矿井泵房自动化设计.doc
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1、中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名: 梁海军 学 号: 21056363 学 院: 应用技术学院 专 业: 电气工程及自动化 设计题目: 矿井主排水自动控制系统设计 指导教师: 胡忠建 职 称: 讲师 2009年 6 月 中国矿业大学毕业设计任务书学院 应用技术学院 专业年级 电气05-1 学生姓名 梁海军 任务下达日期: 2009年 1 月 15 日毕业设计日期: 2009年 3月 5日至2009 年 6 月 10日毕业设计题目:矿井主排水自动控制系统毕业设计专题题目:毕业设计主要内容和要求:1掌握矿井水泵的工作原理和控制方法;2设计一种应用PLC作为控制器的水泵自动排水系统;3掌握
2、所用传感器的工作原理及使用方法;4设计主排水泵自动监控系统;5用PLC语言编制控制系统软件。院长签字: 指导教师签字:中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语(基础理论及基本技能的掌握;独立解决实际问题的能力;研究内容的理论依据和技术方法;取得的主要成果及创新点;工作态度及工作量;总体评价及建议成绩;存在问题;是否同意答辩等):成 绩: 指导教师签字: 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语(选题的意义;基础理论及基本技能的掌握;综合运用所学知识解决实际问题的能力;工作量的大小;取得的主要成果及创新点;写作的规范程度;总体评价及建议成绩;存在问题;是否同意答辩等):成
3、绩: 评阅教师签字: 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语(选题的意义;基础理论及基本技能的掌握;综合运用所学知识解决实际问题的能力;工作量的大小;取得的主要成果及创新点;写作的规范程度;总体评价及建议成绩;存在问题;是否同意答辩等):成 绩: 评阅教师签字: 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩:答辩委员会主任签字: 年 月 日学院领导小组综合评定成绩:学院领导小组负责人: 年 月 日摘 要文章进行了排水设备的选型设计,然后根据排水控制的要求,进行自动控
4、制方面的设计。本系统采用SIEMENS的S7-300系列PLC,并结合各种传感器(主要为水位传感器、负压传感器、压力传感器、流量传感器等),完成系统设计中要实现的控制功能。本系统采用水泵及管路的“自动轮换”工作制。又根据“避峰填谷”的原则确定开启水泵台数,以达到节省用电的目的。在就地PC端,采用易控组态监控系统监视设备的运行情况及各个运行参数,做到有故障及时发现并尽早处理。S7-300通过CP340通讯模块,采用RS-232C通信标准与就地PC建立联系。关键词:PLC、排水系统、自动控制ABSTRACTAt first this text chose and designed drainage
5、 equipments, then designed autocontrol part based on drainage control request. This system adopts S7-300 PLC series produced by SIEMENS,with many sensors(mainly incloding water line sensors,minus pressume sensors,pressme sensors,flux sensors) to complete autocontrol function demanded in this system
6、design. Water pumps and pipelines of this system are controlled to run in turn automatically. The number of running water pumps is confirmed by the principle of avoiding apex and filling vale in order to economize electricity. On the spot of PC,it introduces controlease configuration control system
7、to take charge of inspecting running state and parameters of equipments so that trouble can be found and dealt with in time. S7-300 used Standard RS-232 to communicate with PC on the spot through Module CP340. KEY WORDS:drainage system; PLC; autocontrol目 录第一章 绪论11.1 排水系统概述1 1.1.1 矿井生产过程中排水的重要性1 1.1.
