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精品畢業(yè)論文--基于plc的礦井泵房自動(dòng)化設(shè)計(jì)(參考版)

2025-06-08 11:14本頁面
  

【正文】 ET200M 由以下部分組成 : IM153 接口:用于與 PROFIBUSDP 現(xiàn)場(chǎng)總線的連接 ; 各種 I/O 模塊:用總線連接器連接或插入在有源總線模塊內(nèi) , 總線連接器設(shè)計(jì),在。 最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 12M 位 /S。 它也適宜于與冗余系統(tǒng)一起使用 。 由于模塊的種類眾多 , ET200M 尤其適用于復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù) 。 ET200M 是高密度配置的模塊化 I/O 站 , 保護(hù)等級(jí)為 IP20。且與SIMATIC S7300 I/O 模塊及功能模塊兼容,安全性高。 S7300 系列 PLC 就配有專用電源模塊 PS 307。與普通電源相比, PLC電源穩(wěn)定性好,抗干擾能力強(qiáng)。同一 PLC 系統(tǒng)的各種不同應(yīng)用場(chǎng)合的用戶程序可以分別寫入到幾片 EPROM 中,在改變系統(tǒng)的工作方式時(shí)只要更換 EPROM 就可以了。 EPROM 寫入器 EPROM 寫入器用來把用戶程序?qū)懭氲?EPROM 中去。盒式磁帶錄音機(jī)和磁盤驅(qū)動(dòng)器可能在編程器系統(tǒng)之內(nèi),也可能是單獨(dú)的裝置,由編程器或其它智能模塊向它們提供接口。存儲(chǔ)在它們里面的信息可以長期保存。有時(shí)用磁帶和磁盤來存儲(chǔ) PLC 的用戶程序。用于 PLC控制系統(tǒng)的最高級(jí)、最復(fù)雜的人機(jī)接口是一種“智能”終端,它有自己的微處理器和存儲(chǔ)器,能夠與操作人員快速地交換信息,并通過通信接口與 PLC 相連,它可以作 為本地通信網(wǎng)絡(luò)的接口。操作員接口用于實(shí)現(xiàn)操作人員與 PLC 控制系統(tǒng)之間的對(duì)話,人機(jī)接口的最簡(jiǎn)單和最普通的形式是由安裝在控制臺(tái)上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈、 LED 數(shù)字顯示器和聲光報(bào)警器等元件組成。由于系統(tǒng)程序用戶不可改變,因而 PLC 產(chǎn)品樣本或使用說明書中所列存儲(chǔ)器容量,系指用戶程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器而言。在掉電時(shí)可以保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)器區(qū)域稱保持?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。在 PLC 系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)區(qū),開辟有輸入輸出數(shù)據(jù)映像區(qū)、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、輔助繼電器 XXXV 等邏輯部件,這些部件的設(shè)定值和當(dāng)前值是根據(jù)用戶程序的初始設(shè)置和運(yùn)行狀況而確定的。 工作數(shù)據(jù)是 PLC 在應(yīng)用過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。用戶程序一般存放于帶有后備電池的 CMOS靜態(tài) RAM、紫外線可擦的 EPROM 和電可改寫的 EEPROM 中。系統(tǒng)程序關(guān)系到 PLC 的性能,用戶不能訪問,修改這一部分存儲(chǔ)器的內(nèi)容。系統(tǒng)程序是由 PLC 的制造廠家在研制系統(tǒng)時(shí)確定的,和機(jī)器的硬件組成有關(guān),完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調(diào)用管理、邏輯運(yùn)算、通信和各種參數(shù)設(shè)定等功能。 QI 和 QV 實(shí)際上是同一個(gè)端子。采用 2 線回路時(shí), S+和S可以保持開路,但是輸出精度不如 4 線回路高。如圖 45 所示,檢測(cè)線 S+和 S直接接到 XXXIV 負(fù)載上。在輸出電壓時(shí),可以采用 2 線回路和 4 線回路兩種方式與負(fù)載相連。 SM331 有 812 位和 212 位兩種規(guī)格型號(hào)模塊。20mA 以內(nèi)的電流信號(hào)。5V , 1~ 5V 等。10V 以內(nèi)的大電壓信號(hào),如: 177。1000MV 以內(nèi)的小電壓信號(hào),由于電阻和熱電偶信號(hào)均屬于這個(gè)范圍,所以 “A” 位置適用于它們。模擬量模塊都裝有量程模塊,調(diào)整量程塊的插入位置可改變模塊的硬件結(jié)構(gòu)。被測(cè)模擬量的精度是所設(shè)定的積分時(shí)間的正函 數(shù),也即積分時(shí)間越長,被測(cè)值的精度越高。 SM331 模擬量輸入模塊主要由 A/D 轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、補(bǔ)償電 路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。繼電器觸點(diǎn)輸出方式的模塊屬于 交直流兩用輸出模塊,其額定負(fù)載電壓范圍較寬,直流可以從 24V 到 120V,交流可以從 48V 到 230V。晶體管輸出方式的模塊,只能帶直流負(fù)載,屬于直流輸出模塊,沒有反極性保護(hù)措施,輸出具有短路保護(hù)功能,使用于驅(qū)動(dòng)電磁閥和直流接觸器。按負(fù)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。數(shù)字量輸入模塊 SM321 有直流 16 點(diǎn)輸入、直流 32點(diǎn)輸入、交流 16 點(diǎn)輸入、交流 8 點(diǎn)輸入四種型號(hào)模塊可供選擇。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)輸入元件,僅需要提供開關(guān)觸點(diǎn)即可。 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。 PLC 提供了多種操作電平和驅(qū)動(dòng)能力的 I/O 單元,有各種各樣的 I/O單元供用戶選用。通過 I/O 接口可以檢測(cè)被控對(duì)象或被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù),以這些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為 PLC 對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的信息依據(jù)。