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水泵自动化毕业论文
序言
高产、优质、安全、节能、省力，减少岗位人员，最终达到降低成本，提高劳动生产率以获取最大利润是今后煤炭企业在竞争中生存的基础，煤矿要发展、要生存，必须走安全、高产、高效、实现矿井自动化之路，通过自动化建设实现减员增效、降低成本，提高劳动生产率，而井下排水自动控制系统是煤矿自动化的一个重要组成部分。
实现井下排水系统的自动化控制：
第一、可依据水仓水位起停水泵，提高水泵有效利用率，降低成本，节能增效。
第二、可减少看护人员，并可充实设备维护检修队伍，提高维护质量，减少事故发生，变发生事故后的被动检修为主动的定期检修，提高设备的使用率，实现减人增效。
第三、可以保证煤矿的安全生产，改善工作环境，提高劳动生产率。
第四、可有效的保护水泵电机等设备，延长使用寿命，减少事故停机时间，提高排水能力。
第五、可有效的提高突、透水事故的应急处理能力，防止灾害的发生。
随着计算机控制技术及以微处理器为核心的可编程序控制器的普遍应用，结合矿井排水系统的特点，在确保先进性与可靠性的基础上，采用矿用本质安全型工业控制计算机庞大的软硬件资源，通过各种先进可靠的传感器、保护装置、电动闸阀、电动球阀等设备组成矿井主排水自动控制系统。
该自动控制系统达到准确及时的掌握各种设备的工作状态、减少排水系统操作人员工作量，降低劳动强度，结合水仓水位变化充分提高煤矿井下主排水系统效率，使水泵排水系统能够安全可靠、节能高效、经济合理的优化运行。
对于进一步实现全矿井生产系统的自动化、科学化、网络化管理具有十分重要的意义。
矿井下的涌水由井下各个岩层渗出水组成，涌水沿各巷道排水沟流入水仓积存。
井下水泵房排水系统是煤炭矿井的关键系统之一。
本方案从实际出发，在井下泵房配备一套适合于煤矿井下环境的自动控制系统（简称系统），以实现排水自动化控制。
第1章水泵控制系统概述
1.1水泵控制系统的组成（框图及工作原理）
图1-1水泵系统与自动化平台连接
图1-2控制回路接线图
电器动作顺序表：
1、当水位在正常水位时，开关SQB闭合——KM1吸合——M1工作
当水位到警戒水位时，开关SQA、SQB闭合——KM1吸合—M1工作
KM2吸合—M2工作
当水位到乏水位时，开关SQC打开——KM1断开——M1停止
2、主泵需要检修时，按下SB3——KM3吸合——SB3自保
KM1断开—M1停止
KM2吸合—M2工作
3、人工手动操作启动按钮SB2，停止按钮SB1
1.2水泵基本参数
1、水泵
水泵型号：
水泵数量：
7台
流量：
三趟总管路流量监测（每台总管路一台流量监测）
压力：
6.4MPa—10MPa
2、射流装置
射流装置型号：
射流装置数量：
7套
射流装置工作压力：
-0.1MPa—0.1MPa
3、阀门
电动闸阀数量：
每台泵一台电动闸阀，共7台
电动球阀数量：
每台泵两台电动球阀，共14台
1.3技术要求
系统及设备符合国家相关标准和煤炭行业标准要求。
井下硬件设备需具有国家煤安标志、生产许可证和防爆合格证，满足防爆、防尘、抗高温潮湿和电磁干扰的要求。
1.3.1控制性能和方式
（1）系统对电动机和电动闸阀具有远控、就地自动、就地手动三种工作方式。
（2）每台水泵可设置“运行”、“备用”、“检修”三种工作方式。
（3）系统能够自动判断水泵和排水管路的效率和累计运行时间,对效率和累计运行时间超过规定的及时警示和提醒进行更换。
（4）在正常自动运行状态下，系统能根据吸水井水位、水位上升速率等检测计算值判断矿井涌水量，自动控制开、关电动闸阀，启、停水泵以及自动判断启、停台数；系统能根据给定的电力避峰填谷时间段实现节能运行；系统能够根据轮换工作原则，自动实现水泵的轮换运行，避免单台水泵长期运行导致故障。
系统通过以上方式以安全高效为基本原则达到自动化节能优化运行。
（5）系统要有当矿井发生突、透水等重大事故情况时的应急处理程序，从而实现灾害情况下排水系统的抗灾型有序运行。
1.3.2数据采集、逻辑运算、记录及显示、打印
（1）模拟量检测的数据主要有：
水仓水位、电机工作电压（开关改造后实现）、电流（开关改造后实现）、电机定子及轴承温度、吸水管真空度、排水管压力、流量等。
数字量检测的数据主要有：
手动、自动控制方式，远程、就地控制方式，水泵启、停状态，水泵故障信号，水泵电机启、停状态，各闸阀的工作状态与启、闭状态等。
（2）通过数据自动采集连续检测水仓水位，控制水泵的启停和运行台数。
（3）可将系统的各种参数状态、故障及开停时间、水泵及管网效率统计等信息记录到历史数据库中，并可分时间段统计查询。
（4）系统能够实时动态模拟显示系统的整体运行状态和设备检测值，如水仓水位、水泵流量、排水管状态、电流、电压及电动机、电动闸阀等的各种工况状态；可实时显示系统各设备的故障信息，并按故障级别分别发出相应报警；系统具有水位、流量、电流、压力等模拟量的实时及历史曲线显示。
（5）具备故障记录，历史数据查询、打印等功能。
打印分人工打印、自动打印、事故打印等。
1.3.3保护功能
（1）超温保护：
对于电动机内部预埋的三相定子及两端轴承的Pt100电阻信号，系统可直接接受该信号，当温度超过设定值和上升速率超过规定时，应及时报警并退出运行。
（2）水泵起动保护：
根据水泵起动时流量、压力、真空度等参数自动判断水泵是否正常起动，非正常起动时能及时报警并顺序起动下台水泵。
