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浙江工业大学硕士学位论文 矿井排水系统设备及控制改造的研究 摘要 矿井排水系统是矿山五大系统之一。矿井排水系统运行的好坏直接关系到矿山安全 生产和经济效益，因此，一套完善、操作方便、经济、实用的控制系统对其进行监测和 控制是保障矿井排水安全、可靠运行的最佳途径，也是提高矿山管理和自动化水平的有 效手段。 本文根据某矿山排水系统的改造项目的要求，分析和比较了各种排水形式和相关设 备，同时根据自动排水系统的实际应用要求和将来的发展趋势，进行自动控制和远程监 控设计。本文的主要工作和成果如下： 1 根据对排水系统自动控制和可靠运行的要求，对矿井排水系统自动控制的整体 结构和软、硬件进行了设计，实现“避峰就谷”和其他基本的控制要求。 2 对管道的关键辅件进行了功能研究和探索，采用真空贮水桶自动引水，采用多 功能水泵控制闸阀取代逆止阀、水锤消除器、电动阀，在旁通管安装一只电动阀门实现 自动注水，提高了水泵的排水效率，同时也保障水泵能安全、高效地运行。 3 分析研究了井下自动排水系统中需要检测的特征参数及检测方法。 4 通过以太光纤环网实现p l c 与上位机之间的数据通信，选用m c g s 组态软件作 为上位机软件实现对排水系统的远程监控。 本次改造根据某矿山的技术现状，设计了一套适用于非煤矿井排水的自动控制系 统，实时监测排水系统各项运行参数，自动控制水泵的运行。本方案考虑在保证系统工 作的稳定性、可靠性的前提下节约成本，且最大限度地满足现场的实际需求，对保证井 下安全和设备经济运行有重大意义，也为同类企业在改进自身的控制系统时提供借鉴。 关键词：矿井排水，控制系统，改造，p l c 浙江工业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho ft h en f ed ra l n ag es y s t e m e q u i p m e n t c o n t r o lr e f o r m t h eu n d e r g r o u n dd r a i n a g es y s t e mi so n eo ft h ef i v em i n e s y s t e m s a st h eq u a l i t yo ft h i s s y s t e mi sr e l a t e dt ot h es a f e t ya n de c o n o m i cb e n e f i t so fm i n e sd i r e c t l y ，u s i n gap e r f e c t ， e a s i l y - o p e r a t i n g ，e c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lc o n t r o l l i n g - s y s t e mt om o n i t o ra n d c o n t r o li t , i st h e b e s tw a yt om a k es u r ew h e t h e rt h eu n d e r g r o u n dd r a i n a g er u n n i n gw e l lo rn o t a n di ti sa l s o t h ee f f e c t i v em e a n so fi m p r o v i n gt h em a n a g e m e n ta n da u t o m a t i o no f m i n e s b a s e do nt h ei m p r o v i n gp r o j e c to fo n em i n e 。sd r a i n a g es y s t e m ，t h et h e s i sa n a l y z e sa n d c o m p a r e sv a r i o u sd r a i n a g ef o r m so fd r a i n a g ea n de q u i p m e n t s ，a l s od e s i g n st h ec y b e m a t i o n a n dr e m o t em o n i t o r i n g ，a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t sa n df u t u r et r e n d s t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i ss h o w sa sf o l l o w s ： 1 d e s i g n i n gaw h o l es t r u c t u r ea n ds o f t w a r e ，h a r d w a r eo ft h es y s t e m ，s o l v i n gt h ep r o b l e mo f a v o i d i n gt l l ep e a l 【v a l l e y ，a n dm e e t i n go t h e rb a s i cc o n t r o l l i n