矿井排水系统自动控制总体设计方案

矿井排水系统自动控制总体设计

4.1煤矿的已知条件

设计原材料：

开拓方式为斜井，坡度为29.3，泵房标高315.61m，出水口标高25.17m，正常涌水量为300m3/h，最大涌水量为620m3/h，矿井属于低沼气矿井，年产量为120万吨。

4.2排水方案的确定

在我国煤矿中，目前通常采用集中排水法。集中排水开拓量小，管路敷设简单，管理费用低，但由于上水平需要流到下水平后再排出，则增加了电耗。当矿井较深时可采用分段排水。

涌水量大和水文地质条件复杂的矿井，若发生突然涌水有可能淹没矿井。因此，当主水泵房设在最终水平时，应设防水门。

在煤矿生产中，单水平开采通常采用集中排水；两个水平同时开采时，应根据矿井的具体情况进行具体分析，综合基建投资、施工、操作和维护管理等因素，经过技术和经济比较后。确定最合理的排水系统。

从给定的条件可知，该矿井只有一个开采水平，故可选用单水平开采方案的直接排水系统，只需要在井底车场副井附近设立中央泵房，

就可将井底所有矿水集中排至地面。

一、水泵的选型计算

根据《煤矿安全规程》的要求，主要排水设备必须有工作水泵、备用水泵和检修水泵。工作水泵的能力应能在20h内排除矿井24h的正常涌水量（包括充填水和其他用水）。备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%，并且工作水泵和备用水泵的总能力，应能在20h内排出矿井24h的最大涌水量。检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%。水文地质条件复杂的矿井，可根据具体情况在主水泵房内预留安装一定数量水泵的位置，或另增设水泵。

排水管路必须有工作和备用水管。工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排完24h的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。

二、正常涌水量时水泵的排水能力

正常涌水期：

==1.2=1.2×300=360m3/h

三、最大涌水量时水泵的排水能力

最大涌水期：

==1.2=1.2×620=784m3/h 式中：

——工作水泵具备的总排水能力，m3/h

——工作和备用水泵具备的总排水能力，m3/h

——矿井正常涌水量，m3/h

——矿井最大涌水量，m3/h

四、水泵级数的确定

i＝HB/Hi＝296.69/60=4.94 取i=5

其中:i——水泵级数

Hi——单级水泵的额定扬程

五、水泵型号的选择

根据计算的工作水泵排水能力，初选水泵。从水泵产品目录中选取D450-60×5型号泵，流量400～500m3/h额定扬程285～307m。配用电机型号：Y4501-4，其额定功率630kw，额定电流71A。

六、水泵台数的确定

工作泵台数：=≥=0.8取=1

备用水泵台数：≥0.7=0.7×1=0.7和≥-=784/450-1=0.74

取=1

检修泵数：≥0.25=0.25×1=0.25，取=1

因此共选三台泵，如图4.1:

图4.1三泵两趟管路工作图

七、管路趟数及泵房内管路布置形式

根据泵的总台数，选用典型三泵两趟管路系统，一条管路工作一条管路备用。正常涌水时，一台泵向一趟管路供水；最大涌水时，两台泵同时工作就能达到20h内排出24h的最大涌水量，故从减少能耗的角度可采用两台泵向两趟管路供水，从而可知每趟管路内流量Qe等于泵的流量。

八、排水管流速计算

Vp===1.769m/s

式中：Qe---所选水泵的额定流量或通过管子的最大流量；m3/h

dp---所选排水管内径；米

通过计算：该流速符合Vp=1.5～2.2米/秒的要求。

九、吸水管流速计算

Vx===1.163m/s

式中：Qe---所选水泵的额定流量或通过管子的最大流量；m3/h

dp---所选吸水管外径；米

通过计算：该流速符合Vx=0.8～1.5米/秒的要求。

十、管径的计算

排水管和吸水管的理论管径由下式确定：

dp′=（1）

dx′=（2）

或dx′=dp′+0.025（米）式中：

Qe-----所选水泵的额定流量；m3/h；

Vp′--排水管经济流速；Vp′=1.5～2.2米/秒；通常取1.8米/秒.

