【正文】 下排水設(shè)備運轉(zhuǎn)的可靠性 (安全運轉(zhuǎn) )與經(jīng)濟性 (效 率高、電耗量小 )，具有十分重要的意義。 礦井排水系統(tǒng)的組成部分 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 動機、起動設(shè)備、儀表、管路及管路附 件等組成 。 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 ① 濾水器和底閥 濾水器安裝在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于 。其作用是防止井底沉積的煤泥和雜物吸入泵內(nèi)，導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。 ②閘閥 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 : ① 調(diào)節(jié)水泵的流量和揚程 ； ② 起動時將它完全關(guān)閉，以降低起動電流。 調(diào)節(jié)閘閥的 優(yōu)點是流動阻力和關(guān)閉壓力較小，安裝時無方向性， 能夠方便地來調(diào)節(jié)水泵的流量和揚程等。其缺點是密封面容易擦傷，檢修較為困難，高度尺寸較大，在安裝位置受到限制時，安裝不便，結(jié)構(gòu)較復雜，價格較高。 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 為檢修排水管路時放水用。 ③ 逆止閥 逆止閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥的上方，其作用是當水泵突然停止運轉(zhuǎn) (如突然停電 )時，或者在未關(guān)閉調(diào)節(jié)閘閥的情況下停泵時，能自 動關(guān)閉，切斷水流，使水泵不致受到水力沖擊而遭到損壞。 ④ 灌引水漏斗、放氣栓和旁通管 灌引水漏斗是在水泵初次 起動時，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，要通過放氣栓 (又叫氣嘴 )將 水泵和吸水管中的空氣放掉。 當排水管中有存水時，也可通過旁通管向水泵和吸水管中灌引 水，此時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，但此時須通過連接在底閥上的鐵絲或鏈條將底閥提起。 ⑤ 壓力表和真空表 壓力表安裝在水泵的排水接管上，為檢測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。壓力表所測出的壓力叫做表壓力或 相對壓力，它比絕對壓力小 1個大氣壓。 真空表安裝在水泵的吸水接管上，為檢 測 吸水管的真空度用。 根據(jù)其結(jié) 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 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。 真空表測量范圍為 MPa(一個大氣壓 )。 ⑥ 射流泵或真空泵 離心式水泵在起動前必須將吸水管和泵腔內(nèi)注滿水才能進入運 行狀態(tài)，否則水泵轉(zhuǎn)動時將無法吸水， 形成“干燒”，嚴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 12 所示。它們的工作原理不同，但都能在系統(tǒng)中使水泵工作腔達到一定的真空度，保證系統(tǒng)正常工作。 目前，我國大多煤礦企業(yè)的井下水泵房使用的仍然是傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng)，以離心式水泵系統(tǒng)為主。這種排水系統(tǒng)的操作以離心式水泵的工作特性為基礎(chǔ)，泵站的起停時間判斷，完全依賴于工人的經(jīng)驗和已有的操作規(guī)程。 當水倉水位到達設(shè) 定的高水位時，工人打開射流泵 (或真空 泵 )，為水泵抽真空，同時 觀測真空表的讀數(shù)。真空度達到要求后，起動水泵機組，使水泵運轉(zhuǎn)。當水泵出水口壓力表讀數(shù)達到要求時，開起閘閥進行排水，同時關(guān)閉抽真空的射流泵 (或真空泵 )。 停泵過程要進行相反的操作。當水倉積水降至低水位時，先將 閘閥關(guān)死，再停水泵機組。 根據(jù)現(xiàn)場涌水量的不同，工人還要判斷同時投入幾臺水泵工作， 以便于既能及時排出積水，又能使泵站合理使用，避免過度頻繁的起停。 其存在的問題有如下幾點： ① 效率低、可靠性差。這種排水系統(tǒng)的工作流程完全由手工完 成，工人按部就班的完成各個執(zhí)行件的操作。