礦井主排水自動控制系統(tǒng)設計

1、本科生畢業(yè)設計姓 名： 學 號：學 院： 應用技術學院 專 業(yè)： 電氣工程及自動化 設計題目： 礦井主排水自動控制系統(tǒng)設計 指導教師： 職 稱： 2009年 6 月 中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計任務書學院 應用技術學院 專業(yè)年級 電氣05-1 學生姓名 梁海軍 任務下達日期： 2009年 1 月 15 日畢業(yè)設計日期： 2009年 3月 5日至2009 年 6 月 10日畢業(yè)設計題目：礦井主排水自動控制系統(tǒng)畢業(yè)設計專題題目：畢業(yè)設計主要內容和要求：1掌握礦井水泵的工作原理和控制方法；2設計一種應用plc作為控制器的水泵自動排水系統(tǒng)；3掌握所用傳感器的工作原理及使用方法；4設計主排水泵自動監(jiān)控系統(tǒng)；5用

2、plc語言編制控制系統(tǒng)軟件。院長簽字： 指導教師簽字：中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計指導教師評閱書指導教師評語（基礎理論及基本技能的掌握；獨立解決實際問題的能力；研究內容的理論依據和技術方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點；工作態(tài)度及工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 指導教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計評閱教師評閱書評閱教師評語（選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大??；取得的主要成果及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計評閱教師評閱

3、書評閱教師評語（選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大??；取得的主要成果及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計答辯及綜合成績答 辯 情 況提 出 問 題回 答 問 題正 確基本正確有一般性錯誤有原則性錯誤沒有回答答辯委員會評語及建議成績：答辯委員會主任簽字： 年 月 日學院領導小組綜合評定成績：學院領導小組負責人： 年 月 日摘 要文章進行了排水設備的選型設計，然后根據排水控制的要求，進行自動控制方面的設計。本系統(tǒng)采用siemens的s7-300系列plc，

4、并結合各種傳感器（主要為水位傳感器、負壓傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等），完成系統(tǒng)設計中要實現(xiàn)的控制功能。本系統(tǒng)采用水泵及管路的“自動輪換”工作制。又根據“避峰填谷”的原則確定開啟水泵臺數，以達到節(jié)省用電的目的。在就地pc端，采用易控組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視設備的運行情況及各個運行參數，做到有故障及時發(fā)現(xiàn)并盡早處理。s7-300通過cp340通訊模塊，采用rs-232c通信標準與就地pc建立聯(lián)系。關鍵詞：plc、排水系統(tǒng)、自動控制abstractat first this text chose and designed drainage equipments, then designed autoc

5、ontrol part based on drainage control request. this system adopts s7-300 plc series produced by siemens，with many sensors(mainly incloding water line sensors,minus pressume sensors,pressme sensors,flux sensors) to complete autocontrol function demanded in this system design. water pumps and pipeline

6、s 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. on the spot of pc,it introduces controlease configuration control system to take charge of inspecting run

7、ning state and parameters of equipments so that trouble can be found and dealt with in time. s7-300 used standard rs-232 to communicate with pc on the spot through module cp340. key words:drainage system； plc； autocontrol目 錄第一章 緒論11.1 排水系統(tǒng)概述1 1.1.1 礦井生產過程中排水的重要性1 1.1.2 礦井排水系統(tǒng)的組成部分1 1.2 井下排水系統(tǒng)存在的問題3

8、1.3 排水系統(tǒng)為何要實現(xiàn)自動控制3 1.4 我國礦井主排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀4 第二章 礦井自動排水系統(tǒng)的各種參數與檢測4 2.1 水倉水位的檢測5 2.1.1 液位傳感器介紹5 2.1.2 液位檢測裝置選擇8 2.2 電機即水泵溫度檢測9 2.3 水泵壓力檢測10 2.4 水泵流量檢測12 2.4.1 流量檢測儀器的安裝12 2.4.2 流量計的要求13 2.4.3 流量檢測傳感器的使用15 2.5 水泵負壓檢測15第三章 基于plc的礦井主排水自動控制系統(tǒng)的總體設計163.1 控制系統(tǒng)的總體結構163.2 基于plc的礦井主排水控制系統(tǒng)設計17 3.2.1 plc的主要特點17 3.2.2 pl

9、c的基本工作原理20 3.2.3 plc地址分配和實現(xiàn)控制功能22 3.2.4 3s7300plc的基本組成273.3 西門子et200m與profibus-dp總線32第四章 礦井自動主排水系統(tǒng)設備的選型設計334.1 初始數據334.2 選型設計334.3 引水設備354.4 自動閥門384.5 高壓開關柜40 第五章 控制系統(tǒng)的軟件設計415.1 plc的軟件設計41 5.1.1軟件流程圖41 5.1.2 地址分配43 5.1.3 水泵的自動開啟、運行、故障保護流行圖45 5.1.4 plc的程序設計475.2 控制系統(tǒng)上位機的軟件設計50 5.2.1 設計要求50 5.2.2 設計內容

