基于plc的煤矿水泵控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)

基于plc的煤矿水泵控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

储器两个部分。 系统存储器用来存放由 PLC 生产厂家编写的系统程序，并固化在 ROM内，用户不能更改，它使 PLC 具有基本的功能，能够完成 PLC 设计者规定的各项工作。 系统程序主要包括三个部分：系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调用管理程序。 用户存储器包括用户程序存储器和用户数据寄存器两个部分。 用户程序存储器来存放用户针对具体控制任务用规定的 PLC 编程语言编写的应用程序。 用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的 ON/OFF 状态和数值、数据等。 用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反应 PLC 性能的重要指标之一。 三、 输入 /输出 单元 PLC 的输入 /输出信号类型可以是开关量、模拟量。 输入 /输出接口单元可以分为两个部分：一部分是与被控设备 相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。 四、 电源部分 PLC 一般使用 220V 的交流电源或是 24V 的直流电源，内部的开关电源为 PLC 的中央处理器、存储器等电路提供 5V、 24V 等直流电源，整体式的小型 PLC 还提供一定容量的直流 24V 电源，供外部有源传感器使用。 PLC 所采用的开关电源输入电压范围宽、体积小、效率高、抗干扰能力强。 的 工作原理 当 PLC 上电后，处于正常运行时，他将不断重复扫描过程，并不断循环重复下去。 这个过程主要分为三个阶段即，输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段 ，这三个阶段是 PLC 工作过程的中心内容，也是 PLC 工作原 13 理的实质所在。 电 源 O N内 部 处 理输 入 处 理 （ 输 入 传 送 、 远 程 I / O ）通 信 服 务 （ 外 设 、 C P U 、 总 线 服 务 ）更 新 时 钟 、 特 殊 寄 存 器C P U 运 行 方 式执 行 程 序输 出 处 理执 行 自 诊 断P L C 正 常 否。 存 放 自 诊 断 错 误 结 果致 命 错 误C P U 强 制 为 S T O PYNNYR U NS T O P 图 PLC 的运行框图 14 一、输入采样阶段 PLC 在输入采样阶段， 首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。 接着系统进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。 所以一般来说，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，或者说输入信 号的频率不能太高，否则很可能造成信号丢失。 二、 程序执行阶段 进入到程序执行阶段后，一般来说， PLC 按从左到右的、从上到下的步骤顺序执行程序。 当指令涉及输入、输出状态时， PLC 就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件的当前状态，然后进行相应的运算，最新运算的结果马上再存入到相应的元件映像寄存器中。 对元件映像寄存器来说，每一个元件的状态会随着程序执行过程而刷新。 三、 输出刷新阶段 在用户程序执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段一起转存到输 出锁存器中，通过一定的方式集中输出，最后经过输出端子驱动外部负载，在下一个输出刷新阶段开始之前，输出锁存器的状态不会改变，从而相应输出端子的状态也不会改变。 PLC 的 功能特点 一． PLC 鲜明的特点 ，可靠性高 针对工业现场恶劣的环境因素，为提高抗干扰能力， PLC 在硬件和软件方面都采取了许多措施。 