井下水泵房自動(dòng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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遼寧工程技術(shù)大學(xué)1井下水泵房自動(dòng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要煤炭行業(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，礦井安全問(wèn)題己成為制約煤炭生產(chǎn)的關(guān)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(chǎn)，甚至?xí)沟V井淹沒(méi)，危及生產(chǎn)工人生命。井下水泵房排水系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著整個(gè)礦井積水排除的任務(wù)，其安全可靠性直接影響礦井生產(chǎn)的效率和安全。目前，我國(guó)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(dòng)化程度低，應(yīng)急能力差，存在很大的安全隱患。隨著我國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展，井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化己成為亟待解決的問(wèn)題。本論文從我國(guó)煤礦生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，針對(duì)現(xiàn)有排水系統(tǒng)存在的弊病，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和控制理論，設(shè)計(jì)了適于煤礦井下使用的自動(dòng)排水系統(tǒng)。利用工業(yè)專(zhuān)用可編程控制器 PLC和超聲波液位檢測(cè)裝置，組成自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)水倉(cāng)水位變化情況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水。依據(jù)液壓傳動(dòng)理論和流體力學(xué)原理，選擇了兩種可控閘閥，以適應(yīng)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(dòng)控制的難題，并通過(guò)理論和試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。關(guān)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(shù)大學(xué)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(shù)大學(xué)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(shù)大學(xué)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(xiàn)象及排水的重要性 .11.1.2 井下排水系統(tǒng)的組成 .21.2 現(xiàn)有井下排水系統(tǒng)存在的問(wèn)題 41.2.1 操作程序 .41.2.2 存在的問(wèn)題 .4第二章 井下自動(dòng)排水系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 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(xiàn)象 .62.1.3 引水設(shè)備 .72.2 井下自動(dòng)排水系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 82.2.1 井下自動(dòng)排水系統(tǒng) 82.2.2 工作方式與工作環(huán)節(jié) .92.3 檢測(cè)與控制 132.3.1 信號(hào)檢測(cè) .132.3.2 控制器與控制過(guò)程 .132.4 可控閘閥 142.5 小結(jié) 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(shè)計(jì) 173.3.1 設(shè)計(jì)思路 .173.3.2 機(jī)械機(jī)構(gòu) .183.3.3 機(jī)械特性分析 .193.4 電磁先導(dǎo)式通斷閥設(shè)計(jì) 213.4.1 功能原理及設(shè)計(jì)思路 .213.4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .223.4.3 工作原理 .233.4.4 性能特點(diǎn) .233.5 小結(jié) 23第四章 基于 PLC 的泵房自動(dòng)控制排水系統(tǒng) .25遼寧工程技術(shù)大學(xué)54.1 系統(tǒng)情況概述 254.2 系統(tǒng)設(shè)備及組成 264.2.1 系統(tǒng)前端檢測(cè)元件 .264.2.2 水位與系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè) .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(shí)現(xiàn) 324.4 實(shí)際運(yùn)行情況 33第五章 井下自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù) 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(yùn)行與維護(hù) 36結(jié) 論 41參考文獻(xiàn) 43致 謝 44遼寧工程技術(shù)大學(xué)1第一章 概論井下排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)中四大系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著井下積水排除的重要任務(wù)。然而，目前我國(guó)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(guò)分析這種排水系統(tǒng)的組成及工作過(guò)程，指出其存在的問(wèn)題，為井下自動(dòng)排水系統(tǒng)提供依據(jù)。1.1 井下排水系統(tǒng)概述1.1.1 井下涌水現(xiàn)象及排水的重要性在煤礦地下開(kāi)采的過(guò)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(zhì)及當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件有關(guān)系，涌水量在不同的季節(jié)也呈現(xiàn)不同。在一些大水礦井，礦井涌水量可達(dá)到每秒 17 立方米，甚至超過(guò)每秒 20 立方米。