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太原理工大学硕士研究生学位论文 井下排水系统的监测与控制研究 摘要 煤炭行业是我国的支柱产业。煤矿井下排水设备对保证矿井正常生 产起着重要的作用。随着煤炭行业高产高效的发展，井下排水问题更成 为制约煤炭生产的关键因素。 ， 目前国内矿井的排水系统多采用传统的人工进行监测，人工加继电 器进行控制的方法。传统方法控制线路复杂，设备运行的自动化程度低， 可靠性相对较差，工人劳动强度大，排水系统应急能力不足，存在一定 的安全隐患，不适应煤炭工业发展的需要。本文设计了井下排水系统的 监测与控制系统，并提出利用上位机实现地面监控的网络与采用p l c ( 可 编程控制器) 构建成的就地控制系统与地面监控相结合的方式，弥补了 传统继电器控制的种种缺陷与不足，提高了工作可靠性和稳定性，具有 使用寿命长、维护方便可以实现远距离监控的特点。同时使得在全矿务 局同时进行各泵房运行状况查询和在全矿务局内各泵房的危险报警都成 为可能。 据某矿井下实际情况，本文首先对各种排水形式和相关设备进行了 分析和比较，最后选择其中应用较为广泛的一种排水系统形式作为典型， 展开分析和论证，同时根据排水控制的要求，进行自动控制和远程通讯 方面的设计。 太原理工大学硕士研究生学位论文 本课题依据液压传动控制理论的有关原理，在分析现在存在的各种 可控闸阀的基础上开发了一种缸控闸阀，以适应井下排水系统的需要， 解决了井下排水系统中闸阀控制难的问题。这种缸控闸阀可以实现地理 位置较近的几个闸阀的集中驱动和分散控制，适用于在煤矿井下水泵房 有多个相同的闸阀需要控制的场合和其他类似的场合。该种闸阀已经通 过理论计算和仿真验证了其可行性和工作性能，并通过实际应用验证了 其可实现性。 在综合流体力学的有关原理、电气控制的有关理论和利用现代工业 技术的基础上分析了排水系统中需要监控的、能够反映排水系统工作特 征的关键参数，并提出了这些参数检测方法和这些方法的可行性。在对 排水系统中设备需要检测的参数和需要控制设备的共同要求下设计了相 应的电气控制系统。 应煤矿信息化发展趋势的要求，本课题在具备对水泵房排水设备进 行就地监测和控制的基本功能的前提下，利用$ 7 - 2 0 0 系列p l c 作为就地 控制系统的中央控制单元和装有北京亚控公司推出的组态软件( 组态王 6 5 ) 的p c 上位机作为基本硬件，提出基于m o d b u s 通讯协议的总线监 控网络。为实现工作人员能够在地面监控室轻松了解到各个水泵房水仓 水位、电动机工作状态等信息成为可能。 关键词：井下排水，大通径闸阀，自动控制，实时监测 太原理 大学硕士研究生学位论文 s t u d yo nf a rr a n g e 、) i ，a t c h i n g a n dc o n t r o l l i n go fm i n ed r a i ns y s t e m a b s t r a c t c o a lt r a d ei st h ep i l l a ri n d u s l r yo fo u rc o u n t r y t h es e w e r a g el o c a t e di n t h em i n ei sv e r yi m p o r t a n tf o rt h en o r m a lp r o d u c t i o n i nc o m p a n yw i t ht h e h i g h - o u t p u ta n dh i g h - e f f i c i e n c yd e v e l o p m e n to f t h ec o a li n d u s t r y ，t h es e c u r i t y o f t h em i n eb e c o m et h ek e yf a c t o r st h a tr e s t r i c tt h ep r o d u c t i o n a tp r e s e n t , t h em o s tm i n e d r a i n a g ed e v i c e si ni n l a n da r ec o n t r o l l e d t r a d i t i o n a l l yb yr e l a y s ，o p e r a t e db yp e o p l e ，a n dt h es t a t e so ft h ed e v i c e sa r e w a t c h i n gb ym a n ，t o o t h i sm e t h o d , c o n t r o l l i n gd r a i n - s y s t e m , a r ec o m p o s e d b yc o m p l e xc i r c u i t r y , w h i c hh a v em a n yf a u l t s ，s u c ha s ：l o wa u t o m a t i z a t i o n e x t e n t , p o o rr e l i a b i l i t y , w e a k l yq u i c kr e s p o n da b i l i t y , a n dt h