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摘要
因?yàn)槟壳暗拿禾烤屡潘淖詣?dòng)化程度不高,本設(shè)計(jì)從實(shí)際的角度出發(fā),對(duì)于目前排水系統(tǒng)的不足,做出有效的提升.對(duì)于皮帶巷和回風(fēng)巷中的特殊積水類型,本設(shè)計(jì)有針對(duì)性的處理方法,來(lái)解決其特殊的排水問(wèn)題,本設(shè)計(jì)的重要目的是為了更加簡(jiǎn)單,更加快速,更加安全的處理井下的排水問(wèn)題.提高井下排水的效率并且增加井下工作的安全系數(shù),使井下排水的智能化程度有所提高,實(shí)現(xiàn)我們煤礦井下排水智能化.優(yōu)化了煤炭井下排水的操作,使其操作更加的簡(jiǎn)單,更加的系統(tǒng)化,杜絕了多余的動(dòng)作,減少了人工的浪費(fèi)。
在本設(shè)計(jì)中首先對(duì)于煤礦井下的排水系統(tǒng)以及設(shè)備進(jìn)行可簡(jiǎn)單的描述，而后對(duì)于傳感器和PLC選型進(jìn)行了介紹，最后對(duì)PLC的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且制定了智能排水的基本原則并且通過(guò)多種的傳感器例如水位傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及溫度傳感器。在本設(shè)計(jì)中可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)控制操作方式。并且在本設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單的模擬煤礦井下巷道排水情況，而且由于考慮到水泵的故障或者其他的原因?qū)е滤玫耐Ｖ惯\(yùn)作，所以在本設(shè)計(jì)中增加了水泵輪轉(zhuǎn)功能和水泵的自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。有根據(jù)了避峰就谷原則來(lái)控制水泵的排水時(shí)間。
考慮到設(shè)計(jì)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，在本設(shè)計(jì)中選用了S7-200型系列PLC，S7-200系列PLC結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，運(yùn)用比較廣泛。并且選用了CPU226，這樣對(duì)于系統(tǒng)中的數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)位，都可以達(dá)到要求。而且S7-200比較穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：S7-200；PLC；井下排水
Abstract
Because the automation of coal mine drainage is not high, the design from the practical point of view, the current lack of drainage system, make effective improvement. For the special type of water tunnel and return airway belt, the design of a targeted approach, to solve the special problem of drainage, important purpose this design is for a more simple, faster, more secure mine drainage problems. To improve the efficiency of the underground drainage and increase the safety factor of underground work, the intelligent degree of the underground drainage has improved, we realize the coal mine drainage. The intelligent optimization of coal mine drainage operation, make the operation more. Simple, more systematic, eliminate the superfluous action, reduce the waste.
In this design first for coal mine drainage system and equipment of can be simply described, then the sensor and the selection of PLC are introduced. At last, the paper gives the design of the PLC software, and to develop the basic principles of intelligent drainage and through a variety of sensors such as water level sensor, a pressure sensor, a flow sensor and temperature sensor. In this design can realize automatic, semi-automatic and manual control operation mode. And in the design of simple simulation of coal mine underground roadway drainage and due to taking into account the pump failure or other reasons caused the pump to stop operation, so in the design of increased pump rotary pump function and automatic conversion function. According to the principle of the valley to the valley principle to control the pump drainage time.
Considering the practicality and economy of the design, the S7-200 series PLC is chosen in the design, and the S7-200 series PLC structure is simple, and it is widely used.. And CPU226, so that the number of digital input and output point can be achieved. And S7-200 is relatively stable.
