礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1設(shè)計目的與要求1.1設(shè)計目的隨著煤炭行業(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越不容易。無論從資源利用，經(jīng)濟(jì)效益還是環(huán)境方面考慮煤礦的排水問題，對于礦井排水的二次利用是非常重要的。所以針對這一問題利用傳感器技術(shù)、PLC控制技術(shù)、計算機(jī)視頻監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)煤礦抽水的自動化，自動啟動水泵進(jìn)行抽水。當(dāng)水位下降到安全值以下時，自動關(guān)閉水泵，實現(xiàn)水位和流量的實時監(jiān)控。設(shè)計礦井排水進(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。對于多數(shù)礦井來說，較大的礦井水被排放到地面后比較難以處理，自然排放容易造成環(huán)境污染，二次處理成本極高，采用二次利用的方式能有效的解決礦井水排放問題。本次我們采用電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，設(shè)計了一個自動控制系統(tǒng)，主要用于自動控制從井下抽放到地面蓄水池的礦井水，從而進(jìn)行制漿，制成的泥漿將會用于井下滅火和充填。1.2設(shè)計要求設(shè)計一個礦井抽水系統(tǒng)，利用設(shè)計的傳感器，控制器，執(zhí)行器可以對輸水管道的水流量進(jìn)行實時檢測監(jiān)控并且能控制水流量為指定值，形成一個自動恒溫控制系統(tǒng)，采用電動調(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類型，必須有工作和備用檢修的水泵。工作水泵應(yīng)能在20小時內(nèi)排出礦井24小時的正常涌水量。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小時內(nèi)排出礦井24小時內(nèi)最大的涌水量。（3）配電設(shè)備。應(yīng)同工作及備用水泵相適應(yīng)，并能夠同時開動工作和備用水泵。同時設(shè)計應(yīng)保證采用適當(dāng)?shù)乃脤⒌孛嫘钏氐乃榈街茲{機(jī)中，達(dá)到制漿滅火和充填的目的。對于系統(tǒng)中各個器件有以下要求：1)傳感器可以檢測到抽出水的流量；2)控制器能自動控制指定的水流量，已達(dá)到恒流為50方/小時；此次設(shè)計的控制系統(tǒng)采用變頻器執(zhí)行來實現(xiàn)自動恒流控制。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1控制方案此次設(shè)計的主要目的在于能夠?qū)崿F(xiàn)自動恒流控制，因此在系統(tǒng)中，采用流量傳感器將流量信息傳輸給控制器，控制器根據(jù)數(shù)據(jù)信息判別當(dāng)前是否為恒流，以及實際流量和標(biāo)準(zhǔn)50方/小時的大小關(guān)系，然后將信息傳輸給執(zhí)行器，由執(zhí)行器控制水泵的功率，從而根據(jù)實際情況來增大或者減小頻率，以達(dá)到恒流為50方/小時。煤礦礦井抽水自動控制系統(tǒng)是根據(jù)煤礦礦井的實際情況，以使設(shè)備在無人干涉的情況下自動運行和自我診斷的一套系統(tǒng)。通過工業(yè)計算機(jī)的決策控制，對設(shè)備的運行狀態(tài)、運行過程進(jìn)行自動檢測、自動控制，利用水位測量計，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其進(jìn)行分析，對照煤礦排水標(biāo)準(zhǔn)以及煤礦灌漿設(shè)計需求的供水排水量，將信息處理后通過對控制器傳遞模擬信號，進(jìn)一步對執(zhí)行器傳遞模擬信號來控制管道的輸水情況。設(shè)備列表如下：表1系統(tǒng)設(shè)備列表2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖考慮到經(jīng)濟(jì)方面和環(huán)境保護(hù)方面的因素，我們把從井下抽出來的水源先預(yù)存到蓄水池中，然后采用我們設(shè)計的自動恒流控制系統(tǒng)，將井下水源進(jìn)行制漿，主要用于井下滅火和制漿。如上圖所示：用水泵將蓄水池中的水通向制漿機(jī)中，在水泵和制漿機(jī)中間有一個傳感器，這個傳感器主要用于流量的判別（控制流量為50方/小時），傳感器將流量信息傳輸給控制器，控制器根據(jù)實際情況將需要改變的信息傳輸?shù)綀?zhí)行器，執(zhí)行器根據(jù)控制器傳輸?shù)男畔砜刂扑?，從而達(dá)到增大、減小或者不改變水流大小的目的。3設(shè)備選型3.1傳感器根據(jù)設(shè)計要求選擇分體式電磁流量傳感器。電磁流量傳感器是由電磁流量計和電磁流量轉(zhuǎn)換器組成，基于法拉第電磁感應(yīng)定律用于測量導(dǎo)電液體與漿液的瞬時流量與體積流量。分體式電磁流量傳感器有許多優(yōu)點，其中它的傳感器與轉(zhuǎn)換器為各自獨立結(jié)構(gòu)，傳感器裝在管道上，轉(zhuǎn)換器可安裝在離傳感器200m以內(nèi)的場所；測量通道是段光滑直管，不會阻塞，適用于測量含固體顆粒的液固二相流體，如紙漿、泥漿、污水等；不產(chǎn)生流量檢測所造成的壓力損失，節(jié)能效果好；所測得體積流量實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的明顯影響；流量范圍大，口徑范圍寬；可應(yīng)用腐蝕性流體。而且其使用壽命長，價格合適。最終選擇的分體式電磁流量計，如下圖：圖3分體式電磁流量計其技術(shù)參數(shù)如下：儀表規(guī)格SURE1031-2轉(zhuǎn)換器形式分體式執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)JB/T9248-1999精度等級1級或0.5級介質(zhì)電導(dǎo)率＞5μs/cm可測最低流速0.1米/秒可測最高流速15米/秒量程比1:20，可訂制顯示器標(biāo)配信號輸出脈沖或4-20mA供電電源220VAC或+24VDC通訊接口可選RS485通訊協(xié)議MODBUS、HART、Profibus防爆等級Exd[ia]qIICT5防護(hù)等級IP65，可選IP68儀表通經(jīng)DN6~DN2000安裝方式法蘭安裝，可選法蘭夾持公稱壓力1.6MPa或訂制介質(zhì)溫度＜180℃環(huán)境溫度-30℃-60℃3.2

