基于PLC的煤矿水泵控制系统设计设计.docx
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基于PLC的煤矿水泵控制系统设计设计
毕业设计任务书
专业年级学号学生姓名
任务下达日期：
年月日
毕业设计日期：
年月日至年月日
毕业设计题目：
基于PLC的煤矿水泵控制系统设计
毕业设计专题题目：
毕业设计主要内容和要求：
1、熟悉煤矿水泵系统的工作方式和控制要求，了解PLC在工业过程控制的一般方法；
2、熟悉S7-200系列PLC的硬件模块，学习并掌握编程监控软件的使用及控制软件的编制；
3、完成煤矿中央泵房系统就地控制系统PLC模块的配置，模块硬件连接图，编制控制程序；
4、翻译近5年的相关英文资料（或论文）一篇，中文字数不少于3000汉字；
5、完成毕业设计论文的撰写。
指导教师签字：
郑重声明
本人所呈交的毕业设计，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。
所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业设计的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本论文属于原创。
本毕业设计的知识产权归属于培养单位。
本人签名：
日期：
摘要
排水设备在煤矿生产建设中是必不可少的大型固定设备。
一个煤矿排水泵站，一般来说，由多台排水泵组成，它贯穿整个排水系统起着非常重要的作用。
因为积水受环境的影响比较大，所以排水泵的运行数量也要做相对的变化。
现在以微处理器为核心的可编程控制器（PLC）已逐步取代了继电器控制，广泛应用于各行各业的自动控制领域。
本文结合当前控制技术，设计了自动控制系统在矿井排水系统中的应用。
以西门子S7-200系列PLC作为中心控制单元，并扩展了必要的数字量输入模块，模拟输入模块和通信模块。
设计了自动和手动控制两种控制模式，可以根据不同情况选择控制方式。
自动模式下，实时测量水仓的水位，根据水位的变化和水仓水位变化速度，并充分考虑“避峰就谷”的原则，自动决定开启水泵的时间和台数，保证安全的基础上，尽可能降低电力消耗成本，来实现经济高效的煤矿生产。
关键词：
井下排水系统；PLC；自动控制
ABSTRACT
Pumpingequipmentincoalmineproductionisindispensableintheconstructionoflargefixedequipment.Acoalminedrainagepumpstation,ingeneral,therearecomposedofmanysetsofdrainagepumps,itrunsthroughthedrainagesystemplaysaveryimportantrole.Becausewaterisaffectedbyenvironmentislarger,sotheoperationofthedrainagepumpnumberalsoshouldmakerelativechanges.
Nowwithmicroprocessorasthecoreprogrammablecontroller（PLC）hasgraduallyreplacedtherelaycontrol,automaticcontrolfieldiswidelyusedinallwalksoflife.Combiningwiththecurrentcontroltechnology,automaticcontrolsystemisdevelopedinourcountry,theapplicationoftheminedrainagesystem.WithSiemensS7-200seriesPLCascentralcontrolunit,andexpandedthenecessarydigitalquantityinputmodule,analoginputmoduleandcommunicationmodule.
Designedforautomaticandmanualcontroltwokindsofcontrolmode,canchooseaccordingtodifferentsituationcontrolmode.Automaticmode,thereal-timemeasurementofwaterwarehousewaterlevel,accordingtothechangeofwaterlevelandwaterwarehousewaterlevelchangespeed,andgivefullconsiderationtotheprincipleof"peaktovalley",automaticallydeterminesthetimeofopenthepumpandtheNumbers,ensuresafety,onthebasisofasmuchaspossible,reducethepowerconsumptioncost,toachieveeconomicefficiencyofcoalmineproduction.