Keywords: S7-200; PLC; underground drainage
目錄
1緒論 1
1.1目的 1
1.2目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容 2
1.3.1煤炭井下回風(fēng)巷和皮帶巷涌水特點(diǎn) 2
2煤礦井下排水系統(tǒng)組成 4
2.1水泵房 4
2.2水倉(cāng) 4
2.3水泵機(jī)組 4
2.4離心式水泵排水系統(tǒng)工作原理 4
2.4.1濾水器和底閥 4
2.4.2閘閥 5
2.4.3逆止閥 5
2.4.4灌引水漏斗、放氣栓和旁通管 5
2.4.5壓力表和真空表 5
2.4.6射流泵或真空泵 5
2.4.7離心式水泵的啟動(dòng)與停機(jī)過(guò)程 6
2.5井下排水存在的問(wèn)題 6
2.6排水系統(tǒng)的總體控制要求 7
2.6.1水泵的自動(dòng)輪換原則 7
2.6.2避峰填谷原則 7
2.6.3排水系統(tǒng)的保護(hù)原則 8
3排水系統(tǒng)傳感器選擇 9
3.1涌水點(diǎn)水水位的檢測(cè) 9
3.1.1液位傳感器介紹 9
3.1.2投入式液位傳感器 10
3.1.3兩種液位傳感器的比較 10
3.1.4水位檢測(cè)裝置的選擇 11
3.2電機(jī)及水泵溫度檢測(cè) 11
3.3水泵壓力檢測(cè) 12
3.3.1 HS-956系列薄膜壓力變送器 12
3.4水泵流量監(jiān)測(cè) 13
3.4.1流量監(jiān)測(cè)儀器的安裝位置 13
3.4.2流量檢測(cè)傳感器 13
3.5水泵負(fù)壓檢測(cè) 14
4排水設(shè)備的選型設(shè)計(jì) 15
4.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 15
4.2引水設(shè)備 15
4.3自動(dòng)閥門(mén) 16
4.4高壓開(kāi)關(guān)柜 17
5控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 20
5.1 PLC的軟件設(shè)計(jì) 20
5.2 PLC的主要特點(diǎn) 20
5.2.1PLC的特點(diǎn) 21
5.2.2PLC的主要功能 22
5.3 PLC基本工作原理 23
5.4 PLC地址分配和實(shí)現(xiàn)控制功能 24
5.5 PLC的選型設(shè)計(jì) 27
5.5.1存儲(chǔ)器容量選擇 28
5.5.2響應(yīng)速度 28
5.6 S7--200PLC的基本組成 29
5.7地址分配 32
5.8控制系統(tǒng)軟件 36
5.8.1水泵的自動(dòng)開(kāi)啟、運(yùn)行、停止故障保護(hù)流程圖 37
5.8.2水泵和排水管路的輪換工作的實(shí)現(xiàn) 37
5.8.3涌水坑水位監(jiān)測(cè)和“避峰就谷”的實(shí)現(xiàn) 38
5.8.4不同模式下的水泵控制方式的選擇 39
5.9設(shè)計(jì)要求 40
5.10設(shè)計(jì)梯形圖 41
5.11控制系統(tǒng)的抗干擾措施 50
6 結(jié)論 52
致謝 53
參考文獻(xiàn) 54
附錄A譯文 55
附錄B外文文獻(xiàn) 60
5
1緒論
井下排水系統(tǒng)是煤礦井下主要的系統(tǒng)之一，是負(fù)責(zé)著井下排水的任務(wù)，在井下的開(kāi)采中，由于地下水的滲透和雨水的滲透，會(huì)有大量的水晝夜不停的匯集于井下。井下的涌水量跟季節(jié)和當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境有很大的關(guān)系，而且假如施工不當(dāng)，使得地下水層遭到破壞，會(huì)使地下水大量地涌入煤礦井下的巷道中，如果這出現(xiàn)樣的情況會(huì)是十分危險(xiǎn)的。
國(guó)內(nèi)煤礦井下目前大部分都是采用傳統(tǒng)的人工檢測(cè)系統(tǒng)，但是這種檢測(cè)控制方法效率十分的低，并且人工的勞動(dòng)強(qiáng)度大，可靠性低。不足滿足目前煤礦的發(fā)展和生產(chǎn)安全需要。
本設(shè)計(jì)主要使用水泵壓力傳感器、水泵流量傳感器、液位傳感器以及各種傳感設(shè)備對(duì)水泵的壓力、流量電機(jī)溫度進(jìn)行監(jiān)控，智能的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣使得故障和事故能更早的被發(fā)現(xiàn)，使得問(wèn)題更加快速的進(jìn)行處理，可靠性更高，使得井下的生產(chǎn)安全系數(shù)更高。
1.1目的