另外，煤炭開(kāi)采過(guò)程中，由于地層結(jié)構(gòu)被破壞，巖層斷裂，使采區(qū)與儲(chǔ)水層連通，發(fā)生突水事故，涌水量會(huì)突然增加。如果不能及時(shí)地將這些積水排送到井上，井下的生產(chǎn)就可能受到阻礙，井下的安全就會(huì)得不到保障，嚴(yán)重者會(huì)造成重大事故。給人民的生命、國(guó)家的財(cái)產(chǎn)都帶來(lái)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(wù)就是把流入井下煤礦巷道中的礦井積水排送至地表。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，每開(kāi)采 1 噸煤就要排出 2 一 7 噸礦井水。井下排水設(shè)備所配備電機(jī)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(guó)煤炭行業(yè)中，井下排水用電量占原煤生產(chǎn)總耗電量的 18%一41%，一般為 20%左右。因此，井下排水設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性(安全運(yùn)轉(zhuǎn))與經(jīng)濟(jì)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(fù)雜，它對(duì)水泵和水管的腐蝕性，不僅與游離硫酸的存在有關(guān)系，而且也和硫酸鎂、硫酸鐵和硫酸鋁的存在有一定關(guān)系。遼寧工程技術(shù)大學(xué)2礦井水的物理性質(zhì)和酸度，可用氫離子濃度(又叫氫離子指數(shù))PH 值的大小來(lái)表示。由于酸性礦井水對(duì)金屬具有腐蝕破壞作用，所以井下排水設(shè)備的鋼鐵零件，一旦遇到酸性礦井水時(shí)，將會(huì)很快遭到破壞。因此，當(dāng) PH 值小于 5 時(shí)，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(shí)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(dòng)機(jī)、起動(dòng)設(shè)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(nèi)，導(dǎo)致水泵被堵塞或被磨損。在濾水器內(nèi)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(xiàn)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(shù)大學(xué)3管注水。②閘閥調(diào)節(jié)閘閥的優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)阻力和關(guān)閉壓力較小，安裝時(shí)無(wú)方向性，能夠方便地來(lái)調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程等。其缺點(diǎn)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(shí)，安裝不便，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較高。放水閘閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥上方的排水管路的放水管上，其作用為：調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程，起動(dòng)時(shí)將它完全關(guān)閉，以降低起動(dòng)電流。調(diào)節(jié)閘閥的優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)阻力和關(guān)閉壓力較小，安裝時(shí)無(wú)方向性，能夠方便地來(lái)調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程等。其缺點(diǎn)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(shí)，安裝不便，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較高。為檢修排水管路時(shí)放水用。③逆止閥逆止閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥的上方，其作用是當(dāng)水泵突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)(如突然停電)時(shí)，或者在未關(guān)閉調(diào)節(jié)閘閥的情況下停泵時(shí)，能自動(dòng)關(guān)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(dòng)時(shí)，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(shí)，要通過(guò)放氣栓(又叫氣嘴)將水泵和吸水管中的空氣放掉。當(dāng)排水管中有存水時(shí)，也可通過(guò)旁通管向水泵和吸水管中灌引水，此時(shí)要將旁通管上的閥門(mén)打開(kāi)。此外，還可通過(guò)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(shí)須通過(guò)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(cè)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(jù)其結(jié)構(gòu)特征可分為徑向無(wú)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(chǔ)，泵站的起停時(shí)間判斷，完全依賴(lài)于工人的經(jīng)驗(yàn)和已有的操作規(guī)程。如圖 l 一 1 所示，當(dāng)水倉(cāng)水位到達(dá)設(shè)定的高水位時(shí)，工人打開(kāi)射流泵(或真空泵)，為水泵抽真空，同時(shí)觀測(cè)真空表的讀數(shù)。真空度達(dá)到要求后，起動(dòng)水泵機(jī)組，使水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)水泵出口壓力表讀數(shù)遼寧工程技術(shù)大學(xué)4達(dá)到要求時(shí)，開(kāi)起閘閥進(jìn)行排水，同時(shí)關(guān)閉抽真空的射流泵(或真空泵)。停泵過(guò)程要進(jìn)行相反的操作。當(dāng)水倉(cāng)積水降至低水位時(shí)，先將閘閥關(guān)死，再停水泵機(jī)組。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)涌水量的不同，工人還要判斷同時(shí)投入幾臺(tái)水泵工作，以便于既能及時(shí)排出積水，又能使泵站合理使用，避免過(guò)度頻繁的起停。