10、51 5.2.3 上位機與plc的通信51 5.2.4 監(jiān)控主界面53 5.2.5 報警界面55第六章 如何使礦井主排水自動控制系統(tǒng)抗各種干擾566.1 常見的各種干擾源566.2 如何采取措施排除這些干擾56第七章 總結57參考文獻58致謝59翻譯部分60 中國礦業(yè)大學2009屆本科生畢業(yè)設計 第76頁第一章 緒論井下排水系統(tǒng)是煤礦生產中四大系統(tǒng)之一，擔負著井下積水排除的重要任務。然而，目前我國的井下排水系統(tǒng)仍由很多依靠傳統(tǒng)的人工操作方式。本章分析這種排水系統(tǒng)的組成及工作過程，指出其存在的問題，為井下主排水系統(tǒng)自動控制的研究提供依據。1.1排水系統(tǒng)概述1.1.1礦井生產過程中排水的重要性在煤

11、礦地下開采的過程中，由于地層中含水的涌出，雨水和江河中水的滲透，水砂充填和水力采煤礦井的井下供水，將要有大量的水晝夜不停地匯集于井下。礦井涌水與采區(qū)的水文地質及當地的氣象條件有關系，涌水量在不同的季節(jié)也呈現(xiàn)不同。在一些大水礦井，礦井涌水量可達到每秒17立方米，甚至超過每秒20立方米。另外，煤炭開采過程中，由于地層結構被破壞，巖層斷裂，使采區(qū)與儲水層連通，發(fā)生突水事故，涌水量會突然增加。如果不能及時地將這些積水排送到井上，井下的生產就可能受到阻礙，井下的安全就會得不到保障，嚴重者會造成重大事故。給人民的生命、國家的財產都帶來了極大的威脅。因此，井下排水就顯得尤為重要。井下自動排水系統(tǒng)的任務就是把

12、流入井下煤礦巷道中的礦井積水排送至地表。根據統(tǒng)計，每開采1噸煤就要排出2-7噸礦井水，有時甚至要排出30-40噸礦井水。井下排水設備所配備電機的功率，小的幾千瓦到幾十千瓦，大的幾百千瓦到上千千瓦、在我國煤炭行業(yè)中，井下排水用電量占原煤生產總耗電量的18%-41%，一般為20%左右。因此，井下排水設備運轉的可靠性(安全運轉)與經濟性(效率高、電耗量小)，具有十分重要的意義。1.1.2礦井排水系統(tǒng)的組成部分井下排水系統(tǒng)一般采用離心式水泵，一些小型煤礦或淺水井臨時排水系統(tǒng)也采用潛水泵。離心式水泵排水系統(tǒng)主要由離心式水泵、電動機、起動設備、儀表、管路及管路附件等組成。濾水器和底閥 濾水器安裝在吸水管的

13、下端，插入吸水井下面，不得低于o.5m 。其作用是防止井底沉積的煤泥和雜物吸入泵內，導致水泵被堵塞或被磨損。在濾水器內裝有舌型底閥，其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水，以及停泵后的存水不致漏掉。但是現(xiàn)在的排水系統(tǒng)中，為了提高排水效率，減小水泵腐蝕，一般不用底閥，而用射流泵或真空泵為水泵和吸水管注水。閘閥調節(jié)閘閥安裝在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止閥的下方。其功用為:調節(jié)水泵的流量和揚程；起動時將它完全關閉，以降低起動電流。調節(jié)閘閥的優(yōu)點是流動阻力和關閉壓力較小，安裝時無方向性，能夠方便地來調節(jié)水泵的流量和揚程等。其缺點是密封面容易擦傷，檢修較為困難，高度尺寸較大，在安裝位置受到限制時

14、，安裝不便，結構較復雜，價格較高。 放水閘閥安裝在調節(jié)閘閥上方的排水管路的放水管上，其作用為檢修排水管路時放水用。逆止閥 逆止閥安裝在調節(jié)閘閥的上方，其作用是當水泵突然停止運轉(如突然停電)時，或者在未關閉調節(jié)閘閥的情況下停泵時，能自動關閉，切斷水流，使水泵不致受到水力沖擊而遭到損壞。 灌引水漏斗、放氣栓和旁通管 灌引水漏斗是在水泵初次起動時，向水泵和吸水管中灌引水用。在向水泵和吸水管中灌引水時，要通過放氣栓(又叫氣嘴)將水泵和吸水管中的空氣放掉。當排水管中有存水時，也可通過旁通管向水泵和吸水管中灌引水，此時要將旁通管上的閥門打開。此外，還可通過旁通管，利用排水管中的壓力水的反沖作用，沖掉積存

