中央水泵房系统的毕业设计 精品.docx

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中央水泵房系统的毕业设计精品

毕业设计（论文）

（说明书）

题目：

平煤首山一矿井下中

央水泵控制系统设计

姓名：

学号：

XXX工业职业技术学院

2011年12月9日

平顶山工业职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

姓名梁占营

专业电气自动化（PLC技术应用方向）

任务下达日期2011年9月19日

设计（论文）开始日期2011年9月26日

设计（论文）完成日期2011年12月9日

设计（论文）题目：

平煤首山一矿井下中央水泵控制系统设计

A·编制设计

B·设计专题（毕业论文）

指导教师曹留柱

系（部）主任郭宗跃

2011年12月9日

平顶山工业职业技术学院

毕业设计（论文）答辩委员会记录

自动化与信息工程系电气自动化（PLC技术应用方向）专业，学生梁占营于2011年12月15日进行了毕业设计（论文）答辩。

设计题目：

平煤首山一矿井下中央水泵控制系统设计

专题（论文）题目：

平煤首山一矿井下中央水泵控制系统设计

指导老师：

曹留柱

答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生梁占营毕业设计（论文）成绩为。

答辩委员会人，出席人

答辩委员会主任（签字）：

答辩委员会副主任（签字）：

答辩委员会委员：

，，，

，，，

平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语

第页

共页

学生姓名：

梁占营专业电气自动化（PLC技术应用方向）年级2009

毕业设计（论文）题目：

平煤首山一矿井下中央水泵控制系统设计

评阅人：

指导教师：

曹留柱（签字）年月日

成绩：

系（科）主任：

（签字）年月日

毕业设计（论文）及答辩评语：

摘要

综合自动化系统是应用现代电子技术和自动化技术对矿井生产过程实现全面监控的系统，把采掘生产设备监控系统、皮带运输监控系统、辅助生产设备监控系统等子系统数据进行集中监控，实现生产及辅助生产各运行参数的统计并上传至矿区办公局域网，这样使得煤矿生产和管理更加科学高效。

集成当今先进的计算机信息化、自动化和监测监控等技术，针对煤矿高危险、恶劣环境的特点，通过系统优化和创新，开发煤矿综合自动化技术，在现场控制为主的局部控制系统基础上，实现以地面集中操作、分布控制为主的全过程控制。

即通过生产现场的设备层、控制层与信息层的集成，实现控制与管理的数据通讯与共享；通过开发基于中间件技术的控制软件，将对生产过程的控制、监测能力随网络的扩展而自然延伸，直至实现通过互联网络进行的异地远程监测与维护。

综合自动化系统覆盖了全矿的生产过程，使用WEB浏览功能或安装客户端软件可以使上级主管部门及时了解安全生产情况，进行远程实时监察，及时处理生产过程中的不安全因素生产过程。

关键词：

计算机、自动化、信息化、网络

第1章首山一矿的概述

首山一矿井田位于平顶山市东北，距平顶山市约25km，行政区隶属襄城县管辖。

井田位于丘陵～平原的过度部位。

井田内可采及局部可采煤层5层，可采储量308.49Mt，主采戊9-10及己16-17（含己15）煤层为中厚及厚煤层，厚度稳定，结构简单，具备了建设现代化大型高产高效矿井的资源条件。

矿井正常涌水量405.34m3/h；最大涌水量486.41m3/h。

地质报告初步预测己及戊煤层为有瓦斯突出危险煤层，己煤层底板埋深多在730m以下，钻孔实测岩温39.70～50.57℃，全部处在二级高温区，戊煤层底板埋深多在550m以下，钻孔实测岩温32.62～42.99℃，大部处在二级高温区，少部处在一级高温区。

采煤方法以走向长壁综采一次采全高采煤法为主。

矿区煤炭生产计划目标是到原煤产量达22.00Mt/a，其中己组煤产量10.76Mt/a。

设计矿井年工作日300d,每天4班作业,每天净提升14h。

首山一矿在设计时对矿井安全生产综合自动化（简称综合自动化）方面考虑较少，因此在矿井建设过程中对综合自动化系统建设缺乏总体的规划，对综合自动化涉及的范围、目标定位、综合自动化的所起的作用、工程实施等方面都没有详细的规划。