gr e q u i r e m e n t s ，a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so ft h ea u t o m a t i cc o n t r o la n d r e l i a b l eo p e r a t i o no ft h ed r a i n a g es y s t e m 2 m a k i n gar e s e a r c ho nt h ef u n c t i o no ft h ei m p o r t a n ta c c e s s o r i e sw i t hp i p e l i n e s ，u s i n g v a c u u mt a n k st od r a ww a t e ra u t o m a t i c a l l y ，a n du s i n gt h em u l t i f u n c t i o n a lp u m pc o n t r o lv a l v e t or e p l a c ec h e c kv a l v e ，w a t e rh a m m e re l i m i n a t o r , e l e c t r i cv a l v e ，a n di n s t a l l i n gae l e c t r i cv a l v e o nt h eb y p a s sp i p et or e a l i z ew a t e r i n ga u t o m a t i c a l l y ，i m p r o v i n gt h ed r a i n a g ee f f i c i e n c yo f p u m p s ，a l s oe n s u r i n gt h es a f e t ya n d e f f i c i e n tf u n c t i o n 3 a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f t h eu n d e r g r o u n dd r a i n a g es y s t e mw h i c hn e e d st o d e t e c ta n dt h ed e t e c t i o n m e t h o d s 4 r e a l i z i n gt h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n dp ct h r o u g he t h e r n e tf i b e ro p t i cr i n g n e t w o r k ，a n du s i n gm c g sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ep cs o f t w a r ef o rr e m o t em o n i t o r i n go f t h e d r a i n a g es y s t e m t h i si m p r o v i n gp r o j e c tb a s e do nt h ep r e s e n tt e c h n i c a ls i t u a t i o no ft h em i n e ，d e s i g n st h e a u t o m a t i cc o n t r o l l i n gs y s t e mu s i n go nn o n - c o a lm i n e su n d e r g r o u n dd r a i n a g et o r e a l - t i m e m o n i t o rt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h ed r a i n a g es y s t e m ，a n dc o n t r o lt h eo p e r a t i o no fp u m p s a u t o m a t i c a l l y t h ep r o j e c tp r o g r a m st oc o n s i d e ri ns a v i n gc o s tu n d e rt h ep r e m i s e o fe n s u r i n g t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，a n ds a t i s f y i n gt h ea c t u a ln e e d s i th a sg r e a t s i g n i f i c a n c e so ne n s u r i n gt h es a f e t yo fu n d e r g r o u n da n de c o n o m i co p e r a t i o no ft h ed e v i c e ， a l s op r o v i d i n gar e f e r e n c ef o rs i m i l a re n t e r p r i s e si ni m p r o v i n gt h e i rc o n t r o l l i n gs y s t e m s k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dd r a i n a g e ，c o n t r o l l i n gs y s t e m s ，i m p r o v e m e n t ，p l c n 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 矿山的井下排水系统是矿山生产中的一大重要系统，其安全性及可靠性将直接影响 生产的安全和效率。