15、于水泵流通部分和附著于濾水器上的雜物，但此時須通過連接在底閥上的鐵絲或鏈條將底閥提起。 壓力表和真空表 壓力表安裝在水泵的排水接管上，為檢測排水管中水壓大小用。常用的壓力表為普通彈簧管壓力表，根據其結構特征可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑有60mm,100mm,150mm,200mm和250mm五種。壓力表所測出的壓力叫做表壓力或相對壓力，它比絕對壓力小1個大氣壓。 真空表安裝在水泵的吸水接管上，為檢測吸水管的真空度用。根據其結構特征也可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑和壓力表一樣，也分為60, 100, 150，和250mm五種。真空表測量范圍為0-

16、0.1 mpa(一個大氣壓)。 射流泵或真空泵 離心式水泵在起動前必須將吸水管和泵腔內注滿水才能進入運行狀態(tài)，否則水泵轉動時將無法吸水，形成“干燒”，嚴重影響水泵的使用壽命。在無底閥的排水系統(tǒng)中，水泵每次起動都要灌水，這一工作由抽真空設備完成，一般使用射流泵或真空泵。如圖1-2所示。它們的工作原理不同，但都能在系統(tǒng)中使水泵工作腔達到一定的真空度，保證系統(tǒng)正常工作。1.2井下排水系統(tǒng)存在的問題目前，我國大多煤礦企業(yè)的井下水泵房使用的仍然是傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng)，以離心式水泵系統(tǒng)為主。這種排水系統(tǒng)的操作以離心式水泵的工作特性為基礎，泵站的起停時間判斷，完全依賴于工人的經驗和已有的操作規(guī)程。當水倉水

17、位到達設定的高水位時，工人打開射流泵(或真空泵)，為水泵抽真空，同時觀測真空表的讀數。真空度達到要求后，起動水泵機組，使水泵運轉。當水泵出水口壓力表讀數達到要求時，開起閘閥進行排水，同時關閉抽真空的射流泵(或真空泵)。 停泵過程要進行相反的操作。當水倉積水降至低水位時，先將閘閥關死，再停水泵機組。根據現(xiàn)場涌水量的不同，工人還要判斷同時投入幾臺水泵工作，以便于既能及時排出積水，又能使泵站合理使用，避免過度頻繁的起停。其存在的問題有如下幾點：效率低、可靠性差。這種排水系統(tǒng)的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的完成各個執(zhí)行件的操作。另外，對水位、涌水量大小等現(xiàn)場數據的判斷依賴于工人的經驗。作業(yè)過程

18、比較復雜，要求工人具有很強的責任心，否則可能出現(xiàn)誤操作，甚至發(fā)生大的事故。工人勞動強度大。人工操作無法避免高強度的勞作。尤其是閘閥的操作，勞動量最大。而且，水泵房要時時有人值守，以便在發(fā)生異常情況時，及時報警檢修。1.3排水系統(tǒng)為何要實現(xiàn)自動控制針對上述排水系統(tǒng)存在的問題，本文提出了基于plc的礦井主排水自動控制系統(tǒng)的設計。自動控制系統(tǒng)的應用，將使得排水系統(tǒng)可靠性增強，整個工作流程通過軟件的編程來實現(xiàn)，程序確定后，水泵機組將按給定的程序自動啟停水泵、開合閥門，極大的減小工人的勞動強度。plc將水泵機組的運行狀態(tài)與參數經安全生產監(jiān)測系統(tǒng)傳至地面生產調度監(jiān)控中心主機，管理人員在地面即可掌握井下主排

19、水系統(tǒng)設備的所有檢測數據及工作狀態(tài)，又可根據自動化控制信息，實現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的遙測、遙控。1.4我國礦井主排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀井下排水是伴隨著采礦工程產生的一項系統(tǒng)工程。隨著控制理論和現(xiàn)代檢測技術的發(fā)展，自動排水系統(tǒng)的研究在理論和實踐上都取得了一定進步。傳統(tǒng)的繼電器控制方法，用人工進行檢測(如人工檢測水倉水位、淤泥厚度、管道、閘閥及配電設備狀況等)，這種檢測控制方法效率低，工人勞動強度大，且由于井下環(huán)境惡劣，故障率較高。所以靠人工檢測的方法已不適應煤炭發(fā)展的需要，取而代之的是自動化排水系統(tǒng)。隨之，一種新穎的礦井排水計算機自動控制系統(tǒng)問世。由于礦井排水系統(tǒng)屬于多變量、非線性、時變的復雜系統(tǒng)，特別是在

20、管道和水泵等環(huán)節(jié)中，各變量之間又存在著交叉，因此礦井排水系統(tǒng)非常適合于采用模糊控制的方法進行動態(tài)監(jiān)測和故障診斷。該系統(tǒng)采用先進的集散式控制方式，建立了多級模塊化的結構體系，提出了多參數的模糊綜合決策方法。目前，plc在國內外工業(yè)控制中已獲得廣泛應用，在礦井排水系統(tǒng)中，采用plc自動監(jiān)測排水系統(tǒng)的運行狀況，自動進行數據采集、自動記錄、故障報警、事故分析、多臺水泵啟動的自動切換等，所得到的動態(tài)資料準確性高，控制的可靠性高。第二章 礦井自動排水系統(tǒng)的各種參數與檢測排水裝置要實現(xiàn)自動控制、無人職守，最根本的就是讓控制系統(tǒng)了解自動化系統(tǒng)中各個設備的狀況和運行狀態(tài)。這些運行狀態(tài)經過系統(tǒng)中央處理單元的分析和

