煤矿井下皮带巷及回风巷智能排水系统设计论文.docx

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煤矿井下皮带巷及回风巷智能排水系统设计论文

中文题目：

煤矿井下皮带巷及回风巷智能排水系统设计

外文题目：

DESIGNOFCOALMINEBELTROADWAYANDRETURNAIRROADWAYINTELLIGENTDRAINAGESYSTEM

毕业设计（论文）共75页（其中：

外文文献及译文11页）图纸共1张

完成日期2015年6月答辩日期2015年6月

摘要

因为目前的煤炭井下排水的自动化程度不高,本设计从实际的角度出发,对于目前排水系统的不足,做出有效的提升.对于皮带巷和回风巷中的特殊积水类型,本设计有针对性的处理方法,来解决其特殊的排水问题,本设计的重要目的是为了更加简单,更加快速,更加安全的处理井下的排水问题.提高井下排水的效率并且增加井下工作的安全系数,使井下排水的智能化程度有所提高,实现我们煤矿井下排水智能化.优化了煤炭井下排水的操作,使其操作更加的简单,更加的系统化,杜绝了多余的动作,减少了人工的浪费。

在本设计中首先对于煤矿井下的排水系统以及设备进行可简单的描述，而后对于传感器和PLC选型进行了介绍，最后对PLC的软件进行了设计，并且制定了智能排水的基本原则并且通过多种的传感器例如水位传感器、压力传感器、流量传感器以及温度传感器。

在本设计中可以实现自动、半自动和手动控制操作方式。

并且在本设计中简单的模拟煤矿井下巷道排水情况，而且由于考虑到水泵的故障或者其他的原因导致水泵的停止运作，所以在本设计中增加了水泵轮转功能和水泵的自动转换功能。

有根据了避峰就谷原则来控制水泵的排水时间。

考虑到设计的实用性和经济性，在本设计中选用了S7-200型系列PLC，S7-200系列PLC结构比较简单，运用比较广泛。

并且选用了CPU226，这样对于系统中的数字量输入输出点位，都可以达到要求。

而且S7-200比较稳定。

关键词：

S7-200；PLC；井下排水

Abstract

Becausetheautomationofcoalminedrainageisnothigh,thedesignfromthepracticalpointofview,thecurrentlackofdrainagesystem,makeeffectiveimprovement.Forthespecialtypeofwatertunnelandreturnairwaybelt,thedesignofatargetedapproach,tosolvethespecialproblemofdrainage,importantpurposethisdesignisforamoresimple,faster,moresecureminedrainageproblems.Toimprovetheefficiencyoftheundergrounddrainageandincreasethesafetyfactorofundergroundwork,theintelligentdegreeoftheundergrounddrainagehasimproved,werealizethecoalminedrainage.Theintelligentoptimizationofcoalminedrainageoperation,maketheoperationmore.Simple,moresystematic,eliminatethesuperfluousaction,reducethewaste.

Inthisdesignfirstforcoalminedrainagesystemandequipmentofcanbesimplydescribed,thenthesensorandtheselectionofPLCareintroduced.Atlast,thepapergivesthedesignofthePLCsoftware,andtodevelopthebasicprinciplesofintelligentdrainageandthroughavarietyofsensorssuchaswaterlevelsensor,apressuresensor,aflowsensorandtemperaturesensor.Inthisdesigncanrealizeautomatic,semi-automaticandmanualcontroloperationmode.Andinthedesignofsimplesimulationofcoalmineundergroundroadwaydrainageandduetotakingintoaccountthepumpfailureorotherreasonscausedthepumptostopoperation,sointhedesignofincreasedpumprotarypumpfunctionandautomaticconversionfunction.Accordingtotheprincipleofthevalleytothevalleyprincipletocontrolthepumpdrainagetime.

Consideringthepracticalityandeconomyofthedesign,theS7-200seriesPLCischoseninthedesign,andtheS7-200seriesPLCstructureissimple,anditiswidelyused..AndCPU226,sothatthenumberofdigitalinputandoutputpointcanbeachieved.AndS7-200isrelativelystable.