随着安全生产要求的不断提高，对矿山排水系统的自动化控制也提 出了越来越高的要求。在矿山的建设和生产过程中，各种来源的水不断涌入矿井，这些 涌入矿井的水被称为矿水。为了保证井下工作人员的人身安全、设备安全、生产活动的 正常进行，必须把矿水及时排送至地面，这是矿井排水设备的主要任务。 1 2 矿井排水系统概述 排水系统是矿井安全生产必不可少的重要装置之一，它随着矿井产生直至报废为 止，这就要求排水装置必须能够安全可靠地运行。除外，由于排水系统的耗电量占全矿 总耗电量比重也非常大，因此保证其经济、合理地运行也有非常重要。 1 2 1 并下水的来源及危害 矿水的来源主要有地表水、地下水、大气降水、充填水、溶洞水、作业用水、老空 积水等。 地表水：地表水包括江河湖海、池沼、水库等。当开采位于这些地表水影响范围内 的矿体时，在适当的条件下，这些水便会涌入井下巷道； 地下水：有些矿体本身存在较大的空隙，其中充满了地下水，在矿体开采时，这些 水便会直接流入井下巷道； 大气降水：大气降水往往是矿水的主要来源，它除了被蒸发和随河流流走的一部分 以外，其余则沿岩层的孑l 隙和裂隙进入地下，或者直接进入矿井。大气降水渗入量的多 少，和各个地区的气候、地形、地质构造等因素都有关系【l 】； 充填水：采用充填法采矿的矿山，将7 0 - 8 5 浓度的砼砂浆或全尾砂，用管道输送 至井下采空区充填时随充填介质一起充下的水； 浙江工业大学硕士学位论文 老空积水：古代和近期的采空区以及废弃巷道，由于长期停止排水导致地下水聚集 当采掘工作面接近它们时，这些水便会涌入井道。 矿井的涌水量与地质条件、气候、开采方法等因素有关。一般来说，雨雪季节涌水 量最大，称为最大涌水量；其余季节涌水量变化不大，称为正常涌水量。当矿井遭遇突 然的大量涌水冲击时，要求矿井必须具备紧急排水、恢复生产的能力。 矿水有可能会造成巷道积水、空气的湿度增高、顶底板淋水破碎冒落，这将容易引 起工伤事故的发生；由于矿水的存在，生产中必须进行排水，排水量越大，费用越高， 这也增加了开采成本；矿水对各种金属设备都有腐蚀作用，大大缩短了设备的适用寿命； 矿井一旦发生突水，如果防水措施做不到位，轻则会淹没采掘工作面，重则将会淹没矿 井，严重威胁井下工人的生命安全，国家、企业的财产也将蒙受重大损失。 1 2 2 矿井排水设备分类 矿井排水设备分为固定式排水设备和移动式排水设备两种。固定式排水设备固定安 装在泵房内，根据其服务范围又分为主排水设备( 负责把全矿或大部分矿水排至地面) ， 区域排水设备( 负责把区域的水排至地面，有时沿专用钻孔排至地面) 和辅助排水设备 ( 负责把下一个开采水平的水排至主排水设备的水仓) 。 移动式排水设备用于掘进或淹没坑道的排水，它可随水位下降而移动。 排水设备是矿山大型设备之一，为保证矿井的正常生产，要求排水设备必须安全、 经济、合理、可靠。 对固定式排水设备的要求： ( 1 ) 必须有工作水泵、备用水泵和检修水泵。工作水泵的选型标准是：能在2 0 小 时以内排完井下一昼夜产生的正常涌水量；备用水泵的选型标准是：水泵流量应不小于 主排水泵流量的7 0 ；i 作水泵和备用水泵的选型标准是：总流量必需能在2 0 小时内 排完井下2 4 小时产生的最大涌水量。考虑到设备检修时备件的通用性、互换性、以及 采购的经济性，通常主泵与备用泵均选择相同型号的泵1 2 】。 ( 2 ) 排水管道的选择与布置和水泵的要求相同。工作水管和备用水管不能共用一路 水管，必须分路架设。主排水管和备用排水管相加的排水通过能力应不小于2 0 小时内 排完矿井2 4 小时产生的最大涌水量。 ( 3 ) 供、配电设施的能力应同水泵站的总装机容量相匹配，主排水设备的供电线路 不得少于两条回路，每一条回路应能担负全部符合的供电。 2 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 主要泵房至少有2 个出口，一个出口用斜巷通向井筒，并应高出泵房底板7 m 以上；另一个出口通向井底车场。泵房和水仓的连接通道，应设置可靠的控制闸阀。 ( 5 ) 水管、水泵、闸阀和排水用的配电设备等都必须经常加以检查和维护。 对移动式排水设备的要求： 水泵应适合流量变化不大而扬程有较大变化的需要，有较好的吸水能力，以保 证将水疏干。 在垂直泵轴平面上的外形尺寸应较小，以适应在横断面较小的巷道工作；还应 做到能够方便而迅速地移动。 1 2 3 矿井排水设备的组成 矿井排水设备一般由水泵、电动机、启动设备、管路以及管路附件、仪表等组成， 如图1 1 所示。 图1 1离心式排水设备示意图 l 启动设备；2 - 电动机：3 离心泵；4 - 一引水漏斗：蝴气栓；6 一调节闸阀：7 二逆止阀；蛳力表：9 一 放水闸阀；l o 旁通管；1 l 真空表；1 2 滤水器。 