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1、基于P1.C的井下自动排水监控系统设计摘要在煤矿生产中，排水设备是保证正常生产的至关重要的设备。目前，许多国内的矿山排水系统仍使用传统的继电器来进行操纵，这种方式的优势是操纵简单，但是它的安全性较差，对于煤炭行业来说是一个挑战。为了解决这个问题，我们研发出一种新型的排水系统，它将P1.C技术与PC技术有机地融为一体，既能够实现对环境的实时监控，又能够保证操纵的安全性。本论文中重点介绍一个关于煤矿排水系统的概念。为了满足排水控制的需求,我们还将提出一个新的系统。该系统将使用西门子的S7-1200系列P1.C,它可以通过多种传感技术（如水位、负压、压力和流量等）来满足我们的控制目标。除了这些，该系
2、统还拥有三种不同的操作模式：全自动、部分自动以及人工干预。为了确保水泵、管道等部件的正常运行，以减少由此带来的磨损，以及预防由于缺乏维护，可能引起的电机、电气设备的腐蚀、变形等问题，我们采取“自动轮换”工作机制，以确保可靠的运行状态。“避峰就谷”规定，为了实现节能减排，必须精准控制水泵台次，从而实现有效利用资源。通过将P1.C与PC技术有机地融入到排水系统中，我们大大改善了传统单一的继电器管理的局限，使其具备极强的可信度与稳定能力。此外，我们运用了自动轮换的技术，以及实现精准的调度，使得整个系统变得更具备智慧与高效，从而有助于推进煤炭行业的发展。关键词：煤矿；排水系统；集中控制；P1.C第1章
3、绪论1.1 研究目的及意义在矿井工作运转时，会常常出现不同的水源流入的情况，我们称之为矿水。这种情况就会严重的影响的矿井的正常工作，还会遇到意外出现矿难。两个关键因素决定了矿井涌水的形成：水源和流动通道。1）大气降水和地下供应水有着很大联系。当井不是很深的时候、有透水地层的地区，以及煤层上层的溶洞、裂缝或塌陷区，降水的优势劣势就会看出来。而干旱会导致旱季的下降。2）引发洪水可能性的原因之一是地表水可以作为地下水的补给源，通过相连的渠道进入井中。此外，地表水还有可能通过竖井、裂缝、断层、裂隙、溶洞、钻孔等途径，直接渗透到地下水层中。这些途径可以使地表水如江河、湖泊、水库以及塌陷区的积水，进入地下
4、水层，从而对地下水补给源进行补充，提升了洪水的发生几率。E所以，我们应该调查地下水的一切相关情况是非常重要的。大气降水是地下水补给的重要来源。对于位于谷缝附近、含透水层或煤层上部存在溶洞、裂缝、塌方的井，降水影响显着，呈季节性波动。在雨季，流入矿井的水量增加，而在旱季，流入矿井的水量减少。水库、湖泊、河流和塌陷区等地表水源也可以作为地下水进入地下的入口点，既可以通过直接接触，也可以通过连接的竖井、裂缝、断层、钻孔和溶洞，可能导致洪水泛滥。最后，地下水通常是进入矿山的主要水源，主要由大气降水和地表水补给。大气降水是地下水最重要的来源，对位于透水区浅井附近和山谷、溶洞、煤层裂隙内的矿井进水具有重要
5、影响。这种影响可以季节性地看到，雨季流入量增加，旱季输入量减少。此外，地表水，如江河湖流，除了在水库和洞穴中积聚外，还可以通过洞口、塌陷裂隙、裂隙直接流入地下。它还可以促进地下水补给，水通过相互连接的渠道进入井中并可能发生洪水。在所有来源中，地下水在矿井水流入方面最为普遍和重要，因为降水和地表水在水进入矿井之前都充当补给管道。因此，了解地下水体积分布、补给过程以及任何后续变化对于评估矿井水流入量至关重要。矿井涌水通道是一种用于排水和处理矿井涌水的设施。在矿井开采过程中，会出现积水的排放，我们必须及时处理这个问题，不然的话将会对矿井的安全和生产造成带来很大的问题。矿井涌水通道的主要功能是将地下水
6、引导至通道，以便有效地控制和处理，从而有效地防止污染物的污染，保护矿山环境。通常情况下，矿井涌水通道由主通道和支路通道组成，主通道负责收集和引导水流，支路通道则用于分流和处理水流在矿井涌水通道中，通常会设立一些处理设施，如过滤器、分离器、沉淀池等，用于处理水中的杂质和污染物，确保排出的水质符合环保要求。同时，为了方便维护和管理，矿井涌水通道通常会配备一些监测设备，如水位计、水质分析仪等，用于监测和控制水流的流量和质量。矿井主排水系统对于矿山的安全和正常运营至关重要，它不仅能够确保矿工的安全，还能有效地减少环境污染，从而确保矿山的长期发展。排水系统的主要作用是将地下矿井中的水排出，保持矿井内部的