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(jī)器操作系統(tǒng)的管理下 實(shí)現(xiàn) PLC編程語言向機(jī)器語言的轉(zhuǎn)換。另一個(gè)是位處理器,也 稱 為布爾處理器,是一些廠家設(shè)計(jì)制造的專用芯片。 一般的中型可編程控制器多為雙微處理器系統(tǒng)。 XXXII 圖 44 S7300PLC 系統(tǒng)構(gòu)成框圖 一、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。它可以通過 MPI連 接電纜或通訊模 塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊,再加上其全面的診斷功能和完善的自我保護(hù)技術(shù),使其具有極高的可靠性,極其適合本系統(tǒng)的需求。它的系統(tǒng)構(gòu)成如圖 44 所示。 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)。滿足設(shè)計(jì)需要。內(nèi)置80KB RAM,隨機(jī)存儲(chǔ)器為 48KB,最大數(shù)字量 I/O 點(diǎn)數(shù)為 1024 個(gè),最大模擬量 I/O 通道數(shù)為 128 個(gè)。 通過上面的計(jì)算,考慮系統(tǒng)通訊要求,選用 SIMATIC S7300 系列中的 CPU3152 DP是最合適的。 ( 3) 響應(yīng)速度 PLC 是為工業(yè)自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的通用控制器,不同檔次的 PLC 的響應(yīng) XXXI 速度一般能滿足起應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。 DI 點(diǎn)數(shù)估計(jì)值為 641 .15=74, DO 點(diǎn)數(shù)估計(jì)值為 56= 65, AI通道估 計(jì)值為 22 =26 個(gè)。這種方法是以 PLC處理每個(gè)信息量所需存儲(chǔ)器數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均經(jīng)驗(yàn)值為依據(jù),乘以信息量數(shù)再考慮一定的裕量計(jì)算 得到存儲(chǔ)器需要容量。 ( 2) 存儲(chǔ)器容量選擇 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)估算值大小,在很大程度上反映了 PLC 系統(tǒng)的功能要求,因此可以在 I/O 點(diǎn)數(shù)估算值的基礎(chǔ)上計(jì)算對(duì) PLC 存儲(chǔ)器容量的需求??紤]裕量后的 I/O 總點(diǎn)數(shù)即為 I/O 點(diǎn)數(shù)估計(jì)值。 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 56 點(diǎn),模擬量輸入通道 22 路,其具體分配見表 41, 42, 43。 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。 七、三 種工作方式 系統(tǒng)控制具有自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)檢修 3 種工作方式 。 PLC 同時(shí)將水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分站傳至地面生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控中心主機(jī),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(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài),又可根據(jù)自動(dòng)化控制信息,實(shí)現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的遙測(cè)、遙控,并為礦領(lǐng)導(dǎo)提供生產(chǎn)決策信息。直觀地顯示電磁閥和電動(dòng)閥的開閉位 用圖形填充以及趨勢(shì)圖、棒狀圖方式和數(shù)字形式準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地顯示水倉水位,并在啟停水泵的水位段發(fā)出預(yù)告信號(hào)和低段、超低段、高段、 采用圖形、趨勢(shì)圖和數(shù)字形式直觀地顯示 3 趟管路的瞬時(shí)流量及累計(jì)流量,對(duì)井下用電負(fù)荷的監(jiān)測(cè)量、電機(jī)電流和水泵瞬 時(shí)負(fù)荷及累計(jì)負(fù)荷量、水泵軸溫、電機(jī)溫度等進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示、超限報(bào)警,自動(dòng)記錄故障類型、時(shí)間等歷史數(shù)據(jù),并在屏幕下端循環(huán)顯示最新出現(xiàn)的 3 條故障(故障顯示條數(shù)可在觸摸屏上設(shè)置),以提醒工作人員及時(shí)檢修,避免水泵和電機(jī)損壞。 電動(dòng)閘閥故障:由電動(dòng)機(jī)綜保監(jiān)視閘閥電機(jī)的過載、短路、漏電、斷相等故障,并參與水泵的聯(lián)鎖控制。 流量保護(hù):當(dāng)水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行時(shí),如流量達(dá)不到正常值,通過流量保護(hù)裝置使本臺(tái)水泵停車,自動(dòng)轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)另一臺(tái)水泵。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(dòng)水泵。 二、自動(dòng)輪換工作 為了防止因備用泵及其電氣設(shè)備或備用管路長期不用而使電機(jī)和電氣設(shè)備受潮或其他故障未經(jīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時(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)泵自動(dòng)輪換工作控制,控制程序?qū)⑺脝⑼4螖?shù)及運(yùn)行時(shí)間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動(dòng)記錄并累計(jì),系統(tǒng)根據(jù)這些運(yùn)行 參數(shù)按一定順序自動(dòng)啟停水泵和相應(yīng)管路,使各水泵及其管路的使用率分布均勻,當(dāng)某臺(tái)泵或所屬閥門故障、某趟管路漏水時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警,并在觸摸屏上動(dòng)態(tài)閃爍顯示,記錄事故,同時(shí)將故障泵或管路自動(dòng)退出輪換工作,其余各泵和管路繼續(xù)按一定順序自動(dòng)輪換工作,以達(dá)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。 