本规划将从明确综合自动化系统概念开始，对综合系统化的必要性、可行性、适用性、实效性等方面进行研究，并针对首山一矿的具体特点，规划综合自动化将要达到的目标、具备的性能、包括的内容、工程实施的方案等方面进行有针对性的研究，以期指导首山一矿建设安全生产综合自动化的工作。

第2章中央泵房自动化系统

2.1水泵等部件的基本情况

首山一矿设计有两个泵房，一为中央泵房，另一个为采区泵房，目前已经建设的为中央泵房。

中央泵房有5台排水泵组成，采用降压启动方式，目前大部分关键阀门为电动控制，但没有形成自动化控制，基本情况如下：

设备名称

基本情况

数量

说明

水泵

YB710M2.4，电机10KV，功率1400KW，南阳防爆电机厂

5

电抗器降压启动

阀门

电动/手动两用阀门。

电机功率1.5KW，电压660V。

常州兰陵阀门

5

管路阀门

同上

5

高压供电

无锡军工隔爆型，电压10KV，有综保，综保为安华顺城产品，具备通讯和四遥功能，型号SDZB-L6

5

低压供电

低压供电为660V，浙江恒泰的产品，综保也为恒泰产品，具备通讯和四遥功能，型号为ZBK-36。

5

抽真空系统

采用水射流和空气射流两种模式，可通过4组阀门进行切换，阀门非电动，型号为DN50－100

4

阀门需改造

压力传感器

目前的压力传感器为普通仪表

10

需更换压力变送器

液位传感器

无液位传感器

流量计

无流量计

温度传感器

目前电机前后轴和定子有PT，其信号已接入南阳产隔爆型温度仪，水泵前后轴无温度仪

5

需采用具有通讯能力的温度传感器

振动传感器

无振动传感器

目前无防爆产

水仓闸门

采用两组电动阀门实现

2

其他阀门

抽真空阀门有10个需改造为电动，号为DN25-100；另外管网还有2个阀门需改造为电动，型号为DN200-100

目前无防爆产

水仓闸门

采用两组电动阀门实现

2

2.2井下中央水泵控制系统基本要求

中央泵房自动化系统的总体设计思路是实现排水系统的自动调度，能根据水仓的水位等参数自动调配水泵，同时完成水泵状态的监测和监控，并能实现水泵的峰谷运行策略，到达无人值守、节能降耗的效果。

