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水泵自动化毕业论文
序言
高产、优质、平安、节能、省力，减少职位人员，最终达到降低本钱，提高劳动生产率以获取最大利润是尔后煤炭企业在竞争中生存的基础，煤矿要进展、要生存，必需走平安、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、降低本钱，提高劳动生产率，而井下排水自动操纵系统是煤矿自动化的一个重要组成部份。
实现井下排水系统的自动化操纵：
第一、可依据水仓水位起停水泵，提高水泵有效利用率，降低本钱，节能增效。
第二、可减少看护人员，并可充实设备保护检修队伍，提高保护质量，减少事故发生，变发生事故后的被动检修为主动的按期检修，提高设备的利用率，实现减人增效。
第三、能够保证煤矿的平安生产，改善工作环境，提高劳动生产率。
第四、可有效的爱惜水泵电机等设备，延长利用寿命，减少事故停机时刻，提高排水能力。
第五、可有效的提高突、透水事故的应急处置能力，避免灾害的发生。
随着运算机操纵技术及以微处置器为核心的可编程序操纵器的普遍应用，结合矿井排水系统的特点，在确保先进性与靠得住性的基础上，采纳矿用本质平安型工业操纵运算机庞大的软硬件资源，通过各类先进靠得住的传感器、爱惜装置、电动闸阀、电动球阀等设备组成矿井主排水自动操纵系统。
该自动操纵系统达到准确及时的把握各类设备的工作状态、减少排水系统操作人员工作量，降低劳动强度，结合水仓水位转变充分提高煤矿井下主排水系统效率，使水泵排水系统能够平安靠得住、节能高效、经济合理的优化运行。
关于进一步实现全矿井生产系统的自动化、科学化、网络化治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。
本方案从实际动身，在井下泵房配备一套适合于煤矿井下环境的自动操纵系统（简称系统），以实现排水自动化操纵。
第1章水泵操纵系统概述
水泵操纵系统的组成（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操纵回路接线图
电器动作顺序表：
一、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
二、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
水泵大体参数
一、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：
—10MPa
二、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：
—
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
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，知足防爆、防尘、抗高温潮湿和电磁干扰的要求。
1.3.1操纵性能和方式
（1）系统对电动机和电动闸阀具有远控、当场自动、当场手动三种工作方式。
（2）每台水泵可设置“运行”、“备用”、“检修”三种工作方式。
（3）系统能够自动判定水泵和排水管路的效率和累计运行时刻,对效率和累计运行时刻超过规定的及时警示和提示进行改换。
（4）在正常自动运行状态下，系统能依照吸水井水位、水位上升速度等检测计算值判定矿井涌水量，自动操纵开、关电动闸阀，启、停水泵和自动判定启、停台数；系统能依照给定的电力避峰填谷时刻段实现节能运行；系统能够依照轮换工作原那么，自动实现水泵的轮换运行，幸免单台水泵长期运行致使故障。
系统通过以上方式以平安高效为大体原那么达到自动化节能优化运行。
（5）系统要有当矿井发生突、透水等重大事故情形时的应急处置程序，从而实现灾害情形下排水系统的抗灾型有序运行。
1.3.2数据搜集、逻辑运算、记录及显示、打印
（1）模拟量检测的数据要紧有：
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。
数字量检测的数据要紧有：
手动、自动操纵方式，远程、当场操纵方式，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）通过数据自动搜集持续检测水仓水位，操纵水泵的启停和运行台数。
（3）可将系统的各类参数状态、故障及开停时刻、水泵及管网效率统计等信息记录到历史数据库中，并可分时刻段统计查询。
（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、电动闸阀等的各类工况状态；可实时显示系统各设备的故障信息，并按故障级别别离发出相应报警；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）具有故障记录，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爱惜功能
（1）超温爱惜：
关于电动机内部预埋的三相定子及两头轴承的Pt100电阻信号，系统可直接同意该信号，当温度超过设定值和上升速度超过规按时，应及时报警并退出运行。
（2）水泵起动爱惜：
依照水泵起动时流量、压力、真空度等参数自动判定水泵是不是正常起动，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，并显示故障情形，警示工作人员修复。
1.3.4通信
系统通信接口采纳统一、标准的接口组件（具有以太网接口），通信协议采纳标准、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，会显现不兼容的现象。
在400H冗余系列，需要升级的占多数，因为一主一备，有一个坏了，换新的CPU，版本不同，同步通信就不能进行，因此必需对旧的CPU升级。
