自動排水控制系統(tǒng)畢業(yè)論文--煤礦井下中央泵房自動排水控制系統(tǒng)研究

1、<p>　　煤礦井下中央泵房自動排水控制系統(tǒng)研究</p><p>　　摘 要：本設(shè)計主要是應(yīng)用PLC與組態(tài)軟件進行開發(fā)，設(shè)計一套先進實用的自動化排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對煤礦井下中央泵房排水系統(tǒng)的遠程監(jiān)測與控制，并能接入數(shù)字化礦井平臺。系統(tǒng)硬件部分采用三菱PLC(FX2N-64MR型號)作為控制系統(tǒng)的核心控制器，利用模擬量輸入模塊進行數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合通訊模塊和上位機進行通訊。軟件部分利用組態(tài)軟件Kin

2、gView進行上位機監(jiān)控軟件開發(fā)，實現(xiàn)了對中央泵房的水位高度、離心泵的出口壓力、泵進水管的真空度及排水管的流量等參數(shù)的監(jiān)測。系統(tǒng)具備安全可靠、自動化、故障監(jiān)測、遠程監(jiān)控等各種功能彌補了傳統(tǒng)控制的種種缺陷與不足，提高了煤礦井下中央泵房排水系統(tǒng)的工作可靠性和穩(wěn)定性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PLC；排水系統(tǒng)；自動化；組態(tài)軟件；遠程監(jiān)控</p><p>　　Design Of Central

3、 Pumping Station automatic drainage system</p><p>　　Abstract: In this paper, the Central Pumping Station automatic drainage system is based on PLC control technology, and it adopts a programmable controller,

4、 which replaces the traditional relay control. At the same time, it combined with configuration software, which realized the automatic drainage system for remote monitoring and control.This system uses Mitsubishi PLC (Mo

5、del FX2N-64MR) as the central controller, and expands the necessary analog input module (FX2N-4AD) and communication module.W</p><p>　　Key words: PLC; drainage system; automation; configuration software; rem

6、ote monitoring</p><p><b>　　1.系統(tǒng)總體介紹 </b></p><p>　　本任務(wù)設(shè)計,實現(xiàn)了井下中央泵房排水系統(tǒng)的遠程監(jiān)測與控制。提出利用上位機實現(xiàn)地面監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化與采用PLC（可編程邏輯控制器）構(gòu)建成遠程的控制系統(tǒng)，彌補了傳統(tǒng)繼電器控制的種種缺陷與不足，提高了工作可靠性和穩(wěn)定性，具有使用壽命長、維護方便可以實現(xiàn)遠距離監(jiān)控的特點。<

7、;/p><p>　　1、運用可編程控制器PLC（三菱FX2M-64MR型號）作微處理控制器，結(jié)合通信模塊、FX2N-4AD功能模塊，編寫源控制程序，建立控制系統(tǒng)。</p><p>　　2、運用組態(tài)軟件開發(fā)仿真監(jiān)控畫面，通過串口與 PLC（可編程邏輯控制器）通信，建立上位機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)計算機對排水系統(tǒng)的遠程自動化控制。</p><p>　　3、畫出系統(tǒng)電路接線圖、系

8、統(tǒng)控制框圖及有關(guān)原理圖等。</p><p>　　2.控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計</p><p>　　2.1排水系統(tǒng)的方案設(shè)計</p><p>　　2.1.1自動排水系統(tǒng)功能設(shè)定</p><p>　　為滿足煤礦排水系統(tǒng)的生產(chǎn)需要、同時考慮系統(tǒng)的可行性，系統(tǒng)的運行應(yīng)該具備以下的功能：</p><p><b>　　(1

9、)自動輪換工作</b></p><p>　　為了防止工作水泵及管路磨損過于嚴重，或者備用泵及其電氣設(shè)備或備用管路長期不用而導(dǎo)致電機和電氣設(shè)備受潮或其他故障不能及時發(fā)現(xiàn)，當工作泵或管路出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵或管路時，而不能及時投入以至影響礦井安全，所以系統(tǒng)設(shè)計控制的水泵應(yīng)具備自動輪換工作。</p><p>　　(2)自動控制排水功能</p><p>　　

10、本次設(shè)計的系統(tǒng)，通過水位檢測及時掌握水位的變化情況。通過上位機的通信控制，根據(jù)每個中央泵房的情況，能動態(tài)的設(shè)置排水水位，預(yù)警水位、報警水位、系統(tǒng)停機水位、系統(tǒng)緊急報警水位等。</p><p>　　通過程序的控制，系統(tǒng)能根據(jù)水位的設(shè)定值進行自動控制排水，同時通過不同水位的設(shè)定，選擇啟動泵數(shù)量的多少，起到了很好的節(jié)能效果，大大的降低了系統(tǒng)的消耗。</p><p><b>　　(3)遠

