盘县煤矿东区主水仓自动排水控制系统设计本科毕业设计.docx

1、盘县煤矿东区主水仓自动排水控制系统设计本科毕业设计 本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：盘县煤矿东区主水仓自动排水控制系统设计 （扬程200M，流量80M3/h）学 院： 机械工程学院 专 业：机械设计制造及自动化 2.2.5电气元件防爆功能.4盘县煤矿东自区主水仓排水控制系统设计 （流量80M3/h，扬程200M） 摘要 现阶段，煤矿安全问题在我国日益显得突出，尤其是瓦斯泄漏和煤矿透水事故的发生。煤矿井下排水作为整个矿井的重要系统之一，在实际应用过程中占据着最主要的地位。如果矿井涌水不能及时排出将对矿井的工作人员和设备构成严重威胁。排水系统是煤矿生产的耗电大户，如果能有效地控制排水系统，使

2、其高效低耗、经济可靠的运行，也是降低煤炭生产成本的有效途径。另外，矿井涌水合理有效的排放，对解决许多煤矿缺水的问题也有重要的意义。当前以微处理器为核心的可编程控制器（PLC）控制已逐步取代继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域。但在煤矿行业。由于井下运行环境恶劣，应用的普及性却很低。目前国内煤矿井下排水系统仍多采用继电器控制，水位的监测，水泵的开停及选择切换均由人工完成。这种系统装备落后、操作复杂、运行不可靠、工人劳动强度大及工人职业素质，严重影响井下系统的管理水平和经济效益的提高。本次设计结合当前优秀的工业控制技术，研究开发出适合我国煤矿井下排水的自动控制系统。采用OMRON（C60

3、P）系列PLC作为中心控制单元，并扩展了必要的数字量输入模块，模拟量输入模块和通信模块。设计有自动和手动两种控制方式，可以自由切换。其优点有：1可靠性高，抗干扰能力强；2配套齐全，功能完善，适用性强；3易学易用，深受工程技术人员欢迎4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；5体积小，重量轻，能耗低。因此本设计采用PLC为控制核心，根据传感器采集水位信号，通过PLC进行处理，从而控制水泵的运行和停止。加上与触摸屏技术的有效结合使控制更为人性化，从而大大的提高了技术的可靠性，进而达到节能减排，提高安全性的目的。 关键词：智能控制系统，煤矿排水，触摸屏，编程逻辑控制器（PLC）第一章 前言1.

4、1设计目的和意义高等工科院校的毕业设计是完成教学计划达到本科生培养目标的重要环节。它通过深入实践、了解社会、完成毕业设计任务或撰写论文等诸环节，着重培养学生综合分析和解决问题的能力和独立工作能力、组织管理和社交能力；同时，对学生的思想品德，工作态度及作风等诸方面都会有很大影响。对于增强事业心和责任感，提高毕业生全面素质具有重要意义。是学生在校期间的昀后学习和综合训练阶段；是学习深化、拓宽、综合运用所学知识的重要过程；是学生学习、研究与实践成果的全面总结；是学生综合素质与工程实践能力培养效果的全面检验；是实现学生从学校学习到岗位工作的过渡环节；是学生毕业及学位资格认定的重要依据；是衡量高等教育质

5、量和办学效益的重要评价内容。通过毕业设计强化学生对基本知识和基本技能的理解和掌握,培养学生收集资料和调查研究的能力,一定的方案比较、论证的能力,一定的理论分析与设计运算能力,进一步提高应用计算机绘图的能力以及编写编制能力。同时增强学生对PLC的认识，掌握不同功率的三项异步电动机的启动知识和给水工程规模的确定、管网的布置和计算、设计方案的选择、成果图的绘制以及设计文本的编制全过程。另外对培养学生独立思考问题和解决问题的能力,为今后工作做好技术储备,都具有十分重要意义。1.2本课题在国内外的发展概况及存在的问题现状：在国内有很多小型煤矿仍然采用比较落后的手动启动及停止的煤矿排水设备，这不仅浪费大量