i ss t a t u si sn o t m a t c ht h ep a c eo ft h ec o a li n d u s t r y i nt h i st h e s i s ，b a s e d0 1 1t h ec o r r e l a t i v e t h e o r y , o n e s e to ff a r - r a n g i n gw a t c ha n dc o n t r o la u t o - d r a i n a g e - s y s t e mi s d e s i g n e d ，w h i c hi sc o n s i s t e db yf a r - r a n g i n gw a t c ha n dc o n t r o ln e t w o r ka n d l o c a lc o n t r o ls y s t e m , w h o s ec o r ei sp l c ( p r o 粤 a ml o g i cc o n t r o l l e r ) t h i s i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s y s t e mf e t c h e su pt h ef a u l t so ft h et r a d i t i o n a lr e l a yc o n t r o lm e t h o d , e n h a n c e s r e l i a b i l i t ya n ds t a b i 【i t yo ft h ed r a i nd e v i c e t h i ss e to fs y s t e mh a so d e r e m a r k a b l em e r i tt h a tc a nf u l f i l lt h ef a rr a n g i n gc o n t r o la n dl e tt h ep u m p h o u s e si n f o r m a t i o nc a nb ei n q u i r e di na l lt h em i n e r a lo f f i c e s o n e r e p r e s e n t a t i v ep u m ph o u s ei st h ea c t u a li n s t a n c ef o rt h i st h e s i s f i r s t o fa l l ，a f t e rc o m p a r i n gt h et h r e ek i n d so fd r a i n i n gf o r m s ，a n dc h o o s e so n ea s t h em o d e l ，w h i c hi su s e dw i d e l yi nt h ec o a li n d u s t r y ，1 1 1 i ss y s t e ma d o p t st h e s 7 - 2 0 0s e r i o u sp l ca st h ec p uo ft h el o c a lc o n t r o ls y s t e m , h a sa u t oa n d m a n u a lw o r k i n gt y p e s ，a n di s e q u i p p e dt h ef a rr a n g i n gc o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n ， a f t e ra n a l y z i n gt h r e ek i n d so f e x i s t i n gg a t ev a l v e s ，t h et h e s i si n v e n t sa k i n do f h y d r o c y l i n d e rd r i v i n gd r a wg a t e ，a c c o r d i n gt ot h ef l u i dd r i v et h e o r y , i no r d e rt om e e tt h ev a r i o u sr e q u i r e m e n t so f d r a i n a g es y s t e m si nd i f f e r e n t s i t u a t i o n s 1 1 l ei n v e n t i o no fh y d r o e y l i n d e rd r i v i n g d r a w g a t eo f f e r s o n e r e s o l v i n gm e t h o df o rt h ea u t od r a i ns y s t e m 耽eh y d r o c y l i n d e rd r i v i n gd r a w g a t ec a l b eu s e da tt h eo c c a s i o n , t h eu s e dp l a c eo fg a t ei sv e r yc l o s e d , e s p e c i a l l ys o m et h