井下水泵房自動排水系統(tǒng)設計

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遼寧工程技術大學1井下水泵房自動排水系統(tǒng)設計摘 要煤炭行業(yè)是我國的支柱產業(yè)。隨著煤炭行業(yè)高產高效的發(fā)展，礦井安全問題己成為制約煤炭生產的關鍵因素。井下涌水是危及礦井安全的重要因素。一旦發(fā)生井下透水事故，不僅影響井下生產，甚至會使礦井淹沒，危及生產工人生命。井下水泵房排水系統(tǒng)擔負著整個礦井積水排除的任務，其安全可靠性直接影響礦井生產的效率和安全。目前，我國大多礦井水泵房仍然普遍使用傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng)。這種排水系統(tǒng)由于自動化程度低，應急能力差，存在很大的安全隱患。隨著我國煤炭行業(yè)的發(fā)展，井下排水系統(tǒng)自動化己成為亟待解決的問題。本論文從我國煤礦生產實際出發(fā)，針對現有排水系統(tǒng)存在的弊病，結合現代工業(yè)技術和控制理論，設計了適于煤礦井下使用的自動排水系統(tǒng)。利用工業(yè)專用可編程控制器 PLC和超聲波液位檢測裝置，組成自動監(jiān)控系統(tǒng)，根據水倉水位變化情況，實現自動排水。依據液壓傳動理論和流體力學原理，選擇了兩種可控閘閥，以適應不同環(huán)境下的井下排水系統(tǒng)，解決了井下排水系統(tǒng)自動控制的難題，并通過理論和試驗驗證了其可行性。關鍵詞:水泵房，井下排水，可控閘閥，PLC，最優(yōu)控制遼寧工程技術大學2WELL WATER PUMP AUTOMATIC DRAINAGE SYSTEM DESIGNABSTRACTThe coal trade is a pillar industry of our country.With the development of coal trade in its high prodution and efficiency,the security problem of mine has been the key obstacle to coal prodution.Water pouring is an important factor endangering mine.Once the water leak accident takes place in mine,coal production will beld back;even the mine will be flood,jeopardizing labor’s life.Pumping collected water from mining area is the job of drainage system in pumping house under mine,which has closely relations to mining security and effciency.At present,the chiefly drainage systems in mining pumping house in our country aer traditional ones,which are operated by hand.There are potential safety hazard in this kind of drainage because of its low automation and failure in dealing with emergency.Therefore,it is urgent to solve the problem of drainage automation under mine.Based on practice of coal producing,and making use of modern industrial techniques and control theory,automatic drainage system studied in our research is made to adapt to coal mine,Composed of industrial controller and ultrasonic level detecting instriment,monitored and control system can make drainage equipments working automatically,according to the alternation of water well’s level.In order to meet various requirements of drainage systems in different situations,two kinds of controlled gate valves are studied and exploited based on hydraulic theory and fluid mechanics principles,and their feasibilities have 遼寧工程技術大學3been checked by experiments.So the puzzle problem in automation of drainage under mine is solved.KEY WORDS: The pump room, underground drainage, controllable valve, PLC, optimal control目 