基于S7300PLC的煤矿井下中央泵房控制学士学位论文.docx
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基于S7300PLC的煤矿井下中央泵房控制学士学位论文
基于S7-300PLC的煤矿井下中央泵房控制
摘要
本文对煤矿井下中央泵房控制系统的硬件系统设计、软件系统设计以及系统的抗干扰措施进行了详细设计。
本系统采用SIEMENS的S7-300PLC，并结合各种传感器（主要为水位传感器、负压传感器、压力传感器、流量传感器、振动传感器、温度传感器等），完成系统中要实现的控制方式选择、故障报警等功能。
本系统采用水泵及管路的“自动轮换”工作制。
采用台达人机界面就地监控系统中设备的参数，并进行现场的就地手动控制，做到有故障及时发现并尽早处理。
S7-300PLC采用RS485通信标准与地面监控中心上位机进行通信，对排水系统实施全面的监控，并能进行远程控制。
关键词：
PLC传感器排水系统自动控制
ABSTRACT
Inthispaper,theselectionanddesignofdrainageequipment,thenaccordingtothedrainagecontrolrequirements,thedesignofautomaticcontrol.ThesystemusestheSIEMENSS7-300PLC,andcombinedwithavarietyofsensors（mainlyforthewaterlevelsensor,pressuresensor,pressuresensor,flowsensor,vibrationsensor,temperaturesensor）,controlmodetoachievethesystemchoice,alarmandotherfunctions.Thissystemusesthewaterpumpandpipeline"turns"workingsystem.Avalley"principletodeterminethenumberoftheopening"pumpaccordingtoavoidpeak,inordertoachievethepurposeofsavingthepower.TheparametersoftheequipmentofdeltaHMImonitoringsystemofinsituPCend,andlocalmanualcontrolsite,dohavethefaulttimelydetectionandearlytreatment.S7-300PLCcommunicationusingRS485communicationstandardandthegroundcontrolcenterPC,theimplementationofacomprehensivemonitoringofthedrainagesystem,andiscapableofremotecontrol.
Keywords：
PLCsensordrainagesystemautomaticcontrol
目录
1绪论1
1.1课题的研究意义1
1.2国内外研究现状1
1.3课题主要研究内容2
2系统总体设计3
2.1课题设计要求分析3
2.2课题设计功能分析4
2.3硬件和软件功能划分7
3系统硬件设计9
3.1CPU的选型9
3.2传感器的选型设计10
3.3开关量输入通道21
3.4显示模块的设计23
3.5开关量输出通道25
3.6通讯模块设计26
3.7供电电源27
3.8系统排水设备的选型设计28
4系统软件设计31
4.1系统软件的综述31
4.2PLC程序设计31
4.3触摸屏显示界面设计38
5系统抗干扰设计42
5.1常见干扰源42
5.2排除干扰的措施43
6总结45
致谢47
参考文献46
附录48
附录1系统图纸48
附录2外文文献翻译54
1绪论
1.1课题的研究意义
煤矿井下主排水泵房承担了将井下的涌水排到地面的重要任务，为煤矿的安全生产提供必要的保障。
针对煤矿生产中的重要机电设备主排水泵房进行自动化控制，对保障煤矿的安全生产具有十分重要意义。
在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下。
矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关，涌水量在不同的季节也存在不同。
如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产可能受到阻碍，井下的安全得不到保障，严重者会造成重大事故。
煤矿井下中央泵房控制系统具有控制简单、可靠、经济等优点。
所以，基于PLC的井下排水中央泵房的控制系统的研究对煤矿的安全、高效生产具有非常重要的意义。