升级很简单，拔出存储卡，插入升级卡就能够够升级了。
1.3.5原操纵系统存在的问题
在原先的操纵系统由于是采纳漂浮来操纵水泵电机的运行与停止，因此关于水位和储水量的操纵不是很精准。
原操纵回路里，人为操纵的因素比较多，因此加重了人的劳动强度。
原操纵回路系统中采纳的开关设备较多，与电子产品相较，系统的稳固性较差。
第2章PLC的选型
PLC简介
2.1.1PLC大体概念
本世纪60年代,由于小型运算机的显现和大规模产生及多机群控的进展,人们曾试图用小行运算机来实现工业操纵,代替传统的继电接触器操纵.传统的继电接触器操纵采纳的是固定接线方式,一旦生产进程有变更,就得从头设计线路连线安装无益于产品的更新换代.但利用小型运算机实现工业操纵价钱昂贵,输入、输出电路不匹配，编程技术复杂，因此没能推行和应用。
60年代末期，美国汽车制造工业竞争猛烈，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）第一公布招标，对操纵系统提出的具体要求大体为：
（1）它的继电操纵系统设计周期短，更改容易，接线简单，本钱低；
（2）它能把运算机的功能和继电器结合起来。
但编程有比运算机简单易学、操作方便
（3）系统通用性强。
其利用及保护超级方便简单
（1）硬件配置方便。
PLC的硬件是专门生产厂家依照必然标准的规格生产的,硬件能够按实际需要配置，到市场上能够方便的买到。
（2）安装方便。
内部不需要接线和焊接，只需编写程序就能够够了。
利用方便。
接点的利用不受次数限制，内部器件可多到利用户不感到有什么限制。
只需考虑输入，输出点个数，这可由各类PLC类型来操纵。
（3）保护方便。
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，能动态的监视操纵程序的执行情形，为现场的调试和保护提供了方便，而且接线少，维修时只需要换插入式模块，保护方便。
再次，它的运行稳固靠得住。
PLC是专门为工业设计的。
在设计和制造进程中采纳了多层次抗干扰和精选元件方法，可在恶劣的工业环境下与强电设备一路工作，运行的稳固性和靠得住性较高。
PLC是以集成电路为大体元件的电子设备，内部处置不依托于接点，元件的寿命几乎不用考虑。
目前PLC的整机平均无端障工作时刻一样在2~5万小时。
乃至更高。
最后，它的设计施工周期短。
利用PLC完成一项操纵工程，在系统设计完成后，现场施工和PLC程序设计能够同时进行，周期短，而且程序的调试和修改都很方便。
综上所述，可编程操纵器在性能上均有继电器逻辑操纵，与微型运算机，单片机相较。
它也是一种用于工业自动化操纵的理想工具。
可编程操纵器是运算机家族中的一员,是为工业操纵应用而设计制造的。
初期的可编程操纵器称作可编程逻辑操纵器（ProgrammableLogic
Controller）,简称PLC,它要紧用来代替继电器实现逻辑操纵。
随着技术的进展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑操纵的范围,因此,今天这种装置称作可编程操纵器,简称PC。
可是为了幸免与个人运算机（PersonalComputer）的简称混淆,因此将可编程操纵器简称PLC
2.1.2PLC大体结构
PLC实质是一种专用于工业操纵的运算机,其硬件结构大体上与微型运算机相同．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，这些模块能够依照必然规那么组合配置。
1.中央处置单元（CPU）
中央处置单元（CPU）是PLC的操纵中枢。
它依照PLC系统程序给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和警戒按时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时,第一它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并别离存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,通过命令说明后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄放器内。
等所有的用户程序执行完毕以后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄放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。
O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部份（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。
经常使用的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点数确信模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能治理的大体配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
3.存储器
1）寄存系统软件的存储器称为系统程序存储器。
2）寄存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（经常使用的为24VDC）。
5.底板或机架
大多数模块式PLC利用底板或机架，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，使各模块组成一个整体。
2.1.3PLC的工作原理
PLC投入运行后,其工作进程一样分为三个时期，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个时期。