水泵内的叶轮是向水传递能量的主要部件，以提高水的能量，排出矿水。 浙江工业大学硕士学位论文 电动机是驱动设备，通过联轴器和泵轴相连，带动装在泵轴上的叶轮转动，矿水通 过管路排至地面。 滤水器安装于吸水管末端，位于水仓水面下大于0 5 米处。其作用是防止水中杂物 进入泵内。一些滤水器中还装有舌型底阀，底阀是用以防止灌入泵内和吸水管内的引水 以及停泵后的存水漏入吸水井内。 调节闸阀安装在靠近水泵的出水管上，用来调节水泵的流量和扬程。其优点是启闭 压力和流动阻力小，方便调节水泵工作流量和扬程；缺点是由于阀门开关动作频繁致使 阀内密封面容易擦伤、密封性降低；闸阀的尺寸很大，结构也较为复杂，导致其安装、 维修都非常不方便。 逆止阀又称止回阀，安装在水泵出口附近的出水管路上，是单向阀。其作用是当事 故停泵来不及关闭闸阀时，逆止阀迅速关阀，截断水流，以防止“水锤”的产生，或水 倒流致使叶轮反转损坏水泵。 旁通管跨接在逆止阀和调节闸阀两端，水泵启动前，可用排水管中的存水向水泵充 灌引水。 引水漏斗用来充灌引水，放气栓用以在充灌引水时排出水泵内的空气。 放水管用以在检修水泵和管路时把排水管中的存水放入吸水井。 压力表用来检测水泵出口的压力。真空表用来检测水泵入口处的真空度，防止水泵 发生汽蚀。在启动离心式水泵前，要将压力表和真空表表管上的旋栓关闭，以防止压力 水冲击。当水泵起动后达到额定转速时，再将旋栓打开，进行压力和真空度检测【3 1 。 1 3 国内外研究现状 随着控制理论和现代化检测技术的发展，自动排水控制系统的研究取得了长足的进 展。在水泵实际应用过程中，由于选型不当、管道设计不合理、维护检修不当、流量和 扬程变化较大等因素，会影响其在最佳工况运行。为提高矿井排水设备运行的经济性， 国内外科研工作人员多年来针对矿井排水系统的要素进行了大量的研究。俄罗斯的马祖 连科副博士研究、推导出了水泵的最佳使用期和管道清理周期的优化式。 水泵是国民经济生产活动中大量使用的电动机驱动设备，因此水泵的节能问题也非 常重要。马祖连科副博士对离心泵的能耗估算方法也进行了介绍，指出了离心泵的工况 点经过修正后的能耗估算方法。 除此之外，在一些矿产资源丰富的国家，信息化的发展在矿山的应用中也发挥了越 4 浙江工业大学硕士学位论文 来越重要的作用。加拿大提出数字化矿山的概念，建立了综合信息基础框架，将所有的 开采过程与集成化支持系统联结；大力发展传感、遥感和机器人技术；减小排水设备的 自动控制和监测的误差。芬兰发布智能化矿山技术项目，以实现实时的矿产资源管理和 生产控制。俄罗斯针对矿山设备，提出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。 国内的工程技术人员在优化排水方案、改造排水设备、合理布置巷道等方面也做了 大量的工作。不仅在节能方面取得明显成果，而且同时也提高了矿井的防灾抗灾能力， 保障了矿井的安全生产。在排水系统的控制方面，一些研究人员把模糊控制、规则控制， 神经网络方法等智能化控制理论运用到矿井排水系统设计当中，实现对排水系统的实时 控制。自动监测系统的运行状况，自动采集数据、故障报警、事故分析以及多台水泵软 启动的自动切换及断电等，提高了资料的准确性，控制的可靠性和效率f 4 l 。 1 4 研究目的及意义 在矿井的建设和生产过程中，随时都有各种来源的水涌入矿井。为确保矿山安全生 产，排水设备必须及时把这些井下涌水排到地面。在矿井发生突然涌水事件或在恢复被 淹矿井时，首要任务是抢险排水。 矿井排水系统是矿山五大系统之一。矿井排水系统运行的好坏直接关系到矿山安全 生产和经济效益，因此，一套完善、操作方便、经济、实用的控制系统对其进行监测和 控制是保障矿井排水安全、可靠运行的最佳途径，也是提高矿山管理和自动化水平的有 效手段。 本次改造根据某矿山的技术现状，考虑在保证系统工作的稳定性、可靠性的前提下 节约成本，且最大限度地满足现场的实际需求，设计了一套适用于非煤矿山井下排水的 自动控制系统，实时监测排水系统各项运行参数，自动控制水泵的运行，这对保证井下 安全和设备经济运行有重大意义，也为同类企业在改进自身的控制系统时提供借鉴。 1 s 主要内容及章节安排 本文结合某矿实际情况，针对目前矿山井下排水系统中存在的问题，结合国家安全 监管总局制定的金属非金属地下矿山安全避险“六大系统”安装使用和监督检查暂行 规定，考虑到综合自动化系统的实际应用要求和将来的发展趋势以及各系统的具体使 用特性，对现有排水设备进行了自动化改造，设计了一套矿井排水自动控制系统。 浙江工业大学硕士学位论文 课题主要的研究内容有： ( 1 ) 根据对排水系统自动控制和可靠运行的要求，对矿山井下排水系统自动控制的 整体结构和软、硬件进行了设计，实现“避峰填谷和其他基本的控制要求。 ( 2 ) 对管道的关键辅件进行了功能研究和探索，采用真空贮水桶自动引水，采用多 功能水泵控制闸阀取代逆止阀、水锤消除器、电动阀，在旁通管安装一只电动阀门实现 自动注水。 ( 3 ) 分析研究了自动排水系统中需要检测的特征参数及检测方法。 ( 4 ) 通过以太光纤环网实现p l c 与上位机之间的数据通信，选用m c g s 组态软件 作为上位机软件实现对排水系统的远程监控。 本论文章节安排： 第一章、绪论主要分析了矿井水的来源，研究了国内外矿井设排水设备的研究现 状，阐明了本课题研究的目的和意义，最后给出了本论文研究的主要内容及章节安排。 