移动式瓦斯抽放泵站及其监控系统设正文

1、摘 要我国煤矿安全生产的形势依然严峻，瓦斯突出是最主要的灾害。针对目前煤矿广泛采用的瓦斯抽排系统存在的问题和安全隐患，研究开发了煤矿移动瓦斯抽排泵站及其监控系统。所开发的系统能够根据情况来智能地调节瓦斯抽排流量的大小，该系统可以进行浓度监测、显示、超限报警，断电，信息联网，还增加了断水保护功能。本文首先介绍了煤矿现场井下瓦斯抽排的实际情况，分析了国内外发展及其现状，在此基础上设计出了系统整体方案。系统采用PLC作为控制器的核心，确定了泵、变频器、瓦斯传感器、移动平板车、等硬件器件的选型，文中介绍了监控系统的组成，较为详细地介绍了PLC与变频器的接口功能。整个抽排系统的智能控制通过瓦斯浓度监测结

2、合PLC智能控制，解决了现有井下抽排系统中经常出现的瓦斯超限问题，提高了系统的控制精度、安全性及可靠性。所以该设计具有非常好的应用前景。关键词：瓦斯监控；变频调速；PLC；Abstract The situation of Chinas coal mine safety production is still severe, and gas outburst is the primary disaster. Based on the problems and security risks of the gas drainage system which widely used for coal

3、 mine at present, mobile gas pumping station and its monitoring system was developed. The developed system can intelligently adjust the gas drainage flow size according to the situation, and the system can be used for concentration monitoring, displaying, overrun alarming, power off, information net

4、working, also be added.This paper first introduced the practical situation of gas drainage of underground coal mine, analyzed its domestic and international development and its present situation and as a result designed the systemic program. This system takes PLC as its core of the controller, deter

5、mining the model selection of hardware devices such as pumps, frequency converters, gas sensors, and mobile transporters. he components of control system were described in this paper with a more detailed description for the interface functions of PLC and frequency converters. The intelligent control

6、 of the drainage system was realized by the monitoring of the gas concentration and PLC intelligent control, this solving the problem of gas gauge which appears in the underground drainage system, improving the control accuracy, security and reliability of the system. Therefore the research of this

7、design gets a very good prospect.Keywords：gas monitoring； frequency control of motor speed;；PLC目 录摘 要Abstract第1章 绪论11.1 课题背景11.2 移动泵站的发展现状11.3 存在的问题21.4 本文设计的内容2第2章 系统总体设计32.1 系统方案的提出32.2 设计方案的评价与确定42.3 基本参数的确定4第3章 机械部分的计算与选择63.1 真空泵选型63.1.1 瓦斯泵的分类63.1.2 真空泵的工作原理73.1.3 真空泵型号的确定73.2 电机计算与选择103.2.1 泵用

8、电机选用原则103.2.2 电机功率的确定103.2.3 电机型号的选择113.3 减速器选择113.4 联轴器选择123.4.1 联轴器分类123.4.2 载荷计算133.4.3 联轴器的型号选择13第4章 监控部分设计154.1 控制对象确定154.2 控制方案的设计与选择154.3 PLC选择154.3.1 PLC型号的选择154.3.2 I/O口分配164.3.3 扩展模块的选择174.3.4 频率/电流转换器174.4 变频器选型184.4.1 变频器类型选择184.4.2 变频器容量的计算194.4.3 变频器型号的选择194.4.4 变频器外围设备的选择204.5 传感器选型20

9、4.5.1 矿用压差传感器204.5.2 矿用压力传感器214.5.3 矿用温度传感器224.5.4 管道甲烷浓度传感器234.5.5 环境瓦斯浓度传感器244.5.6 断水保护仪264.5.7 流量传感器27第5章 移动平板车选择285.1 平板车型号的确定285.2 保护罩的设计295.3 锁轨器的设计29第6章 系统安装调试与使用操作306.1 设备安装条件及注意事项306.2 使用与操作30结 论32致 谢33参考文献34ContentsAbstractChapter1 Introduction11.1 Background of the projects11.2 Current si