es a m eg a t es h o u l db ed r i v e na tp u m ph o u s ea n dt h eo t h e r at h et h e o r yc o m p u t i n ga n ds i m u l a t i n g , t h ef e a s i b i l i t yw a gp r o v e n , a n dh a s b e e nv e r i f i e db yt h ep r a c t i c ea p p l i c a t i o n ， b a s e do nt h ec o l l i g a t i o no f t h eh y d r o d y n a m i c s ，e l e c t r o d y n a m i c st h e o r i e s a n dt h em o d e mi n d u s t r yt e c h n o l o g y , t h i st h e s i sa d d u c et h en e c e s s a r y i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 p a r a m e t e ro ft h e d r a i ns y s t e mt oa c h i e v et h ed r a i ns y s t e mr o b o t i z e t h e d e t e c t i n gm e t h o d sf o rt h e s ep a r a m e t e r sa n dt h ep r a c t i c eo ft h em e t h o d sh a v e b e e ne x a m i n a t e d ，t o o t h em a t i n ge l e c t r i c a ls y s t e mf o rc o n t r o l l i n gh a sb e e n d e v i s e d a st h er e s p o n d i n gf o rt h ei n f o r m a t i o nd e v e l o p m e n t r e q u e s to fc o a l s ，t h i s t h e s i sb u i l daf a rr a n g ew a t c h i n ga n dc o n t r o l l i n gn e t w o r k , a f t e rm e e t i n gt h e d r a i np r o c e s s i n gl o g i cc o n t r o lf u n c t i o n ，b a s e do nt h eh a r d w a r e ，p l ca n d m i c r o c o m p u t e re q u i p p e db yt h ek i n gv i e w6 5 t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l o f t h en e t w o r ki sm o d b u s s ot h em i s s i o n a r yc a l lg e tt h ei n f o r m a t i o no f t h e e v e r yp u m ph o u s e ，t h ew a t e rl e v e li nt h er e s e r v o i ra n dt h ee l e c t r o m o t o ri ni t ， a tt h ew a t c h i n ga n dc o n t r o l l i n gr o o m k e yw o r d s ：m i n ed r a i r hb i gd i a g r a md r a wg a t e ，a u t oc o n t r o l ， r e a lt i m em o n i t o r i n g v 声明 本人郑重蔗明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送瓷学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩却或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 丑期： 鸯每4 1 日期：加。_ 尘! 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 井下排水系统概述 1 1 1 排水系统的作用 第一章概论 井下排水系统的任务就是把通过各种途径流入矿井的积水排送到地表。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如果不能及时地将这些 积水排送到井上，井下的生产可能受到阻碍，井下的安全得不到保障，严重者会造成 重大事故 为了确保煤矿的安全生产，必须建立完备的矿井排水系统。 1 1 2 排水系统的分类 由于矿井的水文地质条件不同，开拓方式不同，矿井的排水方式也相应的有多种 形式，这种条件决定了排水系统的多样性。 