安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控課程設(shè)計(jì)--礦井抽水系統(tǒng)

1、<p>　　安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控課程設(shè)計(jì)</p><p>　　1課程設(shè)計(jì)的要求與目的</p><p>　　1.1課程設(shè)計(jì)的目的</p><p>　　隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，企業(yè)不斷建設(shè)與改建大型礦井，礦井井底水抽放到地面上處理也越來越不容易。無論從資源利用，經(jīng)濟(jì)效益還是環(huán)境方面考慮煤礦的排水問題，對(duì)于礦井排水的二次利用是非常重要的。所以針對(duì)這一問題利用傳感器技術(shù)、PL

2、C控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)視頻監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦抽水的自動(dòng)化，自動(dòng)啟動(dòng)水泵進(jìn)行抽水。當(dāng)水位下降到安全值以下時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉水泵，實(shí)現(xiàn)水位和流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。</p><p>　　設(shè)計(jì)礦井排水進(jìn)行制漿是提高煤礦效益，安全生產(chǎn)，降低損失，保護(hù)環(huán)境的最好選擇。</p><p>　　1.2課程設(shè)計(jì)的要求</p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)礦井抽水系統(tǒng)，利用設(shè)計(jì)的傳感器，控制器，執(zhí)行器可以對(duì)輸水

3、管道的水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)控并且能控制水流量為指定值，形成一個(gè)自動(dòng)恒溫控制系統(tǒng)，采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，將礦井井下水抽放到蓄水池，利用蓄水池的礦井水進(jìn)行制漿，用于井下滅火和充填。</p><p>　　結(jié)合具體的煤礦相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)按照《煤礦安全規(guī)程》主要排水設(shè)備應(yīng)符合下列要求：</p><p>　　（1）水泵。合理的選擇水泵型號(hào)類型，必須有工作和備用檢修的水泵。工作水泵應(yīng)能在20 小時(shí)內(nèi)排出礦井2

4、4 小時(shí)的正常涌水量。備用水泵應(yīng)具備大于工作水泵70%的排水能力。</p><p>　?。?）水管。必須有工作和備用的水管。工作水管的能力應(yīng)能配合工作水泵在20小時(shí)內(nèi)排出礦井的正常涌水量。工作和備用水管的總能力應(yīng)能配合工作和備用水泵在20 小時(shí)內(nèi)排出礦井24 小時(shí)內(nèi)最大的涌水量。</p><p>　?。?）配電設(shè)備。應(yīng)同工作及備用水泵相適應(yīng)，并能夠同時(shí)開動(dòng)工作和備用水泵。</p>

5、;<p><b>　　2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1控制方案</b></p><p>　　煤礦礦井抽水自動(dòng)控制系統(tǒng)是根據(jù)煤礦礦井的實(shí)際情況，以使設(shè)備在無人干涉的情況下自動(dòng)運(yùn)行和自我診斷的一套系統(tǒng)。通過工業(yè)計(jì)算機(jī)的決策控制，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行過程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制，利用水位測(cè)量計(jì)，傳感器采集，記錄的

6、相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到地面中樞電腦控制室對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)照煤礦排水標(biāo)準(zhǔn)以及煤礦灌漿設(shè)計(jì)需求的供水排水量，將信息處理后通過對(duì)控制器傳遞模擬信號(hào)，進(jìn)一步對(duì)執(zhí)行器傳遞模擬信號(hào)來控制管道的輸水情況。</p><p><b>　　設(shè)備列表如下：</b></p><p><b>　　表1排水系統(tǒng)設(shè)備表</b></p><p><b>

7、;　　2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下；</b></p><p>　　設(shè)計(jì)統(tǒng)主要在PCL監(jiān)控機(jī)為工作核心在排水的過程中進(jìn)行水泵，管路流量的檢測(cè)，壓力檢測(cè)，溫度檢測(cè)，真空度檢測(cè)以及系統(tǒng)的電壓檢測(cè)，水位監(jiān)測(cè)，工作狀況檢測(cè)監(jiān)控。</p><p>　　系統(tǒng)由PLC（可編程邏輯控制器）、觸摸屏、檢測(cè)部分（模