1.2 現(xiàn)有井下排水系統(tǒng)存在的問(wèn)題1.2.1 操作程序目前，我國(guó)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(chǔ)，泵站的起停時(shí)間判斷，完全依賴(lài)于工人的經(jīng)驗(yàn)和已有的操作規(guī)程。當(dāng)水倉(cāng)水位到達(dá)設(shè)定的高水位時(shí)，工人打開(kāi)射流泵(或真空泵)，為水泵抽真空，同時(shí)觀測(cè)真空表的讀數(shù)。真空度達(dá)到要求后，起動(dòng)水泵機(jī)組，使水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)水泵出口壓力表讀數(shù)達(dá)到要求時(shí)，開(kāi)起閘閥進(jìn)行排水，同時(shí)關(guān)閉抽真空的射流泵(或真空泵)。停泵過(guò)程要進(jìn)行相反的操作。當(dāng)水倉(cāng)積水降至低水位時(shí)，先將閘閥關(guān)死，再停水泵機(jī)組。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)涌水量的不同，工人還要判斷同時(shí)投入幾臺(tái)水泵工作，以便于既能及時(shí)排出積水，又能使泵站合理使用，避免過(guò)度頻繁的起停。1.2.2 存在的問(wèn)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(gè)執(zhí)行件的操作。另外，對(duì)水位、涌水量大小等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的判斷依賴(lài)于工人的經(jīng)驗(yàn)。作業(yè)過(guò)程比較復(fù)雜，要求工人具有很強(qiáng)的責(zé)任心，否則可能出現(xiàn)誤操作，甚至發(fā)生大的事故。(2)工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。人工操作無(wú)法避免高強(qiáng)度的勞作。尤其是閘閥的操作，勞動(dòng)量最大。通徑 DN200 的閘閥開(kāi)起時(shí)，往往需要兩個(gè)工人同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)閥門(mén)手柄。而且，水泵房要時(shí)時(shí)有人值守，以便在發(fā)生異常情遼寧工程技術(shù)大學(xué)5況時(shí)，及時(shí)報(bào)警檢修。第二章 井下自動(dòng)排水系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)基于對(duì)礦井水泵房常用水泵(離心式水泵)結(jié)構(gòu)、性能的分析，我們提出礦井自動(dòng)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)普遍使用的人工操作礦井排水系統(tǒng)存在的弊病，從實(shí)際出發(fā)，為適應(yīng)煤礦企業(yè)現(xiàn)代化管理運(yùn)行，提高井下排水作業(yè)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，提供了一種切實(shí)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(shù)有:揚(yáng)程 H 一單位質(zhì)量(1kg)的液體通過(guò)水泵后所獲得的能量(m );2HO軸功率 N 一電機(jī)傳給水泵泵軸的功率稱(chēng)為軸功率 kw。效率 一水泵的有效功率與輸入功率的比值稱(chēng)為效率;?允許吸上真空度 H 廠水泵在標(biāo)準(zhǔn)狀況下(即水溫為 20℃、表面壓力l.013X Pa)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，水泵所允許的最大吸上真空高度(m )。510 2水泵各個(gè)參數(shù)從不同的角度描述了水泵的工作性能，這些參數(shù)之間互相影響、互相制約、互相聯(lián)系，它們之間的這種關(guān)系是有一定規(guī)律的，人們通常用特性曲線來(lái)描述這些參數(shù)之間的關(guān)系(規(guī)律)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常以流量為橫坐標(biāo)，畫(huà)出其他參數(shù)與流量的關(guān)系曲線作為特性曲線。常用的特性曲線有揚(yáng)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(guò)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(diǎn)，并為排水系統(tǒng)其他元件參數(shù)選擇提供一定的依據(jù)。遼寧工程技術(shù)大學(xué)6圖 2-1 125D25x8 型的水泵特性曲線2.1.2 水錘現(xiàn)象水錘也稱(chēng)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(xiàn)象。水錘發(fā)生時(shí)，最高壓力可達(dá)到正常壓力的 200%，對(duì)水泵和管路配件的沖擊損壞很大。為了防止水錘破壞設(shè)備，管路水流速度不能太大 [3]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)排水管路中的水流速度一般不宜超過(guò) 3m/s。在水泵站運(yùn)行中，水錘現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在起泵和停泵階段，由于人員誤操作或設(shè)備故障引起。一般水錘事故會(huì)造成跑水停水;事故嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成泵房被淹沒(méi)，設(shè)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(shè)計(jì)中，要非常重視消除水錘現(xiàn)象。為避免出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，一般采取以下措施:①盡可能不設(shè)止回閥，減少水錘發(fā)生的可能性。②管路設(shè)有止回閥時(shí)，應(yīng)設(shè)置防止壓力升高的措施，如下開(kāi)式水錘遼寧工程技術(shù)大學(xué)7消除器、自動(dòng)復(fù)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(shè)止回閥。④用緩閉止回閥、自動(dòng)緩閉水力閘閥、液控止回閥等，可以減小水錘產(chǎn)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(jī)組的飛輪力矩(GDZ)大的電機(jī)。2.1.3 引水設(shè)備水泵房排水設(shè)備一般安置在水井液面以上，所以水泵啟動(dòng)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(yùn)行效率，吸水管路不宜設(shè)置底閥。