毕业设计井下排水系统Word格式文档下载.docx

1、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。闸阀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:调节水泵的流量和扬程；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

2、阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上，其作用为检修排水管路时放水用。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。 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

3、时须通过连接在底阀上的铁丝或链条将底阀提起。 压力表和真空表 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60mm,100mm,150mm,200mm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。 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，和250mm五种。真空表测量范围为0-0.1 MPa（一个大气压）。 射流泵或真

4、空泵 离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵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。如图1-2所示。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。2.2井下排水系统存在的问题目前，我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人工操作排水系统，以离心式水泵系统为主。这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础，泵站的起停时间判断，完全依赖于工人的经验和已有的操作规程。当水仓水位到达设定的高水位时，工人打开射流泵（或真

5、空泵），为水泵抽真空，同时观测真空表的读数。真空度达到要求后，起动水泵机组，使水泵运转。当水泵出水口压力表读数达到要求时，开起闸阀进行排水，同时关闭抽真空的射流泵（或真空泵）。 停泵过程要进行相反的操作。当水仓积水降至低水位时，先将闸阀关死，再停水泵机组。根据现场涌水量的不同，工人还要判断同时投入几台水泵工作，以便于既能及时排出积水，又能使泵站合理使用，避免过度频繁的起停。其存在的问题有如下几点：效率低、可靠性差。这种排水系统的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的完成各个执行件的操作。另外，对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验。作业过程比较复杂，要求工人具有很强的责任心，否则可

6、能出现误操作，甚至发生大的事故。工人劳动强度大。人工操作无法避免高强度的劳作。尤其是闸阀的操作，劳动量最大。而且，水泵房要时时有人值守，以便在发生异常情况时，及时报警检修。2.3排水系统为何要实现自动控制针对上述排水系统存在的问题，本文提出了基于PLC的矿井主排水自动控制系统的设计。自动控制系统的应用，将使得排水系统可靠性增强，整个工作流程通过软件的编程来实现，程序确定后，水泵机组将按给定的程序自动启停水泵、开合阀门，极大的减小工人的劳动强度。PLC将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根

7、据自动化控制信息，实现井下主排水系统的遥测、遥控。2.4我国矿井主排水系统的现状井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。随着控制理论和现代检测技术的发展，自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定进步。传统的继电器控制方法，用人工进行检测（如人工检测水仓水位、淤泥厚度、管道、闸阀及配电设备状况等），这种检测控制方法效率低，工人劳动强度大，且由于井下环境恶劣，故障率较高。所以靠人工检测的方法已不适应煤炭发展的需要，取而代之的是自动化排水系统。随之，一种新颖的矿井排水计算机自动控制系统问世。由于矿井排水系统属于多变量、非线性、时变的复杂系统，特别是在管道和水泵等环节中，各变量之间又存在着交叉

8、，因此矿井排水系统非常适合于采用模糊控制的方法进行动态监测和故障诊断。该系统采用先进的集散式控制方式，建立了多级模块化的结构体系，提出了多参数的模糊综合决策方法。目前，PLC在国内外工业控制中已获得广泛应用，在矿井排水系统中，采用PLC自动监测排水系统的运行状况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵启动的自动切换等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性高第三章 中央水泵房系统的特点3.1 安全可靠性本系统采用高可靠性的多线制开关量接口“星型”结构模式。所谓多线制结构模式就是控制核心PLC与被控设备采用多线制的开关量接口作为控制及反馈的接口，因为开关量本身具有不受周围环境干

9、扰的特点，同时这种结构本身是一种“星型结构”，所以某一故障点不会影响其它环节的工作，也就是说整个系统具有极高的可靠性1。系统结构见下图：图3-1 多线制开关量接口“星型”结构模式这种结构形式具有如下特点：3.1.1 手动模式为真正意义上的手动模式自动模式下由PLC通过开关量输出模块控制被控设备，当系统转为手动模式，或者PLC故障、PLC失电等特殊情况下，系统自动转为手动模式，可以通过操作就地控制柜上的按钮以继电控制的方式进行手动操作，而不是通过PLC或数据口通讯的方式控制被控设备。如下图所示：图3-2 手动和自动模式转换3.1.2 系统具有高可靠性因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点，同时