7、干燥状态。只有保持矿井内部的干燥状态，才能确保矿山的正常运营。同时，排水系统也可以防止地下水的污染，保护环境。因此，矿井主排水系统对于矿工保护和环境保护都具有非常重要的意义。1.2 国内外研究现状及主要问题1.2.1 课题研究现状目前，国内外学者在控制煤矿井下排水系统的研究中取得了长足的进步。大多数在该国开展的研究都围绕安全性、可靠性和能源效率展开。例如，主水泵控制系统的计算机化革命性改造取得成功，进一步验证了矿山监控系统与排水系统自动化集成的有效性。此外，近年来，出现了许多研究来解决地下排水系统产生的高能源成本。重点关注离心泵、管道和电动机三个方面的改造，以实现更大的节能效果。由于各种煤矿的
8、状况各异，国内一家研究机构正在开发一种新的技术，即使用P1.C来自动收集水箱的水位、管道的压力和流量等信息。基于这些数据和预期矿山电力消耗的数学模型可以避免高峰和低谷水泵运行，从而降低能源消耗和生产成本。随着分时电费的日益普及，国内提出了分时用电，最大限度地降低煤矿井下排水成本。这种方法忽略了水泵、管道和电力效率等变量，而是简单地关注电力消耗的时间段；重点在用电高峰期避峰和用电低谷期尽可能有效地净化水体一一被称为煤矿排水的“避峰填谷”。国外的研究除了井水水质对排水装置的影响外，还主要关注管道的超长维护和清洗，以及其他更细微、更长期的组成部分。俄罗斯科学家基于等效成本的概念，形成了两个相似的水泵
9、最佳使用期限和管道清洗的计算公式，为水泵的使用和管道清洗提供了科学依据，从而提升了整个排水系统的安全性能系统。地下排水系统深受有害元素、酸性矿井排水的影响。排水系统的正常运行受到威胁，同时井下的设备和工作人员也面临着安全风险。随着全球化的加快，国际社会正在积极探索新的技术来解决酸性矿井排水和有害元素的危害。英国、德国、加拿大、西班牙等国都在努力研究这一领域，以解决当地矿山的独特环境问题，尤其是酸性矿井排水的挑战。这项研究已经发表了数百篇学术论文，并出版了许多文集和专著，为全球矿山排水环境的研究作出了重要贡献。1.2.2 主要问题矿山中央泵房是矿山企业必不可少的机电设施，对安全生产影响巨大。目前
10、，矿山中央泵房自动化水平较低，存在安全和生产效率问题。采用无人看守泵房中存在的各种挑战。地下水泵通常带有高电压、大功率并且启动起来相当复杂。水泵启动前吸水管的充水大多是借助真空吸水过程完成的。另一方面，泵房内设备的运行和监控，以及水箱内的水位均由人工管理。这种繁琐的人工操作过程耗时长，降低了系统的自动化水平，不符合现代矿井管理系统。由于实施了分时电价政策，煤炭企业的收入增长迅速。根据数据，一吨煤炭的生产需要27吨的矿泉水，甚至于可以高达30-40吨。这些企业的发动机功率各异，可以是几千瓦、几十千瓦、几百千瓦或者更多。中国的煤炭工厂中，井下排放的能源消耗大约是总能源消耗的18%-41%,一般情况
11、下，这个比例约为20%。因此，有必要降低与煤矿排水系统相关的能源成本。1.3 本课题研究的主要内容水泵的启停控制机制是一种自动化控制系统，其主要作用是对水泵的运行状态进行控制，以保证水泵的正常运行和节约能源。该机制通常由传感器、控制器、继电器和电源等部分组成。传感器是该机制的核心部分之一，它可以检测水泵的水位、压力、温度等参数，并将这些控制器可以实现对水泵的实时监测和控制。当水泵需要启动时，控制器会发出启动指令，以确保水泵能够正常运行；而当水泵不再需要启动或停止时，控制器会发出相应的停止指令。继电器是控制水泵电源开关的关键部件，它将控制器发出的信号转换成电力信号，控制水泵的启停。在实际应用中，