21、運算后，做出判斷并顯示給集中監(jiān)控室。圖 主排水泵自動化監(jiān)控系統(tǒng)圖排水裝置實現(xiàn)自動化的過程中，必須對圖所示參數進行檢測，本章將對以下5個監(jiān)控的參數展開論述并給出檢測的方法和可實現(xiàn)性。(1)水倉水位的檢測(2)水泵流量的檢測(3)水泵壓力檢測(4)水泵負壓檢測(5)電機及水泵溫度檢測2.1水倉水位的檢測2.1.1液位傳感器介紹一、超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器是利用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接受到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對液位進行測量。根據發(fā)射和接受換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換

22、能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接受各使用一個換能器。下面就單換能器的超聲波傳感器加以介紹。超聲波發(fā)射和接收換能器可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖3-2所示。 圖 超聲波液位計安裝示意圖對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時間為： （式3-1）則 （式3-2）式中： h 換能器距液面的距離； c 超聲波在介質中的傳播速度。從以上公式中可以看出，只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時間間隔，便可以求得待測的液位。超聲波液位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會產生較大的誤差。在一般使用條

23、件下，它的測量誤差為，檢測液位的范圍為m。本設計中采用的是yjsonic系列的超聲波液位計，在測量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經物體表面反射后被同一傳感器接收，轉換成電信號。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時間來計算傳感器到被測物體的距離。工作特點：采用smd技術，提高儀器的可靠性，自動功率調整，增益控制、溫度補償。先進的檢測技術，豐富的軟件功能適應各種復雜環(huán)境。采用新型的波形計算技術，提高儀表的測量精度。具有干擾回波的抑制功能，保證測量數據的真實。16位d/a轉換，提高電流輸出的精度和分辨率。傳感器采用四氟乙烯材料，可用于各種腐蝕性場合，多種輸出方式：可編程繼電器輸出、高精度420ma

24、電流輸出、rs-485數字通信輸出等方式可供選擇。圖 超聲波液位計選型設計中選用二線制輸出型液位計，其參數如下：量程： 03、5、8、10、15、20m精度： 0.25% 盲區(qū)： 0.30.5m溫度： -20+55電源： 24vdc控制： 無輸出： 420ma 二線制防護等級：  ip65顯示方式： 4位lcd  二、投入式液位傳感器投入式液位傳感器是將傳感器的探頭投入液體中。利用處于一定深度時液體會產生一定的壓強這個基本原理制成的。其示意圖如圖3-4所示。圖3-4水位計示意圖圖 傳感器功能模塊圖具體的來說是:傳感頭根據水中的壓力與空氣中的壓力差，傳感頭把水位的高

25、度變換成壓力差，再把壓力差轉換成微弱的電信號，該微弱的電信號經放大器放大后送a/d變換器，單片機采集數字信號經運算處理后，輸出的水位高度用數碼管來顯示，同時輸出對應的輸出信號。其內部的功能模塊圖如圖3-5。2.1.2液位檢測裝置的選擇上述兩種液位傳感器是基于不同的工作原理設計和制造出來的，分別適應于不同的工作場所。當然，有些場所可以使用兩種當中的任何一種，也可以同時使用在同一個被檢測對象(水倉)。一、兩種液位傳感器的比較 投入式液位傳感器的特點在于: 制造成本相對于超聲波液位傳感器較為低廉: 量程比較小(5 10米)，但一般能滿足測量水倉水位的要求: 性能受到被檢測介質物理性質(如液體有固體沉

26、積或粘稠)的影響； 測量工作不受空氣中的懸浮成分如粉塵、濃煙等的影響 相對而言，超聲波液位傳感器的特點在于: 超聲波傳播會受到空氣中粉塵的影響； 超聲波水位傳感器的測量量程大； 超聲波水位傳感器屬于非接觸式傳感器，性能不受被檢測介質的影響； 制造成本比較高。二、水位檢測裝置的選擇由于煤礦井下的排水系統(tǒng)重要的安全地位，而水位傳感器是整個排水系統(tǒng)的嗅覺器官。也就是說，一旦水位傳感器失靈，后面的排水硬件和響應軟件設置的再好都無法啟動。所以，合理設計水位傳感也是很重要的。在水位檢測裝置的選擇上，至少選擇兩個水位傳感器來提高水位檢測裝置的可靠性。一般選擇一個超聲波液位傳感器與一個投入式液位傳感器相結合的

