基于PLC和组态软件的煤矿井下排水自动控制系统开题报告.docx

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1、新能源学院毕业设计（论文）开题报告姓名高爱春专业电气工程及其自动化班级16电气1班学号1619790126指导教师王树东郭群题目类型工程题目基于PLC和组态软件的煤矿井下排水自动控制系统设计一、选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）1、题目的技术背景和设计依据我国是世界上严重缺水的国家，虽然国土面积辽阔，但由于人口已超过13亿，导致人均占有的水资源量仅为全世界人均水平的四分之一。随着国民经济的飞速发展，人口的快速上涨以及人民生活质量的提高，全国用水需求也在不断上升，导致水资源越来越紧张。尤其是国内煤矿生产地缺水尤其严重，全国75%的煤矿开采区都存在

2、缺水问题,40%的煤矿开采区已经面临严重缺水的状况，而这种现象目前还在日益严重，对矿区人民的生活和煤炭的开采造成了严重的影响。而矿区每年能开采出大量的地下水，由于不能及时合理的处理和排放，导致大量地下水被浪费却不能解决矿区的缺水问题。如果能在煤矿生产中将矿井水及时合理的排放处理，使矿井水的水质不被污染或将被污染的水处理干净，达到工业用水和生活用水的水质要求，将会很大程度上解决矿区水资源紧缺的问题。从以上各方面可以看出，无论从那方面考虑，都必须将矿井水及时合理的排出。根据井下水仓水位的变化及变化速度，考虑到“避峰就谷”的原则，自动判定需要开启水泵的台数和时间，以达到增强矿井安全和减少煤矿电能消耗

3、的目的。系统采用西门子S7-300系列的可编程控制器作为中心控制单元，在软件上采用结构化设计。为了尽量降低系统因为故障而导致损坏的程度，设计了非常完善的故障监测和保护措施，一旦系统发生故障，会及时报警或停机。2、选题的目的和意义目前，煤矿井下排水系统仍使用继电器进行控制，水位的自动控制，水泵的自动启动和停止以及所选水泵的切换都是通过大量手动操作执行的。水泵的不可靠运行，高复杂性和许多安全问题（例如水泵的停机时间长）无法完全适应现代矿山的管理。由于煤矿井下环境及其恶劣，一些需要人工来检测控制的操作（如井下水位检测、淤泥厚度检测，管道及阀门等设备的运行状况检查等），都存在效率低、测量精度低、安全性

4、低、故障发生率高等问题。绝大多数继电器控制的煤矿井下排水系统中，由于使用了大量的继电器和接触器，煤矿井下排水系统若使用继电器进行控制，系统就会有很多继电器和接触器，则会产生大量的机械触点和复杂的线路。这些机械触点在长期使用过程中会产出电弧使触点受到损害，由于灰尘的污染，它也容易接触不良。结果，机械触点容易出现故障，并降低了设备的可靠性和安全性，而且由于地下排水系统需要大量的手动控制,有时会发生工作人员的误操作，造成不必要的事故。因此，煤矿井下排水系统在煤矿安全生产中起到至关重要的作用，它的主要任务是将矿井水及时安全的排出，使矿井水能得到合理的利用。煤矿生产过程中会将原本干净的水资源严重污染，如

5、果能及时排出并处理这些水资源,不仅能节省更多的水资源,还能降低对煤矿安全生产和其工作人员安全的威胁。目前国内使用的煤矿井下排水系统仍多采用继电器进行控制这种控制方式及其耗费人力，一些重要的操作如水泵的开启停止、水位的检测等都需要人工来完成，不仅可靠性低，安全系数也不高，更不利于提高煤矿生产的经济效益。煤矿井下排水系统运行时耗电量高，要使其降低耗电量，提高经济性,必须合理有效的控制排水系统，同时这也是提高煤矿生产安全性和解决煤矿缺水问题的有效途径。3.参考文献：1王孝颖、张丰敏、张学松.PLC在煤矿井下主排水控制系统中的应用.中国煤炭,2002.2卢恩贵、赵冬梅.矿井自动化排水的PLC实现.工矿

6、自动化.2006.3陈坚，孙志月.通信编程技术,西安：西安电子科技大学出版社，1999.4汪晓平等编著，PLC可编程控制器系统开发实例导航，人民邮电出版社，2004. 7.5耿文学，可编程控制器应用技术手册，科学技术出版社，1996.6 Software Redundancy for SIMATIC S7-300 and S7-400,2003.7王承煦张源，沼气发电，中国电力出版社，2006.8汪志峰.可编程控制器原理与应用.西安.西安电子科技大学出版社.2004.二、主要设计内容、设计思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案及工作流程1.主要设计内容及设计思想采用西门子S7-300的PLC作

7、为中央控制器，通过各种传感器（主要为水位传感器、压力传感器、流量传感器等）测量出水仓水位、水泵流量等输入信号，再通过模拟量输入模块传送给PLC的中央处理器进行计算分析，以完成系统的各项控制功能。为了方便工作人员合理的控制水泵和检修水泵及其他设备，系统设计了自动和手动两种控制方式，在自动方式下系统可以自动检测水仓水位、排水管路流量、水泵静压、水泵电机运行状态等重要信息。按照水泵和管路的“轮换工作制”，自动判断应该开启那台水泵。根据水仓水位和水位的变化速度，并结合“避峰就谷”的原则，自动判断应该开启水泵的台数和时间。为了尽量降低系统因为故障而导致损坏的程度，设计了非常完善的故障监测和保护措施，一旦

