矿井主排水设计_(经典版)

山西煤炭职业技术学院毕业设计任务书山西煤炭职业技术学院毕业设计任务书 设计题目 塔山矿主排水电气控制系统设计 设计时间 2013 年 5 月 8 日 至 2013 年 6 月 2 日 设计地点 山西煤炭职业技术学院 1 设计内 容 1 矿井自动排水系统的各种参数与检测 2 大同塔山煤矿矿井排水系统设计 3 PLC 自动控制矿井主排水系统的设计 4 控制系统的软件设计 5 控制系统的抗干扰措施 2 设计要 求 本系统采用 SIEMENS 的 S7 300 系列 PLC 并结合各种传感器 主要为水位传 感器 负压传感器 压力传感器 流量传感器等 完成系统设计中要实现的控制功 能 本系统采用水泵及管路的 自动轮换 工作制 又根据 避峰填谷 的原则确定 开启水泵台数 以达到节省用电的目的 在就地 PC 端 采用易控组态监控系统监视设 备的运行情况及各个运行参数 做到有故障及时发现并尽早处理 3 提交资 料 山西煤炭职业技术学院 毕业论文 塔山矿主排水电气控制系统设计 理论图纸 毕业论文主题内容 PPT 山西煤炭职业技术学院 目目 录录 摘 要 1 第一章 绪论 2 1 1 排水系统概述 2 1 1 1 矿井生产过程中排水的重要性 2 1 1 2 矿井排水系统的组成部分 2 1 2 井下排水系统存在的问题 3 1 3 排水系统为何要实现自动控制 4 第二章 矿井自动排水系统的各种参数与检测 5 2 1 水仓水位的检测 5 2 1 1 液位传感器介绍 5 2 1 2 液位检测装置的选择 8 2 2 电机及水泵温度检测 9 2 3 水泵压力检测 9 2 4 水泵流量检测 11 2 4 1 流量检测仪器的安装位置 11 2 4 2 流量检测传感器 12 2 4 3 流量计的要求 14 2 5 水泵负压检测 14 第三章 大同塔山煤矿矿井排水系统设计 16 3 1 塔山煤矿 16 3 2 塔山煤矿矿井资料 16 3 3 选型设计 16 3 4 引水设备 18 3 5 自动阀门 20 3 5 2 电动球阀 21 3 6 高压开关柜 22 第四章 PLC 自动控制矿井主排水系统的设计 24 4 1 控制系统总体结构 24 4 2 PLC 自动控制矿井主排水系统的设计 24 4 2 1 PLC 的主要特点 25 4 2 2 S7 300PLC 的基本组成 28 4 3 西门子 ET200M 与 PROFIBUS DP 总线 31 第五章 控制系统的软件设计 33 5 1PLC 的软件设计 33 5 1 1 软件流程图 33 5 1 2 地址分配 35 5 1 3 水泵的自动开启 运行 停止故障保护流程图 36 5 2 控制系统上位机的软件设计 39 5 2 1 设计要求 40 5 2 2 设计内容 40 5 2 3 上位机与 PLC 的通信 41 5 2 4 操作终端界面 42 山西煤炭职业技术学院 5 2 5 监控主界面 43 5 2 6 报警界面 45 第六章 控制系统的抗干扰措施 47 6 1 常见的各种干扰源 47 6 2 如何采取措施排除这些干扰 47 第七章 总结 48 致 谢 49 参考文献 49 1 摘摘 要要 本文根据排水控制的要求 进行自动控制方面的设计 本系统采用 SIEMENS 的 S7 300 系列 PLC 并结合各种传感器 主要为水位传感器 负压 传感器 压力传感器 流量传感器等 完成系统设计中要实现的自动化控制 功能 本系统采用水泵及管路的 自动轮换 工作制 又根据 避峰填谷 的 原则确定开启水泵台数 以达到节省用电的目的 在就地 PC 端 采用易控组 态监控系统监视设备的运行情况及各个运行参数 做到有故障及时发现并尽早 处理 S7 300 通过 CP340 通讯模块 采用 RS 232C 通信标准与就地 PC 建立联 系 关键词 PLC 排水系统 自动控 山西煤炭职业技术学院 2 第一章第一章 绪论绪论 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 目前我国的井下排水系统仍由很多依靠传统的人工操作方式 本章 分析这种排水系统的组成及工作过程 指出其存在的问题 为井下主排水系统 自动控制的研究提供依据 1 11 1 排水系统概述排水系统概述 1 1 1 矿井生产过程中排水的重要性矿井生产过程中排水的重要性 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 井下自动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 7 吨矿 井水 有时甚至要排出 30 40 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 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 1 1 2 矿井排水系统的组成部分矿井排水系统的组成部分 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 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 