井下水泵房自动排水系统设计

辽宁工程技术大学 1 井下水泵房自动排水系统设计 摘 要 煤炭行业是我国的支柱产业。随着煤炭行业高产高效的 发展，矿井安全问题己成为制约煤炭生产的关键因素。井下 涌水是危及矿井安全的重要因素。一旦发生井下透水事故， 不仅影响井下生产，甚至会使矿井淹没，危及生产工人生命。 井下水泵房排水系统担负着整个矿井积水排除的任务，其安 全可靠性直接影响矿井生产的效率和安全。目前，我国大多 矿井水泵房仍然普遍使用传统的人工操作排水系统。这种排 水系统由于自动化程度低，应急能力差，存在很大的安全隐 患。随着我国煤炭行业的发展，井下排水系统自动化己成为 亟待解决的问题。 本论文从我国煤矿生产实际出发，针对现有排水系统存 在的弊病，结合现代工业技术和控制理论，设计了适于煤矿 井下使用的自动排水系统。利用工业专用可编程控制器 PLC 和超声波液位检测装置，组成自动监控系统，根据水仓水位 变化情况，实现自动排水。 依据液压传动理论和流体力学原理，选择了两种可控闸 阀，以适应不同环境下的井下排水系统，解决了井下排水系 统自动控制的难题，并通过理论和试验验证了其可行性。 关键词:水泵房，井下排水，可控闸阀，PLC，最优控制 辽宁工程技术大学 2 WELL WATER PUMP AUTOMATIC DRAINAGE SYSTEM DESIGN ABSTRACT The coal trade is a pillar industry of our country.With the development of coal trade in its high prodution and efficiency,the security problem of mine has been the key obstacle to coal prodution.Water pouring is an important factor endangering mine.Once the water leak accident takes place in mine,coal production will beld back;even the mine will be flood,jeopardizing labors life.Pumping collected water from mining area is the job of drainage system in pumping house under mine,which has closely relations to mining security and effciency.At present,the chiefly drainage systems in mining pumping house in our country aer traditional ones,which are operated by hand.There are potential safety hazard in this kind of drainage because of its low automation and failure in dealing with emergency.Therefore,it is urgent to solve the problem of drainage automation under mine. Based on practice of coal producing,and making use of modern industrial techniques and control theory,automatic drainage system studied in our research is made to adapt to coal mine,Composed of industrial controller and ultrasonic level detecting instriment,monitored and control system can make drainage equipments working automatically,according to the alternation of water wells level. In order to meet various requirements of drainage systems in different situations,two kinds of controlled gate valves are studied and exploited based on hydraulic theory and fluid mechanics principles,and their feasibilities have 辽宁工程技术大学 3 been checked by experiments.So the puzzle problem in automation of drainage under mine is solved. KEY WORDS: The pump room, underground drainage, controllable valve, PLC, optimal control 目 录 摘 要1 ABSTRACT.2 