第二章、矿井排水设备及控制改造方案主要结合了矿井排水系统的目前情况，充 分根据设计原则，设计了一整套井下自动排水系统改造的具体方案。改造后的井下自动 排水系统以欧姆龙p l c 为操作控制中心，实现对排水系统的工艺控制和安全保护。 第三章、管路附件的选择与设计通过分析汽蚀的危害及水锤的防止，对管道的关 键辅件进行了功能研究和探索，采用真空贮水桶自动引水，采用多功能水泵控制闸阀取 代逆止阀、水锤消除器、电动阀，在旁通管上安装一只电动阀门实现自动注水，提高了 水泵的排水效率，同时也保障水泵能安全、高效地运行。 第四章、自动排水系统的特征参数及检测措施分析研究了井下自动排水系统中需 要检测的特征参数及检测方法。 第五章、p l c 控制柜方案设计及理论分析介绍了p l c 的基本功能及特点，详细 说明了本系统p l c 的电气原理图、硬件设置及软件设计。 第六章、总结与展望针对排水系统的高可靠性，系统采用以太环网与光纤传输技 术相结合来保证p l c 与上位机之间的通信。上位机软件选用昆仑通态的m c g s ，p l c 通过通讯接口与电脑进行全双工通讯，实现了排水系统的无人值守和远距离监控。 第七章、控制系统与上位机的通讯主要总结了笔者在该论文中所做的主要工作， 展望了以后本课题还待改进和完善的地方。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章矿井排水设备及控制改造方案 2 1 矿井基本情况 2 1 1 目前情况 某矿是1 9 7 0 年设计1 9 7 1 年投产的的一个老矿井，坚井开采。井口海拔标高1 1 5m ， 分五个水平层采矿。井下涌水量较大，全矿2 4 小时正常排水量为1 4 0 m 3 h ，雨季2 4 小 时最大排水量为2 8 0 m 3 h ，主水泵站设在1 0 0 m 水平。水仓设计一主两副，副水仓设计 二座的作用是可以轮换沉淀和清理井下涌水中的泥沙、杂物，保持主水仓的水质。主水 仓的有效容积5 0 0 m 3 ，副水仓有效容积2 0 0 m 3 座。排水泵选用统一的d a l 型离心式水 泵三台，扬程2 4 6 m ，流量1 6 2 m 3 h 台。二路排水管道直通地面，一用一备，排水管 道直径为1 5 0 m m 。水泵进水采用真空水箱人工注水，取消底阀的方式运行。通过各两 条排水管道排至地面。 排水系统目前采用的控制方式是传统的继电器控制方式，设置专人专岗进行就地简 单操作，较为落后。水泵开停及选择切换等，依靠两名以上的操作人员凭经验合作完成。 作业繁重、生产效率低，水泵的开、停和大量的实时数据不能由地面调度人员及时监测 和调控。 2 1 2 水泵排水过程 由于井下的特殊环境对排水系统的可靠性和使用寿命等方面提出要求，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。 水泵的具体排水过程如下： ( 1 ) 启动前的准备工作 清除妨碍水泵运转的任何物体；检查基础及所有连接部分的紧固情况；检查填料及 压盖的松紧程度；检查各部连接线路、仪表是否准确无损、分路开关是否拉开、操作机 浙江工业大学硕士学位论文 构是否灵活；检查进水管底阀是否漏水；加注润滑油。 ( 2 ) 启动 用手转动联轴器，检查水泵有无卡阻、有没有松、紧、轻、重不均现象、水泵及电 机内有无撞击声；关闭排水闸阀，灌压力水排空机内空气；起动电机，缓缓打开出水闸 阀；起动过程中注意观察仪表指示，如不正常应停机，再次启动，注意电机，泵体情况， 如有异常应立即停机处理。 ( 3 ) 运行 启动水泵电机，待电机转速达到正常后，缓慢打开闸阀，观察电机的电流表和进水 管上真空表，此时读数会逐步增加，出水管上的压力表应该逐步变小，直到全部打开闸 阀，各仪表读数趋于稳定。运行中，至少每3 0 分钟进行一次检查；检查运行声音、润 滑情况、各部温度、仪表指示；注意填料室漏水情况，随时调整填料压盖，使填料松紧 适度；经常清理水池中杂物，并观察水泵的上水量是否正常。 ( 4 ) 停机 先将出水管的排水阀慢慢关闭后再停机，停机后应切断电源。 2 1 3 排水过程可实现自动化的环节 水泵自动控制系统可概括为六个环节：即：泵腔注水；闸阀操作；自动监测水位； 电机的自动启、停；故障报警、保护以及参数传示环节。图2 1 为水泵站排水管道示意 图。 图2 1 水泵房排水管路示意图 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 泵腔注水环节 水泵的泵腔需要先充满水，使叶轮完全沉没于水中，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 或汽蚀等故障。泵腔自动注水的方式，一般常用的有加装真空泵或者射流泵来完成。 ( 2 ) 闸阀操纵环节 水泵的技术特性要求离心式水泵开机时必须要先关闭出水闸阀；而停止水泵时，为 避免“水锤”产生事故，一定要先关闭闸阀，慢慢减小流速，方可停车。为符合水泵开、 停车时的技术特性，实现闸阀的自动动作，必须研制和探讨一种能适合井下使用的自动 控制闸阀，以实现水泵的自动控制。 ( 3 ) 电动机的自动控制环节 排水设备的自动化控制装置的重要环节就是如何调控电动机的开与停，它由p l c 控制箱、继电器以及接触器等组合而成，所有环节最终要与该环节组合，依据水仓水位 高、低情况，自动调控的启动、停车。