基于PLC的矿井排水控制系统.docx

1、基于PLC的矿井排水控制系统编号：（ ）字 号本科生毕业设计（论文）基于PLC的矿井排水控制系统 题目： 姓名： 学号： 班级： 二一年六月中 国 矿 业 大 学本科生毕业论文姓 名： 学 号： 学 院： 应用技术学院 专 业： 电气工程与自动化 论文题目： 基于PLC的矿井排水控制系统 指导教师： 职 称： 2010 年6月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 应用技术学院 专业年级 学生姓名 任务下达日期：2010年3 月 1日毕业设计日期： 2010年3 月 1 日至 2010年 6 月 15日毕业设计题目： 基于PLC的矿井排水控制系统毕业设计主要内容和要求：主要设计内容：1. 掌握矿

2、井水泵的运行工艺 和控制方法；2. 设计一种应用PLC作为控制器的水泵自动排水系统；3. 掌握所用传感器的工作原理及使用方法；4. 用PLC语言编制控制系统软件；具体要求：1. 提交控制单元原理图控制系统流程图，各控制单元原理图。2. 提交PLC控制软件。3. 翻译相关英文资料（或论文）一篇，中文字数不少于3000字。4. 完成毕业设计论文的撰写。院长签字： 指导教师签字中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩：

3、 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要煤矿井下排水设备对保证矿井正常生产起着非常重要的作用。目前国内各矿井

4、的排水系统多采用传统的继电器控制方法，用人工进行监测。传统方法控制线路复杂，设备运行的可靠性低，工人劳动强度大，不适应煤炭发展的需要。本文设计的自动化排水系统采用PLC控制与PC监视相结合的方式，弥补了传统继电器控制的种种缺陷与不足，提高了工作可靠性和稳定性，具有使用寿命长、维护方便等特点。根据某矿井下实际情况，本文首先进行了排水设备的选择设计，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S7300系列PLC，有自动、半自动和手动三种操作方式可供选择。为了防止工作水泵及管路磨损过于严重、备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而导致电机和电气设备受潮或有其他故障不能及

5、时发现，本系统采用水泵及管路的“自动轮换”工作制。又根据“避峰就谷”的原则确定开启水泵台数，以达到节省用电的目的。最后，本文讨论了此控制系统的抗干扰措施。总之，PLC与PC相结合的自动排水系统具有传统继电器控制系统无法比拟的优点，弥补了现有自动排水系统的种种不足，对煤矿自动化安全生产具有重要的意义。关键词： 排水系统 ；PLC ；自动控制 ；抗干扰 ABSTRACTThe drainage under coal mine well is very important Equipment for ensuring normal Production of coal mine well. At p

6、resent, most drainage systems of all domestic coal mines well adopt conventional means of relay Controlling, inspected artificially .This kind means of inspection and control cant meet the requirement of coal development for its complicated control circuit, low reliability of equipment running and g

7、reat working intension. The automatism drainage system designed in this text combined control by PLC with stakeout by PC, so that it made up a variety of limitation and shortage of conventional means of relay controlling and improved running reliability and stability .This system has characteristics

8、 of long operating life-span and Convenient maintenance According to actual conditions of some coal mine well, at first this text chose and designed equipments, then designed auto control part based on drainage Control request. This system adopts S7-300 PLC series produces by SIEMENS and has automat

9、ic, semiautomatic and manual working modes to choose. In order to prevent running water pumps and pipelines from wearing too badly and prevent electromotor and electric equipments of standby water pumps and pipelines from being affected with damp or their trouble not being found in time, water pumps

10、 and pipelines Of this system are controlled to run in turn automatically. The number of running water pumps is confirmed by the principle of avoiding apex and filling vale in order to economize electricity. In conclusion, the automatism drainage system combining PLC with PC has Advantages that conv

11、entional system controlled by relay is unable to come up to. At the same time, this system has made up a variety of shortage of the automatism drainage system in existence. So it has very important meaning for secure automatic production of coal mine.KEY WORDS: drainage system; PLC; auto control; an

12、ti-jamming1 绪论1.1煤矿井下排水系统概况煤矿生产过程中，经常可以见到地下水流入巷道和工作面，这就是矿井水。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，其水源主要是大气降水、地表水、断层水、含水层水和采空区水。大量的矿水威胁到矿井生产的正常进行，突发时甚至会造成工作人员的伤亡。在我国的矿井之中，只有很少一部分是干燥的，因此排水设备是矿井作业过程中不可缺少的，它对保证矿井正常生产起到至关重要的作用。虽然各煤矿区地质与水文地质一采矿条件不同，矿井水形成过程会相应的不同，但是，其机理及制约因素具有共同的特征。矿井水是由于采矿活动造成采动区域及其周边区域水文地质系统与水文地质

