移動(dòng)式瓦斯抽放泵站及其監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)正文

1、摘 要我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的形勢(shì)依然嚴(yán)峻，瓦斯突出是最主要的災(zāi)害。針對(duì)目前煤礦廣泛采用的瓦斯抽排系統(tǒng)存在的問(wèn)題和安全隱患，研究開(kāi)發(fā)了煤礦移動(dòng)瓦斯抽排泵站及其監(jiān)控系統(tǒng)。所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)能夠根據(jù)情況來(lái)智能地調(diào)節(jié)瓦斯抽排流量的大小，該系統(tǒng)可以進(jìn)行濃度監(jiān)測(cè)、顯示、超限報(bào)警，斷電，信息聯(lián)網(wǎng)，還增加了斷水保護(hù)功能。本文首先介紹了煤礦現(xiàn)場(chǎng)井下瓦斯抽排的實(shí)際情況，分析了國(guó)內(nèi)外發(fā)展及其現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)整體方案。系統(tǒng)采用PLC作為控制器的核心，確定了泵、變頻器、瓦斯傳感器、移動(dòng)平板車(chē)、等硬件器件的選型，文中介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的組成，較為詳細(xì)地介紹了PLC與變頻器的接口功能。整個(gè)抽排系統(tǒng)的智能控制通過(guò)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)結(jié)

2、合PLC智能控制，解決了現(xiàn)有井下抽排系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的瓦斯超限問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的控制精度、安全性及可靠性。所以該設(shè)計(jì)具有非常好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：瓦斯監(jiān)控；變頻調(diào)速；PLC；Abstract The situation of Chinas coal mine safety production is still severe, and gas outburst is the primary disaster. Based on the problems and security risks of the gas drainage system which widely used for coal

3、 mine at present, mobile gas pumping station and its monitoring system was developed. The developed system can intelligently adjust the gas drainage flow size according to the situation, and the system can be used for concentration monitoring, displaying, overrun alarming, power off, information net

4、working, also be added.This paper first introduced the practical situation of gas drainage of underground coal mine, analyzed its domestic and international development and its present situation and as a result designed the systemic program. This system takes PLC as its core of the controller, deter

5、mining the model selection of hardware devices such as pumps, frequency converters, gas sensors, and mobile transporters. he components of control system were described in this paper with a more detailed description for the interface functions of PLC and frequency converters. The intelligent control

6、 of the drainage system was realized by the monitoring of the gas concentration and PLC intelligent control, this solving the problem of gas gauge which appears in the underground drainage system, improving the control accuracy, security and reliability of the system. Therefore the research of this

7、design gets a very good prospect.Keywords：gas monitoring； frequency control of motor speed;；PLC目 錄摘 要Abstract第1章 緒論11.1 課題背景11.2 移動(dòng)泵站的發(fā)展現(xiàn)狀11.3 存在的問(wèn)題21.4 本文設(shè)計(jì)的內(nèi)容2第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)32.1 系統(tǒng)方案的提出32.2 設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)與確定42.3 基本參數(shù)的確定4第3章 機(jī)械部分的計(jì)算與選擇63.1 真空泵選型63.1.1 瓦斯泵的分類(lèi)63.1.2 真空泵的工作原理73.1.3 真空泵型號(hào)的確定73.2 電機(jī)計(jì)算與選擇103.2.1 泵用

8、電機(jī)選用原則103.2.2 電機(jī)功率的確定103.2.3 電機(jī)型號(hào)的選擇113.3 減速器選擇113.4 聯(lián)軸器選擇123.4.1 聯(lián)軸器分類(lèi)123.4.2 載荷計(jì)算133.4.3 聯(lián)軸器的型號(hào)選擇13第4章 監(jiān)控部分設(shè)計(jì)154.1 控制對(duì)象確定154.2 控制方案的設(shè)計(jì)與選擇154.3 PLC選擇154.3.1 PLC型號(hào)的選擇154.3.2 I/O口分配164.3.3 擴(kuò)展模塊的選擇174.3.4 頻率/電流轉(zhuǎn)換器174.4 變頻器選型184.4.1 變頻器類(lèi)型選擇184.4.2 變頻器容量的計(jì)算194.4.3 變頻器型號(hào)的選擇194.4.4 變頻器外圍設(shè)備的選擇204.5 傳感器選型20