煤炭行業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)隨著煤炭行業(yè)高產(chǎn)高效的發(fā)展,我國(guó)目前的井下排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還不夠智能,井下的排水系統(tǒng)關(guān)系到礦井的生產(chǎn)和安全，一旦礦井排水系統(tǒng)出現(xiàn)了故障,不僅對(duì)礦井生產(chǎn)產(chǎn)生了影響,甚至?xí)绊懢鹿と说纳?cái)產(chǎn)的安全,所以說(shuō)排水系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著十分重要的作用,其可靠性關(guān)系到生產(chǎn)安全和人身安全。
煤礦井下的排水系統(tǒng)是井下重要系統(tǒng)之一，在目前的井下，平均的排水量是十分大的，所以說(shuō)排水系統(tǒng)不光要做到智能而且還要考慮到工作性能與設(shè)備系統(tǒng)的可行性，做到更加有效的排水并且做到更加經(jīng)濟(jì)可靠，但是目前很多礦用水泵仍然普遍使用很傳統(tǒng)的設(shè)備和系統(tǒng),這種系統(tǒng)的自動(dòng)化程度比較低,對(duì)于一些突發(fā)的情況處理上會(huì)有很大的問(wèn)題,例如處理的時(shí)間比較長(zhǎng),反應(yīng)比較緩慢,有很大的安全隱患,是我們目前有待解決的重要問(wèn)題。
煤礦井下排水泵作為井下排水的重要設(shè)備,它運(yùn)行電壓高,功率大,運(yùn)轉(zhuǎn)情況比較復(fù)雜,所以工人對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)非常的困難,并且在水泵的啟動(dòng),涌水點(diǎn)水位變化的檢測(cè),泵房?jī)?nèi)設(shè)備的運(yùn)行情況檢查,基本還是采用人工檢測(cè)模式,操作過(guò)程復(fù)雜,消耗人工多,目前的井下排水系統(tǒng)的模式簡(jiǎn)單,硬件設(shè)備落后,有時(shí)不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和控制,而且對(duì)于水泵電機(jī)的溫度,電流,電壓以及水泵的流量,壓力,水位等數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)處理.我國(guó)的檢測(cè)還處于摸索階段,系統(tǒng)還不夠完善.沒(méi)有很好的水位傳感器的產(chǎn)品,傳感器產(chǎn)品十分容易受到井下環(huán)境的影響,事故因此而發(fā)生。
1.2目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
在國(guó)外，礦井排水系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的比較迅速，許許多多的井下排水的控制系統(tǒng)都非常的成功，并且在井下的使用十分的廣泛。例如德國(guó)基于GEMATI2900的煤礦排水監(jiān)控設(shè)備，以及美國(guó)在HONEYWELL公司研究的煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)等。
雖然許多的地方和國(guó)家在煤炭井下排水的自動(dòng)化建設(shè)上沒(méi)有太深的研究，但是在井下的排水系統(tǒng)的研究進(jìn)程上已經(jīng)走上了高速發(fā)展的道路上，在許多的方面很多國(guó)家與地方已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在中央的排水控制室中就可以控制和檢測(cè)煤礦井下的排水網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于井下的排水進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制。
近年來(lái)，在我國(guó)的煤礦行業(yè)處于一個(gè)迅猛發(fā)展的時(shí)代，在井下排水系統(tǒng)的研究越來(lái)越多，在對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上也邁出了堅(jiān)實(shí)的步伐。對(duì)于我國(guó)排水系統(tǒng)的智能化做出了很大的貢獻(xiàn)，而且我國(guó)的井下排水智能化越來(lái)越形成規(guī)模，這樣我國(guó)的井下排水系統(tǒng)控制發(fā)面進(jìn)行了很大的優(yōu)化。
