基于PLC的井下排水控制系统设计.docx

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基于PLC的井下排水控制系统设计

摘要

矿井下排水设备的正常运行对保障矿井正常安全生产起着相当重要的作用。

目前，国内大部分矿山排水系统仍旧使用继电器控制的常规手段，人为地进行检查。

这种检查和控制的手段因控制线路复杂，可靠性低，工作强度大已不能满足矿业开发的设备运行和要求。

本文设计的排水控制系统由PLC与PC监控的组合控制，这样它避免了常规继电器控制方法的短缺和限制，改进了运行的可靠性和稳定性。

这种系统具有较长工作寿命和维护方便的特性。

依据一些矿井的现实情况，本文首先选择和设计排水设备，然后设计了基于排水控制要求的自动控制系统。

本系统采用西门子S7-300系列PLC并具有自动，半自动和手动工作模式可供选择。

为了防止长期运行水泵和管道磨损严重及防止备用水泵和管道的电动机和电气设备长期闲置受潮或其他故障没有被发现，本系统设计了水泵及管道的自动轮换工作制。

又根据“避峰填谷”的原则和系统抗干扰的能力完善控制系统。

总而言之，PLC与PC机组合的自动排水系统的优点是传统继电器控制系统无法媲美的。

同时，该系统也改善了现有排水系统存在的不足。

因此，它对矿井安全、自动化生产具有相当重要的意义。

关键词排水系统，PLC，自动控制，抗干扰

ABSTRACT

ThenormaluseofdrainageunderminewellisveryimportantEquipmentforensuringnormalProductionofminewell.Atpresent,mostdrainagesystemsofalldomesticmineswelladoptconventionalmeansofrelayControlling,inspectedartificially.Thiskindmeansofinspectionandcontrolcan’tmeettherequirementofminingdevelopmentforitscomplicatedcontrolcircuit,lowreliabilityofequipmentrunningandgreatworkingintension.TheautomatismdrainagesystemdesignedinthistextcombinedcontrolbyPLCwithstakeoutbyPC,sothatitmadeupavarietyoflimitationandshortageofconventionalmeansofrelaycontrollingandimprovedrunningreliabilityandstability.Thissystemhascharacteristicsoflongoperatinglife-spanandConvenientmaintenance

Accordingtoactualconditionsofsomeminewell,atfirstthistextchoseanddesignedequipments,thendesignedautocontrolpartbasedondrainageControlrequest.ThissystemadoptsS7-300PLCseriesproducesbySIEMENSandhasautomatic,semiautomaticandmanualworkingmodestochoose.Inordertopreventrunningwaterpumpsandpipelinesfromwearingtoobadlyandpreventelectromotorandelectricequipmentsofstandbywaterpumpsandpipelinesfrombeingaffectedwithdamportheirtroublenotbeingfoundintime,waterpumpsandpipelinesOfthissystemarecontrolledtoruninturnautomatically.Accordingtotheprincipleof"avoidingthepeaktothevalley"andtheabilityofanti-jammingtoimprovethecontrolsystem.

Inconclusion,theautomatismdrainagesystemcombiningPLCwithPChasAdvantagesthatconventionalsystemcontrolledbyrelayisunabletocomeupto.Atthesametime,thissystemhasmadeupavarietyofshortageoftheautomatismdrainagesysteminexistence.Soithasveryimportantmeaningforsecureautomaticproductionofmine.

KeyWordsdrainagesystem,PLC,autocontrol,anti-jamming

目录

摘要Ⅰ

ABSTRACTⅡ

目录Ⅲ

1绪论1

1.1矿井下排水系统概况1

1.2国内外研究现状2

1.3本课题研究的主要内容及意义2

2井下排水控制系统介绍3

2.1功能设定3

2.2控制系统总体结构4

2.3统中的检测元件5

2.3.1水位测量5

2.3.2压力测量6

2.3.3流量测量6

3井下排水控制系统设计7

3.1可编程控制技术7

3.1.1可编程控制器的主要特点及功能7

3.1.2可编程控制器的发展趋势8

3.1.3PLC系统选型9

3.1.4PLC控制系统的主要抗干扰措施10

3.2PLC的软件设计12

3.2.1操作方式的选择12

3.2.2水泵及管路的自动轮换工作13

3.2.3水泵启动过程的程序实现16

3.3监控画面设计27

结论29

致谢30

参考文献31

1绪论

1.1矿井下排水系统概况

矿井水是指由于采矿活动对区域水文地质系统的破坏，从而改变地表水和地下水的流向，最后汇聚在采空区或者采动场所，并在汇聚的过程中遭受污染的水体。

采矿作业中会常常看到其流入工作面和巷道。

它的形成一般是因为采空区塌陷等原因波及到水源导致的，其来源主要是降水、地表水、含水层水等等。

而大量的矿井水会严重威胁矿井的安全生产，突发时甚至会危及生产作业人员的生命，造成重大的人员财产损失，因此，排水设备就成为了矿井下生产作业必不可缺的设备，它对保障矿井的正常运转起到很关键的作用。

