【正文】 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。 一般的中型可編程控制器多為雙微處理器系統(tǒng)。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。 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)。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。 （ 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。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。考慮裕量后的 I/O總點數(shù)即為 I/O點數(shù)估計值。 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。 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。 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。要實現(xiàn)“避峰填谷”，需調(diào)度各水泵在用電的“谷段”和“平段”時間段，將水倉的 水位排至設(shè)定的低位，以便水倉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水泵。 A/D 變換的精度取決于 A/D 變換器的位數(shù)。對于前一個因素 采用雙水位計，在水倉中設(shè)置兩個同樣的水位計， PLC 同時對兩個水位計取樣。 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)。如果是偶然因素造成超時，重新掃描程序不會 再遇到 “ 偶然干擾 ” ，系統(tǒng)便轉(zhuǎn)入正常運行；若由于不可恢復(fù)的確定性故障，則系統(tǒng)會自動地停止執(zhí)行用戶程序、切斷外部負荷、發(fā)出故障信號，等待處理。這步操作稱為輸出狀態(tài)刷新。它包括兩種操作：一個是采樣輸入信號，即刷新輸入狀態(tài)表的內(nèi)容；二是送出處理結(jié)果，即用輸出狀態(tài)表的內(nèi)容刷新輸出電路。 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。 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。其過程 示意圖如圖 43所示。 5)人機界面功能 提供操作者以監(jiān)視機器 /過程工作必需的信息 ； 允許操作者和 PC系 統(tǒng)與其應(yīng)用程序相互作用，以便作決策和調(diào)整。 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。 數(shù)據(jù)處理 :選擇、組織、規(guī)格化、移動和先入先出。 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。今天的 PLC 功能， 遠不僅是替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯。 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。因此，PLC 既可對開關(guān)量進行控制，又 可對模擬量進行控制。如繼電 器、接觸器、電磁閥等聯(lián)接，具有較強的驅(qū)動能力。 3)編程簡單、使用方便 PLC采用面向控制過程、面向問題的 “ 自然語言 ” 編程，容易掌握。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。 1. PLC的特點 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，整個系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計好的電氣控制圖，由人工通過布線、焊接、固定等手段組裝完成的，其過程費時費力?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖所示。 NSK型負壓傳感器的主要技術(shù)指標如表所示： 表 NSK型負壓傳感器的主要技術(shù)指標 輸入 0~? 1kPa? 10kPa? 30kPa? 50kPa? 100kPa 過載能力 2倍 測量介質(zhì) 對不銹鋼不腐蝕 的氣、液體 工作方式 負壓、真空度 工作電壓 5VDC或 10VDC(24V) 輸出 100mV或 0～ 5V、 4～ 20mA 零位輸出 ≤2mV 綜合精度 %、 %、 % 非線性 177。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。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。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。同時內(nèi)阻增加隨被測液體成分的變化和工作時間長短而變化，因而使輸出電勢不固定，影響測量精度。 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。磁場方向、電極連線、管道軸線三者之間是相互垂直的。 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。軟件中可以通過檢測干路中的流量總和與所開啟的水泵數(shù)目，可以得到整個排水泵一電機機組的工況。 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。 這些 參數(shù)之間相互結(jié)合可以檢測出水泵、電動機的性能和工況。因此適應(yīng)各種工業(yè)測量場合及介質(zhì)。 HS956系列薄膜壓力變送器的特點： 穩(wěn)定性高 每年優(yōu)于 177。 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。 圖 39為膜片式壓力傳感器，應(yīng)變片貼在膜片內(nèi)壁，在壓力 p 作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變 r? 和切向應(yīng)變 t? ，表達式分別為： 2 2 223 (1 ) ( 3 )8r p R xhE?? ??? （式 38） 2 2 223 (1 )( )8T p R xhE?? ??? （式 39） 式中： p — 膜片上均勻分布的壓力； R、 h — 膜片的半徑和厚度； X — 離圓心的徑向距離。 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。它 可以 串 連一個電磁指示儀表 。 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。 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，是目前應(yīng)用最多的一類。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。 二、 水位檢測裝 置 的選擇 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。其內(nèi)部的功能模塊圖如圖 35。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 圖 超聲波液位計選型 設(shè)計中 選用二線制輸出型 液位計 ，其參數(shù)如下： 量程： 0～ 1 20m 精度： % 盲區(qū)： ～ 溫度： 20℃ ～ +55℃ 電源： 24VDC 控制： 無 輸出： 4～ 20mA 二線制 防護等級： IP65 顯示方式： 4位 LCD 二、 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。采用新型的波形計算技術(shù)，提高儀表的測量精度。 本設(shè)計中采用的是 Yjsonic系列的超聲波液位計， 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。 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。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。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。由于礦井排水系統(tǒng)屬于多變量、非線性、時變的復(fù)雜系統(tǒng)，特別是在管道和水泵等環(huán)節(jié)中，各變量之間又存在著交叉，因此礦井排水系統(tǒng)非常適合于采用模糊控制的方法進行動態(tài)監(jiān)測和故障診斷。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。 排水系統(tǒng) 為何要實現(xiàn)自動控制 針對上述排水系統(tǒng)存在的問題，本文提出了基于 PLC 的礦井主排水自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。 ② 工人勞動強度大。 其存在的問題有如下幾點： ① 效率低、可靠性差。當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 )。 井下排水系統(tǒng)存在的問題 目前，我國大多煤礦企業(yè)的井下水泵房使用的仍然是傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng)，以離心式水泵系統(tǒng)為主。 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。 真空表安裝在水泵的吸水接管上，為檢 測 吸水管的真空度用。 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。 ④ 灌引水漏斗、放氣栓和旁通管 灌引水漏斗是在水泵初次 起動時，向水泵和吸水管中灌引水 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。在濾水器內(nèi)裝有舌型底閥，其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水，以及停泵后的存水不致漏掉。 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。井下自動排水系統(tǒng)的任務(wù)就是把流入井下煤礦巷道中的礦井積水排送至地表。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。本章分析這種排水系統(tǒng)的組成及工作過程，指出其存在的問題，為井下主排水系統(tǒng)自動控制的研究提供依據(jù)。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。 院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字： 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師評閱書 指導(dǎo)教師評語 （①基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；②獨立解決實際問題的能力；③研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤ 工作態(tài)度 及工作量；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否