國(guó)內(nèi)對(duì)井下排水研究的并不多。我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量世界第一，國(guó)內(nèi)有很多的煤礦需要高效率的排水系統(tǒng)，因此我們對(duì)智能排水系統(tǒng)的研究意義重大。在煤炭井下排水系統(tǒng)是一個(gè)十分重要的系統(tǒng)之一，如果想要在煤炭行業(yè)取得進(jìn)步，在排水的發(fā)展上必須十分的重視，因?yàn)槟壳暗氖褂萌斯z測(cè)控制巷道的排水系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)時(shí)了，如果不進(jìn)行對(duì)于排水的更新和革命，煤炭行業(yè)將會(huì)走入發(fā)展的瓶頸。隨著世界智能化的發(fā)展，各個(gè)行業(yè)都邁入了新的時(shí)代，那就是信息時(shí)代，人們的人均GDP實(shí)現(xiàn)的大幅度的提高，生產(chǎn)效率的大幅度提升使得人工操作的效率已經(jīng)達(dá)不到我們現(xiàn)在工作效率的要求。這時(shí)新的系統(tǒng)橫空出世使得排水的智能化逐步的實(shí)現(xiàn)。新的智能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于排水點(diǎn)的水位監(jiān)測(cè)以及水泵的電機(jī)的參數(shù)監(jiān)測(cè)，使得排水系統(tǒng)的各個(gè)方面都實(shí)時(shí)的處于系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)下。實(shí)現(xiàn)我們需要的智能化。
目前煤礦井下水泵監(jiān)控采用PLC+變送器實(shí)現(xiàn)的，主要檢測(cè)的對(duì)象包括：水泵的電機(jī)溫度以及電機(jī)開(kāi)啟和關(guān)閉、涌水點(diǎn)的水位、水泵的流量監(jiān)控、水泵的電流和電壓、水泵內(nèi)壓力的檢測(cè)
1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容
1.3.1煤炭井下回風(fēng)巷和皮帶巷涌水特點(diǎn)
煤炭井下回風(fēng)巷和皮帶巷涌水特點(diǎn)主要包括以下幾種涌水情況：透水、突水、涌水,這些情況對(duì)于井下的工作有巨大影響。
在煤炭井下中積水主要分為幾種，在采掘工作面中的涌水被稱為礦井充水，在巷道中的積水被稱為礦井水。
礦井充水形式:滲入、滴入、淋入、流入、涌入和潰入等等。當(dāng)涌入潰入井巷的水量大、來(lái)勢(shì)猛時(shí),稱為突水。
礦井透水：在煤炭井下的積水存在于工作面中時(shí)，積水形式主要是由于積水通過(guò)巖層的滲透進(jìn)入到巷道中，使得巷道中的積水過(guò)多導(dǎo)致水充滿巷道對(duì)于生產(chǎn)和人員的安全造成威脅。
礦井突水:大量地下水突然集中涌入井巷的現(xiàn)象。掘進(jìn)或采礦過(guò)程中當(dāng)巷道揭穿導(dǎo)水?dāng)嗔?、富水溶洞、老窯積水,地下水大量突然涌入礦山井巷的現(xiàn)象。
涌水坑水位設(shè)計(jì)按坑內(nèi)積水考慮當(dāng)天排完。排水坑排水大多使用離心式排水泵，一般規(guī)定排水泵的排水量為涌水點(diǎn)涌水量的1.5到2倍之間。
2煤礦井下排水系統(tǒng)組成
本節(jié)對(duì)煤礦井下排水系統(tǒng)做了大概性的介紹，井下排水系統(tǒng)大致分為幾個(gè)部分：水泵房、水倉(cāng)、排水管道和水泵。
2.1水泵房
水泵房是設(shè)備庫(kù)，水泵房是裝備礦井主要設(shè)備的機(jī)房，機(jī)房?jī)?nèi)要求具有良好的通風(fēng)、照明和干燥系統(tǒng)，便于機(jī)器維護(hù)和維修，使機(jī)房時(shí)刻處于安全的狀態(tài)，是排水系統(tǒng)的重要組成部分。
2.2水倉(cāng)
水倉(cāng)由主倉(cāng)和副倉(cāng)組成。對(duì)于水倉(cāng)的位置選擇，基本的原則是一般選擇在巷道或者在井底車場(chǎng)的最低位置，水倉(cāng)必須與吸水井有可通過(guò)通道。水倉(cāng)的主要作用不僅僅是積水的儲(chǔ)存位置而且還是對(duì)于積水中的泥沙和各種可沉淀物的沉積位置，水倉(cāng)同時(shí)也具備對(duì)于積水的清理作用，也是本設(shè)計(jì)中水泵排水的終點(diǎn)位置。
2.3水泵機(jī)組
煤礦井下排水的主要設(shè)備就是排水泵，沒(méi)有排水泵排水是不能進(jìn)行的，在一般的設(shè)計(jì)中水泵一般有工作水泵和如果工作水泵出現(xiàn)了問(wèn)題有必要設(shè)計(jì)一個(gè)備用水泵，其中水泵的工作能力應(yīng)該在20小時(shí)內(nèi)能排出24小時(shí)的涌水量，而且備用的水泵應(yīng)有工作水泵的70%的排水能力。
2.4離心式水泵排水系統(tǒng)工作原理
以下是簡(jiǎn)單的介紹所使用的水泵原理，煤礦井下的排水系統(tǒng)一般采用離心水泵，
