煤矿井下排水系统控制的系统设计2.docx
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1、四川科技职工大学姓 名: 学 号: 学 院: 专 业: 机电工程系 设计题目:煤矿井下排水系统控制的系统设计 专 题: 指导教师: 职 称: 2013年6月2日 摘 要煤矿井下排水设备对保证矿井正常生产起着非常重要的作用。目前国内各矿井的排水系统多采用传统的继电器控制方法,用人工进行监测。传统方法控制线路复杂,设备运行的可靠性低,工人劳动强度大,不适应煤炭发展的需要。本文设计的排水系统采用PLC控制与PC监视相结合的方式,弥补了传统继电器控制的缺陷与不足,提高了工作可靠性和稳定性。在本设计中首先对煤矿排水系统进行概述,然后根据排水控制的要求,进行自动控制方面的设计。本系统采用西门子的S7-30
2、0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。有自动、半自动和手动三种操作方式可供选择。为了防止工作水泵及管路磨损过于严重、备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而导致电机和电气设备受潮或有其他故障不能及时发现,本系统采用水泵及管路的“自动轮换”工作机制。又根据“避峰就谷”的原则确定开启水泵台数,以达到节省用电的目的。关键词:煤矿; 排水系统; 集中控制; PLC目 录1 绪论11.1煤矿井下水的形成及排水的重要性11.2国内外研究现状及主要问题21.2.1课题研究现状21.2.2主要问题31.3本课题研究的主要内容41
3、.4本章小结52 煤矿井下排水系统组成概况62.1离心式水泵工作原理62.2射流泵和真空泵的介绍82.2.1真空泵工作原理92.2.2射流泵工作原理112.3离心式水泵的启停过程112.3.1离心式水泵的启动过程112.3.2离心式水泵的停机过程122.4多台水泵的井下排水系统组成及功能实现122.5本章小结133 系统硬件设计143.1可编程控制技术143.1.1 PLC的主要特点143.1.2 PLC的基本工作原理173.1.3 PLC实现控制功能193.2 PLC控制系统总体设计213.2.1控制系统的输入/输出参数统计223.2.2 PLC系统选型243.3本章小结254 传感器选型2
4、64.1液位传感器介绍274.1.1超声波液位传感器274.1.2投入式液位传感器284.1.3液位检测装置的选择294.2电机及水泵温度检测304.3水泵压力检测314.4水泵流量检测324.4.1流量检测仪器的安装位置324.4.2电磁流量计工作原理及其特点344.5水泵负压检测374.6本章小结375 控制系统的软件设计385.1软件流程图385.1.1自动轮换工作405.1.2避峰填谷405.3水泵的自动开启、运行、停止故障保护流程图435.4部分程序465.5本章小结486 总结与展望496.1总结496.2展望49参考文献51英文原文53中文译文61致 谢67 1 绪论1.1煤矿井
5、下水的形成及排水的重要性在矿井生产过程中,经常有各种水源的水涌入矿井,称之为矿水。大量的矿水威胁到矿井生产的正常运行,突发时甚至会造成工作人员的伤亡。产生矿井涌水的两个必备条件是矿井水源和涌水通道。1.矿井涌水的水源矿井涌水的水源有地表水和地下水两大类。(1)地表水源。地表水源主要指大气降水和地表水。1)大气降水。大气降水是地下水的主要补给水源。降水量对矿井涌水的影响,对于分布于河谷洼地,并且煤层上部有透水层、溶洞、裂隙或塌陷的浅井较为显著,其影响具有明显的季节性。雨季矿井涌水量增大,旱季则相反。 2)地表水。河流、湖泊、水库和塌陷地积水等地表水,可以通过井筒、塌陷裂隙、断层、裂隙、溶洞和钻孔
6、等直接进入井下,也可以作为地下水的补给水源,使地下水经过与井巷连通的通道进入井巷,造成水灾。(2)地下水源。地下水是矿井水最经常、最主要的水源,而大气降水和地表水也是一般先补给地下水,然后再流入矿井。所以研究地下水的水量分布、补给条件、动态变化规律等,对分析矿井涌水极为重要。 根据地下水的赋存状态和赋存位置的不同,可将矿井水分为以下几种: 1)含水层水。地层中的沙层、砂岩和灰岩层等,往往含有丰富的地下水。当掘进巷道揭露含水层或回采工作面放顶后所形成的冒落裂隙与这些含水层相通时,含水层水就涌入矿井。含水层水一般都具有很高的压力,特别是当它与地面水源相通时,对矿井安全生产的影响较大。 2)断层水。
7、断层带及断层附近岩石破碎,裂隙发育,常形成构造赋水带。特别是当导水断层与强含水层或积水体相通时,如发生断层突水,就会形成水灾。 3)老空积水。井下采空区或煤层露头附近的古井、小窖常有积水,如果开采时与之相通,就会发生突水事故。另外,还有生产用水。煤矿生产过程中,如水采、除尘、煤体注水、防火注浆、水砂充填等,都要大量用水,如管理不善、排水不畅也可能引起水灾事故。2.矿井涌水通道矿井涌水通道可分为人为形成的通道和天然形成的通道两种。(1) 人为形成的通道有:1)顶板冒落裂隙带顶板冒落形成导水裂隙。2)地表岩溶塌陷带矿区开采后地表下沉,地表水和大气降水通过塌陷坑直接进入井下。3)封孔质量差的钻孔打孔