完成上述三个时期称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以必然的扫描速度重复执行上述三个时期。
1.输入采样时期
在输入采样时期,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。
输入采样终止后,转入用户程序执行和输出刷新时期。
在这两个时期中,即便输入状态和数据发生转变,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也可不能改变。
因此,若是输入是脉冲信号,那么该脉冲信号的宽度必需大于一个扫描周期,才能保证在任何情形下,该输入均能被读入。
2.用户程序执行和输出刷新时期
在用户程序执行时期,PLC老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,又老是先扫描梯形图左侧的由各触点组成的操纵线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点组成的操纵线路进行逻辑运算,然后依照逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或确信是不是要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
在工业生产进程中有大量的开关量顺序操纵，它依照逻辑条件进行顺序动作，并依照逻辑关系进行连锁爱惜动作的操纵，及大量离散量的数据搜集。
传统上，这些功能是通过气动或电气操纵系统来实现的。
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、检查保护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所操纵的系统的工作状况，但它不直接参与现场操纵运行。
小编程器PLC一样有手持型编程器，目前一样由运算机（运行编程软件）充当编程器。
也确实是咱们系统的上位机。
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愈来愈普遍，由运算机（运行组态软件）充当人机界面超级普及。
2.1.5PLC的通信联网
依托先进的工业网络技术能够迅速有效地搜集、传送生产和治理数据。
因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性愈来愈显著，乃至有人提出“网络确实是操纵器”的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位运算机和其他智能设备之间能够互换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中操纵。
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软件系统及经常使用编程语言
PLC软件系统由系统程序和用户程序两部份组成。
系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，要紧用于治理全机、将程序语言翻译成机械语言，诊断机械故障。
系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干与。
用户程序是用户依照现场操纵要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也确实是逻辑操纵）用来实现各类操纵。
标准语言梯形图语言是最经常使用的一种语言，它有以下特点：
1.它是一种图形语言，沿用传统操纵图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号组成，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，接点能够是PLC输入点接的开关也能够是PLC内部继电器的接点或内部寄放器、计数器等的状态。
3.梯形图中的接点能够任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。
4.内部继电器、计数器、寄放器等均不能直接操纵外部负载，只能做中间结果供CPU内部利用。
是按循环扫描事件，沿梯形图前后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中因此输出点的值在用户程序中能够当做条件利用
PLC的选择
2.2.1操纵系统设计的大体原那么
1.最大限度的知足被控对象的操纵要求。
2.在知足操纵要求的前提下，力求使操纵系统简单、经济、利用和保护方便。
保证操纵系统平安靠得住。
3.考虑到生产的进展和工艺的改良在选择PLC容量时应适当留有余量。
2.2.2S7-300的大体性能
SIMATlC S7-300是一种模块化的小型PLC系统,其优越的性能价钱比,使之成为中小规模操纵系统理想的选择。
1.多种规格的处置器,系统采纳独特的导轨安装;
2.高速的指令处置,可知足快速程序操纵要求;
3.浮点数运算,可有效地实现更为复杂的数学运算;
内集MPI接口,多种通信模块能用来连接AS一I接口、PROFIBUS和工业以太网总线系统;
5.具有时刻/中断驱动、开环定位和PlD等高级操纵功能;
O模块采纳前连接器方式,维修或改换十分方便;
7.系统自行组态,信号或通信模块不受限制地随意安放;
8.具有知足高速计数、步进电机和伺服定位操纵等特殊应用的l/O模块;
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的大体组成
1.中央处置单元（CPU）
各类CPU有各类不同的性能，例如，有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通信接口等。