8、擬量和開關(guān)量采集）和執(zhí)行部分等組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。</p><p><b>　　圖1排水控制系統(tǒng)圖</b></p><p>　　井下排水系統(tǒng)一般采用離心式水泵，一些小型煤礦或淺水井臨時(shí)排水系統(tǒng)也采用潛水泵。離心式水泵排水系統(tǒng)主要由離心式水泵、電動(dòng)機(jī)、起動(dòng)設(shè)備、儀表、管路及管路附件等組成。</p><p><b>　?、贋V水器和

9、底閥</b></p><p>　　濾水器安裝在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于O.5m 。其作用是防止井底沉積的煤泥和雜物吸入泵內(nèi)，導(dǎo)致水泵被堵塞或被磨損。在濾水器內(nèi)裝有舌型底閥，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。但是現(xiàn)在的排水系統(tǒng)中，為了提高排水效率，減小水泵腐蝕，一般不用底閥，而用射流泵或真空泵為水泵和吸水管注水。</p><p><

10、b>　?、陂l閥</b></p><p>　　調(diào)節(jié)閘閥安裝在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止閥的下方。其功用為:</p><p>　?、僬{(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程；</p><p>　?、谄饎?dòng)時(shí)將它完全關(guān)閉，以降低起動(dòng)電流。</p><p>　　調(diào)節(jié)閘閥的優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)阻力和關(guān)閉壓力較小，安裝時(shí)無方向性，能夠方便地來調(diào)節(jié)水泵的流

11、量和揚(yáng)程等。其缺點(diǎn)是密封面容易擦傷，檢修較為困難，高度尺寸較大，在安裝位置受到限制時(shí)，安裝不便，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較高。</p><p>　　放水閘閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥上方的排水管路的放水管上，其作用為檢修排水管路時(shí)放水用。</p><p><b>　　③逆止閥</b></p><p>　　逆止閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥的上方，其作用是當(dāng)水泵突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)(如突

12、然停電)時(shí)，或者在未關(guān)閉調(diào)節(jié)閘閥的情況下停泵時(shí)，能自動(dòng)關(guān)閉，切斷水流，使水泵不致受到水力沖擊而遭到損壞。</p><p>　　④灌引水漏斗、放氣栓和旁通管</p><p>　　灌引水漏斗是在水泵初次起動(dòng)時(shí)，向水泵和吸水管中灌引水用。在向水泵和吸水管中灌引水時(shí)，要通過放氣栓(又叫氣嘴)將水泵和吸水管中的空氣放掉。</p><p>　　當(dāng)排水管中有存水時(shí)，也可通過旁通管

13、向水泵和吸水管中灌引水，此時(shí)要將旁通管上的閥門打開。此外，還可通過旁通管，利用排水管中的壓力水的反沖作用，沖掉積存于水泵流通部分和附著于濾水器上的雜物，但此時(shí)須通過連接在底閥上的鐵絲或鏈條將底閥提起。</p><p><b>　?、輭毫Ρ砗驼婵毡?lt;/b></p><p>　　壓力表安裝在水泵的排水接管上，為檢測(cè)排水管中水壓大小用。常用的壓力表為普通彈簧管壓力表，根據(jù)其

14、結(jié)構(gòu)特征可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑有60mm,100mm,150mm,200mm和250mm五種。壓力表所測(cè)出的壓力叫做表壓力或相對(duì)壓力，它比絕對(duì)壓力小1個(gè)大氣壓。</p><p>　　真空表安裝在水泵的吸水接管上，為檢測(cè)吸水管的真空度用。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征也可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑和壓力表一樣，也分為60, 100, 150，和250mm五種。真空表測(cè)量范圍