11、程監(jiān)控功能</b></p><p>　　系統(tǒng)與上位機的通信，通過PLC與組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，能動態(tài)顯示系統(tǒng)檢測的各種參數(shù)，方便工作人員及時的了解排水系統(tǒng)的運行情況。</p><p>　　一旦工作中某個泵、或者是排水管出現(xiàn)故障，監(jiān)控系統(tǒng)能及時的顯示出相應(yīng)的故障提示、同時系統(tǒng)能自動記錄事故發(fā)生的日期和時間，方便工作人員及時的了解故障發(fā)生的情況，大大的降低了系統(tǒng)維護和檢修的工作量和成本

12、。</p><p>　　同時本系統(tǒng)中的上位機監(jiān)控界面，設(shè)置了自動、手動切換、緊急停機、停機維修等功能按鍵。用戶能通過各種按鍵的操作，現(xiàn)實對系統(tǒng)的各種功能控制。</p><p>　　2.1.2排水系統(tǒng)的布局</p><p>　　根據(jù)設(shè)計的任務(wù)要求，本次設(shè)計的系統(tǒng)主要運用于煤礦中央泵房的排水需要。主要由三臺排水泵、兩條排水管路組成。其中一臺泵備用、一臺檢修，每個泵與兩條

13、排水管路相連，防止其中一條排水管路出現(xiàn)故障時，能繼續(xù)進行排水保障系統(tǒng)的正常工作,中央泵房的排水系統(tǒng)如圖2-2圖所示</p><p>　　圖2-2 中央泵房排水系統(tǒng)圖</p><p>　　2.2系統(tǒng)的I／O控制設(shè)計</p><p>　　由于排水系統(tǒng)需要采集的輸入信號量有水位、真空度、水壓、水流量等參數(shù)，需要的采集通道統(tǒng)計如表2-1，所以根據(jù)設(shè)計規(guī)模的需要，采用三個FX

14、2N-AD模塊。</p><p>　　表2-1 系統(tǒng)模擬量輸入通道統(tǒng)計</p><p>　　2.2.1系統(tǒng)的I／O點數(shù)統(tǒng)計</p><p>　　根據(jù)以上控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，同時滿足排水系統(tǒng)的控制需要，統(tǒng)計出所需PLC的I/O口的數(shù)目如下表2-2、表2-3所示，便于用戶根據(jù)實際的需要對 PLC的型號作出合理的選擇。</p><p>　　表2

15、-2ＰＬＣ開關(guān)量輸入點數(shù)統(tǒng)計</p><p>　　表2-2ＰＬＣ開關(guān)量輸入點數(shù)統(tǒng)計（續(xù)）</p><p>　　表 2-3 PLC開關(guān)量輸出點數(shù)統(tǒng)計</p><p>　　根據(jù)以上輸入輸出點數(shù)的的統(tǒng)計，經(jīng)過產(chǎn)品型號的查詢FX2N基本單位有16/32/48/65/80/128點，六個基本FX2N單元中的每一個單元都可以通過I/O擴展單元擴充為256I/O點，其基本單元如表

16、2-4所示。所以選擇FX2n-64MR-001型號。</p><p>　　表2-4 FX2N系列的基本單元</p><p>　　3.排水系統(tǒng)的程序設(shè)計</p><p>　　3.1 PLC的I/O點及寄存器的使用分配</p><p>　　首先根據(jù)任務(wù)的設(shè)計需要，為了便于系統(tǒng)程序的設(shè)計。我們根據(jù)上述選擇的PLC型號，對系統(tǒng)各種參數(shù)量與PLC的輸入

17、、輸出接口以及相關(guān)的寄存器進行分配。見表3-1、表3-2、表3-3</p><p>　　表3-1 輸入接口的分配</p><p>　　表3-2 輸出接口的分配</p><p>　　表3-3 寄存器的分配</p><p>　　3.2程序流程框圖及程序代碼</p><p>　　3.2.1泵、排水管輪換工作的實現(xiàn)</p

18、><p>　　圖3-1水泵的輪班制程序流程圖</p><p>　　在上述的流程圖中，D0、D1、D2的比較，并不能在一步比較中得出最小值，而是通過D0、D1先比較得出最小值再和D2比較。在PLC的程序中主要用到了CMP指令。</p><p>　　CMP指令的格式： CMP D0 D1 M5</p><p>　　當D0>D1時 M5被置為1