離心式水泵的排水量和排水效率都很高，負(fù)責(zé)井下主要的排水任務(wù)。但是在生產(chǎn)中有可能出現(xiàn)一些排水量不是很大，水位比較淺的位置也會(huì)使用潛水泵進(jìn)行排水工作。
2.4.1濾水器和底閥
濾水器的作用顧名思義，就是防止積水中的淤泥和砂石通過(guò)吸水管吸入進(jìn)入到水泵中，加快了對(duì)于水泵的磨損和消耗，甚至有可能使得水泵的堵塞，使得水泵不能繼續(xù)工作，而底閥的作用是使得在吸水管的引水不會(huì)大量的泄露掉，保證了水泵在停泵狀態(tài)的安全，并且可以提高排水的效率，減緩腐蝕。而使用的是射流泵或真空泵，來(lái)給水泵和吸水泵注水。
2.4.2閘閥
在靠近水泵排水管上方的排水管路上安裝調(diào)節(jié)閘閥，其作用為：
1調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程；
2在起動(dòng)過(guò)程中將它完全的關(guān)閉，可以降低起動(dòng)電流。
調(diào)節(jié)閘閥在正常工作和使用中，它受到的阻力比較小，可以十分簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)水泵的排水能力，在閘閥安裝時(shí)沒(méi)有方向性的限制。但是由于其表面是密封面，對(duì)于檢修的能力是十分大的考驗(yàn)，并且價(jià)格較貴。
2.4.3逆止閥
在調(diào)節(jié)閘閥的上方位置安裝逆止閥，逆止閥的主要作用是當(dāng)水泵發(fā)生故障時(shí)，水泵停止工作，或者在閘閥尚未關(guān)閉的時(shí)候，水泵停止工作時(shí)能實(shí)現(xiàn)水流的切斷，避免水泵收到積水的大力沖擊，使得水泵無(wú)法繼續(xù)工作。
2.4.4灌引水漏斗、放氣栓和旁通管
引水漏斗主要的作用是在水泵的引水過(guò)程中，使得水泵中空氣排出。當(dāng)有積水存在于排水管中，這是就可以使用旁通管對(duì)水泵進(jìn)行引水工作，操作的流程，首先要把旁通管中的開(kāi)關(guān)閥門(mén)打開(kāi)，并且旁通管可以對(duì)于壓力水中的雜物進(jìn)行沖刷掉，但是與此同時(shí)，使用鏈條或者鐵絲將底閥提起。
2.4.5壓力表和真空表
壓力表安裝位置在排水泵的排水管上，是為了檢測(cè)水管中的水壓大小。在一般的情況下普通的彈簧管壓力表就是我們大多使用的壓力表，按照壓力表的結(jié)構(gòu)可以分為軸向帶邊和徑向無(wú)邊以及向帶邊。表的公稱直徑有5中分為60、100、150、200和250mm。在壓力表上顯示的數(shù)值要比絕對(duì)大氣壓小一個(gè)大氣壓。在吸水管上安裝真空表，真空度是通過(guò)壓力表檢測(cè)。大體真空表與壓力表的種類一樣，公稱直徑也與壓力表一樣。
2.4.6射流泵或真空泵
在離心水泵啟動(dòng)之前，首先要使用射流泵或者是真空泵將吸水管和水泵的腔內(nèi)注滿水，而后才能實(shí)現(xiàn)水泵的工作。如果水泵在工作之前沒(méi)有使用射流泵或者真空泵對(duì)吸水管進(jìn)行注水，就會(huì)出現(xiàn)“干燒”現(xiàn)象，導(dǎo)致水泵的工作壽命大幅度降低。特別是在排水系統(tǒng)中沒(méi)有底閥裝置，射流泵在每次水泵啟動(dòng)的時(shí)候都會(huì)工作，水泵注滿水后水泵繼續(xù)啟動(dòng)。
在我國(guó)的煤礦井下目前還是處于非常簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)狀態(tài)，這種非常傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)主要是以離心式水泵為主要的排水設(shè)備，水泵是排水系統(tǒng)主力排水設(shè)備，其他的設(shè)備是圍繞著水泵展開(kāi)工作的。泵站的啟停完全是由工人的自己的工作經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)涌水點(diǎn)的水位處于高水位時(shí)需要排水時(shí)，憑借工人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定是否需要開(kāi)啟排水泵，如果需要開(kāi)啟水泵，工人就會(huì)開(kāi)啟射流泵給水泵注水，真空度達(dá)到要求時(shí)，啟動(dòng)水泵后水泵開(kāi)始工作，開(kāi)啟閘閥后，水泵開(kāi)始排水。而后關(guān)閉射流泵。停泵過(guò)程操作相反。
2.4.7離心式水泵的啟動(dòng)與停機(jī)過(guò)程