12、水泵的启停控制机制可以根据不同的使用场景进行调整，例如可以根据需求设置水泵的启动和停止水位、压力等参数。除了安装了报警系统，我们也能够在水泵出现问题的时候，立即向操作者发送警告，让他们立即采取措施来解决问题。总之，水泵的启停控制机制是一种非常重要的自动化控制系统，它能够有效地保障水泵的正常运行，提高水泵的使用效率，降低能源的消耗。第2章煤矿井下排水系统组成概况2.1 离心式水泵工作原理通常，离心式水泵是用于处理井下水的，但有些小型的煤矿和浅水井的应用可能会使用潜水泵。离心式水泵的结构包括泵体、控制器、启动装置、测量装置、水流控制器和相关配套元器件。如图2.1所示。图2.1离心式水泵工作系统(1
13、)滤水器和底阀离心式水泵工作系统中，滤水器和底阀是非常重要的组成部分。滤水器位于泵的进口处，可以过滤掉水中的杂质和固体颗粒，以保护泵的叶轮和密封件不被磨损或堵塞。滤水器可以是不锈钢网、石英砂滤料或其他材质的滤芯，具体选择要根据水质和使用环境而定。底阀被安装在泵的出口处，它不仅可以阻止水从泵体内溢出，还可以阻止空气进入泵体，从而有效地防止泵出现气锁现象。底阀通常由不锈钢或铸铁制成，有球型和闸型两种形式，选择要根据具体的使用条件来决定。总之，滤水器和底阀的作用是保护泵的正常运行和延长泵的使用寿命。（2）图2.2展示的是一种特殊的闸阀，它采用启闭体（阀板），由阀杆驱动，使得阀座密封面能够上下移动，从
14、而控制流体的流向。这种特殊的设计使得它成为离心式水泵工作系统中不可或缺的一部分，它可以有效地控制水流的流量和压力。它通常安装在管道系统中，可以手动或电动控制水流的开启和关闭。闸阀的结构简单，由一个带有阀门板的门体和一个阀杆组成。在水泵系统中，闸阀通常安装在泵的进口和出口处，以控制水流的流量和压力。需要注意的是，当闸阀完全关闭时，水泵会产生过高的压力，可能会损坏泵的部件。因此，在操作闸阀时，需要根据实际情况适当调整开度，以保证系统的正常运行。在选择闸阀时，需要考虑到系统的工作压力和流量，以确保闸阀的尺寸和强度能够满足系统的需求。此外，还需要考虑到闸阀的材质和密封性能，以确保其能够长期稳定地运行。
15、总之，闸阀在离心式水泵工作系统中扮演着重要的角色，可以控制水流的流量和压力，保护系统和人员的安全，是水泵系统中不可或缺的一部分。图2.2闸阀结构图安装在水泵排水管上方的调节闸阀，具有良好的流动性能，能够根据不同的工况，调整其开度，从而实现对流体介质的有效控制，满足各种工况下的流量需求。调节闸阀通常安装在管道系统中，用于调节流体介质的流量和压力，具有较高的流量调节精度和稳定性，广泛应用于工业、建筑、供水、排水等领域。调节闸阀的结构简单，维护方便，使用寿命长，可以在恶劣的工作环境中稳定运行。在使用调节闸阀时，需要按照相关标准和规范进行安装和使用，根据实际情况适当调整开度和流量，定期检查和维护闸阀，
16、保证其正常运行和安全使用。灌引水漏斗用于向水泵和吸水管中灌引水，将水流引入收水器中，通过出水口将水流引导到需要灌溉的地方。由于灌引水漏斗的收水器具有漏斗形状，可以收集和引导水流，使水流均匀地分配到需要灌溉的植物上，从而提高灌溉效率和作物产量。这些设备的安装和运用，可以帮助维护水泵系统的正常运行，保护水泵免受损坏，同时也便于检修和维护排水管路。普通弹簧管压力表是一种机械式压力测量仪器，基于胡克定律，利用弹簧管的形变量来测量被测介质的压力。它由弹簧管、指针和刻度盘组成，通常以psi、bar或kPa为单位。由于其便捷的操作、实惠的售价以及出色的准确性，普通的弹簧管压力计已经被广泛地运用到了各种行业，
17、如工程、农业、航天、汽车等。但是，在使用时需要注意其测量范围、使用条件和校准维护等方面的问题，以保证测量结果的准确。真空表是一种常用于测量低气压或真空度的仪器，它由测量单元和指示器或读数器组成。测量单元通常由密封的金属或玻璃容器和一个或多个压力传感器组成，当测量单元与被测物体或系统相连时，传感器将测量到的压力转换为电信号并发送给指示器或读数器。指示器或读数器通常是数字显示屏或指针式仪表，它们显示测量单元中的真空度或低气压值，以便用户可以了解被测物体或系统的状态。总之，这些设备在水泵系统中起着重要的作用，能够监测和调节水泵的流量、扬程、水压和真空度，保护水泵免受损坏，同时也方便了维护和检修。2.