辽宁工程技术大学 4 目 录4 第一章 概论1 1.1 井下排水系统概述1 1.1.1 井下涌水现象及排水的重要性.1 1.1.2 井下排水系统的组成.2 1.2 现有井下排水系统存在的问题4 1.2.1 操作程序.4 1.2.2 存在的问题.4 第二章 井下自动排水系统总体方案设计5 2.1 离心式水泵工作原理5 2.1.1 离心式水泵工作特性.5 2.1.2 水锤现象.6 2.1.3 引水设备.7 2.2 井下自动排水系统总体方案设计8 2.2.1 井下自动排水系统8 2.2.2 工作方式与工作环节.9 2.3 检测与控制13 2.3.1 信号检测.13 2.3.2 控制器与控制过程.13 2.4 可控闸阀14 2.5 小结15 第三章 可控闸阀选择16 3.1 闸阀工作方式16 3.2 可控闸阀性能要求17 3.3 液控闸阀设计17 3.3.1 设计思路.17 3.3.2 机械机构.18 3.3.3 机械特性分析.19 3.4 电磁先导式通断阀设计21 3.4.1 功能原理及设计思路.21 3.4.2 结构设计.22 3.4.3 工作原理.23 3.4.4 性能特点.23 3.5 小结23 第四章 基于 PLC 的泵房自动控制排水系统 .25 辽宁工程技术大学 5 4.1 系统情况概述25 4.2 系统设备及组成26 4.2.1 系统前端检测元件.26 4.2.2 水位与系统参数检测.28 4.2.3 控制电路.29 4.2.4 水泵房监控装置组成.31 4.3 系统功能的实现32 4.4 实际运行情况33 第五章 井下自动排水监控系统运行和维护34 5.1 监控系统要求34 5.2 主要执行元件及其控制35 5.3 系统运行与维护36 结 论41 参考文献43 致 谢44 辽宁工程技术大学 1 第一章 概论 井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，担负着井下积水排除的 重要任务。然而，目前我国普遍使用的井下排水系统依然是传统的人工 操作方式。本章通过分析这种排水系统的组成及工作过程，指出其存在 的问题，为井下自动排水系统提供依据。 1.1 井下排水系统概述 1.1.1 井下涌水现象及排水的重要性 在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中 水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜 不停地汇集于井下。矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关 系，涌水量在不同的季节也呈现不同。在一些大水矿井，矿井涌水量可 达到每秒 17 立方米，甚至超过每秒 20 立方米。另外，煤炭开采过程中， 由于地层结构被破坏，岩层断裂，使采区与储水层连通，发生突水事故， 涌水量会突然增加。如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生 产就可能受到阻碍，井下的安全就会得不到保障，严重者会造成重大事 故。给人民的生命、国家的财产都带来了极大的威胁。因此，井下排水 就显得尤为重要。井下排水系统的任务就是把流入井下煤矿巷道中的矿 井积水排送至地表。 根据统计，每开采 1 吨煤就要排出 2 一 7 吨矿井水。井下排水设备 所配备电机的功率，小的几千瓦到几十千瓦，大的几百千瓦到上千千瓦、 在我国煤炭行业中，井下排水用电量占原煤生产总耗电量的 18%一 41%，一般为 20%左右。 因此，井下排水设备运转的可靠性(安全运转)与经济性(效率高、 电耗量小)，具有十分重要的意义。 矿井水的成分很复杂，它对水泵和水管的腐蚀性，不仅与游离硫酸 的存在有关系，而且也和硫酸镁、硫酸铁和硫酸铝的存在有一定关系。 辽宁工程技术大学 2 矿井水的物理性质和酸度，可用氢离子浓度(又叫氢离子指数)PH 值的大 小来表示。 由于酸性矿井水对金属具有腐蚀破坏作用，所以井下排水设备的钢 铁零件，一旦遇到酸性矿井水时，将会很快遭到破坏。因此，当 PH 值 小于 5 时，就必须采用耐酸泵等防酸措施。 1.1.2 井下排水系统的组成 井下排水系统一般采用离心式水泵，一些小型煤矿或浅水井临时排 水系统也采用潜水泵1。离心式水泵排水系统主要由离心式水泵、电动 机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成，如图 1 一 1 所示。 图 1 一 1 离心式水泵排水系统 滤水器和底阀 滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于 0.5111。 其作用是防止井底沉积的煤泥和杂物吸入泵内，导致水泵被堵塞或被磨 损。在滤水器内装有舌型底阀，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。但是现在的排水系统中，为了提高排水效 率，减小水泵腐蚀，一般不用底阀，而用射流泵或真空泵为水泵和吸水 辽宁工程技术大学 3 管注水。 闸阀 调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小，安装时无方向性，能 够方便地来调节水泵的流量和扬程等。其缺点是密封面容易擦伤，检修 较为困难，高度尺寸较大，在安装位置受到限制时，安装不便，结构较 复杂，价格较高。