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
The normal use of drainage under mine well is very important Equipment for ensuring normal Production of mine well. At present, most drainage systems of all domestic mines well adopt conventional means of relay Controlling, inspected artificially .This kind means of inspection and control can’t meet the requirement of mining development for its plicated control circuit, low reliability of equipment running and great working intension. The automatism drainage system designed in this text bined 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 of long operating life-span and Convenient maintenance
According to actual conditions of some 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 automatic, 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 and pipelines Of this system are controlled to run in turn automatically. According to the principle of "avoiding the peak to the valley" and the ability of anti-jamming to improve the control system.
In conclusion, the automatism drainage system bining PLC with PC has Advantages that conventional system controlled by relay is unable to e 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 mine.
Key Words drainage system, PLC, auto control, anti-jamming
目录
摘要 (Ⅰ)
ABSTRACT (Ⅱ)
目录 (Ⅲ)
1绪论 (4)
1.1矿井下排水系统概况 (4)
1.2国内外研究现状 (5)
1.3本课题研究的主要内容及意义 (5)
2井下排水控制系统介绍 (6)
2.1功能设定 (6)
2.2控制系统总体结构 (7)
2.3统中的检测元件 (8)
2.3.1 水位测量 (8)
2.3.2 压力测量 (9)
2.3.3 流量测量 (9)
3井下排水控制系统设计 (10)
3.1可编程控制技术 (10)
3.1.1 可编程控制器的主要特点及功能 (10)
3.1.2 可编程控制器的发展趋势 (11)
3.1.3 PLC系统选型 (12)
3.1.4 PLC控制系统的主要抗干扰措施 (13)
3.2 PLC的软件设计 (15)
3.2.1 操作方式的选择 (15)
3.2.2 水泵及管路的自动轮换工作 (16)
3.2.3 水泵启动过程的程序实现 (19)
3.3监控画面设计 (30)
结论....................................................... 错误!未定义书签。

致谢. (33)
参考文献 (34)
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，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，通过设计软件程序替代继电器等物理电子器件和量大、繁杂的硬接线线路，因此工作寿命得到延长，可靠性得到提高。

此外，PLC体积小，质量轻，易安装，还能直观简单地反映出现场信号的变化状态以及整个控制系统的运行状态，进行维护工作方便。

由于使用软件编程代替硬接线实现控制功能，故而设计、施工、调试都很简便，所需时间大大减少，缩短了投运周期。

因此，采用PLC与PC监控结合的自动排水控制系统具有的优势是传统继电器控制系统无法企及的，改善了现有自动排水系统的缺点，对矿井安全生产具有非凡的意义。

2井下排水控制系统介绍
2.1 功能设定
本系统中的主要排水设备设计有五台离心式排水泵和三条排水管路，每个排水泵均与每条排水管路连接。

五台排水泵两台工作，两台备用，一台检修，而三条排水管路有两条工作，一条备用或检修。

当使用中的一条管路故障时，继续用另一条管路排水，当两条管路均发生故障时立即启用备用管路而不至于中断排水。

每条排水管路都有电动阀，可以通过PLC选择要使用的管路。

水泵及排水管路的系统连接图如图2.1所示。

图2.1水泵及排水管路系统连接图
由图中可以看出每条排水管路上都安装有排水电动阀，考虑到离心式水泵的启闭特性，它们需要按先后顺序进行打开和关闭的操作。

以1#泵为例，在启动并需要打开排水电动阀时，按照“转换工作”的要求，打开11#电动阀，然后再打开10#电动阀；在停止时，应先关11#电动阀，再关10#电动阀，其它阀门启闭操作与此相同。

本控制系统为满足实际使用需求，应具备以下功能：
1. 自动轮换工作：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，因此需要设计水泵及管路的自动轮换工作制。

本控制程序自动记录并累加水泵的运行时间及使用次数、管路使用次数等参数，系统将根据这些参数按照预定顺序自动启停水泵及排水管路，均匀分布各水泵及其管路的使用率，当某台泵或阀门产生故障、某条管路发生漏水事故时，系统都会自动发出报警并且进行记录，同时将发生故障的水泵或管路退出轮换工作，其余各泵和管路继续按设定顺序自动轮换工作，以达到发生故障能够及时发现处理、保障矿井安全生产的目的。

2. “避峰填谷”：所谓“避峰填谷”，是指调度水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段工作，尽量避免在“峰段”启动。

要实现“避峰填谷”，需调度各水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段，将水仓的水位排至设定的低位，以便水仓能够腾出尽可能大的容积，使其在“峰段”容纳更多的矿井涌水而不用启动水泵[8]。

3. 保护功能：
(1)漏水保护：每台水泵均安装真空度电接点压力表，如在规定的注水时间内系统仍未收到真空度达到规定值的信号，则停止操作并转为启动下台水泵，发出故障报警信号[8]；
(2)流量、压力保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量或压力没有达到正常值，则通过流量、压力保护装置使本台水泵停车，转为启动下台水泵[8]；
(3)超温保护：当水泵长期运行导致轴温或电机温度超出允许值时，通过温度保护装置使水泵停车[8]；
(4)过流保护：接在主回路里的电流互感器把电流信号送入可编程控制器，由可编程控制器计算、判断电动机工况[8]。