執(zhí)行器本次設(shè)計選擇電動控制閥，電動控制閥是一種以電磁閥為向?qū)чy的水力操作式閥門。其圖片如右圖所示：工作過程是當(dāng)閥門從進(jìn)口端給水時，水流流過針閥進(jìn)入主閥控制室，當(dāng)電磁導(dǎo)閥打開時，控制室內(nèi)的水經(jīng)電磁導(dǎo)閥、球閥流出。球閥開度大于針閥開度，主閥控制室內(nèi)壓力很低，主閥處于全開狀態(tài)。當(dāng)電磁導(dǎo)閥關(guān)閉時，主閥控制室的水不能流出，控制室升壓，推動膜片關(guān)閉主閥。電動控制閥的優(yōu)點：1)600X電動控制閥前要安裝過濾器，并應(yīng)便于排污的要求；2)600X電動控制閥是一種利用水自潤式閥體，無須另加機(jī)油潤滑，如遇主閥內(nèi)零部件損壞時，請按規(guī)定進(jìn)行拆卸；3.3控制器控制器是指按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來控制電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動和反向的主令裝置。由程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產(chǎn)生器和操作控制器組成，它是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即完成協(xié)調(diào)和指揮整個計算機(jī)系統(tǒng)的操作。1控制器的分類控制器分組合邏輯控制器和微程序控制器，兩種控制器各有長處和短處。組合邏輯控制器設(shè)計麻煩，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦設(shè)計完成，就不能再修改或擴(kuò)充，但它的速度快。微程序控制器設(shè)計方便，結(jié)構(gòu)簡單，修改或擴(kuò)充都方便，修改一條機(jī)器指令的功能，只需重編所對應(yīng)的微程序；要增加一條機(jī)器指令，只需在控制存儲器中增加一段微程序，但是，它是通過執(zhí)行一段微程。具體對比如下：組合邏輯控制器又稱硬布線控制器，由邏輯電路構(gòu)成，完全靠硬件來實現(xiàn)指令的功能。2PID。所謂PID控制，就是在一個閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使被控物理量能夠迅速而準(zhǔn)確地?zé)o限接近于控制目標(biāo)的一種手段。PID控制功能是變頻器應(yīng)用技術(shù)的重要領(lǐng)域之一，也是變頻器發(fā)揮其卓越效能的重要技術(shù)手段。

XM908-2S型PID自整定儀表具有萬能輸入，可與各類傳感器、變送器配合使用，實現(xiàn)溫度、濕度、壓力、液位、流量等物理量的測量、顯示、報警控制和變送輸出;通用輸出設(shè)計，一臺儀表可配合各種執(zhí)行器對電加熱設(shè)備和電磁、電動、氣動閥門進(jìn)行PID調(diào)節(jié)和控制；采用專家PID控制算法，控制精確穩(wěn)定，無超調(diào)，無欠調(diào)；可在上位計算機(jī)中實現(xiàn)全部儀表參數(shù)的讀寫;加熱功率分段限制功能，適合控制硅碳棒等負(fù)載；手自動無擾切換功能；外給定功能，適合做串級調(diào)節(jié)；儀表通過正反轉(zhuǎn)繼電器，可直接控制有反饋（或無反饋）的電動執(zhí)行器。