15、為0--0.1 MPa(一個(gè)大氣壓)。 </p><p><b>　　⑥射流泵或真空泵</b></p><p>　　離心式水泵在起動(dòng)前必須將吸水管和泵腔內(nèi)注滿水才能進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，否則水泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將無法吸水，形成“干燒”，嚴(yán)重影響水泵的使用壽命。在無底閥的排水系統(tǒng)中，水泵每次起動(dòng)都要灌水，這一工作由抽真空設(shè)備完成，一般使用射流泵或真空泵。如圖1-2所示。它們的工作原理不同

16、，但都能在系統(tǒng)中使水泵工作腔達(dá)到一定的真空度，保證系統(tǒng)正常工作。</p><p><b>　　3設(shè)備選型</b></p><p><b>　　3.1傳感器</b></p><p>　　3.1.1液位傳感器介紹</p><p>　　一、超聲波液位傳感器</p><p>　　超聲

17、波液位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接受到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)發(fā)射和接受換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個(gè)換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接受各使用一個(gè)換能器。</p><p>　　下面就單換能器的超聲波傳感器加以介紹。</p

18、><p>　　超聲波發(fā)射和接收換能器可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖2所示。</p><p>　　2超聲波液位計(jì)安裝示意圖</p><p>　　對(duì)于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時(shí)間為：</p><p><b>　?。ㄊ?-1）</b></p><p>　　

19、則 （式3-2）</p><p>　　式中： h —換能器距液面的距離；</p><p>　　c —超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。</p><p>　　從以上公式中可以看出，只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，便可以求得待測(cè)的液位。</p><p>　　超聲波液位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)

20、的特點(diǎn)，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下，它的測(cè)量誤差為，檢測(cè)液位的范圍為～m。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用的是Yjsonic系列的超聲波液位計(jì)，在測(cè)量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)物體表面反射后被同一傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間來計(jì)算傳感器到被測(cè)物體的距離。</p><p>　　工作特點(diǎn)：采用SMD技術(shù)，提

21、高儀器的可靠性，自動(dòng)功率調(diào)整，增益控制、溫度補(bǔ)償。先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，豐富的軟件功能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。采用新型的波形計(jì)算技術(shù)，提高儀表的測(cè)量精度。具有干擾回波的抑制功能，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)。16位D/A轉(zhuǎn)換，提高電流輸出的精度和分辨率。傳感器采用四氟乙烯材料，可用于各種腐蝕性場(chǎng)合，多種輸出方式：可編程繼電器輸出、高精度4～20mA電流輸出、RS-485數(shù)字通信輸出等方式可供選擇。</p><p><b>　

22、　3超聲波液位計(jì)選型</b></p><p>　　設(shè)計(jì)中選用二線制輸出型液位計(jì)，其參數(shù)如下：</p><p>　　量程： 0～3、5、8、10、15、20m</p><p>　　精度： 0.25% </p><p>　　盲區(qū)： 0.3～0.5m</p><p>　　溫度： -20℃～+55℃</p&g

23、t;<p><b>　　電源： 24VDC</b></p><p><b>　　控制： 無</b></p><p>　　輸出： 4～20mA 二線制</p><p>　　防護(hù)等級(jí)：  IP65</p><p>　　顯示方式： 4位LCD  </p&g

24、t;<p>　　二、投入式液位傳感器</p><p>　　投入式液位傳感器是將傳感器的探頭投入液體中。利用處于一定深度時(shí)液體會(huì)產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)這個(gè)基本原理制成的。其示意圖如圖4所示。</p><p><b>　　圖4水位計(jì)示意圖</b></p><p>　　圖 5傳感器功能模塊圖</p><p>　　具體的來