錄摘 要 1ABSTRACT.2遼寧工程技術大學4目 錄 4第一章 概論 11.1 井下排水系統(tǒng)概述 11.1.1 井下涌水現象及排水的重要性 .11.1.2 井下排水系統(tǒng)的組成 .21.2 現有井下排水系統(tǒng)存在的問題 41.2.1 操作程序 .41.2.2 存在的問題 .4第二章 井下自動排水系統(tǒng)總體方案設計 52.1 離心式水泵工作原理 52.1.1 離心式水泵工作特性 .52.1.2 水錘現象 .62.1.3 引水設備 .72.2 井下自動排水系統(tǒng)總體方案設計 82.2.1 井下自動排水系統(tǒng) 82.2.2 工作方式與工作環(huán)節(jié) .92.3 檢測與控制 132.3.1 信號檢測 .132.3.2 控制器與控制過程 .132.4 可控閘閥 142.5 小結 15第三章 可控閘閥選擇 163.1 閘閥工作方式 163.2 可控閘閥性能要求 173.3 液控閘閥設計 173.3.1 設計思路 .173.3.2 機械機構 .183.3.3 機械特性分析 .193.4 電磁先導式通斷閥設計 213.4.1 功能原理及設計思路 .213.4.2 結構設計 .223.4.3 工作原理 .233.4.4 性能特點 .233.5 小結 23第四章 基于 PLC 的泵房自動控制排水系統(tǒng) .25遼寧工程技術大學54.1 系統(tǒng)情況概述 254.2 系統(tǒng)設備及組成 264.2.1 系統(tǒng)前端檢測元件 .264.2.2 水位與系統(tǒng)參數檢測 .284.2.3 控制電路 .294.2.4 水泵房監(jiān)控裝置組成 .314.3 系統(tǒng)功能的實現 324.4 實際運行情況 33第五章 井下自動排水監(jiān)控系統(tǒng)運行和維護 345.1 監(jiān)控系統(tǒng)要求 345.2 主要執(zhí)行元件及其控制 355.3 系統(tǒng)運行與維護 36結 論 41參考文獻 43致 謝 44遼寧工程技術大學1第一章 概論井下排水系統(tǒng)是煤礦生產中四大系統(tǒng)之一，擔負著井下積水排除的重要任務。然而，目前我國普遍使用的井下排水系統(tǒng)依然是傳統(tǒng)的人工操作方式。本章通過分析這種排水系統(tǒng)的組成及工作過程，指出其存在的問題，為井下自動排水系統(tǒng)提供依據。1.1 井下排水系統(tǒng)概述1.1.1 井下涌水現象及排水的重要性在煤礦地下開采的過程中，由于地層中含水的涌出，雨水和江河中水的滲透，水砂充填和水力采煤礦井的井下供水，將要有大量的水晝夜不停地匯集于井下。礦井涌水與采區(qū)的水文地質及當地的氣象條件有關系，涌水量在不同的季節(jié)也呈現不同。在一些大水礦井，礦井涌水量可達到每秒 17 立方米，甚至超過每秒 20 立方米。另外，煤炭開采過程中，由于地層結構被破壞，巖層斷裂，使采區(qū)與儲水層連通，發(fā)生突水事故，涌水量會突然增加。如果不能及時地將這些積水排送到井上，井下的生產就可能受到阻礙，井下的安全就會得不到保障，嚴重者會造成重大事故。給人民的生命、國家的財產都帶來了極大的威脅。因此，井下排水就顯得尤為重要。井下排水系統(tǒng)的任務就是把流入井下煤礦巷道中的礦井積水排送至地表。根據統(tǒng)計，每開采 1 噸煤就要排出 2 一 7 噸礦井水。井下排水設備所配備電機的功率，小的幾千瓦到幾十千瓦，大的幾百千瓦到上千千瓦、在我國煤炭行業(yè)中，井下排水用電量占原煤生產總耗電量的 18%一41%，一般為 20%左右。因此，井下排水設備運轉的可靠性(安全運轉)與經濟性(效率高、電耗量小)，具有十分重要的意義。礦井水的成分很復雜，它對水泵和水管的腐蝕性，不僅與游離硫酸的存在有關系，而且也和硫酸鎂、硫酸鐵和硫酸鋁的存在有一定關系。遼寧工程技術大學2礦井水的物理性質和酸度，可用氫離子濃度(又叫氫離子指數)PH 值的大小來表示。由于酸性礦井水對金屬具有腐蝕破壞作用，所以井下排水設備的鋼鐵零件，一旦遇到酸性礦井水時，將會很快遭到破壞。因此，當 PH 值小于 5 時，就必須采用耐酸泵等防酸措施。1.1.2 井下排水系統(tǒng)的組成井下排水系統(tǒng)一般采用離心式水泵，一些小型煤礦或淺水井臨時排水系統(tǒng)也采用潛水泵 [1]。離心式水泵排水系統(tǒng)主要由離心式水泵、電動機、起動設備、儀表、管路及管路附件等組成，如圖 1 一 1 所示。圖 1 一 1 離心式水泵排水系統(tǒng)①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 0.5111。其作用是防止井底沉積的煤泥和雜物吸入泵內，導致水泵被堵塞或被磨損。在濾水器內裝有舌型底閥，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遼寧工程技術大學3管注水。②閘閥調節(jié)閘閥的優(yōu)點是流動阻力和關閉壓力較小，安裝時無方向性，能夠方便地來調節(jié)水泵的流量和揚程等。其缺點是密封面容易擦傷，檢修較為困難，高度尺寸較大，在安裝位置受到限制時，安裝不便，結構較復雜，價格較高。放水閘閥安裝在調節(jié)閘閥上方的排水管路的放水管上，其作用為：調節(jié)水泵的流量和揚程，起動時將它完全關閉，以降低起動電流。調節(jié)閘閥的優(yōu)點是流動阻力和關閉壓力較小，安裝時無方向性，能夠方便地來調節(jié)水泵的流量和揚程等。其缺點是密封面容易擦傷，檢修較為困難，高度尺寸較大，在安裝位置受到限制時，安裝不便，結構較復雜，價格較高。為檢修排水管路時放水用。