10、tuation of mobile pump station11.3 Problems21.4 Contents2Chapter2 System design32.1 Propose of the systemic scheme32.2 Evaluation and determination of the design42.3 Determination of the basic parameters4Chapter 3 Calculation and selection of the mechanical parts63.1 Selection of vacuum pump63.1.1 C

11、lassification of gas pump63.1.2 Principal of vacuum pump73.1.3 Determination of vacuum pump type73.2 Calculation and selection of motor103.2.1 Selection principle of the motor of pump103.2.2 Determination of motor power103.2.3 Selection of motor type113.3 Selection of reducer113.4 Selection of coupl

12、ing123.4.1 Classification of coupling123.4.2 Load calculation133.4.3 Coupling model selection13Chapter 4 Design of monitoring154.1 Determination of the objects of control154.2 Design and selection of the control program154.3 PLC selection154.3.1 PLC model selection154.3.2 I/O signal analysis164.3.3

13、Expansion module choice174.3.4 Frequency/current converter174.4 Frequency converters selection184.4.1 Frequency converters type selection184.4.2 Calculation of capacity of the frequency converters194.4.3 Frequency converters model selection194.4.4 Selection of the peripheral equipment of the frequen

14、cy converters204.5 Sensor selection204.5.1 Differential pressure transducer for mine204.5.2 Pressure transducer for mine214.5.3 Temperature transducer for mine224.5.4 Pipeline methane concentration transducer for mine234.5.5 Environmental gas concentration transducer for mine244.5.6 W264.5.7 Flow se

15、nsor27Chapter 5 Mobile flatbed trailer selection285.1 Determination of the flatbed trailer model285.2 Design of the protection cover295.3 Lock rail design29Chapter 6 System installation debugs and uses the operation 30 6.1 Equipment setup the condition and the matters needing attention 306.2 Uses an

16、d operates 30Conclusion32Thanks33References34第1章 绪论1.1 课题背景在煤矿开采过程中，由于煤层中含有大量瓦斯气体，易发生爆炸灾害，给开采带来极大危险。为治理瓦斯灾害，人们实用新型了矿用移动式瓦斯抽放泵站，可以直接深入现场直接抽放瓦斯，并通过管道将瓦斯气体输送到地面加以利用，变害为宝。目前应用于煤矿行业的移动式瓦斯抽放泵站(如实用新型200720010631.7“矿用移动式瓦斯变量抽放泵站”）主要包括：水环真空泵、电动机、瓦斯汽水分离器、断水保护仪、低浓度甲烷传感器、甲烷断电仪、孔板流量计、隔爆型真空磁力启动器及移动底盘等组成。特点是配置简单、智

17、能化程度不高。停水断电装置及低浓度甲烷传感器和甲烷断电仪组成的瓦斯超限断电装置只是对泵站起到保护作用，而不能对瓦斯抽放参数进行实时监控1。抽放参数，包括流量、浓度、温度、负压等数据不能现场显示，不能与地面中心站计算机连接实现瓦斯参数的远程检测控制。1.2 移动泵站的发展现状国际上西门子公司生产的KENFLO水环真空泵，性能优良，产品在国际上享有较高的声誉。可连续地抽放含有大量煤尘、粉尘的甲烷混合气体，抽放能力更强。合理的结构设计使其与同型号泵站相比，宽度减少200mm，高度减少100mm。电动机与水环真空泵直联式的传动设计，大大提高了电动机与水环真空泵轴承的使用寿命，泵站运行平稳，有效地减少了

18、噪音和振动。矿用隔爆兼本安型多功能断电控制器和高低浓甲烷传感器，可监测泵站周围的瓦斯浓度，当瓦斯超限时，实现声光报警，并断电停机断水保护器工作可靠，不供水电机不起动，任何情况下停水即断电。孔板流量计和瓦斯浓度测量阀（负压），可准确地对泵站吸气管内甲烷混合气体的流量及纯甲烷浓度进行分析测定。吸气管路真空表和温度表，可实时监测泵站吸入气体的负压和温度。排气管路压力表，可实时监测排气管路中非正常管阻。安装了吸、排气调节装置，可有效地控制水环泵的负压和电动机平稳的起动与停机。1.3 存在的问题国外用于移动式瓦斯抽放泵站成型产品可靠性高， 适合于现场作业， 但在很大程度上是由人手工操作的， 自动化程度并