9、4.5.1 礦用壓差傳感器204.5.2 礦用壓力傳感器214.5.3 礦用溫度傳感器224.5.4 管道甲烷濃度傳感器234.5.5 環(huán)境瓦斯?jié)舛葌鞲衅?44.5.6 斷水保護(hù)儀264.5.7 流量傳感器27第5章 移動(dòng)平板車(chē)選擇285.1 平板車(chē)型號(hào)的確定285.2 保護(hù)罩的設(shè)計(jì)295.3 鎖軌器的設(shè)計(jì)29第6章 系統(tǒng)安裝調(diào)試與使用操作306.1 設(shè)備安裝條件及注意事項(xiàng)306.2 使用與操作30結(jié) 論32致 謝33參考文獻(xiàn)34ContentsAbstractChapter1 Introduction11.1 Background of the projects11.2 Current si

10、tuation of mobile pump station11.3 Problems21.4 Contents2Chapter2 System design32.1 Propose of the systemic scheme32.2 Evaluation and determination of the design42.3 Determination of the basic parameters4Chapter 3 Calculation and selection of the mechanical parts63.1 Selection of vacuum pump63.1.1 C

11、lassification of gas pump63.1.2 Principal of vacuum pump73.1.3 Determination of vacuum pump type73.2 Calculation and selection of motor103.2.1 Selection principle of the motor of pump103.2.2 Determination of motor power103.2.3 Selection of motor type113.3 Selection of reducer113.4 Selection of coupl

12、ing123.4.1 Classification of coupling123.4.2 Load calculation133.4.3 Coupling model selection13Chapter 4 Design of monitoring154.1 Determination of the objects of control154.2 Design and selection of the control program154.3 PLC selection154.3.1 PLC model selection154.3.2 I/O signal analysis164.3.3

13、Expansion module choice174.3.4 Frequency/current converter174.4 Frequency converters selection184.4.1 Frequency converters type selection184.4.2 Calculation of capacity of the frequency converters194.4.3 Frequency converters model selection194.4.4 Selection of the peripheral equipment of the frequen

14、cy converters204.5 Sensor selection204.5.1 Differential pressure transducer for mine204.5.2 Pressure transducer for mine214.5.3 Temperature transducer for mine224.5.4 Pipeline methane concentration transducer for mine234.5.5 Environmental gas concentration transducer for mine244.5.6 W264.5.7 Flow se

15、nsor27Chapter 5 Mobile flatbed trailer selection285.1 Determination of the flatbed trailer model285.2 Design of the protection cover295.3 Lock rail design29Chapter 6 System installation debugs and uses the operation 30 6.1 Equipment setup the condition and the matters needing attention 306.2 Uses an

16、d operates 30Conclusion32Thanks33References34第1章 緒論1.1 課題背景在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，由于煤層中含有大量瓦斯氣體，易發(fā)生爆炸災(zāi)害，給開(kāi)采帶來(lái)極大危險(xiǎn)。為治理瓦斯災(zāi)害，人們實(shí)用新型了礦用移動(dòng)式瓦斯抽放泵站，可以直接深入現(xiàn)場(chǎng)直接抽放瓦斯，并通過(guò)管道將瓦斯氣體輸送到地面加以利用，變害為寶。目前應(yīng)用于煤礦行業(yè)的移動(dòng)式瓦斯抽放泵站(如實(shí)用新型200720010631.7“礦用移動(dòng)式瓦斯變量抽放泵站”）主要包括：水環(huán)真空泵、電動(dòng)機(jī)、瓦斯汽水分離器、斷水保護(hù)儀、低濃度甲烷傳感器、甲烷斷電儀、孔板流量計(jì)、隔爆型真空磁力啟動(dòng)器及移動(dòng)底盤(pán)等組成。特點(diǎn)是配置簡(jiǎn)單、智

17、能化程度不高。停水?dāng)嚯娧b置及低濃度甲烷傳感器和甲烷斷電儀組成的瓦斯超限斷電裝置只是對(duì)泵站起到保護(hù)作用，而不能對(duì)瓦斯抽放參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控1。抽放參數(shù)，包括流量、濃度、溫度、負(fù)壓等數(shù)據(jù)不能現(xiàn)場(chǎng)顯示，不能與地面中心站計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)瓦斯參數(shù)的遠(yuǎn)程檢測(cè)控制。1.2 移動(dòng)泵站的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)際上西門(mén)子公司生產(chǎn)的KENFLO水環(huán)真空泵，性能優(yōu)良，產(chǎn)品在國(guó)際上享有較高的聲譽(yù)?？蛇B續(xù)地抽放含有大量煤塵、粉塵的甲烷混合氣體，抽放能力更強(qiáng)。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其與同型號(hào)泵站相比，寬度減少200mm，高度減少100mm。電動(dòng)機(jī)與水環(huán)真空泵直聯(lián)式的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，大大提高了電動(dòng)機(jī)與水環(huán)真空泵軸承的使用壽命，泵站運(yùn)行平穩(wěn)，有效地減少了

