【正文】 生命、國家的財產(chǎn)都帶來了極大的威脅。井下自動排水系統(tǒng)的任務(wù)就是把流入井下煤礦巷道中的礦井積水排送至地表。井下排水設(shè)備所配備電機(jī)的功率，小的幾千 瓦到幾十千瓦，大的幾百千瓦到上千千瓦、在我國煤炭行業(yè)中，井下排水用電量占原煤生產(chǎn)總耗電量的18%41%，一般為 20%左右。 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。 中國礦業(yè)大學(xué) 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 。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。 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。 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(yáng)程等。 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。 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。 當(dāng)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。 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。表殼的公稱直徑有 60mm,100mm,150mm,200mm 和 250mm 五種。 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。表殼的公稱直徑和壓力表一樣，也分為 60, 100, 150， 和 250mm 五種。 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(jìn)入運(yùn) 行狀態(tài)，否則水泵轉(zhuǎn)動時將無法吸水， 形成“干燒”，嚴(yán)重影響水泵的使用壽命。如圖 12 所示。 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。 當(dāng)水倉水位到達(dá)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)。當(dāng)水泵出水口壓力表讀數(shù)達(dá)到要求時，開起閘閥進(jìn)行排水，同時關(guān)閉抽真空的射流泵 (或真空泵 )。當(dāng)水倉積水降至低水位時，先將 閘閥關(guān)死，再停水泵機(jī)組。 其存在的問題有如下幾點： ① 效率低、可靠性差。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。 ② 工人勞動強(qiáng)度大。尤其是 閘閥的操作，勞動量最大。 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(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 控制系統(tǒng)的設(shè)計。 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)測系統(tǒng)傳至地面生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控中心主機(jī)，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。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(jìn)步。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)。由于礦井排水系統(tǒng)屬于多變量、非線性、時變的復(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)行動態(tài)監(jiān)測和故障診斷。 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(yùn)行狀況，自動進(jìn)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(zhǔn)確性高，控制的可靠性高。這些運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)過系統(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。 (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(fù)壓檢測 (5)電機(jī)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。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。 下面就單換能器的超聲波傳感器加以介紹。 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。 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。 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。 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(bǔ)償。采用新型的波形計算技術(shù)，提高儀表的測量精度。 16 位 D/A 轉(zhuǎn)換，提高電流輸出的 精度和分辨率。 中國礦業(yè)大學(xué) 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(hù)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。其示意圖如圖 34所示。其內(nèi)部的功能模塊圖如圖 35。當(dāng)然，有些場所可以使用兩種當(dāng)中的任何一種，也可以同時使用在同一個被檢測對象 (水倉 )。 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(jī)振 蕩 器E P R O M 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 統(tǒng)的嗅覺 器官。 所以，合理設(shè)計水位傳感也是很重要的。一般選擇一個超聲波液位傳感器與一個投入式液位傳感器相結(jié)合的方法來檢測水位。 溫 度 傳感器一般分為接觸式與非接觸式兩大類。 