第一种是吸入式主排水泵房。吸入式主排水泵房一般由泵房、吸水井、配水巷道、 水仓( 内仓、外仓) 和泵房通道组成。这种形式的水泵房示意图如图1 1 所示。 第二种是压入式主排水泵房。这种泵房布置在比水仓略低的水平上，利用水仓的 水压使水进泵，这样可以提高水泵工作的可靠性，并可选用高效率、吸水高度低的水 泵；又因无底阀可以减少阻力、降低电耗，还可以自动灌泵又无气蚀现象，可大大提 高水泵寿命。但这种布置方式目前采用不多。因为这种水泵房通风条件较差，积水不 便排除，且需专设运送设备的斜巷、分配水量的分配阀通道等，工程量较大只有当 矿井排水选用高转速( 3 0 0 0 r a d m i n ) 、高扬程、大流量的水泵时，才采用压入式布置 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 方式。在水文条件和地质条件较好时也能选用压入式水泵房。 1 吸水井2 配水巷3 水泵房4 变电所5 外仓6 内仓 图卜1 吸八式水泵房的布置 f i g1 - 1t h ed i s p o s eo f t h es u 硝o i ip u m ph o u s e 2 吸水井2 配水巷 3 冰泵房4 变电所5 外仓6 内仓 r j 图1 - 1 吸八式水泵房的布置 f i g1 - 1t h ed i s p o s eo f t h es u c t i o np u m ph o t b e ：第三种是潜水泵水泵房。潜水泵是一种将泵体潜入水中工作的水泵，并可在地面 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 控制。因此采用潜水泵排水，当遭遇水患时水泵不受淹没的威胁，可延缓矿井被淹的 时间，而有利于进行排水抢救工作，具有安仝性高的优点。另外潜水泵还具有不需灌 水启动，易于自动控制，系统和结构简单，维修量小，可靠性高和效率高的优点。 目前，在我国矿井中广泛存在和使用的是吸入式主排水泵房。因此，本文将这种 水泵房排水系统的检测和控制作为研究的重点。 1 2 国内外研究动态 井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。随着控制理论和现代检测技术 的发展，自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定进步 1 2 1 国内研究工作 国内在优化排水方案、改造排水设备及巷道合理布置等方面做了大量的研究工 作在节能增效方面，我国的广大科技工作者和工程技术人员通过提出一些可行的办 法提高了经济效益。 1 9 9 4 年华东地质学院的李金轩介绍了线性规划模型在基坑井点降水工程优化设 计中的应用。用该方法所确定的降水设计方案，能在确保基坑施工安全的前提下，使 排水工程成本降至最低啪。 1 9 9 4 年兴安矿的唐又驰等人结合矿井实际建立了矿井排水系统模拟模型，并借 助模型分析了现有排水系统的合理性，还对延深水平排水进行多方案模拟，为选择最 优的排水方案提供了依据 1 9 9 6 年邢台矿务局的张凯等人针对邢台矿八采区内断层及节理裂隙发育、涌水 量大、水文地质条件复杂的情况，从经济技术合理角度出发，进行采区排水系统优化 设计，选择合理的方式布置采区放水巷。这对整个采区的采掘衔接和安全生产发挥了 十分重要的作用，并为煤矿老空水害防治提供了一条有效途径阿。 1 9 9 8 年鸡西矿务局二道河子矿王桂荣和哈尔滨煤矿机械研究所王启龙针对鸡西 矿务局设计院设计的排水系统存在的一些问题，简化排水系统、分析水泵与排水系统 的合理配置，并进行了改进，从而达到节省电能的效果，具有可观的经济效益嘲 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 邱集矿井位于山东省齐河县和东阿县境内，由种种原因，形成了边勘探、边设计、 边建设的局面。由此而造成了副井井筒断面小，按传统方式布置永久排水管路，井筒 断面不能满足要求在此情况下，煤炭部充州设计研究院的李树仁借鉴了德国西马克 公司在摩洛哥王国杰拉达煤矿三号井井简装备设计中，利用井壁固定永久管路的设计 技术，成功地在邱集副井净径仅为4 5 m 、装备一对l t 矿车双层罐笼、并设有梯子间 的情况下，布置下了4 趟d n 3 2 5 的排水管。它在缩小井筒净径上的优点是显而易见的， 由此而带来的经济效益也是显著的m 一 。+ 新汉矿务局潘西矿闰家华针对该矿原排水设备老化、效率低、排水能力小，己无 法满足矿井抗灾能力要求的现状，对矿井排水系统进行了改扩建设计，主要内容如 下：1 合理选择工况点；2 采用新型高效泵；3 斜井采用钻孔立管排水；4 采用无底 阀排水；5 采用多管路并联排水。由于设计合理选择主排水设备，使水泵在合理的工 况区内运行，并采用了新型高效泵，斜井采用立孔排水、无底阀排水、多管路并联排 水等方法，系统改造后，不仅节电取得明显效果，同时也提高了矿井的抗灾能力，有 利于矿井的安全生产伽 2 0 0 3 年郑州煤炭设计研究院的张朝晖从安全、经济运行的角度出发，对排水设 备效率进行了分析，提出排水设备选型中，应在保证水泵不气蚀的前提下，以水泵效 率与管路效率乘积最大时为排水设备最佳运行点嗍。 此外，在排水系统的控制方面，国内虽然仍然存在一些问题，但也取得可观的成 绩。 