根据首山水泵的实际情况，设计的内容包括：

为每台水泵的出水和管网阀门增加一控制箱，实现阀门的电动运行

为每台水泵增加一就地控制箱，采用远程I/O，实现压力、温度、流量等的采集，并实现水泵启停、电动阀门开闭等操作，同时具备手动操作按钮。

增加一套集控PLC系统，采集液位、高低压控制及各就地控制箱的信息，实现排水系统的自动调度，实现各类自动操作和保护，同时具备远程监控功能。

改造部分阀门，包括四个放水阀、10个射流阀、2个管网阀门

增加部分传感器，包括液位计、流量计、真空压力变送器、水压变送器、温度传感及变送器等。

增加两套防水门的液压控制系统

2.3系统结构

2.3.1离心泵基本构造

离心泵的基本构造是由六部分组成的，分别是：

叶轮，泵体，泵轴，轴承，密封环，填料函。

如下图所示：

2.3-1水泵结构示意图

1）叶轮是离心泵的核心部分，它转速高输出力大，叶轮上的叶片又起到主要作用，叶轮在装配前要通过静平衡实验。

叶轮上的内外表面要求光滑，以减少水流的摩擦损失。

2）泵体也称泵壳，它是水泵的主体。

起到支撑固定作用，并与安装轴承的托架相连接。

3）泵轴的作用是借联轴器和电动机相连接，将电动机的转距传给叶轮，所以它是传递机械能的主要部件。

4）轴承是套在泵轴上支撑泵轴的构件，有滚动轴承和滑动轴承两种。

滚动轴承使用牛油作为润滑剂加油要适当一般为2/3～3/4的体积太多会发热，太少又有响声并发热！

滑动轴承离心泵结构使用的是透明油作润滑剂的,加油到油位线。

太多油要沿泵轴渗出并且漂，太少轴承又要过热烧坏造成事故！

在水泵运行过程中轴承的温度最高在85度一般运行在60度左右，如果高了就要查找原因（是否有杂质，油质是否发黑，是否进水）并及时处理！

5）密封环又称减漏环。

叶轮进口与泵壳间的间隙过大会造成泵内高压区的水经此间隙流向低压区，影响泵的出水量，效率降低！

间隙过小会造成叶轮与泵壳摩擦产生磨损。

为了增加回流阻力减少内漏，延缓叶轮和泵壳的所使用寿命，在泵壳内缘和叶轮外援结合处装有密封环，密封的间隙保持在0.25～1.10mm之间为宜。

6）填料函主要由填料，水封环，填料筒，填料压盖，水封管组成。

填料函的作用主要是为了封闭泵壳与泵轴之间的空隙，不让泵内的水流不流到外面来也不让外面的空气进入到泵内。

始终保持水泵内的真空！

当泵轴与填料摩擦产生热量就要靠水封管住水到水封圈内使填料冷却！

保持水泵的正常运行。

所以在水泵的运行巡回检查过程中对填料函的检查是特别要注意！

在运行600个小时左右就要对填料进行更换。

2.3.2离心泵的分类

1）按工作叶轮数目来分类

单级泵：

即在泵轴上只有一个叶轮。

多级泵：

即在泵轴上有两个或两个以上的叶轮，这时泵的总扬程为n个叶轮产生的扬程之和。

2）按工作压力来分类低压泵：

压力低于100米水柱；

中压泵：

压力在100~650米水柱之间；

高压泵：

压力高于650米水柱。

3）按泵轴位置来分类

卧式泵：

泵轴位于水平位置。

立式泵：

泵轴位于垂直位置。

4）按叶轮出来的水引向压出室的方式分类

蜗壳泵：

水从叶轮出来后，直接进入具有螺旋线形状的泵壳。

导叶泵：

水从叶轮出来后，进入它外面设置的导叶，之后进入下一级或流入出口管。

平时我们说某台水泵属于多级泵，是指叶轮多少来讲的。

根据其它结构特征，它又有可能是卧式泵、高压泵等

2.3.3离心泵的工作原理

在离心泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。

在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。

在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。

液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。

可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。

2.4系统组成

1.人职守控制系统由底层的PLC、执行机构、检测机构；上层的网络服务器以及客户端组成。

PLC是通过工业以态网和西门子公司的OPC软件与网络服务器连接的，网络服务器和客户端是由工业以态网连接的。

具体的结构如图：

2.4-1系统组成结构图

2.网络设计

统底层的PLC带有工业以态网模块，在以态网模块和网络服务器之间有光电转换器，光电转换器将PLC发出的电信号转换成光信号在光缆中传输。

网络服务器1和2互为热备用，即在任一服务器出现故障时，系统能够正常运行，能够保证不影响生产。

由于无人职守系统不只有水泵控制系统，还有包括主扇风机等一些控制系统，所有在网络服务器和客户端之间加DLINKHUB，用来扩展网络接口。

客户端能够实时地监测水泵的运行参数以及控制水泵的起停。

3.PLC终端

PLC是该系统的终端核心，本系统采用S7-300PLC。

3.1终端硬件配置

该系统的PLC硬件是1个主站和5和从站构成的PROFIBUS-DP网络，主站包括电源模块、CPU模块、数字量I/O模块、A/D模块、通讯模块和工业以态网模块。

其组态结构如图2。

采用上述的PROFIBUS-DP网络集散控制可以避免繁琐的硬件电路连接，即可以节省成本有可以节省人力资源，而且还提高了系统的可靠性，精确性。

3.2软件设计

PLC软件配置有系统程序和用户程序。

系统程序配置在CPU模块里，出厂时就已经集成在硬件里，无需用户自己编写。

用户程序是在用户在编程器里编写好之后下载到PLC的存储模块，程序采用块式结构形式。

以下是该系统部分用户程序。

2.5模拟量检测部分（传感器）：

1）仓水位传感变送器

2）量传感变送器

3）力传感变送器

4）空度传感变送器

5）量传感变送器

6）度传感变送器

2.5-1检测部分组成图

说名：

以上所用的各种传感变送器输出的信号均为标准信号。

如上图所示：

2.5.1模拟量扩展模块接线图及模块设置

EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。

下面以EM235为例讲解模拟量扩展模块接线图，如图2.5-2

图2.5-2

图1演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X＋和X－；对于电流信号，将RX和X＋短接后接入电流输入信号的“＋”端；未连接传感器的通道要将X＋和X－短接。