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 O 5m 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管注水 山西煤炭职业技术学院 3 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 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 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 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边 径向带边和轴向 带边三种 表壳的公称直径有 60mm 100mm 150mm 200mm 和 250mm 五种 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 为检测吸水管的真空度用 根据其结构 特征也可分为径向无边 径向带边和轴向带边三种 表壳的公称直径和压力表 一样 也分为 60 100 150 和 250mm 五种 真空表测量范围为 0 0 1 MPa 一 个大气压 射流泵或真空泵 离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵腔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 的排水系统中 水泵每次起动都要灌水 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 山西煤炭职业技术学院 4 1 2 井下排水系统存在的问题井下排水系统存在的问题 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 水泵出水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 其存在的问题有如下几点 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 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 而且 水泵房要时时有人值守 以便在发生异常情况时 及时报 警检修 1 3 排水系统排水系统为何要实现自动控制为何要实现自动控制 针对上述排水系统存在的问题 本文提出了基于 PLC 的矿井主排水自动控 制系统的设计 自动控制系统的应用 将使得排水系统可靠性增强 整个工作 流程通过软件的编程来实现 程序确定后 水泵机组将按给定的程序自动启停 水泵 开合阀门 极大的减小工人的劳动强度 PLC 将水泵机组的运行状态与 参数经安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机 管理人员在地面即 可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态 又可根据自动化控制 信息 实现井下主排水系统的遥测 遥控 山西煤炭职业技术学院 5 第二章第二章 矿井自动排水系统的各种参数与检测矿井自动排水系统的各种参数与检测 排水装置要实现自动控制 无人职守 最根本的就是让控制系统了解自动 化系统中各个设备的状况和运行状态 这些运行状态经过系统中央处理单元的 分析和运算后 做出判断并显示给集中监控室 图 2 1 主排水泵自动化监控系统图 排水装置实现自动化的过程中 必须对图所示参数进行检测 本章将对以 下 5 个监控的参数展开论述并给出检测的方法和可实现性 1 水仓水位的检测 2 水泵流量的检测 3 水泵压力检测 4 水泵负压检测 5 电机及水泵温度检测 2 12 1 水仓水位的检测水仓水位的检测 2 1 1 液位传感器介绍液位传感器介绍 一 超声波液位传感器 山西煤炭职业技术学院 6 超声波液位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成 的 如果从发射超声波脉冲开始 到接受到反射波为止的这个时间间隔为已知 就可以求出分界面的位置 利用这种方法可以对液位进行测量 根据发射和接 受换能器的功能 传感器又可分为单换能器和双换能器 单换能器的传感器发 射和接收超声波使用同一个换能器 而双换能器的传感器发射和接受各使用一 个换能器 下面就单换能器的超声波传感器加以介绍 超声波发射和接收换能器可以安装在液面的上方 让超声波在空气中传播 如图 2 2 所示 图 2 2 超声波液位计安装示意图 对于单换能器来说 超声波从发射器到液面 又从液面反射到换能器的时 间为 式 2 1 2h t c 则 式 2 2 2 ct h 式中 h 换能器距液面的距离 c 超声波在介质中的传播速度 从以上公式中可以看出 只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔 便可以求得待测的液位 超声波液位传感器具有精度高和使用寿命长的特点 但若液体中有气泡或 液面发生波动 便会产生较大的误差 在一般使用条件下 它的测量误差为 检测液位的范围为 m 0 1 2 10 4 10 本设计中采用的是 Yjsonic 系列的超声波液位计 在测量中脉冲超声波由传 感器 换能器 发出 声波经物体表面反射后被同一传感器接收 转换成电信 号 并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离 工作特点 采用 SMD 技术 提高仪器的可靠性 自动功率调整 增益控 制 温度补偿 先进的检测技术 丰富的软件功能适应各种复杂环境 采用新 型的波形计算技术 提高仪表的测量精度 具有干扰回波的抑制功能 保证测 量数据的真实 16 位 D A 转换 提高电流输出的精度和分辨率 传感器采用四 氟乙烯材料 可用于各种腐蚀性场合 多种输出方式 可编程继电器输出 高 精度 4 20mA 电流输出 RS 485 数字通信输出等方式可供选择 山西煤炭职业技术学院 7 图 2 3 超声波液位计选型 设计中选用二线制输出型液位计 其参数如下 量程 0 3 5 8 10 15 20m 精度 0 25 盲区 0 3 0 5m 温度 20 55 电源 24VDC 控制 无 输出 4 20mA 二线制 防护等级 IP65 显示方式 4 位 LCD 二 投入式液位传感器 投入式液位传感器是将传感器的探头投入液体中 利用处于一定深度时液 体会产生一定的压强这个基本原理制成的 其示意图如图 2 4 所示 图 2 4 水位计示意图 山西煤炭职业技术学院 8 图 2 5 传感器功能模块图 具体的来说是 传感头根据水中的压力与空气中的压力差 传感头把水位的 高度变换成压力差 再把压力差转换成微弱的电信号 该微弱的电信号经放大 器放大后送 A D 变换器 单片机采集数字信号经运算处理后 输出的水位高度 用数码管来显示 同时输出对应的输出信号 其内部的功能模块图如图 2 5 2 1 2 液位检测装置的选择液位检测装置的选择 上述两种液位传感器是基于不同的工作原理设计和制造出来的 分别适应 于不同的工作场所 当然 有些场所可以使用两种当中的任何一种 也可以同 时使用在同一个被检测对象 水仓 一 两种液位传感器的比较 投入式液位传感器的特点在于 制造成本相对于超声波液位传感器较为低廉 量程比较小 5 10 米 但一般能满足测量水仓水位的要求 性能受到被检测介质物理性质 如液体有固体沉积或粘稠 的影响 测量工作不受空气中的悬浮成分如粉尘 浓烟等的影响 相对而言 超声波液位传感器的特点在于 超声波传播会受到空气中粉尘的影响 超声波水位传感器的测量量程大 超声波水位传感器属于非接触式传感器 性能不受被检测介质的影响 制造成本比较高 二 水位检测装置的选择 由于煤矿井下的排水系统重要的安全地位 而水位传感器是整个排水系统 的嗅觉器官 也就是说 一旦水位传感器失灵 后面的排水硬件和响应软件设 置的再好都无法启动 所以 合理设计水位传感也是很重要的 在水位检测装置的选择上 至少选择两个水位传感器来提高水位检测装置 的可靠性 一般选择一个超声波液位传感器与一个投入式液位传感器相结合的 方法来检测水位 但是由于超声波液位传感器不能用在过于狭小的空间内 当 7809 A D转转换换器器放放大大电电路路检检测测电电桥桥传传感感探探头头 6V 6V 放放大大及及变变换换 电电流流输输出出 数数码码管管显显示示 单单 片片 机机 振振荡荡器器 EPROM 山西煤炭职业技术学院 9 条件不具备时 也可以使用两个投入式传感器来检测水位 2 22 2 电机及水泵温度检测电机及水泵温度检测 温度传感器一般分为接触式与非接触式两大类 所谓接触式就是传感器直 接与被测物体接触 这是测温的基本形式 这类温度传感器具有结构简单 工 作可靠 精度高 稳定性好 价格低廉等优点 是目前应用最多的一类 非接触式温度传感器理论上不存在接触式温度传感器的测量滞后和应用范 围上的限制 可测高温 腐蚀 有毒 运动物体及固体 液体表面的温度 不 干扰被测温度场 但测量精度低 使用不太方便 通过比较 宜选择接触式温度传感器测量温度比较合适 本文选择 PT100 温度传感器测电机及水泵温度 Pt100 传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化 并呈一定函数关系的 特性来进行测温 其温度 阻值对应关系为 1 200 t 0 时 式 2 12 23 0 1 C 100 t RRAtBtt t 2 0 t 850 时 式 2 13 2 0 1 t RRAtBt 式中 A 3 90802 10 3 B 5 80 10 7 C 4 2735 10 12 PT100 温度传感器是一个模拟信号 它在实际应用中有二种形式 一种是不 需要显示的 主要采集到 PLC 这样在使用的时候只需要一块 PT100 的集成电路 要注意的是这个集成电路采集的不是电流信号而是电阻值 PT100 的集成电路 需要一个 12VDC 电源提供工作电压 直接把采集到的电阻变为 1 5VDC 输 入到 PLC 