6、的人力物力，而且不便于了解煤矿的具体水位情况，这对煤矿及煤矿设备都带来了巨大的安全隐患。不能自动控制多泵的组合利用方式，这也造成了资源的浪费。所以煤矿安全科学环保地进行生产已经成为目前亟待解决的问题。相比国外在这方面已经到达了一个相对科学的高度，在相关技术上的运用也已经很成熟。发展趋势：新型的煤矿排水系统应向着自动化智能化发展。利用传感器等检查元件对处理器进行反馈，并通过处理器自动分配安排多泵的启停。运用较多并且技术比较成熟的主要由可编程控制器（PLC）控制。PLC已经在各个领域尤其是自动控制领域飞速发展，已经成为现在自动控制的主流产品。触摸屏技术加上微处理器核心以及模块化设计也将是该行业大势

7、所趋。1.3应解决的主要问题在这次设计中，主要解决以下问题：（1）排水方案的确定。排水方案的确定不仅关系着消耗能量的多少，而且对煤矿安全也起着重要的作用。这其中泵的选型和个相关元器件的组成及合理性是设计的主要着重点。（2）水泵房的合理设计。水泵房的合理设计能提高排水系统的安全，而且会减少排除故障时的时间，以及遇到危险时工作人员的紧急疏散。这其中水泵及其相关元器件的安放位置及人员操作空间是着重点。（3）主回路的设计，包括电动机选型计算及启动方案选择，短路、过载保护设计计算。主回路的设计，电路的各种保护功能应该齐全，电动机选型合理，功率太小无法排水，太大则不节能，功率损失大。（4）电器控制部分的设

8、计，包括触摸屏选型及设计，控制回路设计，逻辑动作图设计，可编程控制器选型设计，软件程序设计，保护回路设计和电器元件选型。电器部分的设计是这次设计的核心部分，要注意电器的正确选型，有三个变化量：水位高低，涌水量和排水量。为了使系统达到在最佳节能方式下工作，必须使涌水量等于排水量。第二章 矿井排水系统选择与计算2.1排水系统的重要性及特点在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下。矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关系，涌水量在不同的季节也呈现不同。在一些大水矿井，矿井涌水量可达到每秒17立方米，

9、甚至超过每秒20立方米。另外，煤炭开采过程中，由于地层结构被破坏，岩层断裂，使采区与储水层连通，发生突水事故，涌水量会突然增加。如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产就可能受到阻碍，井下的安全就会得不到保障，严重者会造成重大事故。给人民的生命、国家的财产都带来了极大的威胁。因此，井下排水就显得尤为重要。井下自动排水系统的任务就是把流入井下煤矿巷道中的矿井积水排送至地表。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

10、%，一般为20%左右。因此，井下排水设备运转的可靠性(安全运转)与经济性(效率高、电耗量小)，具有十分重要的意义。2.2系统功能煤矿的所处的自然环境一般都比较复杂而且是在地下工作，不同的煤矿存在着不同的差异。随着透水量的多少、开采强度的变化，要求控制系统的开发必须有更高的工作效率、稳定性及普遍适用性来确保整个煤矿的安全。因此，排水系统主要应有以下一些功能：(1)水泵备用功能(2)保护功能(3)系统的自动控制功能(4)防倒灌功能(5)电气元件的防爆功能2.2.1系统的自动控制功能由于煤矿所处的环境都比较复杂，因此对控制部分的要求特别高。传统的继电器控制存在着很多问题，如：接线复杂，抗干扰能力差，

11、寿命短等。PLC的出现改变了这一局面。对于传统控制，PLC住要有以下优点：1可靠性高，抗干扰能力强；2配套齐全，功能完善，适用性强；3易学易用，深受工程技术人员欢迎4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；5体积小，重量轻，能耗低。所以采用PLC控制整个煤矿系统既减小了控制难度，又减少了人力物力的投入。控制系统主要有手动选择、自动选择的切换，备用水泵的选择，水位监控系统，水泵排水系统，阀门开关系统，报警系统等组成。手动选择主要用于调试，及特殊情况的启动形式。这在整个系统的安装过程中非常重要。以确保调试安装工作的顺利进行及特殊状况的启动。自动选择主要用于无人监视时水泵工作。水位监控系统主要