放水闸阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上， 其作用为：调节水泵的流量和扬程，起动时将它完全关闭，以降低起动 电流。调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小，安装时无方向性， 能够方便地来调节水泵的流量和扬程等。其缺点是密封面容易擦伤，检 修较为困难，高度尺寸较大，在安装位置受到限制时，安装不便，结构 较复杂，价格较高。为检修排水管路时放水用。 逆止阀 逆止阀安装在调节闸阀的上方，其作用是当水泵突然停止运转(如 突然停电)时，或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时，能自动关闭， 切断水流，使水泵不致受到水力冲击而遭到损坏。 灌引水漏斗、放气栓和旁通管 灌引水漏斗是在水泵初次起动时，向水泵和吸水管中灌引水用。在 向水泵和吸水管中灌引水时，要通过放气栓(又叫气嘴)将水泵和吸水管 中的空气放掉。当排水管中有存水时，也可通过旁通管向水泵和吸水管 中灌引水，此时要将旁通管上的阀门打开。此外，还可通过旁通管，利 用排水管中的压力水的反冲作用，冲掉积存于水泵流通部分和附着于滤 水器上的杂物，但此时须通过连接在底阀上的铁丝或链条将底阀提起。 压力表和真空表 压力表安装在水泵的排水接管上，为检测排水管中水压大小用。常 用的压力表为普通弹簧管压力表，根据其结构特征可分为径向无工操作 排水系统，以离心式水泵系统为主。这种排水系统的操作以离心式水泵 的工作特性为基础，泵站的起停时间判断，完全依赖于工人的经验和已 有的操作规程。如图 l 一 1 所示，当水仓水位到达设定的高水位时，工 人打开射流泵(或真空泵)，为水泵抽真空，同时观测真空表的读数。真 空度达到要求后，起动水泵机组，使水泵运转。当水泵出口压力表读数 辽宁工程技术大学 4 达到要求时，开起闸阀进行排水，同时关闭抽真空的射流泵(或真空泵)。 停泵过程要进行相反的操作。当水仓积水降至低水位时，先将闸阀关死， 再停水泵机组。根据现场涌水量的不同，工人还要判断同时投入几台水 泵工作，以便于既能及时排出积水，又能使泵站合理使用，避免过度频 繁的起停。 1.2 现有井下排水系统存在的问题 1.2.1 操作程序 目前，我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人工操 作排水系统，以离心式水泵系统为主。这种排水系统的操作以离心式水 泵的工作特性为基础，泵站的起停时间判断，完全依赖于工人的经验和 已有的操作规程。当水仓水位到达设定的高水位时，工人打开射流泵 (或真空泵)，为水泵抽真空，同时观测真空表的读数。真空度达到要求 后，起动水泵机组，使水泵运转。当水泵出口压力表读数达到要求时， 开起闸阀进行排水，同时关闭抽真空的射流泵(或真空泵)。停泵过程要 进行相反的操作。当水仓积水降至低水位时，先将闸阀关死，再停水泵 机组。根据现场涌水量的不同，工人还要判断同时投入几台水泵工作， 以便于既能及时排出积水，又能使泵站合理使用，避免过度频繁的起停。 1.2.2 存在的问题 (1)效率低、可靠性差。这种排水系统的工作流程完全由手工完成， 工人按部就班的完成各个执行件的操作。另外，对水位、涌水量大小等 现场数据的判断依赖于工人的经验。作业过程比较复杂，要求工人具有 很强的责任心，否则可能出现误操作，甚至发生大的事故。 (2)工人劳动强度大。人工操作无法避免高强度的劳作。尤其是闸 阀的操作，劳动量最大。通径 DN200 的闸阀开起时，往往需要两个工人 同时转动阀门手柄。而且，水泵房要时时有人值守，以便在发生异常情 辽宁工程技术大学 5 况时，及时报警检修。 第二章 井下自动排水系统总体方案设计 基于对矿井水泵房常用水泵(离心式水泵)结构、性能的分析，我们 提出矿井自动排水系统的设计方案，针对目前国内普遍使用的人工操作 矿井排水系统存在的弊病，从实际出发，为适应煤矿企业现代化管理运 行，提高井下排水作业的安全性、可靠性、经济性，提供了一种切实可 行的方案2。 2.1 离心式水泵工作原理 2.1.1 离心式水泵工作特性 离心式水泵工作中，主要其作用的性能参数有: 扬程 H 一单位质量(1kg)的液体通过水泵后所获得的能量(m); 2 H O 轴功率 N 一电机传给水泵泵轴的功率称为轴功率 kw。 效率一水泵的有效功率与输入功率的比值称为效率; 允许吸上真空度 H 厂水泵在标准状况下(即水温为 20、表面压力 l.013XPa)运转时，水泵所允许的最大吸上真空高度(m)。 5 102 H O 水泵各个参数从不同的角度描述了水泵的工作性能，这些参数之间 互相影响、互相制约、互相联系，它们之间的这种关系是有一定规律的， 人们通常用特性曲线来描述这些参数之间的关系(规律)。在实际应用中， 通常以流量为横坐标，画出其他参数与流量的关系曲线作为特性曲线。 常用的特性曲线有扬程曲线(Q 一 H)、效率曲线(一 H)、功率曲线(N 一 Q)和允许吸上真空度曲线(Q 一 Hs)。图 2 一 1 是 125D25x8 型的水泵 特性曲线。通过特性曲线可以综合分析水泵的排水能力和性能的优劣， 确定水泵的最佳工作点，并为排水系统其他元件参数选择提供一定的依 据。 