为避免备用泵长期不用而产生的电机线圈受潮、 或者有另外故障未被及时发现，当需紧急投入使用时而不能投入使用，该控制方式采用 对水泵实行轮换工作制，以期达到故障提早发现、提早处理的目的。当某台机组或者其 所属管路上阀门故障时，该台水泵退出轮换程序，余外各台水泵仍就按照轮换顺序运行。 ( 4 ) 水位的自动监控环节 井下水仓的水位监控是自动控制系统的“眼睛”，本环节的要点是实时、准确地发 出水位的高低、水位上升的速度信号，液位计工作的准确性与可靠性首先影响到控制系 统的工作准确性与可靠性。随着传感技术的飞速发展，目前可供井下选用的液位传感器 有两类。一类是超声波液位传感器；另一类是投入式液位传感器。 ( 5 ) 故障保护环节 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； 电动机故障：水泵电机欠压、过流、缺相的综合保护器提供，并反馈监视信号 给p l c 并参与控制； ( 6 ) 参数传示环节 在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 和电动阀的各种工作状态。所有的检测参数及工作状态均可由井下p l c 通过传输网络 传送给地面计算机，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作出正 9 浙江工业大学硕士学位论文 确判断，向井下可编程控制器发出控制命令【5 l 。 2 2自动排水系统的构建 2 2 1 自动排水系统控制原理 排水系统的控制原理是根据排水的工艺来确定的，改造后的排水系统进水端采用无 底阀、真空注水桶自动注水排气，水泵出口处配置j d 7 4 5 隔膜式多功能水泵控制阀；主 水仓水位信号的采集采用二台液位传感器实时监测；水泵出口处配置压力传感器检测排 水压力；电机和水泵运行状态的检测采用电流、温度传感器采集运行状态信号；水泵的 排水管道上安装电磁流量计检测管道中的排水流量。p l c 控制系统根据水仓液位信号和 电网“峰、“谷时间段来决定是否启动、停止水泵以及开、停台数；同时控制注水电 磁阀的启、闭，并根据电机和水泵的运行状态调控水泵是否退出运行。因此，井下排水 系统采用的是直接启动水泵的启动方式。 水泵的启动过程：启动电动阀向泵腔注水- - 6 0 秒后电动阀自动关闭_ 水泵启动 - 出水后多功能控制闸阀根据两端压差自动缓慢打开- 水泵启动完毕。停泵过程：水 泵停止哆水泵缓慢停止的过程中多功能控制闸阀根据压差自动关闭。 被控对象：管道上的电动阀和自动注水的电动阀。 2 2 2 控制方案 ( 1 ) 启动的控制过程 选择要启动的水泵和管路。 启动水泵 ( 2 ) 停泵控制过程 选择要停的水泵和管路。 关闭水泵。 ( 3 ) 应急水泵启动 一旦集控系统失效，水泵就地控制启动，即在组合开关柜体上操作启动和关闭水泵。 ( 4 ) 水位监控及“避峰就谷”的实现 为满足矿井排水的特殊要求及达到“避峰就谷”的目的，在设计程序时，根据当地 涌水量的情况，将水仓水位自下向上分为四条水位线，水位2 以下为安全水位；水位2 到3 之间为低警戒水位；水位3 到4 之间为中等警戒水位；水位4 以上为高警戒水位， 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 水位一旦达到水位4 ，就必须发出报警。水仓水位的变化由两台安装在相同高度的超声 波液位传感器进行实时检测并将信号送入控制系统。 要节约电能，就必须要考虑到“避峰就谷的因素，但是由于井下特殊的工作环境， 安全性应该放在最重要的位置。因此，在判断是否应该启动水泵的过程中，应该先考虑 到水仓水位的变化，其次才应考虑时间的因素。 当水位到达水位2 时，若处于平段或谷段，立即启动水泵，若处于峰段，则暂 缓启动； 当水位上升至水位3 时，则不论处于何种计费时段，都必须启动水泵； 若一台水泵运行时水位任然继续上升，则必须启动第二台水泵； 若排水过程中某台泵组因状态异常退出运行，自动开启另外一台水泵； 若排水过程中某台泵组因状态异常退出运行，自动开启另外一台水泵； 当遇到紧急情况，如矿井大量涌水( 水位上升速度过快) ，无论电网如何，开启 两台工作水泵，同时开启一台备用泵，三台水泵同时排水； 不管几台泵在运行，只有在水位下降到水位1 时才能停泵。 ( 5 ) 轮换工作的实现 因为在本方案的管路设计中，只有一台水泵和两条管路相连，另外两台泵都分别对 应一条管路。所以当启动某一台水泵时，只能选择和它相连的另一个条管路。 若某一台水泵在运行中发生故障，则该水泵将自动停止并退出轮换工作，同时，按 程序轮换启动其它水泵。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 23 群水泵启动流程图 2 3 系统设计原则 本次改造依据国家安全监管总局组织制定的金属非金属地下矿山安全避险“六大 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 系统”安装使用和监督检查暂行规定的要求，结合本矿山的实际情况，考虑到综合自 动化系统的实际应用要求和将来的发展趋势，充分利用现有资源，整体方案设计遵循以 下设计原则： 可靠性 针对井下生产对安全生产的特殊要求，设计可靠性系统，对于安装的服务器、终端 设备、网络设备、控制设备与布线系统，必须能适应井下特殊的工作环境，特别考虑要 适应井下潮湿及其它腐蚀性环境的客观环境，以确保系统可靠稳定。 