12、采集水位的高低的数据，数据通过PLC处理从而控制水泵及电动阀门的启停。水泵排水系统主要是排净煤矿中的涌水，确保煤矿的安全。阀门开关系统主要是用于防止管路中的水倒流损坏排水系统。报警系统主要为了防止水泵发生故障时，发出警报，提醒工作人员及时检修及更换备用水泵。2.2.2 保护功能由于系统是在井下工作，而控制人员是在井上工作，不可能时时都下井去检查水泵的运转情况，一旦电动机发生故障会比较危险。因此自动保护功能显得尤为重要。涌水中成分比较复杂，当沙石泥土进入水泵时会增加水泵的负载，严重时可能烧坏电动机。因此过载保护极为重要，主要采用空气开关和热继电器进行保护。当电动机过载时会自动跳闸。为了防止开启水

13、泵是管路中的水倒灌，设计还采用电动阀来防止管路中的水倒流。开启排水系统时先开启水泵，然后打开电动阀门，来防止水倒灌。关闭排水系统时应先关闭阀门，再停止水泵的运转。2.2.3水泵备用功能由于煤矿的所处的自然环境比较差，因此对水泵的质量及工作时间都有很高的要求。如果水泵出现故障，涌水不能及时排出，将大大影响整个煤矿系统的安全性。因此备用水泵显得尤为重要。根据需要一般煤矿采用四用一备、三用一备，及四（三）台水泵工作，一台水泵备用。当有水泵发生故障时，采用备用水泵排水，同时检修故障水泵。这就能保证整个排水系统的正常运行。不仅如此，也可以根据涌水量的不同采用不同数量的水泵进行排水，不仅增长了水泵的寿命而

14、且节约了能源。这样可以防止有的水泵因长时间工作而损坏，而备用水泵因长时间不工作而发生故障。2.2.4防倒灌功能为了防止开启水泵是管路中的水倒灌，设计还采用电动阀来防止管路中的水倒流。开启排水系统时先开启水泵，然后打开电动阀门，来防止水倒灌。关闭排水系统时应先关闭阀门，再停止水泵的运转。2.2.5电气元件防爆功能防爆功能的考虑是为了适应矿井下特殊的环境，矿井下如发生瓦斯泄漏危机情况电气元件的防爆功能至少能防止这个运行可靠性，不会担心元器件对生产运行安全的危险性因素。2.3矿井排水系统选择的选择与计算2.3.1 排水方案的确定煤矿排水系统的可靠性是建整个煤矿工作人员及煤矿安全的重要保障系统。所以排

15、水系统的可靠性是系统方案设计的重要标准，不仅如此，还要综合考虑排水系统的节能性、经济性、环保性和实用性。为保证排水系统的安全性，必须要选用结实耐用且不容易腐蚀的管道，而优质管道价格又相对过高，所以要平衡好安全性与经济性。而实际排水时选择一台水泵会使所选的水泵功率过大，如果发生故障是不容易检修，而且检修期间不能进行正常的排水工作，这对煤矿的安全造成了很大的隐患。当使用多台水泵时，即使所选用的水泵型号相同，但由于实际加工生产过程中会产生误差，性能指数不尽相同，会使实际运行中负荷发生变化，且有时非共用管路段的阻力损失不能忽略，这些都会影响其排水系统的效率。所以排水方案的确定起到了极其重要的作用。本次

16、设计采用方案为：一用、一备、一检修。故，在水泵房中共有三台水泵，但只有一台在工作，其中一台备用，剩下一台作预防检修是使用。这样考虑也是无论什么情况都有一台泵在工作运行。所以本方案在可靠性上是非常高，能为煤矿安全的预防提供很好的保障。2.4管道的水力计算与选型2.4.1管道材料的选择市面上管道分好多种，主要由金属管道和非金属管道。由于煤矿的地质环境比较复杂对管道的质量及抗压强度要求很高，因此非金属管道不予考虑。但金属管道又分好多种，应用较多的金属管分为钢管和球墨铸铁管。其中钢管有焊接钢管和无缝钢管。焊接钢管分为螺旋缝焊和直焊钢管，其中直焊钢管较为常见。无缝钢管分为冷轧管和热轧管，冷轧管最大，热轧

