基于PLC的礦井倉儲(chǔ)水自動(dòng)控制系統(tǒng)

iii摘 要礦井排水是影響煤礦安全的一項(xiàng)重要因素，因此實(shí)現(xiàn)礦井水倉液位的自動(dòng)監(jiān)控對(duì)煤礦提升自動(dòng)化管理水平具有重要意義。目前國內(nèi)各礦井的礦井水倉液位控制主要有人工監(jiān)測控制、基于嵌入式系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測控制和基于PLC系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測控制等方式。由于PLC系統(tǒng)具有使用方便、維護(hù)容易、抗干擾能力突出等優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)選用PLC為系統(tǒng)控制核心。本設(shè)計(jì)分析了礦井水倉液位控制系統(tǒng)的功能需求。自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)將超聲波液位測量裝置反饋的液位高度信號(hào)，與流量、壓力等測量信號(hào)一同輸入到西門子S7-200PLC模塊中，通過模塊內(nèi)部邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理后依據(jù)輸出信號(hào)自動(dòng)調(diào)度水泵的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)水泵的集中控制；完成了自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)；編寫了水泵實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的梯形圖；簡要分析了控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：礦井水倉；液位自動(dòng)控制；PLC系統(tǒng)AbstractMine drainage is an important factor of which affecting the Mine safety, so the achievement of the automatic monitoring of the mine water storage level is important for improving the level of mine automation management. At present, the main of the mine shaft sump level control such as the manual monitor control, embedded system based on automatic monitoring control and the system of the PLC based automatic monitoring control. Since the PLC system has advantages such as easy to use, easy maintenance, anti-interference ability to highlight, so the design chooses PLC for the core of the system control. The Design Analyses functional requirements of the mine water storage level control system. Automatic Monitoring System input the high level signal which is feedback from ultrasonic level measurement device, with the flow, pressure measurement signal to Siemens S7-200PLC module. It achieves a number of centralized control of water pumps through the pump automatically scheduling operation according to the output signal based on module internal logic operation and data processing; pumps running realizes Automatic rotation Combined load regulation and peak averting the principle, and achieve the purpose of reducing power consumption and enhancing coal mine production safety; According to the status of pump operation, the control system has three options such as automatic, semi-automatic and manual operation; then completes hardware and software design of the automatic control system; draw up the operation ladder figs of the pump; Briefly introduces the reliability of control system design.Keyword：Mine water storage；Liquid level automatic control；PLC System目 錄摘 要iAbstractii第一章 緒論1第一節(jié) 概述1第二節(jié) 礦井涌水水位自動(dòng)監(jiān)控的意義1第三節(jié) 礦井涌水水位自動(dòng)監(jiān)控的要求3第四節(jié) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3第五節(jié) 本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容5第二章 控制系統(tǒng)的功能及設(shè)備選型6第一節(jié) 水位測量傳感器的選擇6第二節(jié) 水泵系統(tǒng)組成及各狀態(tài)參數(shù)8一、水泵系統(tǒng)組成8二、水泵各狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測11第二節(jié) 保護(hù)功能14第三章 基于PLC的總體控制方案15第一節(jié) 可編程序控制器PLC的概述15一、PLC的應(yīng)用15二、PLC的主要特點(diǎn)及功能16第二節(jié) PLC系統(tǒng)的基本原理17一、PLC的系統(tǒng)組成17二、PLC的工作方式20三、PLC工作過程的中心內(nèi)容21第三節(jié) 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)22第四節(jié) 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)23一、PLC的I/O點(diǎn)數(shù)分配23二、PLC選型24三、S7-200 PLC硬件配置26第四章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)28第一節(jié) 系統(tǒng)各自動(dòng)控制功能28一、水倉涌水量的檢測28二、水倉液位變化實(shí)現(xiàn)水泵控制30三、水泵平穩(wěn)起停32四、水泵的自動(dòng)啟動(dòng)和停止33五、系統(tǒng)的故障檢測33六、控制系統(tǒng)的特點(diǎn)34第二節(jié) 系統(tǒng)梯形圖36第五章 控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)40第一節(jié) 影響PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定的干擾因素40第二節(jié) PLC控制系統(tǒng)的抗干擾措施41總 結(jié)46參考文獻(xiàn)47外文資料49中文譯文56致 謝62第一章 緒論第一節(jié) 概述煤礦是我國乃至世界重要的能源之一,特別是在我國正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)期,對(duì)能源的需求正不斷增加,為保證國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)健、快速、持續(xù)的發(fā)展，必須保障能源的供應(yīng)。