目前国内各矿井多采用传统的继电器控制方法，用人工进行检测( 如人工检测水 仓水位、淤泥厚度、管道、闸阀及配电设备状况等) ，这种检测控制方法效率低，工 人劳动强度大，且由于井下环境恶劣，故障率较高“”“所以靠人工检测的方法已不 适应煤炭发展的需要，取而代之的是自动化排水系统。而达到智能化控制阶段的排水 系统，则将规则控制、模糊控制、神经网络方法、专家系统等智能型的控制方法应用 到设计当中，能够实现实时控制，自动监测排水系统的运行状况，自动进行数据采集、 自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵软启动的自动切换及控制断电等，所得到 的动态资料准确性高，控制的可靠性高。国内的一些研究人员正是看到了自动化排水 系统良好的发展前景，对其进行了深入的研究开发。 ：4 ， 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 9 9 7 年辽宁工程技术大学的付华等人介绍了一种新颖的矿井排水计算机自动控 制系统。山于矿井排水系统属于多变量、非线性、时变的复杂系统，特别是在管道和 水泵等环节中，各变量之间又存在着交叉耦合，因此矿井排水系统非常适合于采用模 糊控制的方法进行动态监测和故障诊断。该系统采用先进的集散式控制方式，建立了 多级模块化的结构体系，提出了多参数的模糊综合决策方法“”。 2 0 0 2 年煤炭工业部邯郸设计研究院王孝颖和兖矿集团鲍店煤矿张丰敏等人提出 采用p l c 自动检测水仓水位和其它参数。根据水仓水位的高低和矿井用电信息等因素， 建立数学模型，合理调度水泵运行，达到避峰就谷及节能的目的。介绍了p l c 在岱庄煤 矿井下主排水控制系统的组成系统的功能和特点及应用状况。“” 随着通讯技术的发展，2 0 0 5 年，北京理工大学的孙东等人提出随着自动化水平 的不断提高，建设无人职守空压站的要求已是一个发展趋势。设计出了可以实现远程 监控和无人职守的空压机自动远程监控系统，且达到良好的检测和控制效果。 国内也有部分煤矿意识到这个问题，尝试采用己研发的自动控制排水系统。经查阅有 关报道发现，由于所采用的自动排水系统与矿井实际情况相脱节，以及系统本身存在 某些缺陷，导致排水设备运转不理想，甚至不如人工控制效果好。国内少数安装了自 动排水设备的矿井均己将其拆除或闲置，转为人工操作，造成极大的浪费。因此需要 针对国内外研究现状，结合井下实际情况研制出一种成本运行可靠性高的自动化排水 系统，将其纳入整个矿山自动化体系之中 1 2 2 国外研究动态 国外特别是俄罗斯的科研人员对矿井排水的各个方面进行了大量的研究。 为了提高矿井排水设备运行的经济性，必须对水泵的使用期和管道的清理周期进 行优化。俄罗斯国立莫斯科开放大学技术科学副博士b b 马祖连科依据费用相等的 原则，推导出水泵最佳使用期和管道清理周期的两种形式相似的计算公式。详细介绍 了优化式的求解程序、有关参数的计算方法，以及不同使用期的水泵实际流量的测量 方法等。论文中推荐的优化方法即使在通货膨胀条件下仍能保持其正确性，因此具有 实用价值。“” 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 矿井排水设备是矿山企业主要的用电设备之一，节能工艺的运用方针，要求在排 水设备的设计和使用阶段，都进行能耗估算。俄罗斯莫斯科对外开放大学技术科学副 博士b b ，马祖连科介绍了作为排水设备主要类型的离心泵的能耗估算方法，以及 离心泵工况点经修正后的能耗估算方法并以北乌拉尔铝土矿和斯塔哈诺夫煤炭生产 联合公司为例。具体介绍了几种工况点经修正后的离心泵能耗估算情况“5 1 此外，一些矿产资源丰富的国家，在将自动化技术引进矿业生产中方面，取得了 突飞猛进的成就。加拿大提出了数字化矿山的概念，建立综合信息基础框架，使全体 开采过程与集成化支持系统连成网络：大力发展生产监控方面的传感技术，减小排水 设备的自动控制和监测的误差；还要发展遥控机器人和全矿机器人技术。芬兰采矿工 业则发布了智能化矿山技术项目，目标是实现实时资源管理和生产控制；全矿范围的 信息网络；新型机器和自动化；以及生产及维护的自动化。俄罗斯则针对矿山设备的 研制，提出了采用以微处理技术为基础的自动控制和故障诊断系统以及保护和安全操 作系统“ ” 虽然这些国家没有将排水设备的自动化单独进行研究，但他们将这一方面的内容 列入了矿山整体自动化的规划之中，将所有的控制信息包括水泵的运行都集中给中心 控制室，进行统一控制无论是发展传感器技术，还是建立统一的通信网络，都关系 到自动排水系统的发展。 1 3 选题的目的和意义 1 ，3 1 井下排水系统存在的相关问题 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 的起停操作和判断包括射流泵( 或真空泵) ，真空表示数的观测，水泵机组的启动， 水泵出口压力表示数的观测，闸阀的开关过程，完全依赖于工人的经验和已有的操作 规程。 。 、 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 因此现有井下排水系统存在的主要问题在于对人的依赖性太大，不适合矿井现代 化的要求：操作工序复杂，工人的劳动强度过高：存在安全隐患，容易损坏某些部件： 控制的主观性太强，不利于降低煤矿企业的运行成本。 国内的科研工作者在理论研究和设计方面也作了大量的工作。