煤矿井下排水系统控制的系统设计煤矿井下排水系统毕业论文.docx

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煤矿井下排水系统控制的系统设计煤矿井下排水系统毕业论文

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中国矿业大学

本科生毕业设计

专业：

自动化　

设计题目：

煤矿井下排水系统控制的系统设计

专题：

2012年6月徐州

中国矿业大学毕业论文任务书

毕业设计题目：

煤矿井下排水系统控制的系统设计

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

1.掌握煤矿井下排水系统的工作原理和过程，设计水泵控制的实现方法。

2.完成排水系统的自动控制，实现“避峰填谷”功能。

3.使用可编程控制器（PLC）、水位测量单元、压力检测单元、流量监测单元等多种手段，实现自动控制，最终达到无人值守的目的。

郑重声明

本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。

所有数据、图片资料真实可靠。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。

本论文属于原创。

本毕业论文的知识产权归属于培养单位。

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩

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S7-300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。

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

ABSTRACT

Thedrainageundercoalminewellisveryimportantequipmentforensuringnormalproductionofcoalminewell.Atpresent,mostdrainagesystemsofalldomesticcoalminewelladoptconventionalmeansofrelaycontrolling,inspectedartificially.Thiskindmeansofinspectionandcontrolcan'tmeettherequirementofcoaldevelopmentforitscomplicatedcontrolcircuit,lowreliabilityofequipmentrunningandgreatworkingintension.ThedrainagesystemdesignedinthistextcombinedcontrolbyPLCwithstakeoutbyPC,sothatitmadeupavarietyoflimitationandshortageofconventionalmeansofrelaycontrollingandimprovedrunningreliabilityandstability.Thissystemandconvenientmaintenance.

Accordingtoactualconditionsofsomecoalminewell,atfirstoutlinestheminedrainagesystem,thendesignedautocontrolpartbasedondrainagecontrolrequest.ThissystemadoptsS7-300PLCseriesproducedbySIEMENS，withmanysensors（mainlyinclodingwaterlinesensors,minuspressumesensors,pressmesensors,fluxsensors）tocompleteautocontrolfunctiondemandedinthissystemdesign.Withautomatic,semiautomaticandmanualworkingmodestochoose.Inordertopreventrunningwaterpumpsandpipelinesfromwearingtoobadlyandpreventelectromotiveandelectricequipmentsofstandbywaterpumpsandpipelinesfrombeingaffectedwithdamportheirtroublenotbeingfoundintime,waterpumpsandpipelinesofthissystemarecontrolledtoruninturnautomatically.Thenumberofrunningwaterpumpsisconfirmedbytheprincipleofavoidingapexandfillingvaleinordertoeconomizeelectricity.

Keywords:

coalmine;drainagesystem;centralizedcontrol;PLC

1绪论1

1.1煤矿井下水的形成及排水的重要性1

1.2国内外研究现状及主要问题2

1.2.1课题研究现状2

1.2.2主要问题3

1.3本课题研究的主要内容4

1.4本章小结5

2煤矿井下排水系统组成概况6

2.1离心式水泵工作原理6

2.2射流泵和真空泵的介绍8

2.2.1真空泵工作原理9

2.2.2射流泵工作原理11

2.3离心式水泵的启停过程11

2.3.1离心式水泵的启动过程11

2.3.2离心式水泵的停机过程12

2.4多台水泵的井下排水系统组成及功能实现12

2.5本章小结13

3系统硬件设计14

3.1可编程控制技术14

3.1.1PLC的主要特点14

3.1.2PLC的基本工作原理17

3.1.3PLC实现控制功能19

3.2PLC控制系统总体设计21

3.2.1控制系统的输入输出参数统计22

3.2.2PLC系统选型24

3.3本章小结25

4传感器选型26

4.1液位传感器介绍27

4.1.1超声波液位传感器27

4.1.2投入式液位传感器28

4.1.3液位检测装置的选择29

4.2电机及水泵温度检测30

4.3水泵压力检测31

4.4水泵流量检测32

4.4.1流量检测仪器的安装位置32

4.4.2电磁流量计工作原理及其特点34

4.5水泵负压检测37

4.6本章小结37

5控制系统的软件设计38

5.1软件流程图38

5.1.1自动轮换工作40

5.1.2避峰填谷40

5.3水泵的自动开启、运行、停止故障保护流程图43

5.4部分程序46

5.5本章小结48

6总结与展望49

6.1总结49

6.2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。

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