主要模块均采取采用大模块与超大规模集成电路， 15 I/O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施 ；对电源部分采取了很好的调整和保护措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施，采用信息保护和恢复技术，实时报警和运行信息显示等，所以这使 PLC 具有很高的抗干扰能力。 PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件完成，传统的继电器控制系统中的逻辑器件和繁杂的连线软件被软件程序取代，所以 PLC 控制系统的可靠性就大大提高。 ，通用性强 大部分情况下，一个 PLC 主机就组成一个控制系统。 对于需要扩展的系统只要选好扩展模块，进过简单的连接即可。 PLC 控制系统实质性的好处是当 控制要求改变时，需要变更控制系统的功能时，只需对程序进行简单的修改，对硬件部分稍作更改即可，而不像继电器控制系统那样，在一个装配好的控制盘上，对系统进行修改几乎是不可能的事。 同一个 PLC 装置用于不同的控制对象，只是输入 /输出组件和应用软件不同。 所以说 PLC 控制系统具有极高的柔性，即通用性强。 ，易于使用 PLC 是面向底层用户的智能控制器，因此其最初的目的就是取代继电器逻辑，所以在 PLC 诞生之时，其设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，其编程语言采用可和传统控制系统中电气原理图类似的梯形图语言。 这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门计算机知识和语言，只要具有一定的电气和工艺知识的人员都可以在短时间内学习。 ，成本低 现在 PLC 几乎可以满足所有工业控制领域的需要。 PLC 控制系统可大可小，能轻松完成单片机控制系统、批量控制系统、制造业自动化中的复杂逻辑顺序控制、流程工业中大量的模拟量控制，以及组成通信网络、进行数据处理和管理等任务。 、施工和调试的周期短 采用 PLC 控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已经商 16 品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作 也可以在 PLC 到货前进行，因而缩减了设计周期。 由于软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，从而缩短了施工周期。 因为PLC 是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样大大缩短设计和投运周期。 PLC 的输入 /输出端子能够直观的反映现场信号的变化状态，通过编程工具可以直观地观察控制程序和控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、 I/O 点状态、异常状态和电源状态，极大的方便了维护人员查找故障，缩短了对 系统的维护时间。 二． S7200 的几个特性 1)定义掉电保护 S7200 PLC 允许用户定义掉电保护区的地址范围，这些元件包括： V、M、 C、 T。 被定义过的区间，可以在停电后任然保持存储器中的数据。 只有保持型定时器可以设为设为掉电保护的，对计数器和定时器来说，只有当前值可以保持，它们的位不能保持。 在默认情况下， M 存储器的前 14 个字节是非保持的。 2)立即读写 I/O S7200 PLC 提供有立即读写物理 I/O 点的指令，使用这些指令可以直接访问真正的输入 /输出点，而不必使用映像寄存器作为源地址和目的地址来访问I/O。 3)对输入信号增加滤波器 干扰信号会引起系统的误操作， S7200 PLC 允许为 CPU 模块上的输入点设置滤波器，并未滤波器定义延迟时间，延迟时间从 ~ 可选。 延迟时间可有助于滤除输入杂波，减少输入状态发生意外改变的可能性。 4)捕捉窄脉冲 17 S7200 PLC 为 CPU 模块上的数字量输入点提供脉冲捕捉功能，该功能允许 PLC 捕捉到持续时间很短的脉冲信号。 当一个输入点设置了脉冲捕捉功能后，输入点的状态变化被锁存并一直保持到下一个扫描采样阶段，这就保证了一个持续时间很短的脉冲 信号能被捕捉到。 5)模拟电位器 模拟电位器位于 CPU 模块的面板上，有些 CPU 有一个，有些有两个，电位器的标定范围为 0~255。 