8、2 矿井排水系统的组成部分1 1.2 井下排水系统存在的问题3 1.3 排水系统为何要实现自动控制3 1.4 我国矿井主排水系统的现状4 第二章 矿井自动排水系统的各种参数与检测4 2.1 水仓水位的检测5 2.1.1 液位传感器介绍5 2.1.2 液位检测装置选择8 2.2 电机即水泵温度检测9 2.3 水泵压力检测10 2.4 水泵流量检测12 2.4.1 流量检测仪器的安装12 2.4.2 流量计的要求13 2.4.3 流量检测传感器的使用15 2.5 水泵负压检测15第三章 基于PLC的矿井主排水自动控制系统的总体设计163.1 控制系统的总体结构163.2 基于PLC的矿井主排水控制
9、系统设计17 3.2.1 PLC的主要特点17 3.2.2 PLC的基本工作原理20 3.2.3 PLC地址分配和实现控制功能22 3.2.4 3s7300PLC的基本组成273.3 西门子ET200M与PROFIBUS-DP总线32第四章 矿井自动主排水系统设备的选型设计334.1 初始数据334.2 选型设计334.3 引水设备354.4 自动阀门384.5 高压开关柜40 第五章 控制系统的软件设计415.1 PLC的软件设计41 5.1.1软件流程图41 5.1.2 地址分配43 5.1.3 水泵的自动开启、运行、故障保护流行图45 5.1.4 PLC的程序设计475.2 控制系统上位
10、机的软件设计50 5.2.1 设计要求50 5.2.2 设计内容51 5.2.3 上位机与PLC的通信51 5.2.4 监控主界面53 5.2.5 报警界面55第六章 如何使矿井主排水自动控制系统抗各种干扰566.1 常见的各种干扰源566.2 如何采取措施排除这些干扰56第七章 总结57参考文献58致谢59翻译部分60 中国矿业大学2009届本科生毕业设计 第75页第一章 绪论井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一,担负着井下积水排除的重要任务。然而,目前我国的井下排水系统仍由很多依靠传统的人工操作方式。本章分析这种排水系统的组成及工作过程,指出其存在的问题,为井下主排水系统自动控制的研究提供
11、依据。1.1排水系统概述1.1.1矿井生产过程中排水的重要性在煤矿地下开采的过程中,由于地层中含水的涌出,雨水和江河中水的渗透,水砂充填和水力采煤矿井的井下供水,将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下。矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关系,涌水量在不同的季节也呈现不同。在一些大水矿井,矿井涌水量可达到每秒17立方米,甚至超过每秒20立方米。另外,煤炭开采过程中,由于地层结构被破坏,岩层断裂,使采区与储水层连通,发生突水事故,涌水量会突然增加。如果不能及时地将这些积水排送到井上,井下的生产就可能受到阻碍,井下的安全就会得不到保障,严重者会造成重大事故。给人民的生命、国家的财产都带来了极大的
12、威胁。因此,井下排水就显得尤为重要。井下自动排水系统的任务就是把流入井下煤矿巷道中的矿井积水排送至地表。根据统计,每开采1吨煤就要排出2-7吨矿井水,有时甚至要排出30-40吨矿井水。井下排水设备所配备电机的功率,小的几千瓦到几十千瓦,大的几百千瓦到上千千瓦、在我国煤炭行业中,井下排水用电量占原煤生产总耗电量的18%-41%,一般为20%左右。因此,井下排水设备运转的可靠性(安全运转)与经济性(效率高、电耗量小),具有十分重要的意义。1.1.2矿井排水系统的组成部分井下排水系统一般采用离心式水泵,一些小型煤矿或浅水井临时排水系统也采用潜水泵。离心式水泵排水系统主要由离心式水泵、电动机、起动设备
13、、仪表、管路及管路附件等组成。滤水器和底阀 滤水器安装在吸水管的下端,插入吸水井下面,不得低于O.5m 。其作用是防止井底沉积的煤泥和杂物吸入泵内,导致水泵被堵塞或被磨损。在滤水器内装有舌型底阀,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。但是现在的排水系统中,为了提高排水效率,减小水泵腐蚀,一般不用底阀,而用射流泵或真空泵为水泵和吸水管注水。闸阀调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上,位于逆止阀的下方。其功用为:调节水泵的流量和扬程;起动时将它完全关闭,以降低起动电流。调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小,安装时无方向性,能够方便地来调节水泵的流量和扬程等。其缺点是