③逆止閥逆止閥安裝在調節(jié)閘閥的上方，其作用是當水泵突然停止運轉(如突然停電)時，或者在未關閉調節(jié)閘閥的情況下停泵時，能自動關閉，切斷水流，使水泵不致受到水力沖擊而遭到損壞。④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時，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，要通過放氣栓(又叫氣嘴)將水泵和吸水管中的空氣放掉。當排水管中有存水時，也可通過旁通管向水泵和吸水管中灌引水，此時要將旁通管上的閥門打開。此外，還可通過旁通管，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，但此時須通過連接在底閥上的鐵絲或鏈條將底閥提起。⑤壓力表和真空表壓力表安裝在水泵的排水接管上，為檢測排水管中水壓大小用。常用的壓力表為普通彈簧管壓力表，根據其結構特征可分為徑向無工操作排水系統(tǒng)，以離心式水泵系統(tǒng)為主。這種排水系統(tǒng)的操作以離心式水泵的工作特性為基礎，泵站的起停時間判斷，完全依賴于工人的經驗和已有的操作規(guī)程。如圖 l 一 1 所示，當水倉水位到達設定的高水位時，工人打開射流泵(或真空泵)，為水泵抽真空，同時觀測真空表的讀數。真空度達到要求后，起動水泵機組，使水泵運轉。當水泵出口壓力表讀數遼寧工程技術大學4達到要求時，開起閘閥進行排水，同時關閉抽真空的射流泵(或真空泵)。停泵過程要進行相反的操作。當水倉積水降至低水位時，先將閘閥關死，再停水泵機組。根據現場涌水量的不同，工人還要判斷同時投入幾臺水泵工作，以便于既能及時排出積水，又能使泵站合理使用，避免過度頻繁的起停。1.2 現有井下排水系統(tǒng)存在的問題1.2.1 操作程序目前，我國大多煤礦企業(yè)的井下水泵房使用的仍然是傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng)，以離心式水泵系統(tǒng)為主。這種排水系統(tǒng)的操作以離心式水泵的工作特性為基礎，泵站的起停時間判斷，完全依賴于工人的經驗和已有的操作規(guī)程。當水倉水位到達設定的高水位時，工人打開射流泵(或真空泵)，為水泵抽真空，同時觀測真空表的讀數。真空度達到要求后，起動水泵機組，使水泵運轉。當水泵出口壓力表讀數達到要求時，開起閘閥進行排水，同時關閉抽真空的射流泵(或真空泵)。停泵過程要進行相反的操作。當水倉積水降至低水位時，先將閘閥關死，再停水泵機組。根據現場涌水量的不同，工人還要判斷同時投入幾臺水泵工作，以便于既能及時排出積水，又能使泵站合理使用，避免過度頻繁的起停。1.2.2 存在的問題(1)效率低、可靠性差。這種排水系統(tǒng)的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的完成各個執(zhí)行件的操作。另外，對水位、涌水量大小等現場數據的判斷依賴于工人的經驗。作業(yè)過程比較復雜，要求工人具有很強的責任心，否則可能出現誤操作，甚至發(fā)生大的事故。(2)工人勞動強度大。人工操作無法避免高強度的勞作。尤其是閘閥的操作，勞動量最大。通徑 DN200 的閘閥開起時，往往需要兩個工人同時轉動閥門手柄。而且，水泵房要時時有人值守，以便在發(fā)生異常情遼寧工程技術大學5況時，及時報警檢修。第二章 井下自動排水系統(tǒng)總體方案設計基于對礦井水泵房常用水泵(離心式水泵)結構、性能的分析，我們提出礦井自動排水系統(tǒng)的設計方案，針對目前國內普遍使用的人工操作礦井排水系統(tǒng)存在的弊病，從實際出發(fā)，為適應煤礦企業(yè)現代化管理運行，提高井下排水作業(yè)的安全性、可靠性、經濟性，提供了一種切實可行的方案 [2]。2.1 離心式水泵工作原理2.1.1 離心式水泵工作特性離心式水泵工作中，主要其作用的性能參數有:揚程 H 一單位質量(1kg)的液體通過水泵后所獲得的能量(m );2HO軸功率 N 一電機傳給水泵泵軸的功率稱為軸功率 kw。效率 一水泵的有效功率與輸入功率的比值稱為效率;?允許吸上真空度 H 廠水泵在標準狀況下(即水溫為 20℃、表面壓力l.013X Pa)運轉時，水泵所允許的最大吸上真空高度(m )。510 2水泵各個參數從不同的角度描述了水泵的工作性能，這些參數之間互相影響、互相制約、互相聯系，它們之間的這種關系是有一定規(guī)律的，人們通常用特性曲線來描述這些參數之間的關系(規(guī)律)。在實際應用中，通常以流量為橫坐標，畫出其他參數與流量的關系曲線作為特性曲線。常用的特性曲線有揚程曲線(Q 一 H)、效率曲線( 一 H)、功率曲線(N?一 Q)和允許吸上真空度曲線(Q 一 Hs)。圖 2 一 1 是 125D25x8 型的水泵特性曲線。通過特性曲線可以綜合分析水泵的排水能力和性能的優(yōu)劣，確定水泵的最佳工作點，并為排水系統(tǒng)其他元件參數選擇提供一定的依據。遼寧工程技術大學6圖 2-1 125D25x8 型的水泵特性曲線2.1.2 水錘現象水錘也稱為水擊，是在有壓管路中由于液體流速的突然變化而引起的壓力急劇的交替升高和降低的水力沖擊現象。水錘發(fā)生時，最高壓力可達到正常壓力的 200%，對水泵和管路配件的沖擊損壞很大。為了防止水錘破壞設備，管路水流速度不能太大 [3]。根據經驗排水管路中的水流速度一般不宜超過 3m/s。在水泵站運行中，水錘現象經常發(fā)生在起泵和停泵階段，由于人員誤操作或設備故障引起。一般水錘事故會造成跑水停水;事故嚴重時，會造成泵房被淹沒，設備損壞，甚至傷及操作人員，造成人員傷亡事故。在水泵房排水系統(tǒng)設計中，要非常重視消除水錘現象。為避免出現水錘現象，一般采取以下措施:①盡可能不設止回閥，減少水錘發(fā)生的可能性。