1.2国内外研究现状
矿井中央泵房是矿山企业的机电要害场所，直接影响到矿山企业的安全生产，现在国内矿山企业矿井中央泵房的自动化水平还不是很高，这影响了生产的安全性和高效性，矿井中央泵房自动控制可以有效解决这些问题。
井下的水泵功率大、电压高、启动复杂，水泵启动前吸水管路的充水，通常采用抽真空吸水的方法来完成。
现在泵房内设备的运行与管理以及水仓水位的观察，普遍采用人工操作方式，操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长、自动化程度低、不适应现代化矿井管理。
井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。
传统的继电器控制方法，用人工进行检测，这种检测控制方法效率低，劳动强度大，且由于井下环境恶劣，故障率较高。
所以靠人工检测的方法已不适应国内外煤炭行业发展的需要，取而代之的是自动化排水系统。
由于矿井排水系统属于多变量、非线性、时变的复杂系统，特别是在管道和水泵等环节中，各变量之间又存在着交叉，因此国内外矿井排水系统普遍采用模糊控制的方法进行动态监测和故障诊断。
目前，PLC在国内外工业控制中已获得广泛应用，在矿井排水系统中，采用PLC自动监测排水系统的运转状况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵启动的自动切换等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性高。
1.3课题主要研究内容
针对上述排水系统存在的问题，本文提出了基于Siemens的S7-300PLC的矿井主排水系统自动化控制系统的设计。
自动控制系统的应用，将使得排水系统可靠性增强，整个工作流程通过软件的编程来实现，程序确定后，水泵机组将按给定的程序自动启停水泵、开关阀门，极大的减小工人的劳动强度。
PLC将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机，管理人员在地面即可掌握井下中央泵房设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下中央泵房的遥测、遥控。
2系统总体设计
2.1课题设计要求分析
本设计主要实现了如下功能：
（1）根据井下水仓水位的高低自动控制3台水泵的运行；
（2）具有过流、过压、短路、流量等保护信号的监测功能；
（3）具有以下三种工作模式：
自动控制工作模式、就地手动控制工作模式、远程控制模式；
（4）就地显示功能：
可以实时显示系统工作方式、三台水泵的状态、电源电压、电流、各水泵的振动、电机绕组温度、管网的压力、水仓水位等参数；
（5）报警功能：
1振动超限
2电机温度超限
3水位超限
4过电流
5过电压
（6）通信功能：
通过与上位机的通信，实现远程监测中心对排水系统各参数及各设备的运行状态进行远程监测以及远程实时控制。
排水系统结构图如图2.1所示。
图2.1排水系统结构图
井下排水系统的主要构成器件有水泵、真空泵、排水管以及各种闸阀。
2.2课题设计功能分析
该排水系统在实现排除井下积水功能的前提下，实现全程的自动控制，根据课题的设计内容分析可知设计主要实现的功能有排水自动控制功能、上位机显示功能、故障报警功能、上位机参数设置功能等，下面根据功能框图对各部分功能具体介绍。
图2.2排水系统功能结构框图
该控制系统由模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块以及上位机通信构成。
模拟量输入模块和数字量输入模块输入的信号经过CPU模块的处理后经过数字量输出模块输出并完成与通信模块的通信。
该系统选用PLC作中心控制器，模拟量输入模块主要输入温度传感器、压力传感器、电流电压传感器等的数值；数字量输入模块主要是水泵电机的开关信号；数字量输出模块是电机及闸阀的控制输出；通信模块将上位机与PLC连接，进行通信。
2.2.1排水自动控制功能
该系统处于排水自动控制过程时，由液位传感器连续检测水仓水位，根据水仓和吸水井的水位，自动开停水泵及其阀门，在正常水位时，各台水泵能自动轮换工作，在危险水位时，自动投入必要数量的水泵运行。
具体控制流程如下:
（1）当水仓水位达到高水位时，水位传感器发出开泵信号，由PLC控制按程序进行开泵操作。
（2）灌引水，开启抽真空管路上的电动球阀，再开启真空泵，利用泵体内形成的真空度对泵体进行灌引水，达到启动主水泵的条件。
（3）启动主排水泵：
根据压力传感器反馈信号，决定启动主排水泵。
首先通过PLC控制启动高压柜，然后根据高压柜开闸合闸信号反馈，启动高压软启动装置，实现对主水泵的软启动。
（4）水泵正常启动后，PLC控制电动闸阀开启，实现正常排水。
