時間進行比較，滿足要求則啟動水泵，確保在谷時結束時將水位抽到最低，谷時結束后進行蓄水。 啟動水泵時根據(jù)涌水速率確定啟動水泵臺數(shù)，根據(jù)水泵的累計運行時間確定優(yōu)先啟動哪臺水泵。當運行 中水泵出現(xiàn)故障時，啟動下一臺水泵。 3)故障保護 水泵啟動 /運行 /停止過程中出現(xiàn)故障時，能夠實現(xiàn)水泵的自動停止，同時給出報警信息，提示故障類型，為現(xiàn)場維護提供依據(jù)。保護流程可參考監(jiān)控原理部分給出的流程圖。水泵啟動后即激活故障保護模塊，按照類型不同可分為抽真空超時、合閘超時、壓力偏低、電流偏低、電流偏高、閘閥開超時、效率偏低、閘閥關超時、分閘超時、超溫保護（包括電機前 /后軸溫、電機定子溫度、水泵前 /后軸溫）十類。 系統(tǒng)報錯后自動停止故障泵，運行狀態(tài)跳轉至故障狀態(tài)，同時給出報警提示。此時系統(tǒng)自動將故障泵鎖定， 全自動情況下退出全自動啟動選擇備選機組，半自動操作無法啟動，需在就地排查故障后，將水泵復位后，方可重新投入使用。 故障復位：故障排除后，需將故障泵復位后才能重新投入使用，點擊操作界面上按鈕，跳出復位確認對話框，點擊 按鈕，完成故障復位，對應水泵機組重新投入使用。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 19 系統(tǒng)集控 今后采區(qū)泵房也進行類似自動化改造后，通過決策控制中心的智能閉鎖實現(xiàn)兩個水泵房的聯(lián)合控制，協(xié)調控制排水過程，最終實現(xiàn)主排水系統(tǒng)的最優(yōu)控制。 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)通過檢測水倉水位和其它參數(shù) ,并依據(jù)所建立的數(shù)學模型 ,實現(xiàn) “避峰用 谷 ”,合理調度水泵運行。系統(tǒng)自動化的實現(xiàn)是建立在單臺水泵自動啟停之上。 單臺水泵自動啟停的實現(xiàn) 單臺水泵自動啟動的過程為 :啟動抽真空系統(tǒng)、檢測真空度、啟泵、檢測水泵出水口壓力、打開水泵出水口電動閥。 1 啟動抽真空系統(tǒng) 為保證離心排水泵能夠正常啟動 ,須先向水泵及其吸水管內(nèi)充水 ,目前 ,一般采用抽真空吸水的方式實現(xiàn)。這種方式通常由兩套抽真空系統(tǒng)組成 ,一為射流泵系統(tǒng)、二為電動真空泵系統(tǒng) ,兩者由管路并聯(lián)使用 ,通過閥門可相互切換。 2 真空度的檢測 抽真空系統(tǒng)在工作時 ,可使水泵和吸水管腔內(nèi)形成一定的真空度 ,真空 度的高低與其腔內(nèi)的水位有著嚴格的對應關系 ,真空度愈高 ,則水位愈高。通過檢測水泵及吸水管的真空度可得知其充滿水否。 3 啟動水泵 礦井排水泵采用 10KV 大功率電機 ,其降壓啟動由啟動柜和電抗器柜自動完成。自動控制時 ,只需將控制信號接入啟動柜并將狀態(tài)信號返回控制系統(tǒng)即可。 4 檢測出水口壓力 通過檢測設置于水泵出水口處壓力表壓力 ,可判斷水泵正常啟動與運行否。如采用模擬量壓力表 ,可提高系統(tǒng)的可靠性 ,并可連續(xù)檢測壓力隨電動閥打開時的變化情況 ,為水泵效率及工況的測量提供條件。 5 打開出水閘閥 當水泵啟動完成后再打開出水口閘 閥，可使水泵電機啟動電流小、啟動時間短。 運行參數(shù)的檢測 通過傳感器和變送器 ,可檢測水泵排水流量、軸溫、轉速、電機溫度、電流、功率等水泵與電機的工作參數(shù) ,以監(jiān)測水泵機組的運行狀況 ,并適時對其進行調節(jié)。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 20 自動控制的要求 井下中央泵房自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)功能如下： 根據(jù)水倉水位等情況自動控制排水泵啟停。 控制各泵輪流工作 ,使每臺磨損程度均等。 根據(jù)水倉水位、供電峰谷段時間劃分等情況 ,合理調度水泵運行 ,節(jié)省運行費用。 檢測水泵及其電機的工作參數(shù)。如 :水泵流量、壓力、軸溫、電機溫 度、電機功率與工作電流等。 具有參數(shù)越限報警、故障報警以及自動保護等功能。 