②管路設有止回閥時，應設置防止壓力升高的措施，如下開式水錘遼寧工程技術大學7消除器、自動復位式水錘消除器、空氣缸、安全閥等。③防止壓力下降和水柱分離，在容易發(fā)生斷流水錘部位的下方管道設止回閥。④用緩閉止回閥、自動緩閉水力閘閥、液控止回閥等，可以減小水錘產生的壓力增值。⑤此外，還可以考慮采用增加管道直徑和壁厚，選擇機組的飛輪力矩(GDZ)大的電機。2.1.3 引水設備水泵房排水設備一般安置在水井液面以上，所以水泵啟動前的灌水一般采用吸入式。為了減小井水吸入阻力，提高泵站運行效率，吸水管路不宜設置底閥。無底閥吸入式灌水，要采用專門的引水設備，對水泵排水腔和吸水管路進行抽真空，使水泵運行前充滿水。引水設備一般為真空泵或射流泵 [4]。真空泵運行效率高，水泵啟動快，但需要提供專門的驅動設備。射流泵結構簡單，操作方便，根據礦井的地下環(huán)境和條件，射流泵的應用更為普遍。其結構包括:噴嘴、吸入室、混合管、擴散管，如圖 2 一 2 所示。射流泵的工作原理是水射流時的“虹吸現象” 。高壓水以流量 Q.由噴嘴高速射出時，連續(xù)挾走了吸入室 2 內的空氣，在吸入室內造成不同程度的真空，被抽升的液體在大氣壓力作用下，以流量 Q:由管 5 進入吸入室內，兩股液體在混合管 3 中進行能量的傳遞的交換，使流速、壓力趨于拉平，然后，經擴散管 4 使部分動能轉化為壓力能后，以一定的流速由管道 6 輸送出去。遼寧工程技術大學8圖 2-2 射流泵結構1—噴嘴；2—吸入室；3—混合管；4—擴散管2.2 井下自動排水系統(tǒng)總體方案設計2.2.1 井下自動排水系統(tǒng)井下自動排水系統(tǒng)的目的是要實現井下水泵房的無人化操作，能夠實時監(jiān)測、自動運行，提高安全性、可靠性和運行效率，增強抗災能力。并能夠優(yōu)化調度水泵運行情況，節(jié)能降耗，降低生產成本。隨著現代科學技術的進步，尤其是微電子技術和控制理論的發(fā)展及其在各行各業(yè)中的滲透，使現有的工業(yè)設備的安全可靠性、經濟性都得到很大的提高。傳統(tǒng)的礦井排水系統(tǒng)已經不適應現代煤礦企業(yè)的管理和操作，需要一種新的排水系統(tǒng)來保障煤炭開采工作的安全高效進行。井下自動排水系統(tǒng)就是為了實現排水系統(tǒng)的安全性、可靠性及經濟性而設計開發(fā)的一種自動化系統(tǒng) [5]。井下自動排水系統(tǒng)在傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的基礎上，應用現代工業(yè)控制技術和檢測裝置，實現排水系統(tǒng)的自動化。并且延伸其功能，使井下水泵房在實現無人化運行的同時，能夠根據井下具體情況和要求，選擇最佳運行方案，為井上監(jiān)控系統(tǒng)提供有用的數據資料。(1)系統(tǒng)組成井下排水系統(tǒng)一般由水倉、吸水管路、多臺水泵、多趟管路、水泵、遼寧工程技術大學9排水管路、灌水裝置及若干控制閥門組成。(2)井下排水主要特點①水位受各種因素影響(如礦井涌水量、排水量、水倉凈容積和水倉內沉淀物)，其控制必須留有一定的裕量。②水泵電機的電壓高、功率大，起動過程比較復雜。③水泵普遍采用無底閥吸水方式，在排水系統(tǒng)中設有水泵及吸管路灌水裝置，起動前須給水泵及吸水管路充水。④礦井涌水中含有大量固體懸浮物，對水泵磨損較大，容易在排水管路上形成沉積物，致使管路有效通流面積變小，影響水泵運行效率及排水管網效率。⑤按國家電力部門實行“峰谷電價”收費制度，井下排水系統(tǒng)工作時間應盡可能實現“避峰填谷”方式運行，以減少排水電費支出。⑥排水系統(tǒng)是按礦井最大涌水量和配套水泵數量進行設計，正常工作時水泵備用能力比較大。(3)具備功能①水倉水位變化等情況自動控制排水泵的開停。②水泵輪流工作，實時監(jiān)測水泵的綜合效率和管網的效率，且據參數變化，優(yōu)化排水系統(tǒng)的運行方式，使其始終處于高效率運行。③水倉水位變化、供電峰谷時段劃分等情況，合理調度水泵運行，達到躲峰填谷目的。④能實時監(jiān)測排水系統(tǒng)的機械、電氣工作參數，如電機電壓、電流、輸入功率、溫升，水泵流量、入口真空度、出口壓力、軸溫、水倉水位等。⑤根據排水系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現各種故障報警。⑥通過網絡連接，與礦井監(jiān)控系統(tǒng)進行數據交換，達到管、控、監(jiān)一體化。2.2.2 工作方式與工作環(huán)節(jié)雙位邏輯控制是排水泵站最基本的工作方式，通過水井液面變化，遼寧工程技術大學10運用高低水位與水泵運行現狀態(tài)一定的邏輯運算關系，控制水泵下一步的運行狀態(tài)。在實際工作中，水泵房還要根據各種運行參數(如涌水量大小、水泵狀況等)、現場環(huán)境以及意外事故等，對水泵站進一步控制，或改變控制方法。在離心式水泵排水系統(tǒng)中，還要增加許多工作環(huán)節(jié)。這就使排水系統(tǒng)的工作方式更為復雜。利用現代工業(yè)控制器，如工控機、可編程控制器(PLC)、單片機等，結合各種檢測傳感器，可以構成完整的電氣控制系統(tǒng)，來控制水泵站各執(zhí)行機構按一定的規(guī)程完成水位檢測、水泵起動、停止及其過程控制等工作。并且可以進行數據傳輸、處理等工作。本論文設計的井下離心式水泵自動排水系統(tǒng)，采用 PLC 作為控制器，用超聲波液位傳感器監(jiān)測水位，結合相應的控制電路，組成排水監(jiān)控系統(tǒng);用可(電氣)控制的閥門和接觸器等作為執(zhí)行件，完成對泵站系統(tǒng)的控制。