13、单元隔水构造的破坏，从而改变了地下水及地表水径流方向和途径，最终在采空区或采动场所汇集，并在汇集过程中因物化作用与时间效应遭受污染的，交替性差的水体。本质是地下水沿裂隙岩体运移过程中与多组分反应溶质在中小时空尺度上祸合问题和局部渗流条件与渗流场发生变化问题。矿井水呈现两种赋存形式，即形式一，为保证安全煤炭生产，在采矿过程中随汇随排的，过路矿井水，是必须进行疏排的;形式二，矿井、井巷封闭后经一定时间汇集的，滞流矿井水，其在资源化取用之前交替性和循环性极差。根据矿井水的成因和赋存形式，矿井水无疑是煤矿区区域水资源系统的特定的组成部分，是具有补给机制的含水系统的特殊单元，其补给水源主要是采动区域的地

14、表水或浅层地下水，但是，由于采动裂隙扩展贯通，此时渗流场和渗流条件己经改变，使不同水文地质单元的地下水直接快速向采空区渗流汇集矿井排水方式一般分为两种:自流法排水和扬水法排水。前者是利用倾斜坑道将水排至露天的水沟;后者则利用排水设备扬至地面。排水设备一般由水仓、吸水井、多台水泵带电机及其吸水管充水装置、多趟排水管路、闸阀等组成。排水设备又分为固定排水设备和移动式排水设备。1)前者固定在专门的恫室里，一般这样设置:主排水设备负责将全矿的涌水或大部分涌水排至地面;辅助排水设备负责把下一开采水平的水排至主排水设备所在水平;区域排水设备负责把区域的涌水直接排至地面;转载排水设备负责把由于反向坡度不能自

15、流集中到主排水设备的水，转载到主排水设备;中央排水设备负责把几个涌水量不大的矿井涌水，汇集起来排出矿井。2)为了把掘进工作面或淹没坑道中的水排除，要求水泵随工作面前进或水位下降而移动。所用水泵和电机，配套装在整体的底架上，而底架被绞车用钢绳牵引移动，这种便称为移动式排水设备川。固定排水设备应达到:1)工作水泵应能在20小时内排出24小时的正常涌水量;备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%;工作和备用水泵的总能力，应在20小时内，排除矿井24小时的最大涌水量;检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%。水文地质条件复杂的矿井，可根据具体情况，在主要泵房内预留安装一定数量水泵的位置，或另外增设

16、水泵。2)工作水管的能力应能配合工作水泵在20小时内排出24小时的正常涌水量;工作和备用水管的总能力应能配合工作和备用水泵，在20小时内排出24小时的最大涌水量。3)配电设备应同水泵相适应，并能够同时开动工作和备用的水泵。主排水泵房的供电线路不得少于两回路，当一回路停止供电时，另一回路应能担负全部负荷的供电。4)主排水设备应有预防用水突然增加致使设备被淹没的措施。5)需采取防爆措施地区安装的排水系统，其电器设备应是防爆的。移动式排水设备，顾名思义，设备可随掘进工作面的推进或水位下降而移动。要求其做到:1)有较好吸水性能，可排除泥水。2)水利特性适合流量变化不大而扬程有较大变化的需要。3)外形尺

17、寸较小以做到转移方便而迅速。4)轴线倾斜仍能正常工作。综上所述，不管是从矿井水的合理排放再利用方面，还是从矿井水的放任自流对煤矿开采的极大危害方面考虑，都需要把矿井水及时有效的排出矿井。因此，设计一个行之有效的煤矿井下主排水系统是不可或缺的。不管矿井水涌出的速度变化有多大，此系统都应该能够及时将水排出。1.2国内外研究现状井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。随着控制理论和现代检测技术的发展，自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定进步。国外特别是俄罗斯的科研人员对矿井排水的各个方面进行了大量的研究。1994年俄罗斯国立莫斯科开放大学教授、技术科学博士波波夫教授、巴塔诺戈夫技术科学副