Keywords:
Undergrounddrainagesystem;PLC;automaticcontrol
1绪论
1.1煤矿井下排水重要性
1.1.1矿井水的来源
矿井水的形成一般是由于巷道揭露和采空区塌陷波及到水源所致，其水源主要是含水层水、采空区老塘水、地表水、大气降水和断层水。
⑴含水层水：
绝大多数的情况下,大气降水和地表水被添加到含水层,然后流入矿井中。
含水层早期对矿井影响较小,随着时间的推移,含水层水会长期影响矿山。
⑵采空区老塘水：
古代和近期的采空区及废弃巷道，由于长期停止排水而使地下水聚集。
这种水源含有大量的硫酸根离子，PH值在3左右，有的甚至为1，具有强烈腐蚀性，这种水成为突水水源时，危害性极大。
⑶地表水：
地表水包括河流、湖泊、池塘、水库等。
当地表水体中影响范围内采矿时，在一定的条件下，水会涌进坑道成为矿井充水来源。
一般来说，离地表水越接近，矿井涌水量越大，造成的损失越大。
⑷大气降水：
地区降水量的大小、降水性质和强度及延续时间也对矿井的充水有很大影响。
矿井水量变化与气候息息相关，但是涌水量高峰出现的时间往往有些滞后，而且随深度的增加滞后的时间更长。
⑸断层水：
是指由不透水岩层,切断了的地下水。
由于水不能通过土壤或岩石，如粘土、壤土和致密完整的页岩、火成岩和变质岩。
因此存在的隔水层，使两层不接触水。
所以在有多层不同的水质、水量的含水层地区，需要分层开采地下水，隔水层厚度和位置必须确定。
低于地下水位开采矿产，为了防止地下水含水层中进我的，充满了隔水层必须维护。
1.1.2排水重要性
在现阶段我国煤矿事故频繁发生，造成伤亡的人数和设备财产损失是巨大的，因此煤矿安全问题日益受到人们的关注。
煤矿事故的原因有很多，如顶板、运输、火灾和煤尘爆炸，但通常瓦斯爆炸和水灾是最频繁、最严重的。
如果矿井水不能够及时排放，将不可避免地导致水灾，导致设备损坏、人员伤亡，对矿井带来灾难性的后果。
因此，设计一个有效的煤矿井下排水系统是必不可少的
1.2国内外研究状况
1.2.1国内研究状况
国内外学者在研究煤矿井下排水系统控制上已取得了许多成果。
国内研究工作者主要是从安全性、可靠性和节能的角度来研究煤矿排水系统。
对煤矿中央泵房水泵的自动控制系统的成功改造，为在我国在自动控制排水系统开辟了一个新方法。
这也证明了计算机对水泵的控制和矿井监控组成的矿井排水控制系统是一种可行的方法。
随后几年，国内研究人员从离心泵、管道、电动机三个方面提出了对地下排水系统进行节能改造。
国内某研究所提出了采用PLC自动检测水仓的水位、管道压力、排水流量等数据，根据煤矿用电情况和具体条件建立数学模型，实现水泵避峰就谷操作，节省矿山排水系统在能源上的消耗，因此来降低煤矿生产的成本。
1.2.2国外研究状况
矿井排水设备是煤矿生产的主要用电设备之一，因此实现排水系统的节能用电是十分必要的。
俄罗斯科学副博士B.B.马祖连科介绍了作为排水设备主要类型的离心泵的能耗估算方法，以及离心泵工况点经修正后的能耗估算方法。
并以北乌拉尔铝土矿和斯塔哈诺夫煤炭生产联合公司为例，具体介绍了几种工况点经修正后的离心泵能耗估算情况。
由于控制理论和现代检测技术的发展，使得自动排水系统的研究在理论和实践中取得了一些巨大成果。
俄罗斯教授波波夫、博士波波夫教授和北乌拉尔铝土矿生产联合公司工程师沙尔塔诺夫，在2000-3500kw异步电动机直接进入电网全电压起动与矿井高扬程水泵双机拖动的的比较，指出了矿井排水高扬程水泵采用双电机拖动具有无可争辩的优越性。
井水质量对排水设备的影响、管道的维护和清理也是一个需要长期研究的问题。
俄罗斯研究人员利用成本相等的原则，推出了水泵循环使用周期和管道清洗周期的计算公式，为管道清理和水泵的使用提出了科学依据，提高了整个排水系统的安全性能。
酸性矿井废水和有害元素对井下排水系统的影响也是一个严峻的考验。
它不仅仅是关于整个排水系统正常运行，还影响地下设备的运行和矿井工作人员的安全。
因此排除酸性矿井废水和有害元素的技术是国外学者研究矿山排水竭力解决的问题。
国外很多国家根据他们特定的环境问题，由其是对矿井酸性废水进行大量研究，并发表数百篇学术论文和一些专著，对世界在矿井排水的研究上作出了巨大的贡献。
在许多发达国家，矿井排水已经进入系统管理的阶段。
集中在标准化，实时化和统计划管理矿井排水问题，利用信息论、控制论、系统论和计算机技术建立水资源管理的信息系统。
他们将排水设备的自动化的内容列入了矿山整体水资源管理的规划之中，将所有的控制信息集中给中心控制室来进行统一控制。
1.3本课题研究的主要内容
针对目前我国煤矿井下排水系统的现状，本课题研制开发适合我国煤矿的井下自动排水系统。
主要研究内容包括：
1.根据排水系统控制要求进行PLC硬件选型和软件的设计。
2.根据水仓水位系统可以自动启停水泵、轮换工作。
3.根据水仓水位条件按照“避峰填谷”的原则启停水泵。