10、这种结构本身是一种“星型结构”，所以某一故障点不会影响其它环节的工作，也就是说整个系统具有极高的可靠性。C、手动操作方式为集中操作对于某一台泵而言，其手动操作完全可以通过在水泵附近的就地操作柜进行全部的手动操作，例如真空泵操作、排气阀操作、排水泵操作、主排水电动阀操作等等，不用到这些被控设备附近进行操作。D、主排水泵运行电量的采集灵活主排水泵运行电量的采集即可以通过电磁启动器的微机综保的智能数据接口采集，也可以通过多线制方式直接采集二次侧的电流、电压输出，第二种采集方式特别适合于矿井电力自动化占用微机综保的智能数据接口情况下的电量采集。E、系统布线较复杂由于系统采用了多线制星型的结构，所以必然

11、造成布线较多、较复杂的缺点，但也正因如此，为系统的可靠运行提供了保证2。3.2 经济性3.2.1 选泵依据水泵选型，应根据设计的工艺流程和排水要求，从以下几个方面加以考虑：1、流量是选泵的重要性能数据之一，它直接关系到整个排水系统的排水能力。在工艺设计中计算出水泵正常、最小和最大三种流量。选泵时，以最大流量为依据，兼顾正常流量，在没有最大流量时，通常可取正常流量的1.1倍作为最大流量。 2、水泵的理论扬程是选泵的又一重要数据，一般要按放大5%10%余量后得到的扬程来进行水泵选型。 （3）液体性质，包括液体介质名称，物理性质，化学性质和其它性质，物理性质有温度C密度D，粘度U，介质中固体颗粒直径

12、和气体的含量等，这涉及到系统的扬程，有效气蚀余量计算和合适泵的类型；化学性质，主要指液体介质的化学腐蚀性和毒性，是选用泵材料和选用那一种轴封型式的重要依据。（4）排水系统的管路布置条件。吸入侧的最低液面，排出侧的最高液面等一些数据和管道规格及其长度、材料、管件规格、数量等都要加以考虑，以便进行水泵扬程计算和汽蚀余量的校核。但是其中最主要的依据是所需要的流量。3.2.2 选泵原则水泵的选择应该以以下几个为原则：（1）使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求。（2）必须满足介质特性的要求。（3）机械方面可靠性高、噪声低、振动小。（4）经济上要综合考虑到设备

13、费、运转费，维修费和管理费等，力求使的成本最低（5）离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。综上所述，水泵的选择原则就是要满足在最不利工况的条件下水泵同样能够正常工作，并且在考虑各种工况下，尽可能节约投资，减少能耗。对水泵台数和型号进行选定，满足对水量和水压的要求。从经济和管理上对水泵台数和工作方式进行确定，做到投资，维修费最低，正常工作能耗最低。3.2.3 水泵选型本设计中使用了三台工作水泵，一台备用水泵，但每台水泵都设置了独立的排水管路。为了便于采购及系统的管理，选取相同型号的四台水泵。水泵主要有叶片泵、齿轮泵、离心泵三种

14、类型，这些水泵的原理及优缺点参见液压元件与系统。在选取水泵的时候主要考虑两个参数，即排水流量Q及扬程H。设计依据是，。由于存在沿程损失，局部阻尼损失等，所以水泵的实际流量和扬程要比设计流量和扬程大。水泵在运行时，流量减小系数，这里取，则每台工作水泵的流量根据上一章节，得立式水泵虽然节约安装面积，但由于煤矿矿井安装空间有限，吊装困难，所以选择卧式离心水泵。综合上述因数考虑，参照卧式水泵隔振及安装，选取IS80-50-315型卧式离心水泵。其参数为：流量，扬程与之匹配的电机型号为Y200L2-2，电动机参数为：额定转速，额定功率为了自动控制方便，这里将水泵进行以下分组编号，如表2-1。表2-1 水

15、泵分组首先启动机组联动启动第一台机组联动启动第二台机组备用机组1号2号3号4号3.3适用性和先进性由于采用了光纤环网通讯技术取代了原来的总线传输技术使得数据传输更加快捷、可靠。并且采用了MCGS组态软件控制技术取代了VC.net编程技术，不仅使可靠性大为提高而且使程序更加具有通用性，也使系统的二次开发及扩容变得更加规范、容易。对于多级提升的矿井排水系统可以通过安装多级自动化排水设备做到由地面调度中心根据各级泵房水仓容量及液位统筹调度，实现高效、经济地运行。同时在发生透水事故时可以做到统一动作、统一指挥。本系统遵循矿井综合监控系统标准子系统接口规范使得该系统可以非常容易地并入矿井综合监控系统中，