排水時(shí)水泵啟動(dòng)與停機(jī)主要是依靠由水坑的水位高低、水泵的溫度、壓力、以及電流傳感器所傳送來(lái)的參數(shù)來(lái)決定水泵的開(kāi)啟以及水泵的停機(jī)，水泵的停機(jī)與啟動(dòng)可以分為遠(yuǎn)程PLC控制和手動(dòng)控制，可以根據(jù)所使用的條件選擇要使用的方式，當(dāng)涌水點(diǎn)的水位過(guò)高時(shí)，傳感器傳送來(lái)水位高的信號(hào)，控制PLC決定手動(dòng)自動(dòng)模式，啟動(dòng)水泵后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵的各種參數(shù)，如果出現(xiàn)故障，進(jìn)行手動(dòng)或者自動(dòng)的控制水泵的關(guān)閉。
2.5井下排水存在的問(wèn)題
（1）工作的效率很低。這種主要依靠人工排水系統(tǒng)，其可靠性并不高，需要工人按照經(jīng)驗(yàn)和程序一步步地進(jìn)行操作，對(duì)于水坑涌水量的判斷，也只能依賴于工人經(jīng)驗(yàn)。過(guò)程控制能力差，如果出現(xiàn)工人的錯(cuò)誤判斷或者錯(cuò)誤的操作，可能會(huì)導(dǎo)致事故發(fā)生，人員和財(cái)產(chǎn)會(huì)招到損失。
（2）需要人工較多。因?yàn)槠渑潘到y(tǒng)大量需要人工的操作。尤其對(duì)于水泵的啟停，和水泵布置都需要大量的人工，而且對(duì)于水泵出現(xiàn)的問(wèn)題，回報(bào)速度慢，以及人工處理不迅速。這些問(wèn)題都會(huì)降低排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
針對(duì)于這些存在的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)主要著手解決這些問(wèn)題，本設(shè)計(jì)是基于PLC控制的煤礦井下排水智能系統(tǒng)。使得排水系統(tǒng)的可靠性增強(qiáng)，依靠所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，程序確定后，水泵機(jī)組，可以實(shí)現(xiàn)用所設(shè)計(jì)的程序來(lái)控制水泵開(kāi)啟以及關(guān)閉，并且把水泵機(jī)組的實(shí)時(shí)信息以及一些重要的安全系數(shù)傳送到總控制臺(tái)，管理人員即可在總控制臺(tái)上來(lái)控制煤礦井下排水系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù)和實(shí)時(shí)的工作狀態(tài)，便可以十分方便的控制水泵，以及水泵機(jī)組的調(diào)動(dòng)。減少了人工的多余動(dòng)作，完成排水的智能化進(jìn)程。
（3）水錘現(xiàn)象
水錘現(xiàn)象，也被稱為水擊現(xiàn)象，當(dāng)液體的流速突然發(fā)生變化的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致水泵內(nèi)壓力的突然變化，壓力的急劇的交替，從而升高和減少水力的沖擊現(xiàn)象，如果發(fā)生水錘現(xiàn)象，水泵中的最高壓力可以達(dá)到平時(shí)值得2倍。這樣大的水力會(huì)對(duì)水泵造成巨大的沖擊，導(dǎo)致設(shè)備的破壞。所以說(shuō)一般的排水管中的積水流速不能大于3米每秒。如果在水泵正常的工作中，發(fā)生了水錘現(xiàn)象，那么水泵會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的事故，例如水泵停止運(yùn)作或者積水流出水泵等嚴(yán)重故障，會(huì)造成嚴(yán)重的人員財(cái)產(chǎn)損失。所以在水泵排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要非常重視消除水錘現(xiàn)象。
為了避免出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，一般采取以下措施：
1.減少水錘發(fā)生可以試安裝止回閥。
2.可以通過(guò)安裝一些泄壓設(shè)備例如水錘消除器和安全閥等，并且在管路中安裝壓力傳感器。在壓力會(huì)突然變化的區(qū)域安裝止回閥，這樣也可以減少水錘現(xiàn)象的發(fā)生。
2.6排水系統(tǒng)的總體控制要求
2.6.1水泵的自動(dòng)輪換原則
為了防止工作水泵以及管路的故障突發(fā)的情況，所以必須要有備用的水泵或者電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)備，這時(shí)如果電機(jī)或者電氣設(shè)備發(fā)生故障，這樣會(huì)發(fā)生事故，更有可能影響煤礦井下的安全和生產(chǎn)的效率，所以我們有必要設(shè)計(jì)水泵的自動(dòng)輪換工作功能。本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)其系統(tǒng)功能自動(dòng)的通過(guò)傳感器傳輸其運(yùn)行參數(shù)，而后把必要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂婆_(tái)，并具有聲光報(bào)警功能，可以使得人員得知事故的發(fā)生地點(diǎn)，同時(shí)可以更早的更換故障泵，使備用泵更加迅速的進(jìn)行更換，以做到故障的早發(fā)現(xiàn)、早處理。