19、</p><p>　　當D0=D1時 M6被置為1</p><p>　　當D0<D1時 M7被置為1</p><p>　　在D0和D1間選出最小的值后，再通過CMP指令與D2比較</p><p><b>　　指令如下：</b></p><p>　　CMP D2 D0 M20</p>

20、;<p>　　CMP D2 D1 M25</p><p>　　實現(xiàn)上述功能的程序段如下：</p><p>　　LD M8000 ;開機運行</p><p>　　CMP D0 D1 M5 ；比較D0、D1的值的大小</p><p>　　LD M5 ；如果D1的值小于等于D0</p>

21、<p>　　OR M6 比較的D2、D1的值的大小</p><p>　　CMP D2 D1 M25</p><p>　　LD M7 ；如果D1的值大于D0</p><p>　　CMP D2 D0 M20 比較D2和D0的值的大小</p><p>　　LD M20

22、；D0的值為最小</p><p>　　OR M21 </p><p>　　OUT Y0 ；輸出Y0啟動一號泵</p><p>　　INC D0 ；D0自加1</p><p>　　LD M25 ；D1的值最小</p><p>　　OR M2

23、6 </p><p>　　OUT Y1 ；輸出Y1啟動二號泵</p><p>　　INC D1 ；D1自加</p><p>　　LD M27 ；D2最小</p><p>　　OR M23 </p><p>　　OUT Y

24、2 ；輸出Y2啟動三號泵</p><p>　　INC D2 ；D2自加</p><p><b>　　END</b></p><p>　　3.2.2水位檢測與泵的啟動</p><p>　　隨著水位的變化，排水系統(tǒng)如何實現(xiàn)對泵啟動、關(guān)閉的控制，還有啟動泵的數(shù)量的多少，當水位繼續(xù)達到緊急

25、水位時，系統(tǒng)如何實現(xiàn)報警功能。下面對此進行程序設(shè)計，其程序流程圖如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2水位變化控制水泵的啟動關(guān)閉程序流程圖</p><p>　　程序設(shè)計的思路如下：</p><p>　　實時檢測水位的變化值存儲在D200寄存器中；</p><p>　　用戶根據(jù)需要設(shè)定排水水位值，并存儲在D250寄存器中；</p&

26、gt;<p>　　用戶根據(jù)需要設(shè)定預(yù)警水位值，并存儲在D251寄存器中；</p><p>　　用戶根據(jù)需要設(shè)定報警水位值，并存儲在D252寄存器中；</p><p>　　用戶根據(jù)需要緊急報警水位，并存儲在D253中；</p><p>　　運行程序，把D200的值與D250、D251、D252、D253進行比較</p><p>　

27、　一旦水位達到設(shè)定的值，系統(tǒng)輸出,啟動泵開始抽水</p><p>　　一旦水位下降，低于設(shè)定的值，則系統(tǒng)關(guān)閉輸出，泵停止抽水</p><p>　　3.2.3系統(tǒng)故障診斷</p><p>　　隨著生產(chǎn)自動化技術(shù)的不斷成熟和普及，各種系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定的工作對煤礦產(chǎn)業(yè)的效益起到了很大的影響作用，而排水系統(tǒng)作為煤礦產(chǎn)業(yè)中重要的一部分，所以針對系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，本次設(shè)計開發(fā)的系

28、統(tǒng)具備了系統(tǒng)故障自我診斷的功能，能及時的發(fā)現(xiàn)故障，為設(shè)備的維護提供及時的反饋信息，能滿足煤礦產(chǎn)業(yè)中自動化、智能化的生產(chǎn)需求。</p><p>　　系統(tǒng)故障診斷的原理如下：</p><p>　　由于硬件部分是通過PLC的輸入端與系統(tǒng)中的壓力檢測傳感器、真空度檢測傳感器、流量檢測傳感器等相連。隨著系統(tǒng)排水工作的展開，各種傳感器的檢測值會發(fā)生變化。用戶通過上位機的設(shè)置，把系統(tǒng)正常工作應(yīng)滿足的各種

29、壓力值、真空度值、流量值等存入到系統(tǒng)程序的寄存器中，通過程序的運行，在水位達到了泵啟動的設(shè)定值時，快速的檢測此時系統(tǒng)中各泵的壓力值、真空度值等是否達到系統(tǒng)正常啟動的設(shè)定值，從而判斷系統(tǒng)的正常情況，做出診斷反饋。</p><p>　　一旦系統(tǒng)中，壓力值、真空度值、流量值沒有達到系統(tǒng)正常工作的要求，或者在系統(tǒng)工作中，由于突然出現(xiàn)的故障而導(dǎo)致以上各種值的變化，低于正常工作設(shè)定值，則程序作出判斷，系統(tǒng)存在故障，相應(yīng)的泵會