18、2 射流泵和真空泵的介绍射流泵和真空泵都是用于产生真空的设备，但它们的工作原理和应用场景有所不同。射流泵是一种使用高速流动的气体或液体来抽取气体的真空泵。其工作原理是将高速气流喷射到低压环境中，通过动量转移将气体抽出。射流泵主要应用于低真空或超高真空范围内，例如真空炉、电子显微镜等设备。相比之下，真空泵则是一种利用机械或物理原理抽取气体的设备，其工作原理包括旋转叶片泵、根式泵、分子泵等。这些设备通过机械或物理原理将气体抽出，从而形成真空。真空泵广泛应用于化学、制药、航空航天等领域。总的来说，射流泵和真空泵都是产生真空的设备，但需要根据具体情况选择合适的设备。图2.3球阀结构图2.3 离心式水泵
19、的启停过程2.3.1 离心式水泵的启动过程离心式水泵的启动过程包括以下步骤：开启电源，检查阀门，检查液位，启动电机，增加流量和监测运行状态。在启动水泵之前，必须确保进水管道上的阀门已经打开，以便水能够流入泵体。当水泵开始运转时，可以逐渐打开出水管道上的阀门，以增加水流量和水压。在水泵正常运行后，需要定期监测水泵的运行状态，确保水泵运行稳定，没有异常情况。2.3.2 离心式水泵的停机过程离心式水泵的停机过程包括以下步骤：关闭阀门，停止电机，排空液体和断开电源。在停机之前，必须关闭出水管道上的阀门，以防止水从管道中倒流回泵体。按下电机停止按钮，电机停止运转，离心式水泵的转子也随之停止旋转。在水泵停
20、止运转后，需要排空水泵内的液体，以避免在下一次启动时发生气锁。最后，需要关闭电源开关，以确保水泵停止运行并避免浪费电力。2.4 排水系统构成多台水泵的井下排水系统由多台水泵、水泵控制系统、管道系统、水位监测系统和排水井组成。多台水泵可以分别或同时工作，水泵控制系统自动或手动控制水泵的启停和运行状态。管道系统输送井下水到地面，水位监测系统监测井下水位变化，排水井收集井下水并输送到地面。通过结合3台泵和2条管路，我们设计了一个高效、稳定、安全的井下排水系统，以确保井下工作环境的安全与稳定。该系统的结构由图2.4所示。高本值人，4cffch2_氐尔如I米仓图2.4煤矿井下排水系统图通过使用射流泵，我
21、们可以实现一个有效的循环控制。这个控制系统通过使用两个部件来实现：一个是10#的离心泵，另一个是1的排水管。另一个是20#的离心泵，另一个是30#的排水管。无论是哪个部件，只有当水位升高至h2时，射流泵才会开始吸入新的液体，从而实现循环控制。在设备运行过程中，如果水泵的输入压力超过了设备的设计要求，那么11#的闸门会自动启动，而14#的排水阀会自动启动，从而使得射流泵能够正常运行。但是，如果水位下降，比如h1,那么就需要首先关闭11#的排水阀，并且要及时关掉11#的逆止阀，这样才能避免水井的反向冲击，从而保证设备的正常运行。这个系统的主要目的是实现三个方面：1.水泵和管道的循环运行，2.水泵的
22、自动启停，3.避免峰值高于谷值。本文将重点讨论这种方法在煤矿井下排水系统中的应用。第3章系统硬件设计传感器选型3.1 可编程控制技术3.1.1 P1.C的主要特点P1.C,也被简写为P1.C,是一种高级的、具有自主操作功能的Programmable1.ogicController,在各种行业中都有着重要的作用，特别适合在工厂中使用。P1.C的主要功能是通过输入和输出信号的控制，实现对工业生产过程的自动化控制。P1.C可以通过编程来实现不同的控制逻辑，从而满足不同的应用需求。P1.C的应用范围非常广泛，例如工厂生产线、机器人控制、电力系统、交通运输等领域。P1.C是一种非常受欢迎的电子元件，它的
23、优点是：它的稳定性、可靠性都很重要。它还能迅速反馈用户的需求，提供实时的控制功能，是工业控制的必需品。P1.C是一种广泛应用于工业控制领域的电子设备，其主要特点包括可编程性、可靠性和实时性、扩展性和可维护性、可编程性语言和可视化、高效性和低功耗、自诊断能力等。(1) P1.C拥有极强的灵活性、可定制特点，它们的功能简洁易懂，而且拥有极强的安全、安全可靠，即使是极端的工作条件，也能保持良好的运转，而且它们还拥有极强的反馈功能，能够迅速反映出输入的变化，从而达到实时的控制。(2) P1.C可以通过添加模块来扩展其功能，如输入/输出模块、通信模块等，并且采用模块化设计，故障发生时可以方便地更换模块进