4.对系统设备运行、保护等参数进行实时监测和传送。
5.发生故障时，启动故障处理功能。
1.4小结
这一章先是介绍了煤矿井水灾的主要来源和水灾带来的危害，明确矿井排水的重要性。
然后分别介绍了煤矿井下排水自动控制系统在国内外的研究状况，最后根据目前煤矿排水系统所面临的的问题，提出本文研究的主要内容。
2煤矿泵房自动控制系统
2.1可编程控制器技术概况
可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是一种可编程的存储器，用来执行内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等方面的操作，并可以通过数字量或模拟量输入/输出来控制各种类型的机器和生产过程。
可编程控制器及其相关的设备是根据易于工业控制系统和扩充的原则设计的一个有机整体。
PLC只有30多年的发展历史，却取得了快速的发展和广泛的应用，现在已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。
2.1.1可编程控制器的产生和发展
20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触电按照一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种机械，这就是大家所熟悉的传统继电器控制系统。
由于他结构简单、易于掌握、价格便宜，能够满足大部分场合电气顺序逻辑控制的要求，因此在工业控制领域一直占有主导地位。
20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产的发展，人们曾经试图利用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格昂贵、编程复杂等原因一直没有大规模的推广应用。
20世纪70年代中期出现了微型处理器和微型计算机，人们将微机技术应用到了PLC中，使它能更多发挥计算机的功能，不仅用逻辑编程取代了硬连线逻辑，还增加了运算、数据传输和处理等功能，使其成为一种电子计算机工业控制设备。
国外工业界在1980年正式将其命名为可编程控制器，简称PC。
但由于它和个人计算机的简称容易混淆，所以现在把可编程控制器简称为PLC。
2.1.2PLC的系统组成
PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。
用PLC实施控制，其实质是按照控制功能要求，通过程序按一定的要求进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，并应用于工业现场。
PLC专为工业现场应用而设计，采用典型的计算机结构，它主要与CPU、电源、储存器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。
图2.1PLC的结构框图
一、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一个芯片内。
CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。
CPU的主要任务是控制用户程序和数据的接受和存储；用扫描的方式通过I/O接口接受现场信号的状态和数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算数运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。
二、存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。
系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能更改，它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。
系统程序主要包括三个部分：
系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调用管理程序。
用户存储器包括用户程序存储器和用户数据寄存器两个部分。
用户程序存储器来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的应用程序。
用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和数值、数据等。
用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反应PLC性能的重要指标之一。
三、输入/输出单元
PLC的输入/输出信号类型可以是开关量、模拟量。
输入/输出接口单元可以分为两个部分：