19、不高。所以加自动控制不仅可以解放劳动力，减轻劳动强度，还可以提高系统的可靠性。1.4 本文设计的内容设计一种可以根据瓦斯含量在安全标准以内时，泵工作在能够形成真空抽放效果的最低转速下，当瓦斯浓度升高时，泵的转速相应提高，既降低了瓦斯抽放泵的电能消耗，还起到保证瓦斯含量不超标的效果，同时有效地解决煤矿的瓦斯抽放泵的富裕量都很大，而部分煤矿还存在着所采煤层存在燃点低、发货期短、易氧化、煤层瓦斯含量很低等问题，形成过度抽放的现象，造成大量的新鲜风流涌入，造成煤层的过度氧化，使煤层很容易发生火灾。同时经过变频改造的瓦斯抽放泵站降低了电能的消耗，在瓦斯涌出量较小的采面应该可以降低电能消耗达30%45%左

20、右，按照现在的功率计算其经济效益将是非常可观的。瓦斯检测处理器，使得控制更加灵活，甚至可以做到瓦斯抽放泵站的地面监测监控，可以做到地面起、停控制，有效的避免了灾害的发生2。对于瓦斯抽放泵站及其自动监控系统一直以来存在着以下几个难点：（1）防爆变频器与PLC相结合；（2）各种传感器输出口与PLC自动控制器智能输入口相联；（3）PLC与矿井安全监测装置中的瓦斯检测分站相连接。第2章 系统总体设计2.1 系统方案的提出任何一种产品的设计研制过程都有一个方案提出并对众多的方案进行可行性论证的过程，以避免盲目决策带来的许多负面效应。产品移动瓦斯抽放本站及其监控系统有二种可实现主要功能的设计方案： 方案一

21、： 结合实际需要以及所需要达到的技术要求，技术方案拟定如下：矿用移动瓦斯抽放泵站，包括隔爆型三相异步电动机、水环真空泵、断水保护仪、移动底盘，其特征在于：设有智能监控分站，智能监控分站包括PLC、变频器、矿用差压传感器、矿用压力传感器、矿用温度传感器、管道甲烷浓度传感器。隔爆型三相异步电动机通过减速器与水环真空泵相连，水环真空泵入口与抽气管道相连，水环真空泵自带瓦斯气水分离器，孔板流量计、矿用差压传感器、矿用压力传感器、矿用温度传感器和管道甲烷浓度传感器安装在抽气管道上，矿用差压传感器、矿用压力传感器、矿用温度传感器、管道甲烷浓度传感器的输出端通过屏蔽线缆分别与处理器各信号输入端子相连，水环真

22、空泵入水口与工作液管道相连，断水保护仪安装在工作液管道上，环境低浓度甲烷传感器安装在安全护罩部，环境低浓度甲烷传感器输出端与处理器信号输入端子相连。低度甲烷传感是用于实时监测泵站工作环境甲烷浓度，当甲烷浓度超过警戒线1%时，甲烷传感器发声光报警;当甲烷浓度超过15%时，环境低浓度甲烷传感器发送信号给处理器，处理器断电，三相异步电动机停止泵的转动，有效的保护泵站和人员的安全。环境低浓度甲烷传感器现场显示数值并传送为2001000Hz频率信号，测量范围为04%CH4。当水环真空泵的进水管路供水异常时，断水保护仪探头接收到信号，断水保护仪的常闭点断开。恢复供水之后断水保护仪断电节点接通，三相异步电动

23、机可以正常启动。工作原理：电机带动水环真空泵的旋转产生负、正压，进行吸、排气通过管路把瓦斯从矿井抽排出来，瓦斯进入管道通过各种传感器把信号给PLC，经过采集把不同浓度的瓦斯信号好分析后传给变频器，变频器对电机进行调速，达到节能的效果。通过气水分离器进行气液分离，同时该泵站还具备水、电、瓦斯闭锁功能和灵活的本地、异地断复电功能，实现环境瓦斯浓度超限报警断电及泵站供水异常断电控制3。方案二：本方案在机械部分与方案一一样，区别在于控制系统。方案一的控制系统采用的是PLC作为整个系统的处理器，而本方案采用单片机作为系统的处理器。单片机采集各个传感器的信号进行分析在给变频器命令实现调速。由于单片机与变频