经过简单的计算就可以得到相应的温度值 这样的形式可以同时采 集多路 还有一种就是单独的一个 PT100 温度传感器 工作电源是 24VDC 产生一个 4 20mA 的电流 然后再通过一个 4 20mA 电流电路板把 4 20mA 的 电流变为 1 5V 电压 它可以串连一个电磁指示仪表 Pt100 温度传感器的主要技术参数如下 测量范围 200 850 允许偏差值 A 级 0 15 0 002 t B 级 0 30 0 005 t 热响应时间 30s 最小置入深度 热电阻的最小置入深度 200mm 允通电流 5mA 另外 Pt100 温度传感器还具有抗振动 稳定性好 准确度高 耐高压等优 点 应用范围 气液两用型 可用于供水系统 液压 气动系统 冷却系统 加热系统 空调系统 自动化工程等 2 32 3 水泵压力检测水泵压力检测 一 应变式压力传感器原理介绍 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力 如动力管道 山西煤炭职业技术学院 10 设备的进出口气体或液体的压力 发动机内部的压力 枪管及炮管内部的压力 内燃机管道的压力等 应变式压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件 图 3 9 为膜片式压力传感器 应变片贴在膜片内壁 在压力作用下 膜片产p 生径向应变和切向应变 表达式分别为 r t 式 2 8 222 2 3 1 3 8 r pRx h E 式 2 9 222 2 3 1 8 T pRx h E 式中 膜片上均匀分布的压力 p R 膜片的半径和厚度 h X 离圆心的径向距离 由应力分布图可知 膜片弹性元件承受压力时 其应变变化曲线的特点p 为 当 x 0 时 当 x R 时 0 maxmaxrt t r max 2 r 根据以上特点 一般在平膜片圆心处切向粘贴 R1 R4两个应变片 在边缘 处沿径向粘贴 R2 R3两个应变片 然后接成如图 3 10 的全桥电路 其中 且 R1 R2 R3 R4 则 1234 RRRR 式 2 10 1 0 1 R UE R 式 2 11 U KE 此时全桥差动电路不仅没有非线形误差 而且电压灵敏度为单片工作时的 4 倍 同时仍具有温度补偿作用 U0 E R1 R1 R3 R3 R4 R4 R2 R2 图 2 6 全桥差动电路 二 HS 956 系列薄膜压力变送器 在本系统中使用了 HS 956 系列薄膜压力变送器 HS 956 系列薄膜压力变 送器由高性能的薄膜压力传感器与信号调理电路组成 该系列产品技术独特 山西煤炭职业技术学院 11 性能优越 具有体积小 重量轻 安装简便 能在恶劣环境长期稳定工作的特点 特别适合频繁冲击压力的测量 是目前理想的流体压力测量仪表 HS 956 系列薄膜压力变送器的特点 1 稳定性高 每年优于 0 1 2 测量误差小 综合误差可小于 0 1 3 温度范围宽 允许介质温度 40 125 4 温度漂移小 典型温漂 0 02 5 适应恶劣环境 耐温 耐腐 抗振动 6 适应性广 产品体积小 重量轻 无隔离膜片和中介液体 全不锈钢密封结构 无可动部件 可直接 任意安装 因 此适应各种工业测量场合及介质 主要技术指标 1 介质 液体 气体或蒸汽 2 输出 两线制 4 20mA DC 3 量程 0 1 0 16 0 2 0 25 0 3 0 4 0 5 0 6 0 8 1 1 6 2 2 5 3 4 5 6 8 10 16 20 25 30 40 50 60Mpa 4 电源 24V DC 无负载时可工作在 12V DC 最大电源电压 36 V DC 5 负载范围 允许最小负载为零 最大负载 RL 50 US 12 其中 US 为电源电压 6 过压 量程的 120 7 输出限制 变送器过压时 内部限流器输出电流限制在 25mA 以下 8 温度范围 敏感元件工作温度 50 125 电子部件工作温度 40 85 9 湿度范围 0 99 相对湿度 2 42 4 水泵流量检测水泵流量检测 2 4 1 流量检测仪器的安装位置流量检测仪器的安装位置 水泵的流量与水泵出口的闸阀开度和出口压力 电动机电流有直接的关系 这些参数之间相互结合可以检测出水泵 电动机的性能和工况 因此水泵出口 流量的检测有非常重要的意义 水泵出口流量的检测有两种布置方式 流量检测器安装分别安装在水泵出口的分支管路上 图 3 6 所示 流量检测器安装在水泵出口的总管路上 如图 3 7 所示 两种安装位置的比较 采用图 3 7 所示的安装方式可以满足需要 采用如图 2 6 示的安装方式可以保证准确测量每一个水泵在工作过程中的 流量 从而可以比较准确的判断出各个水泵机组的工作特性 但是结合煤矿井 山西煤炭职业技术学院 12 下排水过程的特点 水泵的工作方式 轮番启动 如果采用如图 3 7 所示的安装 方式 也可以判断出每个水泵的流量 但是需要比较复杂的软件设 1 截止阀 2 离心式水泵 3 流量传感器 图 2 7 各个水泵分别安装流量传感器 计来实现 软件中可以通过检测干路中的流量总和与所开启的水泵数目 可以 得到整个排水泵一电机机组的工况 因此出于造价 