24、行维修，具有良好的扩展性和可维护性。(3) P1.C支持多种编程语言，如1.adderDiagramInstruction1.istxFUnCtiOnBlOCkDiagram等，并且可以通过人机界面(HMD实现可视化控制，方便操作员进行监控和控制，具有良好的可编程性语言和可视化。(4) P1.C能够快速响应输入信号，并在短时间内输出控制信号，实现高效的控制，并且功耗相对较低，能够节约能源和降低运行成本，具有良好的高效性和低功耗。(5) P1.C拥有强大的自我诊断功能，它能够快速准确地发现并报告系统中的故障，从而大大提升了系统的可靠性和可维护性，并且表现出卓越的自我诊断能力。综上所述，P1.C作
25、为工业控制领域中不可或缺的重要设备，其主要特点包括可编程性、可靠性和实时性、扩展性和可维护性、可编程性语言和可视化、高效性和低功耗、自诊断能力等。3.2 P1.C控制系统总体设计该系统包含P1.C、触控板、模拟量、开关量采集器以及执行器，它们的硬件架构可以参考图3.K水及电机开关状毒制门开关状态5MXiilf故障身位组停*水仓水位水整直空度水装出口压力持水管流量电机温度也流电压水柒蝴承汹度模拟量编入幡块根警开关I.位陈柱计算机数7M愉tllm块水发电机开关状6电磁阀汗美状态电动初开大状金图3.1排水控制系统硬件结构图3.2.1 P1.C系统选型(1) CPU模块CPU(CentralProce
26、ssingUnit)模块在P1.C(Programmable1.ogicController)中扮演着至关重要的角色，不仅可以接收和传递外界的数据，还可以实现编写和调整程序，并对输出结果进行有效的控制。P1.C(可编程逻辑控制器)系统选型需要考虑多个因素，其中CPU(中央处理器)模块是其核心组成部分之一。CPU模块对于P1.C系统的重要性体现在控制功能、处理速度、存储容量、扩展性和可靠性等方面。因此，在选择P1.C系统时，应当全面评估CPU模块的性能、存储容量、可扩展性、可靠性等特点，以确保选择的CPU品牌和型号最符合实际应用的要求。针对煤矿环境条件和P1.C要求，选择西门子S7-1200P1
27、.C作为中大型P1.C控制器。考虑到I/O扩展能力、指令执行速度和通信能力等性能因素，选择plcl214DCDCDC处理器最为合适。S71200P1.C是一款面向中小型自动化应用的控制器，具有高性能的处理器和大容量的内存，支持多种通信接口和扩展模块，同时具有多种安全功能和易于操作的编程软件。具体数据包括ARMCOrteX-M3处理器、128KB的用户程序存储器和192KB的工作存储器、最多132个数字输入/输出点和40个模拟输入/输出点、支持多种通信接口和扩展模块、支持密码保护、数据加密、安全通信等安全功能，使用TlAPortal编程软件。S7-1200P1.C的这些特点使其在中小型自动化应用
28、中得到广泛应用。该处理器完全满足煤矿P1.C控制系统的设计要求。(2)电源模块电源模块在P1.C控制系统中扮演着至关重要的角色。它是P1.C控制系统的基础设施，为其他组件和模块提供必要的电力和电压。电源模块通常被设计成高可靠性和稳定性，以确保P1.C控制系统的稳定运行。P1.C的核心功能之一就是通过电源模块来实现对外界的输入信号的调节，从而满足P1.C的运行需求。电源模块通常提供多种电压，例如24VDCsHOVAC或220VAC,以驱动P1.C的输入/输出模块、CPU和其他组件。此外，电源模块还通常具有过载保护和短路保护功能，以确保P1.C控制系统不会因为过电流或短路而受损或停止运行。因此，电
29、源模块在P1.C控制系统中的地位非常重要，它是P1.C控制系统正常运行的基础。（3）输入输出模块鉴于I/O端的分布状态、隔离性能和安全性，为了获取更准确的I/O点数预测，我们建议将I/O点数预测的余量从10%提高至15%,并且确保所采用的P1.C机型的I/O性能最高不超过预期的阈值，最好保持30%的余量。3.3 传感器选型系统所选用的传感器如表3.1：表3.1系统选用的传感器类型型号液位传感器超声波液位计、投入式液位计温度传感器接触式PTlOO温度传感器压力传感器薄膜压力变送器流量传感器潜水型电磁流量计负压传感器NS-K型负压传感器主要传感器安装位置如图3.1：图3.1传感器安装示意图3.4