结合离心式水泵 特性研究的多种控制方法在不同地区得到应用。大多工作集中在水泵闸阀的设计与控 制系统的改进方面。 尽管国内外研究者在井下自动排水系统的研究中取得了很多成果和一些进步， 但仍存在有待解决的问题和不足。 可排水系统不能集中监控是矿井普遍存在的实现难题 煤矿设备监测在煤矿安全生产中有着极其重要的意义现有矿井监测系统软件 均是与系统配套开发而成的，而这些系统均是针对某一特定的监控对象( 环境安全、 提升运输、供电系统等) 而开发，其监控软件互不兼容，难以遥用，更难以实现集中 综合监控。目前，矿井监测软件系统中对信息的处理，大量采用数据及表格的形式， 很难形象、动态而直观地显示出被监测对象的实际工作状态。 毒随着计算机技术、网络技术、信息技术的发展，煤炭企业的i n t r a n e t 网络正在 逐步的建立起来，采用具备i n t r a n e t 接入功能、组态简单、显示直观、使用方便的 新型组态软件对煤矿生产实现网络化集中监测，对任何不安全因素随时进行报警，这 在煤矿安全生产中具有重要意义和广阔的应用前景。排水系统的远程集中监控也应随 之建立和发展起来，但是国内在这方面鲜有报道。 ， 控制策略问题 矿井涌水是复杂的现象，受多种随机因素的影响，很难准确预测所以，根据涌 水量大小建立排水系统数学模型，并选择合适控制策略很困难。因此，现有的自动排 水系统多是采用简单的水位开关控制方法，使问题简化在处理复杂的排水问题时， 这种控制方法显然不能满足需要。 可控闸阀研究是自动排水系统研究的一项重要任务 目前，在相关领域的研究中，以电动闸阀为主，在手动闸阀机构的基础上增加电 机驱动和减速装置，使闸阀能够自动控制。但这样以来，机构更加庞大和复杂，运输 安装极为不便。而且防爆型电动闸阀体积庞大，价格昂贵。例如仅d n 2 5 0p n 2 5 的电 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 动闸阀重量将近1 吨! 而且这样的闸阀还存在一些其他的问题，如要在电网意外停电 的情况下紧急关闭闸阀需要配置相应的充电、储电、放电设备，这些设备中个别大体 积部件无防爆型，如增加隔爆措施，造价过高。除此之外还有，闸阀开启速度调节困 难；配套外部电气系统相对比较简单，但是在井下特殊环境中进行检修比较复杂。 也有一些设计方案从液压、机械等方面考虑，设计传动及控制机构，取得一定成 果，但难以解决复杂性、可靠性及矿井环境适应性等问题仍然需要慎重考虑和妥善解 决。 。 排水系统工作过程中，需要进行监控参数的数量的确定虽然传感器技术发展 极为迅速，适用于煤矿井下的传感器的种类和性能也得到了扩展和提高，但是在自动 控制系统中传感器的数量不可能无限制的增多，因此要做到监控参数的合理和经济。 在这方面，国内很少见有相关报道。 1 3 2 选题的主要意义 据统计，每开采1 吨煤就要排出2 7 吨矿井水，有时甚至要排出3 0 - 4 0 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1 8 4 1 ，一般为2 0 左右i 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) ，有很大的提高空间，因而具有十分重要的意义。 据统计，水泵房采取节能的排水方法，一年可以减少用电几百万度，直接节省 开支几十甚至上百万元。在实现水泵房无人职守，少人巡检并实行地面监控的情况 下减少水泵房的人员投入、改善工人工作环境的同时，再考虑到由于排水系统监测 环节的完善进而延长设备使用寿命、减少由于检查修理设备而延误的产值和花费的 人力物力，本课题的经济效益和社会效益将更加可观。 1 4 本课题所做的主要工作 针对目前国内煤矿中排水系统存在的问题和不足，本课题用成熟的水位检钡l 监 控技术代替传统的人工监控，用现代p l c 控制系统代替目前存在的继电器控制系 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 统，并提出用现代化的通讯技术和组态技术实现各排水系统的集中和远程监控的现 代化排水系统。本课题研究的主要内容为： 1 ) 在分析现在国内煤矿井下普遍使用的排水系统基础上，提出适用于吸入式排水系统 的就地自动控制系统： 2 1 提出一种适合与各种水泵房使用尤其适合高扬程水泵房使用的，能提高排水装置抗 水锤能力的缸控闸阀； 3 ) 虽然传感器技术发展极为迅速，适用于煤矿井下的传感器的种类和性能也得到了扩 展和提高，但是在自动控制系统中传感器的数量不可能无限制的增多，本课题在对 排水系统的各个关键的参数进行理论上的分析的基础上，给出经济实用的监测手段 和方法； “ 4 ) 根据排水系统的控制要求进行p l c 软件和硬件设计，达到避峰就谷的目的； 5 ) 在设计就地控制系统的监控报警系统的基础上，利用现有的网络技术和通讯技术， 提出地面监控报警系统通讯网络的构想以供探讨。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章就地自动排水系统的结构及工作原理 2 1 手动排水装置实际工况与排水过程 2 1 1 矿井手动排水装置的组成与特点 吸入式水泵房的排水装置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2 - 1 所示。 