（3）当电机、水泵、电动闸阀、系统故障时，能及时发出告警信息并在监视后台以声光、闪烁、推画面等显著警示，并显示故障情况，警示工作人员修复。
1.3.4通讯
系统通讯接口采用统一、标准的接口组件（具有以太网接口），通讯协议采用标准、开放的协议，能够与整个矿井综合自动化信息系统无缝连接。
1.3.5有足够的升级冗余
系统的升级只是对CPU升级。
由于新出的CPU和旧的CPU版本号不同，会出现不兼容的现象。
在400H冗余系列，需要升级的居多，因为一主一备，有一个坏了，换新的CPU，版本不同，同步通讯就不能进行，所以必须对旧的CPU升级。
升级很简单，拔出存储卡，插入升级卡就可以升级了。
1.3.5原控制系统存在的问题
在原来的控制系统由于是采用漂浮来控制水泵电机的运行与停止，所以对于水位和储水量的控制不是很精准。
原控制回路里，人为控制的因素比较多，所以加重了人的劳动强度。
原控制回路系统中采用的开关设备较多，与电子产品相比，系统的稳定性较差。
第2章PLC的选型
2.1PLC简介
2.1.1PLC基本概念
本世纪60年代,由于小型计算机的出现和大规模产生及多机群控的发展,人们曾试图用小行计算机来实现工业控制,代替传统的继电接触器控制.传统的继电接触器控制采用的是固定接线方式,一旦生产过程有变动,就得重新设计线路连线安装不利于产品的更新换代.但利用小型计算机实现工业控制价格昂贵,输入、输出电路不匹配，编程技术复杂，因而没能推广和应用。
60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为：
（1）它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单，成本低；
（2）它能把计算机的功能和继电器结合起来。
但编程有比计算机简单易学、操作方便
（3）系统通用性强。
其使用及维护非常方便简单
（1）硬件配置方便。
PLC的硬件是专门生产厂家按照一定标准的规格生产的,硬件可以按实际需要配置，到市场上可以方便的买到。
（2）安装方便。
内部不需要接线和焊接，只需编写程序就可以了。
使用方便。
接点的使用不受次数限制，内部器件可多到使用户不感到有什么限制。
只需考虑输入，输出点个数，这可由各种PLC类型来控制。
（3）维护方便。
PLC配备有很多监控提示信号，能检查出自身所出故障，并随时显示给操作人员，能动态的监视控制程序的执行情况，为现场的调试和维护提供了方便，而且接线少，维修时只需要换插入式模块，维护方便。
再次，它的运行稳定可靠。
PLC是专门为工业设计的。
在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，运行的稳定性和可靠性较高。
PLC是以集成电路为基本元件的电子设备，内部处理不依赖于接点，元件的寿命几乎不用考虑。
目前PLC的整机平均无故障工作时间一般在2~5万小时。
甚至更高。
最后，它的设计施工周期短。
使用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成后，现场施工和PLC程序设计可以同时进行，周期短，而且程序的调试和修改都很方便。
综上所述，可编程控制器在性能上均有继电器逻辑控制，与微型计算机，单片机相比。
它也是一种用于工业自动化控制的理想工具。
可编程控制器是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）,简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLC
2.1.2PLC基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同．从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
1.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。
2.I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
常用的I/O分类如下：
1）开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
2）模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,
-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
3）除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
3.存储器
1）存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
2）存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
4.电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
5.底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
2.1.3PLC的工作原理
PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1.输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。
2.用户程序执行和输出刷新阶段
在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
在工业生产过程中有大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
2.1.4PLC系统的其它设备
编程设备：
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
也就是我们系统的上位机。
人机界面：
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
2.1.5PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制器”的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
2.1.6PLC软件系统及常用编程语言
PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。
系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。
系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。
用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。
标准语言梯形图语言是最常用的一种语言，它有以下特点：
1.它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。
2.梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。
3.梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。
4.内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。
5.PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用
2.2PLC的选择
2.2.1控制系统设计的基本原则
1.最大限度的满足被控对象的控制要求。
2.在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。
保证控制系统安全可靠。
3.考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。
2.2.2S7-300的基本性能
SIMATlC S7-300是一种模块化的小型PLC系统,其优越的性能价格比,使之成为中小规模控制系统理想的选择。
1.多种规格的处理器,系统采用独特的导轨安装;
2.高速的指令处理,可满足快速程序控制要求;
3.浮点数运算,可有效地实现更为复杂的数学运算;
4.CPU内集MPI接口,多种通讯模块能用来连接AS一I接口、PROFIBUS和工业以太网总线系统;
5.具有时间/中断驱动、开环定位和PlD等高级控制功能;
6.I/O模块采用前连接器方式,维修或更换十分方便;
7.系统自行组态,信号或通讯模块不受限制地随意安放;
8.具有满足高速计数、步进电机和伺服定位控制等特殊应用的l/O模块;
9.STEP7编程语言具有大量的以STEP5为基础的指令集,使程序的编制简单快捷。
2.2.3S7-300的基本组成
1.中央处理单元（CPU）
各种CPU有各种不同的性能，例如，有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通讯接口等。
2.信号模块（SM）
用于数字量和模拟量输入/输出
3.通讯处理器（CP）
用于连接网络和点对点连接
4.功能模块（FM）
用于高速计数，定位操作（开环或闭环定位）和闭环控制。
5.负载电源模块（PS）
用于将SIMATICS7-300连接到120/230伏交流电源，或24/48/60/110伏直流电源。
6.接口模块（IM）
用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。
S7-300通过分布式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块。
运行时无需风扇。
7.S7-300适用于通用领域：
高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。
8.S7-300有两种类型：
标准型
温度范围从0℃到60℃
环境条件扩展型
温度范围从-25℃到+60℃更强的耐受振动和污染特性。
2.2.4S7-300的通讯
这是一个经济而有效的解决方案；方便用户的STEP7的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。
SIMATICS7-300具有多种不同的通讯接口。
多种通讯处理器用来连接AS-I接口、和工业以太网总线系统。