Vx′---吸水管经济流速；Vx′=0.8～1.5米/秒；通常取1.2米/秒.

dp′---排水管理论管径；米。

dx′---吸水管理论管径；米。

由式（1）得：

dp′==0.297m

由式（2）得：

dx′==0.364m

因此，可选用内径dp=300mm的无缝钢管作排水管；选用dx=370mm的无缝钢管作吸水管。

4.3系统检测装置选择

4.3.1液位检测

一、超声波液位传感器

超声波液位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声波脉冲开始，到接受到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对液位进行测量。根据发射和接受换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接受各使用一个换能器。

下面就单换能器的超声波传感器加以介绍。

超声波发射和接收换能器可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图4.2所示。

图4.2超声波液位计安装示意图

对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为：

（式-1）

则h—换能器距液面的距离；

，检测液位的范围为～m。

本设计中采用的是Yjsonic系列的超声波液位计，在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器

接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。工作特点：采用SMD技术，提高仪器的可靠性，自动功率调整，增益控制、温度补偿。先进的检测技术，丰富的软件功能适应各种复杂环境。采用新型的波形计算技术，提高仪表的测量精度。具有干扰回波的抑制功能保证测量数据的真实。16位D/A转换，提高电流输出的精度和分辨率。传感器采用四氟乙烯材料，可用于各种腐蚀性场合，多种输出方式：可编程继电器输出、高精度420mA电流输出、RS-485数字通信输出等方式可供选择。选用二线制输出型，其参数如下：

量程：03、5、8、10、15、20m精度：0.25%

盲区：0.30.5m

温度：-20℃+55℃

电源：24VDC控制：无输出：420mA二线制防护等级：?IP65显示方式：4位LCD??由于煤矿井下的排水系统重要的安全地位，而水位传感器是整个排水系统的嗅觉流量检测电磁流计工作原理

在工业中经常使用的大口径流量计是电磁流量计。自20世纪50年代末国内首次4-20mA电流等其他形所示，它是由产生均匀磁场的系统、不导磁材料的管道以

当被测导电液体流过管道时，切割磁力线，于是在和磁场及流动方向垂直的方向

式中:B—磁感应强度(T)

D—切割磁力线的导体液体的长度(为管道内径)(m)—导电液体在管道内的平均流速(m/s)得被测导电液体体积流量为

因此，知道感应电动势就可以测出导电液体的流量。

图4.3电磁流量传感器原理图

二、电磁流量传感器的结构特点

理论上认为磁感应强度B是常量，即直流磁场。但直流电势将使被测液体电解，

而对被测量介质的流量测量采用交流电(频率为Hz)励磁的交流磁场，即

感应电动势为

所以体积流量为

为了避免测量管路引起磁分流，故需要用非导磁材料做成。另外，由于测量管路处于较强的交流磁场中，管壁产生涡流，因而产生二次磁通。为了减少涡流，要求测量管路的材料具有高电阻率。且对于不同直径的电磁流量计，其电极、测量管路都采用不同的材料做成。

三、电磁流计的特点 ;

③测量范围宽，；

④可以测量各种腐蚀性液体的流量；

⑤电磁流量计的惯性小，可以用来测量脉动流量；

⑥对测量介质，要求导电率大于0.002-0.005Ω/m。

随着工业生产技术的加强和进步，各种智能型电磁流量计已经很容易的制造出①4--20mA信号输出型②抗干扰性强、精度高、稳定性可靠、整体防爆③测量范围宽，流速0.315m/s；

随着工业生产技术的加强和进步，电磁流量计达到抗干扰性强、精度高、稳定性功率、流量效率等曲线流量检测仪器的安装位水泵的流量与水泵出口的闸阀开度和出口压力、电动机电流有直接的关系。这些:

（1）流量检测器分别安装在水泵出口的分支管路上流量检测器在水泵出口的总管路上流量检测器分别安装在水泵出口的分支管路上采用安装方式可以保证准确测量每一个水泵在工作过程中的流量。如果采用安装方式，:水泵的工作方式(轮番启动)，可以判输入 0-0.5kPa…-1kPa…-10kPa…-30kPa…-50kPa…-100kPa 过载能力 2倍 测量介质 对不锈钢不腐蚀的气、液体 工作方式 负压、真空度 工作电压 5VDC或10VDC(24V) 输出 100mV或0～5V、4～20mA 零位输出 ≤2mV 综合精度 0.05%、0.1%、0.3%F.S 非线性 ±0.1%F.S（典型值） 重复性 ±0.1%F.S（典型值） 工作温度范围 -40~120℃ 温度补偿范围 25~80℃ 温度漂移 0.025%F.S/℃

4.3.4压力检测

一、应变式压力传感器原理介绍

应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力，如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。

应变式压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。图为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力作用下，膜片产生径向应变和切向应变，表达式分别为：