18、噪音和振動(dòng)。礦用隔爆兼本安型多功能斷電控制器和高低濃甲烷傳感器，可監(jiān)測(cè)泵站周?chē)耐咚節(jié)舛?，?dāng)瓦斯超限時(shí)，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并斷電停機(jī)斷水保護(hù)器工作可靠，不供水電機(jī)不起動(dòng)，任何情況下停水即斷電?？装辶髁坑?jì)和瓦斯?jié)舛葴y(cè)量閥（負(fù)壓），可準(zhǔn)確地對(duì)泵站吸氣管內(nèi)甲烷混合氣體的流量及純甲烷濃度進(jìn)行分析測(cè)定。吸氣管路真空表和溫度表，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵站吸入氣體的負(fù)壓和溫度。排氣管路壓力表，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排氣管路中非正常管阻。安裝了吸、排氣調(diào)節(jié)裝置，可有效地控制水環(huán)泵的負(fù)壓和電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)的起動(dòng)與停機(jī)。1.3 存在的問(wèn)題國(guó)外用于移動(dòng)式瓦斯抽放泵站成型產(chǎn)品可靠性高， 適合于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)， 但在很大程度上是由人手工操作的， 自動(dòng)化程度并

19、不高。所以加自動(dòng)控制不僅可以解放勞動(dòng)力，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以提高系統(tǒng)的可靠性。1.4 本文設(shè)計(jì)的內(nèi)容設(shè)計(jì)一種可以根據(jù)瓦斯含量在安全標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi)時(shí)，泵工作在能夠形成真空抽放效果的最低轉(zhuǎn)速下，當(dāng)瓦斯?jié)舛壬邥r(shí)，泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高，既降低了瓦斯抽放泵的電能消耗，還起到保證瓦斯含量不超標(biāo)的效果，同時(shí)有效地解決煤礦的瓦斯抽放泵的富裕量都很大，而部分煤礦還存在著所采煤層存在燃點(diǎn)低、發(fā)貨期短、易氧化、煤層瓦斯含量很低等問(wèn)題，形成過(guò)度抽放的現(xiàn)象，造成大量的新鮮風(fēng)流涌入，造成煤層的過(guò)度氧化，使煤層很容易發(fā)生火災(zāi)。同時(shí)經(jīng)過(guò)變頻改造的瓦斯抽放泵站降低了電能的消耗，在瓦斯涌出量較小的采面應(yīng)該可以降低電能消耗達(dá)30%45%左

20、右，按照現(xiàn)在的功率計(jì)算其經(jīng)濟(jì)效益將是非?？捎^的。瓦斯檢測(cè)處理器，使得控制更加靈活，甚至可以做到瓦斯抽放泵站的地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控，可以做到地面起、停控制，有效的避免了災(zāi)害的發(fā)生2。對(duì)于瓦斯抽放泵站及其自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)一直以來(lái)存在著以下幾個(gè)難點(diǎn)：（1）防爆變頻器與PLC相結(jié)合；（2）各種傳感器輸出口與PLC自動(dòng)控制器智能輸入口相聯(lián)；（3）PLC與礦井安全監(jiān)測(cè)裝置中的瓦斯檢測(cè)分站相連接。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)方案的提出任何一種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研制過(guò)程都有一個(gè)方案提出并對(duì)眾多的方案進(jìn)行可行性論證的過(guò)程，以避免盲目決策帶來(lái)的許多負(fù)面效應(yīng)。產(chǎn)品移動(dòng)瓦斯抽放本站及其監(jiān)控系統(tǒng)有二種可實(shí)現(xiàn)主要功能的設(shè)計(jì)方案： 方案一

