基于PLC的煤仓排水控制系统设计

王福杰 ,李桦芃指导老师

（山东协和学院  济南  250107）

摘要：根据本设计的要求，对煤仓排水系统进行了总体方案设计、硬件选型与图纸设计、软件流程功能设计和阶梯图形设计。根据本系统的具体需求，确定了 PLC的控制策略，并对其进行了自动控制。

1.引言

在我国，煤炭作为最主要的化石能源， 作为用来支撑国家经济高速发展。在煤炭开采的过程中，往往会伴随着大量的地下水涌出，矿井水害已经成为危害煤矿安全生产的第三杀手，对煤矿安全生产造成极大影响，须进一步加强矿井水害防治工作。

2.总体方案设计

对煤仓排水控制系统进行设计，按照设计的要求，需要对两个集水井进行设计，每台集水井布置两个水泵，分别为工作泵和备用泵。对于一号集水井的水泵功率设计，采用18.5kW电动机作为一号工作泵和一号备用泵的设计功率。对于二号集水井的水泵功率，采用30kW电动机作为二号工作泵和二号备用泵的设计功率。每台集水井安装四个水位开关，分别对集水井的低、中低、中高、高水位进行检测。如果当前水位为低液位，将停机；如果当前水位为中下液位，将开启主泵；如果当前水位为中上液位，将主泵和副泵同时开启；如果当前水位为高液位，将进行报警输出。按照该系统设计要求，对系统进行设计，主要示意图如下图2-1所示。

图2-1 煤仓排水系统工作示意图

系统设计按照工艺要求，实现手自动控制，当手动控制时，通过按钮启停水泵，使得不受液位开关的控制。当使用自动控制时，系统运行的时候，主要根据液位开关的动作来进行控制，并达到控制要求。

3.硬件选型

3.1 PLC的选型

依据煤仓排水控制系统的设计方案，选择的CPU模块型号CPU226。该控制模块的供电电源为AC220V，直接接入市电就可以使用。该PLC模块的输入信号点数为24个，输出信号点数为16个。可以根据煤仓排水控制系统的实际需求，进行相关模块的扩展来达到系统设计的功能要求。产品如下图3-1所示。

图3-1  S7-200可编程控制器

3.2  水位开关的选型

本设计选择的液位浮球开关型号为YBLX-X1/311。该液位浮球开关耐腐蚀性能比较好，该浮球开关预留电线达10米之长，完全满足了本设计的需求。液位浮球开关的接线需要两根，可以接入常开点，也可以接入常闭点，根据煤仓排水控制系统设计的需求来进行接线。当浮球开关动作后，触发开关信号，PLC接收到浮球开关信号，将进行相关逻辑的控制输出。对于液位浮球开关的示意图，如下图3-2所示。

图3-2  液位浮球开关

3.3小型继电器的选型

    对于煤仓排水控制系统设计，采用小型继电器进行PLC输出点信号的转换，该小型继电器的线圈电压等级依据PLC的设计可知，采用DC24V电压线圈。小型继电器的辅助触点，选择为两路辅助触点，每一路辅助触点包含三个端子，一个公共端子，一个常开点端子，一个常闭点端子。小型继电器的型号依据市场上常见的型号，选择正泰MTF-20 DC24V。该继电器线圈的电压等级为DC24V。有两路辅助触点。通过该小型继电器的选择，完全可以满足煤仓排水控制系统设计的要求。小型继电器如下图3-4所示。

图3-3  正泰小型继电器示意图

4.硬件设计

4.1系统的I/O分配设计

对于PLC的设计步骤来说，对系统进行I/O分配，是非常重要的一步，为后期的PLC接线图设计和PLC软件程序设计打下了基础。对于煤仓排水控制系统设计，依据系统的功能要求和方案设计，系统的输入部分包括了按钮输入、故障输入、水位开关输入等，输出部分包括了指示灯输出、水泵的启停输出等。具体的分配如下表3-1所示。