16、与其它子系统实现数据的共享。水泵前轴预装温度、振动一体化传感器，即保证的测试精度，同时又为设备维护创造了方便的条件。与其它系统的接口：本系统除地面监控中心的数据接口外还提供了丰富的与电力等系统的接口，例如与高压开关柜及软启动柜之间的开关量报警接口、可以输入0-100V及0-5A的模拟量输入接口4。还提供了可以接入RS485通讯口的智能接口，该接口可以接入高压电机液阻启动器或低压电抗启动器，以实现对电机启动的更加全面的监视。PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序结构具有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点；并可利用PLC控制柜上的触摸屏，可实现界面切

17、换、系统巡查、故障复位、控制方式转换等功能。第四章 中央水泵房系统的配置及工作原理4.1 系统设备及组成水泵房监控装置包括PLC柜、就地控制箱和外围传感器以及上位计算机等，系统组成示意图如3-1。图4-1 水泵房监控装置示意图控制柜（PLC柜）主要由可编程控制器、信号变送器、中间继电器等组成，主要完成对信号的接受、变换、放大，并由PLC运算、判断发出各种控制信号，监控水泵的运行工况，实现水泵房的无人值守。PLC的输出信号应用中间继电器隔离，实现对变频器的控制。PLC 的I/O接口应有不少于20%的备用量。PLC柜为矿用隔爆型，PLC选用西门子公司S7200系列。PLC柜电源箱和小功率多回路组合

18、开关输入电源AC127V、50HZ，内置控制变压器和UPS（考虑为PLC和传感器提供后备电源）。PLC柜通过以太网模块（光口）接入工业以太干网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享。集中控制柜为隔爆兼本质安全型，显示屏（嵌装）、指示灯、按钮、转换开关、继电器、电源开关、蜂鸣器等都安装在集中控制台内。按钮、指示灯、转换开关、继电器等采用品牌优质电器元件6。集中操作用于完成整套系统的控制与监视。投标方应根据技术规格书的系统功能特性要求对集中控制台布置做详细设计。现场设备及传感器包括就地控制箱、传感器和电磁阀等组成。就地控制箱：就地控制箱主要由按钮、指示灯等组成，每个就地箱备有急停按钮与相关

19、按钮等。传感器包括超声水位计、管路静压传感器、电机温度传感器等，所检测的参数主要有：水仓水位、水泵进水管真空度、水泵出水口压力、水泵轴温、电机温度及设备工作状态等。在水泵与电机联接处增加KR-939SB2型一体化温度、振动传感器, 内部分别集成振动、温度探测.对水泵的运行状态进行实时监测。上位计算机通过工业以太网与PLC柜里面的触摸屏进行通讯，对水泵系统的信息和数据进行采集，计算机安装了MCGS组态软件，通过组态软件将采集到的数据显示出来。4.2 水泵管路系统图止回阀（ZH）又称单向阀或逆止阀，其作用是防止管路中的介质倒流。采用微阻缓闭式止回阀。防爆电动闸阀（DZ）使用电能作为动力来接通电动执

20、行机构驱动阀门，实现阀门的开关、调节动作。用于液体、气体和风系统管道介质流量的模拟量调节，是AI控制。采用AC660V电动闸阀或电液控闸阀。排真空阀（QF）：采用本质安全型电动球阀，工作电压DC24V，可手、电动。由电动执行机构和球阀共同构成电动球阀，是工业自动化过程控制的一种管道压力元件，通常用于管道介质的远程开、关（接通、切断介质）控制。电动球阀它具有旋转90度的动作，旋塞体为球体，有圆形通孔或通道通过其轴线。球阀在管路中主要用来做电动球阀切断、分配和改变介质的流动方向，它只需要用旋转90度的操作和很小的转动力矩就能关闭严密。球阀最适宜做开关、切断阀使用，但近来的发展已将球阀设计成使它具有

21、节流和控制流量之用，如V型球阀。压力表（P）以弹性元件为敏感元件，测量并指示高于环境压力的仪表。采用抗振式压力表与压力传感器配接。负压表（Z）采用抗振式真空表与真空度传感器配接。流量计（Q）指示被测流量和（或）在选定的时间间隔内流体总量的仪表。采用隔爆兼本质安全型超声流流量计。手动闸阀（SF）手动闸阀的启闭件是闸板，闸板的运动方向与流体方向相垂直，闸阀只能作全开和全关，不能作调节和节流。采用DN250、DN200（PN1.6）手动闸阀。水泵管路系统图如下图所示。该图是用CAXA软件画出来的。图4-2 水泵管路系统图4.3 系统工作原理及工作方式泵房水泵启动开关的电量参数由PLC配以各种开关量、

