【正文】 運(yùn)轉(zhuǎn) )與經(jīng)濟(jì)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(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 。 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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 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。 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(yáng)程 ； ② 起動(dòng)時(shí)將它完全關(guān)閉，以降低起動(dòng)電流。 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(wú)方向性， 能夠方便地來(lái)調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(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。 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。 ③ 逆止閥 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。 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(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(guò)放氣栓 (又叫氣嘴 )將 水泵和吸水管中的空氣放掉。 當(dāng)排水管中有存水時(shí)，也可通過(guò)旁通管向水泵和吸水管中灌引 水，此時(shí)要將旁通管上的閥門(mén)打開(kāi)。此外，還可通過(guò)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(guò)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(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)其結(jié)構(gòu)特征可分為徑向無(wú)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。 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(wú)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)量范圍為 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) MPa(一個(gè)大氣壓 )。 ⑥ 射流泵或真空泵 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(wú)法吸水， 形成“干燒”，嚴(yán)重影響水泵的使用壽命。在無(wú)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 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(dá)到一定的真空度，保證系統(tǒng)正常工作。 井下排水系統(tǒng)存在的問(wèn)題 目前，我國(guó)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(shí)間判斷，完全依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)和已有的操作規(guī)程。 當(dāng)水倉(cāng)水位到達(dá)設(shè) 定的高水位時(shí)，工人打開(kāi)射流泵 (或真空 泵 )，為水泵抽真空，同時(shí) 觀測(cè)真空表的讀數(shù)。真空度達(dá)到要求后，起動(dòng)水泵機(jī)組，使水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)水泵出水口壓力表讀數(shù)達(dá)到要求時(shí)，開(kāi)起閘閥進(jìn)行排水，同時(shí)關(guān)閉抽真空的射流泵 (或真空泵 )。 停泵過(guò)程要進(jìn)行相反的操作。當(dāng)水倉(cāng)積水降至低水位時(shí)，先將 閘閥關(guān)死，再停水泵機(jī)組。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)涌水量的不同，工人還要判斷同時(shí)投入幾臺(tái)水泵工作， 以便于既能及時(shí)排出積水，又能使泵站合理使用，避免過(guò)度頻繁的起停。 其存在的問(wèn)題有如下幾點(diǎn)： 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(gè)執(zhí)行件的操作。另外， 對(duì)水位、涌水量大小等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的判斷依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)。作業(yè)過(guò)程比較復(fù)雜，要求工人具有很強(qiáng)的責(zé)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(dòng)強(qiáng)度大。人工操作無(wú)法避免高強(qiáng)度的勞作。尤其是 閘閥的操作，勞動(dòng)量最大。而且，水泵房要時(shí)時(shí)有人值守，以便在發(fā)生異常情況時(shí)，及時(shí)報(bào)警檢修。 排水系統(tǒng) 為何要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 針對(duì)上述排水系統(tǒng)存在的問(wèn)題，本文提出了基于 PLC 的礦井主排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，將使得排水系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)，整個(gè)工作流程通過(guò)軟件的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，程序確定后，水泵機(jī)組將按給定的程序自動(dòng) 啟停水泵、開(kāi)合閥門(mén)，極大的減小工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 PLC 將水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳至地面生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控中心主機(jī)，管理人 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 員在地面即可掌握井下主排水系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動(dòng)化控制信息，實(shí)現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的遙測(cè)、遙控。 我國(guó)礦井主排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀 井下排水是伴隨著采礦工程產(chǎn)生的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。隨著控制理論 和現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)排水系統(tǒng)的研究在理論和實(shí)踐上都取得了一定進(jìn)步。 