24、器通信是串行通信需要通信转换芯片MAX485和S75176来完成4。2.2 设计方案的评价与确定目前PLC变频技术已经非常成熟，而且有良好的防爆能力用在高瓦斯井下已经非常可靠，具有精度高，巡检周期短等特点。虽然在成本上单片机要比PLC降低很多，但单片机的可靠性没有PLC好，而且通用性能差PLC是模块化互换性很强。综合考虑，方案一较科学，将方案一定为本设计的方案。2.3 基本参数的确定煤矿的瓦斯含量有很大的不同，同一采区不同的地方瓦斯含量也不一样。矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min为高瓦斯矿井。为满足高瓦斯矿井的需要本系统具体参数：抽气量范围（m3/min

25、）：0120； 极限真空度 （）：3.3； 电机功率（）：250； 防护等级：IP54； 转速（r/min）：530； 电压（v）：380/660； 耗水量（）：90； 供水压力（kPa）：0103； 真空泵排气口径（mm）：250； 轨距（mm）：900。 第3章 机械部分的计算与选择3.1 真空泵选型3.1.1 瓦斯泵的分类瓦斯泵是矿并抽放瓦斯的动力设备。目前我国常用的瓦斯泵主要有水环式一、离心式和回转式三种。 1.水环泵水环泵的特点是：负压抽吸能力强(一级泵真空度可达95，二级泵可达98)，所抽及的瓦斯被水密封且压缩温度低，即使瓦斯浓度达到爆炸限也无爆炸危险，故安全性高，结构简单、工作平

26、稳、流量均匀。但效率低，一般为3050，最高至55，正压输气压力较低。水环泵适用于煤层透气性低、抽吸负压大及瓦斯浓度经常变化的瓦斯抽放矿井。在同一抽放系统中既能负压抽吸，又可正压输气，但正压输入管路阻力不宜过大。2.离心式鼓风机离心式鼓风机的特点是；转速高(有的用加速器加速，最高转速可达10000rmin)、窳量大(可达25000msrain)、升压高、排气均匀无脉动，运行稳定可靠、结构简单、效率高(有的可达80)。但成本高，小流量和并联运行时性能较差，易出现不稳定运转既象。离心式鼓风机适用于瓦斯流量大、负压要求不高(450kPa)的瓦斯抽放矿井既可负压抽吸，又可同时向用户正压输气。3.罗茨与

27、叶氏鼓风机罗茨与叶氏鼓风机的特点是：流量受管道阻力特性变化的影响很小，运行稳定、效率较高、成本低。但检修工艺复杂、运转噪声大、磨损较严重。罗茨与叶氏鼓风机适用于较大瓦斯流量和较高负压的瓦斯抽放矿井，既能负压抽吸，又能正压输气，但较适应于正压输气，尤其对要求瓦斯流量稳定的用户输气更为适用5。因为本设备用在井下对防爆有一定的要求和本对三种泵的比较所以选择水环真空泵。3.1.2 真空泵的工作原理叶轮偏心地装在接近圆形的泵体内，当叶轮按图3-1示箭头方向旋转时，因离心力作用，注入泵内的液体形成旋转的液环。液环的内表面与叶轮轮毂之间形成一个月牙性空间，当叶轮由A点转到B点时，两相邻叶片之间所包围的容腔逐渐增大，气体由外界吸入。当叶轮由C点转到A点时，相应的容腔由大变小，使原先吸入的气体受到压缩，当压力达到或略大于排出侧压力时，气体被排到系统中。1. 叶轮 2.排气口 3.液环 4.泵体 5.吸气口图3-1 真空泵原理图3.1.3 真空泵型号的确定2BE 1型水环式真空泵，为单级单作用的结构形式，工作介质为常温清水，通常用来抽吸不溶于水，不含固体颗粒，无腐蚀性的气体，使被抽系统形成真空，如真空干燥、真空萃取、真空脱水、自带气水分离器等。多位置设有排气口，泵盖设有排气阀检修窗口，叶轮与分配板间隙通过定位轴承两端压盖调整，安装使用方便，操作简单，便于维修。具有结构简单，运行