無(wú)底閥吸入式灌水，要采用專(zhuān)門(mén)的引水設(shè)備，對(duì)水泵排水腔和吸水管路進(jìn)行抽真空，使水泵運(yùn)行前充滿(mǎn)水。引水設(shè)備一般為真空泵或射流泵 [4]。真空泵運(yùn)行效率高，水泵啟動(dòng)快，但需要提供專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。射流泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，根據(jù)礦井的地下環(huán)境和條件，射流泵的應(yīng)用更為普遍。其結(jié)構(gòu)包括:噴嘴、吸入室、混合管、擴(kuò)散管，如圖 2 一 2 所示。射流泵的工作原理是水射流時(shí)的“虹吸現(xiàn)象” 。高壓水以流量 Q.由噴嘴高速射出時(shí)，連續(xù)挾走了吸入室 2 內(nèi)的空氣，在吸入室內(nèi)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(jìn)入吸入室內(nèi)，兩股液體在混合管 3 中進(jìn)行能量的傳遞的交換，使流速、壓力趨于拉平，然后，經(jīng)擴(kuò)散管 4 使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)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(shù)大學(xué)8圖 2-2 射流泵結(jié)構(gòu)1—噴嘴；2—吸入室；3—混合管；4—擴(kuò)散管2.2 井下自動(dòng)排水系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.2.1 井下自動(dòng)排水系統(tǒng)井下自動(dòng)排水系統(tǒng)的目的是要實(shí)現(xiàn)井下水泵房的無(wú)人化操作，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)運(yùn)行，提高安全性、可靠性和運(yùn)行效率，增強(qiáng)抗災(zāi)能力。并能夠優(yōu)化調(diào)度水泵運(yùn)行情況，節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展及其在各行各業(yè)中的滲透，使現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)備的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性都得到很大的提高。傳統(tǒng)的礦井排水系統(tǒng)已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代煤礦企業(yè)的管理和操作，需要一種新的排水系統(tǒng)來(lái)保障煤炭開(kāi)采工作的安全高效進(jìn)行。井下自動(dòng)排水系統(tǒng)就是為了實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種自動(dòng)化系統(tǒng) [5]。井下自動(dòng)排水系統(tǒng)在傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)和檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動(dòng)化。并且延伸其功能，使井下水泵房在實(shí)現(xiàn)無(wú)人化運(yùn)行的同時(shí)，能夠根據(jù)井下具體情況和要求，選擇最佳運(yùn)行方案，為井上監(jiān)控系統(tǒng)提供有用的數(shù)據(jù)資料。(1)系統(tǒng)組成井下排水系統(tǒng)一般由水倉(cāng)、吸水管路、多臺(tái)水泵、多趟管路、水泵、遼寧工程技術(shù)大學(xué)9排水管路、灌水裝置及若干控制閥門(mén)組成。(2)井下排水主要特點(diǎn)①水位受各種因素影響(如礦井涌水量、排水量、水倉(cāng)凈容積和水倉(cāng)內(nèi)沉淀物)，其控制必須留有一定的裕量。②水泵電機(jī)的電壓高、功率大，起動(dòng)過(guò)程比較復(fù)雜。③水泵普遍采用無(wú)底閥吸水方式，在排水系統(tǒng)中設(shè)有水泵及吸管路灌水裝置，起動(dòng)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(duì)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(yùn)行效率及排水管網(wǎng)效率。⑤按國(guó)家電力部門(mén)實(shí)行“峰谷電價(jià)”收費(fèi)制度，井下排水系統(tǒng)工作時(shí)間應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)“避峰填谷”方式運(yùn)行，以減少排水電費(fèi)支出。⑥排水系統(tǒng)是按礦井最大涌水量和配套水泵數(shù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，正常工作時(shí)水泵備用能力比較大。(3)具備功能①水倉(cāng)水位變化等情況自動(dòng)控制排水泵的開(kāi)停。②水泵輪流工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵的綜合效率和管網(wǎng)的效率，且據(jù)參數(shù)變化，優(yōu)化排水系統(tǒng)的運(yùn)行方式，使其始終處于高效率運(yùn)行。③水倉(cāng)水位變化、供電峰谷時(shí)段劃分等情況，合理調(diào)度水泵運(yùn)行，達(dá)到躲峰填谷目的。④能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排水系統(tǒng)的機(jī)械、電氣工作參數(shù)，如電機(jī)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(cāng)水位等。⑤根據(jù)排水系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)各種故障報(bào)警。⑥通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，與礦井監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，達(dá)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(guò)水井液面變化，遼寧工程技術(shù)大學(xué)10運(yùn)用高低水位與水泵運(yùn)行現(xiàn)狀態(tài)一定的邏輯運(yùn)算關(guān)系，控制水泵下一步的運(yùn)行狀態(tài)。在實(shí)際工作中，水泵房還要根據(jù)各種運(yùn)行參數(shù)(如涌水量大小、水泵狀況等)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及意外事故等，對(duì)水泵站進(jìn)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(fù)雜。