安全监测监控课程设计实例.docx

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安全监测监控课程设计实例

安全监测监控系统

课程设计

论文名称：

蓄水池变频恒流量抽水自动控制系统设计

论文单位：

能源学院

论文作者：

安全工程

学号：

指导老师：

蓄水池变频恒流量抽水自动控制系统

1设计目的与要求

1.1设计目的

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和资源浪费，而如果二次处理，成本极高。

所以考虑采用二次利用的方式能有效的解决矿井水排放问题。

本设计利用从井下抽放到地面蓄水池的矿井水进行制浆，制成的泥浆将会用于井下灭火和充填。

这样做可以变废为宝，减少对环境的污染，有效的解决矿井水排放处理问题，同时也解决了制泥浆所需水的问题，降低了制浆的成本。

因此，这种设计会有很好的经济效益。

1.2设计要求

设计对象是某煤矿地面蓄水池，通过设计一个自动控制系统，将其中的水抽出刀制定的制浆设备用于制浆，实现井下废水的再利用。

该矿井下抽取到地面蓄水池的水杂质较少，矿领导设计制浆用水量为70方/小时，可以采用变频器进行控制，制定一个自动控制系统来实现该功能。

设计采用水泵将蓄水池的水抽出到指定设备的系统，具体要求：

（一）、能检测抽出的水流量；

（二）、形成一个自动恒流控制系统；

（三）、能控制水流量为我们的指定值。

2系统结构设计

2.1控制方案

根据设计目的和设计要求，本设计采用变频恒流量抽水方式，最根本的目的是将蓄水池中的水抽送至制浆设备中，在设计中添加流量传感器、变频执行器和控制器等将抽水过程进行优化。

实现恒流量变频自动控制抽水过程。

流量传感器用来监测管路中的流量是否达到生产所需的值；变频执行器以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，在本设计中，其作用也是一样的，它是对水泵进行转速控制的单元.变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制；控制器可以实现对抽水过程的灵活控制。

对此，选用新型变频调速抽水设备，该设备将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。

由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。

由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。

同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。

2.2系统结构

本系统属于蓄水池变频恒流量抽水自动控制系统，主要在原本的蓄水池中添加先进控制设备和辅助设备，二次利用矿井废水，实现废水的再利用。

该系统具体有这几部分：

抽水泵，传感器，执行器，控制器，还有其他若干配套设备。

由于本设计要求是恒流量型的，所以传感器使用电磁流量计；执行器选择变频器，带有PID调节器，变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。

；控制器选择一台PLC控制器。

上述几种设备工作时之间的相互关系的工作系统结构原理图如图2-1：

PID

调

节

器

变频器

PLC控制器

电磁流量计

水

泵

机

组

图2-1设计系统结构原理图

3设备选型

3.1传感器

传感器选用电磁流量计，电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。

电磁流量计的优点是压损极小，可测流量范围大。

最大流量与最小流量的比值一般为20：

1以上，适用的工业管径范围宽，最大可达3m，输出信号和被测流量成线性，精确度较高，可测量电导率≥5μs/cm的酸、碱、盐溶液、水、污水、腐蚀性液体以及泥浆、矿浆、纸浆等的流体流量。

但它不能测量气体、蒸汽以及纯净水的流量。

优点：

（1）电磁流量计可用来测量工业导电液体或浆液。

（2）无压力损失。

（3）测量范围大，电磁流量变送器的口径从2.5ｍｍ到2.6ｍ。

（4）电磁流量计测量被测流体工作状态下的体积流量，测量原理中不涉及流体的温度、压力、密度和粘度的影响。

缺点：

（1）电磁流量计的应用有一定局限性，它只能测量导电介质的液体流量，不能测量非导电介质的流量，例如气体和水处理较好的供热用水。

另外在高温条件下其衬里需考虑。

（2）电磁流量计是通过测量导电液体的速度确定工作状态下的体积流量。

按照计量要求，对于液态介质，应测量质量流量，测量介质流量应涉及到流体的密度，不同流体介质具有不同的密度，而且随温度变化。

如果电磁流量计转换器不考虑流体密度，仅给出常温状态下的体积流量是不合适的。

（3）电磁流量计用来测量带有污垢的粘性液体时，粘性物或沉淀物附着在测量管内壁或电极上，使变送器输出电势变化，带来测量误差，电极上污垢物达到一定厚度，可能导致仪表无法测量。

选用上海速坤仪表有限公司的智能型电磁流量计，流量适合设计要求的70方每小时。

如实物图如图3-1：

图3-1

具体技术参数如下如表3-1：

表3-1

介质电导率

＞5μS/cm

介质流速

推荐流速：

0.5～10m/s，可测量流速：

0.1～15m/s

量程范围

满量程20mA对应流量规格详见下表，在口径范围内可任意设置

精度等级

±0.5%，±1%

环境温度

-10℃～50℃

介质温度

60℃（橡胶内衬）、120℃（四氟内衬）、180℃（四氟内衬）

工作压力

DN10～50：

PN≤4MPa

DN65～200：

PN≤1.6MPa

DN250～1000：

PN≤1.0MPa

DN1200～2000：

PN≤0.6MPa

DN2200：

PN≤0.25MPa

以上各口径如需要更高压力，可以特殊订货

电源

AC220V50Hz（90～245VAC50Hz）

DC24V（20～36VDC）

DC3.6V（锂电池供电）

防护等级

标准型IP65，防水型IP68

电极材质

316L，Hc，Hb，Ti，Ta，Pt

衬里材质

氯丁橡胶，聚四氟乙烯，聚氯乙稀

法兰标准

GB9119-2000

3.2执行器

变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

变频调速是公认为理想的调速方式，采用变频调速一是为了满足提高劳动生产效率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。

变频调速的节能：

供水系统采用变频器泵的节能效果明显，节电率达20%-60%。

减少无功功率：

变频器有效的节省了无功功率消耗的能量。

易于控制，控制系统简单化：

供水系统变频器的应用使系统更方便控制。

设计选用上海肯科电气有限公司的三菱电机变频器，型号为：

FR-D700系列变频调速器。

如实物图如图3-2：

图3-2

技术数据：

表3-2

变频器

适用电机容量（KW）

输出额定容量（KVA）

输出额定电流（A）

过载能力

电源额定输入交流电压/频率

冷却方式

FR-D700系列5.5型（三菱）

5.5

9.1

150%60s,200%0.5s（反时限特性）

3相，380V至480V50Hz/60Hz

强制风冷

3.3控制器

PID（比例（proportion）、积分（integral）、微分（derivative））控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。

PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti和Td）即可。

在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

首先，PID应用范围广。

虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。

其次，PID参数较易整定。

也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。

如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。

本设计选用三菱电机-PLC，FX1S系列PLC。