2.信号模块（SM）
用于数字量和模拟量输入/输出
3.通信处置器（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）和闭环操纵。
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
通过散布式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER），能够操作多达32个模块。
运行时无需风扇。
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。
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的通信
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信组态功能，这使得组态超级容易、简单。
SIMATICS7-300具有多种不同的通信接口。
多种通信处置器用来连接AS-I接口、和工业以太网总线系统。
串行通信处置器用来连接点到点的通信系统
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等自动化操纵系统。
CPU支持以下通信类型：
进程通信
通过总线（AS-I或PROFIBUS）对I/O模块周期寻址
（进程映象互换）
数据通信
在自动操纵系统之间或人机界面（HMI）和几个自动操纵系统之间，数据通信会周期地进行或被用户程序或功能块挪用。
2.2.5S7-300的大体结构
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.改换模块简单而且可不能弄错
改换模块时，只需松开安装螺钉。
很简单地拔下已经接线的前连接器。
在连接器上的编码避免将已接线的连接器插到其他的模块上。
4.靠得住的接线端子
关于信号模块能够利用螺钉型接线端子或弹簧型接线端子
连接
采纳一个带螺钉或夹紧连接的1至3线系统进行预接线。
或直接在信号模块上进行接线。
6.确信的安装深度
所有的端子和连接器都在模块上的凹槽内，并有端盖爱惜，因此所有的模块都有相同的安装深度。
7.没有槽位的限制
信号模块和通信处置模块能够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操纵设计
操纵方案设计
3.1.1设计原那么及技术标准
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） 爆炸性气体环境用电气设备 第1部份：
通用要求
（4） 爆炸性气体环境用电气设备 第1部份：
隔爆型“d”
（5） 爆炸性气体环境用电气设备第1部份：
本质平安型“ｉ”
（6） 低压电器外壳防护品级
（7） MT209煤矿通信、检测、操纵用电工电子产品通用技术要求
（8）《煤矿平安规程》（2007版）
3.1.2操纵系统改造方案
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用意
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，该设备不具有电流、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，该设备不具有电流、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操纵，因此电抗器+磁力起动器方式，由矿上（使用单位）依如实际所需情形提供磁力起动器的操纵接点，由厂家对磁力起动器进行操纵。
各电器设备间连接由矿上（利用单位）自己连接完成。
关于软起动器+磁力起动器方式，仍参考利用原有的唐山开诚PLC操纵系统，由厂家操纵接点与PLC操纵系统中的当场操纵箱开/停按钮并联进行操纵。
假设需要主排水泵电机电压、电流监测，由厂家可提供相关模块，在条件许诺的情形下由矿上（利用单位）对高压磁力起动器进行改造并增加该模块来实现此功能。
操纵系统组成
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信。
井下KJD30本安型监控站安装在泵房操纵室内，完成操纵现场各传感器信息的搜集与处置，通太高性能操纵软件设定的自动操纵流程实现自动操纵功能。
KDK8多功能操纵驱动器串接在一根总线上与KJD30本安监控站通信，KDK8多功能操纵驱动器具有手动/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/停操纵，两台KDK8可实现一台水泵的手动操纵，自动方式下接收KJD30本安监控站下发的操纵命令实现多台水泵的自动操纵。
现场的各类返回信号（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，它将现场的各类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地面上位机部份
上位机部份由：
一台工控机及WinCC组态软件组成，用以实现水泵操纵系统的地面监控与数据上传功能。
该上位机将通过目前预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，使治理人员能够及时把握系统平安运行状况。
全矿井网络系统及全矿井软件平台部份建成后可实现泵房监控系统信号上传，全矿井网络系统必需在一水平泵房内设置网络互换机，并留有本安型以太网电接口，地面上位机处50米内留有矿井网络以太网电接口。
以上涉及到的网络部份由网络系统厂家负责其互换机部份的接入及调试工作。
3.2.3井下泵房监控站部份
2台KJD30矿用本安型工业操纵运算机、8台KDK8矿用多功能
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