利用現(xiàn)代工業(yè)控制器，如工控機(jī)、可編程控制器(PLC)、單片機(jī)等，結(jié)合各種檢測(cè)傳感器，可以構(gòu)成完整的電氣控制系統(tǒng)，來(lái)控制水泵站各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按一定的規(guī)程完成水位檢測(cè)、水泵起動(dòng)、停止及其過(guò)程控制等工作。并且可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、處理等工作。本論文設(shè)計(jì)的井下離心式水泵自動(dòng)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(cè)水位，結(jié)合相應(yīng)的控制電路，組成排水監(jiān)控系統(tǒng);用可(電氣)控制的閥門(mén)和接觸器等作為執(zhí)行件，完成對(duì)泵站系統(tǒng)的控制。工作方式:本監(jiān)控系統(tǒng)有自動(dòng)、半自動(dòng)及手動(dòng)三種工作方式。其中自動(dòng)方式由超聲液位傳感器連續(xù)檢測(cè)水倉(cāng)水位，根據(jù)水倉(cāng)的水位變化，自動(dòng)開(kāi)、停水泵及其閥門(mén)。正常情況下，按雙位邏輯控制和“輪班工作制”各臺(tái)水泵能自動(dòng)輪換工作;水位變化過(guò)大時(shí)，自動(dòng)投入必要數(shù)量的水泵運(yùn)行，此方式下可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守;半自動(dòng)方式是操作工人根據(jù)水倉(cāng)顯示水位，人工手動(dòng)開(kāi)、停水泵和確定開(kāi)泵臺(tái)數(shù)，電機(jī)及其閥門(mén)的開(kāi)、停由 PLC 自動(dòng)執(zhí)行;手動(dòng)方式是維修工人可操作任一水泵電機(jī)、自動(dòng)閘閥、電磁閥的開(kāi)關(guān)，解除相互閉鎖關(guān)系。工作環(huán)節(jié):監(jiān)控系統(tǒng)可概括為六個(gè)環(huán)節(jié):即自動(dòng)注水(抽真空)環(huán)節(jié)、閘閥操縱環(huán)節(jié)、水位自動(dòng)監(jiān)控環(huán)節(jié)、參數(shù)傳示環(huán)節(jié)、故障保護(hù)環(huán)節(jié)及電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制環(huán)節(jié)。(1)自動(dòng)注水(抽真空)水泵只有在其葉輪完全淹沒(méi)于水中的情況下，泵體內(nèi)部才能造成必要的真空度實(shí)現(xiàn)正常排水。若真空度不夠，泵內(nèi)有空氣存在，將會(huì)造成不上水和轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)真空度，流量作為監(jiān)測(cè)真空度的后備。(2)自動(dòng)閘閥操縱遼寧工程技術(shù)大學(xué)11為減小啟動(dòng)功率，水泵操作規(guī)程規(guī)定離心式水泵一定要關(guān)閉出水閘閥啟動(dòng)，而當(dāng)水泵停車(chē)時(shí)，為避免水錘事故，必須先關(guān)閉閘閥，緩慢減小流速，最后停泵。泵體內(nèi)充滿(mǎn)水后，以啟動(dòng)和停止#1 泵為例，其過(guò)程為:打開(kāi) 0#控制閥，進(jìn)行抽真空;真空度達(dá)到要求后，啟動(dòng) 1#水泵電機(jī);1#水泵出口壓力達(dá)到設(shè)定值，打開(kāi) 1#1 閘閥，進(jìn)行排水;關(guān)閉 1 時(shí)閥。停止時(shí)，先關(guān)閉 1#1 閘閥，再停#l 水泵電機(jī)。(3)水位自動(dòng)監(jiān)控水位自動(dòng)監(jiān)控環(huán)節(jié)的任務(wù)是根據(jù)水位的高低自動(dòng)準(zhǔn)確發(fā)出開(kāi)、停水泵命令。依據(jù)雙位邏輯控制原理，采集水位信號(hào)，以開(kāi)關(guān)量(水位開(kāi)關(guān))和模擬量形式輸送給 PLC。水位傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性直接影響整個(gè)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(jī)械型、維護(hù)方便、安裝容易、標(biāo)定簡(jiǎn)單等許多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)水位達(dá)到水位 2 時(shí)，若處于低計(jì)費(fèi)時(shí)段，可以立即啟動(dòng)，若處于高計(jì)費(fèi)段，則暫緩啟動(dòng);當(dāng)水位繼續(xù)上升至水位 3 時(shí)，則不論電網(wǎng)如何，必須啟動(dòng)水泵。若水位繼續(xù)上升至水位 4 時(shí)，則表明一臺(tái)水泵的排水量己不足于排除礦井涌水，必須啟動(dòng)第二臺(tái)水泵，兩臺(tái)水泵一齊排水，以礦井的最大排水能力來(lái)排除礦井出水。不論投入幾臺(tái)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(jì)將模擬信號(hào)送入 PLC，由 PLC 通過(guò)軟件標(biāo)定。分時(shí)計(jì)費(fèi)亦由 PLC 通過(guò)軟件標(biāo)定。(4)參數(shù)傳示主控柜的模擬屏上可模擬顯示水倉(cāng)水位、水泵流量、水泵壓力及電動(dòng)機(jī)、電磁閥和自動(dòng)閘閥的各種工作狀態(tài)。所有的檢測(cè)參數(shù)及工作狀態(tài)均可由井下 PLC 通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送給地面計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)分析處理，在顯示器上模擬顯示，并做出曲線、報(bào)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(hù)①流量保護(hù):當(dāng)水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行中，如流量達(dá)不到正常值，通過(guò)流量保護(hù)裝置使本臺(tái)水泵停車(chē)，轉(zhuǎn)為啟動(dòng)另一臺(tái)水泵;②電動(dòng)機(jī)故障:PLC 監(jiān)視水泵電機(jī)欠壓、過(guò)流、短路等故障，由高壓開(kāi)關(guān)柜的綜合保護(hù)器提供，并參與控制;遼寧工程技術(shù)大學(xué)12③閘閥故障:通過(guò)對(duì)閘閥工作中壓力、流量及管路等參數(shù)的測(cè)定來(lái)判斷閘閥是否正常工作;通過(guò)信號(hào)反饋回 PLC，進(jìn)行故障保護(hù)與控制。