矿井监测监控系统设计.docx

1 设计目的与要求1.1 设计目的 随着煤炭行业的发展，企业不断建设与改建大型矿井，矿井井底水抽放到地面上处理也越来越不容易。无论从资源利用，经济效益还是环境方面考虑煤矿的排水问题，对于矿井排水的二次利用是非常重要的。所以针对这一问题利用传感器技术、PLC控制技术、计算机视频监控技术，实现煤矿抽水的自动化，自动启动水泵进行抽水。当水位下降到安全值以下时，自动关闭水泵，实现水位和流量的实时监控。设计矿井排水进行制浆是提高煤矿效益，安全生产，降低损失，保护环境的最好选择。 对于多数矿井来说，较大的矿井水被排放到地面后比较难以处理，自然排放容易造成环境污染，二次处理成本极高，采用二次利用的方式能有效的解决矿井水排放问题。 本次我们采用电动调节阀进行控制，设计了一个自动控制系统，主要用于自动控制从井下抽放到地面蓄水池的矿井水，从而进行制浆， 制成的泥浆将会用于井下灭火和充填。1.2 设计要求设计一个矿井抽水系统，利用设计的传感器，控制器，执行器可以对输水管道的水流量进行实时检测监控并且能控制水流量为指定值，形成一个自动恒温控制系统，采用电动调节阀进行控制，将矿井井下水抽放到蓄水池，利用蓄水池的矿井水进行制浆，用于井下灭火和充填。 结合具体的煤矿相关标准按照煤矿安全规程主要排水设备应符合下列要求：（1）水泵。合理的选择水泵型号类型，必须有工作和备用检修的水泵。工作水泵应能在20 小时内排出矿井24 小时的正常涌水量。备用水泵应具备大于工作水泵70%的排水能力。（2）水管。必须有工作和备用的水管。工作水管的能力应能配合工作水泵在20小时内排出矿井的正常涌水量。工作和备用水管的总能力应能配合工作和备用水泵在20 小时内排出矿井24 小时内最大的涌水量。（3）配电设备。应同工作及备用水泵相适应，并能够同时开动工作和备用水泵。 同时设计应保证采用适当的水泵将地面蓄水池的水抽到制浆机中，达到制浆灭火和充填的目的。对于系统中各个器件有以下要求：1) 传感器可以检测到抽出水的流量；2) 控制器能自动控制指定的水流量，已达到恒流为50方/小时； 此次设计的控制系统采用变频器执行来实现自动恒流控制。 2 系统结构设计2.1 控制方案此次设计的主要目的在于能够实现自动恒流控制，因此在系统中，采用流量传感器将流量信息传输给控制器，控制器根据数据信息判别当前是否为恒流，以及实际流量和标准50方/小时的大小关系，然后将信息传输给执行器，由执行器控制水泵的功率，从而根据实际情况来增大或者减小频率，以达到恒流为 50方/小时。煤矿矿井抽水自动控制系统是根据煤矿矿井的实际情况，以使设备在无人干涉的情况下自动运行和自我诊断的一套系统。通过工业计算机的决策控制，对设备的运行状态、运行过程进行自动检测、自动控制，利用水位测量计，传感器采集，记录的相关数据传送到地面中枢电脑控制室对其进行分析，对照煤矿排水标准以及煤矿灌浆设计需求的供水排水量，将信息处理后通过对控制器传递模拟信号，进一步对执行器传递模拟信号来控制管道的输水情况。 设备列表如下：表1 系统设备列表2.2 系统结构 图1系统主要结构图考虑到经济方面和环境保护方面的因素，我们把从井下抽出来的水源先预存到蓄水池中，然后采用我们设计的自动恒流控制系统，将井下水源进行制浆，主要用于井下灭火和制浆。如上图所示：用水泵将蓄水池中的水通向制浆机中，在水泵和制浆机中间有一个传感器，这个传感器主要用于流量的判别（控制流量为50方/小时）， 传感器将流量信息传输给控制器，控制器根据实际情况将需要改变的信息传输到执行器，执行器根据控制器传输的信息来控制水泵，从而达到增大、减小或者不改变水流大小的目的。3 设备选型3.1 传感器根据设计要求选择分体式电磁流量传感器。电磁流量传感器是由电磁流量计和电磁流量转换器组成， 基于法拉第电磁感应定律用于测量导电液体与浆液的瞬时流量与体积流量。