式中：—膜片上均匀分布的压力；

R、—膜片的半径和厚度；

X—离圆心的径向距离。

（a）应变变化图(b)应变片粘贴

图4.3为膜片式压力传感器

由应力分布图可知，膜片弹性元件承受压力时，其应变变化曲线的特点当x=0时，当x=R时，=0，= 根据以上特点，一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片，在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成如图的全桥电路。其中，，且R1=R2=R3=R4，则：

此时全桥差动电路不仅没有非线形误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。

图4.4全桥差动电路

二、HS-956系列薄膜压力变送器

在本系统中使用了HS-956系列薄膜压力变送器。HS-956系列薄膜压力变送器由高性能的薄膜压力传感器与信号调理电路组成。该系列产品技术独特、性能优越,具有体积小、重量轻、安装简便、能在恶劣环境长期稳定工作的特点，特别适合频繁冲击压力的测量。是目前

理想的流体压力测量仪表。

HS-956系列薄膜压力变送器的特点：

1、稳定性高每年优于±0.1%2、测量误差小综合误差可小于±0.1%3、温度范围宽允许介质温度-40～125℃4、温度漂移小典型温漂±0.02%/℃5、适应恶劣环境耐温、耐腐、抗振动6、适应性广产品体积小、重量轻、无隔离膜片和中介液体全不锈钢密封结构，无可动部件；可直接、任意安装。因此适应各种工业测量场合及介质。

主要技术指标：介质液体、气体或蒸汽输出两线制420mA.DC； 3

、

量

程

0.1,0.16,0.2,0.25,0.3,0.4,0.5,0.6,0.8,1,1.6,2,2.5,3,4,5,6,8,10,16,20,25,30,40,50,60Mpa电源24V.DC,无负载时可工作在12V.DC，最大电源电压36V.DC负载范围允许最小负载为零，最大负载RL=50（US-12）Ω。其中US为电源电压过压量程的120%输出限制变送器过压时，内部限流器输出电流限制在25mA以下温度范围敏感元件工作温度：-50125℃；电子部件工作温度：-4085℃；

9、湿度范围099%相对湿度

4.3.6温度检测

温传感器一般分为接触式与非接触式两大类。所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触，这是测温的基本形式。PT100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值对应关系为：（1）-℃

式中，A=3.90802×；B=-5.80×；C=4.2735×。PT100温度传感器是一个模拟信号，它在实际应用中有二种形式一种是不需要显示

的主要采集到，这样在使用的时候只需要一块100的集成电路，要注意的是这个集成电路采集的不是电流信号是电阻值，100的集成电路（需要一个12VDC电源提供工作电压）直接把采集到的电阻变为1-5VDC输入到，经过简单的计算就可以得到相应的温度值（这样的形式可以同时采集多路），还有一种就是单独的一个100温度传感器（工作电源是24VDC），产生一个420mA的电流，然后再通过一个420mA电流电路板把420mA的电流变为15V电压可以连一个电磁指示仪表

PT100温度传感器的主要技术参数如下：测量范围：-200℃～+850℃；允许偏差值△℃：A级±（0.15＋0.002│t│），B级±（0.30＋0.005│t│）；热响应时间<30s；最小置入深度：热电阻的最小置入深度≥200mm；允通电流≤5mA。另外，P100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。应用范围 1 1#泵电机启动 I0.0 数字量输入 2 1#泵电机停止 I0.1 数字量输入 3 2#泵电机启动 I0.2 数字量输入 4 2#泵电机停止 I0.3 数字量输入 5 3#泵电机启动 I0.4 数字量输入 6 3#泵电机停止 I0.5 数字量输入 7 故障诊断 I0.6 数字量输入 8 急停 I0.7 数字量输入 9 1#射流泵电磁阀开 I1.0 数字量输入 10 1#射流泵电磁阀关 I1.1 数字量输入 11 2#射流泵电磁阀开 I1.2 数字量输入 12 2#射流泵电磁阀关 I1.3 数字量输入 13 3#射流泵电磁阀开 I1.4 数字量输入 14 3#射流泵电磁阀关 I1.5 数字量输入 15 11#电动阀开到位 I2.0 数字量输入 16 11#电动阀关到位 I2.1 数字量输入 17 12#电动阀开到位 I2.2 数字量输入 18 12#电动阀关到位 I2.3 数字量输入 19 21#电动阀开到位 I2.4 数字量输入 20 21#电动阀关到位 I2.5 数字量输入 21 22#电动阀开到位 I2.6 数字量输入 22 22#电动阀关到位 I2.7 数字量输入 23 31#电动阀开到位 I3.0 数字量输入 24 31#电动阀关到位 I3.1 数字量输入 25 32#电动阀开到位 I3.2 数字量输入 26 32#电动阀关到位 I3.3 数字量输入 27 水位信号 AIW0 模拟量输入 28 1#泵真空度 AIW2 模拟量输入 29 2#泵真空度 AIW4 模拟量输入 30 3#泵真空度 AIW6 模拟量输入