串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统
多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。
CPU支持下列通讯类型：
过程通讯
通过总线（AS-I或PROFIBUS）对I/O模块周期寻址（过程映象交换）
数据通讯
在自动控制系统之间或人机界面（HMI）和几个自动控制系统之间，数据通讯会周期地进行或被用户程序或功能块调用。
2.2.5S7-300的基本结构
1.DIN标准导轨安装
只需简单地将模块钩在DIN标准的安装导轨上，转动到位，然后用螺栓锁紧。
2.集成的背板总线
背板总线集成在模块上，模块通过总线连接器相连，总线连接器插在机壳的背后。
3.更换模块简单并且不会弄错
更换模块时，只需松开安装螺钉。
很简单地拔下已经接线的前连接器。
在连接器上的编码防止将已接线的连接器插到其他的模块上。
4.可靠的接线端子
对于信号模块可以使用螺钉型接线端子或弹簧型接线端子
5.TOP连接
采用一个带螺钉或夹紧连接的1至3线系统进行预接线。
或者直接在信号模块上进行接线。
6.确定的安装深度
所有的端子和连接器都在模块上的凹槽内，并有端盖保护，因此所有的模块都有相同的安装深度。
7.没有槽位的限制
信号模块和通讯处理模块可以不受限制地插到任何一个槽上，系统自行组态。
第3章水泵PLC控制设计
3.1控制方案设计
3.1.1设计原则及技术标准
电气设备的设计和制造符合以下标准：
（1） IEC标准（国际电工委员会）
（2） ISO标准（国际标准化组织）。
（3） GB3836.1-2000爆炸性气体环境用电气设备 第1部分：
通用要求
（4） GB3836.2-2000爆炸性气体环境用电气设备 第1部分：
隔爆型“d”
（5） GB3836.4-2000爆炸性气体环境用电气设备第1部分：
本质安全型“ｉ”
（6） GB4942.2 低压电器外壳防护等级
（7） MT209煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求
（8）《煤矿安全规程》（2007版）
3.1.2控制系统改造方案
目前井下泵房共有水泵主电机7台，每台具有不超过4路的Pt100温度信号输出，有Pt100在线监测仪表供显示Pt100温度用，该仪表无信号输出；
一拖二的软起动器与磁力起动器连接示意图
高爆开关（磁力起动器）8台（其中一台作为进线电源用），型号：
QBG-315/6S，生产厂商：
常州武进矿用设备厂，该设备不具备电流、电压信号输出功能；高压软起动器3台，其中两台软起动器每台拖动两台磁力起动器，另一台软起动器拖动三台磁力起动器，软起动器型号：
QBG-180/6000R，生产厂商：
唐山开诚，该设备不具备电流、电压信号输出功能；
目前矿上某单位已采购三台矿用隔爆型高压起动电抗器对软起动器进行改造，每台电抗器对应一台磁力起动器（对应一台电机），剩余三台软起动器中的两台每台对应一台磁力起动器，另一台软起动器对应两台磁力起动器。
由于电抗器为自动切换不需参与控制，因此电抗器+磁力起动器方式，由矿上（使用单位）根据实际所需情况提供磁力起动器的控制接点，由厂家对磁力起动器进行控制。
各电器设备间连接由矿上（使用单位）自己连接完成。
对于软起动器+磁力起动器方式，仍参考利用原有的唐山开诚PLC控制系统，由厂家控制接点与PLC控制系统中的就地控制箱开/停按钮并联进行控制。
若需要主排水泵电机电压、电流监测，由厂家可提供相关模块，在条件允许的情况下由矿上（使用单位）对高压磁力起动器进行改造并增加该模块来实现此功能。
3.2控制系统组成
3.2.1系统结构
上位机系统安装于地面集控室，向上通过环网及WinCC组态软件自带的OPCServer软件接口向综合自动化平台提供实时数据，向下通过环网及OPCClient与井下本安监控站进行实时通讯。
井下KJD30本安型监控站安装在泵房控制室内，完成控制现场各传感器信息的采集与处理，通过高性能控制软件设定的自动控制流程实现自动控制功能。
KDK8多功能控制驱动器串接在一根总线上与KJD30本安监控站通讯，KDK8多功能控制驱动器具有手动/自动功能，手动方式下通过其自身的转换开关实现单台水泵的起/停控制，两台KDK8可实现一台水泵的手动控制，自动方式下接收KJD30本安监控站下发的控制命令实现多台水泵的自动控制。
现场的各种返回信号（高爆开关、电动闸阀等返回点）接入KDK8的开入口转换为总线信号送给KJD30本安监控站。
系统结构
框图KCC2本安型智能I/O接口也挂接在总线上，它将现场的各种模拟量信号或开关量信号转换为总线信号送给KJD30本安监控站。
3.2.2地面上位机部分
上位机部分由：
一台工控机及WinCC组态软件组成，用以实现水泵控制系统的地面监控与数据上传功能。
该上位机将通过目前准备建设的矿井网络系统将信息上传至全矿井综合自动化平台，全矿井综合自动化平台对相关信息数据进行整合分析后在WEB网页上发布，使管理人员能够及时掌握系统安全运行状况。
全矿井网络系统及全矿井软件平台部分建成后可实现泵房监控系统信号上传，全矿井网络系统必须在一水平泵房内设置网络交换机，并留有本安型以太网
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