辽宁工程技术大学 6 图 2-1 125D25x8 型的水泵特性曲线 2.1.2 水锤现象 水锤也称为水击，是在有压管路中由于液体流速的突然变化而引起 的压力急剧的交替升高和降低的水力冲击现象。水锤发生时，最高压力 可达到正常压力的 200%，对水泵和管路配件的冲击损坏很大。为了防止 水锤破坏设备，管路水流速度不能太大3。根据经验排水管路中的水 流速度一般不宜超过 3m/s。在水泵站运行中，水锤现象经常发生在起泵 和停泵阶段，由于人员误操作或设备故障引起。一般水锤事故会造成跑 水停水;事故严重时，会造成泵房被淹没，设备损坏，甚至伤及操作人 员，造成人员伤亡事故。在水泵房排水系统设计中，要非常重视消除水 锤现象。 为避免出现水锤现象，一般采取以下措施: 尽可能不设止回阀，减少水锤发生的可能性。 管路设有止回阀时，应设置防止压力升高的措施，如下开式水锤 辽宁工程技术大学 7 消除器、自动复位式水锤消除器、空气缸、安全阀等。 防止压力下降和水柱分离，在容易发生断流水锤部位的下方管道 设止回阀。 用缓闭止回阀、自动缓闭水力闸阀、液控止回阀等，可以减小水 锤产生的压力增值。 此外，还可以考虑采用增加管道直径和壁厚，选择机组的飞轮力 矩(GDZ)大的电机。 2.1.3 引水设备 水泵房排水设备一般安置在水井液面以上，所以水泵启动前的灌水 一般采用吸入式。为了减小井水吸入阻力，提高泵站运行效率，吸水管 路不宜设置底阀。无底阀吸入式灌水，要采用专门的引水设备，对水泵 排水腔和吸水管路进行抽真空，使水泵运行前充满水。引水设备一般为 真空泵或射流泵4。真空泵运行效率高，水泵启动快，但需要提供专 门的驱动设备。射流泵结构简单，操作方便，根据矿井的地下环境和条 件，射流泵的应用更为普遍。其结构包括:喷嘴、吸入室、混合管、扩 散管，如图 2 一 2 所示。射流泵的工作原理是水射流时的“虹吸现象” 。 高压水以流量 Q.由喷嘴高速射出时，连续挟走了吸入室 2 内的空气，在 吸入室内造成不同程度的真空，被抽升的液体在大气压力作用下，以流 量 Q:由管 5 进入吸入室内，两股液体在混合管 3 中进行能量的传递的交 换，使流速、压力趋于拉平，然后，经扩散管 4 使部分动能转化为压力 能后，以一定的流速由管道 6 输送出去。 辽宁工程技术大学 8 图 2-2 射流泵结构 1喷嘴；2吸入室；3混合管；4扩散管 2.2 井下自动排水系统总体方案设计 2.2.1 井下自动排水系统 井下自动排水系统的目的是要实现井下水泵房的无人化操作，能够 实时监测、自动运行，提高安全性、可靠性和运行效率，增强抗灾能力。 并能够优化调度水泵运行情况，节能降耗，降低生产成本。 随着现代科学技术的进步，尤其是微电子技术和控制理论的发展及 其在各行各业中的渗透，使现有的工业设备的安全可靠性、经济性都得 到很大的提高。传统的矿井排水系统已经不适应现代煤矿企业的管理和 操作，需要一种新的排水系统来保障煤炭开采工作的安全高效进行。井 下自动排水系统就是为了实现排水系统的安全性、可靠性及经济性而设 计开发的一种自动化系统5。 井下自动排水系统在传统排水系统的基础上，应用现代工业控制技 术和检测装置，实现排水系统的自动化。并且延伸其功能，使井下水泵 房在实现无人化运行的同时，能够根据井下具体情况和要求，选择最佳 运行方案，为井上监控系统提供有用的数据资料。 (1)系统组成 井下排水系统一般由水仓、吸水管路、多台水泵、多趟管路、水泵、 辽宁工程技术大学 9 排水管路、灌水装置及若干控制阀门组成。 (2)井下排水主要特点 水位受各种因素影响(如矿井涌水量、排水量、水仓净容积和水 仓内沉淀物)，其控制必须留有一定的裕量。 水泵电机的电压高、功率大，起动过程比较复杂。 水泵普遍采用无底阀吸水方式，在排水系统中设有水泵及吸管路 灌水装置，起动前须给水泵及吸水管路充水。 矿井涌水中含有大量固体悬浮物，对水泵磨损较大，容易在排水 管路上形成沉积物，致使管路有效通流面积变小，影响水泵运行效率及 排水管网效率。 按国家电力部门实行“峰谷电价”收费制度，井下排水系统工作 时间应尽可能实现“避峰填谷”方式运行，以减少排水电费支出。 排水系统是按矿井最大涌水量和配套水泵数量进行设计，正常工 作时水泵备用能力比较大。 (3)具备功能 水仓水位变化等情况自动控制排水泵的开停。 水泵轮流工作，实时监测水泵的综合效率和管网的效率，且据参 数变化，优化排水系统的运行方式，使其始终处于高效率运行。 水仓水位变化、供电峰谷时段划分等情况，合理调度水泵运行， 达到躲峰填谷目的。 能实时监测排水系统的机械、电气工作参数，如电机电压、电流、 输入功率、温升，水泵流量、入口真空度、出口压力、轴温、水仓水位 等。 根据排水系统的工作状态，实现各种故障报警。 通过网络连接，与矿井监控系统进行数据交换，达到管、控、监 一体化。 2.2.2 工作方式与工作环节 双位逻辑控制是排水泵站最基本的工作方式，通过水井液面变化， 辽宁工程技术大学 10 运用高低水位与水泵运行现状态一定的逻辑运算关系，控制水泵下一步 的运行状态。在实际工作中，水泵房还要根据各种运行参数(如涌水量 大小、水泵状况等)、现场环境以及意外事故等，对水泵站进一步控制， 或改变控制方法。在离心式水泵排水系统中，还要增加许多工作环节。 这就使排水系统的工作方式更为复杂。利用现代工业控制器，如工控机、 可编程控制器(PLC)、单片机等，结合各种检测传感器，可以构成完整 的电气控制系统，来控制水泵站各执行机构按一定的规程完成水位检测、 水泵起动、停止及其过程控制等工作。