中央泵房自动控制系统的设计与维护.docx
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中央泵房自动控制系统的设计与维护
天津冶金职业技术学院
毕业课题设计
中央泵房自动控制系统的设计与维护
系部电气工程系
专业过程自动化
班级过控09-2班
学生姓名王风云
指导教师李清盛
2012年05月10日
摘要
文章进行了排水设备的选型设计，然后根据排水控制的要求，进行自动控制方面的设计。
本系统采用SIEMENS的S7-300系列PLC，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、流量传感器等），完成系统设计中要实现的控制功能。
本系统采用水泵及管路的“自动轮换”工作制。
又根据“避峰填谷”的原则确定开启水泵台数，以达到节省用电的目的。
在就地PC端，采用易控组态监控系统监视设备的运行情况及各个运行参数，做到有故障及时发现并尽早处理。
S7-300通过CP340通讯模块，采用RS-232C通信标准与就地PC建立联系。
关键词：
PLC、排水系统、自动控制
目录
摘要I
第一章绪论1
1.1排水系统概述1
1.1.1矿井生产过程中排水的重要性1
1.1.2矿井排水系统的组成部分2
1.2井下排水系统存在的问题4
第二章矿井自动排水系统的各种参数与检测6
2.1水仓水位的检测7
2.1.1液位传感器介绍7
2.1.2液位检测装置的选择11
第三章基于PLC的井下自动排水系统总体设计13
3.1控制系统总体结构13
3.2基于PLC的矿井主排水控制系统设计13
3.2.1PLC的主要特点14
3.2.2PLC的基本工作原理18
总结23
参考文献25
第一章绪论
井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，担负着井下积水排除的重要任务。
然而，目前我国的井下排水系统仍由很多依靠传统的人工操作方式。
本章分析这种排水系统的组成及工作过程，指出其存在的问题，为井下主排水系统自动控制的研究提供依据。
1.1排水系统概述
1.1.1矿井生产过程中排水的重要性
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系，涌水量在不同的季节也呈现不同。
在一些大水矿井，矿井涌水量可达到每秒17立方米，甚至超过每秒20立方米。
另外，煤炭开采过程中，由于地层结构被破坏，岩层断裂，使采区与储水层连通，发生突水事故，涌水量会突然增加。
如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产就可能受到阻碍，井下的安全就会得不到保障，严重者会造成重大事故。
给人民的生命、国家的财产都带来了极大的威胁。
因此，井下排水就显得尤为重要。
井下自动排水系统的任务就是把流入井下煤矿巷道中的矿井积水排送至地表。
根据统计，每开采1吨煤就要排出2--7吨矿井水，有时甚至要排出30--40吨矿井水。
井下排水设备所配备电机的功率，小的几千瓦到几十千瓦，大的几百千瓦到上千千瓦、在我国煤炭行业中，井下排水用电量占原煤生产总耗电量的18%--41%，一般为20%左右。
因此，井下排水设备运转的可靠性（安全运转）与经济性（效率高、电耗量小），具有十分重要的意义。
1.1.2矿井排水系统的组成部分
井下排水系统一般采用离心式水泵，一些小型煤矿或浅水井临时排水系统也采用潜水泵。
离心式水泵排水系统主要由离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成。
①滤水器和底阀
滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于O.5m。
其作用是防止井底沉积的煤泥和杂物吸入泵内，导致水泵被堵塞或被磨损。
在滤水器内装有舌型底阀，其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水，以及停泵后的存水不致漏掉。
但是现在的排水系统中，为了提高排水效率，减小水泵腐蚀，一般不用底阀，而用射流泵或真空泵为水泵和吸水管注水。
②闸阀
调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止阀的下方。
其功用为:
①调节水泵的流量和扬程；
②起动时将它完全关闭，以降低起动电流。
调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小，安装时无方向性，能够方便地来调节水泵的流量和扬程等。
其缺点是密封面容易擦伤，检修较为困难，高度尺寸较大，在安装位置受到限制时，安装不便，结构较复杂，价格较高。
放水闸阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上，其作用为检修排水管路时放水用。
③逆止阀
逆止阀安装在调节闸阀的上方，其作用是当水泵突然停止运转（如突然停电）时，或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时，能自动关闭，切断水流，使水泵不致受到水力冲击而遭到损坏。
④灌引水漏斗、放气栓和旁通管
灌引水漏斗是在水泵初次起动时，向水泵和吸水管中灌引水用。
在向水泵和吸水管中灌引水时，要通过放气栓（又叫气嘴）将水泵和吸水管中的空气放掉。
当排水管中有存水时，也可通过旁通管向水泵和吸水管中灌引水，此时要将旁通管上的阀门打开。
此外，还可通过旁通管，利用排水管中的压力水的反冲作用，冲掉积存于水泵流通部分和附着于滤水器上的杂物，但此时须通过连接在底阀上的铁丝或链条将底阀提起。
⑤压力表和真空表
压力表安装在水泵的排水接管上，为检测排水管中水压大小用。
常用的压力表为普通弹簧管压力表，根据其结构特征可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。
表壳的公称直径有60mm,100mm,150mm,200mm和250mm五种。
压力表所测出的压力叫做表压力或相对压力，它比绝对压力小1个大气压。
真空表安装在水泵的吸水接管上，为检测吸水管的真空度用。
根据其结构特征也可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。
表壳的公称直径和压力表一样，也分为60,100,150，和250mm五种。
真空表测量范围为0--0.1MPa（一个大气压）。
⑥射流泵或真空泵