2.6.2 “避峰填谷”原則
避峰就谷原則顧名思義，就是在供電的低谷期和一般時(shí)期盡可能的讓水泵處于工作狀態(tài)，保證涌水水位處于設(shè)定的低水位。而水泵在供電的高峰期盡量處于停泵的狀態(tài)這樣的工作方式就稱為避峰就谷原則以便于在供電的高峰期，不會(huì)使得涌水點(diǎn)的積水過(guò)多，這樣就可以增加巷道排水系統(tǒng)的排水效率，以便于排水系統(tǒng)更加的安全，更加的穩(wěn)定。
2.6.3排水系統(tǒng)的保護(hù)原則
漏水保護(hù)：漏水保護(hù)是指當(dāng)水泵開(kāi)啟后安裝的真空度壓力表顯示的真空度未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，那么這個(gè)水泵非常有可能存在故障，這時(shí)啟用備用水泵，并派送人員進(jìn)行檢修。
流量、壓力的保護(hù)：在水泵開(kāi)啟以及工作中，通過(guò)流量和壓力傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不能達(dá)到正常的工作值時(shí)，這時(shí)水泵內(nèi)的壓力沒(méi)有達(dá)到預(yù)計(jì)的要求，那么水泵就必須要停止啟動(dòng)，并且開(kāi)啟備用水泵。
超溫保護(hù)：如果水泵的電機(jī)溫度超過(guò)了我們?cè)O(shè)定的正常值得話，立刻停止正在運(yùn)行的水泵，通過(guò)水泵的保護(hù)裝置對(duì)水泵進(jìn)行關(guān)閉水泵的運(yùn)作，并啟動(dòng)下臺(tái)水泵。
過(guò)流保護(hù)：顧名思義，當(dāng)電機(jī)或者主回路中的電流信號(hào)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC處理原件，傳送來(lái)的數(shù)據(jù)大于我們?cè)O(shè)定值得話，啟動(dòng)停機(jī)裝置并且檢修水泵。
當(dāng)水泵發(fā)生以上的情況，系統(tǒng)就要通過(guò)故障的原因來(lái)手動(dòng)的選擇PLC的控制方式應(yīng)該含有，水泵的自動(dòng)控制、水泵的半自動(dòng)控制以及水泵的手動(dòng)控制，自動(dòng)控制水泵是由傳感器檢測(cè)水位壓力以及有關(guān)數(shù)據(jù)，PLC分析輸送來(lái)的數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)來(lái)控制水泵的啟停，人工并不參與動(dòng)作；當(dāng)水泵的半自動(dòng)工作方式開(kāi)啟時(shí)，由人工進(jìn)行判斷以及人工的選擇開(kāi)啟或者關(guān)閉幾臺(tái)水泵，這時(shí)PLC并不停止進(jìn)行工作，而是繼續(xù)輸入水泵的參數(shù)信息。而當(dāng)手動(dòng)模式開(kāi)啟時(shí)，水泵的控制完全有手動(dòng)操控，有操作人員對(duì)水泵進(jìn)行檢修，依靠手工進(jìn)行水泵的啟停。這三種工作方式，應(yīng)該并列存在，相輔相成，組成一套完整、智能、高效的排水系統(tǒng)。
3排水系統(tǒng)傳感器選擇
3.1涌水點(diǎn)水水位的檢測(cè)
3.1.1液位傳感器介紹
超聲波液位傳感器
超聲波液位傳感器位于兩媒體對(duì)該接口利用超聲波的反射特性。如果超聲脈沖開(kāi)始接收到的反射波到目前為止這個(gè)時(shí)間間隔是可以的距離和位置之間的接口計(jì)算，利用該方法可以對(duì)液位測(cè)量。根據(jù)發(fā)射機(jī)的功能和接收傳感器，該傳感器可分為單傳感器和雙傳感器..單傳感器發(fā)送和接收超聲波的使用相同的傳感器，當(dāng)傳感器發(fā)送和接收各傳感器傳感器。介紹了單傳感器超聲波傳感器。超聲波傳感器原理如圖(3-1)
圖3-1超聲波傳感器原理
Figure3-1The principle diagram of the ultrasonic sensors
超聲波傳感器可以安裝在涌水點(diǎn)睡眠的上方，這時(shí)超聲波傳感器的超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，超聲波到達(dá)涌水點(diǎn)積水表面后，再反彈回到換能器
時(shí)間為（3-1） 則（3-2）