实用准确性 自动化系统的基本功能就是将被监控对象发生的事件在有限的时间内准确及时地 反映上来，并根据系统控制程序实施合理控制。因此实时性与准确性的原则贯穿在系统 设计的各个方面。实用性体现为所设计使用的系统充分适合工艺、环境和功能等条件和 要求，保证系统的可用性、可操作性和易维护性。 先进性与实用性相结合 既要保证系统设计的先进性，又要保证系统设计的实用性。选用的设备是经过实践 检验的成熟产品，同时考虑系统的总体成本，提供最合理的方案。系统的先进性就是在 设计选型时应该了解相关技术的发展趋势，使用符合发展趋势的，具有良好发展前景的， 先进、可靠的技术和设备，以提升系统的技术性能，延长使用寿命，提高系统的可扩展 性。 合理性 设计的系统方案必须切实可行，即满足了技术相关规程、规范和符合技术标准，又 满足实际情况。 安全性 井下用设备必须要符合矿山安全规程的要求，达到本质安全要求；对于一个工业系 统来说，高安全可靠性是设计当中的第一要求，任意时刻的系统故障都有可能给生产带 来不可估量的损失，而且如何在开放的同时严格保证系统的安全性也是要充分考虑的， 这些在追求统一、集成的今天显得尤为重要。 互联性和可扩展性 能与矿井各子系统有机结合起来，满足信息层中各层之间信息沟通，充分考虑将来 需求的成长空间，所提供的系统平台与技术将充分配合未来功能及扩充项目的需求，以 避免将来重复的投资。 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 易操作性 针对矿山工作人员的技术特点，提供先进且易于使用的图形人机界面功能。 2 4 系统方案设计 2 4 1 设备概况 水泵房设备如下： 主排水泵：( 现有的) 3 台d a l 型离心式水泵，其中l 台为备用泵，电机功率1 5 5 k w 台。 排水管路：( 现有的) 直径1 5 0 管道2 路。 2 4 2 系统配置 系统以p l c 控制器为核心，模块化设计，现场快速安装，操作维护简单，技术先 进，性能可靠，实现水泵房的地面远程监控。矿井综合自动化系统与工业以太网实现数 据的接入。 集中控制柜内装有控制器和图形显示操作终端，各控制柜含有远程i o ，远程i o 控制。监测各个水泵管路所属的各个电动阀门和电磁阀阀门的到位状态，每个控制柜备 有急停按钮与相关按钮等，负责手动开关阀门。 集控柜监测系统各个传感器，检测真空度，电机温度，水仓水位，管道压力，水泵 压力等，系统信息的显示和操作在集控柜上的显示终端进行；集控柜通过远程i o 实现 对各控制柜的控制；集控柜含有网络接口，可将水泵监控子系统纳入整个矿井监控系统。 系统按执行流程分为检测部分，执行部分，控制部分及显示部分。 1 检测部分 检测部分即外围传感器，包括超声水位计、流量传感器、闸门位置行程开关、闸门 过转矩行程开关、管路静压传感器、电机温度传感器等，所检测的参数主要有：水仓水 位、水泵进水管真空度、水泵出水口压力、水泵轴温、电机温度、电流，排水管流量及 设备工作状态等。 2 执行部分 执行部分即低压开关柜，主要由隔离开关、接触器、电动机综合保护器组成，是电 动阀、电动机的执行和保护部件。 3 控制部分及显示部分 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 控制及显示部分即集中控制柜，主要由可编程控制器、图形显示器、信号变送器、 中间继电器组成，主要完成模拟显示水泵的运行工况，对信号的变换、放大，并由c p u 运算、判断发出各种控制信号。 2 4 3 系统功能 水泵监控子系统采用超声波水位检测仪实时检测水仓水位，超声波水位检测仪输出 信号至控制器，控制器经运算判别，自动启、停水泵。在水仓水位正常时，各台泵根据 运行时间数自动轮换工作；在水仓出现危险水位时，自动投入相应台数的水泵运行，并 自动控制相应管路上的阀门。 系统以水仓水位为主，结合分时计费和“避峰填谷”原则，确定开停水泵时间，从 而达到节能、节耗目的。 系统的硬件和软件设计都着眼于高可靠性、高可用性和高扩展性，为实现中央泵房 数字化、智能化管理提供可靠的平台，确保矿井水泵房工作的可靠性和连续性。 水泵房自动化监控系统能够和任何通讯设备实现互联互通，整个水泵房自动化监控 系统具有强大的兼容性与可扩展能力。 为适应以后发展的需要，系统设计着眼于全矿井的监测监控系统，因此，水泵监控 子系统留有多种通讯接口，如以太网络接口，可以把井下水泵房的信息经以太网传输至 矿井监控系统主干网络，和全矿井监控系统联网后，管理人员在地面即可掌控井下水泵 房监控设备的所有检测数据及工作状态。 2 4 4 控制方式 矿井排水系统控制方式分为集中控制和就地控制。集中控制又分为远程控制、自动 控制、手动控制和检修。 ( 1 ) 远程控制 远程控制是通过上位机对矿井排水系统进行集中控制。 ( 2 ) 自动控制 自动控制是指由超声液位传感器连续检测水仓水位，根据水仓和吸水井的水位及其 他因素，合理调度自动开停水泵及其阀门，在正常水位时，各台水泵能自动轮换工作， 在危险水位时，自动投入必要数量的水泵运行。 此方式下可实现无人值守。