熱電偶：K、S、R、N、E、J、B、T、WR5-26、WR3-25、EA1、EU2等熱電阻：Pt100、Cu50、Cu53、BA1、BA2等電壓：0~20mV、0~60mV、0~100mV、0~1V、0.2~1V（輸入阻抗≥5MΩ），0~5V、1~5V（輸入阻抗≥500KΩ）等電流：0~10mA（輸入阻抗≤500Ω），0~20mA、4~20mA（輸入阻抗≤250Ω）等電阻：0～80Ω、0～400Ω，三線制接線方式，要求三線電阻相等，而且引線電阻小于18Ω其它特殊信號需定制精度：0.2%F.S±1個字顯示：八位高亮LED顯示，顯示范圍，-1999~9999報警輸出：上限報警、下限報警、正偏差報警、負(fù)偏差報警四種報警方式。常開／常閉觸點容量為2A/220VAC或2A/24VDC，阻性負(fù)載；繼電器觸點接感性負(fù)載時，負(fù)載兩端必須接火花吸收電路，并且?guī)лd能力相應(yīng)減小?？刂戚敵觯豪^電器觸點(容量為2A/220VAC或2A/24VDC，阻性負(fù)載)SSR驅(qū)動電壓：12VDC/30mA線性電流：0~22mA之間任意設(shè)置(輸出電壓≤11V)單相SCR過零、移相觸發(fā)，可觸發(fā)5~500A的雙向可控硅(或單硅反并聯(lián)模塊)SCR無觸點開關(guān)輸出（常開），觸點容量220AC/200mA，瞬間工作電流2A變送輸出：標(biāo)準(zhǔn)電流變送輸出（X模塊）4~20mA,負(fù)載電阻≤500Ω，0~10mA負(fù)載電阻≤1000Ω，獨立隔離電源電流變送輸出（DX模塊）4~20mA,負(fù)載電阻≤250Ω，標(biāo)準(zhǔn)電壓變送輸出或獨立隔離電源電壓變送輸出，負(fù)載電阻≥200kΩ。變送精度：±0.3%F.S±1個字通訊方式：RS232C，RS485，波特率4800~19200bps配電輸出：5VDC、12VDC、24VDC等可選（最大電流：30mA）溫度補(bǔ)償：0~50℃數(shù)字式溫度自動補(bǔ)償使用環(huán)境：環(huán)境溫度0~50℃，相對濕度≤85%，避免強(qiáng)腐蝕氣體電源：開關(guān)電源:100~240VAC(50Hz/60Hz)，24VDC/AC±10%功耗：≤4W3.4配套設(shè)備山東濟(jì)寧工礦物資有限公司ZJ-800型制漿機(jī),它是灌漿工程漿液配制的專用設(shè)備，廣泛用于水電、鐵路、交通、建筑、礦山等行業(yè)的工程施工中，將水泥、膨脹土、砂等粉料與水及其它添加劑混合并快速制成漿液。該系列產(chǎn)品采用渦流制漿與一般葉片攪拌機(jī)相比，具有制漿速度快，漿液攪拌均勻等特點。ZJ制漿機(jī)主要特點：1.該系列產(chǎn)品采用離心泵原理制漿，比常規(guī)制漿速度快，漿液攪拌均勻。2.傳動系統(tǒng)與料桶之間用螺栓聯(lián)接，拆裝方便技術(shù)參數(shù)：型號容量電機(jī)功率需用水灰比制漿時間整機(jī)重量外形尺寸ZJ-800800L15kw0.5:13min700kg1725*1373*18483.5水泵離心式水泵簡稱“離心泵"，也叫"離心式抽水機(jī)"。它是一種利用水的離心運動的抽水機(jī)械。起動前應(yīng)先往泵里灌滿水，起動后旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動泵里的水高速旋轉(zhuǎn)，水作離心運動，向外甩出并被壓入出水管。水被甩出后，葉輪附近的壓強(qiáng)減小，在轉(zhuǎn)軸附近就形成一個低壓區(qū)。這里的壓強(qiáng)比大氣壓低得多，外面的水就在大氣壓的作用下，沖開底閥從進(jìn)水管進(jìn)入泵內(nèi)。沖進(jìn)來的水在隨葉輪高速旋轉(zhuǎn)中又被甩出，并壓入出水管。葉輪在動力機(jī)帶動下不斷高速旋轉(zhuǎn)，水就源源不斷地從低處被抽到高處。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4真空泵的安裝示意圖

3.6實物連線圖將所選型的設(shè)備按照設(shè)備說明書將各個設(shè)備連接起來，只連接電源和信號線，其他不用考慮。實物連線圖可以采用說明書上的截圖，但需要采用不同顏色的線條將各個圖連接起來，注意實物連線圖是接線圖不是外觀照片圖。4電路及管路設(shè)計4.1電路設(shè)計

井下排水自控系統(tǒng)中顯示操作臺的輸入信號、各閥門開關(guān)到位信號和傳感器的4～20mA電流信號等均通過航空電纜從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同樣需要通過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。CP243-1模塊的以太網(wǎng)接口通過網(wǎng)線連接到光纖分線盒，將工業(yè)以太網(wǎng)信號轉(zhuǎn)換為光信號，光纖連接到地面監(jiān)控室后接入地面上的光纖接線盒，光信號被再次轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)信號，其后將其并入工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)再連接到上位機(jī)。

圖5排水電路圖

4.2管路設(shè)計

如下圖所示的管路圖：

圖8管路圖由上圖我們可以看出，每臺水泵均與1#主排水管路和2#副排水管路連接，并分別在支路上安裝有排水閘閥，在排