(6)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制該環(huán)節(jié)是排水設(shè)備綜合自動(dòng)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(gè)環(huán)節(jié)最終都要與該環(huán)節(jié)配合，根據(jù)水位情況自動(dòng)開(kāi)、停水泵，及所開(kāi)水泵臺(tái)數(shù)。為防止因備用泵長(zhǎng)期不用而使電機(jī)受潮或有其它故障而未被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(lái)控制，以達(dá)到有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理，以免影響礦井安全的目的。系統(tǒng)根據(jù)水泵的開(kāi)啟次數(shù)自動(dòng)按一定順序輪換開(kāi)啟水泵;當(dāng)某臺(tái)或其所屬閥門(mén)故障或檢修時(shí)，該泵退出輪換，其余各泵仍按輪換工作制運(yùn)行 [6]。監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn):①實(shí)行在線監(jiān)控監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)水泵房設(shè)備運(yùn)行實(shí)行在線監(jiān)控，并具有自診斷功能，可實(shí)現(xiàn)水泵房的無(wú)人值守;并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與礦井監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接受管理人員指令。②控制靈活可實(shí)現(xiàn)多種控制方式之間的切換，應(yīng)用于不同的工作環(huán)境下。一般情況下，根據(jù)水位情況自動(dòng)運(yùn)行;故障檢修或系統(tǒng)維修時(shí)，可使用半自動(dòng)或手動(dòng)方式運(yùn)行，即可以對(duì)運(yùn)行環(huán)節(jié)“截?cái)唷辈僮?。③延長(zhǎng)水泵壽命據(jù)水位控制原則，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作，避免同一水泵長(zhǎng)期使用，而其他水泵閑置;還可以根據(jù)水井涌水情況，選擇不同的排水方案，避免涌水小量時(shí)水泵頻繁啟動(dòng)，涌水大量時(shí)不能及時(shí)排除積水。從而使水泵的合理運(yùn)行，大大延長(zhǎng)了使用壽命。④提高礦井電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷信息“移峰填谷” ，來(lái)確定開(kāi)、停水泵時(shí)間，以提高礦井的電網(wǎng)質(zhì)量。遼寧工程技術(shù)大學(xué)132.3 檢測(cè)與控制2.3.1 信號(hào)檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)與電氣控制構(gòu)成整個(gè)排水系統(tǒng)的控制核心。 [7]系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不僅要對(duì)水井水位進(jìn)行檢測(cè)，還要對(duì)諸如真空度、壓力等啟動(dòng)用參數(shù)和管路流量、系統(tǒng)壓力、電機(jī)溫度等系統(tǒng)安全保障參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，才能使系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中選擇正確的控制策略，并在元件發(fā)生故障時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。2.3.2 控制器與控制過(guò)程控制器是中心控制單元，要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算，根據(jù)控制要求輸出控制量至執(zhí)行機(jī)構(gòu)或報(bào)警裝置?？删幊炭刂破?PLC)是近代發(fā)展起來(lái)的通用工業(yè)控制器，是專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)，可以替代復(fù)雜的繼電器控制系統(tǒng)，并且具有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算、字符轉(zhuǎn)換、模擬量控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)，用面向過(guò)程、面向用戶(hù)的簡(jiǎn)單編程語(yǔ)言。PLC 適用于工業(yè)環(huán)境的惡劣環(huán)境下的應(yīng)用，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。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(duì)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(jié)合外圍電路，構(gòu)成自動(dòng)排水系統(tǒng)的控制部分自動(dòng)排水系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)檢測(cè)、PLC 控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成水泵站啟動(dòng)、停止以及水泵房的在線監(jiān)測(cè)。啟泵過(guò)程:(1)液位傳感器測(cè)得相對(duì)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(hào)啟動(dòng)抽真空設(shè)備，對(duì)水泵抽真空;(3)水泵真空度達(dá)到要求，真空表返回信號(hào)給控制器;(4)控制器輸出控制信號(hào)到水泵電機(jī)接觸器，起動(dòng)電機(jī);(5)電機(jī)起動(dòng)，返回信號(hào);遼寧工程技術(shù)大學(xué)14(6)水泵出口壓力值達(dá)到要求，返回信號(hào);(7)啟動(dòng)閘閥，進(jìn)行排水，并返回信號(hào)；(8)關(guān)閉抽真空設(shè)備。停泵過(guò)程：(1)液位傳感器返回低水位；(2)控制器輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)閘閥關(guān)閉；(3)關(guān)閉水泵機(jī)組。水泵房排水系統(tǒng)是構(gòu)成礦井安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，不僅要求自身安全可靠運(yùn)行，還要配合整個(gè)礦井生產(chǎn)管理的調(diào)度。