30、液位传感器介绍3.4.1 超声波液位传感器通过超声波技术，液位传感器可以实时监测液体或固体物料的液位变化，这种传感器具有无需接触的优势。它通常由一个发射器和一个接收器组成，从发射器到接收器之间的时间来计算液位的高度。超声波液位传感器具有出色的精确度、稳定性和耐久性，是一种理想的测量工具。它们可以测量各种液体，包括水、油、酸、碱等，并可以用于许多应用，如工业生产、水处理、石油和天然气行业等。与接触式液位传感器相比，超声波液位传感器无需接触液体，因此不会受到液体腐蚀、积垢等问题的影响，并且可以避免因接触式传感器的损坏而导致的维修和更换成本。此外，超声波液位传感器还可以测量非常高的液位，因为它们不受
31、液体表面的影响,而是通过发射和接收超声波信号来测量液位高度。这使得它们非常适合在高温、高压或危险环境下使用超声波液位传感器还具有快速响应时间和高精度的特点，可以在短时间内提供准确的液位测量结果。此外，它们通常可以通过数字接口与计算机或控制系统连接，以便实时监测和控制液位。171总之，超声波液位传感器是一种非常有用的传感器，具有许多优点，可以广泛应用于各种液位测量和控制应用中。在本文中，我们将重点介绍单换能器的超声波液位传感器。通过将超声波发射与接收的转换设备放置于水平位置，使得它们能够穿过水体，从而实现对外界的辐射，就像图3.2所示。O图3.2超声波液位计安装示意图当一个物体被放置在一个单独的
32、容器中，它的超声波会在经过容器后被吸收并在容器内被传播。l=H（式3-1）c则h=j（式3-2）式中：h换能器距液面的距离；c超声波在介质中的传播速度。从以上公式中可以看出，想要知道待测的液位，只需对换能器从发出到接受的时间间隔进行测量。采用先进的技术，我们的液位计可以通过传感器检测到来自外部的声波，并将其转化成可以用来衡量位置的电信号。采用双线制输出型液位计，其相关参数可见表3.2：表3.2超声波液位计参数类型型号量程：08m精度：0.25%盲区：0.30.5m温度：20C+55C电源：24VDC控制：无输出：420mA二线制防护等级：1P65显示方式：4位1.CD3.4.2 投入式液位传感
33、器投入式液位传感器的测量原理是利用浮子在液面上的浮力变化，将液位高度转换为电信号。投入式液位传感器具有结构简单、安装方便、维护简单等优点，适用于矿井排水系统中的液位检测。其示意图如图3.3所示。图3.3水位计示意图3.4.3 液位检测装置的选择当进行液体高程监控设备的选型时，必须充分了解其工作原理、监控范围、准确性和成本，以确保满足矿山排放管道的要求。两种液位传感器的比较投入式液位传感器和超声波液位传感器是两种常见的液位传感器，它们的特点有所不同。投入式液位传感器的特点：1）适用范围广：投入式液位传感器适用于各种介质，包括液体、粉末和颗粒2）可靠性高：投入式液位传感器的结构简单，没有易损件，因
34、此具有较高的可靠性3）精度高：投入式液位传感器可以提供高精度的液位测量，通常精度可以达到0.5%4）安装方便：投入式液位传感器可以直接安装在液体容器内部，不需要额外的安装空间超声波液位传感器的特点1）非接触式：超声波液位传感器可以通过非接触式的方式进行液位测量，不需要与液体接触2）适用范围广：超声波液位传感器适用于各种液体介质，包括腐蚀性液体和高温液体3）可靠性高：超声波液位传感器的结构简单，没有易损件，因此具有较高的可靠性4）测量范围广：超声波液位传感器可以测量较大的液位范围，通常可以测量高达30米的液位总的来说，投入式液位传感器适用于需要高精度液位测量的场合，而超声波液位传感器适用于需要非
35、接触式液位测量或测量较大液位范围的场合。由于这个原因，我们决定使用两个投射型液位计来监控水位。为了实现这一目标，我们决定使用一个双向输出型液位计，一个单向输出型液位计。3.5 电机及水泵温度检测温度传感器有两种主流：接触式和非接触式。前者通过与目标物质进行接触来检测它的温度，具有较高的准确性，特别是在对高精度的应用中。然而，后者并不能检测到那些难以通过目标物质进行检测的情况。非接触式温度传感器无需接触被测物体即可测量其温度，能够远距离测量和测量无法接触的物体，但精度相对较低，受环境因素影响较大本文采用PnoO温度传感器来监测电机和水泵的温度，以确保其正常运行。PtlOO传感器通过观察伯电阻的反
