【正文】 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算機進(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12所示。 S7200PLC的基本組成本系統(tǒng)選用德國西門子公司的SIMATIC S7200系列PLC系統(tǒng)。滿足設(shè)計需要。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。 通過上面的計算，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。 DI點數(shù)估計值為64=74，DO點數(shù)估計值為56=65，AI通道估計值為22=26個。這種方法是以PLC處理每個信息量所需存儲器數(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。（2） 存儲器容量選擇PLC的I/O點數(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點數(shù)估算值的基礎(chǔ)上計算對PLC存儲器容量的需求?？紤]裕量后的I/O總點數(shù)即為I/O點數(shù)估計值。經(jīng)過粗略計算，需要數(shù)字量輸入64點，數(shù)字量輸出56點，模擬量輸入通道22路，其具體分配見表4 。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。五、三種工作方式系統(tǒng)控制具有自動、半自動和手動檢修3種工作方式。電動機故障：利用PLC及觸摸屏監(jiān)視水泵電機過電流、漏電、低電壓等電氣故障，并參與控制。四、系統(tǒng)保護(hù)功能超溫保護(hù)：水泵長期運行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時，通過溫度保護(hù)裝置及PLC 實現(xiàn)超限報警。三、“避峰填谷”所謂“避峰填谷”，是指調(diào)度水泵在用電的“谷段”和“平段”時間段工作，盡量避免在“峰段”啟動。二、自動輪換工作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，模擬量信號的處理是將模擬信號變換成數(shù)字信號（A/D轉(zhuǎn)換），其變換速度由采樣定律確定。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。數(shù)據(jù)自動采集主要由PLC實現(xiàn)，PLC模擬量輸入模塊通過傳感器連續(xù)檢測水倉水位，將水位變化信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，計算出單位時間內(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)。外設(shè)請求一般不會影響系統(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，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(fù)荷、發(fā)出故障信號，等待處理。監(jiān)控定時器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，執(zhí)行完用戶程序所用的時間不會超過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采樣時輸入信號由緩沖區(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)動負(fù)載。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的基本工作過程為： 圖11 PLC工作原理示意圖公共操作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，只報警不停機，等待處理；嚴(yán)重故障，則停止運行用戶程序，此時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。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。這種分時操作進(jìn)程稱為CPU對程序的掃描。其過程示意圖如圖11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、試驗和記錄，并通過打印機打印出程序文件。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。在系統(tǒng)構(gòu)成時，可由一臺計算機與多臺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。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、移動和先入先出。 .擴(kuò)展算術(shù):平方根、三角函數(shù)和浮點運算。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PLC可作為多部步進(jìn)控制器使用。定時控制:它為用戶提供了若干個電子定時器，用戶可自行設(shè)定:接通延時、關(guān)斷延時和定時脈沖等方式。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在機電一體化產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用。 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。可用于現(xiàn)場控制，也可用于遠(yuǎn)距離控制。因此，PLC既可對開關(guān)量進(jìn)行控制，又可對模擬量進(jìn)行控制。接線極其簡單、工作量極少。如繼電器、接觸器、電磁閥等聯(lián)接，具有較強的驅(qū)動能力。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)行時間，但對大多數(shù)機電控制設(shè)備來說，PLC的控制速度還是足夠快的。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，要求在各種惡劣工作環(huán)境和條件(如電磁干擾、灰塵等)下可靠工作，將故障率降至最低。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。而PLC是通過在存儲器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能，若控制功能需要改變，只需修改程序及少量接線即可。 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。圖10 排水控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 PLC的主要特點PLC（ Programmable Logic Controller） ，即可編程邏輯控制器，定義是：一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖所示。