这些电位器可以完成很多功能，如更新定时器、计时器的设定值、修改限定值等。 其特点是成本低、简单，但不直观、精度低。 6)高速 I/O S7200 PLC 具有集成的高速计数功能，它能够对外部高速事件计数而不影响 CPU 的性能。 S7200 PLC 也支持高速脉冲输出功能，其输出点 和 可形成高速脉冲串输出或脉宽调制输出。 7)设置停止模式下的输出值 有些情况下，为了安全等方 面的原因，需要设置在停止状态下 PLC的输出值。 S7200 PLC 允许用户选择在 STOP 模式下的输出状态，输出有数字量信号和模拟信号之分，对这些输出信号，可以设置它们是保持 STOP前的状态，还是将已知设定值传送到输出端。 主排水控制系统 排水系统原理 在手动控制排水系统的基础上加以改进，使排水系统具备手动和自动两种控制方式，达到智能工作的目的。 自动控制是指根据水泵、真空泵以及其它相关联设备的工作要求设定程序来自动完成控制。 而手动控制则需要操作员根据要求，按照一定顺序来进行水泵及其相关设备的 开停控制。 18 系统采用 PLC（可编程控制 )为核心，通过采集各种参数包括水箱水位、压力、温度、真空度、电压、电流等，对水泵的工作状态进行实时监控，当接收到来自操作台的控制命令时，对水泵等电器设备进行启动、停止等相关操作，还可以将数据传至上位机，并通过上位机对井下排水设备进行监控。 具体来说，系统具有以下功能：。 以水泵的工作效率高为标准，对系统参数进行实时监测，优化排水系统的工作状态，使系统高效运行。 ，可以根据水仓水位的变化，控制开关阀来控制水泵的工作状态。 ，如电压、电流、轴温、出水口压力等。 ，如高水位警报和其他故障警报。 ，根据不同时间电费的不同结合矿井的用水量和用电负荷，合理调度水泵的工作状态，实现节能的目的。 ，实现数据记录、查询等功能。 系统组成 煤矿 井下主排水自动控制系统主要由远程控制上位机、 PLC 控制箱、显示操作台、阀门、传输光缆、传感器、交换机等设备组成，根据硬件结构可分为三层：现场层、控制层和管理层。 19 网络视频服务器上位机 打印机交换机光端机 光端机光纤接线盒光纤接线盒PLC 控制箱 显示操作台三个防爆摄像仪水泵及相关联设备地面矿井8 芯光缆控制层现场层管理层 图 井下主排水系统自动控制系统结构图 如图 所示，管理层中网络视频服务器与井下的防爆摄像仪通过以太网通信，实现对中央住水泵房工作情况的实时监控。 上位机用于监控井下主排水自控系统，通过以太网与 PLC 控制箱进行信息交换，并根据摄像仪显示的现场层水 泵及相关联设备的参数信息对其进行远程控制。 控制层包括PLC 控制箱和显示操作台。 PLC 控制箱作为主排水控制中心和数据采集中心，用来采集水泵及相关联设备的运行信息，并与管理层的上位机通过以太网进行实时数据交换，对各个设备集中监控。 显示操作台由开关按钮。 指示灯和文本显示器组成，显示各个设备的状态，并实施就地控制。 水泵相关联设备主要包括各种传感器和各种阀门。 离心式水泵排水系统 离心泵排水系统组成部分 离心式水泵排水系统的主要组成部分有：离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成。 20 图 离心式水泵工作系统图 1水仓； 2水泵； 3电动闸阀； 4逆止阀； 5射流泵电磁阀； 6静止水管； 7电机启动开关； 8电动机； 9射流泵 射流泵的工作原理 引水设备一般为真空泵或射流泵。 真空泵运行效率高，水泵启动快，但需要提供专门的驱动设备。 射流泵的结构简单，操作方便，根据矿井的地下环境和条件，射流泵的应用更为普遍。 其结构如 图 所示。 21 图 射流泵系统结构 1喷 嘴； 2吸入室； 3混合管； 4扩散管； 5吸水管； 6压出管 射流泵的特点 结构简单，加工容易，成本低 工作可靠，无泄漏，无磨损，维护方便 可综合利用，兼作反应器、混合器等 能量转换效率较低 射流泵具有结构简单、占地少、安装容易、工作可靠、维护方便等优点，是一种常用的引水设备，适合井下排水设备使用。 启动过程 第一是监测水仓的水位，当水仓的水位达到设置的水位标准时，通过控制射 流泵的电磁阀线圈，打开喷射泵为离心式水泵注水。 射流泵的工作会导致水泵入口处的真空度增加，离心泵的腔体会在大气压的作用下被配水井中的水注满，当水泵入口处的真空度达到要求后，水泵机组的电动机触电接通使水泵被开启。