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 5 m 。其作用是防止 并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 空泵为水泵和吸水管注水。 一 闸阀 调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止阀的下方。其功 用为： i 调节水泵的流量和扬程； i i 起动时将它完全关闭，以降低起动电流。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 ，图2 - 1 离心式排水设备的示意图 ，f i g 2 ll a y o u to f t h ep u m p i n gh o u s e f 。l 一离心式水泵；2 一电动机；3 一启动设备；4 一吸水管：5 一滤水器、底闽6 一闸阀； q 7 一逆止阀；扛- 真空表；9 压力表；l 旺前流泵；1 1 一放水管路；1 2 嘈压水管路 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 射流泵( 或真空泵) 现在为了提高水泵的效率，排水系统中大都使用无底阀水泵 太原理工大学硕士研究生学位论文 离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵壳内注满水才能进入运行状态，否则水泵 转动时将无法吸水，形成“干烧”，严重影响水泵的使用寿命。在无底阀排水系统中， 水泵每次起动都要向水泵和吸水管中灌引水，这一工作由抽真空设备完成，一般使用 射流泵或真空泵。它们的工作原理不同，但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真 空度，保证系统正常工作。 ， 压力表和真空表 一 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。压力表所测出的 压力叫做表压力或相对压力，它比绝对压力小1 个大气压。 真空表安装在水泵的吸水接管上，为检侧吸水管的真空度用。真空表的测量范围 为0 - , 0 1 m p a ( 一个大气压) 。 矿井排水系统在组成和选型上又有一定的特点。这些特点表现在： 。 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p h 值小于5 时，就必须采用耐酸 泵等防酸措施。 由于矿井排水系统周围有浓度高易燃易爆气体，矿井排水系统中的各个部件都应 选择隔爆的电气元、部件。有条件的情况下应该选择本质安全的带电元器件 由于矿井排水系统处于湿度大、检修不便的环境条件下，电动机、继电器等电器 元件应该选择防潮效果好、安全级别高的产品。【l 】 4 一 2 1 2 手动排水系统的排水过程 ( 1 ) 启动前的检查与准备工作 为了保证启动的安全，在启动前应该进行全面检查的内容如下： 用手盘车时转动是否灵活，有无摩擦的声音； 油圈是否灵活正确，油量是否充足，油质是否干净； 填料压盖的松紧程度是否合适； 地脚螺栓是否牢固； ， 真空表和压力表指针是否指向零位； 闸阀的开启和关闭是否灵活，并将其全部关闭以降低启动电流 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 启动 水位上升到高度上限： 开启射流泵给离心泵自动注水( 抽真空) ； 真空表示数达到规定值，启动水泵的驱动电机； 离心式水泵出口处压力表示数到达规定值，操纵闸阀缓慢打开，并关闭射流 泵。 ( 3 ) 停泵 水位达到水位下限，或其他原因需要停车； 慢慢关闭闸阀，使得水泵逐渐进入正常排水状态； 切断电源，停止电动机。 注意：水泵电机启动后，电动机达到正常转速时，再慢慢打开闸阀，此时电流表和 真空表的读数应该逐渐增加，而压力表的读数应该逐渐变小。 为避免水泵发热，在关闭闸阀时的运转不能超过3 分钟。 再启动后经过几分钟，须检查水泵轴承、填料箱和电动机的温升当某一部 件温升很高时应立即停泵查明原因。 ， 2 2 就地自动排水系统的工作原理 由于煤矿井下的特殊环境对煤矿排水系统的可靠性和使用寿命等方面提出要求， 煤矿井下排水泵房必须要实现无人职守的情况下实现自动化排水。为达到这个目的， 应该在依据控制理论、各种仪器和设备条件，充分分析排水过程中可以实现自动化检 测、控制的环节的基础上设计和运行就地自动排水系统。 2 2 1 手动排水装置中可以实现自动化的环节 监控系统可概括为五个环节：即自动注水环节、自动闸阀操纵环节、水位自动监 控环节、故障保护环节及电动机的自动控制环节。图2 - 2 为水泵房排水管路示意图 1 ) 自动注水 、 。 。 水泵只有在其叶轮完全淹没于水中的情况下，泵体内部在叶轮旋转的情况下才能 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 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 转动部件烧坏等故障。系统一般采用真空泵或射流泵抽真空，由真空表监测真空度， 电流、水泵出口流量作为监测真空度的后备。其水泵房射流管路如图2 - 2 中细实线所 一 。 