并且可以进行数据传输、处理等 工作。本论文设计的井下离心式水泵自动排水系统，采用 PLC 作为控制 器，用超声波液位传感器监测水位，结合相应的控制电路，组成排水监 控系统;用可(电气)控制的阀门和接触器等作为执行件，完成对泵站系 统的控制。 工作方式:本监控系统有自动、半自动及手动三种工作方式。其中 自动方式由超声液位传感器连续检测水仓水位，根据水仓的水位变化， 自动开、停水泵及其阀门。正常情况下，按双位逻辑控制和“轮班工作 制”各台水泵能自动轮换工作;水位变化过大时，自动投入必要数量的 水泵运行，此方式下可实现无人值守;半自动方式是操作工人根据水仓 显示水位，人工手动开、停水泵和确定开泵台数，电机及其阀门的开、 停由 PLC 自动执行;手动方式是维修工人可操作任一水泵电机、自动闸 阀、电磁阀的开关，解除相互闭锁关系。 工作环节: 监控系统可概括为六个环节:即自动注水(抽真空)环节、闸阀操纵 环节、水位自动监控环节、参数传示环节、故障保护环节及电动机的自 动控制环节。 (1)自动注水(抽真空) 水泵只有在其叶轮完全淹没于水中的情况下，泵体内部才能造成必 要的真空度实现正常排水。若真空度不够，泵内有空气存在，将会造成 不上水和转动部件“干烧”等故障。系统采用射流泵抽真空，由真空表 监测真空度，流量作为监测真空度的后备。 (2)自动闸阀操纵 辽宁工程技术大学 11 为减小启动功率，水泵操作规程规定离心式水泵一定要关闭出水闸 阀启动，而当水泵停车时，为避免水锤事故，必须先关闭闸阀，缓慢减 小流速，最后停泵。泵体内充满水后，以启动和停止#1 泵为例，其过程 为:打开 0#控制阀，进行抽真空;真空度达到要求后，启动 1#水泵电机; 1#水泵出口压力达到设定值，打开 1#1 闸阀，进行排水;关闭 1 时阀。 停止时，先关闭 1#1 闸阀，再停#l 水泵电机。 (3)水位自动监控 水位自动监控环节的任务是根据水位的高低自动准确发出开、停水 泵命令。依据双位逻辑控制原理，采集水位信号，以开关量(水位开关) 和模拟量形式输送给 PLC。水位传感器的可靠性和准确性直接影响整个 控制系统的工作可靠性。为此选用超声波液位传感器，它具有高精度、 非接触式、非机械型、维护方便、安装容易、标定简单等许多优点。 当水位达到水位 2 时，若处于低计费时段，可以立即启动，若处于 高计费段，则暂缓启动;当水位继续上升至水位 3 时，则不论电网如何， 必须启动水泵。若水位继续上升至水位 4 时，则表明一台水泵的排水量 己不足于排除矿井涌水，必须启动第二台水泵，两台水泵一齐排水，以 矿井的最大排水能力来排除矿井出水。不论投入几台泵，水位必须下降 到水位 1 方可停泵。上述水位 1 至水位 4 均由超声液位计将模拟信号送 入 PLC，由 PLC 通过软件标定。分时计费亦由 PLC 通过软件标定。 (4)参数传示 主控柜的模拟屏上可模拟显示水仓水位、水泵流量、水泵压力及电 动机、电磁阀和自动闸阀的各种工作状态。所有的检测参数及工作状态 均可由井下 PLC 通过传输网络传送给地面计算机，由计算机分析处理， 在显示器上模拟显示，并做出曲线、报表，以利于地面管理人员做出正 确判断，向井下可编程控制器发出控制命令。 (5)故障保护 流量保护:当水泵启动后或正常运行中，如流量达不到正常值， 通过流量保护装置使本台水泵停车，转为启动另一台水泵; 电动机故障:PLC 监视水泵电机欠压、过流、短路等故障，由高压 开关柜的综合保护器提供，并参与控制; 辽宁工程技术大学 12 闸阀故障:通过对闸阀工作中压力、流量及管路等参数的测定来 判断闸阀是否正常工作;通过信号反馈回 PLC，进行故障保护与控制。 (6)电动机的自动控制 该环节是排水设备综合自动化控制系统的中心环节。它由 PLC、中 间继电器及接触器等组成，前 5 个环节最终都要与该环节配合，根据水 位情况自动开、停水泵，及所开水泵台数。为防止因备用泵长期不用而 使电机受潮或有其它故障而未被发现，当紧急情况需要投入而不能投入 以至影响矿井安全，该环节按“轮班工作制”来控制，以达到有故障早 发现、早处理，以免影响矿井安全的目的。系统根据水泵的开启次数自 动按一定顺序轮换开启水泵;当某台或其所属阀门故障或检修时，该泵 退出轮换，其余各泵仍按轮换工作制运行6。 监控系统特点: 实行在线监控 监控系统对水泵房设备运行实行在线监控，并具有自诊断功能，可 实现水泵房的无人值守;并通过网络与矿井监控系统进行数据交换，接 受管理人员指令。 控制灵活 可实现多种控制方式之间的切换，应用于不同的工作环境下。一般 情况下，根据水位情况自动运行;故障检修或系统维修时，可使用半自 动或手动方式运行，即可以对运行环节“截断”操作。 延长水泵寿命 据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作，避免同一水泵长期使 用，而其他水泵闲置;还可以根据水井涌水情况，选择不同的排水方案， 避免涌水小量时水泵频繁启动，涌水大量时不能及时排除积水。从而使 水泵的合理运行，大大延长了使用寿命。 提高矿井电网质量 监控系统可根据电网负荷信息“移峰填谷” ，来确定开、停水泵时 间，以提高矿井的电网质量。 辽宁工程技术大学 13 2.3 检测与控制 2.3.1 信号检测 信号检测与电气控制构成整个排水系统的控制核心。7系统运行过 程中不仅要对水井水位进行检测，还要对诸如真空度、压力等启动用参 数和管路流量、系统压力、电机温度等系统安全保障参数进行检测，才 能使系统在自动运行过程中选择正确的控制策略，并在元件发生故障时， 发出报警信号。 