离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵腔内注满水才能进入运行状态，否则水泵转动时将无法吸水，形成“干烧”，严重影响水泵的使用寿命。
在无底阀的排水系统中，水泵每次起动都要灌水，这一工作由抽真空设备完成，一般使用射流泵或真空泵。
如图1-2所示。
它们的工作原理不同，但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真空度，保证系统正常工作。
1.2井下排水系统存在的问题
目前，我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人工操作排水系统，以离心式水泵系统为主。
这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础，泵站的起停时间判断，完全依赖于工人的经验和已有的操作规程。
当水仓水位到达设定的高水位时，工人打开射流泵（或真空泵），为水泵抽真空，同时观测真空表的读数。
真空度达到要求后，起动水泵机组，使水泵运转。
当水泵出水口压力表读数达到要求时，开起闸阀进行排水，同时关闭抽真空的射流泵（或真空泵）。
停泵过程要进行相反的操作。
当水仓积水降至低水位时，先将闸阀关死，再停水泵机组。
根据现场涌水量的不同，工人还要判断同时投入几台水泵工作，以便于既能及时排出积水，又能使泵站合理使用，避免过度频繁的起停。
其存在的问题有如下几点：
①效率低、可靠性差。
这种排水系统的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的完成各个执行件的操作。
另外，对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验。
作业过程比较复杂，要求工人具有很强的责任心，否则可能出现误操作，甚至发生大的事故。
②工人劳动强度大。
人工操作无法避免高强度的劳作。
尤其是闸阀的操作，劳动量最大。
而且，水泵房要时时有人值守，以便在发生异常情况时，及时报警检修。
第二章矿井自动排水系统的各种参数与检测
排水装置要实现自动控制、无人职守，最根本的就是让控制系统了解自动化系统中各个设备的状况和运行状态。
这些运行状态经过系统中央处理单元的分析和运算后，做出判断并显示给集中监控室。
图主排水泵自动化监控系统图
排水装置实现自动化的过程中，必须对图所示参数进行检测，本章将对以下5个监控的参数展开论述并给出检测的方法和可实现性。
（1）水仓水位的检测
（2）水泵流量的检测
（3）水泵压力检测
（4）水泵负压检测
（5）电机及水泵温度检测
2.1水仓水位的检测
2.1.1液位传感器介绍
一、超声波液位传感器
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。
如果从发射超声波脉冲开始，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液位进行测量。
根据发射和接受换能器的功能，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受各使用一个换能器。
下面就单换能器的超声波传感器加以介绍。
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3-2所示。
图超声波液位计安装示意图
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：
（式3-1）
则
（式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，只要测得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。
超声波液位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会产生较大的误差。
在一般使用条件下，它的测量误差为
，检测液位的范围为
～
m。
本设计中采用的是Yjsonic系列的超声波液位计，在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。
并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。
工作特点：
采用SMD技术，提高仪器的可靠性，自动功率调整，增益控制、温度补偿。
先进的检测技术，丰富的软件功能适应各种复杂环境。
采用新型的波形计算技术，提高仪表的测量精度。
具有干扰回波的抑制功能，保证测量数据的真实。
16位D/A转换，提高电流输出的精度和分辨率。
传感器采用四氟乙烯材料，可用于各种腐蚀性场合，多种输出方式：
可编程继电器输出、高精度4～20mA电流输出、RS-485数字通信输出等方式可供选择。
图超声波液位计选型
设计中选用二线制输出型液位计，其参数如下：
量程：
0～3、5、8、10、15、20m
精度：
0.25%
盲区：
0.3～0.5m
温度：
-20℃～+55℃
电源：
24VDC
控制：
无
输出：
4～20mA二线制
防护等级：
IP65
显示方式：
4位LCD
二、投入式液位传感器
投入式液位传感器是将传感器的探头投入液体中。
利用处于一定深度时液体会产生一定的压强这个基本原理制成的。
其示意图如图3-4所示。
图3-4水位计示意图
图传感器功能模块图
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来显示，同时输出对应的输出信号。
其内部的功能模块图如图3-5。
2.1.2液位检测装置的选择
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，分别适应于不同的工作场所。
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（水仓）。
一、两种液位传感器的比较
投入式液位传感器的特点在于:
①制造成本相对于超声波液位传感器较为低廉:
②量程比较小（5—10米），但一般能满足测量水仓水位的要求:
③性能受到被检测介质物理性质（如液体有固体沉积或粘稠）的影响；
④测量工作不受空气中的悬浮成分如粉尘、浓烟等的影响
相对而言，超声波液位传感器的特点在于:
①超声波传播会受到空气中粉尘的影响；
②超声波水位传感器的测量量程大；
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