安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控課程設(shè)計(jì)

1、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控課程設(shè)計(jì)1課程設(shè)計(jì)的要求與目的1.1課程設(shè)計(jì)的目的隨著煤炭行業(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(lái)越不容易。無(wú)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(wèn)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(wèn)題利用傳感器技術(shù)、PLC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。 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。1.2課程設(shè)計(jì)的要求設(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) 輸水管道

2、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。 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：（1）水泵。合理的選擇水泵型號(hào)類(lèi)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24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。(2) 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

3、水量。(3) 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(kāi)動(dòng)工作 和備用水泵。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1控制方案煤礦礦井抽水自動(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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)控制管道的輸水情況。設(shè)備列表如下：序號(hào)12345678設(shè)水管流量傳感水泵自動(dòng)計(jì)算視主液位計(jì)備計(jì)器控閥機(jī)

4、控機(jī)頻名門(mén)制制主監(jiān)控稱(chēng)機(jī)作連接監(jiān)測(cè)與管連接執(zhí)行分析根據(jù)連接管用水泵水流道連水管計(jì)算傳感監(jiān)控路監(jiān)測(cè)及輸送量反接監(jiān)抽水機(jī)傳器信數(shù)據(jù)水位相水饋給測(cè)，遞信息自動(dòng)互主機(jī)安裝號(hào)控成像關(guān)在井制水系下流表1排水系統(tǒng)設(shè)備表2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下;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(guò)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。系統(tǒng)由PLC （可編程邏輯控制器）、觸摸屏、檢測(cè)部分（模擬量和開(kāi)關(guān)量采集）和執(zhí)行部分等組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖 1所示觸摸屏水位傳感器模擬量輸入模塊真空泵球閥到位信號(hào)數(shù)字量輸入模塊、亠C-P1U模1RS 485塊

5、A 真空泵控制聲光報(bào)警卄1#高壓柜 綜保單元4#高壓柜 綜保單元溫度巡檢RS 485PROFIBUS- DPI 4#遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊 I儀數(shù)字量輸入模塊模擬量輸入模塊| 數(shù)字量輸出模塊圖1排水控制系統(tǒng)圖井下排水系統(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。 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0.5m。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)

6、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。 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： 調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程； 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)是密圭寸面容易擦傷，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。 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)

7、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。 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。 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

8、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(chēng)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(chēng) 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0-0.1 MPa（ 個(gè)大氣壓）。 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

9、”，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1-2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。3設(shè)備選型3.1傳感器液位傳感器介紹一、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

10、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2所示。2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：2h（式 3-1）c貝 Sh=?（式 3-2）2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_(kāi)0.1%，檢測(cè)

11、液位的范圍為io,io4m。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 420

12、mA電流輸 出、RS-485數(shù)字通信輸出等方式可供選擇。3m5 mSm10m030030OSOlO'Q量程12hl15m20m30m代碼120150200300T-二述制F-防席探頭無(wú)呂-分體3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 3、5、8、10、15、20m精度：0.25%盲區(qū)：0.30.5m溫度：-20 C +55 °C電源：24VDC控制：無(wú)輸出：420mA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4所示

13、。圖4水位計(jì)示意圖圖5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 5。3.1執(zhí)行器3.3井下中央控制器井下控制器是本項(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(guò)功能調(diào)試之 后，加上外殼封裝而成。本控制器選用選擇 Philips公司的

14、LPC2368芯片（ARM7系列產(chǎn)品）作為處理器，通過(guò) 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?？刂破鲗?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(guò)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(wú)線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸手段實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān) 控。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(wú)常規(guī) 操作系統(tǒng)

15、下易受破壞的困擾。3.4配套設(shè)備數(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(huà)質(zhì)非常清晰、可將現(xiàn)場(chǎng)情況錄制在硬盤(pán)中，以便于在需要的 情況下回查。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(wú)源底 板、250W 工業(yè)電源等工業(yè)級(jí)組件，配合Intel PIII CPU 128512M 內(nèi)存，80G硬盤(pán)等配件，經(jīng)過(guò)1248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。3.5水泵離心式水泵只有在

16、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(kāi)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(guò)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 可采用以下充水裝置。用真空泵抽真空吸水在多臺(tái)大泵集中排水的情況下，可設(shè)置兩臺(tái)真空泵專(zhuān)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。在正常情況下，為了加快充水過(guò)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)，另一臺(tái)仍能擔(dān)負(fù)抽氣的任務(wù)。抽氣管

17、經(jīng)過(guò) 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。型號(hào)真空最大吸氣量壓縮機(jī)最大排氣量(m3/h)電機(jī)功率(Kw)轉(zhuǎn)速r/min水耗量L/min最 大 直空度%當(dāng)真空度為當(dāng)壓力為(Mpa)0%40%60%80%90%00.050.080.10.15直/、空泵壓縮機(jī)SZ1.50.60.40.11.5145.144108-142504SZ3.41.60.90.23.42.621.7.11144308-25555507SZ11.6.83.61.50.11.9.28.57

18、.3.52237980709-355552SZ2717.113272620169.575907401009-463表2 SZ水環(huán)式真空泵的性能參數(shù)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-排氣軟管圖6真空泵的安裝示意圖4電路及管路設(shè)計(jì)4.1電路設(shè)計(jì)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(mén)開(kāi)關(guān)到位信號(hào)和傳感器的420mA電流信號(hào)等均通過(guò)航空電纜從PLC防爆箱的喇叭嘴接入，連接到數(shù)字量和模擬量輸入模塊上。 數(shù)字量輸出模 塊的輸出信號(hào)同樣需要通過(guò)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