27、方法來檢測水位。但是由于超聲波液位傳感器不能用在過于狹小的空間內，當條件不具備時，也可以使用兩個投入式傳感器來檢測水位。2.2電機及水泵溫度檢測溫度傳感器一般分為接觸式與非接觸式兩大類。所謂接觸式就是傳感器直接與被測物體接觸，這是測溫的基本形式。這類溫度傳感器具有結構簡單、工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價格低廉等優(yōu)點，是目前應用最多的一類。非接觸式溫度傳感器理論上不存在接觸式溫度傳感器的測量滯后和應用范圍上的限制，可測高溫、腐蝕、有毒、運動物體及固體、液體表面的溫度，不干擾被測溫度場，但測量精度低，使用不太方便。通過比較，宜選擇接觸式溫度傳感器測量溫度比較合適。本文選擇pt100溫度傳感器測電機

28、及水泵溫度。pt100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數關系的特性來進行測溫，其溫度/阻值對應關系為：（1）-200<t<0時，  （式3-12）（2）0t850時，  （式3-13） 式中，a=3.90802×10-3； b=-5.80×10-7； c=4.2735×10-12。pt100溫度傳感器是一個模擬信號，它在實際應用中有二種形式:一種是不需要顯示的,主要采集到plc，這樣在使用的時候只需要一塊pt100的集成電路，要注意的是這個集成電路采集的不是電流信號而是電阻值，pt100的集成電路（需要一個

29、77;12vdc電源提供工作電壓）直接把采集到的電阻變?yōu)?-5vdc輸入到plc，經過簡單的計算就可以得到相應的溫度值。（這樣的形式可以同時采集多路），還有一種就是單獨的一個pt100溫度傳感器（工作電源是24vdc），產生一個4-20ma的電流，然后再通過一個4-20ma電流電路板把4-20ma的電流變?yōu)?-5v電壓。它可以串連一個電磁指示儀表。 pt100溫度傳感器的主要技術參數如下：測量范圍：-200+850；允許偏差值：a級±（0.150.002t），b級±（0.300.005t）；熱響應時間<30s；最小置入深度：熱電阻的最小置入深度200mm；允通電流5m

30、a。另外，pt100溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點。應用范圍：氣液兩用型，可用于供水系統(tǒng)，液壓，氣動系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)，空調系統(tǒng)，自動化工程等。2.3水泵壓力檢測一、應變式壓力傳感器原理介紹應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質的動態(tài)或靜態(tài)壓力，如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機內部的壓力、槍管及炮管內部的壓力、內燃機管道的壓力等。應變式壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。圖3-9為膜片式壓力傳感器，應變片貼在膜片內壁，在壓力作用下，膜片產生徑向應變和切向應變，表達式分別為：（式3-8）（式3-9）式中： 膜片上均勻分布的壓力； r、 膜片的半徑和

31、厚度； x 離圓心的徑向距離。由應力分布圖可知，膜片彈性元件承受壓力時，其應變變化曲線的特點為：當x=0時，；當 x=r時，=0，=。根據以上特點，一般在平膜片圓心處切向粘貼r1、r4兩個應變片，在邊緣處沿徑向粘貼r2、r3兩個應變片，然后接成如圖3-10的全橋電路。其中，且r1=r2=r3=r4，則：（式3-10）（式3-11）此時全橋差動電路不僅沒有非線形誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時的4倍，同時仍具有溫度補償作用。圖 全橋差動電路二、hs-956系列薄膜壓力變送器在本系統(tǒng)中使用了hs-956系列薄膜壓力變送器。hs-956系列薄膜壓力變送器由高性能的薄膜壓力傳感器與信號調理電路組成。該

32、系列產品技術獨特、性能優(yōu)越,具有體積小、重量輕、安裝簡便、能在惡劣環(huán)境長期穩(wěn)定工作的特點，特別適合頻繁沖擊壓力的測量。是目前理想的流體壓力測量儀表。hs-956系列薄膜壓力變送器的特點：1、穩(wěn)定性高每年優(yōu)于 ±0.1% 2、測量誤差小綜合誤差可小于 ±0.1% 3、溫度范圍寬允許介質溫度 -401254、溫度漂移小典型溫漂 ±0.02%/5、適應惡劣環(huán)境耐溫、耐腐、抗振動 6、適應性廣 產品體積小、重量輕、無隔離膜片和中介液體； 全不銹鋼密封結構，無可動部件；可直接、任意安裝。因此適應各種工業(yè)測量場合及介質。主要技術指標：1、介質 液體、氣體或蒸汽2、輸出 兩線制