硬件系统的复杂等方面的 考虑 优先选择图 2 8 所示的方式设置流量计 1 截止阀 2 离心式水泵 3 流量传感器 图 2 8 各个水泵只安装一个流量传感器 2 4 2 流量检测传感器流量检测传感器 一 电磁流量计工作原理 在工业中经常使用的大口径流量计是电磁流量计 自 20 世纪 50 年代末国 内首次工业应用以来 七八十年代在流量测量中运用和发展很快 电磁流量计由电磁流量转换器和电磁流量传感器组成的 电磁流量转换器 是为电磁流量传感器提供电源 并将其测量的流量信号整定成为标准的 4 山西煤炭职业技术学院 13 EX N B V S 20mA 电流等其他形式的信号 电磁流量传感器是根据法拉第原理制成的一种 流量计 用来测量导电液体的流量 其原理图如图 2 9 所示 它是由产生均匀 磁场的系统 不导磁材料的管道以及在管道横截面上的导电电极组成 磁场方 向 电极连线 管道轴线三者之间是相互垂直的 当被测导电液体流过管道时 切割磁力线 于是在和磁场及流动方向垂直 的方向上产生感应电动势 其数值与液体的流速成正比 即 式 2 3 EBDv 式中 B 磁感应强度 T D 切割磁力线的导体液体的长度 为管道内径 m v 导电液体在管道内的平均流速 m s 由式 3 3 得被测导电液体得体积流量为 式 2 4 2 3 14153 1415 44 DDE QVv B 因此 知道感应电动势就可以测出导电液体的流量 图 2 9 电磁流量传感器原理图 二 电磁流量传感器的结构特点 理论上认为磁感应强度 B 是常量 即直流磁场 但直流电势将使被测液体 电解 使电极极化 正电极被负离子包围 负电极被一层正离子包围 加大了 电极的电阻 破坏了原来的测量条件 同时内阻增加随被测液体成分的变化和 工作时间长短而变化 因而使输出电势不固定 影响测量精度 而对被测量介质的流量测量采用交流电 频率为 5OHz 励磁的交流磁场 即 式 3 5 maxsin BBt 感应电动势为 式 2 6 maxsin EBt Dv 所以体积流量为 式 2 7 max 3 1415 4sin D QVE Bt 为了避免测量管路引起磁分流 故需要用非导磁材料做成 另外 由于测 量管路处于较强的交流磁场中 管壁产生涡流 因而产生二次磁通 为了减少 山西煤炭职业技术学院 14 涡流 要求测量管路的材料具有高电阻率 且对于不同直径的电磁流量计 其 电极 测量管路都采用不同的材料做成 三 电磁流量计的特点 测量管路内没有任何突出和可移动的部件 因此可用于有悬浮颗粒的浆 液等流量的测量 且压力损失极小 感应电势与被测液体温度 压力 粘度等无关 因此其使用范围广泛 测量范围宽 maxmin 1500QQ 可以测量各种腐蚀性液体的流量 电磁流量计的惯性小 可以用来测量脉动流量 对测量介质 要求导电率大于 0 002 0 005 m 2 4 3 流量计的要求流量计的要求 随着工业生产技术的加强和进步 各种智能型电磁流量计已经很容易的制 造出来 并应用于测量管道中导电液体的体积流量 如水 污水 泥浆 矿浆 酸 碱 盐液体及食品桨液等 在石油化工 矿冶 煤炭 水利工程给排水 污水处理等行业中广泛应用 电磁流量计可以达到以下要求 4 20mA 信号输出型 抗干扰性强 精度高 稳定性可靠 整体防爆 测量范围宽 流速 0 3 15m s 实际上 以塔山煤矿 S 3 水泵房为例 其理论上管路中液体的流速范围是 2 46m s 4 92m s 结合电磁流量传感器自身的特点 煤矿井下水泵房采用电磁 流量传感器检测水泵出口的流量是简单易行的 随着工业生产技术的加强和进步 电磁流量计达到抗干扰性强 精度高 稳 定性可靠 整体防爆的要求 适合在煤矿井下使用 且也逐步的推广和使用 由于每台水泵的工作曲线特别是使用了一定年限的离心式水泵的流量 功率 流 量 效率等曲线有较大的差异 因此无法给出每台水泵在工作过程中的流量正常 阈值和水泵排出水过少的阈值 这些阈值只有在现场根据每台水泵不同的流量 特性设定出相应的阈值 虽然电磁流量传感器在使用 安装的过程中比较复杂 但可以肯定的说 随着流量传感器在自动排水系统的应用 将大大提高整个系 统的稳定性和安全性 2 52 5 水泵负压检测水泵负压检测 NS K 型负压传感器采用先进的静电焊接技术形成稳定的参考腔 可以用来 测量小于大气压的压力和真空度 广泛用于石油 化工 冶金 制药冷冻 真 空仪表等自动化行业 NS K 型负压传感器的主要技术指标如表所示 山西煤炭职业技术学院 15 表 NS K 型负压传感器的主要技术指标 输入0 0 5kPa 1kPa 10kPa 30kPa 50kPa 100kPa 过载能力2 倍 测量介质对不锈钢不腐蚀的气 液体 工作方式负压 真空度 工作电压5VDC 或 10VDC 24V 输出100mV 或 0 5V 4 20mA 零位输出 2mV 综合精度0 05 0 1 0 3 F S 非线性 0 1 F S 典型值 重复性 0 1 F S 典型值 工作温度范围 40 120 温度补偿范围25 80 温度漂移0 025 F S 山西煤炭职业技术学院 16 第三章 大同塔山煤矿矿井排水系统设计 3 1 塔山煤矿 同煤大唐塔山煤矿有限公司位于大同市以南 