基于PLC控制的水位報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

薛 鋒 張 朋

（大同煤礦集團(tuán)四老溝礦，山西 大同 037000）

大同煤礦集團(tuán)四老溝礦鑒于井下主排水系統(tǒng)仍采用人工控制，不具備根據(jù)水位或其他參數(shù)自動(dòng)開(kāi)停水泵，以及遠(yuǎn)程控制開(kāi)停水泵等功能的問(wèn)題，現(xiàn)自主開(kāi)發(fā)一套PLC控制系統(tǒng)，增加手動(dòng)與自動(dòng)引水、排水、停機(jī)功能。

1 水位聲光報(bào)警裝置具備的功能

正確測(cè)量并顯示水倉(cāng)水位；根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置水位上下限；根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置引水閥打開(kāi)時(shí)間；設(shè)定值掉電保持；超過(guò)水位上限聲光報(bào)警同時(shí)打開(kāi)引水閥及水泵電機(jī)進(jìn)行排水；低于水位下限聲光報(bào)警同時(shí)關(guān)閉水泵電機(jī)；手動(dòng)排水停機(jī)。

2 主電路

圖1 主電路圖

3 水位傳感器原理

根據(jù)水中壓強(qiáng)P=ρgH,壓力F=P·S可知，壓強(qiáng)與深度H成正比，當(dāng)面積一定時(shí)，壓力與壓強(qiáng)成正比，所以測(cè)量水深可以轉(zhuǎn)化為測(cè)量壓力。通過(guò)壓力傳感器，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)送入模擬量模塊，再通過(guò)PLC處理就可以變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。

4 傳感器信號(hào)處理方法及編程

使用FX2N-4AD模塊接收水位傳感器的模擬信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，該模塊可接收電流和電壓兩種輸入信號(hào)。4個(gè)輸入通道，12位分辨率。信號(hào)范圍：-10V～ +10V；4～20mA；或 -20mA～20mA。共有32個(gè)16位的緩沖存儲(chǔ)器（BFM），用來(lái)與主單元交換數(shù)據(jù)。[1]

（1）模塊位置編號(hào)確定

PLC特殊功能模塊的位置編號(hào)是這樣確定的：從基本單元最近的模塊算起，由近及遠(yuǎn)分別是0#、1#、2#、3#……。該裝置只使用到1個(gè)4AD模塊，所以編號(hào)為0#。

（2）特殊功能模塊讀指令FROM與寫(xiě)指令TO

FROM指令用來(lái)讀取緩存器中的數(shù)據(jù)，TO指令用于將數(shù)據(jù)寫(xiě)入模塊緩存器中。

（3）傳感器信號(hào)接收通道組態(tài)選擇BFM#0

該模塊有4個(gè)通道，每個(gè)通道均可以處理電壓、電流信號(hào)，而且有四個(gè)狀態(tài)選擇：0：-10V～+10V,1：4mA～20mA，2：-20mA～20mA，3：通道關(guān)閉。

水位傳感器輸出的是電流信號(hào)，所以每個(gè)通道選擇1：4mA～20mA。將H1111寫(xiě)入模塊0#緩存器，即每個(gè)通道處理電流信號(hào)。

（4）傳感器數(shù)據(jù)讀取緩存寄存器BFM5#-BFM12

模塊接收的水位傳感器信號(hào)通過(guò)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后被存放在緩存器中。5～8#緩存器存的分別是4個(gè)通道的平均采樣值，9～12#緩存器存的是當(dāng)前值。PLC再通過(guò)FROM讀指令存入PLC數(shù)據(jù)單元。該裝置程序使用平均采樣值。

將通道CH1～CH4的平均采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后存入PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器中，即將4個(gè)水倉(cāng)水位值分別存入到D90、D91、D92、D93。

（5）傳感器函數(shù)關(guān)系式

當(dāng)電流為4mA即4000μA時(shí)，水位對(duì)應(yīng)0m，當(dāng)電流為20mA即20000μA時(shí)，水位對(duì)應(yīng)8m即為800cm。同時(shí)水位與電流呈線性關(guān)系。故設(shè)函數(shù)關(guān)系式y(tǒng)=kx+b，其中y代表水深，x代表傳感器電流。