17、管最大。钢管中还有一类为不锈钢管，但造价较高，未曾推广使用。铸铁管承受工作压力一般为，且耐腐蚀，价格较便宜，缺点为质硬而脆，笨重，施工不便，因而在煤矿排水系统中应用也较少。钢管的机械强度较最好，可以承受内外高压，公称压力一般可达5Mpa；管材可焊性较好，能适用于复杂的地形，适用于建筑内要求较高的供水管路。钢管最大的缺点是易腐蚀。现在钢管均采用镀锌钢管，镀锌管分冷镀管和热镀管。冷镀管由于镀的锌不致密、不均匀、稳定性较差，一般使用寿命不到5年，就会出现“红水”、“黑水”现象。热镀管保护层均匀致密，附着力强，目前大量使用。综合考虑，供水管路的实际压力、工艺性、消防需求、强度需求以及防腐需求，选用热轧

18、、热镀锌无缝钢管。2.4.2. 排水管路计算（1）管径确定本系统共用4台水泵，按3用1备设置,根据流量公式: 可确定计算管径公式为: 其中当DN25DN40，u=0.81.2 m/s，DN5070，u 1.5m/s，DN80及以上的管径，u 1.8m/s。于是根据本设计流量Q=80 m3/h查文献4，选择公称直径的无缝钢管，查表16-1-6知，所以取，。当DN80时 u 1.8m/s，符合要求。 (2)局部水头损失给水管道具备水头损失：式中：为管道个局部水头损失总积；为局部阻力系数；为平均水流速度。查文献4表16-7-1知时，管道各处局部阻力系数如表2.1。表2.1 局部阻力系数受阻力的局部局

19、部阻力系数异径管滤水网6.0水泵入口处1.0闸阀0.1升降式上回阀7.5弯头0.72截止阀2.0平均两台水泵有1个入口，1只滤水网，1个升降式上回阀，2个闸阀，2个异径管，9个弯头，则其局部阻力系数之和： (3)排水管道的沿程水头损失 Hi = HI 扬程式中：为实际扬程，；为总水头损失；为富余扬程，一般为1030m，取。Hi=0.0172100=1.72m 总水头损失=沿层阻力损失+局部阻力损失：2.4.3选择水泵由于采用单泵单管道运行，则水泵扬程H：式中：为实际扬程，；为总水头损失；为富余扬程，一般为1030m，取。 根据所需扬程，流量为，查文献4表13-1-1，选取DA1_125*11型

20、卧式单级离心泵。相关参数：额定流量，额定扬程。.与之相匹配的电机型号为Y315s-2。相关参数：额定转速，额定功率。2.4.4单泵基础设计机组（水泵和电动机）安装在共同的基础上。基础的作用是支承并固定机组，使它运行平稳，不致发生剧烈振动，更不允许产生基础沉陷。因此，对基础的要求是： (1)坚实牢固，除能承受机组的静荷载外，还能承受机械震动荷载。（2）要浇制在较坚实的地基上，不宜浇制在松软地基或新填土上，以免发生基础下沉或不均匀沉陷。查手册，得出IS80-50-315型卧式单级离心泵安装尺寸如下图： 图 2.1 离心泵规格安装尺寸图水泵基础图如图2.2所示。图 2.2 基础图查阅4，得出混凝土基

21、座的配筋图如图2.2所示。图 2.3 基础配筋图查4并结合实际安装情况得出对应的安装设备材料如下：图 2.4 水泵安装设备材料图2.5水泵房布置2.5.1 水泵机组的布置设计 （1）水泵机组的布置水泵机组的排列是泵站内布置的重要内容，它决定泵房建筑面积的大小。机组间距以不妨碍操作和维修的需要为原则。机组布置应保证运行安全，装卸、维修和管理方便，管道总长度最短、接头配件最小、水头损失最小并应考虑泵站有扩建的余地。为了保证泵站的工作可靠，运行安全和管理方便，在布置机组时，应遵照以下规定：相邻机组的基础之间应有一定宽度放入过道，以便工作人员通行，电动机容量不大于55KW,净距应不小于0.8m，电动机