工作方式:本監(jiān)控系統(tǒng)有自動、半自動及手動三種工作方式。其中自動方式由超聲液位傳感器連續(xù)檢測水倉水位，根據水倉的水位變化，自動開、停水泵及其閥門。正常情況下，按雙位邏輯控制和“輪班工作制”各臺水泵能自動輪換工作;水位變化過大時，自動投入必要數量的水泵運行，此方式下可實現無人值守;半自動方式是操作工人根據水倉顯示水位，人工手動開、停水泵和確定開泵臺數，電機及其閥門的開、停由 PLC 自動執(zhí)行;手動方式是維修工人可操作任一水泵電機、自動閘閥、電磁閥的開關，解除相互閉鎖關系。工作環(huán)節(jié):監(jiān)控系統(tǒng)可概括為六個環(huán)節(jié):即自動注水(抽真空)環(huán)節(jié)、閘閥操縱環(huán)節(jié)、水位自動監(jiān)控環(huán)節(jié)、參數傳示環(huán)節(jié)、故障保護環(huán)節(jié)及電動機的自動控制環(huán)節(jié)。(1)自動注水(抽真空)水泵只有在其葉輪完全淹沒于水中的情況下，泵體內部才能造成必要的真空度實現正常排水。若真空度不夠，泵內有空氣存在，將會造成不上水和轉動部件“干燒”等故障。系統(tǒng)采用射流泵抽真空，由真空表監(jiān)測真空度，流量作為監(jiān)測真空度的后備。(2)自動閘閥操縱遼寧工程技術大學11為減小啟動功率，水泵操作規(guī)程規(guī)定離心式水泵一定要關閉出水閘閥啟動，而當水泵停車時，為避免水錘事故，必須先關閉閘閥，緩慢減小流速，最后停泵。泵體內充滿水后，以啟動和停止#1 泵為例，其過程為:打開 0#控制閥，進行抽真空;真空度達到要求后，啟動 1#水泵電機;1#水泵出口壓力達到設定值，打開 1#1 閘閥，進行排水;關閉 1 時閥。停止時，先關閉 1#1 閘閥，再停#l 水泵電機。(3)水位自動監(jiān)控水位自動監(jiān)控環(huán)節(jié)的任務是根據水位的高低自動準確發(fā)出開、停水泵命令。依據雙位邏輯控制原理，采集水位信號，以開關量(水位開關)和模擬量形式輸送給 PLC。水位傳感器的可靠性和準確性直接影響整個控制系統(tǒng)的工作可靠性。為此選用超聲波液位傳感器，它具有高精度、非接觸式、非機械型、維護方便、安裝容易、標定簡單等許多優(yōu)點。當水位達到水位 2 時，若處于低計費時段，可以立即啟動，若處于高計費段，則暫緩啟動;當水位繼續(xù)上升至水位 3 時，則不論電網如何，必須啟動水泵。若水位繼續(xù)上升至水位 4 時，則表明一臺水泵的排水量己不足于排除礦井涌水，必須啟動第二臺水泵，兩臺水泵一齊排水，以礦井的最大排水能力來排除礦井出水。不論投入幾臺泵，水位必須下降到水位 1 方可停泵。上述水位 1 至水位 4 均由超聲液位計將模擬信號送入 PLC，由 PLC 通過軟件標定。分時計費亦由 PLC 通過軟件標定。(4)參數傳示主控柜的模擬屏上可模擬顯示水倉水位、水泵流量、水泵壓力及電動機、電磁閥和自動閘閥的各種工作狀態(tài)。所有的檢測參數及工作狀態(tài)均可由井下 PLC 通過傳輸網絡傳送給地面計算機，由計算機分析處理，在顯示器上模擬顯示，并做出曲線、報表，以利于地面管理人員做出正確判斷，向井下可編程控制器發(fā)出控制命令。(5)故障保護①流量保護:當水泵啟動后或正常運行中，如流量達不到正常值，通過流量保護裝置使本臺水泵停車，轉為啟動另一臺水泵;②電動機故障:PLC 監(jiān)視水泵電機欠壓、過流、短路等故障，由高壓開關柜的綜合保護器提供，并參與控制;遼寧工程技術大學12③閘閥故障:通過對閘閥工作中壓力、流量及管路等參數的測定來判斷閘閥是否正常工作;通過信號反饋回 PLC，進行故障保護與控制。(6)電動機的自動控制該環(huán)節(jié)是排水設備綜合自動化控制系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)。它由 PLC、中間繼電器及接觸器等組成，前 5 個環(huán)節(jié)最終都要與該環(huán)節(jié)配合，根據水位情況自動開、停水泵，及所開水泵臺數。為防止因備用泵長期不用而使電機受潮或有其它故障而未被發(fā)現，當緊急情況需要投入而不能投入以至影響礦井安全，該環(huán)節(jié)按“輪班工作制”來控制，以達到有故障早發(fā)現、早處理，以免影響礦井安全的目的。系統(tǒng)根據水泵的開啟次數自動按一定順序輪換開啟水泵;當某臺或其所屬閥門故障或檢修時，該泵退出輪換，其余各泵仍按輪換工作制運行 [6]。監(jiān)控系統(tǒng)特點:①實行在線監(jiān)控監(jiān)控系統(tǒng)對水泵房設備運行實行在線監(jiān)控，并具有自診斷功能，可實現水泵房的無人值守;并通過網絡與礦井監(jiān)控系統(tǒng)進行數據交換，接受管理人員指令。②控制靈活可實現多種控制方式之間的切換，應用于不同的工作環(huán)境下。一般情況下，根據水位情況自動運行;故障檢修或系統(tǒng)維修時，可使用半自動或手動方式運行，即可以對運行環(huán)節(jié)“截斷”操作。③延長水泵壽命據水位控制原則，自動實現水泵的輪換工作，避免同一水泵長期使用，而其他水泵閑置;還可以根據水井涌水情況，選擇不同的排水方案，避免涌水小量時水泵頻繁啟動，涌水大量時不能及時排除積水。從而使水泵的合理運行，大大延長了使用壽命。④提高礦井電網質量監(jiān)控系統(tǒng)可根據電網負荷信息“移峰填谷” ，來確定開、停水泵時間，以提高礦井的電網質量。遼寧工程技術大學132.3 檢測與控制2.3.1 信號檢測信號檢測與電氣控制構成整個排水系統(tǒng)的控制核心。 [7]系統(tǒng)運行過程中不僅要對水井水位進行檢測，還要對諸如真空度、壓力等啟動用參數和管路流量、系統(tǒng)壓力、電機溫度等系統(tǒng)安全保障參數進行檢測，才能使系統(tǒng)在自動運行過程中選擇正確的控制策略，并在元件發(fā)生故障時，發(fā)出報警信號。2.3.2 控制器與控制過程控制器是中心控制單元，要對輸入信號進行處理運算，根據控制要求輸出控制量至執(zhí)行機構或報警裝置?？删幊炭刂破?PLC)是近代發(fā)展起來的通用工業(yè)控制器，是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機，可以替代復雜的繼電器控制系統(tǒng)，并且具有很強的數學運算、字符轉換、模擬量控制、網絡通訊等功能。綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術，用面向過程、面向用戶的簡單編程語言。PLC 適用于工業(yè)環(huán)境的惡劣環(huán)境下的應用，可靠性高、抗干擾能力強。煤礦井下環(huán)境用電量大，電磁干擾很大。在排水系統(tǒng)中，用 PLC 作為控制器對各種干擾和可以起到很好的屏蔽作用。綜合利用 PLC 的各種功能模塊，結合外圍電路，構成自動排水系統(tǒng)的控制部分自動排水系統(tǒng)通過信號檢測、PLC 控制、執(zhí)行機構動作完成水泵站啟動、停止以及水泵房的在線監(jiān)測。啟泵過程:(1)液位傳感器測得相對高水位(水位 2、水位 3、水位 4)，傳給控制器印(PLC);(2)控制器輸出信號啟動抽真空設備，對水泵抽真空;(3)水泵真空度達到要求，真空表返回信號給控制器;(4)控制器輸出控制信號到水泵電機接觸器，起動電機;(5)電機起動，返回信號;遼寧工程技術大學14(6)水泵出口壓力值達到要求，返回信號;(7)啟動閘閥，進行排水，并返回信號；(8)關閉抽真空設備。停泵過程：(1)液位傳感器返回低水位；(2)控制器輸出信號，驅動閘閥關閉；(3)關閉水泵機組。水泵房排水系統(tǒng)是構成礦井安全生產的重要環(huán)節(jié)，不僅要求自身安全可靠運行，還要配合整個礦井生產管理的調度。所以，自動排水系統(tǒng)要與地面堅控系統(tǒng)進行聯網，管理人員可在地面及時掌握井下水泵房監(jiān)控設備的所有檢測數據及工作狀態(tài)，適時發(fā)出控制指令。2.4 可控閘閥閘閥在排水系統(tǒng)中起著至關重要的作用。不僅在排水過程中控制管路流量，在泵站起停過程中，閘閥本身性能的好壞和運行特性也直接影響整個系統(tǒng)的性能。如果操作不當，可能造成系統(tǒng)無法啟動、停泵水錘等嚴重后果。傳統(tǒng)的手動閘板閥門沒有自動驅動機構，完全靠手輪轉動操作。在大型排水系統(tǒng)中，由于水泵的流量大、揚程高，管路通徑大，所需的閘閥體積也相應的增加，而操作難度則成倍增加。通徑為 DN200以上的閘閥在操作時，往往需要兩個工人同時轉動手輪才‘能啟動。在自動排水系統(tǒng)中，這種閘閥不能應用，而要用一種能夠自動運行通斷控制閥門來代替。目前，可控閘閥的設計以電動控制為主，將手動操作的手輪改為電機加減速裝置驅動。這樣的設計方法雖然能夠實現自動控制，但是卻增加了閘閥的體積和重量，安裝維修都很不方便。機構的增加，尤其是復雜的電氣驅動裝置，使閘閥的成本費用大大提高，比手動閘閥費用增加幾倍，甚至十幾倍。而且，由于閘閥運行時阻力大且不穩(wěn)定，用電動控制在發(fā)生堵轉時易引起電機過載，自保能力差，須增加附加的過載保護環(huán)節(jié)。在井下排水系統(tǒng)中，對可控閘閥安全可靠性有著更高的要求。遼寧工程技術大學152.5 小結本章提出了井下自動排水系統(tǒng)設計的總體方案。從井下排水系統(tǒng)的要求和水泵運行特性出發(fā)，利用雙位邏輯控制的方法，結合 PLC 和超聲波液位檢測，實現水泵的自動啟動和停止。并根據用電“避峰就谷”的原則和水泵運行“輪班工作制” ，控制系統(tǒng)自動合理調度水泵的運行。此外，為使系統(tǒng)可靠、高效運行，本論文還將對可控閘閥進行設計，并提出可行的方案。遼寧工程技術大學16第三章 可控閘閥選擇閘閥是離心式水泵排水系統(tǒng)中必不可少的元件，井下自動排水系統(tǒng)用可控閘閥要適應井下環(huán)境，具有安全防爆、運行可靠的能力。在大型排水泵站中，由于水泵功率大，揚程高，流量大，所要求的閘閥通徑也大，閘閥體積和重量也相應的增加，通徑 DN2OO 的閘閥重量在 200Kg 左右。 [8]因此，可控閘閥設計成為自動化排水系統(tǒng)的關鍵問題。設計一種輕便、靈活，控制方便，工作可靠，又適應井下特殊的工作環(huán)境的可控閘閥也是本論文一項重要任務。在對閘閥功能要求分析設計的基礎上，本論文提出兩種選擇方案，滿足不同環(huán)境下排水系統(tǒng)的需要。3.1 閘閥工作方式閘閥在排水系統(tǒng)工作過程中的作用是配合水泵使系統(tǒng)正常啟動運行，安全平穩(wěn)停止，并在排水過程中控制管路流量和壓力。根據水泵的性能特點和流體力學的原理，離心式水泵的啟動、運行、停止都有特殊的要求。從圖 2 一 l 的特性曲線中可以看出，功率曲線(Q 一 N)在 Q=O 時處于最低點，即水泵在零流量時，功率最低。所以，為了使水泵低功率啟動，要在啟動前使閘閥關閉。另外，在無底閥的排水系統(tǒng)中，為水泵灌水(抽真空)也要求閘閥關閉。因此，閘閥密封性能的好壞直接影響水泵的啟動性能。水泵啟動后，工作點要平穩(wěn)地從起始點 O 過渡到額定工作點 A，即效率曲線(Q 一 )的最大值對應的工作點。所以，閘閥開啟時，要緩慢?開，避免管路中流速、壓力變化劇烈。水泵在停轉時，管路壓力、流量同樣不能變化過于劇烈，以避免引起停泵水錘。