25、說是:傳感頭根據(jù)水中的壓力與空氣中的壓力差，傳感頭把水位的高度變換成壓力差，再把壓力差轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，該微弱的電信號(hào)經(jīng)放大器放大后送A/D變換器，單片機(jī)采集數(shù)字信號(hào)經(jīng)運(yùn)算處理后，輸出的水位高度用數(shù)碼管來顯示，同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。其內(nèi)部的功能模塊圖如圖5。</p><p><b>　　3.1執(zhí)行器</b></p><p>　　3.3 井下中央控制器</p&

26、gt;<p>　　井下控制器是本項(xiàng)目自主研發(fā)的主要設(shè)備，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分。從處理器芯片選擇到電路設(shè)計(jì)再到接口設(shè)計(jì)并制板，都是在實(shí)驗(yàn)室中完成的。然后設(shè)計(jì)該控制器的軟件程序，通過功能調(diào)試之后，加上外殼封裝而成。</p><p>　　本控制器選用選擇Philips 公司的LPC2368 芯片（ ARM7 系列產(chǎn)品）作為處理器，通過CAN 總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通訊，采用SD 卡(FAT32 文件

27、系統(tǒng))作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，搭載井上監(jiān)控設(shè)備（工控機(jī)）、井下傳感設(shè)備（流量?jī)x和液位計(jì)）以及配用礦井原有的水泵站構(gòu)成具有實(shí)時(shí)通訊和數(shù)據(jù)檢索功能的監(jiān)測(cè)及自動(dòng)排水控制裝置。</p><p>　　控制器實(shí)現(xiàn)的功能為：讀取流量計(jì)和液位計(jì)的數(shù)據(jù)之后，通過運(yùn)算處理監(jiān)控水池的水位，并實(shí)時(shí)記錄并顯示水池水情、發(fā)送日常水位情報(bào)信息以及異常狀態(tài)信息。同時(shí)，能自動(dòng)識(shí)別水池水位，在水位超出需要高度時(shí)自動(dòng)抽排，并使用無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸手段實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)

28、程監(jiān)控。</p><p>　　采用嵌入式控制器的主要優(yōu)點(diǎn)是：功耗極低，工作可靠，無常規(guī)操作系統(tǒng)下易受破壞的困擾。</p><p><b>　　3.4 配套設(shè)備</b></p><p>　　數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)(JDVR)可集音視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與壓縮、聯(lián)動(dòng)報(bào)警、輔助設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制等于一體，數(shù)據(jù)壓縮采用H.264算法，聲音與畫質(zhì)非常清晰、可將現(xiàn)場(chǎng)情

29、況錄制在硬盤中，以便于在需要的情況下回查。 </p><p>　　選用PCL控機(jī)作為系統(tǒng)工況的監(jiān)控機(jī)使用,配備監(jiān)控設(shè)施監(jiān)控抽水工作狀況，系統(tǒng)采用研華原裝IPC-610P 工控計(jì)算機(jī)、6114P4 無源底板、250W 工業(yè)電源等工業(yè)級(jí)組件，配合Intel PIII CPU 128~512M 內(nèi)存，80G 硬盤等配件，經(jīng)過12~48 小時(shí)整機(jī)老化，構(gòu)成可靠、安全的、高性能的PIII 級(jí)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控。<

30、/p><p><b>　　3.5水泵</b></p><p>　　離心式水泵只有在泵殼內(nèi)充滿水的情況下允許啟動(dòng)，通常采用的方法是打開逆止閥旁通道上的截止閥（或注水電磁閥）讓排水管道中的壓力水注入泵體，泵體內(nèi)的空氣從放氣旋塞排出。這種方法要求水泵必須裝設(shè)底閥。在排水過程中，底閥產(chǎn)生一定的水力損失使水泵的電耗增加、效率降低。為了取消底閥、增加吸水高度、便于自動(dòng)控制，還可采用以