14、密封面容易擦伤,检修较为困难,高度尺寸较大,在安装位置受到限制时,安装不便,结构较复杂,价格较高。 放水闸阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上,其作用为检修排水管路时放水用。逆止阀 逆止阀安装在调节闸阀的上方,其作用是当水泵突然停止运转(如突然停电)时,或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时,能自动关闭,切断水流,使水泵不致受到水力冲击而遭到损坏。 灌引水漏斗、放气栓和旁通管 灌引水漏斗是在水泵初次起动时,向水泵和吸水管中灌引水用。在向水泵和吸水管中灌引水时,要通过放气栓(又叫气嘴)将水泵和吸水管中的空气放掉。当排水管中有存水时,也可通过旁通管向水泵和吸水管中灌引水,此时要将旁通管上的阀门打开
15、。此外,还可通过旁通管,利用排水管中的压力水的反冲作用,冲掉积存于水泵流通部分和附着于滤水器上的杂物,但此时须通过连接在底阀上的铁丝或链条将底阀提起。 压力表和真空表 压力表安装在水泵的排水接管上,为检测排水管中水压大小用。常用的压力表为普通弹簧管压力表,根据其结构特征可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径有60mm,100mm,150mm,200mm和250mm五种。压力表所测出的压力叫做表压力或相对压力,它比绝对压力小1个大气压。 真空表安装在水泵的吸水接管上,为检测吸水管的真空度用。根据其结构特征也可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径和压力表一样,也分为
16、60, 100, 150,和250mm五种。真空表测量范围为0-0.1 MPa(一个大气压)。 射流泵或真空泵 离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵腔内注满水才能进入运行状态,否则水泵转动时将无法吸水,形成“干烧”,严重影响水泵的使用寿命。在无底阀的排水系统中,水泵每次起动都要灌水,这一工作由抽真空设备完成,一般使用射流泵或真空泵。如图1-2所示。它们的工作原理不同,但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真空度,保证系统正常工作。1.2井下排水系统存在的问题目前,我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人工操作排水系统,以离心式水泵系统为主。这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础,泵
17、站的起停时间判断,完全依赖于工人的经验和已有的操作规程。当水仓水位到达设定的高水位时,工人打开射流泵(或真空泵),为水泵抽真空,同时观测真空表的读数。真空度达到要求后,起动水泵机组,使水泵运转。当水泵出水口压力表读数达到要求时,开起闸阀进行排水,同时关闭抽真空的射流泵(或真空泵)。 停泵过程要进行相反的操作。当水仓积水降至低水位时,先将闸阀关死,再停水泵机组。根据现场涌水量的不同,工人还要判断同时投入几台水泵工作,以便于既能及时排出积水,又能使泵站合理使用,避免过度频繁的起停。其存在的问题有如下几点:效率低、可靠性差。这种排水系统的工作流程完全由手工完成,工人按部就班的完成各个执行件的操作。另
18、外,对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验。作业过程比较复杂,要求工人具有很强的责任心,否则可能出现误操作,甚至发生大的事故。工人劳动强度大。人工操作无法避免高强度的劳作。尤其是闸阀的操作,劳动量最大。而且,水泵房要时时有人值守,以便在发生异常情况时,及时报警检修。1.3排水系统为何要实现自动控制针对上述排水系统存在的问题,本文提出了基于PLC的矿井主排水自动控制系统的设计。自动控制系统的应用,将使得排水系统可靠性增强,整个工作流程通过软件的编程来实现,程序确定后,水泵机组将按给定的程序自动启停水泵、开合阀门,极大的减小工人的劳动强度。PLC将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测
19、系统传至地面生产调度监控中心主机,管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态,又可根据自动化控制信息,实现井下主排水系统的遥测、遥控。1.4我国矿井主排水系统的现状井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。随着控制理论和现代检测技术的发展,自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定进步。传统的继电器控制方法,用人工进行检测(如人工检测水仓水位、淤泥厚度、管道、闸阀及配电设备状况等),这种检测控制方法效率低,工人劳动强度大,且由于井下环境恶劣,故障率较高。所以靠人工检测的方法已不适应煤炭发展的需要,取而代之的是自动化排水系统。随之,一种新颖的矿井排水计算机自动控制系统问
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