2.3.2 控制器与控制过程 控制器是中心控制单元，要对输入信号进行处理运算，根据控制要 求输出控制量至执行机构或报警装置。 可编程控制器(PLC)是近代发展起来的通用工业控制器，是专为工 业环境应用而设计制造的计算机，可以替代复杂的继电器控制系统，并 且具有很强的数学运算、字符转换、模拟量控制、网络通讯等功能。综 合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向过程、面向用户的 简单编程语言。PLC 适用于工业环境的恶劣环境下的应用，可靠性高、 抗干扰能力强。煤矿井下环境用电量大，电磁干扰很大。在排水系统中， 用 PLC 作为控制器对各种干扰和可以起到很好的屏蔽作用。 综合利用 PLC 的各种功能模块，结合外围电路，构成自动排水系统 的控制部分自动排水系统通过信号检测、PLC 控制、执行机构动作完成 水泵站启动、停止以及水泵房的在线监测。 启泵过程: (1)液位传感器测得相对高水位(水位 2、水位 3、水位 4)，传给控 制器印(PLC); (2)控制器输出信号启动抽真空设备，对水泵抽真空; (3)水泵真空度达到要求，真空表返回信号给控制器; (4)控制器输出控制信号到水泵电机接触器，起动电机; (5)电机起动，返回信号; 辽宁工程技术大学 14 (6)水泵出口压力值达到要求，返回信号; (7)启动闸阀，进行排水，并返回信号； (8)关闭抽真空设备。 停泵过程： (1)液位传感器返回低水位； (2)控制器输出信号，驱动闸阀关闭； (3)关闭水泵机组。 水泵房排水系统是构成矿井安全生产的重要环节，不仅要求自身安 全可靠运行，还要配合整个矿井生产管理的调度。所以，自动排水系统 要与地面坚控系统进行联网，管理人员可在地面及时掌握井下水泵房监 控设备的所有检测数据及工作状态，适时发出控制指令。 2.4 可控闸阀 闸阀在排水系统中起着至关重要的作用。不仅在排水过程中控制管 路流量，在泵站起停过程中，闸阀本身性能的好坏和运行特性也直接影 响整个系统的性能。如果操作不当，可能造成系统无法启动、停泵水锤 等严重后果。传统的手动闸板阀门没有自动驱动机构，完全靠手轮转动 操作。在大型排水系统中，由于水泵的流量大、扬程高，管路通径大， 所需的闸阀体积也相应的增加，而操作难度则成倍增加。通径为 DN200 以上的闸阀在操作时，往往需要两个工人同时转动手轮才能启动。在 自动排水系统中，这种闸阀不能应用，而要用一种能够自动运行通断控 制阀门来代替。目前，可控闸阀的设计以电动控制为主，将手动操作的 手轮改为电机加减速装置驱动。这样的设计方法虽然能够实现自动控制， 但是却增加了闸阀的体积和重量，安装维修都很不方便。机构的增加， 尤其是复杂的电气驱动装置，使闸阀的成本费用大大提高，比手动闸阀 费用增加几倍，甚至十几倍。而且，由于闸阀运行时阻力大且不稳定， 用电动控制在发生堵转时易引起电机过载，自保能力差，须增加附加的 过载保护环节。在井下排水系统中，对可控闸阀安全可靠性有着更高的 要求。 辽宁工程技术大学 15 2.5 小结 本章提出了井下自动排水系统设计的总体方案。从井下排水系统的 要求和水泵运行特性出发，利用双位逻辑控制的方法，结合 PLC 和超声 波液位检测，实现水泵的自动启动和停止。并根据用电“避峰就谷”的 原则和水泵运行“轮班工作制” ，控制系统自动合理调度水泵的运行。 此外，为使系统可靠、高效运行，本论文还将对可控闸阀进行设计，并 提出可行的方案。 辽宁工程技术大学 16 第三章 可控闸阀选择 闸阀是离心式水泵排水系统中必不可少的元件，井下自动排水系统 用可控闸阀要适应井下环境，具有安全防爆、运行可靠的能力。在大型 排水泵站中，由于水泵功率大，扬程高，流量大，所要求的闸阀通径也 大，闸阀体积和重量也相应的增加，通径 DN2OO 的闸阀重量在 200Kg 左 右。8因此，可控闸阀设计成为自动化排水系统的关键问题。设计一种 轻便、灵活，控制方便，工作可靠，又适应井下特殊的工作环境的可控 闸阀也是本论文一项重要任务。在对闸阀功能要求分析设计的基础上， 本论文提出两种选择方案，满足不同环境下排水系统的需要。 3.1 闸阀工作方式 闸阀在排水系统工作过程中的作用是配合水泵使系统正常启动运行， 安全平稳停止，并在排水过程中控制管路流量和压力。根据水泵的性能 特点和流体力学的原理，离心式水泵的启动、运行、停止都有特殊的要 求。从图 2 一 l 的特性曲线中可以看出，功率曲线(Q 一 N)在 Q=O 时处 于最低点，即水泵在零流量时，功率最低。所以，为了使水泵低功率启 动，要在启动前使闸阀关闭。另外，在无底阀的排水系统中，为水泵灌 水(抽真空)也要求闸阀关闭。因此，闸阀密封性能的好坏直接影响水泵 的启动性能。 水泵启动后，工作点要平稳地从起始点 O 过渡到额定工作点 A，即 效率曲线(Q 一)的最大值对应的工作点。所以，闸阀开启时，要缓慢 开，避免管路中流速、压力变化剧烈。水泵在停转时，管路压力、流量 同样不能变化过于剧烈，以避免引起停泵水锤。所以，闸阀要在水泵停 前缓慢关闭。另外，为了下次正常启动，闸阀要关紧。在人工操作排水 系统中，以上要求都是工人按操作规程完成。 在自动排水系统中，闸阀要按以上工作方式操作，就要有良好的驱 动机构和控制方式。 