8、后封孔不严,钻孔成为各类含水层的涌水通道。(2)天然形成的涌水通道有: 1)孔隙、裂隙各种岩层中的节理、层理成为涌水通道。 2)岩溶岩石中的溶洞、孔洞成为涌水通道。 3)断层破碎带通过断层与含水层相连,断层破碎带成为涌水通道。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。在煤矿地下开采过程中,由于地层中含水的涌出,雨水和江河水的渗透,水砂充填和水利采煤矿井的井下供水,将更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。煤矿大量的井下水在会对工作人员和设备的安全造成很大的威胁,如不采取及时有效
9、地治理措施,会造成严重后果,轻者淹井停产,重者矿毁人亡。因此矿井主排水系统是保证矿井安全的关键设备之一,在煤矿安全生产中有着举足轻重的作用。1.2国内外研究现状及主要问题1.2.1课题研究现状目前国内外学者已经在煤矿井下排水系统控制的研究中取得了很多成就。就国内的研究工作来看,大多是从煤矿井下排水系统的安全可靠性、节能的角度进行研究。首先是煤矿对中央泵房水泵自动控制系统的成功改造,为我国井下排水系统自动控制开辟了一条新的途径。这也验证了以计算机进行单台水泵的“水泵控制系统”改造和以矿井监控为主的“矿井监控系统”组成的“矿井排水自动控制系统”是一种可行的方法。随后几年,根据煤矿井下排水系统消耗电
10、能大的特点,国内研究人员分别从离心式水泵,排水管路,电动机三个方面提出了对井下排水系统的节能改造。由于各类矿井情况差别大,能源消耗尤其是电能消耗大,所以在节能技术方面的研究对煤矿效益,以致可持续发展有着很大的意义。国内某计研究院提出采用PLC自动检测水仓水位、管道压力、流量等数据,根据水仓水位高低和参考矿井用电情况,建立数学模型,达到了水泵运行的避峰就谷的效果,有效地节省了矿井在排水系统上的能耗,缩减了煤矿的生产成本。随着全国普及用电分时段计费后,国内专家就煤矿用电问题提出了分时用电以降低煤矿井下排水的成本。本观点避开水泵、管道和用电效率等因素,单从用电时段来考虑,强调煤矿井下排水应避开用电高
11、峰,尽量在用电低谷把井下的水排净,称为煤矿排水的“避峰填谷”技术。国外的研究大多从管道的长期的维护和清理,井水质量对排水设备的影响等更加细微更加长远的方面来研究。俄罗斯研究人员根据费用相等的原理,推导出水泵最佳使用周期和管道清理周期的两种形式相似的计算公式,为水泵使用和管道清理从科学的角度进行阐述,提高了整个排水系统的安全性能。酸性矿井排水及有害元素的影响对井下排水系统也是一项严峻的考验。它不仅关乎到整个排水系统的正常运行,更影响井下设备和工作人员的安全。因此研究酸性矿井排水和有害元素的危害的新工艺已是国外矿井排水下大力度解决的科研难题。英国、德国、加拿大、西班牙等国根据本国矿井的具体存在的环
12、境问题,特别是酸性矿井排水进行了大量的研究。并公开发表了数百篇学术论文和几部论文集和专著。对世界矿井排水中的环境研究作出了巨大的贡献。1.2.2主要问题矿井中央泵房是矿山企业的机电要害场所,直接影响到矿山企业的安全生产,现在国内的矿山企业矿井中央泵房的自动化水平还不是很高,这影响了生产的安全生和高效性,矿井中央泵房无人值守自动化系统可以有效解决这些问题。井下的水泵电压高、功率大、启动复杂,水泵启动前吸水管路的充水,通常采用抽真空吸水的方法来完成。现泵房内设备的运行与管理以及水仓水位的观察,普遍采用人工操作方式,操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长、自动化程度低、不适应现代化矿井管理。 随着
13、我国颁布分时缴纳电费的办法后,煤矿排水的经济效益也尤为突出。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,煤矿排水系统的节约用电也开始引起人们的注意。1.3本课题研究的主要内容1.水泵的启停控制机制煤矿井下排水自动控制系统是以单个水泵的自动运作为基础的,每个水泵在启动前, PLC模块先启动抽真空系统,检测真空度。如果没有达到所需的真空度则继续等待并适时检测,当达到所需的真空度,则启动水泵。然后检
14、测水泵出水口压力,如果压力参数没有达到要求,则继续等待,并适时检测,当压力参数满足要求,则打开水泵出水口电动闸阀同时停止抽真空系统。水泵运行过程中, PLC模块又适时检测水仓液位,当水位低于液位下限值时则关闭水泵电动闸阀。确保闸阀关闭到位,水泵关闭完毕。2.水泵自动转换工作每台水泵有两个数据寄存器,分别存放运行时间和运行次数。每次启动水泵,自动启动运行时间最短的无故障水泵。当两台水泵的运行时间相近且最少时,则启动运行次数较少的水泵。自动累加水泵的排水时间和排水次数。 3.“避峰填谷”机制设定3个水位限值: H1(水位下限) , H2(报警水位) , H3(超限水位) , 当前水位设为H。当H达