30、自動關(guān)機，轉(zhuǎn)入維修狀態(tài)，同時系統(tǒng)自動切換啟動其余正常的泵繼續(xù)工作。</p><p>　　為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，同時減少因為礦井復(fù)雜環(huán)境帶來的干擾，系統(tǒng)采用防干擾配電箱。同時系統(tǒng)在硬件和軟件方面都設(shè)計了保護電路，一旦泵出現(xiàn)故障，能起到很好的自我保護作用。</p><p>　　在系統(tǒng)故障診斷中，能檢測出的外圍硬件，主要包括：各種檢測傳感器是否正常工作；抽水泵是否能正常工作；排水管是否能

31、正常排水；中央處理器PLC是否正常工作等。 </p><p>　　程序流程設(shè)計思路如下：</p><p>　?、庞脩粼O(shè)定系統(tǒng)工作的各種參數(shù)，系統(tǒng)實時檢測工作中各種參數(shù)</p><p>　?、仆ㄟ^CMP程序比較指令按程序設(shè)定好的比較步驟，對比實時檢測得到的參數(shù)與用戶設(shè)定的參數(shù)，并根據(jù)比較的結(jié)果置為相應(yīng)的中間寄存器。</p><p>　?、浅?/p>

32、序根據(jù)中間寄存器的值經(jīng)過相應(yīng)的邏輯運行，從而作為系統(tǒng)輸出的根據(jù)，判斷出系統(tǒng)是否存在故障。</p><p>　　圖3-2系統(tǒng)故障診斷程序流程圖</p><p><b>　　4.上位機監(jiān)控系統(tǒng)</b></p><p>　　4.1監(jiān)控系統(tǒng)的功能簡介</p><p>　　本次排水系統(tǒng)上位機監(jiān)控畫面主要包括登陸畫面，排水系統(tǒng)主監(jiān)控

33、畫面，報警記錄畫面，數(shù)據(jù)報表畫面，水位、水壓、真空度、流量等各種參數(shù)設(shè)計畫面，系統(tǒng)退出畫面。 </p><p><b>　　(1)登陸界面：</b></p><p>　　登陸界面主要是給不同權(quán)限的用戶進行登錄系統(tǒng)使用，其中管理員的權(quán)限是最大，能對系統(tǒng)進行各種操作。不同的用戶通過密碼進行設(shè)置，確保了系統(tǒng)使用的安全性，能有效的防止誤操作等</p>&l

34、t;p>　　(2)排水系統(tǒng)主監(jiān)控畫面</p><p>　　排水系統(tǒng)主監(jiān)控畫面，能動態(tài)的顯示排水的全過程，水位的變化，系統(tǒng)是否正常工作等情況，具備友好的監(jiān)控畫面，如圖4-2所示</p><p>　　此畫面包括各種操作按鍵，能對系統(tǒng)進行各種相應(yīng)操作控制。同時主監(jiān)控畫面能實時顯示系統(tǒng)中的水位、真空度、水壓、流量等參數(shù)；并且在主監(jiān)控畫面上，一旦出現(xiàn)故障，報警等情況，能及時的進行報警等。<

35、;/p><p>　　在主監(jiān)控畫面上，能進行自動和手動的控制轉(zhuǎn)換。在手動模式下，能根據(jù)需要啟動相應(yīng)的輸出。而自動模式下，系統(tǒng)怎根據(jù)水位的變化進行自動的輸出控制。</p><p>　　圖4-2 排水系統(tǒng)主監(jiān)控畫面</p><p><b>　　(3)報警記錄畫面</b></p><p>　　報警記錄畫面，能很好的記錄在系統(tǒng)工作過

36、程中出現(xiàn)的各種故障和操作、報警記錄。此系統(tǒng)包括實時報警記錄畫面和歷史報警記錄畫面。用戶可根據(jù)需要在歷史記錄畫面中進行對各種歷史報警進行查閱,如圖4-3所示</p><p><b>　　(4)數(shù)據(jù)報表畫面</b></p><p>　　數(shù)據(jù)報表畫面對系統(tǒng)中各種重要的數(shù)據(jù)進行記錄，可供用戶進行查閱和打印如圖4-4所示</p><p>　　(5)水位、