（6）零點(diǎn)與增益值設(shè)定BFM24#

水深與電流的函數(shù)圖像如圖2。

圖2 水深與電流的函數(shù)圖像

零點(diǎn)為當(dāng)y=0時(shí)對(duì)應(yīng)的x的值，所以零點(diǎn)為4000μA。

增益為當(dāng)y=1000cm時(shí)對(duì)應(yīng)的y的值，所以增益值24mA也就是24000μA。

（7）裝置停電但設(shè)定值保持

停電保持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器D200∽D511，除非改寫(xiě)，否則原有數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。無(wú)論電源接通與否，PLC運(yùn)行與否，其內(nèi)容也不會(huì)變化。將設(shè)定的上下限與引水持續(xù)時(shí)間保存在停電保持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器就可以實(shí)現(xiàn)停電不丟失。[3]

（8）超過(guò)上限與下限的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)

是否超過(guò)上限或者下限，需要將水位傳感器的信號(hào)與設(shè)定值比較，采用PLC比較指令CMP，將比較結(jié)果存入中間寄存器。通過(guò)中間寄存器的值控制聲光信號(hào)與引水、排水動(dòng)作信號(hào)。

例如CMP D1 D2 M0

D1、D2兩個(gè)數(shù)比較,將 ＞、=、＜三個(gè)狀態(tài)輸出到三個(gè)狀態(tài)！而M0為首地址、依次是M0、M1、M2。

（9）引水、排水的打開(kāi)與關(guān)閉[2]

以通道1為例，當(dāng)水位超過(guò)上限時(shí)，M0狀態(tài)為1，引水電磁閥打開(kāi)，經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)后再關(guān)閉。引水關(guān)閉的同時(shí)，排水水泵延時(shí)導(dǎo)通定時(shí)器狀態(tài)為1，Y15狀態(tài)為1，排水水泵開(kāi)關(guān)打開(kāi)進(jìn)行排水。當(dāng)排水到水位下限后，超下限M14狀態(tài)為1，Y15狀態(tài)為0，水泵開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

（10）上下限及引水延時(shí)設(shè)定方法

接下來(lái)一段時(shí)間，當(dāng)?shù)胤适谢颈３制椒€(wěn)，價(jià)格以及銷量變化不大。農(nóng)民對(duì)于新型肥料的接受程度每年都有所上升，但上升幅度不大。湖南隆科農(nóng)資連鎖有限公司以銷售傳統(tǒng)肥料為主，但目前隨著國(guó)家政策的導(dǎo)向和市場(chǎng)環(huán)境的變化，逐漸在向新型肥料領(lǐng)域擴(kuò)展業(yè)務(wù)，并成立新型肥料研發(fā)中心，任命專門(mén)的技術(shù)人員從事新型肥料的推廣工作。

上下限及引水延時(shí)設(shè)定使用工控觸摸屏數(shù)據(jù)設(shè)定功能，通過(guò)連接電纜將設(shè)定值送入PLC。

（11）語(yǔ)音模塊

電源輸入：可接 7～30V 電壓供電。

功放輸出：直接驅(qū)動(dòng)無(wú)源喇叭，足以驅(qū)動(dòng)任何小型音箱，且聲音洪亮。

音頻輸出：雙聲道音頻信號(hào)輸出，可接 3.5耳機(jī)座輸出。

控制線接線端：8路對(duì)地開(kāi)關(guān)量觸發(fā)。

工作狀態(tài)指示燈：工作狀態(tài)指示，通電常亮，播放或下載音頻文件時(shí)閃爍。

音量控制：音量控制，旋轉(zhuǎn)電位器進(jìn)行音量大小調(diào)節(jié)。

5 總結(jié)

目前水位監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置已應(yīng)用于該礦副立井、南陽(yáng)路坑底水倉(cāng)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量并顯示水倉(cāng)水位；能夠手動(dòng)排水停機(jī),動(dòng)作可靠，故障率低，可以有效保護(hù)水泵電機(jī)。