隨著信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，市場競爭日益加劇，導(dǎo)致信息技術(shù)愈來愈廣泛地被應(yīng)用于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，信息網(wǎng)絡(luò)化已成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的重要而基礎(chǔ)的手段，企業(yè)信息化也越來越受到人們的重視。對(duì)于煤礦企業(yè)而言，如何適應(yīng)信息時(shí)代的要求，以及如何迎接數(shù)字地球的挑戰(zhàn)，充分有效地利用各類信息資源進(jìn)行科學(xué)決策、指導(dǎo)生產(chǎn)，已日益受到?jīng)Q策者的關(guān)注。目前，煤礦行業(yè)在信息化建設(shè)的總體水平不高，信息基礎(chǔ)設(shè)施落后，可共享的信息量少，信息流向單一而無序，嚴(yán)重影響了煤礦企業(yè)的競爭與可持續(xù)發(fā)展能力。實(shí)現(xiàn)煤礦井下各種信息的準(zhǔn)確監(jiān)測是煤礦信息化的基本組成部分，也是確保煤礦安全生產(chǎn)的保障。尤其是監(jiān)測煤礦三大災(zāi)害中的礦井水災(zāi)尤為重要，因?yàn)樗疄?zāi)的破壞作用極大。在煤礦井下生產(chǎn)中由于掘進(jìn)面、工作面、機(jī)電設(shè)備的情況不同，異常復(fù)雜，隨時(shí)都會(huì)出現(xiàn)各種險(xiǎn)情。所以必須加強(qiáng)防范，加強(qiáng)礦井的安全監(jiān)測工作。綜上所述，監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要手段，在礦井的防災(zāi)、減災(zāi)方面，以及提高生產(chǎn)率方面起著重要的作用，是礦井生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)信息化、現(xiàn)代化管理的一個(gè)重要標(biāo)志。第二節(jié) 礦井涌水水位自動(dòng)監(jiān)控的意義煤礦是我國的主要能源，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要支柱。煤炭工業(yè)的發(fā)展直接關(guān)系到我國四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程。我國煤炭生產(chǎn)以井下開采為主，井下生產(chǎn)條件惡劣，受到水、火、瓦斯、煤塵、頂板等自然災(zāi)害威脅。目前，我國煤礦重大安全事故時(shí)有發(fā)生，因此，發(fā)展煤炭產(chǎn)業(yè)，首先必須切實(shí)解決好煤礦的安全生產(chǎn)工作，為了確保國家資源和人民生命財(cái)產(chǎn)不受或少受損失，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)從多方面采取了措施。不僅制定了一系列的安全生產(chǎn)政策和法律法規(guī)，也從政策上積極扶持煤礦安全技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了煤礦防災(zāi)能力不斷加強(qiáng)。全國煤礦安全生產(chǎn)狀況從總體上講，出現(xiàn)了不斷好轉(zhuǎn)的趨勢。但是隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源緊缺，最近幾年煤礦安全問題十分突出和嚴(yán)峻，煤礦事故多，傷亡大的狀況尚未得到根本好轉(zhuǎn)，同世界各主要產(chǎn)煤國家的煤礦安全水平相比仍有較大的差距，還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)措施研究和引起各方面的高度關(guān)注。煤礦在生產(chǎn)建設(shè)過程中經(jīng)常受到水的威脅。煤礦礦井水是在煤炭開采生產(chǎn)過程中滲入井下采掘空間的水。礦井水來自地下水系，由于生產(chǎn)開鑿從巖層中涌出，這些涌出的礦井水在巷道中流入排水的涌水槽，最后匯集到礦井的中央水倉，由排水泵將礦井涌水抽排到地面，部分經(jīng)水處理后供給生產(chǎn)和生活用水。為了防止礦井水對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成威脅，需要對(duì)礦井水進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)測。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，盡管煤礦管理水平有了很大的提高，但是煤礦中的水害仍然比較嚴(yán)重，涌水和突水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅我國統(tǒng)配煤礦就有272座礦井的1.4億噸生產(chǎn)能力受水患威脅，受水患威脅的煤炭儲(chǔ)量達(dá)90億噸。例如：2007年8月17日，發(fā)生在山東新泰的“華源礦難”為建國以來最大的一起煤礦水害事件，170多條寶貴的生命在大自然肆虐的暴怒中被沉埋于1000多米的漆黑井下；2008年12月21日13時(shí)30分，江西萍鄉(xiāng)市蓮花縣淦田煤礦發(fā)生一起水災(zāi)事故，死亡2人；2008年7月29日，河南省陜縣一煤礦發(fā)生透水事故，69名礦工被困井下后經(jīng)及時(shí)救援全部脫離危險(xiǎn)，雖未造成人員死亡，但給該礦造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失；2010年3月28日14時(shí)30分左右，中煤集團(tuán)一建公司63處碟子溝項(xiàng)目部施工的華晉公司王家?guī)X礦（在山西省臨汾市鄉(xiāng)寧縣境內(nèi)，為中煤集團(tuán)與山西焦煤集團(tuán)合作組建的華晉煤業(yè)公司所屬）北翼盤區(qū)101回風(fēng)順槽發(fā)生透水事故，初步判斷為小窯老空水。事故造成153人被困。經(jīng)全力搶險(xiǎn)，115人獲救，另有38名礦工遇難。從以上事例可知，如果我們能做到實(shí)時(shí)了解礦井水倉液位的變化，能準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)測礦井涌水，就能因地制宜地采取相應(yīng)措施，防患于未然，使損失降低到最低點(diǎn)。為防范水患，就需要在礦井開采過程中興建防水工程，以使產(chǎn)生的涌水及時(shí)被排放到井外。監(jiān)控礦井水倉液位的重要意義在于：礦井涌水大小不僅是對(duì)煤田進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，而且也是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門制定采掘方案、確定排水能力和防治措施的重要依據(jù)。在煤礦，特別在涌水量大為煤礦，觀測礦井涌水量的大小是煤礦水文工作者的重要任務(wù)。其目的：為安全生產(chǎn)提供井下水情信息，以便及時(shí)處理水災(zāi)；為涌水量預(yù)測、預(yù)報(bào)提供重要依據(jù)，從而確定適宜的防治水工程。但是目前煤礦涌水量的測量方法仍有采用人工測量，一般是由工作人員攜帶測量儀器，定期測量井下幾個(gè)重要水位監(jiān)測點(diǎn)?；蚴窃诎l(fā)現(xiàn)井下涌水量明顯超出正常情況，水文工作人員馬上下井進(jìn)行觀測和處理。采用傳統(tǒng)的人工測量方法，不僅工作量大、方法繁瑣、落后，而且所得數(shù)據(jù)非常有限，同時(shí)該數(shù)據(jù)不能反映涌水量的變化情況，因?yàn)橛克渴沁B續(xù)變化量，不能用某一時(shí)刻的值代替，將這樣的測量數(shù)據(jù)用于涌水量的預(yù)測預(yù)報(bào)，必將影響其準(zhǔn)確性。另外如果發(fā)生水害，不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就不能進(jìn)行及時(shí)處理。