這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價格低廉等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最多的一類 。 通過比較，宜選擇接觸式溫度傳感器測量溫度比較合適。 Pt100 傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來進(jìn)行測溫，其溫度 /阻值對應(yīng)關(guān)系為： （ 1） 200℃t 0℃ 時， 230 [1 C ( 10 0) ]tR R At Bt t t? ? ? ? ? （ 式 312） （ 2） 0℃ ≤t≤ 850℃ 時， 20 (1 )tR R At Bt? ? ? （ 式 313） 式中， A=10 3； B=10 7； C=10 12。 12VDC 電源提供工作電壓）直接把采集到的電阻變?yōu)?5VDC 輸入到 PLC，經(jīng)過簡單的計算就可以得到相應(yīng)的溫度值 。它 可以 串 連一個電磁指示儀表 。 （ ＋ │t│ ）， B 級 177。 另外， Pt100 溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點。 一、應(yīng)變式壓力傳感器原理介紹 應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力，如動力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機(jī)內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道的壓力等。 圖 39 為膜片式壓力傳感器，應(yīng) 變片貼在膜片內(nèi)壁，在壓力 p 作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變 r? 和切向應(yīng)變 t? ，表達(dá)式分別為： 2 2 223 (1 ) ( 3 )8r p R xhE?? ??? （式 38） 2 2 223 (1 )( )8T p R xhE?? ??? （式 39） 式中： p — 膜片上均勻分布的壓力； R、 h — 膜片的半徑和厚度； X — 離圓心的徑向距離。 根據(jù)以上特點，一般在平膜片圓心處切向粘貼 R R4兩個應(yīng)變片，在邊緣處沿徑向粘貼 R R3兩個應(yīng)變片，然后接成如圖 310的全橋電路。 +U 0ER 1 + Δ R 1R 3 Δ R 3R 4 + Δ R 4R 2 Δ R 2 圖 全橋差動電路 二、 HS956 系列薄膜壓力變送器 在本系統(tǒng)中使用了 HS956 系列薄膜壓力變送器。該系列產(chǎn)品技術(shù)獨(dú)特、性能優(yōu)越 ,具有體積小、重量輕、安裝簡便、能在惡劣環(huán)境長期穩(wěn)定工作的特點，特別適合頻繁沖擊壓力的測量。 HS956 系列薄膜壓力變送器的特點： 穩(wěn)定性高 每年優(yōu)于 177。% 溫度范圍寬 允許介質(zhì)溫度 40～ 125℃ 溫度漂移小 典型溫漂 177。因此適應(yīng)各種工業(yè)測量場合及介質(zhì)。其中 US 為電源電壓 ； 過壓 量程的 120% ； 輸出限制 變送器過壓時，內(nèi)部限流器輸出電流限制在 25mA 以下 ； 溫度范圍 敏感元件工作溫度： 50～ 125℃ ； 電 子部件工作溫度：40～ 85℃ ； 濕度范圍 0～ 99% 相對濕度 。這些 參數(shù)之間相互結(jié)合可以檢測出水泵、電動機(jī)的性能和工況。水泵出口流量的檢測有兩種布置方式 : ① 流量檢測器安裝分別安裝在水泵出口的分支管路上 ， 圖 36所示 。 兩種安裝位置的比較，采用圖 37所示的安裝方 式可以滿足需要。 從而可以比較準(zhǔn)確的判斷出各個水泵機(jī)組的工作特性。軟件中可以通過檢測干路中的流量總和與所開啟的水泵數(shù)目，可以得到整個排水泵一電機(jī)機(jī)組的工況。 圖 各個水泵只安裝一個流 量 傳感器 流量檢測傳感器 一、 電磁流 量 計工作原理 在工業(yè)中經(jīng)常使用的大口徑流量計是電磁流量計。 電磁流量計由電磁流量轉(zhuǎn)換器和電磁流量傳感器組成的。電磁流量傳感器是根據(jù)法拉第原 理制成的一種流量計，用來測量導(dǎo)電液體的流量。磁場方向、電極連線、管道軸線三者之間是相互垂直的。即 E BDv? （式 33） 式中 :B— 磁感應(yīng)強(qiáng)度 (T)； D— 切割磁力線的導(dǎo)體液體的長度 (為管道內(nèi)徑 )(m)； v— 導(dǎo)電液體在管道內(nèi)的平均流速 (m/s )。 圖 電磁流量傳感器原理圖 二、 電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)特點 理論上認(rèn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度 B是常量，即直流磁場。正電極被負(fù)離子包圍，負(fù)電極被一層正離子 包圍，加大了電極的電阻。同時內(nèi)阻增加隨被測液體成分的變化和工作時間長短而變化，因而使輸出電勢不固定，影響測量精度。另外，由于測量管路處于較強(qiáng)的交流磁場中，管壁產(chǎn)生渦流，因而產(chǎn)生二次磁通。且對于不同直徑的電磁流量計，其電極、測量管路都采用不同的材料做成。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 ③測量范圍寬， max min 1500 ? ； ④可以測量各種腐蝕性液體的流量； ⑤電磁流量計的慣性小，可以用來測量脈動流量； ⑥對測量介質(zhì)，要求導(dǎo)電率大于 。在石油化工、礦冶、煤炭、水利工程給排水、污水處理等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。結(jié)合電磁流量傳感器自身的特點，煤礦井下水泵房采用電磁流量傳 感器檢測水泵出口的流量是簡單易行的。由于每臺水泵的工作曲線特別是使用了一定年限的離心式水泵的流量 /功率、流量 /效率等曲線 有較大的差異，因此無法給出每臺水泵在工作過程中的流量正常閾值和水泵排出水過少的閾值。雖然電磁流量傳感器在使用、安裝的過程中比較復(fù)雜，但可以肯定的說，隨著流量傳感器在自動排水系統(tǒng)的應(yīng)用，將大大提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。 NSK型負(fù)壓傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表所示： 表 NSK型負(fù)壓傳感器的主要技術(shù)指標(biāo) 輸入 0~? 1kPa? 10kPa? 30kPa? 50kPa? 100kPa 過載能力 2倍 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 測量介質(zhì)