22、容量大于55KW时，净距不小于1.2m，电动机容量小于20KW时，过道宽度可适当减小，但在任何情况下，设备的突出部件之间或突出部件与墙之间应不小于0.7m，如电动机容量大于55KW时，则不得小于1.0m。泵站内主要通道宽度应不小于1.2m。水管与水管之间的净距B值应大于0.7m,保证工作人员能较为方便地通过。水管外壁与配电设备应保持一定的安全操作距离C。当为低压配电设备时C值不小于1.5m，高压配电设备C值不小于2m。水泵外形凸出部分与墙壁的净距D，须满足管道配件安装的要求，但是，为了便于就地检修水泵，D值不宜小于 1.0m 。如水泵外形不凸出基础，D值则表示基础与墙壁的距离。对于非水平接缝的

23、水泵，在检修时，往往要将泵轴和叶轮沿轴线方向取出。因此，在设计泵房时，要考虑在这个方向上有一定的余地，即水泵离开墙壁或者其他机组的距离应大于泵轴长度加上0.25m，为了从电动机中取出转子，应同样地留出适当的距离。装有大型机组的泵站内，应当留出适当的面积作为检修机组只用，其尺应保持检修机组的周围有0.7m1.0m的过道。（2）泵房设计泵房布置应根据泵站的总体布置要求和站址地质条件，设备型号和参数，进、出水流道（或管道），电源进线方向，对外交通以及有利于泵房施工、机组安装与检修和工程管理等，经技术经济比较确定。泵房布置应符合下列规定：泵房大门口要求通畅，既能容纳最大的设备（水泵或电机），又有操作余

24、地。其内部场地宽度一般用水管外壁和墙壁的净距A表示。其等于最大设备的宽度加lm ，但不得小于2m 。 满足机电设备布置、安装、运行和检修的要求。泵房长度应根据机组台数、布置形式、机组间距，边机组段长度和安装检修间的布置等因素确定，并应满足机组吊运和泵房内部交通的要求。泵房宽度应根据机组及辅助设备、电气设备布置要求，进、出水流道（或管道）的尺寸，工作通道宽度，进、出水侧必需的设备吊运要求等因素，结合起吊设备的标准跨度确定。安装检修间宜设置在泵房内对外交通运输方便的一端或进水侧，其尺寸应根据机组安装、检修要求确定， 泵房对外至少应有两个出口，其中一个应能满足运输最大部件或设备的要求。泵房内，四周均

25、应设将渗水汇入集水廊道或集水井的排水沟。泵房的耐火等级不应低于二级。泵房内应设消防设施，并应符合现行国家标准煤矿设计规范和国家现行标准给排水安装规范的规定。(3) 水泵机组安装图设计由以上水泵机组的布置设计和泵房设计得如下水泵机组安装图： 图 2.5 水泵安装机组图由于采用单泵但管道运输系统，一用、一备、一检修的设计思路。因此我们在泵房中的三台泵的安装布置才用如下图的布置方式，以及相对应的轴侧图： 图 2.6水泵安装房布置图图 2.7 水泵房布置轴侧图第三章 电气与电路设计3.1电流的计算第三章中根据水泵型号得到与水泵型号相匹配的电动机，其电动机型号为Y315s-2，电动机性能参数如下：同步转

26、速：n=2950r/min 功率：P=110KW (1)线径选择。口诀中的阿拉伯数字与倍数的排列关系如下：对于1.5、2.5、4、6、10的导线可将其截面积数乘以5倍。对于16、25的导线可将其截面积数乘以4倍。对于35、50的导线可将其截面积数乘以3倍。对于70、95 的导线可将其截面积数乘以2.5倍。对于120、150、185的导线可将其截面积数乘以2倍首先要计算电机的线电流，对于单相电路而言，电机功率的计算公式是：p=iucos；对于三相平衡电路而言，三相电机功率的计算公式是：p=1.732iucos。由三相电机功率公式可推出线电流公式： i=p/1.732ucos 式中： p为电机功率