31 1#泵压力值 AIW8 模拟量输入 32 2#泵压力值 AIW10 模拟量输入 33 3#泵压力值 AIW12 模拟量输入 34 1#泵流量值 AIW14 模拟量输入 35 2#泵流量值 AIW16 模拟量输入 36 3#泵流量值 AIW18 模拟量输入 37 1#泵温度 AIW20 模拟量输入 38 2#泵温度 AIW22 模拟量输入 39 3#泵温度 AIW24 模拟量输入 40 1#泵电机轴温 AIW26 模拟量输入 41 2#泵电机轴温 AIW28 模拟量输入 42 3#泵电机轴温 AIW32 模拟量输入 43 1#泵电机电流信号 AIW30 模拟量输入 44 2#泵电机电流信号 AIW34 模拟量输入 45 3#泵电机电流信号 AIW36 模拟量输入 46 驱动1#泵 Q0.0 继电器输出 47 切断1#泵 Q0.1 继电器输出 48 驱动2#泵 Q0.2 继电器输出 49 切断2#泵 Q0.3 继电器输出 50 驱动3#泵 Q0.4 继电器输出 51 切断3#泵 Q0.5 继电器输出 52 驱动1#泵电磁阀开 Q0.6 继电器输出 53 驱动1#泵电磁阀关 Q0.7 继电器输出 54 驱动2#泵电磁阀开 Q1.0 继电器输出 55 驱动2#泵电磁阀关 Q1.1 继电器输出 56 驱动3#泵电磁阀开 Q1.2 继电器输出 57 驱动3#泵电磁阀关 Q1.3 继电器输出 58 1#泵故障显示 Q1.4 开关量输出 59 2#泵故障显示 Q1.5 开关量输出 60 3#泵故障显示 Q1.6 开关量输出 61 警铃 Q1.7 开关量输出

62 驱动11#泵电动阀开 Q2.0 继电器输出 63 驱动11#泵电动阀关 Q2.1 继电器输出 64 驱动12#泵电动阀开 Q2.2 继电器输出 65 驱动12#泵电动阀关 Q2.3 继电器输出 66 驱动21#泵电动阀开 Q2.4 继电器输出 67 驱动21#泵电动阀关 Q2.5 继电器输出 68 驱动22#泵电动阀开 Q2.6 继电器输出 69 驱动22#泵电动阀关 Q2.7 继电器输出 70 驱动31#泵电动阀开 Q3.0 继电器输出 71 驱动31#泵电动阀关 Q3.1 继电器输出 72 驱动32#泵电动阀开 Q3.2 继电器输出 73 驱动32#泵电动阀关 Q3.3 继电器输出

4.4.1.3硬件接线图

图4.6硬件接线图

4.4.2PLC软件设计部分

西门子的系列PLC所用的编程语言是西门子开发的STEP7WINDOWS环境下进行编程的语言。PC/MPI转接电缆与PLC的MPI口相连，STEP7编程软件，不仅可以非常方便地使PLC的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个

图4.7设备无故障情况下水泵自动开启流程图

4.4.2.2水泵故障诊断流程图

运行过程中，主要监测水位、压力、温度、流量、电动机电流值等状态量，出现异常情况后，立即停止工作水泵，并启动备用泵继续工作。运行过程中故障诊断流程图如图4.8：

图4.8运行过程中的故障诊断流程图

4.4.2.3模拟量输入信号与A∕D数值转换计算

模拟量输入模块是将输入的0~20mA信号转换为0~32000的数字量，4~20mA对应的A∕D转换数值应为6400~32000。

本次设计中液位传感器选取量程0~5m，设置水位值小于3m为安全水位，达到3m为第一水位，启动一台泵进行排水工作。达到2m为第二水位，启动备用泵进行排水工作。达到1m为警戒水位，启动第三台泵，使三台泵同时进行排水工作。当水位下降到相应水位时，依次减少工作泵数量，直到水位回到安全水位。