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（3-1）和（3-2）可以推算出超聲波傳感器的信息接收和回報(bào)的時(shí)間間隔。就可以求出需要測(cè)量的液位。超聲波液位傳感器具有精度高和使用時(shí)間長(zhǎng)等特點(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。在一般條件下使用它的測(cè)量誤差只有±0.1%檢測(cè)液位的范圍為10?410m。
本設(shè)計(jì)中采用的是Yjsonic系列的超聲波液位計(jì)，超聲波傳感器的工作原理是通過(guò)傳感器發(fā)射的超聲波，返回來(lái)的模擬量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這樣就可以通過(guò)我們之前所得到的超聲波的時(shí)間間隔來(lái)推算出超聲波傳感器和涌水點(diǎn)液位之間的距離，這樣就可以推算出涌水點(diǎn)的液位高度。
工作特點(diǎn)：為了提高設(shè)備的穩(wěn)定性，我們可以使用SMD技術(shù)，功率的自動(dòng)調(diào)整，增益控制。先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，豐富的軟件功能能應(yīng)付各種不同環(huán)境。為了提高我們?cè)O(shè)備的測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性系數(shù)，我們應(yīng)該使用新型的計(jì)算機(jī)技術(shù)例如新型的波形計(jì)算。具有干擾回波的抑制功能，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精確。
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)：0.3~0.5m
溫度：-20℃~+55℃
電源：24VDC
控制：無(wú)
輸出：4~20mA
16位的D/A轉(zhuǎn)換使得電流的輸出分辨力有所提高，并且可以輸送信息到PLC的CPU中。
3.1.2投入式液位傳感器
首先把傳感器的探測(cè)頭投入到涌水點(diǎn)的積水中，然后通過(guò)水位高度造成的壓強(qiáng)差來(lái)判斷水位的高低，投入式液位傳感器就是通過(guò)這原理制成的。
3.1.3兩種液位傳感器的比較
投入式液位傳感器的特點(diǎn)在于：
①制造成本相對(duì)于超聲波液位傳感器較為便宜；
②量程比較小一般為5到10米，但一般能滿足測(cè)量水位的要求:；
③如果在涌水點(diǎn)的積水中含有一些固體不溶物的話，會(huì)對(duì)傳感器造成影響；
④測(cè)量工作不被空氣中的懸浮成分如粉塵、濃煙等的影響；
超聲波液位傳感器的特點(diǎn)在于:
①超聲波傳播會(huì)被空氣中粉塵的影響；
②超聲波液位傳感器的可測(cè)量的量程比投入式的傳感器大；
③超聲波液位不會(huì)像投入式液位傳感器比較易受介質(zhì)的干擾；
④制造成本比較高
3.1.4水位檢測(cè)裝置的選擇
由于煤礦井下的排水系統(tǒng)重要的安全設(shè)施，而水位傳感器是整個(gè)排水系統(tǒng)的重要部分。在理論情況下，如果同在一個(gè)涌水點(diǎn)的傳感器，其中一個(gè)傳感器發(fā)生了故障那么就需要安裝一個(gè)備用的傳感器。但是考慮的實(shí)際的情況以及對(duì)于成本的控制，本設(shè)計(jì)不多考慮理論使用，并且考慮成本和維修問(wèn)題，每一個(gè)涌水坑使用一個(gè)投入式傳感器。
3.2電機(jī)及水泵溫度檢測(cè)
對(duì)于水泵溫度的監(jiān)測(cè)，采用的是溫度傳感器，而一般的分為可以接觸被測(cè)物體的類型和不可以接觸被測(cè)物體的類型，而可以接觸的類型，便是溫度測(cè)量的基本形式。這種溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，精度較高，穩(wěn)定性好，價(jià)格低，等等優(yōu)點(diǎn)，并在這種溫度傳感器的應(yīng)用最為廣泛的。非接觸式溫度傳感器理論上無(wú)接觸式溫度傳感器的測(cè)量滯后和高溫，腐蝕，有毒的功率測(cè)量的應(yīng)用范圍，移動(dòng)物體和液體和固體表面的溫度，不影響測(cè)得的溫度場(chǎng)，但測(cè)量精度低，所以，使用不方便。通過(guò)比較，宜選擇接觸式溫度傳感器來(lái)測(cè)量溫度的。電機(jī)的溫度和泵選擇PT100溫度傳感器。PT100傳感器隨溫度變化的鉑電阻的使用，并給出了一定的功能特征溫度,其溫度/阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系為：
（1）-200℃
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