（5）当水仓水位达到低水位时，水位传感器发出停泵信号，由PLC控制按程序进行停泵操作，停泵操作顺序与开泵操作顺序相反。
2.2.2故障保护、报警功能
水泵电机容量大，耗电量高，属一级负荷。
因此，对排水设备自动控制系统的安全性、可靠性要求较高。
本系统设有以下保护：
（1）过电流、过电压、漏电保护：
PLC通过接在电机电源主回路里的电量检测模块实时监测出电机电流、电压等，把这些数值通过模拟量输入模块传输到可编程控制器，由可编程控制器PLC计算、判断电动机工况。
当出现故障时，控制相应的执行机构或保护装置动作，故障报警。
（2）超温保护：
水泵长期运行，当轴承温度或定子温度、电机温度超出允许值时，通过温度保护控制使水泵停车。
（3）流量保护：
当水泵在运行过程中，其排水量达不到正常值时，应通过流量保护装置使水泵停止运行。
2.2.3参数设置及显示功能
系统通过触摸屏以图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时的反映系统工作状态以及水仓水位、流量、压力、电机温度等参数，并通过通讯模块与综合监测监控主机实行数据交换。
此外，系统设计还可以通过触摸屏来对相应参数（如温度上下限、电压电流限值、水位值等）进行该设置。
系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点，并可以节省水泵的运行费用。
排水检测系统的特点如下：
（1）实行在线监控
监控系统对水泵房设备运行实行在线监控，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守，并通过网络与矿井监控系统进行数据交换，接受管理人员指令。
（2）控制灵活
可实现多种控制方式之间的切换，应用于不同的工作环境下。
一般情况下，根据水位情况自动运行，故障检修或系统维修时，可使用半自动或手动方式，即可对运行环节“截断”操作。
2.3硬件和软件功能划分
设计系统分硬件和软件两大部分，硬件部分主要包括模拟量采集通道设计、开关量输入通道、开关量输出通道、可编程逻辑控制器的概况、CPU的选型、供电电源、显示模块、上位机通信、泵的介绍设计等几部分，主要在于对该设计硬件组成作详尽的介绍。
而软件部分主要有设计综述、主程序设计、主要子程序设计、上位机通信几部分，其完成的主要功能为通过控制模拟通道对数据进行采集、完成对数据的转换、设置，并通过通信将其显示在上位机上。
3系统硬件设计
3.1CPU的选型
CPU是PLC系统的运算控制核心。
它根据程序的要求完成以下任务：
接收并储存用户程序和数据，接受现场输入设备的状态和数据，诊断PLC内部电路工作状态和编程状态中的语法错误，完成用户程序规定的运算任务，更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，完成输出控制或数据通信的功能。
考虑到设计中I/O点数可能有疏漏，并考虑到I/O端的分组情况以及隔离与接地要求，应在统计后得出的I/O点数基础上，增加10%到15%的余量。
PLC的I/O点数估算值大小，在很大程度上反映了PLC系统的功能要求，因此可以在I/O点数估算值的基础上计算对PLC存储器容量的需求。
目前，大多用统计经验公式进行存储器容量估算。
这种方法是以PLC处理每个信息量所需存储器数的统计平均经验值为依据，乘以信息量数再考虑一定的余量计算得到存储器需要容量。
作为一般应用下的一种经验公式是：
存储器容量（KB）=（1.1-1.25）×（DI×10+DO×5+AI/O×100）/1024
其中：
DI为数字量输入总点数；
DO为数字量输出总点数；
AI/O为模拟量I/O通道总数。
DI点数估计值为32×1.15=37，DO点数估计值为25×1.15=29，AI通道估计值为43×1.15=50个。
PLC是为工业自动化而设计的通用控制器，不同档次的PLC的响应速度一般能满足应用范围内的需要。
如果要跨范围使用PLC，或者应用中的某些功能或信号有特别的速度要求时，确定PLC的型号就应特别慎重。
通过上面的计算，考虑到系统通讯要求，选用西门子S7-300系列中的CPU315-2DP是最合适的。
其中最主要的原因是CPU315-2DP是S7-300系列中唯一带现场总线SINECL2-DP接口的CPU模块。
内置80KBRAM，随机存储器为48KB，最大数字量I/O点数为1024个，最大模拟量I/O通道数为128个。
最大配置4个机架，32块模块。
满足设计需要。
3.2传感器的选型设计
该设计中传感器的信号输入为模拟信号，设计中采用SM331模拟量输入模块，该模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。