30 公里 由大同煤业股份有限 公司 大同国际发电股份有限公司 大同煤矿集团有限责任公司三方股东共同 投资组建 股权比例为别为 51 28 21 公司有俩个项目 分别为塔山 矿井和选煤厂 其中塔山矿井是目前全国煤炭行业建成的第一格规划最完整 建设速度最快 效果体现最明显的塔山循环经济工业区的龙头企业 也是我国 十一五 期间建设的第一格千万级吨的矿井 塔山矿井设计概算 30 34 亿元 占地 430 亩 设计年产量 150 万吨 矿井 服务年限 140 年 煤质为特低硫 特低磷 中高发热量的优质动力力煤 洗选 后精煤发热量可达 5600 大卡 千克以上 矿井于 2003 年开工建设 2006 年投产 2009 年达产 是目前国际上设立最大的单井井工矿井 同煤集团首个千万吨综采 队在此建成 目前 矿井已形成俩个综采低位放顶煤工作面 其自发的特厚煤层开 采长套技术 代表了国内特厚煤层开采最新发展方向 被称为是 石炭二叠世纪煤 炭开采的实验田 有职工人数 800 人左右 全员效率 85 吨 单井产量 工作面产 人 均效率 煤炭回收率 成本利税率等方面已经跨入一流水平行列 属于现代化的高 产高效矿井 塔山选煤厂设计概算 5 2 亿元 占地 340 亩 年入选量 150 万吨 选煤厂采用 重介浅槽分选块煤 煤泥的联合洗选工艺 小时处理能力 3000 吨 主要生产精煤和 中煤俩个产品 实现原煤全部入洗 产品质量指标可根据市场需求的变化进行调整 3 2 塔山煤矿矿井资料 塔山煤矿矿井原始资料 1 单水平开采 竖井 井深 450m 2 正常涌水量 550 m3 h 3 最大涌水量 1000 m3 h 4 矿水污染较严重 密度 1020 kg m3 3 33 3 选型设计选型设计 1 选择排水系统 由于是单水平开采 故采用直接排水系统 2 预选水泵 主泵房的排水设备 必须有工作 备用和检修水泵 其中任一台水泵的排 山西煤炭职业技术学院 17 MD500 57 9 泵级数 泵单级扬程 m 流量 m3 h D卧式多级离心泵 DG卧式锅炉给水泵 MD煤矿用耐磨多级离心泵 DF卧式耐腐蚀离心泵 水能力应能在 20h 排出 24h 的正常涌水量 两台水泵同时工作的总能力 应能 在 20h 内排出矿井 24h 的最大涌水量 检修水泵的能力应不小于工作水泵能力 的 25 正常涌水期 水泵必须的排水能力 式 3 1 3 1 1 21 2 550660 VZ Qqmh 最大涌水期 水泵必须的排水能力 式 3 2 3 1maxmax 1 21 2 10001200 VV Qqmh 式中 qz 正常涌水量 m3 h qvmax 最大涌水量 m3 h Qv1 工作水泵必须的排水能力 m3 h Qv1max 工作与备用水泵必须的排水总能力 m3 h 作为估算可认为水泵必须产生的扬程 H1 m 式 3 3 1 5 5 1 1 4505 5 501 1 h Hk Hm 式中 Hh 井筒深度 m k 扬程损失系数 竖井 k 1 1 斜井 k 1 20 1 35 由于矿水污染严重 应考虑选择 MD 型耐磨泵 综合上述几点 可选用 MD500 57 型号泵 其单级扬程 Hi 57 水泵级数 故选级数 i 9 1 501 1 8 8 57 H i Hi MD 型泵是目前国内较为理想的煤矿用排水泵 其各型号见表 2 1 型号含 义如图 3 1 所示 图 3 1 水泵型号含义 比较 Qv1 Qv1max 和 Qe 可知 在正常涌水时期需要水泵台数 1 1 660 1 322 500 v e Q n Q 在最大涌水时期需要投入工作的水泵台数 1max 1200 122 43 500 v e Q nn Q 山西煤炭职业技术学院 18 除此之外 尚需一台检修水泵 故工作水泵n1 2 备用水泵n2 1 检修水 泵n3 1 共四台水泵 3 管路趟数的选择 根据各涌水期投入工作的水泵台数 可选用三趟管路 正常涌水期两台水 泵同时工作 各用一趟管路排水 另一趟备用 最大涌水期三台泵同时工作 启用备用管路 三趟管路并联排水 3 43 4 引水设备引水设备 离心式水泵只有在泵壳内充满水的情况下允许启动 通常采用的方法是打 开逆止阀旁通道上的截止阀 或注水电磁阀 让排水管道中的压力水注入泵体 泵体内的空气从放气旋塞排出 这种方法要求水泵必须装设底阀 在排水过程 中 底阀产生一定的水力损失使水泵的电耗增加 效率降低 为了取消底阀 增加吸水高度 便于自动控制 还可采用以下充水装置 一 用真空泵抽真空吸水 在多台大泵集中排水的情况下 可设置两台真空泵专为大泵抽真空吸水 一般采用 SZ 型 SZB 型 SZH 型水环式真空泵 在本系统中采用的是 SZ 水环 式真空泵 其大致的工作原理为 在泵体中装有适量的水作为工作液 当叶轮顺时针 方向旋转时 水被叶轮抛向四周 由于离心力的作用 水形成了一个决定于泵 腔形状的近似于等厚度的封闭圆环 水环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切 水环的上部内表面刚好与叶片顶端接触 实际上叶片在水环内有一定的插入深 度 此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间 