表4-1 I/O  分配设计表

输入功能	输入地址	输出功能	输出地址
一号手自动	I0.0	一号工作泵运行	Q0.0
一号启动	I0.1	一号备用泵运行	Q0.1
一号停止	I0.2	二号工作泵运行	Q0.2
二号手自动	I0.3	二号备用泵运行	Q0.3
二号启动	I0.4	一号自动指示	Q0.4
二号停止	I0.5	一号运行指示	Q0.5
一号工作泵启动	I0.6	一号故障指示	Q0.6
一号工作泵停止	I0.7	二号自动指示	Q0.7
一号备用泵启动	I1.0	二号运行指示	Q1.0
一号备用泵停止	I1.1	二号故障指示	Q1.1
二号工作泵启动	I1.2	一号工作泵运行指示	Q1.2
二号工作泵停止	I1.3	一号备用泵运行指示	Q1.3
二号备用泵启动	I1.4	二号二号工作泵运行指示	Q1.4
二号备用泵停止	I1.5	二号二号备用泵运行指示	Q1.5
一号工作泵故障输入	I1.6	一号高水位报警	Q1.6
一号备用泵故障输入	I1.7	二号高水位报警	Q1.7
二号工作泵故障输入	I2.0
二号备用泵故障输入	I2.1
一号低水位输入	I2.2
一号中下水位输入	I2.3
一号中上水位输入	I2.4
一号高水位输入	I2.5
二号低水位输入	I2.6
二号中下水位输入	I2.7
二号中上水位输入	I3.0
二号高水位输入	I3.1

4.2系统的PLC电路设计

依据PLC的控制要求，系统针对煤仓排水控制系统来进行方案设计和I/O分配设计，还有可编程控制器的接线。本系统设计选择的PLC型号为S7-200。具体的设计接线图如下图3-7所示。

图4-1  PLC设计接线

4.3软启动主电路设计

对于软启动器的电动机电路接线，在软启动器端的U/V/W三个端子可以连接到电动机的接线盒。对于电动机的地线，直接接入软启动器的接地端子上。对于软启动器控制线路接线设计，包括了DI启停线路接线设计、AI模拟量线路接线设计、DO故障输出电路接线设计。DI启停线路来自PLC的输出，通过小型继电器转换，来实现软启动器的启停信号接线。对于DO接线，主要是将软启动器故障信号反馈到PLC，通过接线接入PLC的DI端子上。如下图4-2、4-3所示。

图4-2  一号集水井软启动器主电路图

图4-3  二号集水井软启动器主电路图

5 煤仓排水系统的软件设计

5.1  系统的功能流程设计

本系统采用手动操作和自动操作，手动操作时根据外启动按钮进行手动启动和停止，在自动状态下，由水位开关对其进行自动启动和关闭。当水位超出高水位时，会发出警报输出。如果目前处于低位，则全部停机，如果目前的水平处于中下液位开关位置，则将开启工作泵，一旦发现目前的水位在中上开关位置，两台水泵同时启动运行。如果高水位开关得电，将立即报警输出。系统设计一号集水井和二号集水井流程相同，以一号集水井为例进行说明。具体工作流程如下图5-1所示。

图5-1  一号集水井控制流程图

5.2一号集水井的自动控制程序

按下系统运行，当检测到低水位时，那么所有水泵停止运行，当检测到中下水位时，那么启动一台水泵，当检测到中上水位时，那么启动两台水泵，当水位到达高水位时，那么将启动报警输出，如下图

6.结论

对于煤仓排水控制系统的设计，主要针对一号集水井和二号集水井进行设计，采用PLC进行控制设计，使用软启动器实现水泵的控制。系统设计采用手自动控制，通过水位开关的信号检测，来实现系统的控制运行。系统设计按照总体设计、接线设计、软件设计和仿真设计运行，达到了设计的要求，满足了系统的工作目的。系统设计在后期的展望中，依据当前物联网技术，可以将每个煤仓排水系统进行联网，通过远程的方式显示在管理站，可以进行故障查询、发电量的查询以及定期维护管理等。在后期的设计中，PLC预留余量，可以实现升级改造设计，通过修改程序可以实现功能的升级改进。

参考文献

[1]徐科军.传感器与检测技术[M].电子工业出版社,2019:54-57.

[2]唐介.电机与拖动[M].高等教育出版社,2021:51-52.

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