所以，煤礦迫切需要實(shí)時(shí)掌握井下水倉液位變化，使預(yù)測預(yù)報(bào)工作提供可靠的數(shù)據(jù)，達(dá)到防止礦井水災(zāi)害對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成的威脅。因此，礦井水治理對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有極其重要的意義。第三節(jié) 礦井涌水水位自動(dòng)監(jiān)控的要求( 1 )可靠性由于礦井涌水情況的復(fù)雜和不確定性，為了保證礦井涌水的及時(shí)排出，確保礦井正常的安全生產(chǎn)和作業(yè)人員的生命安全，礦井排水系統(tǒng)必須絕對(duì)可靠。( 2 )合理性由于礦井水在井下流動(dòng)的過程中，有時(shí)會(huì)混入和溶解許多礦物質(zhì)，或含有一定數(shù)量的煤炭顆粒、流沙等雜質(zhì)。因此，要求排水系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗腐蝕和耐磨性。在進(jìn)行排水設(shè)備選型時(shí)，必須充分考慮其合理性。( 3 )經(jīng)濟(jì)性礦井涌水時(shí)排水設(shè)備的耗電量很大，一般占礦井總耗電量的25%-35%，有的達(dá)到40%，個(gè)別礦井排水耗電量更高（甚至到80%）。所以為了切實(shí)降低礦井排水電耗，在進(jìn)行排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝時(shí)，必須反復(fù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，確保系統(tǒng)以最好的經(jīng)濟(jì)效益運(yùn)行。( 4 )環(huán)境條件的限制礦井水泵均安裝在井下硐室內(nèi)，由于受井下地質(zhì)條件的限制，井下硐室空間狹窄，安裝和維修都不方便，另外，泵房設(shè)置在井下，泵房設(shè)備的檢查和維修和泵房的安全管理帶來了一定的不變。因此自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備選型必須考慮環(huán)境條件的要求。第四節(jié) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀礦井涌水屬于地下水運(yùn)動(dòng)范疇，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律及定量評(píng)價(jià)的研究主要經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段。第一階段是1856年法國人達(dá)西通過實(shí)驗(yàn)提出了水在孔隙介質(zhì)中滲透的定律，接著，裘布依以此為基礎(chǔ)研究了單向平面徑向的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，從而奠定了地下水穩(wěn)定流理論的基礎(chǔ)。在此后近100年時(shí)間內(nèi)，地下水的研究一直沿著這條穩(wěn)定流理論的道路前進(jìn)。第二階段是隨著生產(chǎn)的發(fā)展，地下水的開采規(guī)模越來越大，人們開始注意到穩(wěn)定流理論問世，它開創(chuàng)了現(xiàn)代水文地質(zhì)計(jì)算的新紀(jì)元。長期以來，世界各國都很重視研究礦井涌水量的預(yù)測預(yù)報(bào)，力圖尋找各種切實(shí)可靠的數(shù)學(xué)方法來預(yù)測礦井涌水量，涌水量計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確，關(guān)系到礦井的排水方案是否安全，經(jīng)濟(jì)合理的問題。眾所周知，地下水受多種因素控制的影響。自然界中，對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)影響較大的一些因素常常是隨機(jī)的、非確定的。20世紀(jì)70年代系統(tǒng)工程理論的興起為地下水的研究開拓了新的理論研究方向。國外在20世紀(jì)70年代就很重視用多模型分析法，用二維和三維對(duì)涌水量預(yù)測預(yù)報(bào)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，目前仍很重視，并使這一方法不斷得到完善。由加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司在原Wodflow軟件的基礎(chǔ)上應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)賓可視化技術(shù)開發(fā)研制的Visual Modflow,是目前國際上最新流行的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)的可視化專業(yè)軟件。該軟件于1994年8月首次在國際上公開發(fā)行。軟件在礦井防治水工作中應(yīng)用潛力較大，可以進(jìn)行任意水均衡域的均衡研究。這個(gè)功能可以幫助用戶直接確定回采煤層頂、底板或側(cè)向補(bǔ)給水源的補(bǔ)給方式和補(bǔ)給大小及補(bǔ)給水源的水質(zhì)情況等。此外，它的另一個(gè)重要用途就是通過選定斷裂構(gòu)造所在均衡域的水均衡計(jì)算，從而達(dá)到預(yù)測礦區(qū)導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造可能誘發(fā)的突水事故的突水量大小。由于我國地質(zhì)條件的復(fù)雜性的特殊性，用該軟件分析所得結(jié)果，在待實(shí)踐和進(jìn)一步檢驗(yàn)。1982年，我國學(xué)者鄧聚龍教授從系統(tǒng)控制的不確定元的研究出發(fā)，首先提出了灰色系統(tǒng)的概念的新的研究思想，并逐步應(yīng)用到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、工程、醫(yī)藥、軍事和文史各個(gè)領(lǐng)域至今已經(jīng)成為一種學(xué)術(shù)流派。它的問世給水文學(xué)的研究提供了新的方法和視野，促使一些水文工作者開始引用、實(shí)踐和探討灰色系統(tǒng)水文學(xué)問題。由于礦井涌水過程是一個(gè)灰色系統(tǒng)因而應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論來研究礦井涌水量不僅是可行的也是必要的。目前國內(nèi)已經(jīng)開始將灰色系統(tǒng)理論用于礦井涌水量的預(yù)測預(yù)報(bào)。在煤礦井下水位的檢測技術(shù)方面，目前國內(nèi)還處于摸索階段，檢測手段比較落后、可靠性差，檢測系統(tǒng)不完善。檢測煤泥水的傳感器還沒有好的產(chǎn)品。雖然現(xiàn)在也有一些傳統(tǒng)的水位傳感器，如壓力式，浮子式等水位傳感器用于煤泥水水位的測量，但是由于煤礦井下環(huán)境惡劣，這些傳感器均因淤泥或煤泥堵塞受到影響，致使整個(gè)系統(tǒng)難以準(zhǔn)確可靠的采集前端信號(hào)。過去對(duì)煤礦井下水的檢測監(jiān)控自動(dòng)化要求不高，但是隨著近年來煤礦事故的頻繁發(fā)生，煤礦安全問題日益引起了人們的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)在，所有礦用產(chǎn)品都進(jìn)行防爆送檢和煤安認(rèn)證，煤礦的安全要求越來越高，因此對(duì)煤礦井下水的監(jiān)控要求也隨之提高，因而具有高準(zhǔn)確性，高可靠性的檢測煤泥水的新型傳感器也急切的需要研制。目前國外的井下水倉靜態(tài)水監(jiān)測系統(tǒng)的前端信號(hào)采集傳感器技術(shù)仍然為傳統(tǒng)的壓力式和浮子式，沒有什么新的進(jìn)展。本設(shè)計(jì)采用的水位測量方法：在超聲波檢測技術(shù)中，都必須把電能轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射出去再接收回來變換成電信號(hào)，完成這項(xiàng)功能的裝置就叫超聲波轉(zhuǎn)換器，也稱探頭。