分体式电磁流量传感器有许多优点，其中它的传感器与转换器为各自独立结构，传感器装在管道上，转换器可安装在离传感器 200m 以内的场所；测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液固二相流体，如纸浆、泥浆、污水等；不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好；所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响；流量范围大，口径范围宽；可应用腐蚀性流体。而且其使用寿命长，价格合适。最终选择的分体式电磁流量计，如下图：图3分体式电磁流量计其技术参数如下：仪表规格 SURE1031-2转换器形式 分体式执行标准 JB/T9248-1999精度等级 1 级或 0.5 级介质电导率 5s/cm可测最低流速 0.1 米/秒可测最高流速 15 米/秒量程比 1:20，可订制显示器 标配信号输出 脉冲或 4-20mA供电电源 220VAC 或+24VDC通讯接口 可选 RS485通讯协议 MODBUS、 HART、 Profibus防爆等级 ExdiaqIICT5防护等级 IP65，可选 IP68仪表通经 DN6DN2000安装方式 法兰安装，可选法兰夹持公称压力 1.6MPa 或订制介质温度 180环境温度 -30-603.2执行器本次设计选择电动控制阀，电动控制阀是一种以电磁阀为向导阀的水力操作式阀门。其图片如右图所示：工作过程是当阀门从进口端给水时，水流流过针阀进入主阀控制室，当电磁导阀打开时，控制室内的水经电磁导阀、球阀流出。球阀开度大于针阀开度，主阀控制室内压力很低，主阀处于全开状态。当电磁导阀关闭时，主阀控制室的水不能流出，控制室升压，推动膜片关闭主阀。电动控制阀的优点：1)600X电动控制阀前要安装过滤器，并应便于排污的要求；2)600X电动控制阀是一种利用水自润式阀体，无须另加机油润滑，如遇主阀内零部件损坏时，请按规定进行拆卸；3.3 控制器控制器是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。1 控制器的分类控制器分组合逻辑控制器和微程序控制器，两种控制器各有长处和短处。组合逻辑控制器设计麻烦，结构复杂，一旦设计完成，就不能再修改或扩充，但它的速度快。微程序控制器设计方便，结构简单，修改或扩充都方便，修改一条机器指令的功能，只需重编所对应的微程序；要增加一条机器指令，只需在控制存储器中增加一段微程序，但是，它是通过执行一段微程。具体对比如下：组合逻辑控制器又称硬布线控制器，由逻辑电路构成，完全靠硬件来实现指令的功能。 2 PID。所谓 PID 控制，就是在一个闭环控制系统中，使被控物理量能够迅速而准确地无限接近于控制目标的一种手段。PID 控制功能是变频器应用技术的重要领域之一，也是变频器发挥其卓越效能的重要技术手段。 XM908-2S 型 PID 自整定仪表具有万能输入，可与各类传感器、变送器配合使用，实现温度、湿度、压力、液位、流量等物理量的测量、显示、报警控制和变送输出; 通用输出设计，一台仪表可配合各种执行器对电加热设备和电磁、电动、气动阀门进行 PID 调节和控制；采用专家 PID 控制算法，控制精确稳定，无超调，无欠调；可在上位计算机中实现全部仪表参数的读写; 加热功率分段限制功能，适合控制硅碳棒等负载；手自动无扰切换功能；外给定功能，适合做串级调节；仪表通过正反转继电器，可直接控制有反馈（或无反馈）的电动执行器。热电偶：K、S、R、N、E、J、B、T、WR5-26、WR3-25、EA1、EU2 等 热电阻：Pt100、Cu50、Cu53、BA1、BA2 等电 压：020mV、060mV、0100mV、01V、0.21V（输入阻抗5M），05V、15V（输入阻抗500K）等电 流：010mA（输入阻抗500），020mA、420mA（输入阻抗250）等电 阻：080、0400，三线制接线方式，要求三线电阻相等，而且引线电阻小于 18其它特殊信号需定制精 度：0.2%F.S1 个字显 示：八位高亮 LED 显示，显示范围，-19999999报警输出：上限报警、下限报警、正偏差报警、负偏差报警四种报警方式。常开常闭触点容量为2A/220VAC 或 2A/24VDC，阻性负载；继电器触点接感性负载时，负载两端必须接火花吸收电路，并且带载能力相应减小。