辽宁工程技术大学 17 3.2 可控闸阀性能要求 井下自动排水对可控闸阀有着更高的要求，为适应井下环境，提高 安全可靠性，要具备以下功能: (1)符合煤矿安全标准，具有防爆功能; (2)可电气控制，能够与自动控制系统联结，便于集中控制; (3)体积小、重量轻，便于运输、安装、维修; (4)符合水泵缓开缓闭的要求，关闭状态密封性能良好，不能出现 “跑水” 、 “漏水”现象。 (5)承压能力强，能够满足高扬程的排水系统应用。 3.3 液控闸阀设计 液控闸阀采用手动闸阀的传动机构来实现动力和运动传递。但还必 须选择合适的动力源来对闸阀进行驱动和控制，且能够电控。从矿井具 体情况出发，使自动闸阀控制灵活方便，符合井下防爆标准，选择液压 系统控制是比较可行的方法。 3.3.1 设计思路 通过液压系统控制闸阀动作，用液压马达代替原有手轮转动，提供 足够大的转矩，使丝杠螺母副运动，达到传动的目的。9马达正反转可 以通过电磁换向阀实现。选择低速大扭矩液压马达，使闸阀的开闭过程 不至于太快，达到缓开缓闭的要求，而不需要增加减速装置。而且，可 以通过调节液压系统的输出压力(节流阀开口度)改变马达转速，从而实 现闸阀运动速度可控。 从图中可以看出，闸阀的液压控制系统是典型的泵一阀一马达开式 系统，包括电动机(防爆)、液压泵、溢流阀、三位四通电磁换向阀、节 流阀、液压马达、连接管路及闸阀机械传动机构(丝杠、螺母)。传动机 构包括液压马达的输出轴与传动螺母，从实际情况出发，井下水泵房一 般由多台水泵并联组成，每台水泵都要连接一个闸阀(主体)。所以可由 辽宁工程技术大学 18 一台液压泵站集中控制多个闸阀。为能够使某一个闸阀单独运动或向不 同的方向运动，每一个闸阀都要再通过一个电磁换向阀控制。液压泵站、 电磁换向阀是该系统的主要控制执行件，它们要接受主控制系统的指令， 按主程序要求动作。 图 3-1 液控闸阀传动系统图 3.3.2 机械机构 自动闸阀最终要实现最基本的通断功能，对闸板阀来说，要有机械 传动结构将液压马达的旋转运动转变为闸板的直线运动。这一转动链包 括液压马达、螺母、丝杠、闸板，其中，丝杠与闸板的运动相同。 除传动机构外，为了使闸阀正常工作，还要有必要的连接、定位等 辅助结构。闸阀的机械安装结构如图 3 一 2 所示。 辽宁工程技术大学 19 图 3-2 液控闸阀传动部分安装图 为了使结构更简单，机械传动机构省去了减速装置。这样简化了传 动，不仅使闸阀体积和重量减小，便于运输、安装及拆装维修，而且使 整个结构转动惯量减小，运行更灵活，增加响应速度。液压马达选择带 有中心通孔轴的的 QJMT40 型钢球式马达。液压马达、传动螺母、丝杠 同轴安装，如图 3 一 2 所示。 3.3.3 机械特性分析 闸阀的运行过程是变负载的过程，根据离心式水泵的管路特性10， 水泵启动时，管路内的流量从 0 逐渐上升至额定流量，压力(扬程)从最 大下降至，变化量H反映到闸阀上转化为负载力矩的变化 O H A H ，使闸阀运行时，压力和转速产生波动。所以，闸阀要有足够良好 L M 的机械特性以适应运行过程中负载的变化。 辽宁工程技术大学 20 图 3-3 节流液压调速回路模型 闸阀的液压驱动系统可以看作是节流调速液压调速回路，如图 3 一 3 所示。液压泵站提供恒压源 Pp，经节流阀后输出马达的控制压力 Pm 和流量 Qm。若不考虑管路的压力损失，则通过节流阀的流量为 Qm=Ka(Pp 一 Pm) 式中 K 一与节流阀节流口形状和液体粘性等有关的系数; a 一节流阀节流口的过流面积; m 一由节流口形状决定的指数，取 m=0.5(近似薄壁孔) 转速 n 与负载 ML、节流阀通流面积 a 之间的关系。取,0.9 Pp=16Mpa，Qm 产 0.11m/min，a=0.15， 。以负载 ML 横坐标，转速 n 2 mm 为=O.11/min, a=0.15.以负载 ML 横坐标，转速 n 为纵坐标，可以 2 mm 得出液压马达节流调速的机械特性曲线，如图 3 一 4 所示。另外，从图 中可以看出如果调节节流阀的通流面积 a 可以得到另外一条曲线，图中 ala2。同一曲线上(a 确定)，负载变化时，液压马达转速沿曲线变化。 负载恒定时，调节 a 则能改变液压马达转速。可以看出曲线越平缓，液 压马达转速随负载变化越小。 辽宁工程技术大学 21 图 3-4 液压马达节流调速机械特性 3.4 电磁先导式通断阀设计 电磁先导式通断阀用一种新的设计思路，从流体力学原理出发设计 的一种具有同样功能的通断阀门。它的主要特点是没有机械传动机构， 体积小、重量轻，相应快速，通断性能好。 3.4.1 功能原理及设计思路 因传统闸阀使用刚性闸板，所以一般要有机械传动机构，但由于闸 板与阀体是钢铁材料硬接触，所以其密封性能受到限制。用橡胶材料的 柔性闸板代替刚性闸板可以提高密封性。而且，柔性闸板在受力不平衡 时产生弯曲变形。可以利用这一现象，通过排水系统工作过程中的流体 压力作用于柔性闸板，实现阀门的通断控制。 柔性闸板比刚性闸板更灵活，占用空间小，能够减小阀门体积与重 量。用柔性闸板控制进出口通断，阀板在介质压力下的柔性变形即可起 密封作用，无需机械传动。为了能够实现电控，选用电磁换向阀导通系 统管路与控制管路。电磁先导式通断阀通过系统工作过程中建立起来的 介质压力，控制柔性闸板的动作，实现阀门的通断。 辽宁工程技术大学 22 3.4.2 结构设计 电磁先导式通断阀替代传统闸板阀门，作为排水系统的管路控制元 件，仍然属于辅助元件，不仅要在功能上配合水泵站的工作，体积结构 上也应该尽量简单。