監(jiān)控中心上位機通過通信線路監(jiān)測參數(shù)和實施控制。 系統(tǒng)具有就地控制、半自動的集中控制和遠方控制、全自動控制三種方式的選擇。 具有防水密閉門的自動關閉和自動控制功能。 泵房內(nèi)的吸水小井與水倉相連 ,通過在吸水井設置水位傳感器 ,控制系統(tǒng)據(jù)此和其它參數(shù)合理調度水泵。由于水位參數(shù)直接控制水泵的動作，對水位的檢測采用模擬和數(shù)字冗余檢測，傳感器之間互為監(jiān)視、互為備用。 水泵的合理調度應包括如下幾個方面； 1）根據(jù)水倉水位啟動或停止水 泵； 2)根據(jù)礦井的涌水量控制水泵運行的臺數(shù)； 3）控制各臺水泵輪流工作 ,使其磨損程度均等； 機組均勻磨損：由于水泵機組一般有 5 臺 ，為了防止因備用泵或者管路長期不用而使電機受潮或者其他故障而未被發(fā)現(xiàn)，當緊急情況需要投入而不能投入以至影響礦井安全，本自動控制系統(tǒng)按 “輪換工作制 ”來設計，以達到有故障早發(fā)現(xiàn)，、早處理，以免影響礦井安全生產(chǎn)的目的。該部分程序是以每臺機組的累計運行時間作為判斷依據(jù)、每臺機組的累計運行時間是機組停止時刻時間值減去機組投入時刻時間數(shù)值，分別為 T1T5，將 5 臺機組的累計運行時間進行比較 ，數(shù)值最小者投入當次運行，依次循環(huán)下去。當某臺水泵或其所屬閥門故障或檢修時，系統(tǒng)發(fā)出警報，同時該泵退出輪換，其余各泵仍按輪換工作制運行，以達到均勻磨損的目的。 4）應盡量安排水泵在供電部門所規(guī)定的谷段和平段時間運行，避免峰段，即 “避峰添谷 ”。如今全國大部分地區(qū)已經(jīng)實行電價分段收費，峰段與谷段的差價是相當大的，所以針對水泵機組是郝能大戶這一事實，實施電價避峰填谷是非常有意義的，可以節(jié)省大量的成本。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 21 電價避峰填谷原理為：首先設定 4 個水位限值 H1H4，當水位達到報警水位時，首先對電網(wǎng)的負荷進行監(jiān)測，若處于用電谷 段或者平段時，可以立即啟動，若處于用電峰段，則暫緩啟動。當水位繼續(xù)上升至超限水位時，則不論電網(wǎng)負荷若何，必須立即啟動水泵。若水位繼續(xù)上升至極限水位時，則表明一臺水泵的排水量已不足以排除礦井出水，必須啟動第 2 臺水泵，用 2 臺水泵一起排水，以礦井的最大排水能力來排除礦井涌水。不論投入幾臺水泵，水位必須下降至低限水位方可停泵。 系統(tǒng)采用德國 SIEMENS 的可編程控制器（帶觸摸屏）作為水泵主控制器，地面控制中心采用研華工業(yè)控制計算機作上位機，系統(tǒng)具有現(xiàn)場可編程、輸入 /輸出點數(shù)可擴展、顯示操作簡便等特點，除能完成水泵的 單機控制外，可通過以太網(wǎng)接口與全礦綜合自動化網(wǎng)絡連接 ,由井上控制中心監(jiān)控所有被控設備 . 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 22 第 4 章 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)。 S7300 系列 PLC是模塊化結構設計，各種單獨模塊之間可以 進行廣泛組合和擴展。它的系統(tǒng)構成如 圖 41所示： 其主要組成部分有導軌 (RACK)、電源模塊 (PS)、中央處理單元模塊 (CPU)、接口模塊 (IM),信號模塊 (SM)、功能模塊 (FM)等。它可以通過 MPI 連接電纜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，使其具有極高的可靠性，極其適合本系統(tǒng)的需求。除此之外，它自帶的 STEP7 編程軟件功能強大，使用方便，也使開發(fā)過程變得簡單快捷。 圖 41 S7300PLC 系統(tǒng)構成框圖 中央處理單元 CPU 同一般的微處理器一樣，中央處理單元是 PLC 的主要部分，是系統(tǒng)的核心。它通過輸入裝置讀入外設的狀態(tài)，由用戶程序去處理，并根據(jù)結果通過輸出裝置去控制外設。 一般的中型可編程控制器多為雙微處理器系統(tǒng)。一個為字處理器，多為 8 位或 16位微處理器。