控制输出：继电器触点(容量为 2A/220VAC 或 2A/24VDC，阻性负载) SSR 驱动电压：12VDC/30mA线性电流：022mA 之间任意设置(输出电压11V)单相 SCR 过零、移相触发，可触发 5500A 的双向可控硅(或单硅反并联模块)SCR 无触点开关输出（常开），触点容量 220AC/200mA，瞬间工作电流 2A变送输出：标准电流变送输出（X 模块）420mA,负载电阻500，010mA 负载电阻1000，独立隔离电源电流变送输出（DX 模块）420mA,负载电阻250，标准电压变送输出或独立隔离电源电压变送输出，负载电阻200k。 变送精度：0.3%F.S1 个字通讯方式：RS232C，RS485，波特率 480019200bps配电输出：5VDC、12VDC、24VDC 等可选（最大电流：30mA） 温度补偿：050数字式温度自动补偿使用环境：环境温度 050，相对湿度 85%，避免强腐蚀气体 电 源：开关电源: 100240VAC(50Hz/60Hz)，24VDC/AC10% 功 耗： 4W3.4 配套设备山东济宁工矿物资有限公司 ZJ-800 型制浆机,它是灌浆工程浆液配制的专用设备， 广泛用于水电、铁路、交通、建筑、矿山等行业的工程施工中，将水泥、膨胀土、砂等粉料与水及其它添加剂混合并快速制成浆液。该系列产品采用涡流制浆与一般叶片搅拌机相比，具有制浆速度快，浆液搅拌均匀等特点。 ZJ 制浆机主要特点：1.该系列产品采用离心泵原理制浆，比常规制浆速度快，浆液搅拌均匀。2.传动系统与料桶之间用螺栓联接，拆装方便技术参数：型号 容量 电机功率 需用水灰比 制浆时间 整机重量 外形尺寸 ZJ-800 800L 15kw 0.5:1 3min 700kg 1725*1373*18483.5 水泵离心式水泵简称“离心泵，也叫离心式抽水机。它是一种利用水的离心运动的抽水机械。起动前应先往泵里灌满水，起动后旋转的叶轮带动泵里的水高速旋转，水作离心运动，向外甩出并被压入出水管。水被甩出后，叶轮附近的压强减小，在转轴附近就形成一个低压区。这里的压强比大气压低得多，外面的水就在大气压的作用下，冲开底阀从进水管进入泵内。冲进来的水在随叶轮高速旋转中又被甩出，并压入出水管。叶轮在动力机带动下不断高速旋转，水就源源不断地从低处被抽到高处。1-抽气管；2-电磁阀；3-真空表；4-水环式真空泵；5-补水水管；6-排气软管图4真空泵的安装示意图3.6 实物连线图将所选型的设备按照设备说明书将各个设备连接起来，只连接电源和信号线，其他不用考虑。实物连线图可以采用说明书上的截图，但需要采用不同颜色的线条将各个图连接起来，注意实物连线图是接线图不是外观照片图。 4电路及管路设计 4.1电路设计 井下排水自控系统中显示操作台的输入信号、各阀门开关到位信号和传感器的 420mA 电流信号等均通过航空电缆从 PLC 防爆箱的喇叭嘴接入，连接到数字量和模拟量输入模块上。数字量输出模块的输出信号同样需要通过航空电缆从喇叭嘴连接到各执行设备。CPU226CN 模块上的 RS485 接口与显示操作台上的文本显示器相连接，可为文本显示器提供各设备的状态显示信号。CP243-1 模块的以太网接口通过网线连接到光纤分线盒，将工业以太网信号转换为光信号，光纤连接到地面监控室后接入地面上的光纤接线盒，光信号被再次转换为工业以太网信号，其后将其并入工业以太网交换机再连接到上位机。 图5排水电路图4.2管路设计如下图所示的管路图：图8管路图由上图我们可以看出，每台水泵均与 1#主排水管路和 2#副排水管路连接，并分别在支路上安装有排水闸阀，在排空管路上安装有主、副真空阀。另外，主副排水管路均安装有流量传感器，每台水泵出水口安装有正压力传感器，水泵吸水口安装有负压力传感器来检测水泵的真空度，在水泵电机安装 PT100 温度传感器，检测电机轴温和水泵轴温，所有传感器的信号电流均为 4mA20mA。在水仓中安装有两套液位传感器，一套为超声波传感器，用来检测水仓水位的细微变化，可在文本显示器和上位机组态监控系统显示具体的数值，主要用来判断水位的上升、下降趋势，另一套为本安式数字液位开关，即是 3 套