另外， 對水位、涌水量大小等現(xiàn)場數(shù)據(jù)的判斷依賴于工人的經(jīng)驗。作業(yè)過程比較復雜，要求工人具有很強的責任心，否則可能出現(xiàn)誤操作，甚至發(fā)生大的事故。 ② 工人勞動強度大。人工操作無法避免高強度的勞作。尤其是 閘閥的操作，勞動量最大。而且，水泵房要時時有人值守，以便在發(fā)生異常情況時，及時報警檢修。 為何要實現(xiàn)自動控制 針對上述排水系統(tǒng)存在的問題，本文提出了基于 PLC 的礦井主排水自動 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 控制系統(tǒng)的設(shè)計。自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用，將使得排水系統(tǒng)可靠性增強，整個工作流程通過軟件的編程來實現(xiàn)，程序確定后，水泵機組將按給定的程序自動 啟停水泵、開合閥門，極大的減小工人的勞動強度。 PLC 將水泵機組的運行狀態(tài)與參數(shù)經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)傳至地面生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控中心主機，管理人員在地面即可掌握井下主排水系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動化控制信息，實現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的遙測、遙控。 井下排水是伴隨著采礦工程產(chǎn)生的一項系統(tǒng)工程。隨著控制理論 和現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展，自動排水系統(tǒng)的研究在理論和實踐上都取得了一定進步。 傳統(tǒng)的繼電器控制方法，用人工進行檢測 (如人工檢測水 倉水位、淤泥厚度、管道、閘閥及配電設(shè)備狀況等 )，這 種檢測控制方法效率低，工 人勞動強度大，且由于井下環(huán)境惡劣，故障率較高 。所以靠人工檢測的方法已不適應(yīng)煤炭發(fā)展的需要，取而代之的是自動化排水系統(tǒng)。 隨之， 一種新穎的礦井排水計算機自動控 制系統(tǒng)問世。由于礦井排水系統(tǒng)屬于多變量、非線性、時變的復雜系統(tǒng)，特別是在管道和水泵等環(huán)節(jié)中，各變量之間又存在著交叉，因此礦井排水系統(tǒng)非常適合于采用模糊控制的方法進行動態(tài)監(jiān)測和故障診斷。該系統(tǒng)采用先進的集散式控制方式，建立了多級模塊化的結(jié)構(gòu)體系，提出了多參數(shù)的模糊綜合決策方法。 目前， PLC 在國內(nèi)外工業(yè)控制中已獲得廣泛應(yīng)用，在礦井排 水系統(tǒng)中，采用 PLC 自動監(jiān)測排水系統(tǒng)的運行狀況，自動進行數(shù)據(jù)采集、自動記錄、故障報警、事故分析、多臺水泵啟動的自動切換等，所得到的動態(tài)資料準確性高，控制的可靠性高。 第 二 章 礦井自動排水系統(tǒng)的各種參數(shù)與檢測 排水裝置要實現(xiàn)自動控制、無人職守，最根本的就是讓控制系統(tǒng)了解自動化系 統(tǒng)中各個設(shè)備的狀況和運行狀態(tài)。這些運行狀態(tài)經(jīng)過系統(tǒng)中央處理單元的分析和運算后，做出判斷并顯示給集中監(jiān)控室。 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 圖 主排水泵自動化監(jiān)控系統(tǒng)圖 排水裝置實現(xiàn)自動化的過程中，必須對 圖所示 參數(shù)進行 檢 測 ， 本 章 將對以下 5 個 監(jiān)控的參數(shù)展開論述 并給出檢 測的方法和可實現(xiàn)性。 (1)水倉水位 的檢 測 (2)水泵流量的 檢 測 (3)水泵壓力檢測 (4)水泵負壓檢測 (5)電機及水泵溫度檢測 液位傳感器介紹 一、超聲波液位傳感器 超聲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時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對液位進行測量。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換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接受各使用一個換能器。 下面就單換能器的超聲波傳感器加以介紹。 