18、博士和北乌拉尔铝土矿生产联合公司工程师沙尔塔诺夫通过对20003500kW异步电动机直接投入电网全电压起动与矿井高扬程水泵双电机拖动的比较，指出了矿井排水高扬程水泵采用双电机拖动的无可争辩的优越性。简要介绍矿井高扬程水泵双电机拖动装置的结构、技术性能、实际运行情况及较适用的方案，此外，还探讨了矿井高扬程水泵双电机拖动设计和运行中需要注意的一些问题。矿井排水设备是矿山企业主要的用电设备之一，节能工艺的运用方针，要求在排水设备的设计和使用阶段，都进行能耗估算。俄罗斯莫斯科对外开放大学技术科学副博士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

19、。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。国内在优化排水方案、改造排水设备及巷道合理布置等方面也做了大量的研究。还有一些研究人员把智能控制理论用于煤矿井下排水系统当中。将规则控制、模糊控制、神经网络方法、专家系统等智能型的控制方法用于排水系统的控制，能够实现实时控制，自动监测排水系统的运行状况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵软启动的自动切换及控制断电等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性。在煤矿井下水位的检测技术方面，目前国内还处于摸索阶段，检测手段比较落后、可靠性差，检测系统不完善。检测煤泥水的传感器

20、还没有好的产品。虽然现在也有一些传统的水位传感器，如压力式，浮子式等水位传感器用于煤泥水水位的测量，但是由于煤矿井下环境恶劣，这些传感器均因淤泥或煤泥堵塞受到影响，致使整个系统难以准确可靠的采集前端信号。过去对煤矿井下水的检测监控自动化要求不高，但是随着近年来煤矿事故的频繁发生，煤矿安全问题日益引起了人们的广泛关注。现在，所有矿用产品都进行防爆送检和煤安认证，煤矿的安全要求越来越高，因此对煤矿井下水的监控要求也随之提高，因而具有高准确性，高可靠性的检测煤泥水的新型传感器也急切的需要研制。目前国外的井下水仓静态水监测系统的前端信号采集传感器技术仍然为传统的压力式和浮子式，没有什么新的进展。1.3

21、本课题研究的主要内容及意义针对国内外研究现状，我们需要结合井下实际情况研制出一种成本低、运行可靠性高的自动化排水系统，将其纳入整个矿山自动化体系之中。1）针对目前煤矿井下排水系统的种种缺陷与不足，本文提出用PLC控制系统代替传统继电器控制系统。本课题研究的主要内容为:据某矿井下实际情况，进行排水设备的选择设计;2)根据排水控制的要求，进行PLC硬件和软件的设计，以达到自动轮换工作和“避峰就谷”的目的;3)设计就地PC的监测程序并建立PLC与就地PC的通信，做到有事故早发现及时处理;4)针对本系统采取有效的抗干扰措施。目前我国矿井排水系统中的一些重要环节像水仓水位的监测、配电设备的运行等仍采用人

22、工操作。绝大多数矿井采用的继电器、接触器控制系统，使用大量机械触点，线路比较复杂，使用较多的中间继电器和时间继电器，而在长期使用过程中继电器触点在开闭时易受电弧的损害及受空气中灰尘污染容易导致接触不良而产生误动作，从而使设备运行的可靠性降低。PLC采用微电子技术，大量开关动作由无触点的电子存储器件完成，在PLC控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，继电器之类的物理电子器件和量大而又繁杂的硬接线线路被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。此外，PLC体积小，质量轻，便于安装:还能直观地反映现场信号的变化状态和控制系统的运行状态，维护操作比较方便。而且由于用软件编程取

23、代硬接线实现控制功能，故设计、施工、调试都比较方便，大大缩短了设计和投运周期。综上所述，采用PLC与PC相结合的自动排水系统具有传统继电器控制系统无法比拟的优点，弥补了现有自动排水系统的种种不足，对煤矿自动化安全生产具有重要的意义。2 井下排水系统的PLC总体控制方案2.1可编程控制技术2.1.1引言可编程序控制器PLC是以微处理器为核心的工业控制装置。早期的可编程序控制器称为可编程序逻辑控制器PLC主要用于代替继电器实现逻辑控制。随着科学技术的迅猛发展，PLC的能己经远远超过了逻辑控制的范畴，使其不仅具有逻辑控制的功能，而且具有运算、模拟量处理和通信联网等功能。因此，人们将当今这种装置称为可