將超聲波轉(zhuǎn)換器置于被測液體的上方，向下發(fā)射超聲波，超聲波穿過空氣介質(zhì)，在遇到水面時(shí)又反射回來，又被轉(zhuǎn)換器所接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電子檢測部分檢測到這一信號(hào)后將變成液位信號(hào)進(jìn)行顯示并輸出。第五節(jié) 本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容本課題的主要內(nèi)容為：在了解煤礦井下水倉控制要求的基礎(chǔ)上，基于PLC控制3臺(tái)高壓水泵，實(shí)現(xiàn)井下水倉液位的集中控制系統(tǒng)。具體要求如下：( 1 )自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制3臺(tái)水泵的能力，系統(tǒng)正常情況下，確保倉儲(chǔ)水維持在一定范圍內(nèi)；( 2 )在分析煤礦井下泵房自動(dòng)控制的功能基礎(chǔ)上，構(gòu)造系統(tǒng)框圖；( 3 )系統(tǒng)具備根據(jù)水倉液位自動(dòng)啟停水泵，自動(dòng)輪換工作；( 4 )完成控制系統(tǒng)設(shè)備選型及PLC編程；( 5 )簡要分析控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)大多數(shù)煤礦已裝備有自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。其礦井水倉液位控制主要有人工監(jiān)測控制、基于嵌入式系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測控制和基于PLC系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測控制等方式。人工監(jiān)測實(shí)現(xiàn)的控制方法效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且故障率也較高。而 PLC考慮各方面因素，綜合性能較好，且體積小，操作簡單便于安裝，還能直觀地反映現(xiàn)場信號(hào)的變化狀態(tài)和控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，因此本設(shè)計(jì)是選用PLC為系統(tǒng)控制核心。第二章 控制系統(tǒng)的功能及設(shè)備選型第一節(jié) 水位測量傳感器的選擇隨著煤炭工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，如何能隨時(shí)準(zhǔn)確的了解和控制井下水倉儲(chǔ)水情況，在高產(chǎn)高效礦井及自動(dòng)化管理水平中越來越重要。液位監(jiān)測和保護(hù)電路的功能是實(shí)時(shí)檢測水倉液位的工作狀態(tài),根據(jù)液位變化實(shí)現(xiàn)控制及報(bào)警。在控制系統(tǒng)中，各參數(shù)的采集和測量需要各種類型的傳感器，而傳感器能否正確感受信息并將其按相應(yīng)規(guī)律轉(zhuǎn)換為可用信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量起著重要作用，自動(dòng)化程度越高系統(tǒng)對(duì)傳感器的依賴性越大。水倉液位信號(hào)是系統(tǒng)的主要監(jiān)測信號(hào)，PLC要根據(jù)水位變化情況來控制水泵的運(yùn)行情況，因此正確選擇合適的水位傳感器是十分重要的，選用恰當(dāng)就會(huì)使PLC系統(tǒng)工作準(zhǔn)確無誤，同時(shí)成本合理，反之就會(huì)給工作和經(jīng)濟(jì)上帶來了麻煩和損失。在選擇傳感器時(shí)，在滿足對(duì)傳感器所有技術(shù)要求情況下，成本低，工作可靠和容易維護(hù)，即所謂的性能價(jià)格比要大，還要考慮以下特性。( 1 )測量范圍：各種傳感器都有一定的測量范圍，超出測量范圍，測量的結(jié)果會(huì)有較大的誤差或造成傳感器損壞，傳感器規(guī)定的測量范圍應(yīng)稍大于實(shí)際測量范圍。( 2 )線性度：為了方便標(biāo)定和處理數(shù)據(jù)，一般要求傳感器的輸入/輸出成線性關(guān)系，從而正確無誤地反映被測量的真實(shí)值。理想元件的輸入/輸出才能達(dá)到線性度。在選用傳感器時(shí)要求其具有較好的線性度。( 3 )靈敏度：靈敏度又稱傳感器系數(shù)，對(duì)于線性傳感器，校準(zhǔn)線的斜率就是其靜態(tài)靈敏度。所用傳感器應(yīng)具有較高的靈敏度。( 4 )分辨率：傳感器能夠在輸入信號(hào)中檢測到的最小變化量。分辨率能達(dá)到使用要求即可，勿需犧牲其它而追求過高的分辨率。( 5 )工作環(huán)境：應(yīng)考慮工作環(huán)境的溫度、濕度、大氣壓力有無振動(dòng)、磁場、電場，大功率用電設(shè)備是否需要防火、防爆、防化學(xué)腐蝕，是否滿足不能有害于周圍材料壽命及操作工人的身體健康等。對(duì)于傳感器的要求過于全面也是不合適的，因?yàn)樯鲜鲆笾g有些是相互關(guān)聯(lián)的，這一項(xiàng)高了另一項(xiàng)就會(huì)降低了。所以，在實(shí)際工作中可以從幾個(gè)方面來考慮傳感器的選擇，進(jìn)行綜合平衡以達(dá)到滿意的效果。為適應(yīng)煤礦井下惡劣環(huán)境及井下水倉的實(shí)際條件。傳統(tǒng)的重錘式、電容式、差壓式、浮球式液位測量儀表屬于接觸式物位測量儀表，由于礦井涌水具有一點(diǎn)的腐蝕性且雜質(zhì)較多，采用接觸式物位測量儀表可靠性大大下降。因此，本系統(tǒng)根據(jù)以上原則選用超聲波液位測量儀測量水倉液位。sonic一體式超聲波液位測量儀是智能型非接觸式液位測量儀表。產(chǎn)品具有自動(dòng)功率調(diào)整，增益控制，溫度補(bǔ)償，采用先進(jìn)的檢測和計(jì)算技術(shù)，對(duì)干擾信號(hào)有抑制功能，從而在根本上提高了儀表的測量精度，保證測量結(jié)果的真實(shí)。廣泛用于各種液體的液位和固體的料位高度測量，也可用于距離的測量。sonic一體式超聲波液位測量儀如下圖2.1所示：圖2.1一體式超聲波液位測量儀超聲波是機(jī)械波的一種，即是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的一種傳播過程，它的特征是頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，另外方向性好，能夠成為射線而定向傳播。超聲波在液體、固體中衰減很小，因而穿透能力強(qiáng)，尤其是在對(duì)光不透明的固體中，超聲波穿透幾十米的長度，碰到雜質(zhì)或界面就會(huì)有顯著的反射，超聲波測量物位就是利用了它的這一特征。在超聲波檢測技術(shù)中，不管哪種超聲波儀器，都必須把電能轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射出去，再接收回來變換成電信號(hào)，完成這項(xiàng)功能的裝置就叫超聲波轉(zhuǎn)換器，也稱探頭。將超聲波轉(zhuǎn)換器置于被測液體的上方，向下發(fā)射超聲波，超聲波穿過空氣介質(zhì)，在遇到水面時(shí)又反射回來，又被轉(zhuǎn)換器所接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電子檢測部分檢測到這一信號(hào)后將其變成液位信號(hào)進(jìn)行顯示并輸出。由超聲波在介質(zhì)中的傳播原理可知，若介質(zhì)壓力、溫度、密度、濕度等條件一定，則超聲波在該介質(zhì)中傳播的速度是一個(gè)常數(shù)。因此，當(dāng)測出超聲波由發(fā)射到遇到液面時(shí)反射回來所需的時(shí)間，則可換算出超聲波通過的路程，即得到了液位的數(shù)據(jù)。超聲波傳感器發(fā)射和接收超聲波，并由超聲波的傳播速度t來計(jì)算超聲傳感器距被測物的，在超聲波傳播光速C已知的情況下，可根據(jù) 式1.1計(jì)算出，因超聲傳感器距離水倉底的高度h為定值，故可計(jì)算出液位高度 式1.2超聲波在安裝過程中有需要特別注意的地方：由其工作原理可以知道其超聲波射野內(nèi)不能有固定的物體障礙，否則會(huì)影響超聲波的返回信號(hào)，最終導(dǎo)致超聲波返回的信號(hào)與實(shí)際的液位平面有誤差，甚至無法檢測到真實(shí)的水位。另外，在水位檢測裝置的選擇上，至少選擇兩個(gè)水位傳感器來提高水位檢測裝置的可靠性。