另一個是位處理器，也 稱為布爾處理器，是一些廠家設計制造的專用芯片。 字處理器是主處理器，由它處理字節(jié)操作指令，控制系統(tǒng)總線、內(nèi)部計數(shù)器、內(nèi)部定時器，監(jiān)視掃描時間，統(tǒng)一管理編程接口，同時協(xié)調位處理器及輸入輸出。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換。位處理器的采用，加快了 PLC 的掃描速度，使 PLC 能較好的滿足實時控制要求 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 23 輸入 /輸出部件 輸入 /輸出部件通常亦稱 I/O 單元或 I/O 模塊， PLC 通過 I/O 單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。通過 I/O 接口可以檢測被控 對象或被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，以這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為 PLC 對被控對象進行控制的信息依據(jù)。同時 PLC 又通過 I/O 接口將處理結果送給被控設備或工業(yè)生產(chǎn)過程。 PLC 提供了多種操作電平和驅動能力的 I/O 單元，有各種各樣的 I/O 單元供用戶選用。外部設備傳感器和執(zhí)行機構所需的信號電平是多種多樣的，而 PLC 中 CPU 處理的信息只能是標準電平，所以 I/O 單元需實現(xiàn)這種轉換。 I/O 單元的主要類型有：數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。 SM321 數(shù)字量輸入模塊將現(xiàn)場過程送來的數(shù)字信號電平轉換成 S7300 內(nèi)部信號電平。對于現(xiàn)場輸入元件，僅需要提供開關觸點即可。輸入信號進入模塊后，一般都經(jīng)過光電隔離和濾波，然后才送至輸入緩沖器等待 CPU 采樣。數(shù)字量輸入模塊 SM321 有直流 16 點輸入、直流 32 點輸入、交流 16 點輸入、交流 8 點輸入四種型號模塊可供選擇。 SM322數(shù)字量輸出模塊將 S7300內(nèi)部信號電平轉換成過程所需要的外部信號電平，可直接用于驅動電磁閥、接觸器、小型電動機、燈和電動機啟動器等。按負載回路使用的電源不同分為：直流輸出模塊、交流輸出模塊和交直流兩用輸出模塊。按輸出開關器件的種類不同又可分為：晶體管輸出方式、可 控硅輸出方式和繼電器輸出方式。晶體管輸出方式的模塊，只能帶直流負載，屬于直流輸出模塊，沒有反極性保護措施，輸出具有短路保護功能，使用于驅動電磁閥和直流接觸器?？煽毓栎敵龇绞綄儆诮涣鬏敵龇绞?，適用于驅動交流電磁閥、接觸器、電機啟動器和燈。繼電器觸點輸出方式的模塊屬于交直流兩用輸出模塊，其額定負載電壓范圍較寬，直流可以從 24V 到 120V，交流可以從48V 到 230V。 SM322 有 16 點晶體管輸出、 32 點晶體管輸出、 16 點可控硅輸出、 8 點晶體管輸出、 8 點可控硅輸出、 8 點繼電器輸出和 16 點繼電器輸出共七種型號輸出模塊可供選擇。 SM331 模擬量輸入模塊主要由 A/D 轉換部件、模擬切換開關、補償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。 A/D 轉換部件是模塊的核心，其轉換原理采用積分方法，積分時間直接影響到 A/D 轉換時間和 A/D 轉換的精度。被測模擬量的精度是所設定的積分時間的正函數(shù)，也即積分時間越長，被測值的精度越高。 SM331 可選四檔積分：， ， 20ms， 100ms，相對應的以位表示的精度為： 9， 12， 12， 14 位。模擬量模塊都裝有量程模塊，調整量程塊的插入位置可改變模塊的硬件結構。 “A”位置用于測量 177。1000MV 以內(nèi)的小電壓信號，由于電阻和熱電偶信號均屬于這個范圍，所以 “A”位置適用于它們。 “B”位置適合測量 177。10V 以內(nèi)的大電壓信號，如： 177。， 177。5V， 1～ 5V 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院