傳統(tǒng)的繼電器控制方法，用人工進(jìn)行檢測(cè) (如人工檢測(cè)水 倉(cāng)水位、淤泥厚度、管道、閘閥及配電設(shè)備狀況等 )，這 種檢測(cè)控制方法效率低，工 人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且由于井下環(huán)境惡劣，故障率較高 。所以靠人工檢測(cè)的方法已不適應(yīng)煤炭發(fā)展的需要，取而代之的是自動(dòng)化排水系統(tǒng)。 隨之， 一種新穎的礦井排水計(jì)算機(jī)自動(dòng)控 制系統(tǒng)問(wèn)世。由于礦井排水系統(tǒng)屬于多變量、非線性、時(shí)變的復(fù)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(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的集散式控制方式，建立了多級(jí)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(guó)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(dòng)監(jiān)測(cè)排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)記錄、故障報(bào)警、事故分析、多臺(tái)水泵啟動(dòng)的自動(dòng)切換等，所得到的動(dòng)態(tài)資料準(zhǔn)確性高，控制的可靠性高。 第 二 章 礦井自動(dòng)排水系統(tǒng)的各種參數(shù)與檢測(cè) 排水裝置要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無(wú)人職守，最根本的就是讓控制系統(tǒng)了解自動(dòng)化系 統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的狀況和運(yùn)行狀態(tài)。這些運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)中央處理單元的分析和運(yùn)算后，做出判斷并顯示給集中監(jiān)控室。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 圖 主排水泵自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)圖 排水裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的過(guò)程中，必須對(duì) 圖所示 參數(shù)進(jìn)行 檢 測(cè) ， 本 章 將對(duì)以下 5個(gè) 監(jiān)控的參數(shù)展開(kāi)論述 并給出檢 測(cè)的方法和可實(shí)現(xiàn)性。 (1)水倉(cāng)水位 的檢 測(cè) (2)水泵流量的 檢 測(cè) (3)水泵壓力檢測(cè) (4)水泵負(fù)壓檢測(cè) (5)電機(jī)及水泵溫度檢測(cè) 水倉(cāng)水位的檢測(cè) 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(kāi)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。 下面就單換能器的超聲波傳感器加以介紹。 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。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 圖 超聲波液位計(jì)安裝示意圖 對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō)，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： 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(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。 超聲波液位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)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 210? ～ 410 m。 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(lái)計(jì)算傳感器到被測(cè)物體的距離。 工作特點(diǎn)：采用 SMD技術(shù)，提高儀器的可靠性，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、 RS485數(shù)字通信輸出等方式 可供選擇。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 圖 超聲波液位計(jì)選型 設(shè)計(jì)中 選用二線制輸出型 液位計(jì) ，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(wú) 輸出： 4～ 20mA 二線制 防護(hù)等級(jí)： 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(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 34所示。 圖 34水位計(jì)示意圖 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 圖 傳感器功能模塊圖 具體的來(lái)說(shuō)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(lái)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 35。 液位檢測(cè)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(jì)和制造出來(lái)的，分別適應(yīng)于不同 的工作場(chǎng)所。當(dāng)然，有些場(chǎng)所可以使用兩種當(dāng)中的任何一種，也可以同時(shí)使用在同一個(gè)被檢測(cè)對(duì)象 (水倉(cāng) )。 一、 兩種液位傳感器的比較 投入式液位傳感器的特點(diǎn)在于 : ① 制造成本相對(duì)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(cè)量水倉(cāng)水位的要求 : ③ 性能受到被檢測(cè)介質(zhì)物理性質(zhì) (如液體有固體沉積或粘稠 )的影響 ； ④ 測(cè)量工作不受空氣中的懸浮成分如粉塵、濃煙等的影響 相對(duì)而言，超聲波液位傳感器的特點(diǎn)在于 : ① 超聲波傳播會(huì)受到空氣中粉塵的影響 ； ② 超聲波水位傳感器的測(cè)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(cè)介質(zhì)的影響 ； ④ 制造成本比較高 。 二、 水位檢測(cè)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(gè)排水系統(tǒng)的嗅覺(jué) 器官。也就是說(shuō)，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(wú)法啟動(dòng)。所以，合理設(shè)計(jì)水位傳感也是很重要的。 在水位檢測(cè)裝置的選擇上，至少選擇兩個(gè)水位傳感器來(lái)提高水位檢測(cè)裝7 8 0 9A / D 轉(zhuǎn) 換 器放 大 電 路檢 測(cè) 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(jī)振 蕩 器E P R O M 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 置的可