圖2.2 超聲波液位傳感器示意圖第二節(jié) 水泵系統(tǒng)組成及各狀態(tài)參數(shù)一、水泵系統(tǒng)組成離心式水泵排水系統(tǒng)主要由離心式水泵、電動(dòng)機(jī)、起動(dòng)設(shè)備、儀表、管路及管路附件等組成。如圖2.3所示：圖2.3離心式水泵工作系統(tǒng)圖1-水倉 2-水泵 3-電動(dòng)閘閥 4-逆止閥 5-射流泵電磁閥6-靜壓水管 7-電機(jī)啟動(dòng)開關(guān) 8-電動(dòng)機(jī) 9-射流泵( 1 )濾水器和底閥濾水器安裝在吸水管的下端，插入吸水井下面。其作用是防止井底沉積的煤泥和雜物吸入泵內(nèi)，導(dǎo)致水泵被堵塞或被磨損。在濾水器內(nèi)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。本系統(tǒng)采用無底閥排水。( 2 )閘閥調(diào)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：1)調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程。2)起動(dòng)時(shí)將它完全關(guān)閉，以降低起動(dòng)電流。調(diào)節(jié)閘閥的優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)阻力和關(guān)閉壓力較小，安裝時(shí)無方向性，能夠方便地來調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程等。其缺點(diǎn)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(shí)，安裝不便，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較高。本系統(tǒng)采用電動(dòng)閘閥。( 3 )逆止閥 逆止閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥的上方，其作用是當(dāng)水泵突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)(如突然停電)時(shí)，或者在未關(guān)閉調(diào)節(jié)閘閥的情況下停泵時(shí)，能自動(dòng)關(guān)閉，切斷水流，使水泵不致受到水力沖擊而遭到損壞。 ( 4 )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(jù)其結(jié)構(gòu)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(duì)壓力，它比絕對(duì)壓力小1個(gè)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(jù)其結(jié)構(gòu)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 mm，100 mm，150 mm，200 mm和250mm五種。真空表的測量范圍為0-0.1MPa(一個(gè)大氣壓)。( 5 )射流泵和真空泵離心式水泵在起動(dòng)前必須將吸水管和泵腔內(nèi)注滿水才能進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，否則水泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將無法吸水，形成“干燒”，嚴(yán)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(dòng)都要灌水，這一工作由抽真空設(shè)備完成，一般使用射流泵或真空泵。它們的工作原理不同，但都能在系統(tǒng)中使水泵工作腔達(dá)到一定的真空度，保證系統(tǒng)正常工作。本系統(tǒng)采用射流泵為排水泵注水，并用電磁閥作為射流泵的控制閥門。水泵房排水設(shè)備一般安置在水倉液面以上，所以水泵啟動(dòng)前的灌水一般采用吸入式。為了減小水倉水吸入阻力，提高泵站運(yùn)行效率，吸水管路不宜設(shè)置底閥。無底閥吸入式灌水，要采用專門的引水設(shè)備，對(duì)水泵排水腔和吸水管路進(jìn)行抽真空，使水泵運(yùn)行前充滿水。引水設(shè)備一般為真空泵或射流泵。真空泵運(yùn)行效率高，水泵啟動(dòng)快，但需要提供專門的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。而射流泵結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易，操作方便；并且根據(jù)井下的環(huán)境和條件，其具有工作可靠性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。所以射流泵是一種常用的引水設(shè)備，適合井下排水設(shè)備使用。射流泵的工作原理是水射流時(shí)的“虹吸現(xiàn)象”，如圖2.2所示。其結(jié)構(gòu)包括：噴嘴、吸入室、混合管、擴(kuò)散管等。高壓水以流量由噴嘴高速射出時(shí)，連續(xù)挾走了吸入室2內(nèi)的空氣，在吸入室內(nèi)造成不同程度的真空，被抽升的液體在大氣壓力作用下，以流量由管5進(jìn)入吸入室內(nèi)，兩股液體()在混合管3中進(jìn)行能量的傳遞和交換，使流速、壓力趨于拉平，然后經(jīng)擴(kuò)散管4使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能后，以一定的流速由管道6輸送出去。圖2.4射流泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1噴嘴2吸入室3混合管4擴(kuò)散管 5吸水管6壓出管射流泵工作時(shí)要有高壓水源，使噴嘴處產(chǎn)生高速水流，通過虹吸現(xiàn)象使吸入室產(chǎn)生真空，將低處的水吸入水泵內(nèi)，再啟動(dòng)水泵。射流泵應(yīng)連接于水泵的最高處。在開啟射流泵前，要把水泵排水管上的閘閥關(guān)閉。二、水泵各狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測水泵啟動(dòng)過程、運(yùn)行狀態(tài)以及停止過程，一旦出現(xiàn)故障，采取應(yīng)急措施，保護(hù)設(shè)備，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。啟動(dòng)及停止過程中控制系統(tǒng)主要監(jiān)測每步動(dòng)作是否正常，出現(xiàn)故障或者操作超時(shí)，程序自動(dòng)按照設(shè)定流程復(fù)位執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)水泵的自動(dòng)停止，同時(shí)給出報(bào)警信息，提示故障類型，為現(xiàn)場維護(hù)提供依據(jù)。( 2 )壓力的檢測1)壓力傳感器壓力測量采用高壓數(shù)字式壓力表，高壓數(shù)字式壓力表是用于測量高絕對(duì)壓力的數(shù)字式壓力表，測量絕對(duì)壓力可達(dá)10mpa。壓力傳感器采用DLYJ2-1000型絕對(duì)壓力傳感器。這是一種帶隔離膜片，不銹鋼外殼、高精度、高穩(wěn)定性、高靈敏度壓阻式傳感器，適用于各種環(huán)境下的液體，氣體，蒸汽等介質(zhì)的絕對(duì)壓力測量。非線性度0.1%FS；重復(fù)性及遲滯0.05%FS；熱零點(diǎn)飄移1*10/-4FS/；長期穩(wěn)定性0.1%FS/20天。NS-K型真空度（負(fù)壓）傳感器采用先進(jìn)的靜電焊接技術(shù)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。其安裝在水泵引水管上開孔焊接儀表緩沖彎，傳感器為M20X1.5外螺紋。 2)壓力變送器一般用壓力表傳遞壓力信號(hào)的距離不能很遠(yuǎn)，為此，往往是將彈性測壓元件與電氣傳感器相結(jié)合構(gòu)成壓力變送器，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。通常將壓力變送器分為力平衡式和位移式兩大類。