36、射率，可以发现它与环境中的温度之间存在着密切的联系，这种联系可以通过观察钳电阻的反射率/反射率与环境中的温度之间的反射率得到斗实。(I)-200Cvt0C时，Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100)J(式夕3)(2) 0Ct850C时，Rt=RO(I+At+Bt?)(式弘)式,A=3.9080210-3;B=-5.80x10-7;C=4.2735xl0-12oPTlOO温度传感器是一种先进的温度传感器，它可以通过钳电阻的温度系数来检测温度，其准确度、稳定性和线性度都极高，因此在工业自动化、实验室、医疗等领域得到了广泛的应用。在使用PT100传感器时，需要注意安装位置、接线、测量电路选择
37、、校准和维护等问题。同时.，也需要根据具体应用场景选择合适的温度传感器，以满足测量要求。PtlOO温度传感器相关数据如下：测量范围：-200oC+850oC;允许偏差值：A级土(0.15+0.002ItI),B级士(0.30+0.00511I);热响应时间v30s；热电阻的最大安装深度应不低于200mm,以确保其可靠性和可用性；允通电流5mA。3.6 水泵负压检测NS-K型负压传感器是一种用于测量液体或气体负压的传感器，采用高精度压电元件实现高精度测量，具有可靠性强、抗干扰性强、安装简便、应用广泛等特点，适用于化工、制药、食品、医疗等领域的负压测量。表NS-K显示了NS-K型负压传感器的关键技
38、术特性，以满足用户的需求。表3.3NS-K型负压传感器的核心技术特性及其相关参数如下：方式范围输入0-0.5kPa.-1kPa.-lOkPa.-30kPa-5OkPa-1OOkPa过载能力2倍测量介质对不锈钢不腐蚀的气、液体工作方式负压、真空度工作电压5VDC或10VDC(24V)输出100mV或05V、420mA零位输出0.1%、0.3%F.S非线性0.1%F.S（典型值）重复性0.1%F.S（典型值）工作温度范围-4012()C温度补偿范围2580C温度漂移0.025%F.SC第4章控制系统的软件设计西门子S7-1200系列P1.C可以使用多种编程语言进行编程，其中最常用的是西门子自己开发
39、的编程语言Step7BasicoStep7Basic是一种基于文本的编程语言，它的语法类似于C语言。它支持结构化编程、面向对象编程和事件驱动编程。除了S7-1200,它还拥有多种编程语言，包括1.adderDiagram、FunctionBlockDiagram、SeqUemiaIFUnCtionChan等，可以满足不同的需求，为用户提供更加高效的编程体验。这些语言都是基于国际标准IEC61131-3开发的，可以在不同品牌的P1.C上使用。4.1 软件流程图总的来说，系统的软件流程可以用图4.1来描述：从图4.1可以看出，在系统开始工作之前，它会先与P1.C建立连接，接着它会开始执行模拟量、I
40、/O处理、自我诊断以及门禁控制等步骤。最终，它会依照用户的需求，决定采用何种类型的自动、手工或者半自动的控制，以实现最佳的效率。P1.C控制系统的软件开发过程与普通的自动化控制系统相比，具有更多的细节，从需求调研到设备构建，再到编写代码，最后到实施与保养，每个步骤都有所区别。在P1.C控制系统中，需要特别注意程序的实时性和可重复性等因素，以确保程序能够及时响应控制指令，并且能够在不同的环境下稳定运行。此外，P1.C控制系统还需要考虑硬件和软件的兼容性，以确保程序能够与P1.C设备和其他组件和设备进行良好的交互。开发人员需要遵循编程规范和标准，确保代码的可读性和可维护性，并且需要进行不同层次的测
41、试，以确保程序的正确性和稳定性。最后，在维护阶段，开发人员需要及时修复程序中的问题和漏洞。并且需要对程序进行升级和改进，以满足不断变化的需求和要求。开始图4.1系统软件流程图4.2 自动轮换工作自动轮换工作中的水泵轮换工作，是指在供水系统中设置了多个水泵,并通过自动控制系统实现水泵的轮流工作。这个过程中，当一个水泵达到一定运行时间或者出现故障时，系统会自动将其停止，并启动下一个水泵。在这个过程中，需要先关闭待更换水泵的进出水口处的阀门，断开电源，确保水泵处于停止状态。然后拆卸旧水泵，清理安装位置，最后安装新水泵。自动轮换工作可以实现供水系统的连续运行，提高供水系统的可靠性和稳定性，同时也可以延