22、模拟量的输入输出模块以及以太网通讯模块共同完成。PLC自动巡检，通过扩展工业以太网模块及井下以太网交换机及光纤收发器传给地面调度中心。全自动运行时，系统的井下下位机PLC实时采集水仓水位和浮球状态，并根据水仓水位情况和浮球的状态，按照各台水泵的运行时间长短启动相应水泵的运行或停机。不需要人工参与。下位机在正常运行过程中，可以脱离上位机的通讯仍能正常运行。就地手动工作方式时，根据水仓水位或浮球状态，就地通过现场手动控制柜手动控制水泵的启停。远程手动工作时,由授权值班工作人员通过上位计算机控制水泵的启动和停止；系统在正常运行过程中，不论何种工作方式，均可实时将现场的各种参数、设备状态通过工业以太网

23、传到地面调度室。4.4 水泵控制的控制原则 水泵开启时，首先检测水仓水位，当水位超过低水位（满足开泵条件），开启一台水泵，当系统第一次运行，开启一号泵。当开启一台水泵运行一段时间后，发现水位仍然上涨，则顺序开启下一序号的水泵。当水位下降到低水位限以下时，则停止一台水泵。 对于具备开启条件的水泵，在开启前首先启动真空系统，检测真空度，真空度达到后即可开启。当水位超过警戒水位时（出现涌流），水泵全部开启。当水泵出现故障时，及时停泵，检修。该无人值守系统以水仓水位作为水泵的起停的基本条件，在此条件满足的前提下，然后再根据均匀磨损的原则、电价避峰填谷的原则实现水泵的起停。该原理为：首先设定四个水位限值

24、：H1、H2、H3、H4。当水位达到报警水位时，可以开启两台水泵；当水位继续上升至超限水位时，则表明一台水泵的排水量已不足以排除矿井出水，以矿井的最大排水能力来排除矿井涌水，启动所有水泵。不论投入几台水泵，水位必须下降到低限水位方可停泵。即当PLC读取的水仓水位值为H4时，表示水仓水位低于低限水位，水泵机组将不投入运行；水位值H3，一台水泵机组投入运行，则等待水位上涨到H2时再投入一台水泵机组运行。当一台机组处于运行状态时水位仍然上涨到H1，则陆续投入所有水泵。机组运行至水位下降到H4时，水泵机组退出运行。程序流程图如下图： 图4-3 程序流程图4.4.1 水泵的开机顺序每个水泵在确定需要打开

25、后，首先启动真空泵，自动抽真空；通过真空表判断真空度是否达到开启水泵的标准；如果达到要求，则抽真空完毕，开启水泵；打开排水管路上电动阀门；关闭真空泵运行；水泵自动开机完毕。 图4-4 水泵起动流程图4.4.2 水泵关机顺序每个水泵在确定关闭之后，首先关闭出水电动阀门；判断闸阀是否关到位；停止排水泵运行。图4-5 水泵停机流程图4.5 系统配置4.5.1 软件配置 主监控系统操作系统软件为Windows XP Professional，编程软件采用西门子公司的STEP7 V5.3SP3，组态软件采用MCGS。4.5.2 设备清单ZP-30矿用自动排水控制装置设备清单名称规格数量生产厂家集中操作台

26、KXJ1-200/660-3C1广州市昌宁机电设备有限公司集中控制柜KXJ1-200/660-33就地控制柜KXJ1-200/660-3L7电源柜KDW660北京鼎天数码本安接线盒KHH 系列4常熟市练塘胶木塑料配件厂传感器真空度传感器GYD-16上海鼎鑫仪器仪表有限公司压力传感器GYD-108投入式液位传感器GUY10 量程6.5m2上海坤嘉自动化科技有限公司超声波流量传感器LCZ-803唐山汇中大方浮球开关ZQK-600-3K大连玛赫显示仪表耐震真空度表YN-60（0-1.6MPa）无锡市特种压力表有限公司 耐震压力表YN-60 无锡市特种压力表有限公司阀门电动球阀DFH25/7 DN20

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