对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。

EM235的常用技术参数如下表2.5-3

模拟量输入特性

模拟量输入点数

4

输入范围

电压（单极性）0～10V0～5V0～1V0～500mV0～100mV0～50mV

电压（双极性）±10V±5V±2.5V±1V±500mV±250mV±100mV±50mV±25mV

电流0～20mA

数据字格式

双极性全量程范围-32000～+32000

单极性全量程范围0～32000

分辨率

12位A/D转换器

模拟量输出特性

模拟量输出点数

1

信号范围

电压输出±10V

电流输出0～20mA

数据字格式

电压-32000～+32000

电流0～32000

分辨率电流

电压12位

电流11位

表2.5-3

下表说明如何用DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。

EM235开关

单/双极性选择

增益选择

衰减选择

SW1

SW2

SW3

SW4

SW5

SW6

ON

单极性

OFF

双极性

OFF

OFF

X1

OFF

ON

X10

ON

OFF

X100

ON

ON

无效

ON

OFF

OFF

0.8

OFF

ON

OFF

0.4

OFF

OFF

ON

0.2

表2.5-4

由表2.5-4可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。

SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择。

根据上表6个DIP开关的功能进行排列组合，所有的输入设置如下表2.5-5

表2.5-5

单极性

满量程输入

分辨率

SW1

SW2

SW3

SW4

SW5

SW6

ON

OFF

OFF

ON

OFF

ON

0到50mV

12.5μV

OFF

ON

OFF

ON

OFF

ON

0到100mV

25μV

ON

OFF

OFF

OFF

ON

ON

0到500mV

125uA

OFF

ON

OFF

OFF

ON

ON

0到1V

250μV

ON

OFF

OFF

OFF

OFF

ON

0到5V

1.25mV

ON

OFF

OFF

OFF

OFF

ON

0到20mA

5μA

OFF

ON

OFF

OFF

OFF

ON

0到10V

2.5mV

双极性

满量程输入

分辨率

SW1

SW2

SW3

SW4

SW5

SW6

ON

OFF

OFF

ON

OFF

OFF

±25mV

12.5μV

OFF

ON

OFF

ON

OFF

OFF

±50mV

25μV

OFF

OFF

ON

ON

OFF

OFF

±100mV

50μV

ON

OFF

OFF

OFF

ON

OFF

±250mV

125μV

OFF

ON

OFF

OFF

ON

OFF

±500

250μV

OFF

OFF

ON

OFF

ON

OFF

±1V

500μV

ON

OFF

OFF

OFF

OFF

OFF

±2.5V

1.25mV

OFF

ON

OFF

OFF

OFF

OFF

±5V

2.5mV

OFF

OFF

ON

OFF

OFF

OFF

±10V

5mV

6个DIP开关决定了所有的输入设置。

也就是说开关的设置应用于整个模块，开关设置也只有在重新上电后才能生效。

1.输入校准

模拟量输入模块使用前应进行输入校准。

其实出厂前已经进行了输入校准，如果OFFSET和GAIN电位器已被重新调整，需要重新进行输入校准。

其步骤如下：

1）切断模块电源，选择需要的输入范围。

2）接通CPU和模块电源，使模块稳定15分钟。

3）调节OFFSET（偏置）电位计，直到读数为零，或所需要的数字数据值。

4）将一个满刻度值信号接到输入端子中的一个，读出送到CPU的值。

5）调节GAIN（增益）电位计，直到读数为32000或所需要的数字数据值。

6）必要时，重复偏置和增益校准过程。

2.EM235输入数据字格式

下表2.5-6给出了12位数据值在CPU的模拟量输入字中的位置

表2.5-6

可见，模拟量到数字量转换器（ADC）的12位读数是左对齐的。

最高有效位是符号位，0表示正值。

在单极性格式中，3个连续的0使得模拟量到数字量转换器（ADC）每变化1个单位，数据字则以8个单位变化。

在双极性格式中，4个连续的0使得模拟量到数字量转换器每变化1个单位，数据字则以16为单位变化。

3.EM235输出数据字格式

图表2.5-7给出了12位数据值在CPU的模拟量输出字中的位置：

表2.5-7

数字量到模拟量转换器（DAC）的12位读数在其输出格式中是左端对齐的，最高有效位是符号位，0表示正值。

2.5.2模拟量扩展模块的寻址

每个模拟量扩展模块，按扩展模块的先后顺序进行排序，其中，模拟量根据输入、输出不同分别排序。

模拟量的数据格式为一个字长，所以地址必须从偶数字节开始。

例如：

AIW0，AIW2，AIW4……、AQW0，AQW2……。

每个模拟量扩展模块至少占两个通道，即使第一个模块只有一个输出AQW0,第二个模块模拟量输出地址也应从AQW4开始寻址，以此类推。

表2.5-8演示了CPU224后面依次排列一个4输入/4输出数字量模块，一个8输入数字量模块，一个4模拟输入/1模拟输出模块，一个8输出数字量模块，一个4模拟输入/1模拟输出模块的寻址情况，其中，灰色通道不能使用。