%（典型值）工作溫度范圍40~120℃溫度補償范圍25~80℃溫度漂移%℃第三章 基于PLC的井下自動排水系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)采用現(xiàn)場層(遠(yuǎn)程IO),控制層(PLC)和管理層(工業(yè)計算機)組成的三級控制系統(tǒng)來實現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動控制。 NSK型負(fù)壓傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示：表1 NSK型負(fù)壓傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)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(fù)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。雖然電磁流量傳感器在使用、安裝的過程中比較復(fù)雜，但可以肯定的說，隨著流量傳感器在自動排水系統(tǒng)的應(yīng)用，將大大提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。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。結(jié)合電磁流量傳感器自身的特點，煤礦井下水泵房采用電磁流量傳感器檢測水泵出口的流量是簡單易行的。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。③測量范圍寬，；④可以測量各種腐蝕性液體的流量；⑤電磁流量計的慣性小，可以用來測量脈動流量；⑥對測量介質(zhì)。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。另外，由于測量管路處于較強的交流磁場中，管壁產(chǎn)生渦流，因而產(chǎn)生二次磁通。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。正電極被負(fù)離子包圍，負(fù)電極被一層正離子包圍，加大了電極的電阻。圖9 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(rèn)為磁感應(yīng)強度B是常量，即直流磁場。即式中:B—磁感應(yīng)強度(T)； D—切割磁力線的導(dǎo)體液體的長度(為管道內(nèi)徑)(m)； v—導(dǎo)電液體在管道內(nèi)的平均流速(m/s )。磁場方向、電極連線、管道軸線三者之間是相互垂直的。電磁流量傳感器是根據(jù)法拉第原理制成的一種流量計，用來測量導(dǎo)電液體的流量。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。圖7 各個水泵分別安裝流量傳感器圖8 各個水泵只安裝一個流量傳感器一、電磁流量計工作原理在工業(yè)中經(jīng)常使用的大口徑流量計是電磁流量計。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。從而可以比較準(zhǔn)確的判斷出各個水泵機組的工作特性。兩種安裝位置的比較，采用圖8所示的安裝方式可以滿足需要。水泵出口流量的檢測有兩種布置方式: ①流量檢測器安裝分別安裝在水泵出口的分支管路上，圖7所示。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。其中US為電源電壓；過壓　　 量程的120% ；輸出限制　 變送器過壓時，內(nèi)部限流器輸出電流限制在25m以下；溫度范圍　 敏感元件工作溫度：50～125℃；電子部件工作溫度：40～85℃ ；濕度范圍　　0～99% 相對濕度 。因此適應(yīng)各種工業(yè)測量場合及介質(zhì)。% 溫度范圍寬　　 允許介質(zhì)溫度 40～125℃溫度漂移小　　 典型溫漂 177。HS956系列薄膜壓力變送器的特點：穩(wěn)定性高　　　 每年優(yōu)于 177。該系列產(chǎn)品技術(shù)獨特、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，特別適合頻繁沖擊壓力的測量。圖6 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。 根據(jù)以上特點，一般在平膜片圓心處切向粘貼RR4兩個應(yīng)變片，在邊緣處沿徑向粘貼RR3兩個應(yīng)變片，然后接成如圖6的全橋電路。膜片式壓力傳感器，應(yīng)變片貼在膜片內(nèi)壁，在壓力作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變，表達(dá)式分別為：式中：— 膜片上均勻分布的壓力； R、— 膜片的半徑和厚度； X — 離圓心的徑向距離。一、應(yīng)變式壓力傳感器原理介紹 應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力，如動力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機管道的壓力等。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。（＋│t│），B級177。它可以串連一個電磁指示儀表。12VDC電源提供工作電壓）直接把采集到的電阻變?yōu)?5V DC輸入到PLC，經(jīng)過簡單的計算就可以得到相應(yīng)的溫度值。 式中，A=103； B=107； C=1012。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，通過比較，宜選擇接觸式溫度傳感器測量溫度比較合適。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。溫度傳感器一般分為接觸式與非接觸式兩大類。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。所以，合理設(shè)計水位傳感也是很重要的。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。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)。其內(nèi)部的功能模塊圖如圖5。其示意圖如圖4所示。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。 IP65顯示方式： 4位LCD傳感器采用四氟乙烯材料，可用于各種腐蝕性場合，多種輸出方式：可編程繼電器輸出、高精度4～20mA電流輸出、RS485數(shù)字通信輸出等方式可供選擇。具有干擾回波的抑制功能，保證測量數(shù)據(jù)的真實。先進(jìn)的檢測技術(shù)，豐富的軟件功能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時間來計算傳感器到被測物體的距離。在一般使用條件下，它的測量誤差為，檢測液位的范圍為～m。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2所示。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。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。圖1 主排水泵自動化監(jiān)控系統(tǒng)圖排水裝置實現(xiàn)自動化的過程中，必須對圖所示