42、长水泵的使用寿命。自动轮换工作中，水泵轮换的频率可以根据不同的工况和需求进行调整，以达到最佳的供水效果和节能效果。此外，自动轮换工作还可以通过监测水泵的运行状态和性能参数,实现对水泵的智能管理和优化控制，以进一步提高供水系统的运行效率和稳定性。在开始运转一个水泵之前，我们需要先确定两条排水系统，并在它们之间寻找一条能够在较长的运转周期内完成所有任务。如果两条系统的运转周期都很接近，我们就应该优先考虑那条运转周期较长的系统。在实际应用中，自动轮换工作和管理转换工作通常是结合使用的。通过自动轮换工作，可以实现多个水泵的轮流工作，保证供水系统的连续供水；通过管理转换工作，可以对水泵的运行状态和性能进
43、行监测和管理，提高水泵的运行效率和稳定性。同时，自动轮换工作和管理转换工作也需要根据供水系统的具体情况和需求进行调整和优化，以达到最佳的供水效果和节能效果。4.3 避峰填谷避峰填谷是多台水泵井下排水系统的另一个重要功能，可以根据矿井的用水需求进行避峰填谷操作，降低矿井排水系统的运行成本。通过编写P1.C控制程序，实现水泵根据矿井用水需求自动调整运行状态的功能。采用“避峰就谷”规范，我们能够精准地控制程序，从而决定何时该开启何种水泵。为此，我们采取VmaX（最大容积）（vmax）（最大容积）的方法，从而实现Q的最佳控制，从而实现最佳的开泵效果。图4.2清晰地描绘出这一程序的运转情况。如果Q小于V
44、max,建议先关闭“谷段”和“平段”，然后才能启用水泵；否则，为防止水池中的污染物超出容器，建议尽快启用水泵。四水位传感器图4.2开启水泵的步骤和方式4.4 水泵的自动启停机制水泵的自动开启、自动运行和故障保护通常是通过安装一个水泵控制器来实现的。水泵控制器可以通过监测水压、水流量或水位来自动控制水泵的开启和关闭，从而实现自动运行。同时，水泵控制器还可以设置多种故障保护措施，如过载保护、短路保护、缺水保护、过压保护、过热保护、过流保护和缺相保护等，以保证水泵的安全运行。需要注意的是，不同类型的水泵控制器可能具有不同的自动控制和故障保护功能，因此在选择和使用时，需要根据实际需求和水泵的类型选择适
45、合的控制器，并按照厂家的说明书正确安装和使用，以确保水泵的安全运行。”5根据图4.3,可以看出一台水泵的自动开启故障保护机制已经被实现，而另外两台则具有类似的功能。因此，只要按照指定的步骤，以及设置好的水泵轮换功能，就可以轻松地选择合适的水泵。根据预设的自动控制参数，水泵控制器会判断当前的水压、水流量或水位是否低于设定值，如果低于设定值，则会触发自动启动水泵的指令。当水泵控制器接收到启动指令后，会自动启动水泵，开始抽水或输送水流。图4.3自动开启故障保护流程图监测水泵运行状态：水泵控制器会不断监测水泵的运行状态，以确保水泵的正常运行。如果发现水泵出现故障或异常，控制器会立即停止水泵的运行，并触
46、发相应的故障保护措施。当水压、水流量或水位达到设定值时，水泵控制器会判断是否需要停止水泵的运行。当水泵控制器接收到停止指令后，会自动停止水泵的运行，等待下一次启动指令。通过流程图，我们可以看到系统配备了多种故障报警功能，包括：抽真空过度、闸阀开启过度以及压力异常等。当发生内部故障时，自动控制系统将自动切换到故障诊断模块，以便迅速采取有效的措施。其流程图如图4.4所示。图4.4运行过程故障保护流程当水压、水流量或水位达到设定值时，水泵控制器会判断是否需要停止水泵的运行当水泵控制器接收到停止指令后，会自动停止水泵的运行，等待下一次启动指令，其流程如图4.5。si图4.5停泵流程图需要注意的是，不同
47、类型的水泵控制器可能具有不同的自动控制和故障保护功能，因此在使用时需要根据实际需求和水泵的类型选择适合的控制器，并按照厂家的说明书正确安装和使用，以确保水泵的安全运行。其时？/、时?郴警卜图4.6停止过程故障保护流程第5章仿真的分析与运用5.1 仿真信息管理模式井下排水自动控制系统通过P1.C的编程能够实现水位信号的自动收集和识别功能，根据实时收集的水位信号，通过既定的计算程序计算单位时间内不同水位段的水位上升速率，并且通过各个部位传感器采集的压力、流量、温度、电流、电压等数据，综合分析排水系统运行状况，并对各类数据信息进行集中管理和处理，同时还会对整个排水系统中各设备的运行参数进行实时的记录，供检修或故障检查时使用。图5.1远程控制平面图5.2 故障诊断模式故隙诊断功能是自动控制系统通过各个感应器实现对于各个子系统运行状态的监测，查找运行故障。当系统根据水位监测情况开启水泵的时候，控制系统会在此之前提前启动射流泵或者是真空泵，对管路内的真空压力进行检测，当压力