而这一空间又被叶轮分 成和叶片数目相等的若干个小腔 如果以叶轮的下部 0 为起点 那么叶轮在 旋转前 180 时小腔的容积由小变大 且与端面上的吸气口相通 此时气体被 吸入 当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝 当叶轮继续旋转时 小腔由大变小 使气体被压缩 当小腔与排气口相通时 气体便被排出泵外 水环泵是靠泵腔 容积的变化来实现吸气 压缩和排气的 因此它属于变容式真空泵 SZ 水环式真空泵的性能参数如表所示 在正常情况下 为了加快充水过程两台真空泵同时对一台水泵抽气 当一 台真空泵发生故障时 另一台仍能担负抽气的任务 抽气管经过电磁阀与每台 水泵进水端的放气孔相接 管路接头处要保证严密 由于真空泵在工作时会发 热 及一部分工作液 水环 随气体一起排走 所以应不断地向真空泵补充清 水 在图 3 2 中 启动真空泵时 由清水水箱经管路 6 给真空泵补充清水 当 真空表的读数达到要求时即可启动大水泵 山西煤炭职业技术学院 19 表 3 1 SZ 水环式真空泵的性能参数 接进水管放气孔 6排气软管 5补水水管 1抽气管 3真空表 2电磁阀门 4水环式真空泵 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 3 2 真空泵的安装示意图 二 利用射流喷管抽真空吸水 目前 我国煤矿主要排水设备通常由离心式水泵 电动机 起动设备 仪 表 管路 滤水器 底阀 闸阀 逆止阀 充水装置等组成 离心式水泵通常 只有在泵体内充满水的情况下才允许起动 才能上水 经常采用的方法是打开 逆止阀旁通管上的截止阀 让主排水管路中的压力水注入泵体 泵体内的空气 从放气孔排出 这样的方法要求水泵必须装设底阀 但在排水过程中 底阀产 生一定的水力损失 使水泵的电耗增加 效率降低 而且底阀易出现不闭合 胶垫烂等现象而造成漏水 无形中增加了维修量 降低了水泵排水的可靠性 于是 根据现场实际 来水管处地方窄小 利用射流管抽真空技术制作了充水 装置 投用后效果良好 射流管的尺寸 整体安装位置如图2 5 A即为射流管 充水装置 l 2为截止阀 分别控制主管路给水和泵体内排空气 3为真空表 用来监视泵体及管路内真空度 真空度达到上水要求 即可开泵 4为主闸阀 真空最大吸气量 压缩机最大排气量 m3 h 当真空度为 当压力为 Mpa 电机功 率 Kw 型号 0 40 60 80 90 0 0 05 0 08 0 1 0 15 真 空 泵 压 缩 机 转速 r min 水耗 量 L min 最 大 真 空 度 SZ 1 1 50 640 40 12 1 51 45 514401084 SZ 2 3 41 650 950 25 3 42 621 5 7 51114403087 SZ 3 11 56 83 61 50 511 59 28 57 53 522379807092 SZ 4 2717 6113 272620169 5759074010093 山西煤炭职业技术学院 20 5为逆止阀 开泵时 先开启截止阀2再开启截止阀l 主管路高压水经截止阀l射 向射流管A 观察真空表 一般真空度达到0 05 MPa以往前运动 并在喷嘴口处 形成一定的真空度 这样泵体和吸水管内的空气被吸进混合室 两股合成气水 混合物 经过喷管的颈口及扩散管排出 再流入水仓 要注意射流管所造成的真空度的高低不仅与喷管本身的合理尺寸有关 而 且也与水泵排水管内存水的压力有关 排水管内存水压力越大 水泵充水的时 间就越短 压力越小充水的时间就越长 甚至吸不上水来 l 2 截止阀 3 真空表 4 主闸阀 5 逆止阀 6 滤网 去底阀 7 混合室 8 颈口 图3 3 射流喷管的尺寸及安装位置 三 真空泵与射流管的比较 使用射流管抽真空吸水与使用真空泵一样 也能省去底阀提高水泵的效率 及吸水高度 而且它具有结构简单 不占用泵房空间 维修量小等优点 它的 主要缺点就是不能解决第一次启动前的充水 因为第一次启动之前 排水管中 无存水 喷管无水源 除非向排水管注入足够的水否则必须保留一台水泵带有 底阀 3 53 5 自动阀门自动阀门 本设计中主要用到了电动闸阀 电动球阀两种阀门 下面就这两种阀门进 行简单的介绍 3 5 1 电动闸阀电动闸阀 电动闸阀是安装在水泵的出水口处主排水管上的 用于控制排水管开关的 阀门 闸阀是指关闭件 闸板 沿通路中心线的垂直方向移动的阀门 闸阀在 管路中主要作切断用 闸阀是使用很广的一种阀门 一般口径DN 50mm的切断 装置都选用它 口径很小的切断装置也可选用闸阀 闸阀有以下优点 山西煤炭职业技术学院 21 流体阻力小 开闭所需外力较小 介质的流向不受限制 全开时 密封面受工作介质的冲蚀比截止阀小 体形比较简单 铸造工艺性较好 闸阀也有不足之处 外形尺寸和开启高度都较大 安装所需空间较大 开闭过程中 密封面间有相对摩擦 容易引起擦伤现象 闸阀一般都有两个密封面 给加工 研磨和维修增加一些困难 表 3 2 Z2410 ZTX 系列电动闸阀主要技术参数 设计中使用了 Z2410 ZTX 系列电动闸阀 