所以，閘閥要在水泵停前緩慢關閉。另外，為了下次正常啟動，閘閥要關緊。在人工操作排水系統(tǒng)中，以上要求都是工人按操作規(guī)程完成。在自動排水系統(tǒng)中，閘閥要按以上工作方式操作，就要有良好的驅動機構和控制方式。遼寧工程技術大學173.2 可控閘閥性能要求井下自動排水對可控閘閥有著更高的要求，為適應井下環(huán)境，提高安全可靠性，要具備以下功能:(1)符合煤礦安全標準，具有防爆功能;(2)可電氣控制，能夠與自動控制系統(tǒng)聯結，便于集中控制;(3)體積小、重量輕，便于運輸、安裝、維修;(4)符合水泵緩開緩閉的要求，關閉狀態(tài)密封性能良好，不能出現“跑水” 、 “漏水”現象。(5)承壓能力強，能夠滿足高揚程的排水系統(tǒng)應用。3.3 液控閘閥設計液控閘閥采用手動閘閥的傳動機構來實現動力和運動傳遞。但還必須選擇合適的動力源來對閘閥進行驅動和控制，且能夠電控。從礦井具體情況出發(fā)，使自動閘閥控制靈活方便，符合井下防爆標準，選擇液壓系統(tǒng)控制是比較可行的方法。3.3.1 設計思路通過液壓系統(tǒng)控制閘閥動作，用液壓馬達代替原有手輪轉動，提供足夠大的轉矩，使絲杠螺母副運動，達到傳動的目的。 [9]馬達正反轉可以通過電磁換向閥實現。選擇低速大扭矩液壓馬達，使閘閥的開閉過程不至于太快，達到緩開緩閉的要求，而不需要增加減速裝置。而且，可以通過調節(jié)液壓系統(tǒng)的輸出壓力(節(jié)流閥開口度)改變馬達轉速，從而實現閘閥運動速度可控。從圖中可以看出，閘閥的液壓控制系統(tǒng)是典型的泵一閥一馬達開式系統(tǒng)，包括電動機(防爆)、液壓泵、溢流閥、三位四通電磁換向閥、節(jié)流閥、液壓馬達、連接管路及閘閥機械傳動機構(絲杠、螺母)。傳動機構包括液壓馬達的輸出軸與傳動螺母，從實際情況出發(fā)，井下水泵房一般由多臺水泵并聯組成，每臺水泵都要連接一個閘閥(主體)。所以可由遼寧工程技術大學18一臺液壓泵站集中控制多個閘閥。為能夠使某一個閘閥單獨運動或向不同的方向運動，每一個閘閥都要再通過一個電磁換向閥控制。液壓泵站、電磁換向閥是該系統(tǒng)的主要控制執(zhí)行件，它們要接受主控制系統(tǒng)的指令，按主程序要求動作。圖 3-1 液控閘閥傳動系統(tǒng)圖3.3.2 機械機構自動閘閥最終要實現最基本的通斷功能，對閘板閥來說，要有機械傳動結構將液壓馬達的旋轉運動轉變?yōu)殚l板的直線運動。這一轉動鏈包括液壓馬達、螺母、絲杠、閘板，其中，絲杠與閘板的運動相同。除傳動機構外，為了使閘閥正常工作，還要有必要的連接、定位等輔助結構。閘閥的機械安裝結構如圖 3 一 2 所示。遼寧工程技術大學19圖 3-2 液控閘閥傳動部分安裝圖為了使結構更簡單，機械傳動機構省去了減速裝置。這樣簡化了傳動，不僅使閘閥體積和重量減小，便于運輸、安裝及拆裝維修，而且使整個結構轉動慣量減小，運行更靈活，增加響應速度。液壓馬達選擇帶有中心通孔軸的的 QJMT40 型鋼球式馬達。液壓馬達、傳動螺母、絲杠同軸安裝，如圖 3 一 2 所示。3.3.3 機械特性分析閘閥的運行過程是變負載的過程，根據離心式水泵的管路特性 [10]，水泵啟動時，管路內的流量從 0 逐漸上升至額定流量，壓力(揚程)從最大 下降至 ，變化量 H 反映到閘閥上轉化為負載力矩的變化OHA? ?，使閘閥運行時，壓力和轉速產生波動。所以，閘閥要有足夠良好LM的機械特性以適應運行過程中負載的變化。遼寧工程技術大學20圖 3-3 節(jié)流液壓調速回路模型閘閥的液壓驅動系統(tǒng)可以看作是節(jié)流調速液壓調速回路，如圖 3 一3 所示。液壓泵站提供恒壓源 Pp，經節(jié)流閥后輸出馬達的控制壓力 Pm和流量 Qm。若不考慮管路的壓力損失，則通過節(jié)流閥的流量為Qm=Ka(Pp 一 Pm)式中 K 一與節(jié)流閥節(jié)流口形狀和液體粘性等有關的系數;a 一節(jié)流閥節(jié)流口的過流面積;m 一由節(jié)流口形狀決定的指數，取 m=0.5(近似薄壁孔)轉速 n 與負載 ML、節(jié)流閥通流面積 a 之間的關系。取 ,0.9??Pp=16Mpa，Qm 產 0.11m/min，a=0.15 ， 。以負載 ML 橫坐標，轉速 n2m為=O.11/min, a=0.15 .以負載 ML 橫坐標，轉速 n 為縱坐標，可以2得出液壓馬達節(jié)流調速的機械特性曲線，如圖 3 一 4 所示。另外，從圖中可以看出如果調節(jié)節(jié)流閥的通流面積 a 可以得到另外一條曲線，圖中ala2。同一曲線上(a 確定)，負載變化時，液壓馬達轉速沿曲線變化。負載恒定時，調節(jié) a 則能改變液壓馬達轉速?？梢钥闯銮€越平緩，液壓馬達轉速隨負載變化越小。遼寧工程技術大學21圖 3-4 液壓馬達節(jié)流調速機械特性3.4 電磁先導式通斷閥設計電磁先導式通斷閥用一種新的設計思路，從流體力學原理出發(fā)設計的一種具有同樣功能的通斷閥門。它的主要特點是沒有機械傳動機構，體積小、重量輕，相應快速，通斷性能好。3.4.1 功能原理及設計思路因傳統(tǒng)閘閥使用剛性閘板，所以一般要有機械傳動機構，但由于閘板與閥體是鋼鐵材料硬接觸，所以其密封性能受到限制。用橡膠材料的柔性閘板代替剛性閘板可以提高密封性。而且，柔性閘板在受力不平衡時產生彎曲變形?？梢岳眠@一現象，通過排水系統(tǒng)工作過程中的流體壓力作用于柔性閘板，實現閥門的通斷控制。柔性閘板比剛性閘板更靈活，占用空間小，能夠減小閥門體積與重量。用柔性閘板控制進出口通斷，閥板在介質壓力下的柔性變形即可起密封作用，無需機械傳動。為了能夠實現電控，選用電磁換向閥導通系統(tǒng)管路與控制管路。