不 图2 - 2 水泵房排水管路示意图 f i g , 2 - 2t h ew a t g l c o n d u i ts c h e m a t i cp l a no f t h ep u m ph o u s e 图2 - 3 自动注水的实现 f i g 2 - 3t h ea c h i e v e m e n to f a u t o - f l o o d i n g 实现自动化的方式可以使用。水介质两位两通电磁阀”替代手动的水介质闸阀来 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 实现。其原理图如图2 3 所示。 2 ) 闸阀操纵 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，最后停车。 为实现闸阀的自动动作，必须研制适合井下使用的自动闸阀。目前，在相关领域 的研究中，以电动闸阀为主，这种自动闸阀的缺点前已述及。这个问题将在本文的后 面部分专门阐述。 3 ) 故障保护 a 流量保护：当水泵启动后或正常运行中，如果水泵流量达不到正常值，流量保 护装置使本台水泵停车，转为启动另一台水泵； ， ， b 电动机故障：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，反馈监视信号给p l c 并参与控制； c 自动闸阀故障：自动闸阀配套液压系统上的流量表和压力表结合水泵出口流量 保护装置的信号，由中央处理器判断自动闸阀的运行状态。检测和控制自动闸阀的状 态。 4 ) 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p l c 、中问继电器及接 触器等组成，前3 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。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 而不能投入使用以至影响矿井安全，该环节按照轮换工作制来控制，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；当某个水泵机组或其所属阀门故障、所属抽真空装置故障或检修时， 该泵退出轮换，其余各泵仍按轮换工作制运行。 5 ) 水位的自动监控与反馈 。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。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。可以选用的水位传感 器有两种。第一种超声波液位传感器，第二种是投入式液位传感器。前者具有高精度、 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后者最鲜明的特 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 点是价格低廉。 2 2 2 就地自动排水系统的结构 自动排水系统的根本原理是利用可编程控制器的数值计算、逻辑计算功能对系统 的工作状态进行判断，最终利用其f o 点对水泵电机、液压站电机、电磁换向阀等设 备进行操纵最终实现排水系统的自动运行。整个排水的工作过程是模仿人工操作过程 进行控制。但是又与人工操作的排水装置不完全相同。另外，自动排水系统还可对有 些人工无法量化测量的参数如水泵流量进行“观测”。 就地自动排水系统与人工操作的排水装置有相似之处，还有许多不同之处。其结 构上所不同的是将人工排水装置中用于人工操作的调节闸阀替换为适于自动控制的 缸控闸阀，以及仪表等供人工读取参数的设备改换为p l c 可以识别的数字信号即 在原有的排水装景上增加了液位传感仪、总流量传感仪、用于自动引水的电磁阀、与 可控闸阀相配套的液压站、装有p l c 的电控装置其结构示意图如图2 _ 4 所示。 1 液压站2 缸控闸阀3 电磁换向阀一手动换向阀组4 液位传感器5 逆止阀6 电磁流量计 图2 - 4 就地自动排水系统结构示意图 f i 9 2 - 4l o c a lc o n t r o ls y s t e ms k e t c hm a po f t h ea u t o - - d r a i ns y s t e m 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 3 就地自动排水系统的工作过程 就地自动排水系统虽然是对人工排水装置的改进，基本上可以摆脱人工的干预， 但是其基本原理上与人工排水装置相类似。自动排水系统是用p l c 的逻辑的数值、 计算的软功能和接通电气回路的硬功能相结合来取代传统的人工排水装置中需要人 工判断和干预的操作。因此，自动排水的工作过程与人工排水装置在人的操作下的工 作过程相仿。 就地自动排水系统的工作过程与人工排水系统的工作过程在语言描述上比较繁 琐，这主要是因为p l c 内部的逻辑决策过程相对来说比人工操作过程中相对复杂。 但是，这些逻辑决策对于专长于逻辑控制的p l c 而言是非常容易实现的。 1 ) 水泵的启动 当水位传感器在线检测到水位的高度，中央处理单元p l c 接收到这个水位的高 度并与预先设定的需要排水的高度进行对比，判断是否需要开启排水设备( 水泵) 来 控制水仓水位在