24、编程序控制器，简称为PLC。但为了避免与个人计算机PLC混淆，所以将可编程序控制器简称为PLC。 在PLC出现之前，机械控制及工业控制系统基本上都是由继电器控制构成的。首先得到美国数字设备公司(DEC)的响应并于1969年研制出了世界上第一台PLC(PDP14)，用其替代传统继电器控制系统，在GM公司汽车装配线上试用获得了巨大成功。随着这项新技术的迅速发展，1971年日本从美国引进了这项新技术，很快就研制出了日本第一台PLC(DSC8)。1973年1974年，原西德和法国也相应研制出自己的PLC。我国从1974年开始研制，1977年以一位微处理器MCI4500为核心的PLC，在工业上应用获得成

25、功。随着技术的进步，PLC的功能越来越强大，指令越来越丰富，用途越来越广泛。总之，PLC己成为工业控制的标准装置，被称为自动控制的三大技术支柱(机器人、CAD/CAM、PLC技术)之一。2.1.2可编程控制器的主要特点及功能1.PLC的特点1）灵活、通用2)可靠性高、抗干扰能力强3)编程简单、使用方便4)接线简单5)功能强6)体积小、重量轻、易于实现机电一体化PLC具有体积小、重量轻、功耗低等特点。2.PLC的主要功能PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(AF)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。今天的PLC功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。PLC系统一般

26、由以下基本功能构成多种控制功能 数据采集、存储与处理功能通信联网功能输入/输出接口调理功能人机界面功能编程、调试功能l）控制功能逻辑控制:PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代继电器进行开关量控制。定时控制:它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定:接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。计数控制:用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。顺序控制:在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。2)数据采集、存储与处理功能数学运算功能包括:基本算术:加、减、乘、除。扩展算术:平方根、三角函数和浮点运算。比较:大于、小于和等于数

27、据处理:选择、组织、规格化、移动和先入先出。模拟数据处理:PID、积分和滤波。3)输入/输出接口调理功能具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节精度可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。4)通信、联网功能现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口,可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。 5)人机界面功能提供操作者以监视机器

28、/过程工作必需的信息;允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。实现人机界面功能的手段:从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的CRT显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。6)编程、调试等使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。2.1.3可编程控制器的综合经济分析综上所述，在恶劣环境中，使用PLC控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动控制将越来越广泛。但是，这种新型控制装置在推广使用中尚有一些问题困扰着用户，主要集中在两个方面，一是可靠性问题，

29、二是价格问题。当然，用新型控制装置实现老设备改造与生产过程自动化，提高劳动生产率，改善企业管理，这是提高企业经济效益的必要措施，但如何正确处理这种关系，本文提供一些数据资料作为用户参考。1.可靠性问题据有关资料提供数据表明:国外一般中小型PLC，如日立、西门子、PIM，平均无故障时间高达10万h。即使大型PLC平均无故障时间也在45万h之间。因此，制造厂商认为可靠性已不存在问题。就可靠性而言，继电接触器是望尘莫及的。所以，对于日立、西门子、IMP等产品资料中可靠性不再是一项技术指标。2.PLC的经济综合分析对PLC的经济分析，应从以下几方面考虑:l）从影响成本的各个因素综合考虑从目前生产设备控

30、制装置来说，有三种类型:继电器控制;半导体器件控制;PLC控制。价格仅是选择PLC品牌的一个因素，而可靠性是选择时需要考虑的又一个因素。2)从设计、生产周期长短考虑不论是老设备改造，还是设计新的生产机械设备，毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而PLC则完全可以实现这是因为若用PLC不必改动外部设备接线，只要在软件上做文章就可以了。也就是

31、说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的目的。2.1.4可编程控制器的最新发展趋势随着微处理技术的发展，PLC技术和产品日趋完善。它不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需求，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，使其功能更加完备。目前，为适应大中小型企业的不同需要，进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，PLC正朝着体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉、大容量、高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展。1.CPU处理速度进一步加快PLC的CPU与计算机的CPU相比，还处在相当落后的地步，最高级的仅为80486。目前不少厂商正在开发使用64bitRISC芯片，多CPU并行处理或分时处理或分任务处理，以及各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，以使PLC的速度达到ns级。2.分散型、智能型、现场总线型I/O及模块化结构控制和事务的并行处理、分散处理，实现危险的彻底分散，对PLC的研发提出了新的要求，以往由大型机处理和控制的系统将由更小型的PLC来实现，甚至分散到I/O设备上。智能型I/O子系统是以微处理器、数据存储器及程序为基础的模块化的功能部件，执行预处理、控制、故障检测、冗余输出和通信的