表2.5-8

2.5.3模拟量值和A/D转换值的转换

假设模拟量的标准电信号是A0—Am（如：

4—20mA），A/D转换后数值为D0—Dm（如：

6400—32000），设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系A＝f（D）可以表示为数学方程：

A＝（D－D0）×（Am－A0）／（Dm－D0）＋A0。

根据该方程式，可以方便地根据D值计算出A值。

将该方程式逆变换，得出函数关系D＝f（A）可以表示为数学方程：

D＝（A－A0）×（Dm－D0）／（Am－A0）＋D0。

具体举一个实例，以S7-200和4—20mA为例，经A/D转换后，我们得到的数值是6400—32000，即A0＝4，Am＝20，D0＝6400，Dm＝32000，代入公式，得出：

A＝（D－6400）×（20－4）／（32000－6400）＋4

假设该模拟量与AIW0对应，则当AIW0的值为12800时，相应的模拟电信号是6400×16／25600＋4＝8mA。

又如，某温度传感器，－10—60℃与4—20mA相对应，以T表示温度值，AIW0为PLC模拟量采样值，则根据上式直接代入得出：

T=70×（AIW0－6400）／25600－10

可以用T直接显示温度值。

模拟量值和A/D转换值的转换理解起来比较困难，该段多读几遍，结合所举例子，就会理解。

为了让您方便地理解，我们再举一个例子：

某压力变送器，当压力达到满量程5MPa时，压力变送器的输出电流是20mA，AIW0的数值是32000。

可见，每毫安对应的A/D值为32000/20，测得当压力为0.1MPa时，压力变送器的电流应为4mA，A/D值为（32000/20）×4＝6400。

由此得出，AIW0的数值转换为实际压力值（单位为KPa）的计算公式为：

VW0的值＝（AIW0的值－6400）（5000－100）/（32000－6400）＋100（单位：

KPa）

2.6开关量检测部分

将高压启动柜中的真空断路器状态、电抗柜中的真空接触状态、电动阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态等开关量信号接入PLC控制系统中，可检测系统运行状态。

2.7执行部分

（1）执行部分包括排水阀、配水阀、电磁阀、真空设备等。

（2）PLC就地控制柜由S7-300PLC系统构成，完成水泵自动开/停所需的模拟量及状态信号检测并发出控制命令，控制各个相应阀门及电机动作。

就地控制柜安装在泵房内对应的水泵附近，就地控制柜通过网络电缆与PLC排水集中控制柜相连，参与集中控制，构成一个完整的排水自动控制系统。

（3）PLC集中控制柜：

集中控制柜由S7-300PLC系统构成，将多台就地控制柜通过MPI网络连成一个整体，实现各水泵的联机控制。

触摸屏上以图形方式显示水泵系统的运行参数并提供触摸式按键操作。

地面集控系统与集中控制柜通过光纤以太网相连，实现水泵系统的遥测、遥控，集中控制柜安装于井下变电所内。

（4）地面远程控制终端：

采用高性能工控计算机，控制软件采用国际领先的工控组态软件编制，可实时监视水泵系统的运行参数，并可远程控制水泵系统的启停。

系统运行方式水泵系统工作原理

开泵工作过程：

单台水泵自动启动的过程为:

单台机组启动首先要对真空度进行检测，启动抽真空系统（开启球阀），如果真空度达到要求（即达到-21Ka），将高压开关合闸，启泵（同时串入电抗器，达到额定转速切除）电机正常运转后，再检测水泵出水口处的压力，如果压力达到水泵的额定压力（6.4Mpa），即可以打开电动闸阀。

关泵工作过程：

关闭单台水泵工作顺序为：

首先关闭电动闸阀，等其关到位之后再将高压开关柜分闸即停止水泵。

若没有关闭电动闸阀就将高压开关柜分闸，则会发生水

锤现象，严重的会将管路中的逆止阀打坏，造成严重后果。

中央泵房单台水泵系统