【正文】 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。% （典型值） 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 工作溫度范圍 40~120℃ 溫度補(bǔ)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 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 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(jī) )組成的三級控制系統(tǒng)來實現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動控制。控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖所示。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 模擬量輸入模塊數(shù)字量輸出模塊真 空 泵 球 閥到 位 信 號聲 光 報 警1 高 壓 柜綜 保 單 元R S 4 8 5數(shù)字量輸入模塊1 遠(yuǎn) 程 擴(kuò) 展 模 塊數(shù) 字 量 輸 入 模 塊 數(shù) 字 量 輸 出 模 塊真 空 泵 控 制模 擬 量 輸 入 模 塊溫度巡檢儀球閥到位信號閘閥到位信號就地控制命令流量傳感器壓力傳感器負(fù)壓傳感器球閥控制電動閘閥控制水泵高壓柜控制R S 4 8 5P R O F I B U S D P觸 摸 屏聲光報警主CPU模塊4 遠(yuǎn) 程 擴(kuò) 展 模 塊水 位 傳 感 器4 高 壓 柜綜 保 單 元圖 42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。 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。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。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。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。 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。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(jī)電控制設(shè)備來說， PLC 的控制速度還是足夠快的。如繼電 器、接觸器、電磁閥等聯(lián)接，具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力。接線極其簡單、工作量極少。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。可用于現(xiàn)場控制，也可用于遠(yuǎn)距離控制。 6)體積小、重量輕、易于實現(xiàn)機(jī)電一體化 PLC具有體積小、重量輕、功耗低等特點。因此， PLC在機(jī)電一體化產(chǎn)品中 被廣泛應(yīng)用。今天的 PLC 功能， 遠(yuǎn)不僅是替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯。 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。 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。 .擴(kuò)展算術(shù) :平方根、三角函數(shù)和浮點運算。 數(shù)據(jù)處理 :選擇、組織、規(guī)格化、移動和先入先出。 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。 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。 在系統(tǒng)構(gòu)成時，可由一臺計算機(jī)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。 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。 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(jī)打印出程序文件。其過程 示意圖如圖 43所示。這種分時操作進(jìn)程稱為 CPU 對程序的掃描。 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。 PLC 就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述的掃描循環(huán)的。 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的基本工作過程為： 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 圖 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(jī)，等待處理；嚴(yán)重故障，則 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 停止運行用戶程序，此時 PLC切斷一切輸出聯(lián)系。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。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。這步操作稱為輸出狀態(tài)刷新。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。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。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。 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)。 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 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 23 頁 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。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。 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。 A/D 變換的精度取決于 A/D 變換器的位數(shù)。 二、自動輪換工作 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)及時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時，而不能及時投入以至影響礦井安全，本系統(tǒng)程序設(shè)計了 3臺泵自動輪換工作控制，控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運行時間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動記錄并 累計，系統(tǒng)根據(jù)這些運行參數(shù)按一定順序自動啟停水泵和相應(yīng)管路，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當(dāng)某臺泵或所屬閥門故障、某趟管路漏水時，系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警，并在觸摸屏上動態(tài)閃爍顯示，記錄事故，同時將故障泵或管路自動退出輪換工作，其余各泵和管路繼續(xù)按一定順序自動輪換工作，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。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。 流量保護(hù)：當(dāng)水泵啟動后或正常運行時，如流量達(dá)不到正常值，通過流 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 24 頁 量保護(hù)裝置使本臺水泵停車，自動轉(zhuǎn)換為啟動另一臺水泵。 電動閘閥故障：由電動機(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。直觀地顯示電磁閥和電動閥的開閉位置，實時顯示 用圖形填充以及趨勢圖、棒狀圖方式和數(shù)字形式準(zhǔn)確實時地顯示水倉水位，并在啟停水泵的水位段發(fā)出預(yù)告信號和低段、超低段、高段、超高段 采用圖形、趨勢圖和數(shù)字形式直觀地顯示 3趟管路的瞬時流量及累計流量，對井下用電負(fù)荷的監(jiān) 測量、電機(jī)電流和水泵瞬時負(fù)荷及累計負(fù)荷量、水泵軸溫、電機(jī)溫度等進(jìn)行動態(tài)顯示、超限報警，自動記錄故障類型、時間等歷史數(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檢修，避免水泵和電機(jī)損壞。 PLC 同時將水泵機(jī)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(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。 七、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 。 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。 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 41， 42， 43?？紤]裕量后的 I/O總點數(shù)即為 I/O點數(shù)估計值。 （ 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。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。 DI點數(shù)估計值為 641 .15=74， DO 點數(shù)估計值為 56= 65， AI通道估 計值為 22 =26 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。 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。內(nèi)置 80KB RAM，隨機(jī)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。滿足設(shè)計需要。 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)。它的系統(tǒng)構(gòu)成如圖 44所示。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(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。 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。 一般的中型可編程控制器多為雙微處理器系統(tǒng)。另一個是位處理器，也 稱 為布爾處理器，是一些廠家設(shè)計制造的專用芯片。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)的管理下實現(xiàn) PLC編程語言向機(jī)器語言的轉(zhuǎn)換。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(jìn)行控制的信息依據(jù)。 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。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 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計