所以，自動(dòng)排水系統(tǒng)要與地面堅(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，管理人員可在地面及時(shí)掌握井下水泵房監(jiān)控設(shè)備的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，適時(shí)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(guān)重要的作用。不僅在排水過(guò)程中控制管路流量，在泵站起停過(guò)程中，閘閥本身性能的好壞和運(yùn)行特性也直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。如果操作不當(dāng)，可能造成系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)、停泵水錘等嚴(yán)重后果。傳統(tǒng)的手動(dòng)閘板閥門(mén)沒(méi)有自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，完全靠手輪轉(zhuǎn)動(dòng)操作。在大型排水系統(tǒng)中，由于水泵的流量大、揚(yáng)程高，管路通徑大，所需的閘閥體積也相應(yīng)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(shí)，往往需要兩個(gè)工人同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪才‘能啟動(dòng)。在自動(dòng)排水系統(tǒng)中，這種閘閥不能應(yīng)用，而要用一種能夠自動(dòng)運(yùn)行通斷控制閥門(mén)來(lái)代替。目前，可控閘閥的設(shè)計(jì)以電動(dòng)控制為主，將手動(dòng)操作的手輪改為電機(jī)加減速裝置驅(qū)動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)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(jī)構(gòu)的增加，尤其是復(fù)雜的電氣驅(qū)動(dòng)裝置，使閘閥的成本費(fèi)用大大提高，比手動(dòng)閘閥費(fèi)用增加幾倍，甚至十幾倍。而且，由于閘閥運(yùn)行時(shí)阻力大且不穩(wěn)定，用電動(dòng)控制在發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)易引起電機(jī)過(guò)載，自保能力差，須增加附加的過(guò)載保護(hù)環(huán)節(jié)。在井下排水系統(tǒng)中，對(duì)可控閘閥安全可靠性有著更高的要求。遼寧工程技術(shù)大學(xué)152.5 小結(jié)本章提出了井下自動(dòng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案。從井下排水系統(tǒng)的要求和水泵運(yùn)行特性出發(fā)，利用雙位邏輯控制的方法，結(jié)合 PLC 和超聲波液位檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)啟動(dòng)和停止。并根據(jù)用電“避峰就谷”的原則和水泵運(yùn)行“輪班工作制” ，控制系統(tǒng)自動(dòng)合理調(diào)度水泵的運(yùn)行。此外，為使系統(tǒng)可靠、高效運(yùn)行，本論文還將對(duì)可控閘閥進(jìn)行設(shè)計(jì)，并提出可行的方案。遼寧工程技術(shù)大學(xué)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(dòng)排水系統(tǒng)用可控閘閥要適應(yīng)井下環(huán)境，具有安全防爆、運(yùn)行可靠的能力。在大型排水泵站中，由于水泵功率大，揚(yáng)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(yīng)的增加，通徑 DN2OO 的閘閥重量在 200Kg 左右。 [8]因此，可控閘閥設(shè)計(jì)成為自動(dòng)化排水系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。設(shè)計(jì)一種輕便、靈活，控制方便，工作可靠，又適應(yīng)井下特殊的工作環(huán)境的可控閘閥也是本論文一項(xiàng)重要任務(wù)。在對(duì)閘閥功能要求分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本論文提出兩種選擇方案，滿(mǎn)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(guò)程中的作用是配合水泵使系統(tǒng)正常啟動(dòng)運(yùn)行，安全平穩(wěn)停止，并在排水過(guò)程中控制管路流量和壓力。根據(jù)水泵的性能特點(diǎn)和流體力學(xué)的原理，離心式水泵的啟動(dòng)、運(yùn)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(shí)處于最低點(diǎn)，即水泵在零流量時(shí)，功率最低。所以，為了使水泵低功率啟動(dòng)，要在啟動(dòng)前使閘閥關(guān)閉。另外，在無(wú)底閥的排水系統(tǒng)中，為水泵灌水(抽真空)也要求閘閥關(guān)閉。因此，閘閥密封性能的好壞直接影響水泵的啟動(dòng)性能。水泵啟動(dòng)后，工作點(diǎn)要平穩(wěn)地從起始點(diǎn) O 過(guò)渡到額定工作點(diǎn) A，即效率曲線(Q 一 )的最大值對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)。所以，閘閥開(kāi)啟時(shí)，要緩慢?開(kāi)，避免管路中流速、壓力變化劇烈。水泵在停轉(zhuǎn)時(shí)，管路壓力、流量同樣不能變化過(guò)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(guān)閉。另外，為了下次正常啟動(dòng)，閘閥要關(guān)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(dòng)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制方式。遼寧工程技術(shù)大學(xué)173.2 可控閘閥性能要求井下自動(dòng)排水對(duì)可控閘閥有著更高的要求，為適應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，具有防爆功能;(2)可電氣控制，能夠與自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)結(jié)，便于集中控制;(3)體積小、重量輕，便于運(yùn)輸、安裝、維修;(4)符合水泵緩開(kāi)緩閉的要求，關(guān)閉狀態(tài)密封性能良好，不能出現(xiàn)“跑水” 、 “漏水”現(xiàn)象。(5)承壓能力強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足高揚(yáng)程的排水系統(tǒng)應(yīng)用。