所以，阀门的结构设计在实现前述各功能的基础上， 尽量采取简化措施，使结构紧凑，使用安装方便。 根据阀门的功能原理，控制部分通过管路和其他元件控制柔性闸板 的运动，主通路通过柔性闸板连通进出口:控制信号取自主通路进口(通 过电磁换向阀选择)，主通路中介质(少量进入控制部分传递压力信号) 在柔性闸板控制下流入出口，所以，柔性闸板在控制部分和主通路之间 在功能上起联接作用，而在结构上起隔离作用。柔性闸板的运动是在控 制部分的操纵下完成的，同时又作用于主通路，起开关作用。柔性闸板 截断主通路进出口，要受进口处介质压力作用;控制部分取进口处压力， 在电磁阀选通的情况下，也作用于柔性闸板。在压力大小相同的情况下， 只有作用面积不同才产生压力差，使柔性闸板运动截断进出口。所以， 控制部分的引出压力作用于柔性闸板，要有足够的作用面积。另外，还 要使柔性闸板有足够的运动空间，使进出口接通时，介质能够以足够的 流量进入出口。 根据以上分析，可以确定阀门接入系统后介质流动的路线:大部分 经由主通路进入阀体内，柔性闸板打开后流入出口;少量进入控制回路， 传输压力信号。控制部分要有足够的空间来储存带有压力信号的介质， 即要有压力腔。压力腔根据电磁换向阀的得电情况有两种状态:一种与 阀门进口接通，引入高压介质，将阀门阻断;一种与阀门出口接通，放 出高压介质，连通进出口。所以，主通路由进口管路和出口管路组成， 进出口连接处覆盖柔性闸板。进口处引出一枝管路进入控制部分。控制 部分包括电磁换向阀、压力腔及各处连接管路。电磁换向阀 P 口接进口 引入管，八口接入压力腔，O 口通过管路接入阀门出口。柔性闸板与上 盖板之间形成压力腔。压力腔内为从进口出引入的压力介质，通过电磁 阀的选向控制介质的进或出，来决定作用在柔性闸板上压力的变化。控 制管路有两条:一条连接阀门进口与电磁换向阀 P 口，电磁阀失电时， 辽宁工程技术大学 23 引入压力介质到压力腔;另一条连接阀门出口与电磁换向阀 O 口，电磁 阀得电时，排出压力腔中介质。为保证进入电磁换向阀和压力腔中介质 的清洁度，在进口压力引入的管路中串入过滤器。 3.4.3 工作原理 电磁先导式通断阀要实现的最终目的是:接入排水系统中，按规定 的要求控制管路的通断。根据前述的分析及结构设计，电磁先导式通断 阀是应用流体压力控制原理实现起功能要求。用系统工作过程中建立起 来的介质压力来控制阀门动作。接入系统以后，电磁换向阀处于失电状 态，P 口与 A 口接通，来自阀门进口处的高压介质进入压力腔，作用于 柔性闸板上侧;同时，主通路中介质进入阀体，作用于柔性闸板下侧。 柔性闸板上侧受压面积大于下侧，覆盖在阀体出口上，将进出口截断。 当电磁换向阀得电换向，A 口截止，p 口与 0 口接通，压力腔中介质通 过出口导压管排出，失去压力;柔性闸板下侧压力大于上侧，产生向上 的弯曲变形，将进出口导通，介质能够通过阀门流动。 3.4.4 性能特点 电磁先导式通断阀使用于排水系统中，作为管路控制元件，替代传 统闸板阀门。它没有机械传动，磨损小，使用寿命长。采用介质压力控 制，密封性能良好，提高了工作压力等级，可用于高扬程的排水系统中。 阀门自带精密过滤器，可以在一定程度上用在污水处理系统中。阀门操 作完全使用电控，易于同自动系统联接，实现集中控制。阀门结构设计 紧凑，体积小，重量轻，安装维修方便。 3.5 小结 考虑到井下排水的不同情况，本论文选择了可控闸阀:液控闸阀和 电磁先导式通断阀，它们有不同的应用特点。液控闸阀性能稳定，可控 性强，通流量大，适用于大流量排水系统中。而且，由于通流面积大， 辽宁工程技术大学 24 阀门的使用几乎不受矿井清洁程度的限制。所以，在井水悬浮颗粒多， 污染程度大的排水系统中可以得到很好的应用。电磁先导是通断阀结构 简单，体积小，便于安装维修，控制方便，在小流量，清洁度较高的碱 性矿井水排水系统中，比液控闸阀更为适用。 辽宁工程技术大学 25 第四章 基于 PLC 的泵房自动控制排水系统 4.1 系统情况概述 本系统的数据采集基于PLC 来实现，以操作台来实现对水泵的自动 控制，除每套水泵及相关设备外，还进行就地/集控的转换。各台水泵 以位置为单位相互连接、数据共享，地面统一调度、统一控制，数据传 输使用串联方式，多台水泵相互连接。 电动机的电磁启动器11控制由本系统控制现有设备的启动、停止; 通过电流、电压变送器采集工作电流、电压，且预留故障反馈输入点。 电动闸阀对改造实行高集成度的方案，将闸阀配电部分集成到PLC 隔爆 控制箱内，以减少布线、减少设备、提高集成度。 根据工况设定，以及时间、水位、煤矿用电负荷等参数自动开启、 停止水泵的运转，并能实现泵阀的联锁启动，对运行中的各种参数进行 实时监控，通过接口向上传送数据。水泵运行计量/时间/运行统计:在 地面控制站上应可分别对每台水泵的运行电耗、工作时间等进行统计， 便于管理人员及时掌握每台水泵的工况。控制系统具有较强的抗干扰能 力，并具有汉字显示功能，可自动汉字提示故障信号和系统有关信息。 井下中央泵房现有4 台大型水泵，以及QBRG-400 /6 K 矿用隔爆型交流 高压软启动器2台，按控制器一拖二的智能转换原则，设计了基于PLC 的井下中央泵房自动控制排水系统。自动控制排水系统的原理图见图4- 1 辽宁工程技术大学 26 图 4-1 基于 PLC 的泵房自动控制排水系统原理图 4.2 系统设备