一部分是与被控设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。
四、电源部分
PLC一般使用220V的交流电源或是24V的直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、24V等直流电源，整体式的小型PLC还提供一定容量的直流24V电源，供外部有源传感器使用。
PLC所采用的开关电源输入电压范围宽、体积小、效率高、抗干扰能力强。
2.1.3PLC的工作原理
当PLC上电后，处于正常运行时，他将不断重复扫描过程，并不断循环重复下去。
这个过程主要分为三个阶段即，输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段，这三个阶段是PLC工作过程的中心内容，也是PLC工作原理的实质所在。
图2.2PLC的运行框图
一、输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。
接着系统进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。
所以一般来说，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，或者说输入信号的频率不能太高，否则很可能造成信号丢失。
二、程序执行阶段
进入到程序执行阶段后，一般来说，PLC按从左到右的、从上到下的步骤顺序执行程序。
当指令涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件的当前状态，然后进行相应的运算，最新运算的结果马上再存入到相应的元件映像寄存器中。
对元件映像寄存器来说，每一个元件的状态会随着程序执行过程而刷新。
三、输出刷新阶段
在用户程序执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段一起转存到输出锁存器中，通过一定的方式集中输出，最后经过输出端子驱动外部负载，在下一个输出刷新阶段开始之前，输出锁存器的状态不会改变，从而相应输出端子的状态也不会改变。
2.1.4PLC的功能特点
一．PLC鲜明的特点
1.抗干扰能力强，可靠性高
针对工业现场恶劣的环境因素，为提高抗干扰能力，PLC在硬件和软件方面都采取了许多措施。
主要模块均采取采用大模块与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；对电源部分采取了很好的调整和保护措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施，采用信息保护和恢复技术，实时报警和运行信息显示等，所以这使PLC具有很高的抗干扰能力。
PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件完成，传统的继电器控制系统中的逻辑器件和繁杂的连线软件被软件程序取代，所以PLC控制系统的可靠性就大大提高。
2.控制系统结构简单，通用性强
大部分情况下，一个PLC主机就组成一个控制系统。
对于需要扩展的系统只要选好扩展模块，进过简单的连接即可。
PLC控制系统实质性的好处是当控制要求改变时，需要变更控制系统的功能时，只需对程序进行简单的修改，对硬件部分稍作更改即可，而不像继电器控制系统那样，在一个装配好的控制盘上，对系统进行修改几乎是不可能的事。
同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入/输出组件和应用软件不同。
所以说PLC控制系统具有极高的柔性，即通用性强。
3.编程方便，易于使用
PLC是面向底层用户的智能控制器，因此其最初的目的就是取代继电器逻辑，所以在PLC诞生之时，其设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，其编程语言采用可和传统控制系统中电气原理图类似的梯形图语言。
这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门计算机知识和语言，只要具有一定的电气和工艺知识的人员都可以在短时间内学习。
4.功能强大，成本低
现在PLC几乎可以满足所有工业控制领域的需要。
PLC控制系统可大可小，能轻松完成单片机控制系统、批量控制系统、制造业自动化中的复杂逻辑顺序控制、流程工业中大量的模拟量控制，以及组成通信网络、进行数据处理和管理等任务。
5.设计、施工和调试的周期短
采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已经商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可以在PLC到货前进行，因而缩减了设计周期。