8、系统发生故障，会及时报警或停机。主要设计内容包括：（1）开发电气控制系统，用PLC（可编程逻辑控制器）控制系统代替传统继电器控制系统。选择可靠的控制器及附属电气元件，适应井下环境，符合矿用设备的安全标准;并能充分利用井下条件，使控制简便可行。（2）根据排水控制的要求，进行PLC硬件和软件的设计，以达到自动轮换工作和“避峰就谷”的目的，使水泵房工作更加高效节能。（3）把感应式数字水位传感器用于煤泥水水位的测量。（4）使用新型的电量监测模块对水泵电机的电源输入进行监测，并建立PLC与该模块之间的通信，可以使PLC根据各个水泵电机的电量监测数据判断它们的运行状态,做到有故障及时发现及时处理。（5）研

9、究了 PLC控制系统的可靠性设计问题。2、解决的关键问题（1）针对离心式水泵复杂的启闭过程，制定合理的控制方案；（2）按照供电系统对供电区段的划分，编写出“避峰就谷”的控制程序；（3）选出合理的系统前端检测元件，以适应煤矿井下复杂的环境；(4)设计出完善的故障监测和保护措施；(5)对PLC自动控制系统的主要干扰源，抑制干扰的原因进行研究和分析。3、拟采用的技术方案及工作流程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

10、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。系统可将所有水泵水泵分为为1和2正常运行泵,3和4为备用泵，5为检修泵。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，先抽真空当真空表达到设定值时候开启水泵，关闭真空泵，当出水口压力达到设定值时打开排水阀本控制系统为满足实际使用需求，制定出如下技术方案：(1)控制方式系统控制方法可以分为自动方法和手动方法。使用自动控制时的，则不需要任何人员进行操作。PLC会自动控制系统外部检测装置区检测水仓水位值，压力值，流量

11、值等相关信号，并且会自动完成每个排水泵的相关操作；当PLC发生故障时，所有设备均手动操作，操作者控制相应的按钮完成操作。当泵及其辅助设备发生故障时，为了不影响其他泵组的正常运行，系统会使用故障检测装置使故障泵组自动停机。当泵阀出现故障或维修时，泵阀的自动工作状态被切断。故障排除或检修完成后，手动运行测试并确认没有故障时，即可参与整个系统的自动轮换工作。为了防止其他人员在设备维护期间误操作，PLC机柜配有禁止启动泵的按钮。以确保系统的安全性和可靠性。可以通过转换开关随时将系统切换到自动和半自动工作模式。(2)水位的自动监控和“避峰就谷”环节水位自动监测环节的任务是根据水仓水位，自动准确的发出开启

12、和停止水泵的指令，并及时排水。“避峰就谷”的设计是为了尽可能的使排水系统节能。所谓“避峰就谷”是指在保证安全的前提下尽量使水泵运行时避开用电高峰期，而在用电的“谷段”和“平段”期间正常运行。用电量的“峰段”、“平段”、“谷段”由供电部门统一划定。不同时段的电价会有所不同，“峰段”电价最高，其次是“平段”，“谷段”最低。(3)水泵和排水管路轮换工作环节所谓“轮换工作制”是指系统中的水泵和管路按照运行时间和运行次数轮流工作，轮换工作制可以使所有的排水管路和水泵均匀磨损，不会导致某台水泵或管路长期不工作而导致生锈，还可以及时发现水泵和管路的故障。本控制系统会根据水仓水位和水位的变化速度以及水泵运行时

13、间的长短，自动判断应该开启那台水泵。当系统中某台水泵或管路发生故障不能启动时，系统会自动转为启动下一台水泵，并报警提示。(4)水泵的自动开启和关闭离心式水泵在开启时，要先进行注水、测量真空度、开启水泵电机、测量排水管压力、开启排水管阀门才能正确开启水泵。本控制系统会自动按照离心式水泵开启和关闭的步骤，合理有效的开启水泵，该环节要根据水仓的水位和水泵的轮换工作制以及“避峰就谷”的原则进行计算分析，从而准确无误的判断出要开启的水泵和开启水泵的台数。(5)参数显示系统参数显示的实现采用了可靠的上位机组态软件。可以显示系统运行时的各项重要参数(如水仓水位、排水管流量、电机电流和电压、水泵真空度等)。系统出现故障时会在组态画面弹出，显示故障点位置，并记录所有数据做出合理的曲线报表，以方便工作人员观察分析。三、毕业设计工作进度安排熟悉设计题目要求，查阅相关文献资料2周初步完成硬件系统设计2周优化系统硬件，确定硬件系统2周初步完成软件系统设计3周优化系统软件，确定软件系统2周整理材料，撰写论文，准备毕业答辩1周指导教师意见指导教师签字年 月 日