力平衡式壓力變送器采用力矩平衡的原理，通過負(fù)反饋將彈性元件測壓產(chǎn)生的力矩與輸出信號(hào)的反饋力矩相平衡，有效地減小彈性模數(shù)隨溫度的變化、彈性滯后及非線性變形的影響，提高了測量精度。位移式壓力變送器是將彈性測壓元件的位移變換為電感、電容、電阻等電學(xué)量，再經(jīng)測量橋路、放大電路轉(zhuǎn)換，最后輸出壓力值。其精度高于力平衡式壓力變送器，而且結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維修方便。本系統(tǒng)采用DJYJ2-100D型傳感器，使用直流電源供電。穩(wěn)壓值為6-5V，工作電流6-5MA。使用MC/4433A/D轉(zhuǎn)換器，輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供PLC采集。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( 3 )電動(dòng)閘閥的選擇閘閥是離心式水泵排水系統(tǒng)中必不可少的元件。礦井自動(dòng)排水系統(tǒng)使用可控閘閥要適應(yīng)井下環(huán)境，具有安全防爆、運(yùn)行可靠。井下水泵房的工作過程對(duì)閘閥都有特殊的要求。1)符合“煤安”標(biāo)準(zhǔn)，具有防爆功能。2)電氣控制，能夠與自動(dòng)控制系統(tǒng)連接，便于集中控制。3)體積小、重量輕，便于運(yùn)輸、安裝、維修。4)符合水泵“緩開緩閉”的要求，關(guān)閉狀態(tài)密封性能良好，不能出現(xiàn)“跑水”、“漏水”現(xiàn)象。5)承壓能力強(qiáng)，能夠滿足高揚(yáng)程的排水系統(tǒng)應(yīng)用。電動(dòng)閘閥的選擇：電動(dòng)閘閥是近年來興起的一種新型的閘閥，廣泛的使用于自動(dòng)化控制的場合。其工作原理是在原有的閘閥機(jī)構(gòu)上增加電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和相應(yīng)的減速傳動(dòng)裝置，使用電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)替代傳統(tǒng)的人工手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤。隨著煤礦自動(dòng)化水平的日益提高，煤礦各系統(tǒng)中使用的手動(dòng)閥門、氣動(dòng)閥門、液動(dòng)閥門已很難滿足現(xiàn)代煤礦提高生產(chǎn)效率與安全效益的要求。礦用ZB系列電動(dòng)裝置，具有體積小，安裝方便、性能穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，與KXBC型煤礦用隔爆型閥門電動(dòng)裝置控制箱相互配套后，可與DCS系統(tǒng)銜接，從而達(dá)到無人值班控制的要求。ZB系列電動(dòng)裝置的性能不僅符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/3204AY1001-2005（煤礦用隔爆型閥門電動(dòng)裝置技術(shù)條件）的規(guī)定，而且符合GB3836.1-2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第1部分：通用要求，GB3836.2-2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第2部分：隔爆型“d”的規(guī)定及GB3836.3-2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第3部分：增安型 “e”的規(guī)定。本系統(tǒng)采用ZB系列礦用電動(dòng)閘閥。其主要特點(diǎn)及用途：1)流體阻力小，啟閉時(shí)所需力矩小。2)無安裝方向要求，雙向密封，流阻小，使用壽命長。3)全開時(shí)閘板所受工作介質(zhì)的沖蝕比截止閥小。4)主要用于介質(zhì)不受流向限制的水、污水、油、汽等場合，不推薦使用介質(zhì)內(nèi)含有懸浮顆粒的場合。5)如果有開關(guān)速度要求，還可以通過增加閥桿螺紋頭數(shù)或改變電動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)速予以滿足。設(shè)備型號(hào)選擇為：MZ941H16型電動(dòng)閘閥，如圖2.7 所示。其工作環(huán)境和主要技術(shù)參數(shù)為：電源，額定電壓：127/380/660V；控制電壓：220/127/36V；工作制：為短時(shí)10分鐘；環(huán)境溫度：-5+40；相對(duì)濕度：95%（+25時(shí)）；適用范圍：在有瓦斯，沼氣和煤塵等爆炸性混合物體的環(huán)境中；防爆標(biāo)志：Exd I，用于煤礦非采掘工作面。圖2.7 電動(dòng)閘閥結(jié)構(gòu)示意圖第二節(jié) 保護(hù)功能漏水保護(hù)：每臺(tái)水泵均安裝真空度電接點(diǎn)壓力表，如在規(guī)定的注水時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)仍未收到真空度達(dá)到規(guī)定值的信號(hào)，則停止啟動(dòng)本臺(tái)水泵，轉(zhuǎn)為啟動(dòng)下臺(tái)水泵，并發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。流量、壓力保護(hù)：當(dāng)水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行中，如流量或壓力達(dá)不到正常值，通過流量、壓力保護(hù)裝置使本臺(tái)水泵停車，轉(zhuǎn)為啟動(dòng)下臺(tái)水泵。超溫保護(hù)：水泵長期運(yùn)行，當(dāng)水泵軸溫或電機(jī)溫度超出允許值時(shí)，通過溫度保護(hù)裝置使水泵停車。過流保護(hù)：接在主回路里的電流互感器把電流信號(hào)送入可編程控制器，由可編程控制器計(jì)算、判斷電動(dòng)機(jī)工況。當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí)，相應(yīng)的保護(hù)裝置動(dòng)作。漏電保護(hù)：當(dāng)高壓部分出現(xiàn)低壓或漏電故障時(shí)，其相應(yīng)的保護(hù)裝置動(dòng)作，并將故障信號(hào)送入可編程控制器。第三章 基于PLC的總體控制方案第一節(jié) 可編程序控制器PLC的概述可編程序控制器是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程序控制器PLC（Programmable Logic Controller）稱為可編程序邏輯控制器，主要用于代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展, PLC的功能己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了邏輯控制的范疇，使其不僅具有邏輯控制的功能，而且具有運(yùn)算、模擬量處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能。因此，人們將當(dāng)今這種裝置稱為可編程序控制器，簡稱為PC。但為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)混淆，所以將可編程序控制器簡稱為PLC。一、PLC的應(yīng)用初期的PLC主要在以開關(guān)量居多的電氣順序控制系統(tǒng)中使用，但20世紀(jì)90年代以后，PLC也被廣泛地在流程工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中使用，一直到現(xiàn)在的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，PLC更是其中的主角，其應(yīng)用面越來越廣。主要應(yīng)用范圍通?？煞譃橐韵聨追N：( 1 )中小型單機(jī)電氣控制系統(tǒng)這是PLC應(yīng)用中最廣泛的領(lǐng)域，例如塑料機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、及電梯控制等。這些設(shè)備對(duì)控制系統(tǒng)的要求大都屬于邏輯順序控制，用來取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制，應(yīng)用于單機(jī)控制、多級(jí)群控等。