33、420ma.dc ；3、量程 0.1,0.16,0.2,0.25,0.3,0.4,0.5,0.6,0.8,1,1.6,2, 2.5,3,4,5,6,8,10,16,20,25,30,40,50,60mpa4、電源 24v.dc,無負載時可工作在12v.dc，最大電源電壓36 v.dc；5、負載范圍允許最小負載為零，最大負載rl=50（us-12）。其中us為電源電壓；6、過壓 量程的120% ；7、輸出限制 變送器過壓時，內部限流器輸出電流限制在25ma以下；8、溫度范圍 敏感元件工作溫度：-50125；電子部件工作溫度：-4085 ；9、濕度范圍099% 相對濕度 。2.4水泵流量檢測2.4

34、.1流量檢測儀器的安裝位置 水泵的流量與水泵出口的閘閥開度和出口壓力、電動機電流有直接的關系。這些參數之間相互結合可以檢測出水泵、電動機的性能和工況。因此水泵出口流量的檢測有非常重要的意義。水泵出口流量的檢測有兩種布置方式: 流量檢測器安裝分別安裝在水泵出口的分支管路上，圖3-6所示;流量檢測器安裝在水泵出口的總管路上，如圖3-7所示。兩種安裝位置的比較，采用圖3-7所示的安裝方式可以滿足需要。 采用如圖3-6示的安裝方式可以保證準確測量每一個水泵在工作過程中的流量。從而可以比較準確的判斷出各個水泵機組的工作特性。但是結合煤礦井下排水過程的特點:水泵的工作方式(輪番啟動)，如果采用如圖3-7所

35、示的安裝方式，也可以判斷出每個水泵的流量，但是需要比較復雜的軟件設1.截止閥2.離心式水泵3.流量傳感器圖 各個水泵分別安裝流量傳感器計來實現(xiàn)。軟件中可以通過檢測干路中的流量總和與所開啟的水泵數目，可以得到整個排水泵一電機機組的工況。因此出于造價、硬件系統(tǒng)的復雜等方面的考慮，優(yōu)先選擇圖3-7所示的方式設置流量計。1.截止閥2.離心式水泵3.流量傳感器圖 各個水泵只安裝一個流量傳感器2.4.2流量檢測傳感器一、電磁流量計工作原理在工業(yè)中經常使用的大口徑流量計是電磁流量計。自20世紀50年代末國內首次工業(yè)應用以來，七八十年代在流量測量中運用和發(fā)展很快。電磁流量計由電磁流量轉換器和電磁流量傳感器組成

36、的。電磁流量轉換器是為電磁流量傳感器提供電源，并將其測量的流量信號整定成為標準的4-20ma電流等其他形式的信號。電磁流量傳感器是根據法拉第原理制成的一種流量計，用來測量導電液體的流量。其原理圖如圖3-8所示，它是由產生均勻磁場的系統(tǒng)、不導磁材料的管道以及在管道橫截面上的導電電極組成。磁場方向、電極連線、管道軸線三者之間是相互垂直的。當被測導電液體流過管道時，切割磁力線，于是在和磁場及流動方向垂直的方向上產生感應電動勢，其數值與液體的流速成正比。即 （式3-3） 式中:b磁感應強度(t)； d切割磁力線的導體液體的長度(為管道內徑)(m)； v導電液體在管道內的平均流速(m/s )。由式(3-

37、3 )得被測導電液體得體積流量為 （式3-4）因此，知道感應電動勢就可以測出導電液體的流量。圖 電磁流量傳感器原理圖二、電磁流量傳感器的結構特點理論上認為磁感應強度b是常量，即直流磁場。但直流電勢將使被測液體電解，使電極極化。正電極被負離子包圍，負電極被一層正離子包圍，加大了電極的電阻。破壞了原來的測量條件。同時內阻增加隨被測液體成分的變化和工作時間長短而變化，因而使輸出電勢不固定，影響測量精度。而對被測量介質的流量測量采用交流電(頻率為5ohz)勵磁的交流磁場，即 （式3-5）感應電動勢為 （式3-6）所以體積流量為 （式3-7） 為了避免測量管路引起磁分流，故需要用非導磁材料做成。另外，由

38、于測量管路處于較強的交流磁場中，管壁產生渦流，因而產生二次磁通。為了減少渦流，要求測量管路的材料具有高電阻率。且對于不同直徑的電磁流量計，其電極、測量管路都采用不同的材料做成。三、電磁流量計的特點測量管路內沒有任何突出和可移動的部件，因此可用于有懸浮顆粒的漿液等流量的測量，且壓力損失極??；感應電勢與被測液體溫度、壓力、粘度等無關，因此其使用范圍廣泛;測量范圍寬，；可以測量各種腐蝕性液體的流量；電磁流量計的慣性小，可以用來測量脈動流量；對測量介質，要求導電率大于0.002-0.005/m。2.4.3流量計的要求 隨著工業(yè)生產技術的加強和進步，各種智能型電磁流量計已經很容易的制造出來，并應用于測量