当出现过流时，对应的保护装置动作；
(5)低电压、漏电保护：当高压部分出现低压或漏电故障时，其相应的保护装置动作，并将故障信号送入可编程控制器[8]。

4. 三种工作方式：系统控制具有自动、半自动和手动三种工作方式[12]。

自动工作时，由PLC检测水位、压力等相关信号，自动完成各泵组运行，不需要人工参与操控；半自动工作方式时，由操控人员选择开哪台或哪几台水泵，PLC自动完成选定的泵组的启停和监控工作；手动工作方式为PLC产生故障与检修状态下的工作方式。

PLC故障时，全部设备均由操作人员控制相应按钮运行；当某台水泵及附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行，不影响其它泵组运行[8]。

PLC控制柜上设有水泵的禁止启动钮，设备检修时，按下此按钮可防止他人误操作，以保障检修人员的安全以及系统的可靠性。

故障排除或检修完成后，经过手动试车确认没有故障以后，才能继续参与自动轮换工作。

5. 动态监测：通过上位机监控画面实时监测水泵及其附属设备的运行工况，实时显示水位、流量、压力、温度等参数，提供各种运行及故障信息，超限报警，还可以将记录的运行报表、事故记录、历史数据、统计报表等打印出来。

6. 抗干扰能力：由于PLC控制系统工作环境较为恶劣，避免不了存在各种干扰。

这些干扰会导致控制精度降低、PLC内部数据丢失、机器误动作，甚至损坏PLC。

所以，在实际使用中，不仅要按照要求合理配置系统，正确配接线，还必须充分考虑各种异常情况，采取相应抗干扰措施以确保PLC控制系统可靠稳定地运行。

2.2 控制系统总体结构
本系统使用可编程序逻辑控制器和上位计算机组成两级控制系统来完成排水系统的自动控制。

上位机利用人机界面实现对话与监控功能，可编程序逻辑控制器作为下位机完成数据采集与自动控制的任务。

设计系统总体结构如图2.2所示:
图2.2 系统总体结构框图
2.3 系统中的检测元件
PLC作为工业控制装置，其用以检测信号的传感器的精度与可靠性将影响控制系统是否能正常运行。

因此在选用传感器时，应综合考虑以下参数：
1. 测量X围：传感器规定的测量X围应稍大于实际测量X围，以免超出测量X围造成结果产生较大误差或造成传感器损坏。

2. 线性度：为了方便标定与处理数据，通常都要求传感器的输出—输入成线性关系，从而能正确地反映被测量的数值。

3. 灵敏度：灵敏度又被称作传感器系数，例如校准线的斜率就是线性传感器的静态灵敏度。

4. 分辨率：是指传感器可以在输入信号中检测到的最小变化量。

分辨率能达到使用要求即可，不需要牺牲其它性能而追求过高的分辨率。

5. 工作环境条件：应考虑工作环境的温度、湿度、大气压力，有无振动、磁场、电场、大功率用电设备，是否需要防火、防爆、防化学腐蚀，是否满足不能有害于周围材料寿命及操作工人的身体健康等[15]。

以上有些方面互相制约，选择时进行综合考虑比较，选用整体性能较高者。

2.3.1 水位测量
本文采用感应式数字水位传感器测量水位，它的主要特点是:
1. 测量准确、可靠、失真度小。

2. 不受泥沙、污物的影响。

3. 在信号远距离传输方面，抗干扰能力很强，具有独特的功能。

其优势在于脱离了传统的模拟量检测方式，采用数字式测量，每个量之间有质的区别，有是与非的区别，没有模糊数据，更不受环境和其它分布参数的影响。

它在工作的过程中能够全部投入水中，达到了国家潜水型IP68的防护标准，可以做到较长时间之内不用人员进行维护。

传感器的工作电源设计在5－36伏X围内供电。

使用时，垂直安装在水中，按照由低到高的水位变化转换成4－20mA的电流信号自信号端输出。

传感器的规格不同，其结构是外型光滑无缝的棒式固体传感器，棒的直径为20－50mm，长度为0.5－20m。

2.3.2 压力测量
本文选择型号为YS-2压力传感器，量程分别为0~0.4MPa和0~1.6MPa。

其特点为：
(1)选用陶瓷压阻测压传感器作为敏感元件，具有明显的抗腐蚀、抗磨损性能。

(2)采用成熟的电路设计，具有较强的稳定性、可靠性以及抗干扰能力。

(3)体积小巧，易安装；对振动、腐蚀、潮湿、干扰不敏感。

(4)输出信号强，具有较高的工作温度X围，并自带温度补偿。

抗腐蚀的陶瓷压力传感器不需要液体的传递，压力直接作用在其膜片表面使产生微小的形变。

厚膜电阻则印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥）。

由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力、激励电压成正比的高度线性电压信号。

标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V，能够兼容于应变式传感器。

经过激光标定以后，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0~70℃，并可以和绝大多数介质进行直接接触。