A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，积分时间直接影响到A/D转换时间和A/D转换的精度。
被测模拟量的精度是所设定积分时间的正函数。
SM331可选4档积分：
2.5ms,16.7ms,20ms,100ms，相应对的精度为9,12,12,14位，设计中选择8通道12位模拟量输入模块。
硬件连接图见附录图9.1、图9.2、图9.3、图9.4。
该设计所用模拟通道总路数为43路，具体如下表3.1。
表3.1模拟量输入通道统计表
模拟量输入
路数
水仓水位
1
水泵真空度
3
水泵轴承温度
6
电机温度
15
水泵出水口压力
3
电机电压
3
电机电流
3
水泵电动阀开度
3
排水管流量
3
电机振动
3
总计
43
下面对于所用模拟通道各路的外部链接作具体介绍，分别为液位传感器、流量传感器、负压传感器、温度传感器、压力传感器、电流电压传感器、振动传感器。
3.2.1液位传感器的选型设计
（1）超声波液位传感器
超声波传感器由两部分组成，即换能器和液位传感器主控箱。
其主要功能是检测声头到液面的距离，由微处理器计算液位参数，输出模拟信号。
超声波液位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。
如果从反射超声波脉冲开始，到接受到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对水位进行测量。
根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。
单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各使用一个换能器。
超声波发射和接收换能器可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图3.1所示。
对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为：
（3.1）
则
（3.2）
式中：
h─换能器距液面的距离；
C─超声波在介质中的传播速度。
从以上公式中可以看出，只要测的超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的液位。
图3.1超声波液位传感器
超声波液位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，本设计中采用QF-9000防爆型超声波液位传感器，其技术参数如表3.2所示。
表3.2超声波液位传感器技术参数表
型号
QF-9000
测量范围
0～70m
测量精度
±3mm或3～5‰
重复精度
1‰
频率
40KHz/24KHz
输出
4～20mA、RS485协议
应用场合
防爆环境
供电电压
DC24V150mA
（2）投入式液位传感器
投入式液位传感器是一种测量液位的压力传感器，基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号，如图3.2所示。
图3.2投入式液位传感器
具体的来说是：
传感头根据水中的压力与空气中的压力差，传感头把水位的高度变换成压力差，再把压力差转换成微弱的电信号，该微弱的电信号经放大器放大后送A/D变换器，单片机采集数字信号经运算处理后，输出的水位高度用数码管显示，同时输出对应的输出信号。
上述两种液位传感器是基于不同的工作原理设计和制造出来的，分别适用于不同的工作场所。
当然有些场所可以使用两种当中的任何一种，也可以同时使用在同一个被检测对象。
由于煤矿井下的排水系统重要的安全地位，而水位传感器是整个排水系统的嗅觉器官。
也就是说，一旦水位传感器失灵，后面的排水硬件和响应软件设置得再好都无法启动。
所以，本设计采用精度较高的超声波液位传感器。
3.2.2负压传感器的选型设计
KGY4型负压传感器由供电电源、传感头、放大器、A/D变换器、单片机、显示电路、输出电路等部分组成。
传感器的电源部分向传感头提供电源，传感头把压力差变换成微弱的电信号，放大器把微弱的电信号加以放大然后由A/D变换器将模拟的电信号变换成数字信号，单片机对数字信号进行运算和处理把压力值通过数码管显示出来，并且把压力值以电流信号输出。
KGY4型负压传感器的主要技术指标如表3.3所示。
表3.3KGY4型负压传感器的主要技术指标
输入
-100kPa
测量介质
对不锈钢不腐蚀的气、液体
工作方式
负压、真空度
工作电压
5VDC或10VDC（24V）
输出
100mv或0～5V、4～20mA
零位输出
≤2mV
综合精度
0.05%
非线性
±0.1%ES（典型值）
工作温度范围
-40～120℃
温度漂移
0.025%ES/℃
3.2.3压力传感器的选型设计