39、管道中導電液體的體積流量，如水、污水、泥漿、礦漿、酸、堿、鹽液體及食品槳液等。在石油化工、礦冶、煤炭、水利工程給排水、污水處理等行業(yè)中廣泛應用。電磁流量計可以達到以下要求: 4-20ma信號輸出型； 抗干擾性強、精度高、穩(wěn)定性可靠、整體防爆；測量范圍寬，流速0.3-15m/s；實際上，以常村煤礦s-3水泵房為例，其理論上管路中液體的流速范圍是:2.46m/s-4.92m/s。結合電磁流量傳感器自身的特點，煤礦井下水泵房采用電磁流量傳感器檢測水泵出口的流量是簡單易行的。 隨著工業(yè)生產技術的加強和進步，電磁流量計達到抗干擾性強、精度高、穩(wěn)定性可靠、整體防爆的要求，適合在煤礦井下使用，且也逐步的推廣

40、和使用。由于每臺水泵的工作曲線特別是使用了一定年限的離心式水泵的流量/功率、流量/效率等曲線有較大的差異，因此無法給出每臺水泵在工作過程中的流量正常閾值和水泵排出水過少的閾值。這些閾值只有在現(xiàn)場根據每臺水泵不同的流量特性設定出相應的閾值。雖然電磁流量傳感器在使用、安裝的過程中比較復雜，但可以肯定的說，隨著流量傳感器在自動排水系統(tǒng)的應用，將大大提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。2.5水泵負壓檢測ns-k型負壓傳感器采用先進的靜電焊接技術形成穩(wěn)定的參考腔，可以用來測量小于大氣壓的壓力和真空度，廣泛用于石油、化工、冶金、制藥冷凍、真空儀表等自動化行業(yè)。ns-k型負壓傳感器的主要技術指標如表所示：表 ns

41、-k型負壓傳感器的主要技術指標輸入0-0.5kpa-1kpa-10kpa-30kpa-50kpa-100kpa過載能力2倍測量介質對不銹鋼不腐蝕的氣、液體工作方式負壓、真空度工作電壓5vdc或10vdc(24v)輸出100mv或05v、420ma零位輸出2mv綜合精度0.05%、0.1%、0.3%f.s非線性±0.1%f.s（典型值）重復性±0.1%f.s（典型值）工作溫度范圍-40120溫度補償范圍2580溫度漂移0.025%f.s/第三章 基于plc的井下自動排水系統(tǒng)總體設計3.1控制系統(tǒng)總體結構系統(tǒng)采用現(xiàn)場層(遠程io),控制層(plc)和管理層(工業(yè)計算機)組成的三

42、級控制系統(tǒng)來實現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動控制。工業(yè)計算機利用友好人機界面實現(xiàn)人機對話和遠程監(jiān)控功能，plc作為控制器完成邏輯處理和控制任務，遠程io實現(xiàn)現(xiàn)場數據的采集和上傳。控制系統(tǒng)總體結構如圖所示。圖 系統(tǒng)總體結構3.2基于plc的礦井主排水控制系統(tǒng)設計系統(tǒng)由plc（可編程邏輯控制器）、觸摸屏、檢測部分（模擬量和開關量采集）和執(zhí)行部分等組成，其硬件結構如圖4-2所示。圖4-2排水控制系統(tǒng)硬件結構圖3.2.1 plc的主要特點plc（ programmable logic controller） ，即可編程邏輯控制器，定義是：一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲

43、器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。 1. plc的特點 1)靈活、通用 在繼電器控制系統(tǒng)中，使用的控制裝置是大量的繼電器，整個系統(tǒng)是根據設計好的電氣控制圖，由人工通過布線、焊接、固定等手段組裝完成的，其過程費時費力。如果因為工藝上少許變化，需要改變電氣控制系統(tǒng)時，原先整個電氣控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進行布線、焊接、固定等工作，耗費大量人力、物力、和時間。而plc是通過在存儲器中的程序實現(xiàn)控制功能，若控制功能需要改變，只需修改程序及少量接線即可。而且，同一臺plc還可用于不同控制對象

44、，通過改變軟件則可實現(xiàn)不同控制的控制要求。因此，plc具有很大的靈活性和通用性，結構形式多樣化，可以適用于各種不同規(guī)模、不同工業(yè)控制要求。2)可靠性高、抗干擾能力強可靠性是工業(yè)控制器件的重要指標。因此，要求在各種惡劣工作環(huán)境和條件(如電磁干擾、灰塵等)下可靠工作，將故障率降至最低。plc具有很高的可靠性和抗干擾能力，不會出現(xiàn)繼電器一接觸器控制系統(tǒng)中接線老化、脫焊、觸點電弧等現(xiàn)象，故被稱為“專為適應惡劣工業(yè)環(huán)境而設計的計算機”。3)編程簡單、使用方便 plc采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程，容易掌握。目前，plc大多采用梯形圖語言編程方式，它既繼承了繼電器控制線路的清晰直觀感，又考慮