21、： 結(jié)合實(shí)際需要以及所需要達(dá)到的技術(shù)要求，技術(shù)方案擬定如下：礦用移動(dòng)瓦斯抽放泵站，包括隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)、水環(huán)真空泵、斷水保護(hù)儀、移動(dòng)底盤(pán)，其特征在于：設(shè)有智能監(jiān)控分站，智能監(jiān)控分站包括PLC、變頻器、礦用差壓傳感器、礦用壓力傳感器、礦用溫度傳感器、管道甲烷濃度傳感器。隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器與水環(huán)真空泵相連，水環(huán)真空泵入口與抽氣管道相連，水環(huán)真空泵自帶瓦斯氣水分離器，孔板流量計(jì)、礦用差壓傳感器、礦用壓力傳感器、礦用溫度傳感器和管道甲烷濃度傳感器安裝在抽氣管道上，礦用差壓傳感器、礦用壓力傳感器、礦用溫度傳感器、管道甲烷濃度傳感器的輸出端通過(guò)屏蔽線纜分別與處理器各信號(hào)輸入端子相連，水環(huán)真

22、空泵入水口與工作液管道相連，斷水保護(hù)儀安裝在工作液管道上，環(huán)境低濃度甲烷傳感器安裝在安全護(hù)罩部，環(huán)境低濃度甲烷傳感器輸出端與處理器信號(hào)輸入端子相連。低度甲烷傳感是用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵站工作環(huán)境甲烷濃度，當(dāng)甲烷濃度超過(guò)警戒線1%時(shí)，甲烷傳感器發(fā)聲光報(bào)警;當(dāng)甲烷濃度超過(guò)15%時(shí)，環(huán)境低濃度甲烷傳感器發(fā)送信號(hào)給處理器，處理器斷電，三相異步電動(dòng)機(jī)停止泵的轉(zhuǎn)動(dòng)，有效的保護(hù)泵站和人員的安全。環(huán)境低濃度甲烷傳感器現(xiàn)場(chǎng)顯示數(shù)值并傳送為2001000Hz頻率信號(hào)，測(cè)量范圍為04%CH4。當(dāng)水環(huán)真空泵的進(jìn)水管路供水異常時(shí)，斷水保護(hù)儀探頭接收到信號(hào)，斷水保護(hù)儀的常閉點(diǎn)斷開(kāi)?；謴?fù)供水之后斷水保護(hù)儀斷電節(jié)點(diǎn)接通，三相異步電動(dòng)

23、機(jī)可以正常啟動(dòng)。工作原理：電機(jī)帶動(dòng)水環(huán)真空泵的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)、正壓，進(jìn)行吸、排氣通過(guò)管路把瓦斯從礦井抽排出來(lái)，瓦斯進(jìn)入管道通過(guò)各種傳感器把信號(hào)給PLC，經(jīng)過(guò)采集把不同濃度的瓦斯信號(hào)好分析后傳給變頻器，變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，達(dá)到節(jié)能的效果。通過(guò)氣水分離器進(jìn)行氣液分離，同時(shí)該泵站還具備水、電、瓦斯閉鎖功能和靈活的本地、異地?cái)鄰?fù)電功能，實(shí)現(xiàn)環(huán)境瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警斷電及泵站供水異常斷電控制3。方案二：本方案在機(jī)械部分與方案一一樣，區(qū)別在于控制系統(tǒng)。方案一的控制系統(tǒng)采用的是PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的處理器，而本方案采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的處理器。單片機(jī)采集各個(gè)傳感器的信號(hào)進(jìn)行分析在給變頻器命令實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由于單片機(jī)與變頻

24、器通信是串行通信需要通信轉(zhuǎn)換芯片MAX485和S75176來(lái)完成4。2.2 設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)與確定目前PLC變頻技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而且有良好的防爆能力用在高瓦斯井下已經(jīng)非?？煽?，具有精度高，巡檢周期短等特點(diǎn)。雖然在成本上單片機(jī)要比PLC降低很多，但單片機(jī)的可靠性沒(méi)有PLC好，而且通用性能差PLC是模塊化互換性很強(qiáng)。綜合考慮，方案一較科學(xué)，將方案一定為本設(shè)計(jì)的方案。2.3 基本參數(shù)的確定煤礦的瓦斯含量有很大的不同，同一采區(qū)不同的地方瓦斯含量也不一樣。礦井相對(duì)瓦斯涌出量大于10m3/t或礦井絕對(duì)瓦斯涌出量大于40m3/min為高瓦斯礦井。為滿(mǎn)足高瓦斯礦井的需要本系統(tǒng)具體參數(shù)：抽氣量范圍（m3/min