Keywords:

S7-200;PLC;undergrounddrainage

1绪论

井下排水系统是煤矿井下主要的系统之一，是负责着井下排水的任务，在井下的开采中，由于地下水的渗透和雨水的渗透，会有大量的水昼夜不停的汇集于井下。

井下的涌水量跟季节和当地的地理环境有很大的关系，而且假如施工不当，使得地下水层遭到破坏，会使地下水大量地涌入煤矿井下的巷道中，如果这出现样的情况会是十分危险的。

国内煤矿井下目前大部分都是采用传统的人工检测系统，但是这种检测控制方法效率十分的低，并且人工的劳动强度大，可靠性低。

不足满足目前煤矿的发展和生产安全需要。

本设计主要使用水泵压力传感器、水泵流量传感器、液位传感器以及各种传感设备对水泵的压力、流量电机温度进行监控，智能的进行数据采集，这样使得故障和事故能更早的被发现，使得问题更加快速的进行处理，可靠性更高，使得井下的生产安全系数更高。

1.1目的

煤炭行业是我国的支柱产业随着煤炭行业高产高效的发展,我国目前的井下排水系统的结构还不够智能,井下的排水系统关系到矿井的生产和安全，一旦矿井排水系统出现了故障,不仅对矿井生产产生了影响,甚至会影响井下工人的生命财产的安全,所以说排水系统担负着十分重要的作用,其可靠性关系到生产安全和人身安全。

煤矿井下的排水系统是井下重要系统之一，在目前的井下，平均的排水量是十分大的，所以说排水系统不光要做到智能而且还要考虑到工作性能与设备系统的可行性，做到更加有效的排水并且做到更加经济可靠，但是目前很多矿用水泵仍然普遍使用很传统的设备和系统,这种系统的自动化程度比较低,对于一些突发的情况处理上会有很大的问题,例如处理的时间比较长,反应比较缓慢,有很大的安全隐患,是我们目前有待解决的重要问题。

煤矿井下排水泵作为井下排水的重要设备,它运行电压高,功率大,运转情况比较复杂,所以工人对其进行实时监测非常的困难,并且在水泵的启动,涌水点水位变化的检测,泵房内设备的运行情况检查,基本还是采用人工检测模式,操作过程复杂,消耗人工多,目前的井下排水系统的模式简单,硬件设备落后,有时不能进行实时的监控和控制,而且对于水泵电机的温度,电流,电压以及水泵的流量,压力,水位等数据不能实时处理.我国的检测还处于摸索阶段,系统还不够完善.没有很好的水位传感器的产品,传感器产品十分容易受到井下环境的影响,事故因此而发生。

1.2目前国内外发展现状

在国外，矿井排水系统技术发展的比较迅速，许许多多的井下排水的控制系统都非常的成功，并且在井下的使用十分的广泛。

例如德国基于GEMATI2900的煤矿排水监控设备，以及美国在HONEYWELL公司研究的煤矿排水监控系统等。

虽然许多的地方和国家在煤炭井下排水的自动化建设上没有太深的研究，但是在井下的排水系统的研究进程上已经走上了高速发展的道路上，在许多的方面很多国家与地方已经实现了在中央的排水控制室中就可以控制和检测煤矿井下的排水网络。

对于井下的排水进行实时检测与控制。

近年来，在我国的煤矿行业处于一个迅猛发展的时代，在井下排水系统的研究越来越多，在对于系统的实现上也迈出了坚实的步伐。

对于我国排水系统的智能化做出了很大的贡献，而且我国的井下排水智能化越来越形成规模，这样我国的井下排水系统控制发面进行了很大的优化。

国内对井下排水研究的并不多。

我国煤炭储量世界第一，国内有很多的煤矿需要高效率的排水系统，因此我们对智能排水系统的研究意义重大。

在煤炭井下排水系统是一个十分重要的系统之一，如果想要在煤炭行业取得进步，在排水的发展上必须十分的重视，因为目前的使用人工检测控制巷道的排水系统已经过时了，如果不进行对于排水的更新和革命，煤炭行业将会走入发展的瓶颈。

随着世界智能化的发展，各个行业都迈入了新的时代，那就是信息时代，人们的人均GDP实现的大幅度的提高，生产效率的大幅度提升使得人工操作的效率已经达不到我们现在工作效率的要求。

这时新的系统横空出世使得排水的智能化逐步的实现。

新的智能系统可以实现对于排水点的水位监测以及水泵的电机的参数监测，使得排水系统的各个方面都实时的处于系统的监测下。

实现我们需要的智能化。

目前煤矿井下水泵监控采用PLC+变送器实现的，主要检测的对象包括：

水泵的电机温度以及电机开启和关闭、涌水点的水位、水泵的流量监控、水泵的电流和电压、水泵内压力的检测

1.3设计内容

1.3.1煤炭井下回风巷和皮带巷涌水特点

煤炭井下回风巷和皮带巷涌水特点主要包括以下几种涌水情况：

透水、突水、涌水,这些情况对于井下的工作有巨大影响。

在煤炭井下中积水主要分为几种，在采掘工作面中的涌水被称为矿井充水，在巷道中的积水被称为矿井水。

矿井充水形式:

渗入、滴入、淋入、流入、涌入和溃入等等。

当涌入溃入井巷的水量大、来势猛时,称为突水。

矿井透水：

在煤炭井下的积水存在于工作面中时，积水形式主要是由于积水通过岩层的渗透进入到巷道中，使得巷道中的积水过多导致水充满巷道对于生产和人员的安全造成威胁。

矿井突水:

大量地下水突然集中涌入井巷的现象。

掘进或采矿过程中当巷道揭穿导水断裂、富水溶洞、老窑积水,地下水大量突然涌入矿山井巷的现象。

涌水坑水位设计按坑内积水考虑当天排完。

排水坑排水大多使用离心式排水泵，一般规定排水泵的排水量为涌水点涌水量的1.5到2倍之间。

2煤矿井下排水系统组成

本节对煤矿井下排水系统做了大概性的介绍，井下排水系统大致分为几个部分：

水泵房、水仓、排水管道和水泵。

2.1水泵房

水泵房是设备库，水泵房是装备矿井主要设备的机房，机房内要求具有良好的通风、照明和干燥系统，便于机器维护和维修，使机房时刻处于安全的状态，是排水系统的重要组成部分。

2.2水仓

水仓由主仓和副仓组成。

对于水仓的位置选择，基本的原则是一般选择在巷道或者在井底车场的最低位置，水仓必须与吸水井有可通过通道。

水仓的主要作用不仅仅是积水的储存位置而且还是对于积水中的泥沙和各种可沉淀物的沉积位置，水仓同时也具备对于积水的清理作用，也是本设计中水泵排水的终点位置。

2.3水泵机组

煤矿井下排水的主要设备就是排水泵，没有排水泵排水是不能进行的，在一般的设计中水泵一般有工作水泵和如果工作水泵出现了问题有必要设计一个备用水泵，其中水泵的工作能力应该在20小时内能排出24小时的涌水量，而且备用的水泵应有工作水泵的70%的排水能力。

2.4离心式水泵排水系统工作原理

以下是简单的介绍所使用的水泵原理，煤矿井下的排水系统一般采用离心水泵，

离心式水泵的排水量和排水效率都很高，负责井下主要的排水任务。

但是在生产中有可能出现一些排水量不是很大，水位比较浅的位置也会使用潜水泵进行排水工作。

2.4.1滤水器和底阀

滤水器的作用顾名思义，就是防止积水中的淤泥和砂石通过吸水管吸入进入到水泵中，加快了对于水泵的磨损和消耗，甚至有可能使得水泵的堵塞，使得水泵不能继续工作，而底阀的作用是使得在吸水管的引水不会大量的泄露掉，保证了水泵在停泵状态的安全，并且可以提高排水的效率，减缓腐蚀。

而使用的是射流泵或真空泵，来给水泵和吸水泵注水。

2.4.2闸阀

在靠近水泵排水管上方的排水管路上安装调节闸阀，其作用为：

1调节水泵的流量和扬程；

2在起动过程中将它完全的关闭，可以降低起动电流。

调节闸阀在正常工作和使用中，它受到的阻力比较小，可以十分简单的调节水泵的排水能力，在闸阀安装时没有方向性的限制。

但是由于其表面是密封面，对于检修的能力是十分大的考验，并且价格较贵。

2.4.3逆止阀

在调节闸阀的上方位置安装逆止阀，逆止阀的主要作用是当水泵发生故障时，水泵停止工作，或者在闸阀尚未关闭的时候，水泵停止工作时能实现水流的切断，避免水泵收到积水的大力冲击，使得水泵无法继续工作。

2.4.4灌引水漏斗、放气栓和旁通管

引水漏斗主要的作用是在水泵的引水过程中，使得水泵中空气排出。

当有积水存在于排水管中，这是就可以使用旁通管对水泵进行引水工作，操作的流程，首先要把旁通管中的开关阀门打开，并且旁通管可以对于压力水中的杂物进行冲刷掉，但是与此同时，使用链条或者铁丝将底阀提起。