2.3.3 流量测量
本系统中的流量测量元件选用电磁流量计，其特点为：
1. 测量管路内没有任何突出和可以移动的部件，因此可用于有悬浮颗粒的液体等流量的测量，且压力损失极小；
2. 感应电势与被测液体温度、压力、粘度等无关，因此其受适用X围的局限较小；
3. 测量X围较大，最大流量/最小流量=1500；
4. 可以测量具有腐蚀性的液体；
5. 惯性小，可以测脉动流量；
6. 介质导电率大于0.002－0.005 Ω/m。

电磁流量计由电磁流量转换器和电磁流量传感器组成。

电磁流量转换器是为电磁流量传感器提供电源，并将其测量回的流量信号整定成为标准的4－20mA电流等其他形式的信号。

系统选用LDZ－5电磁流量转换器和相应的电磁流量传感器配合工作，其输出信号为4-20mA DC，精度等级为0.3级，励磁电流为200+0.4mA，电源电压为220V AC。

3井下排水控制系统设计
3.1 可编程控制技术
可编程序控制器（Programmable Logic Controller）的发展起源于20世纪60年代末。

在20世纪60年代的时候，制造业采用的自动控制系统几乎完全是由继电器控制装置组成的。

到了60年代末期，因为制造业十分激烈的竞争，并且每一次产品改型都会导致继电器控制装置进行重新设计与安装，不但费时、费工、费料，甚至还延长了更新周期。

为了改变当时这种情况，美国通用汽车公司根据市场形势与生产发展的需要，提出一种新的工业控制装置的招标指标，即历史上有名的“通用十条”。

1969年，美国数字设备公司（DEC）根据其要求，研制出了这种新的工业控制装置，并在美国通用汽车位于底特律的一条汽车自动装配线上试用，最后获得了成功。

这种新型的工业控制装置因为它独有的集简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等于一身的一系列优点，很快地在其他工业领域得到推广应用。

由于这个装置的主要功能是逻辑运算，因此，它又被称作可编程序逻辑控制器。

随后，这种工业装置也得到了世界其他国家的高度重视，并且部分国家相继引进并研制出它们的PLC。

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，在工厂自动化(AF)和计算机集成制造系统(CIMS)之中占有非常重要的地位。

3.1.1 可编程控制器的主要特点及功能
1. PLC的特点
(1)可靠性高，抗干扰能力强
(2)通用性强，程序可变，使用方便
(3)功能强，使用面广
(4)编程简单，容易掌握
(5)减少了控制系统的设计及施工的工作量
(6)体积小、重量轻、功耗低、维护方便
2. PLC的主要功能
到目前为止，在国内外冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业都会发现PLC的存在，并且随着它性价比不断提高，它的应用领域也在继续扩大。

如今PLC的功能，已不仅仅是替代传统的继电器逻辑控制，其基本功能如下：
(1)多种控制功能
PLC具有逻辑控制、定时控制、计数控制和顺序控制等功能。

(2)数据采集、存储与处理功能
具有数学运算、比较和数据处理等功能。

(3)通信联网功能
PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其他智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。

(4)输入/输出接口调理功能
输入/输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。

现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。

输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。

(5)人机界面功能
将实时采集的数据信息形象化的表示出来，反映到人机界面上，通过编程或操作人员进行直观的分析和修改，实现远程监测和控制。

(6)编程、调试功能
PLC一般有多种编程语言，IEC61131-3（PLC编程语言的国际标准）说明了语法、语义和五种PLC编程语言的表达式，按照此标准可以方便的进行编程和调试。

3.1.2 可编程控制器的发展趋势
长期以来，PLC为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。

其主要原因在于它能够可以提供安全可靠和比较完善的自动控制解决方案，正适用于当前工业企业对自动化的需求。

1.产品向高性能、高容量、高速度发展
大型PLC大多采用多CPU结构，不断向高性能、高速度和大容量方向发展，尤其近年来PLC生产厂商不断推出功能更强的小型PLC，更新换代越来越快，而且增加了例如高速计数器、脉冲列输出等以前大型PLC才具有的功能[4]。

2.不断加强网络通信功能
无论是大型还是小型PLC，网络通信功能都在不断增强，PLC向上可以连接各种管理网，向下可以连接各种现场设备[4]。

现代很多PLC不仅设计了与CPU集成一体的标准MODBUS协议、专有协议和自由协议串行通信接口，还能通过网络接口模块与其他系统实现互联[4]。

3.新器件和模块不断推出
高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM 的智能I/O模块、高速计数模块等专用化模块[4]。

4.编程工具丰富，功能不断增加，编程语言趋向标准化
有各种简单或复杂的编程器及编程软件可以用来编写程序。

5.更加专业化
在PLC通用功能的基础上针对不同行业不同的应用特点开发专业化PLC产品，不但。