27、 u为线电压，一般是380v cos是电机功率因素，一般取0.75 110kw电机的线电流： i=p/1.732ucos=110000/1.732*380*0.75=110000/493.62=222.843a 由于电机的启动电流很大，是工作电流的4到7倍，所以还要考虑电机的启动电流，但启动电流的时间不是很长，一般在选择导线时只按1.3到1.7的系数考虑。你这取1.5，那么电流就是112.4a,选择50的铜线也可以满足正常工作。同理，1kw电机的线电流： i=p/1.732ucos=1000/1.732*380*0.75=1000/493.62=2a 考虑启动电流后，线电流为2a，选择1.5的

28、铜线比较合适。导线截面积和载流量的计算有口诀如下：导线安全载流量10下五，100上二，16、25四，35、50所以主回路线径选择为300mm2，允许通过电流为112.43+23+2=345.2A，选择线径为185的铜线。(2)元件选型。断路器：断路器是具有过载、短路和欠电压保护的保护电器，断路器有油浸式断路器、真空式断路器和空气式断路器三大类，在低压电路中空气式断路器目前是应用最多的。空气式断路器结构型式可分为框架式和塑料式外壳，框架式分断能力较高，常用于主电路或大容量电路中，塑料式结构紧凑，便于独立安装。主电路断路器QF：根据总得电路额定电流和电压，选用框架式断路器，型号为框架式自动空气开关

29、，适用于，额定工作电压为，额定电流，过电流脱扣范围200-600A。异步电机分支回路分电路断路器QF1-4 ：根据电机额定电流；额定电压，选用塑料外壳式空气开关，型号DZ10-100，适用于，额定工作电压为，额定电流，过电流脱扣范围60-100A。 接触器；接触器是一种适用于远距离频繁通断电路的控制电器，主要控制对象为电动机。接触器主要技术参数除额定电流、电压之外还有使用类别、机械寿命、操作寿命和电寿命。CJ10系列交流接触器是一般任务型接触器，主要适用于交流电动机的启动和控制。绕线式异步电机分支回路分电路接触器KM1-12，选用型交流接触器，技术参数如下：控制电机最大功率50KW，额定电压，

30、额定电流。主触头数目为3，辅助触头数目为2常分2常合。电寿命60万次，机械寿命300万次。 热继电器： 热继电器主要用于电机的过载保护，一般情况按照电机额定电流选用热继电器，依据电机的实际负载情况，选取热继电器整定值为电机额定电流的0.95-1.05倍，水泵驱动电机的额定电流，热继电器整定值在66.31-73.92A之间。因此选用，热元件额定电流为85A。刻度中可调范围为5385A。主电路的电路图如图3.1所示。图 3.1 电路主回路图3.2 电动阀电路设计电动阀的设计是为了防止启停水泵时发生水锤现象。当水泵关闭时，由于水泵出口的压力骤然减小，管路中的水就会出现自由落体现象，但由于逆止阀的存在

31、，使管路中水的重量突然集中在逆止阀上，产生巨大的能量。这股巨大的能量甚至能损坏设备，对整个排水系统造成损坏。所以电动阀的设计是必须的。为了防止这种现象发生，启动排水系统时要先开启水泵电动机，当水泵运转起来以后，管路中的压力逐渐升高，打开电动阀会平衡管路中水的自身的重力，对整个官网冲击较小。停止排水系统时，要先关闭电动阀，使管路中水的压力逐渐减小，再关闭水泵电动机，减小对官网的冲击。这样能大大增加排水系统的寿命，也保证了煤矿的安全。电器元件选型如下：(1)电动阀：查阅4，选用型号为D94-2.5的电动阀。阀门型式为蝶阀，驱动方式为电动，联接型式为法兰联接，工作压力为2.5MPa。(2) 交流接触器：电动阀驱动电机分支回路接触器13-20 选用