由于软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，从而缩短了施工周期。
因为PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样大大缩短设计和投运周期。
6.维护方便
PLC的输入/输出端子能够直观的反映现场信号的变化状态，通过编程工具可以直观地观察控制程序和控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常状态和电源状态，极大的方便了维护人员查找故障，缩短了对系统的维护时间。
二．S7-200的几个特性
1）定义掉电保护
S7-200PLC允许用户定义掉电保护区的地址范围，这些元件包括：
V、M、C、T。
被定义过的区间，可以在停电后任然保持存储器中的数据。
只有保持型定时器可以设为设为掉电保护的，对计数器和定时器来说，只有当前值可以保持，它们的位不能保持。
在默认情况下，M存储器的前14个字节是非保持的。
2）立即读写I/O
S7-200PLC提供有立即读写物理I/O点的指令，使用这些指令可以直接访问真正的输入/输出点，而不必使用映像寄存器作为源地址和目的地址来访问I/O。
3）对输入信号增加滤波器
干扰信号会引起系统的误操作，S7-200PLC允许为CPU模块上的输入点设置滤波器，并未滤波器定义延迟时间，延迟时间从0.2ms~12.8ms可选。
延迟时间可有助于滤除输入杂波，减少输入状态发生意外改变的可能性。
4）捕捉窄脉冲
S7-200PLC为CPU模块上的数字量输入点提供脉冲捕捉功能，该功能允许PLC捕捉到持续时间很短的脉冲信号。
当一个输入点设置了脉冲捕捉功能后，输入点的状态变化被锁存并一直保持到下一个扫描采样阶段，这就保证了一个持续时间很短的脉冲信号能被捕捉到。
5）模拟电位器
模拟电位器位于CPU模块的面板上，有些CPU有一个，有些有两个，电位器的标定范围为0~255。
这些电位器可以完成很多功能，如更新定时器、计时器的设定值、修改限定值等。
其特点是成本低、简单，但不直观、精度低。
6）高速I/O
S7-200PLC具有集成的高速计数功能，它能够对外部高速事件计数而不影响CPU的性能。
S7-200PLC也支持高速脉冲输出功能，其输出点Q0.0和Q0.1可形成高速脉冲串输出或脉宽调制输出。
7）设置停止模式下的输出值
有些情况下，为了安全等方面的原因，需要设置在停止状态下PLC的输出值。
S7-200PLC允许用户选择在STOP模式下的输出状态，输出有数字量信号和模拟信号之分，对这些输出信号，可以设置它们是保持STOP前的状态，还是将已知设定值传送到输出端。
2.2主排水控制系统
2.2.1排水系统原理
在手动控制排水系统的基础上加以改进，使排水系统具备手动和自动两种控制方式，达到智能工作的目的。
自动控制是指根据水泵、真空泵以及其它相关联设备的工作要求设定程序来自动完成控制。
而手动控制则需要操作员根据要求，按照一定顺序来进行水泵及其相关设备的开停控制。
系统采用PLC（可编程控制）为核心，通过采集各种参数包括水箱水位、压力、温度、真空度、电压、电流等，对水泵的工作状态进行实时监控，当接收到来自操作台的控制命令时，对水泵等电器设备进行启动、停止等相关操作，还可以将数据传至上位机，并通过上位机对井下排水设备进行监控。
具体来说，系统具有以下功能：
1.可以选择自动控制或是手动控制
2.水泵轮换工作。
以水泵的工作效率高为标准，对系统参数进行实时监测，优化排水系统的工作状态，使系统高效运行。
3.在自动控制下，可以根据水仓水位的变化，控制开关阀来控制水泵的工作状态。
4.实时监测系统参数，如电压、电流、轴温、出水口压力等。
5.对异常情况可及时发出警报，如高水位警报和其他故障警报。
6.实现避峰就谷，根据不同时间电费的不同结合矿井的用水量和用电负荷，合理调度水泵的工作状态，实现节能的目的。
7.排水系统和上位机实现数据交换，实现数据记录、查询等功能。
2.2.2系统组成
煤矿井下主排水自动控制系统主要由远程控制上位机、PLC控制箱、显示操作台、阀门、传输光缆、传感器、交换机等设备组成，根据硬件结构可分为三层：
现场层、控制层和管理层。
图2.3井下主排水系统自动控制系统结构图
如图2.3所示，管理层中网络视频服务器与井下的防爆摄像仪通过以太网通信，实现对中央住水泵房工作情况的实时监控。
上位机用于监控井下主排水自控系统，通过以太网与PLC控制箱进行信息交换，并根据摄像仪显示的现场层水泵及相关联设备的参数信息对其进行远程控制。
控制层包括PLC控制箱和显示操作台。
PLC控制箱作为主排水控制中心和数据采集中心，用来采集水泵及相关联设备的运行信息，并与管理层的上位机通过以太网进行实时数据交换
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