2.4.5压力表和真空表

压力表安装位置在排水泵的排水管上，是为了检测水管中的水压大小。

在一般的情况下普通的弹簧管压力表就是我们大多使用的压力表，按照压力表的结构可以分为轴向带边和径向无边以及向带边。

表的公称直径有5中分为60、100、150、200和250mm。

在压力表上显示的数值要比绝对大气压小一个大气压。

在吸水管上安装真空表，真空度是通过压力表检测。

大体真空表与压力表的种类一样，公称直径也与压力表一样。

2.4.6射流泵或真空泵

在离心水泵启动之前，首先要使用射流泵或者是真空泵将吸水管和水泵的腔内注满水，而后才能实现水泵的工作。

如果水泵在工作之前没有使用射流泵或者真空泵对吸水管进行注水，就会出现“干烧”现象，导致水泵的工作寿命大幅度降低。

特别是在排水系统中没有底阀装置，射流泵在每次水泵启动的时候都会工作，水泵注满水后水泵继续启动。

在我国的煤矿井下目前还是处于非常简单的操作系统状态，这种非常传统简单的系统主要是以离心式水泵为主要的排水设备，水泵是排水系统主力排水设备，其他的设备是围绕着水泵展开工作的。

泵站的启停完全是由工人的自己的工作经验。

当涌水点的水位处于高水位时需要排水时，凭借工人的经验来确定是否需要开启排水泵，如果需要开启水泵，工人就会开启射流泵给水泵注水，真空度达到要求时，启动水泵后水泵开始工作，开启闸阀后，水泵开始排水。

而后关闭射流泵。

停泵过程操作相反。

2.4.7离心式水泵的启动与停机过程

排水时水泵启动与停机主要是依靠由水坑的水位高低、水泵的温度、压力、以及电流传感器所传送来的参数来决定水泵的开启以及水泵的停机，水泵的停机与启动可以分为远程PLC控制和手动控制，可以根据所使用的条件选择要使用的方式，当涌水点的水位过高时，传感器传送来水位高的信号，控制PLC决定手动自动模式，启动水泵后，实时监测水泵的各种参数，如果出现故障，进行手动或者自动的控制水泵的关闭。

2.5井下排水存在的问题

（1）工作的效率很低。

这种主要依靠人工排水系统，其可靠性并不高，需要工人按照经验和程序一步步地进行操作，对于水坑涌水量的判断，也只能依赖于工人经验。

过程控制能力差，如果出现工人的错误判断或者错误的操作，可能会导致事故发生，人员和财产会招到损失。

（2）需要人工较多。

因为其排水系统大量需要人工的操作。

尤其对于水泵的启停，和水泵布置都需要大量的人工，而且对于水泵出现的问题，回报速度慢，以及人工处理不迅速。

这些问题都会降低排水系统的稳定性。

针对于这些存在的问题，本设计主要着手解决这些问题，本设计是基于PLC控制的煤矿井下排水智能系统。

使得排水系统的可靠性增强，依靠所设计的系统软件来实现，程序确定后，水泵机组，可以实现用所设计的程序来控制水泵开启以及关闭，并且把水泵机组的实时信息以及一些重要的安全系数传送到总控制台，管理人员即可在总控制台上来控制煤矿井下排水系统设备的实时参数和实时的工作状态，便可以十分方便的控制水泵，以及水泵机组的调动。

减少了人工的多余动作，完成排水的智能化进程。

（3）水锤现象

水锤现象，也被称为水击现象，当液体的流速突然发生变化的时候，会导致水泵内压力的突然变化，压力的急剧的交替，从而升高和减少水力的冲击现象，如果发生水锤现象，水泵中的最高压力可以达到平时值得2倍。

这样大的水力会对水泵造成巨大的冲击，导致设备的破坏。

所以说一般的排水管中的积水流速不能大于3米每秒。

如果在水泵正常的工作中，发生了水锤现象，那么水泵会发生严重的事故，例如水泵停止运作或者积水流出水泵等严重故障，会造成严重的人员财产损失。

所以在水泵排水系统设计中，要非常重视消除水锤现象。

为了避免出现水锤现象，一般采取以下措施：

1.减少水锤发生可以试安装止回阀。

2.可以通过安装一些泄压设备例如水锤消除器和安全阀等，并且在管路中安装压力传感器。

在压力会突然变化的区域安装止回阀，这样也可以减少水锤现象的发生。

2.6排水系统的总体控制要求

2.6.1水泵的自动轮换原则

为了防止工作水泵以及管路的故障突发的情况，所以必须要有备用的水泵或者电机进行准备，这时如果电机或者电气设备发生故障，这样会发生事故，更有可能影响煤矿井下的安全和生产的效率，所以我们有必要设计水泵的自动轮换工作功能。

本设计设计其系统功能自动的通过传感器传输其运行参数，而后把必要的数据传输到中央控制台，并具有声光报警功能，可以使得人员得知事故的发生地点，同时可以更早的更换故障泵，使备用泵更加迅速的进行更换，以做到故障的早发现、早处理。