它是由多回转电动执行器与 Z41 42 闸阀组合在一起 闸板及填料外密封可靠 开关平稳 流道通畅 流阻 小 广泛用于化工 石油 冶金 能源等行业 用来实现远控操作 主要技术 参数及性能如表 2 3 所示 3 5 2 电动球阀电动球阀 电动球阀在系统中应用较多 在图 2 2 水泵排水系统中可以看出 真空泵抽真 空 射流管方式抽真空都用到了电动球阀 电动球阀结构比较简单 价格也较低 应用方便灵活 不过其口径都较小 不能替代电动闸阀的位置 一般只应用于控制 管径较小的管路的开断 本设计中使用了 Q5100 TZX 系列电动 O 型调节球阀 Q5100 TZX 系统电动 O 型调节球阀是一种转角为 90 的旋转类调节阀 密封性能优良 流通能力大 流阻系数小 结构简单 维修方便 使用寿命长 配用 DKJ 执行器引配 日本工装 西德欧姆龙等高性能执行机构 产品通常用于密封要求严格的场合 除控制气体 液体 蒸汽介质外 还适宜控制污水和含有纤维性杂质的介质 广泛用于石油 化工 冶金 轻工 造纸 电站 制冷等工业领域 主要技术参数及性能如表所示 公称直径 DN mm 25 800 公称压力 PN MPa 1 6 2 5 4 0 6 4 连接标准法兰连接 按 JB T79 1 JB T79 2 标准 阀体材料代号ZG230 450ZG1Cr18Ni9TiZG0Cr18Ni12M02Ti 密封面材料代号H Y 适用介质水 蒸汽 油品等硝酸类腐蚀性介质醋酸类腐蚀性介质 适用温度 425 550 200 山西煤炭职业技术学院 22 表 3 3 Q5100 TZX 系列电动 O 型调节球阀主要技术参数 公称直径 DN mm 15 20 25 32 40506580100125150200250300350400 公称压力 PN MPa 1 6 6 4 连接标准法兰连接 按 JB T79 2 JB T79 2 标准 球芯转角90 阀体材料ZG230 450 ZG1Cr18Ni9Ti ZG0Cr18Ni12M02Ti 适用温度 40 180 常温 40 450 高温 执行机构 DKJ 型 PS AUTOMATION CMBH LNAR KOSO Unic Z 电动 执行机构 输入信号0 10mA 4 20mA 1 5VDC 3 63 6 高压开关柜高压开关柜 矿用高压开关柜因为不是防爆型电气设备 只能用于无瓦斯和煤尘突出 通风良好无爆炸危险的煤矿井下井底车场 大巷 中央变电所等场所 矿用高压开关柜工作条件为 1 煤矿井下环境温度不能超过 35 2 相对湿度不超过 95 3 3 无导电尘埃及腐蚀金属和破坏绝缘的气体 4 无剧烈振动及垂直倾斜度不超过 5 的场所 本设计中选用 GKW 1 型矿用高压开关柜 额定电压为 3kV 6kV 额定 电流为 5 400A GKW 1 型高压开关柜用等边角钢制成骨架 用 2mm 厚的钢板焊成封闭式 具有防滴防水的作用 前门上装有二次仪表和信号灯 打开前门是操作室 装 有脚踏按钮 操作屏上装有操作手柄 操作机构 辅助开关和端子板 后门上 装有观察窗 以便观察油断路器的油面情况 母线均涂颜色 A 相涂黄色 B 相涂绿色 C 相涂红色 后门和隔离开关之间有机械闭锁装置 只有隔离开关断开时才能打开后门 反之 只有关上后门才能合上隔离开关 隔离开关的操作机构与油开关的操作 机构之间也有机械闭锁装置 当隔离开关断开时油开关就不能合上 油开关合 上时隔离开关就不能打开 保护板下面的小门打开就可以检查电压互感器和高 压熔断器 小门与隔离开关之间也有机械闭锁装置 只有隔离开关断开才能打 山西煤炭职业技术学院 23 开小门 小门打开隔离开关就不能闭合 以防发生触电事故 控制水泵房的高压开关柜主要是为水泵电机提供电源 由于水泵电机属于 高压大容量电机 不能直接启动 需采用串联电抗器或采用 Y D 转换降压启动 的方法来启动电机 而这个任务要由高压开关柜来完成 由于采用电抗器降压 在启动的开始阶段 由于功率因数低 在电抗器上的压降大 随着转速的增高 启动电流逐渐减小 且功率因数逐渐增高 其结果是使电抗器上的压降减小 电机上的端电压逐渐增高 这样在启动终了短接电抗器时 冲击电流会小些 电抗器降压启动的接线如图 3 4 所示 这样 当 PLC 发出一个水泵电机启动的 命令给高压开关柜后 高压开关柜就会自动完成水泵电机的平稳启动了 图 3 4 电抗器降压启动接线图 M 高压柜进线端 高压柜内部接线 山西煤炭职业技术学院 24 第四章 PLC 自动控制矿井主排水系统的设计 4 14 1 控制系统总体结构控制系统总体结构 系统采用现场层 远程 IO 控制层 PLC 和管理层 工业计算机 组成的三级控 制系统来实现排水系统的自动控制 工业计算机利用友好人机界面实现人机对 话和远程监控功能 PLC 作为控制器完成逻辑处理和控制任务 远程 I O 实现 现场数据的采集和上传 控制系统总体结构如图 4 1 所示 图 系 1 井井下下中中央央变变 电电所所 中中央央泵泵房房 PLC 控控制制柜柜 光光缆缆 就就地地控控制制箱箱 PROFIBUS DP 4 48 85 5 高高压压柜柜综综保保单单元元 或或具具备备通通信信功功能能 的的电电力力监监测测模模块