31、下充水裝置。</p><p><b>　　用真空泵抽真空吸水</b></p><p>　　在多臺(tái)大泵集中排水的情況下，可設(shè)置兩臺(tái)真空泵專為大泵抽真空吸水。一般采用SZ型、SZB型、SZH型水環(huán)式真空泵。在本系統(tǒng)中采用的是SZ水環(huán)式真空泵。 </p><p>　　在正常情況下，為了加快充水過程兩臺(tái)真空泵同時(shí)對(duì)一臺(tái)水泵抽氣。當(dāng)一臺(tái)真空泵發(fā)生故障時(shí)，

32、另一臺(tái)仍能擔(dān)負(fù)抽氣的任務(wù)。抽氣管經(jīng)過電磁閥與每臺(tái)水泵進(jìn)水端的放氣孔相接，管路接頭處要保證嚴(yán)密。由于真空泵在工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，及一部分工作液（水環(huán)）隨氣體一起排走，所以應(yīng)不斷地向真空泵補(bǔ)充清水。其參數(shù)如表2所示。</p><p>　　表2 SZ水環(huán)式真空泵的性能參數(shù)</p><p>　　1-抽氣管；2-電磁閥；3-真空表；4-水環(huán)式真空泵；5-補(bǔ)水水管；6-排氣軟管</p><

33、;p>　　圖6真空泵的安裝示意圖 </p><p><b>　　4電路及管路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　井下排水自控系統(tǒng)中顯示操作臺(tái)的輸入信號(hào)、各閥門開關(guān)到位信號(hào)和傳感器的 4～20mA 電流信號(hào)等均通過航空電纜從 PLC 防爆箱的喇叭嘴接入，連接到數(shù)字量和

34、模擬量輸入模塊上。數(shù)字量輸出模塊的輸出信號(hào)同樣需要通過航空電纜從喇叭嘴連接到各執(zhí)行設(shè)備。CPU226CN 模塊上的 RS485 接口與顯示操作臺(tái)上的文本顯示器相連接，可為文本顯示器提供各設(shè)備的狀態(tài)顯示信號(hào)。CP243-1 模塊的以太網(wǎng)接口通過網(wǎng)線連接到光纖分線盒，將工業(yè)以太網(wǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，光纖連接到地面監(jiān)控室后接入地面上的光纖接線盒，光信號(hào)被再次轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)信號(hào)，其后將其并入工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)再連接到上位機(jī)。</p>

35、<p><b>　　圖7排水電路圖</b></p><p><b>　　4.2管路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　如下圖所示的管路圖</b></p><p><b>　　圖8管路圖</b></p><p>　　由上圖我們可以看出，每臺(tái)

36、水泵均與 1#主排水管路和 2#副排水管路連接，并分別在支路上安裝有排水閘閥，在排空管路上安裝有主、副真空閥。另外，主副排水管路均安裝有流量傳感器，每臺(tái)水泵出水口安裝有正壓力傳感器，水泵吸水口安裝有負(fù)壓力傳感器來檢測(cè)水泵的真空度，在水泵電機(jī)安裝 PT100 溫度傳感器，檢測(cè)電機(jī)軸溫和水泵軸溫，所有傳感器的信號(hào)電流均為 4mA～20mA。在水倉(cāng)中安裝有兩套液位傳感器，一套為超聲波傳感器，用來檢測(cè)水倉(cāng)水位的細(xì)微變化，可在文本顯示器和上位機(jī)組

37、態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)顯示具體的數(shù)值，主要用來判斷水位的上升、下降趨勢(shì)，另一套為本安式數(shù)字液位開關(guān)，即是 3 套浮球液位開關(guān)，根據(jù)浮球的浮沉情況設(shè)置了 4 個(gè)液位高度，使系統(tǒng)能根據(jù)水位變化情況自動(dòng)開停水泵等。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　通過本次安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控的課程設(shè)計(jì)，使自己對(duì)煤礦井下的自動(dòng)抽，排水系統(tǒng)有了一定的認(rèn)識(shí)。結(jié)合課本所學(xué)知識(shí)與上課內(nèi)容，