A/D 變換的精度取決于 A/D 變換器的位數(shù)。 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。對(duì)于前一個(gè)因素 采用雙水位計(jì),在水倉中設(shè)置兩個(gè)同樣的水位計(jì), PLC 同時(shí)對(duì)兩個(gè)水位計(jì)取樣。 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集主要由 PLC 實(shí)現(xiàn), PLC 模擬量輸入模塊通過傳感器連續(xù)檢測(cè)水倉水位,將水位變化信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理,計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率,從而判斷礦井的涌水量,控制排水泵的啟停。 PLC地址分配和實(shí)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(dòng)采集與檢測(cè) 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與檢測(cè)主要分為兩類:模擬量數(shù) 據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)。外設(shè)請(qǐng)求一般不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作,而且可能更有利于系統(tǒng)的控制和管理。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。監(jiān)控定時(shí)器 T1 就是通常所說的 “ 看門狗 ” ,它是用來監(jiān)視程序執(zhí)行是否正常的,正常時(shí),執(zhí)行完用戶程序所用的時(shí)間不會(huì)超過 T1 的設(shè)定值,執(zhí)行完用戶程序后立即使 “ 看門狗 ” 復(fù)位,表示程序執(zhí)行正常。這步操作稱為輸出狀態(tài)刷新。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。它包括兩種操作:一個(gè)是采樣輸入信號(hào),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 的基本工作過程為: XXIV 圖 PLC 工作原理示意圖 公共操作 XXV 公共操作是在每次掃描程序前進(jìn)行自檢,若發(fā)現(xiàn)故障,除了故障燈外,還可判斷故障 性質(zhì):一般性故障,只報(bào)警不停機(jī),等待處理;嚴(yán)重故障,則停止運(yùn)行用戶程序,此時(shí) PLC 切斷一切輸出聯(lián)系。 PLC 進(jìn)行清零或復(fù)位處理,消除各元件狀態(tài)的隨機(jī)性;檢查 I/O 單元連接是否正確;啟動(dòng)監(jiān)控定時(shí)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(shí)間不超過 T0,則可證實(shí)自身完好,否則系統(tǒng)關(guān)閉。 PLC 就是這樣周而復(fù)始地重復(fù) 上述的掃描循環(huán)的。 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。這種分時(shí)操作進(jìn)程稱為 CPU 對(duì)程序的掃描。其過程 示意圖如圖 43 所示。 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。 5)人機(jī)界面功能 提供操作者以監(jiān)視機(jī)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。 在系統(tǒng)構(gòu)成時(shí),可由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái) PLC 構(gòu)成 “ 集中管理、分散控制”的分布式控制網(wǎng)絡(luò),以便完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。 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(jìn)行遠(yuǎn)程 I/O 控制,多臺(tái) PLC 可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信,外部器件與一臺(tái)或多臺(tái)可編程控制器的信號(hào)處理單元之間,實(shí)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。 3)輸入 /輸出接口調(diào)理功能 具有 A/D. D/A 轉(zhuǎn)換功能,通過 I/O 模塊完成對(duì)模擬量的控制和調(diào)節(jié) 精度,可以根據(jù)用戶要求選擇。 數(shù)據(jù)處理 :選擇、組織、規(guī)格化、移動(dòng)和先入先出。 .擴(kuò)展算術(shù) :平方根、三角函數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算。 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(tái) PLC可作為多部步進(jìn)控制器使用。 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。今天的 PLC 功能,遠(yuǎn)不僅是替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯。因此, PLC 在機(jī)電一體化產(chǎn)品中 被廣泛應(yīng)用。 6)體積小、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 PLC 具有體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。可用于現(xiàn)場(chǎng)控制,也可用于遠(yuǎn)距離控制。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。接線極其簡(jiǎn)單、工作量極少。如繼電 器、接觸器、電磁閥等聯(lián)接,具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。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。 3)編程簡(jiǎn)單、使用方便 PLC 采用面向控制過程、面向問題的 “ 自然語言 ” 編
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