由公式：=得：

L=（X-6400）=（X-6400）

X=L+6400=L+6400

L——水位

X——A∕D转换数值

水位输入信号与A∕D转换数值表

测量物理范围

0~5m 2~3m 1~2m 0~1m 输入信号 4~20mA A∕D转换

后数据 6400~32000 16640~21760 11520~16640 6400~11520

已知吸水管流速为0.8~1.5m∕s，D=0.3m，由公式：

感应电动势：E=sinаDv

体积流量：=

则：=0.05~0.1m3/s，因此控制范围为0.05~0.1m3/s，现取测量范围为0.02~0.13m3/s,则：

流量输入信号与A∕D转换数值表 测量范围

（0.02~0.13m3/s） 控制范围

（0.05~0.1m3/s） 输入信号 4~20mA A∕D转换

后数据 6400~32000 13381~25018

已知温度传感器PT100的测量范围为-200℃~+850℃，输入电流信号4~20mA,本次设计所选水泵型号为D450-60-5，配用电机型号Y4501-4，电机额定功率630KW，额定电流71A。电机正常工作过程中，电机轴温不能超过80℃，水泵温度不能超过100℃。由此可得：

温度输入信号与A∕D转换数值表

测量范围值

-200℃~+850℃ 电机轴温

控制上限 水泵温度

控制上限 输入信号 4~20mA A∕D转换

后数据 6400~32000 13226 13714

已知排水高=290.44m，在此以300m作计算。标准大气压为101KPa，水柱压强P=pgh=1.0хх10х300=3.0хPa，则闸阀所受压强应为水柱压强+大气压强，即：101KPa+3.0хPa=3.1MPa，所以取压力传感器的量程为0~4MPa，则可得：

压力输入信号与A∕D转换数值表 测量范围

0~4MPa 动作上限

3.1MPa 输入信号 4~20mA A∕D转换

后数据 6400~32000 26240

已知水泵必需气蚀余量为4m，则P=-х101KPa=-39.1KPa，取负压量程为-50~0KPa，则可得：

负压输入信号与A∕D转换数值表 测量范围

-50~0KPa 动作上限

-39.1KPa 输入信号 4~20mA A∕D转换

后数据 6400~32000 11980

已知电机启动瞬间，启动电流可达额定电流4~7倍，但其持续时间很短，在此设定不超过10s，持续超过10s即为异常，系统自动切断。电机额定电流为71A，设置范围60~80A为正常运行范围，则可得：

电流输入信号与A∕D转换数值表 测量范围

0~800A 10s内控制范围

284~497A 正常运行过程

控制范围60~80A 输入信号 4~20mA A∕D转换

后数据 6400~32000 15488~22304 8320~8960

4.4.2.4水泵的“避峰就谷”及轮换工作

水泵的“避峰就谷”

在判断是否启动水泵的控制逻辑中，水仓水位的变化是最重要的因素，但同时为了

节约电能消耗，也要着重考虑到“避峰就谷”的因素。但是和节

能相比，安全是第一位

的，是有着更高优先级的，所以当这两个因素发生冲突时，应该首先顾及到水仓水位的

变化。基于这种思想，制定出下面的控制逻辑。

当处于供电系统的“峰”段时，倘若水位上升到第一水位范围时，水泵不工作；当水位继续上升，达到第二水位范围时，启动一台泵工作；如果水位继续上升达警戒水位范围时，三台泵一起工作。

当处于供电系统的“谷”段时，倘若水位上升到第一水位范围时，启动一台泵工作；达到第二水位范围时，启动备用泵工作；到达警戒水位时，三泵一起工作。

具体工作流程图如下：

轮换工作

在程序设计中，为每一个水泵分配两个数据寄存器，一个寄存器存放水泵的运行时

间，另一个存放水泵的运行次数。每一次启动水泵时，都自动启动没有工作且没有故障

的水泵中运行时间最少的水泵。当两台水泵的运行时间相近且最少时，则启动运行次数

较少的那台水泵。每一次排水完毕，则自动累加水泵的排水时间和排水次数。

具体工作流程图如下：

4.5本章小结

本章是整个系统设计的核心部分，全章内容针对煤矿的整体材料，进行了排水方案的确定，同时运用了大量的系统检测装置，并针对各装置要实现的功能选取了相应的传感器件，其次，为实现系统自动化控制，章节中编写了详细的程序网络和语句表，最后，还针对煤矿在电能消耗方面的顾虑，设计了“避峰就谷”方案，并附流程图，整个系统采取轮番工作的方式，保证了设备科学有效的运行。