2.6.2“避峰填谷”原则

避峰就谷原则顾名思义，就是在供电的低谷期和一般时期尽可能的让水泵处于工作状态，保证涌水水位处于设定的低水位。

而水泵在供电的高峰期尽量处于停泵的状态这样的工作方式就称为避峰就谷原则以便于在供电的高峰期，不会使得涌水点的积水过多，这样就可以增加巷道排水系统的排水效率，以便于排水系统更加的安全，更加的稳定。

2.6.3排水系统的保护原则

漏水保护：

漏水保护是指当水泵开启后安装的真空度压力表显示的真空度未达到设定值时，那么这个水泵非常有可能存在故障，这时启用备用水泵，并派送人员进行检修。

流量、压力的保护：

在水泵开启以及工作中，通过流量和压力传感器传输的数据不能达到正常的工作值时，这时水泵内的压力没有达到预计的要求，那么水泵就必须要停止启动，并且开启备用水泵。

超温保护：

如果水泵的电机温度超过了我们设定的正常值得话，立刻停止正在运行的水泵，通过水泵的保护装置对水泵进行关闭水泵的运作，并启动下台水泵。

过流保护：

顾名思义，当电机或者主回路中的电流信号以及数据传输到PLC处理原件，传送来的数据大于我们设定值得话，启动停机装置并且检修水泵。

当水泵发生以上的情况，系统就要通过故障的原因来手动的选择PLC的控制方式应该含有，水泵的自动控制、水泵的半自动控制以及水泵的手动控制，自动控制水泵是由传感器检测水位压力以及有关数据，PLC分析输送来的数据，以此为依据来控制水泵的启停，人工并不参与动作；当水泵的半自动工作方式开启时，由人工进行判断以及人工的选择开启或者关闭几台水泵，这时PLC并不停止进行工作，而是继续输入水泵的参数信息。

而当手动模式开启时，水泵的控制完全有手动操控，有操作人员对水泵进行检修，依靠手工进行水泵的启停。

这三种工作方式，应该并列存在，相辅相成，组成一套完整、智能、高效的排水系统。

3排水系统传感器选择

3.1涌水点水水位的检测

3.1.1液位传感器介绍

超声波液位传感器

超声波液位传感器位于两媒体对该接口利用超声波的反射特性。

如果超声脉冲开始接收到的反射波到目前为止这个时间间隔是可以的距离和位置之间的接口计算，利用该方法可以对液位测量。

根据发射机的功能和接收传感器，该传感器可分为单传感器和双传感器..单传感器发送和接收超声波的使用相同的传感器，当传感器发送和接收各传感器传感器。

介绍了单传感器超声波传感器。

超声波传感器原理如图（3-1）

图3-1超声波传感器原理

Figure3-1Theprinciplediagramoftheultrasonicsensors

超声波传感器可以安装在涌水点睡眠的上方，这时超声波传感器的超声波发射器发射超声波，超声波到达涌水点积水表面后，再反弹回到换能器

时间为

（3-1）则

（3-2）

式中

h—换能器距液面的距离

c—超声波在介质中的传播速度。

从（3-1）和（3-2）可以推算出超声波传感器的信息接收和回报的时间间隔。

就可以求出需要测量的液位。

超声波液位传感器具有精度高和使用时间长等特点但若液体中有气泡或液面发生波动便会产生较大的误差。

在一般条件下使用它的测量误差只有±0.1%检测液位的范围为10−410m。

本设计中采用的是Yjsonic系列的超声波液位计，超声波传感器的工作原理是通过传感器发射的超声波，返回来的模拟量转换成电信号，这样就可以通过我们之前所得到的超声波的时间间隔来推算出超声波传感器和涌水点液位之间的距离，这样就可以推算出涌水点的液位高度。

工作特点：

为了提高设备的稳定性，我们可以使用SMD技术，功率的自动调整，增益控制。

先进的检测技术，丰富的软件功能能应付各种不同环境。

为了提高我们设备的测量系统的重复性系数，我们应该使用新型的计算机技术例如新型的波形计算。

具有干扰回波的抑制功能，保证测量数据的精确。

设计中选用二线制输出型液位计,其参数如下

量程：

0、3、5、8、10、15、20m

精度：

0.25%

盲区：

0.3~0.5m

温度：

-20℃~+55℃

电源：

24VDC

控制：

无

输出：

4~20mA

16位的D/A转换使得电流的输出分辨力有所提高，并且可以输送信息到PLC的CPU中。

3.1.2投入式液位传感器

首先把传感器的探测头投入到涌水点的积水中，然后通过水位高度造成的压强差来判断水位的高低，投入式液位传感器就是通过这原理制成的。

3.1.3两种液位传感器的比较

投入式液位传感器