45、到電氣技術人員的讀圖習慣和應用實際，電氣技術人員易于編程，程序修改靈活方便。這種面向控制過程、面向問題的編程方式，與匯編語言相比，雖然增加了解釋程序和程序執(zhí)行時間，但對大多數機電控制設備來說，plc的控制速度還是足夠快的。此外，plc的i/o接口可直接與控制現(xiàn)場的用戶設備聯(lián)接。如繼電器、接觸器、電磁閥等聯(lián)接，具有較強的驅動能力。 4)接線簡單 plc只需將輸入設備(如按鈕、開關等)與輸入端子聯(lián)接，將輸出設備(如接觸器、電磁閥等)與輸出端子聯(lián)接。接線極其簡單、工作量極少。 5)功能強 plc不僅具有條件控制、定時、計數、步進等控制功能，而且還能完成a/d. d/a轉換、數字運算和數據處理以及通信

46、聯(lián)網、生產過程監(jiān)控等。因此，plc既可對開關量進行控制，又可對模擬量進行控制?？煽刂埔慌_單機、一條生產線，也可控制一個機群、多條生產線?？捎糜诂F(xiàn)場控制，也可用于遠距離控制?？煽刂坪唵蜗到y(tǒng)，又可控制復雜系統(tǒng)。 6)體積小、重量輕、易于實現(xiàn)機電一體化 plc具有體積小、重量輕、功耗低等特點。由于plc是專為工業(yè)控制而設計的專用計算機，其結構緊湊、堅固耐用，以及有很強的可靠性和抗干擾能力，易于嵌入機械設備內部。因此，plc在機電一體化產品中被廣泛應用。 2. plc的主要功能 plc是應用面很廣，發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置，在工廠自動化(fa)和計算機集成制造系統(tǒng)(cims)內占重要地位。今天的p

47、lc功能，遠不僅是替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯。 plc系統(tǒng)一般由以下基本功能構成 .多種控制功能 .數據采集、存儲與處理功 .通信聯(lián)網功能 .輸入/輸出接口調理功能 .人機界面功能 .編程、調試功能1)控制功能邏輯控制:plc具有與、或、非、異或和觸發(fā)器等邏輯運算功能，可以代替繼電器進行開關量控制。定時控制:它為用戶提供了若干個電子定時器，用戶可自行設定:接通延時、關斷延時和定時脈沖等方式。計數控制:用脈沖控制可以實現(xiàn)加、減計數模式，可以連接碼盤進行位置檢測。順序控制:在前道工序完成之后，就轉入下一道工序，使一臺plc可作為多部步進控制器使用。 2)數據采集、存儲與處理功能 數學運算功能包括: .基

48、本算術:加、減、乘、除。 .擴展算術:平方根、三角函數和浮點運算。 .比較:大于、小于和等于。 數據處理:選擇、組織、規(guī)格化、移動和先入先出。 模擬數據處理:pid、積分和濾波。3)輸入/輸出接口調理功能具有a/d. d/a轉換功能，通過i/o模塊完成對模擬量的控制和調節(jié)精度，可以根據用戶要求選擇。具有溫度測量接口，直接連接各種電阻或電偶。4)通信、聯(lián)網功能現(xiàn)代plc大多數都采用了通信、網絡技術，有rs232或rs485接口，可進行遠程i/o控制，多臺plc可彼此間聯(lián)網、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間，實現(xiàn)程序和數據交換，如程序轉移、數據文檔轉移、監(jiān)視和診斷。通信接口

49、或通信處理器按標準的硬件接口或專有的通信協(xié)議完成程序和數據的轉移。在系統(tǒng)構成時，可由一臺計算機與多臺plc構成“集中管理、分散控制”的分布式控制網絡，以便完成較大規(guī)模的復雜控制。通常所說的scada系統(tǒng)，現(xiàn)場端和遠程端也可以采用plc作現(xiàn)場機。5)人機界面功能提供操作者以監(jiān)視機器/過程工作必需的信息；允許操作者和pc系統(tǒng)與其應用程序相互作用，以便作決策和調整。實現(xiàn)人機界面功能的手段:從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機的crt顯示與鍵盤操作和用通信處理器、專用處理器、個人計算機、工業(yè)計算機的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。6)編程、調試等使用復雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏，進行

50、編程、調試、監(jiān)視、試驗和記錄，并通過打印機打印出程序文件。3.2.2 plc的基本工作原理plc運行時，內部要進行一系列操作，大致可分為四大類：以故障診斷、通信處理為主的公共操作，聯(lián)系工業(yè)現(xiàn)場的數據輸入和輸出操作，執(zhí)行用戶程序的操作，以及服務于外部設備的操作（如果外部設備有中斷請求）。其過程示意圖如圖4-3所示。與其它計算機系統(tǒng)一樣，plc的cpu是采用分時操作的原理，每一時刻執(zhí)行一個操作，隨著時間的延伸一個動作接一個動作順序地進行。這種分時操作進程稱為cpu對程序的掃描。plc的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按序號順序排列。cpu從第一條指令開始，順序逐條地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結束