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 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 32所示。 圖 超聲波液位計安裝示意圖 對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時間為： 2ht c? （式 31） 則 2cth? （式 32） 式中： h — 換能器距液面的距離； c — 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。 從以上公式中可以看出，只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時間間隔，便可以求得待測的液位。 超聲波液位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下，它的測量誤差為 %? ，檢測液位的范圍為 210? ～ 410 m。 本設(shè)計中采用的是 Yjsonic 系列的超聲波液位計， 在測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。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時間來計算傳感器到被測物體的距離。 工作特點：采用 SMD 技術(shù)，提高儀器的可靠性，自動功率調(diào)整，增益控制、溫度補償。先進的檢測技術(shù)，豐富的軟件功能適應(yīng)各種復雜環(huán)境。采用新型的波形計算技術(shù)，提高儀表的測量精度。具有干擾回波的抑制功能 ， 保證測量數(shù)據(jù)的真實。 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合，多種輸出方式：可編程繼電器輸出、高精度 4～ 20mA 電流輸出、 RS485 數(shù)字通信輸出等方式可供選擇。 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 圖 超聲波液位計選型 設(shè)計中 選用二線制輸出型 液位計 ，其參數(shù)如下： 量程： 0～ 1 20m 精度： % 盲區(qū)： ～ 溫度： 20℃ ～ +55℃ 電源： 24VDC 控制： 無 輸出： 4～ 20mA 二線制 防護等級： IP65 顯示方式： 4位 LCD 二、 投入式液位傳感器 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液體會產(chǎn)生一定的壓強這個基本原理制成的。其示意圖如圖 34所示。 圖 34水位計示意圖 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 圖 傳感器功能模塊圖 具體的來說是 :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，該微弱的電信號經(jīng)放大器放大后送 A/D 變換器，單片機采集數(shù)字信號經(jīng)運算處 理后，輸出的水位高度用數(shù)碼管來顯示，同 時輸出對應(yīng)的輸出信號。其內(nèi)部的功能模塊圖如圖 35。 液位檢測裝置的選擇 上述兩種液位傳感器是基于不同的工作原理設(shè)計和制造出來的，分別適應(yīng)于不同 的工作場所。當然，有些場所可以使用兩種當中的任何一種，也可以同時使用在同一個被檢測對象 (水倉 )。 一、 兩種液位傳感器的比較 投入式液位傳感器的特點在于 : ① 制造成本相對于超聲波液位傳感器較為低廉 : ② 量程比較小 (5 — 10 米 )，但一般能滿足測量水倉水位的要求 : ③ 性能受到被檢測介質(zhì)物理性 質(zhì) (如液體有固體沉積或粘稠 )的影響 ； ④ 測量工作不受空氣中的懸浮成分如粉塵、濃煙等的影響 相對而言，超聲波液位傳感器的特點在于 : ① 超聲波傳播會受到空氣中粉塵的影響 ； ② 超聲波水位傳感器的測量量程大 ； ③ 超聲波水位傳感器屬于非接觸式傳感器，性能不受被檢測介質(zhì)的影響 ； ④ 制造成本比較高 。 二、 水位檢測裝 置 的選擇 由于煤礦井下的排水系統(tǒng)重要的安全地位，而水位傳感器是整個排水系7 8 0 9A / D 轉(zhuǎn) 換 器放 大 電 路檢 測 電 橋傳 感 探 頭+ 6 V 6 V放 大 及 變 換電 流 輸 出數(shù) 碼 管 顯 示單片機振 蕩 器E P R O M 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 統(tǒng)的嗅覺 器官。也就是說，一旦水位傳感器失靈，后面的排水硬件和響應(yīng)軟件設(shè)置的再好都無法啟動。 所以，合理設(shè)計水位傳感也是很重要的。 在水位檢測裝置的選擇上，至少選擇兩個水位傳感器來提高水位檢測裝置的可靠 性。一般選擇一個超聲