（1）压阻式压力传感器原理介绍
压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。
压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。
压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。
图3.3为压阻式式压力传感器。
压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。
硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。
硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。
在圆形硅
图3.3压阻式压力传感器
膜片（N型）定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。
硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。
（2）HS-956系列薄膜压力变送器
在本系统中使用了HS-956系列薄膜压力变送器。
HS-956系列薄膜压力变送器由高性能的薄膜压力传感器与信号调理电路组成。
该系列产品技术独特、性能优越，具有体积小、重量轻、安装简便、能在恶劣环境长期稳定工作的特点，特别符合频繁冲击压力的测量。
是目前理想的流体压力测量仪表。
主要技术指标：
介质：
液体、气体或蒸汽；
输出：
两线制4～20mA.DC；
量程：
60MPa；
电源：
24V.DC，无负载时可工作在12V.DC，最大电源电压36V.DC；
输出限制：
变送器过压时，内部限流器输出电流限制在25mA以下。
3.2.4流量计的安装及使用
（1）水泵的流量与水泵出口的闸阀开度和出口压力、电动机电流有直接的关系，这些参数之间相互结合可以检测出水泵、电动机的性能和工况，因此水泵出口流量的检测有非常重要的意义。
水泵出口流量的检测有两种布置方式：
1流量检测器安装分别安装在水泵出口的分支管路上；
2流量检测器安装在水泵的总管路上。
两种安装位置的比较，采用
的安装方式可以满足需求。
采用
的安装方式可以保证准确测量每一个水泵在每个工作过程中的流量。
从而可以比较准确的判断出每个水泵机组的工作特性。
但是结合煤矿井下排水过程的特点：
水泵的工作方式（轮番启动），如果采用
所示的安装方式，也可以判断出每个水泵的流量，但是需要比较复杂的软件设计来实现。
软件中可以通过检测干路中的流量总和和所开启的水泵数目，可以得到整个排水泵点击机组的工况。
因此处于造价、硬件系统的复杂等方面的考虑，优先选择
的方式设置流量计。
（2）电磁流量计工作原理
电磁流量计由电磁流量转换器和电磁流量传感器组成的。
电磁流量转换器是为电磁流量传感器提供电源，并将其测量的流量信号整定成为标准的4～20mA电流等其他形式的信号。
电磁流量传感器是根据法拉第原理制成的一种流量计，用来测量导电液体的流量。
其原理图如图3-7所示，它是由产生均匀磁场的系统、不导磁材料的管道以及在管道横截面上的导电电极组成。
磁场方向、电极连线、管道轴线三者之间是相互垂直的。
当被测导电液体流过管道时，切割磁力线，于是在和磁场及流动方向垂直方向上产生感应电动势，其数值与液体的流速成正比。
即
E=BDv（3.3）
式中：
B─磁感应强度（T）；
D─切割磁力线的导体液体的长度（为管道内径）（m）；
v─导电液体在管道内的平均流速（m/s）。
由式（3-7）得被测导电液体的体积流量为
（3.4）
因此，知道感应电动势就可以测出导电液体的流量。
图3.5电磁流量传感器原理图
理论上认为磁感应强度B是常量，即直流磁场。
但直流电势将使被测液体电解，使电极极化。
正电极背负离子包围，负电极被一层正离子包围，加大了电极的电阻，破坏了原来的测量条件。
同时内阻增加随被测液体成分的变化和工作时间长短而变化，因而使输出电势不固定，影响测量精度。
而对被测量介质的流量测量采用交流电（频率为50Hz）励磁的交流磁场，即
（3.5）
感应电动势为
（3.6）
所以体积流量为
（3.7）
为了避免测量管路引起磁分流，故需要用非导磁材料做成。
另外，由于测量管路处于较强的交流磁场中，管壁产生涡流，因而产生二次磁通。
为了减少涡流，要求测量管路的材料具有较高电阻率。
且对于不同直径的电磁流量计，其电极、测量管路都采用不同的材料做成。
随着工业生产技术的加强和进步，各种智能型电磁流量计已经很容易地制造出来，并应用于测量管道中导电液体的体积流量，如水、污水、泥浆、矿浆、酸、碱、盐
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