電磁先導式通斷閥通過系統(tǒng)工作過程中建立起來的介質壓力，控制柔性閘板的動作，實現閥門的通斷。遼寧工程技術大學223.4.2 結構設計電磁先導式通斷閥替代傳統(tǒng)閘板閥門，作為排水系統(tǒng)的管路控制元件，仍然屬于輔助元件，不僅要在功能上配合水泵站的工作，體積結構上也應該盡量簡單。所以，閥門的結構設計在實現前述各功能的基礎上，盡量采取簡化措施，使結構緊湊，使用安裝方便。根據閥門的功能原理，控制部分通過管路和其他元件控制柔性閘板的運動，主通路通過柔性閘板連通進出口:控制信號取自主通路進口(通過電磁換向閥選擇)，主通路中介質(少量進入控制部分傳遞壓力信號)在柔性閘板控制下流入出口，所以，柔性閘板在控制部分和主通路之間在功能上起聯接作用，而在結構上起隔離作用。柔性閘板的運動是在控制部分的操縱下完成的，同時又作用于主通路，起開關作用。柔性閘板截斷主通路進出口，要受進口處介質壓力作用;控制部分取進口處壓力，在電磁閥選通的情況下，也作用于柔性閘板。在壓力大小相同的情況下，只有作用面積不同才產生壓力差，使柔性閘板運動截斷進出口。所以，控制部分的引出壓力作用于柔性閘板，要有足夠的作用面積。另外，還要使柔性閘板有足夠的運動空間，使進出口接通時，介質能夠以足夠的流量進入出口。根據以上分析，可以確定閥門接入系統(tǒng)后介質流動的路線:大部分經由主通路進入閥體內，柔性閘板打開后流入出口;少量進入控制回路，傳輸壓力信號?？刂撇糠忠凶銐虻目臻g來儲存帶有壓力信號的介質，即要有壓力腔。壓力腔根據電磁換向閥的得電情況有兩種狀態(tài):一種與閥門進口接通，引入高壓介質，將閥門阻斷;一種與閥門出口接通，放出高壓介質，連通進出口。所以，主通路由進口管路和出口管路組成，進出口連接處覆蓋柔性閘板。進口處引出一枝管路進入控制部分?？刂撇糠职姶艙Q向閥、壓力腔及各處連接管路。電磁換向閥 P 口接進口引入管，八口接入壓力腔，O 口通過管路接入閥門出口。柔性閘板與上蓋板之間形成壓力腔。壓力腔內為從進口出引入的壓力介質，通過電磁閥的選向控制介質的進或出，來決定作用在柔性閘板上壓力的變化?？刂乒苈酚袃蓷l:一條連接閥門進口與電磁換向閥 P 口，電磁閥失電時，遼寧工程技術大學23引入壓力介質到壓力腔;另一條連接閥門出口與電磁換向閥 O 口，電磁閥得電時，排出壓力腔中介質。為保證進入電磁換向閥和壓力腔中介質的清潔度，在進口壓力引入的管路中串入過濾器。3.4.3 工作原理電磁先導式通斷閥要實現的最終目的是:接入排水系統(tǒng)中，按規(guī)定的要求控制管路的通斷。根據前述的分析及結構設計，電磁先導式通斷閥是應用流體壓力控制原理實現起功能要求。用系統(tǒng)工作過程中建立起來的介質壓力來控制閥門動作。接入系統(tǒng)以后，電磁換向閥處于失電狀態(tài)，P 口與 A 口接通，來自閥門進口處的高壓介質進入壓力腔，作用于柔性閘板上側;同時，主通路中介質進入閥體，作用于柔性閘板下側。柔性閘板上側受壓面積大于下側，覆蓋在閥體出口上，將進出口截斷。當電磁換向閥得電換向，A 口截止，p 口與 0 口接通，壓力腔中介質通過出口導壓管排出，失去壓力;柔性閘板下側壓力大于上側，產生向上的彎曲變形，將進出口導通，介質能夠通過閥門流動。3.4.4 性能特點電磁先導式通斷閥使用于排水系統(tǒng)中，作為管路控制元件，替代傳統(tǒng)閘板閥門。它沒有機械傳動，磨損小，使用壽命長。采用介質壓力控制，密封性能良好，提高了工作壓力等級，可用于高揚程的排水系統(tǒng)中。閥門自帶精密過濾器，可以在一定程度上用在污水處理系統(tǒng)中。閥門操作完全使用電控，易于同自動系統(tǒng)聯接，實現集中控制。閥門結構設計緊湊，體積小，重量輕，安裝維修方便。3.5 小結考慮到井下排水的不同情況，本論文選擇了可控閘閥:液控閘閥和電磁先導式通斷閥，它們有不同的應用特點。液控閘閥性能穩(wěn)定，可控性強，通流量大，適用于大流量排水系統(tǒng)中。而且，由于通流面積大，遼寧工程技術大學24閥門的使用幾乎不受礦井清潔程度的限制。所以，在井水懸浮顆粒多，污染程度大的排水系統(tǒng)中可以得到很好的應用。電磁先導是通斷閥結構簡單，體積小，便于安裝維修，控制方便，在小流量，清潔度較高的堿性礦井水排水系統(tǒng)中，比液控閘閥更為適用。遼寧工程技術大學25第四章 基于 PLC 的泵房自動控制排水系統(tǒng)4.1 系統(tǒng)情況概述本系統(tǒng)的數據采集基于PLC 來實現，以操作臺來實現對水泵的自動控制，除每套水泵及相關設備外，還進行就地/集控的轉換。各臺水泵以位置為單位相互連接、數據共享，地面統(tǒng)一調度、統(tǒng)一控制，數據傳輸使用串聯方式，多臺水泵相互連接。電動機的電磁啟動器 [11]控制由本系統(tǒng)控制現有設備的啟動、停止;通過電流、電壓變送器采集工作電流、電壓，且預留故障反饋輸入點。電動閘閥對改造實行高集成度的方案，將閘閥配電部分集成到PLC 隔爆控制箱內，以減少布線、減少設備、提高集成度。根據工況設定，以及時間、水位、煤礦用電負荷等參數自動開啟、停止水泵的運轉，并能實現泵閥的聯鎖啟動，對運行中的各種參數進行實時監(jiān)控，通過接口向上傳送數據。水泵運行計量/時間/運行統(tǒng)計:在地面控制站上應可分別對每臺水泵的運行電耗、工作時間等進行統(tǒng)計，便于管理人員及時掌握每臺水泵的工況?？刂葡到y(tǒng)具有較強的抗干擾能力，并具有漢字顯示功能，可自動漢字提示故障信號和系統(tǒng)有關信息。井下中央泵房現有4 臺大型水泵，以及QBRG-400 /6 K 礦用隔爆型交流高壓軟啟動器2臺，按控制器一拖二的智能轉換原則，設計了基于PLC 的井下中央泵房自動控制排水系統(tǒng)。自動控制排水系統(tǒng)的原理圖見圖4-1