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 手动控制 手动控制操作工人根据水仓显示水位，人工手动开停水泵及确定开泵台数，电机及 其阀门的开、停由p l c 自动执行，即p l c 完成单台水泵抽真空、启泵、开电动阀等自 动控制，并完成运行停止。 ( 4 ) 检修 检修指可操作任一水泵电机，电动闸阀，电磁阀的开关。相互动作互不闭锁。 在上位系统和集控系统都出现故障情况下，则矿井排水可通过就地按钮箱手动控制 井下排水。 具体操作如下：首先可以明确的是水泵可以通过低压开关柜上的按钮进行控制，就 地操作要将开关柜的“远近”控制转换开关转到“就地 ，再通过本体上的按钮进行操 作。 2 4 5 系统主要特点 该系统能自动控制主排水泵设备的合理运行和参数检测，实时地反映系统工作状态 以及水仓水位、电动机定子温度和轴承温度，并能将数据传送到地面生产调度中心。该 系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点。 ( 1 ) 该电控系统采用欧姆龙c p l h 作为控制系统的核心设备，提高了系统的可靠 性。 ( 2 ) 该电控系统能实现水泵房运行时无人值守。 ( 3 ) 该系统能自动控制水泵机组的启动和停止。系统根据采集的水仓水位，在水位 高、低限及增长速度过快时报警。 ( 4 ) 该系统实时采集水泵的流量、出水压力、电动机的轴承温度和定子温度。 ( 5 ) 在集控室显示屏上可以实时显示水泵与附属设备的运行状况，显示水仓水位、 出水口压力、电动机温度及电流等参数，超限报警，故障画面自动弹出，故障点自动闪 烁。 2 5 本章小结 本章主要结合了矿井排水系统的目前情况，充分根据设计原则，设计了一整套井下 自动排水系统改造的具体方案。 改造后的井下自动排水系统以欧姆龙p l c 为操作控制中心，实现对排水系统的工 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 艺控制和安全保护。 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章管路附件的选择与设计 3 1 水泵的汽蚀 水泵在运行过程中，由于某些原因使泵内局部位置的压力降到水在相应温度下的饱 和蒸汽压力时，水就开始汽化生成大量的汽泡，汽泡随水流向前运动，运动到压力较高 部位时，迅速凝结、溃灭。泵内水流中汽泡的生成、溃灭过程涉及到物理、化学现象， 并产生噪声、振动和对过流部件的侵蚀。这种现象称为水泵的汽蚀现象【6 】。水泵发生汽 蚀，则工作时流量、扬程、效率都将大幅度下降，甚至不能工作。 在产生汽蚀现象的过程中，由于水流中含有汽泡破坏了水流的正常流动规律，改变 了流道内的过流面积和流动方向，使叶轮与水流问能量交换的稳定性被破坏，增加了能 量损失，从而引起水泵的效率、扬程、流量的急速下降，严重的可达到断流状态。 汽泡溃灭时，水流因惯性高速冲向汽泡中心，产生强烈的水锤，其压强可达 ( 3 3 - 5 7 0 0 ) v i p a ，冲击的频率达2 万 3 万次s ，这样大的压强频繁作用于过流部件上， 引起金属表面局部塑性变形与硬化变脆，产生疲劳现象，金属表面开始呈蜂窝状，随之 应力更加集中，叶片出现裂缝和剥落【7 】。 另外，当水中泥沙含量较高时，由于泥沙的磨蚀，破坏了水泵过流部件的表层，发 生汽蚀时，加快了过流部件的蚀坏程度。 在汽泡凝结溃灭时，产生压力瞬时升高和水流质点间的撞击以及对过流部件的打 击，使水泵产生噪声和振动现象1 8 1 。 3 - 2 水锤的防治 由于出水管路中流速的急剧变化，引起管路中水流压力急剧交替升高和降低的水力 冲击现象称为水锤现象。 水锤现象有启动水锤、关闭水锤和停泵水锤。一般情况下，只要按照正常的操作程 序启动水泵，不至于引起造成危害的启动水锤，只是在空管情况下，当管中空气不能及 时排出而被压缩时才会加剧水流压力的变化。关闭水锤在正常操作时也不会引起过大的 浙江工业大学硕士学位论文 水锤压力。而由于突然停电或误操作造成的事故停泵所产生的水锤往往数值较大，一般 可达正常压力的1 5 4 倍或更大，使管路破裂，造成大量泄水，淹没泵房和设备，危害 很大。 由于随着时间的推移，内部水流带动泥沙颗粒摩擦管壁，管内锈蚀，管壁逐渐变薄， 己不能承受原来可以承受的内水压力，再加上运行中水锤压力使其膨胀，管路破裂几率 更大，所以水锤防止应作为一项重要的技术问题加以关注。 水锤的防治通常采用的措施包括： ( 1 ) 缓启缓闭阀 普通逆止阀由于阀板关闭时间短，引起很大的水锤升压值。缓启缓闭式逆止阀是靠 缓冲机构使逆止阀缓慢启、闭的泄水式水锤防护设备，主要用于防止管路系统的压力上 升。逆止阀是单向阀，其作用是防止停泵后水的倒流。正常运行时，逆止阀中的阀板被 水流冲开，停泵时靠阀板自重和倒流水的作用而关闭。因此，逆止阀不仅造成较大的局 部水头损失，而且停机时产生较大的水锤压力，可能使水泵和管路遭到破坏。采用缓启 缓闭式逆止阀取代不同逆止阀，不仅可以减小局部水头损失，而且可以消除水锤的危害。 缓启缓闭式逆止阀由带大、小排油孔的阻尼油缸、活塞组成。事故停机时，管路中 水流开始倒流，旋启式阀板在自重和倒流水的作用下开始关闭，当关闭到一定开度时， 阻尼油缸的排油孔转换成小孔，排油速度迅速降低，形成阻尼，使阀板缓慢关闭，从而 减轻阀板对阀座的撞击及管内水锤压力的上升。另外，正常运行时阀板重量用杠杆平衡， 减少了阀板对水流的阻力，使水流过逆止阀的水头损