尽管每个矿区的地质不同，但是矿井水的形成以及制约因素都有或多或少相同的特点。

矿井水一般有两种赋存形式，一种是在采矿的过程中随聚随排的过路水，为保障安全生产工作必须将其疏排；另一种是在矿井或巷道封闭一段时间之后汇聚而成的滞留水，其在取用前循环性与交替性极差。

依据矿井水的成因和它的赋存形式可知其为矿区水资源系统的一个特定组成部分，也是一个具有补给能力的含水系统中的特殊单元，但是因为采动裂隙的扩大或贯通而导致渗流条件改变，使不同水文地质系统的地下水直接向采空区汇聚排水。

而其排水方式亦可分为两种，一种是自流法排水，此法是通过使用倾斜的坑道将水排放到露天的水沟再进行处理；另一种则是扬水法排水，是利用排水设备将水排至地面后再处理。

排水设备又可以按工作地点分为固定式和移动式。

固定式排水设备的工作原理是主排水设备负责将矿井的大部分水排至地面，辅助排水设备则将下一开采水平的水排至主排水设备所在水平，区域排水设备则将所在区域的矿井水排至地面，转载排水设备则将因反向坡度而不能以自流方式到主排水设备的水转载过去，中央排水设备则将涌水量不大的矿井涌水汇聚到一起排出矿井。

固定排水设备应实现以下功能：

工作水泵在20小时内应当能排出24小时的正常涌水量，备用水泵的能力应不小于工作水泵的能力的70%，工作和备用水泵的总能力应达到正常工作水泵的排水能力，检修水泵的能力最低不小于工作水泵能力的25%。

工作及备用排水管路的能力应与工作及备用水泵的能力相配。

配电设备应足够供工作和备用水泵同时开动，主排水泵房应有至少两回路供电线路，且每一回路都能在另一回路发生故障时担起全部负荷的供电能力。

主排水设备应该具备针对涌水突然增多而导致设备被淹的预防措施。

移动式排水设备为了达到排水的目的而要求水泵随着工作面前进或者水位下降而移动，所用的水泵和电机均安装在设备整体的底架上，绞车用钢绳牵引底架移动。

移动式排水设备应实现以下功能：

有较好的吸水性，能够排出泥水。

较小的尺寸以做到快速、方便的移动。

适合水流量变化不大而扬程变化较大的需要。

综上所述，设计一套有效的井下排水控制系统是非常必要的，且在矿井涌水速度有变化时此系统均应及时将水排出。

1.2国内外研究现状

伴随着采矿工程的发展，井下排水系统也随之而产生。

现在控制理论和检测技术的发展，又使得自动排水系统在理论和实践上的研究都取得了一些进展。

目前国内的研究工作，大部分是从井下排水控制系统的可靠性和节能的角度去研究。

首先是对中央泵房水泵自动控制系统的成功改造，结果可以证明以计算机进行单台水泵的“水泵控制系统”改建和以矿井监控为主的“矿井监控系统”组成的“矿井排水自动控制系统”是一种可行的方法。

之后的几年，国内研究人员又针对煤矿井下排水系统耗能大的特性分别从离心式水泵，排水管路，电动机三方面开始了对井下排水系统的节能改建工作。

某设计研究院提出使用PLC自动检测水位、管道压力、流量等数据，根据水位高低和参考矿井的用电情况，建立数学模型，达到了水泵运行的避峰填谷的效果，有效地节省了矿井在排水系统上的能耗。

而国外的研究多从管道长期的维护和清理以及井下水的质量对排水设备造成的影响等更细化的方面进行研究。

俄罗斯研究人员根据费用相等的原理，推导出水泵最佳使用周期和管道清理周期的两种形式相似的计算公式，从科学的角度阐述水泵使用和管道清理，提高了整个排水系统的安全性能。

英国、德国、加拿大、西班牙等国根据本国矿井存在的一些实际环境问题，例如对酸性的矿井排水问题进行了大量的研究。

1.3本课题研究的主要内容及意义

本文提出了用PLC控制系统代替传统继电器控制系统，进行排水设备的选择设计。

根据排水控制的要求，进行PLC硬、软件的设计，以满足自动轮换工作机制要求，又充分考虑“避峰填谷”的原则并采取抗干扰措施以使系统高效稳定工作。

建立PLC与上位机的通信进行画面监控，做到发生事故可以及时发现处理。

目前我国井下排水系统中的一些重要工作环节例如水位监测、配电设备的运行操作等仍依靠人工操作。

大多数矿井使用继电器、接触器控制系统中包含且使用了大量的机械触点，线路比较复杂，在长期使用的过程中继电器触点在开闭时暴露在空气中易受灰尘污染易导致接触不良而误动作，从而使设备运行的可靠性降低。

在PLC控制系统中，PLC采用微电子技术，大量开关动作均由无触点的电子器件完成，只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，通过设计软件