( 2 )制造業(yè)自動(dòng)化制造業(yè)是典型的工業(yè)類型之一，在該領(lǐng)域主要對(duì)物體進(jìn)行品質(zhì)處理、形狀加工、組裝，以位置、形狀、力、速度等機(jī)械量和邏輯控制為主，其電器自動(dòng)控制系統(tǒng)中的開關(guān)量占絕大多數(shù)。由于PLC性能的提高和通信功能的增強(qiáng)，使得它在制造業(yè)領(lǐng)域中的大型控制系統(tǒng)之也占絕對(duì)主導(dǎo)的地位。( 3 )運(yùn)動(dòng)控制為了適應(yīng)高精度的位置控制，現(xiàn)在的PLC制造商為用戶提供了功能了完善的運(yùn)動(dòng)控制功能?，F(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和其他的控制手段相比，功能更強(qiáng)、裝置體積更小、價(jià)格更速度更快、操作更方便。( 4 )流程工業(yè)自動(dòng)化流程工業(yè)是工業(yè)類型中的重要分支，如電力、石油、化工、造紙等，其特點(diǎn)是對(duì)物流進(jìn)行連續(xù)加工。過程控制系統(tǒng)中以壓力、流量、溫度、物位等參數(shù)進(jìn)行那個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)為主，大部分場合還有防爆要求。二、PLC的主要特點(diǎn)及功能( 1 )PLC的特點(diǎn)1)靈活、通用PLC通過在存儲(chǔ)器中的程序?qū)崿F(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(tái)還可用于不同控制對(duì)象，通過改變軟件則可實(shí)現(xiàn)不同控制的控制要求。2)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)可靠性是工業(yè)控制器件的重要指標(biāo)。因此，要求在各種惡劣工作環(huán)境和條件下可靠工作，將故障率降至最低。具有很高的可靠性和抗干擾能力，不會(huì)出現(xiàn)繼電器接觸器控制系統(tǒng)中接線老化、脫焊、觸點(diǎn)電弧等現(xiàn)象。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，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，又考慮到電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣和應(yīng)用實(shí)際，電氣技術(shù)人員易于編程，程序修改靈活方便。此外，其接口可直接與控制現(xiàn)場的用戶設(shè)備聯(lián)接。4)接線簡單PLC只需將輸入設(shè)備（如按鈕、開關(guān)等）與輸入端子聯(lián)接，將輸出設(shè)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(qiáng)PLC不僅具有條件控制、記時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)等控制功能，而且還能完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)過程監(jiān)控等。因此，PLC既可對(duì)數(shù)字量進(jìn)行控制，又可對(duì)模擬量進(jìn)行控制。6)體積小、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化由于是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用，以及有很強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力，易于嵌入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部。因此，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用。( 2 )PLC的主要功能PLC是應(yīng)用面很廣，發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動(dòng)化裝置，在工廠自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)內(nèi)占重要地位。一般具有以下基本功能：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(yùn)算功能，可以代替繼電器進(jìn)行開關(guān)量控制。定時(shí)控制：它為用戶提供了若干個(gè)電子定時(shí)器，用戶可自行設(shè)定接通延時(shí)、關(guān)斷延時(shí)和定時(shí)脈沖等方式。計(jì)數(shù)控制：用脈沖控制可以實(shí)現(xiàn)加、減計(jì)數(shù)模式，可以連接碼盤進(jìn)行位置檢測。順序控制：在前道工序完成之后，就轉(zhuǎn)入下一道工序，使一臺(tái)PLC可作為多部步進(jìn)控制器使用。2) 數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能基本算術(shù)加、減、乘、除；擴(kuò)展算術(shù)平方根、三角函數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算；比較大于、小于和等于；數(shù)據(jù)處理選擇、組織、規(guī)格化、移動(dòng)和先入先出；模擬數(shù)據(jù)處理、PID、積分和濾波。3) 輸入輸出接口調(diào)理功能具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能，通過I/O模塊完成對(duì)模擬量的控制和調(diào)節(jié)，精度可以根據(jù)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(wǎng)功能現(xiàn)代PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有RS232 或RS485接口，可進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O控制，多臺(tái)PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，等功能，實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換。在系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)，可由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)PLC構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，以便完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。5）人機(jī)界面功能為操作者提供監(jiān)視機(jī)器工作過程必需的信息，允許操作者和系統(tǒng)與其應(yīng)用程序相互作用，以便作決策和調(diào)整。6）編程、調(diào)試等使用復(fù)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(jìn)行編程、調(diào)試、監(jiān)視、試驗(yàn)和記錄，并通過打印機(jī)打印出程序文件。第二節(jié) PLC系統(tǒng)的基本原理一、PLC的系統(tǒng)組成PLC種類繁多，但其組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。用PLC實(shí)施控制，按控制功能要求，通過程序按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個(gè)變換給物理實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。PLC專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。