37、水壓、真空度、流量等各種參數(shù)設(shè)計畫面</p><p>　　在各種參數(shù)設(shè)計畫面中，根據(jù)用戶的權(quán)限許可，可以對系統(tǒng)中各種參數(shù)進行設(shè)置。監(jiān)控系統(tǒng)會通過通信，把用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)程序中的數(shù)據(jù)寄存器中，對程序的運行起到很大的作用，所以一般只有高權(quán)限的用戶才有設(shè)置的資格</p><p><b>　　(6)系統(tǒng)退出畫面</b></p><p>　　系統(tǒng)

38、退出畫面，是系統(tǒng)退出工作的關(guān)閉畫面，一般設(shè)置全高權(quán)限的用戶才能進行退出系統(tǒng)的操作，起到防止誤操作等的發(fā)生，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的安全性</p><p>　　圖4-3 報警記錄畫面</p><p>　　圖4-4 數(shù)據(jù)報表畫面</p><p>　　5.排水系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　5.1主要的硬件結(jié)構(gòu)</p><p>

39、　　本次系統(tǒng)主要由中央控制器PLC及其功能模塊，各種面板控制開關(guān)及線路，上位監(jiān)控計算機，模擬配電箱（直流電源），模擬信號源，報警系統(tǒng)等組成。各硬件部分在實驗平臺中的分布如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1硬件實驗平臺分布圖</p><p>　　5.2系統(tǒng)硬件布線圖</p><p>　　本次系統(tǒng)硬件的布線，主要在于實現(xiàn)設(shè)計的功能，包括電機控制部分的布線，報警

40、系統(tǒng)的布線，操作面板的布線等，布線原理圖如5-2所示 ，實物圖如圖5-3所示</p><p>　　圖5-2 布線原理圖</p><p>　　圖5-3 硬件系統(tǒng)布線實物圖</p><p><b>　　5.3控制面板</b></p><p>　　控制面板可以在手動模式下，通過操作相應(yīng)的按鍵開關(guān)等進行遠程控制，實物圖如5-4所

41、示</p><p>　　圖5-4 電控箱操作面板</p><p><b>　　6.結(jié)論</b></p><p>　　本次設(shè)計采用可編程序控制器(PLC)，取代傳統(tǒng)的繼電器控制，同時結(jié)合組態(tài)軟件的應(yīng)用，開發(fā)出具有上位機監(jiān)測控制的煤礦井下自動排水系統(tǒng)。設(shè)計的主要內(nèi)容和難點包括：系統(tǒng)程序的編寫和調(diào)試、上位機監(jiān)控界面的開發(fā)和調(diào)試、外部硬件的布線和調(diào)試。

42、</p><p>　　系統(tǒng)程序以PLC控制中常用的梯形圖進行編寫，以三菱PLC專用軟件進行開發(fā)和調(diào)試。程序的編寫過程包括了系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)、自動手動切換的設(shè)置、系統(tǒng)監(jiān)測診斷、安全保護功能等。所以本次設(shè)計中，程序的編寫成為設(shè)計的主要核心之一，對后面實驗的開展起著非常重要的作用。</p><p>　　上位機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試，是基于程序已初步編好的基礎(chǔ)上，通過組態(tài)王軟件進行開發(fā)的。作為設(shè)計

43、的第二階段性工作，對前后都起著非常重要的作用。隨著監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試，系統(tǒng)程序需要不斷的進行相應(yīng)的修改，所以占用了設(shè)計中的大部分時間。</p><p>　　外部硬件的布線和調(diào)試，主要是把前面開發(fā)的系統(tǒng)通過線路的連接，實現(xiàn)對受控對象的自動控制。由于前面開發(fā)的初期，系統(tǒng)主要是通過上位機進行模擬監(jiān)控的，所以在布線和調(diào)試的過程中，需要耐心的去解決影響硬件運行各種干擾的問題。所以經(jīng)過布斷的調(diào)試，和修改最終也實現(xiàn)了相應(yīng)的功

44、能。</p><p>　　到此自動排水系統(tǒng)已經(jīng)初步設(shè)計出來，但由于實驗條件的限制，煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜惡劣。本次開發(fā)的系統(tǒng)難免存在現(xiàn)場條件的差異問題。同時目前只限于在實驗室進行模擬開發(fā)，加上對煤礦井下的情況缺乏了解，對各種煤礦防爆、安設(shè)缺乏專業(yè)的認識，所以并不能直接用于煤礦現(xiàn)場的調(diào)試和應(yīng)用。但通過本次設(shè)計的開發(fā)，能很好的對煤礦自動排水系統(tǒng)中各種技術(shù)問題起到了很好的探討作用。 </p><p>

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