15、到H2时,首先对电网的负荷进行监测,若处于用电谷段,即启动水泵;若处于用电峰段,则暂缓启动水泵;当水位继续上升至H3时,则不论电网负荷如何, 必须立即启动水泵;不论投入几台水泵,水位必须下降到H1时方可停泵。1.4本章小结本章简述了煤矿井下水的形成和排水的重要性,目前该领域存在的问题,并介绍了国内外研究现状,最后对本课题所要做的主要内容进行了简单的概括。 2 煤矿井下排水系统组成概况2.1离心式水泵工作原理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。如图2-1所示。1.起动设备
16、2.电动机3.水泵 4.抽水管 5.滤水器 6.负压表 7.压力表8.闸阀9.逆止阀10.射流泵 11.排水阀 12.静压水管 13.射流泵电磁阀 图2-1 离心式水泵工作系统1.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0.5m 。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。2.闸阀(如图2-2)是指启闭体(阀板)由阀杆带动阀座密封面作升降运动的阀门,可接通或截
17、断流体的通道。当阀门部分开启时,在闸板背面产生涡流,易引起闸板的侵蚀和震动,也易损坏阀座密封面,修理困难。闸阀通常适用于不需要经常启闭,而且保持闸板全开或全闭的工况。不适用于作为调节或节流使用。 图2-2闸阀结构图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:(1)调节水泵的流量和扬程;(2)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
18、上,其作用为检修排水管路时放水用。3.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。4.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
19、阀提起。5.压力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60,100,150,200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。6.真空表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60,100,150,200和250mm五种。真空表测量范围为0-0.1 MPa(一个大气压)。 2.2射流泵和真空泵的介绍离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵
20、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。水泵房排水设备一般安置在水井液面以上,所以水泵启动前的灌水一般采用吸入式。为了减小井水吸入阻力,提高泵站运行效率,吸水管路不宜设置底阀。无底阀吸入式灌水,要采用撞门的引水设备,对水泵排水腔和吸水管路进行抽真空,使水泵运行前充满水。引水设备一般为真空泵或射流泵。真空泵和射流泵中所用到的阀门都是球阀。球阀(如图2-3)是由旋塞阀演变而
21、来。它具有相同的启闭动作,不同的是阀芯旋转体不是塞子而是球体。当球旋转90度时,在进、出口处应全部呈现球面,从而截断流动。球阀在管路中主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向。 图2-3 球阀结构图2.2.1真空泵工作原理真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。真空泵可以定义为:利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。随着真空应用的发展,真空泵的种类已发展了很多种,其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。极限压力(极限真空)从粗真空到10-12Pa以上的超高真空范围。 由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽,因此任何一种类型的
22、真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围,只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求,使用不同类型的真空泵。为了使用方便和各种真空工艺过程的需要,有时将各种真空泵按其性能要求组合起来,以机组型式应用。 凡是利用机械运动(转动或滑动)以获得真空的泵,称为机械真空泵。机械真空泵按其工作原理及结构特点分述如下: 1.变容真空泵 它是利用泵腔容积的周期变化来完成吸气和排气以达到抽气目的的真空泵。气体在排出泵腔前被压缩。这种泵分为往复式及旋转式两种。 (1)往复式真空泵 利用泵腔内活塞往复运动,将气体吸入、压缩并排出。又称为活塞式空泵。 (2)旋转式真空泵 利用泵腔内转子部件的旋转运动将气体吸入、压缩
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