PLC的框圖如圖3.1所示：圖3.1 PLC的結(jié)構(gòu)框圖( 1 )中央處理單元中央處理單元（CPU）一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片內(nèi)，CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入輸出接口電路相連接。CPU的主要任務(wù)是控制用戶程序和數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)；用掃描的方式通過IO接口接收現(xiàn)場信號(hào)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；診斷PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯(cuò)誤等；PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶指令，經(jīng)過命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、邏輯或算數(shù)運(yùn)算等；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。( 2 )存儲(chǔ)器PLC的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來存放由PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在ROM內(nèi)，用戶不能更改。它使PLC具有基本功能，能夠完成設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)工作。系統(tǒng)程序的內(nèi)容主要包括三部分：系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)用管理程序。用戶存儲(chǔ)器包括用戶程序存儲(chǔ)器和用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分。用戶程序存儲(chǔ)器用來存放用戶針對(duì)具體控制任務(wù)用規(guī)定的PLC編程語言編寫的應(yīng)用程序。用戶程序存儲(chǔ)器根據(jù)所選用存儲(chǔ)器單元類型的不同，可以是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、可擦可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM、電可擦除只讀存儲(chǔ)器EEPROM，其內(nèi)容可以由用戶任意修改或增刪。用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以用來存放用戶程序中所使用器件的ONOFF狀態(tài)和數(shù)值、數(shù)據(jù)等。用戶存儲(chǔ)器的大小關(guān)系到用戶程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指標(biāo)之一。( 3 )PLC輸入/輸出單元PLC的輸入和輸出信號(hào)類型可以是開關(guān)量、模擬量。輸入輸出接口單元包括兩部分：一部分是與被控設(shè)備相連接的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。輸入單元接收來自用戶設(shè)備的各種控制信號(hào)，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號(hào)。外部接口電路將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU能夠識(shí)別和處理的信號(hào)，并存到輸入映像寄存器。運(yùn)行時(shí)CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并結(jié)合其他元器件最新的信息，按照用戶程序進(jìn)行計(jì)算，將有關(guān)輸出的最新計(jì)算結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將由弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、指示燈等被控設(shè)備的執(zhí)行元件。( 4 )電源部分PLC一般使用220V的交流電源或24V直流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供5V、正負(fù)12V、24V等直流電源，整體式的小型PLC還提供一定容量的直流24V電源，供外部有源傳感器使用。PLC所采用的開關(guān)電源輸入電壓范圍寬、體積小、效率高、抗干擾能力強(qiáng)。電源部件的位置形式可有多種，對(duì)于整體式結(jié)構(gòu)的PLC，通常電源封裝到機(jī)殼內(nèi)部。對(duì)于模塊式PLC，則多數(shù)采用單獨(dú)的電源模塊。( 5 )擴(kuò)展接口擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元或功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。( 6 )通信接口為了實(shí)現(xiàn)“機(jī)-機(jī)”“人-機(jī)”之間的對(duì)話，有些PLC配有一定的通信接口。PLC通過這些通信接口可以顯示與設(shè)定單元、觸摸屏、打印機(jī)相連，提供方便的人機(jī)交互途徑；也可以與其他的PLC、計(jì)算機(jī)以及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相連，組成多機(jī)系統(tǒng)或工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。( 7 )編程設(shè)備編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能快圖、順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以保存和打印，通過網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。( 8 )其他部件需要時(shí)，PLC可配有存儲(chǔ)卡、電池卡等。二、PLC的工作方式PLC整個(gè)過程可分為三部分：第一部分是上電處理。機(jī)器上電后對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模塊配置檢查，停電保持范圍設(shè)定，系統(tǒng)通信參數(shù)配置及其他初始化處理等。第二部分是掃描過程。PLC上電處理階段完成以后進(jìn)入掃描工作過程。先完成輸入處理，其次完成與其他外設(shè)的通信處理，再次進(jìn)行時(shí)鐘、特殊寄存器更新。當(dāng)CPU處于STOP方式時(shí)，轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。當(dāng)CPU處于RUN方式時(shí)，還要完成用戶程序的執(zhí)行和輸出處理，在轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。第三部分是出錯(cuò)處理。PLC每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷，確定PLC自身的動(dòng)作是否正常，如CPU、電池電壓、程序存儲(chǔ)器、I/O和通信等是否異常或出錯(cuò)。如檢查出異常時(shí)，CPU面板上的LED及異常繼電器會(huì)接通，在特殊寄存器中會(huì)存入出錯(cuò)代碼，當(dāng)出現(xiàn)致命錯(cuò)誤時(shí)，CPU被強(qiáng)制為Stop方式，所有的掃描便停止。PLC運(yùn)行正常時(shí)，掃描周期長短與CPU的運(yùn)行速度、I/O點(diǎn)數(shù)的情況、用戶應(yīng)用程序的長短及編程情況等有關(guān)。不同指令其執(zhí)行時(shí)間是不同的，從零點(diǎn)幾微秒到上百微秒不等，故選用不同指令所用的掃描時(shí)間將會(huì)不同，若用于告訴系統(tǒng)要縮短掃描周期時(shí)，可從軟硬件上同時(shí)考慮。考慮到現(xiàn)在的CPU速度高，所以像過去編程那樣從用戶軟件使用指令上來精打細(xì)算的節(jié)省時(shí)間已顯得不