25、）：0120； 極限真空度 （）：3.3； 電機(jī)功率（）：250； 防護(hù)等級(jí)：IP54； 轉(zhuǎn)速（r/min）：530； 電壓（v）：380/660； 耗水量（）：90； 供水壓力（kPa）：0103； 真空泵排氣口徑（mm）：250； 軌距（mm）：900。 第3章 機(jī)械部分的計(jì)算與選擇3.1 真空泵選型3.1.1 瓦斯泵的分類(lèi)瓦斯泵是礦并抽放瓦斯的動(dòng)力設(shè)備。目前我國(guó)常用的瓦斯泵主要有水環(huán)式一、離心式和回轉(zhuǎn)式三種。 1.水環(huán)泵水環(huán)泵的特點(diǎn)是：負(fù)壓抽吸能力強(qiáng)(一級(jí)泵真空度可達(dá)95，二級(jí)泵可達(dá)98)，所抽及的瓦斯被水密封且壓縮溫度低，即使瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸限也無(wú)爆炸危險(xiǎn)，故安全性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作平

26、穩(wěn)、流量均勻。但效率低，一般為3050，最高至55，正壓輸氣壓力較低。水環(huán)泵適用于煤層透氣性低、抽吸負(fù)壓大及瓦斯?jié)舛冉?jīng)常變化的瓦斯抽放礦井。在同一抽放系統(tǒng)中既能負(fù)壓抽吸，又可正壓輸氣，但正壓輸入管路阻力不宜過(guò)大。2.離心式鼓風(fēng)機(jī)離心式鼓風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是；轉(zhuǎn)速高(有的用加速器加速，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)10000rmin)、窳量大(可達(dá)25000msrain)、升壓高、排氣均勻無(wú)脈動(dòng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高(有的可達(dá)80)。但成本高，小流量和并聯(lián)運(yùn)行時(shí)性能較差，易出現(xiàn)不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)既象。離心式鼓風(fēng)機(jī)適用于瓦斯流量大、負(fù)壓要求不高(450kPa)的瓦斯抽放礦井既可負(fù)壓抽吸，又可同時(shí)向用戶(hù)正壓輸氣。3.羅茨與

27、葉氏鼓風(fēng)機(jī)羅茨與葉氏鼓風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是：流量受管道阻力特性變化的影響很小，運(yùn)行穩(wěn)定、效率較高、成本低。但檢修工藝復(fù)雜、運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲大、磨損較嚴(yán)重。羅茨與葉氏鼓風(fēng)機(jī)適用于較大瓦斯流量和較高負(fù)壓的瓦斯抽放礦井，既能負(fù)壓抽吸，又能正壓輸氣，但較適應(yīng)于正壓輸氣，尤其對(duì)要求瓦斯流量穩(wěn)定的用戶(hù)輸氣更為適用5。因?yàn)楸驹O(shè)備用在井下對(duì)防爆有一定的要求和本對(duì)三種泵的比較所以選擇水環(huán)真空泵。3.1.2 真空泵的工作原理葉輪偏心地裝在接近圓形的泵體內(nèi)，當(dāng)葉輪按圖3-1示箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，因離心力作用，注入泵內(nèi)的液體形成旋轉(zhuǎn)的液環(huán)。液環(huán)的內(nèi)表面與葉輪輪轂之間形成一個(gè)月牙性空間，當(dāng)葉輪由A點(diǎn)轉(zhuǎn)到B點(diǎn)時(shí)，兩相鄰葉片之間所包圍的容腔逐漸增大，氣體由外界吸入。當(dāng)葉輪由C點(diǎn)轉(zhuǎn)到A點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)的容腔由大變小，使原先吸入的氣體受到壓縮，當(dāng)壓力達(dá)到或略大于排出側(cè)壓力時(shí)，氣體被排到系統(tǒng)中。1. 葉輪 2.排氣口 3.液環(huán) 4.泵體 5.吸氣口圖3-1 真空泵原理圖3.1.3 真空泵型號(hào)的確定2BE 1型水環(huán)式真空泵，為單級(jí)單作用的結(jié)構(gòu)形式，工作介質(zhì)為常溫清水，通常用來(lái)抽吸不溶于水，不含固體顆粒，無(wú)腐蝕性的氣體，使被抽系統(tǒng)形成真空，如真空干燥、真空萃取、真空脫水、自帶氣水分離器等。多位置設(shè)有排氣口，泵蓋設(shè)有排氣閥檢修窗口，葉輪與分配板間隙通過(guò)定位軸承兩端壓蓋調(diào)整，安裝使用方便，操作簡(jiǎn)單，便于維修。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行