3.3 液控閘閥設(shè)計(jì)液控閘閥采用手動(dòng)閘閥的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞。但還必須選擇合適的動(dòng)力源來(lái)對(duì)閘閥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，且能夠電控。從礦井具體情況出發(fā)，使自動(dòng)閘閥控制靈活方便，符合井下防爆標(biāo)準(zhǔn)，選擇液壓系統(tǒng)控制是比較可行的方法。3.3.1 設(shè)計(jì)思路通過(guò)液壓系統(tǒng)控制閘閥動(dòng)作，用液壓馬達(dá)代替原有手輪轉(zhuǎn)動(dòng)，提供足夠大的轉(zhuǎn)矩，使絲杠螺母副運(yùn)動(dòng)，達(dá)到傳動(dòng)的目的。 [9]馬達(dá)正反轉(zhuǎn)可以通過(guò)電磁換向閥實(shí)現(xiàn)。選擇低速大扭矩液壓馬達(dá)，使閘閥的開(kāi)閉過(guò)程不至于太快，達(dá)到緩開(kāi)緩閉的要求，而不需要增加減速裝置。而且，可以通過(guò)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的輸出壓力(節(jié)流閥開(kāi)口度)改變馬達(dá)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)閘閥運(yùn)動(dòng)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(dá)開(kāi)式系統(tǒng)，包括電動(dòng)機(jī)(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(dá)、連接管路及閘閥機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(絲杠、螺母)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括液壓馬達(dá)的輸出軸與傳動(dòng)螺母，從實(shí)際情況出發(fā)，井下水泵房一般由多臺(tái)水泵并聯(lián)組成，每臺(tái)水泵都要連接一個(gè)閘閥(主體)。所以可由遼寧工程技術(shù)大學(xué)18一臺(tái)液壓泵站集中控制多個(gè)閘閥。為能夠使某一個(gè)閘閥單獨(dú)運(yùn)動(dòng)或向不同的方向運(yùn)動(dòng)，每一個(gè)閘閥都要再通過(guò)一個(gè)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(dòng)作。圖 3-1 液控閘閥傳動(dòng)系統(tǒng)圖3.3.2 機(jī)械機(jī)構(gòu)自動(dòng)閘閥最終要實(shí)現(xiàn)最基本的通斷功能，對(duì)閘板閥來(lái)說(shuō)，要有機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)將液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殚l板的直線運(yùn)動(dòng)。這一轉(zhuǎn)動(dòng)鏈包括液壓馬達(dá)、螺母、絲杠、閘板，其中，絲杠與閘板的運(yùn)動(dòng)相同。除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外，為了使閘閥正常工作，還要有必要的連接、定位等輔助結(jié)構(gòu)。閘閥的機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)如圖 3 一 2 所示。遼寧工程技術(shù)大學(xué)19圖 3-2 液控閘閥傳動(dòng)部分安裝圖為了使結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)省去了減速裝置。這樣簡(jiǎn)化了傳動(dòng)，不僅使閘閥體積和重量減小，便于運(yùn)輸、安裝及拆裝維修，而且使整個(gè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，運(yùn)行更靈活，增加響應(yīng)速度。液壓馬達(dá)選擇帶有中心通孔軸的的 QJMT40 型鋼球式馬達(dá)。液壓馬達(dá)、傳動(dòng)螺母、絲杠同軸安裝，如圖 3 一 2 所示。3.3.3 機(jī)械特性分析閘閥的運(yùn)行過(guò)程是變負(fù)載的過(guò)程，根據(jù)離心式水泵的管路特性 [10]，水泵啟動(dòng)時(shí)，管路內(nèi)的流量從 0 逐漸上升至額定流量，壓力(揚(yáng)程)從最大 下降至 ，變化量 H 反映到閘閥上轉(zhuǎn)化為負(fù)載力矩的變化OHA? ?，使閘閥運(yùn)行時(shí)，壓力和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動(dòng)。所以，閘閥要有足夠良好LM的機(jī)械特性以適應(yīng)運(yùn)行過(guò)程中負(fù)載的變化。遼寧工程技術(shù)大學(xué)20圖 3-3 節(jié)流液壓調(diào)速回路模型閘閥的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以看作是節(jié)流調(diào)速液壓調(diào)速回路，如圖 3 一3 所示。液壓泵站提供恒壓源 Pp，經(jīng)節(jié)流閥后輸出馬達(dá)的控制壓力 Pm和流量 Qm。若不考慮管路的壓力損失，則通過(guò)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(guān)的系數(shù);a 一節(jié)流閥節(jié)流口的過(guò)流面積;m 一由節(jié)流口形狀決定的指數(shù)，取 m=0.5(近似薄壁孔)轉(zhuǎn)速 n 與負(fù)載 ML、節(jié)流閥通流面積 a 之間的關(guān)系。取 ,0.9??Pp=16Mpa，Qm 產(chǎn) 0.11m/min，a=0.15 ， 。以負(fù)載 ML 橫坐標(biāo)，轉(zhuǎn)速 n2m為=O.11/min, a=0.15 .以負(fù)載 ML 橫坐標(biāo)，轉(zhuǎn)速 n 為縱坐標(biāo)，可以2得出液壓馬達(dá)節(jié)流調(diào)速的機(jī)械特性曲線，如圖 3 一 4 所示。另外，從圖中可以看出如果調(diào)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(fù)載變化時(shí)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速沿曲線變化。負(fù)載恒定時(shí)，調(diào)節(jié) a 則能改變液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速?？梢钥闯銮€越平緩，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化越小。遼寧工程技術(shù)大學(xué)21圖 3-4 液壓馬達(dá)節(jié)流調(diào)速機(jī)械特性3.4 電磁先導(dǎo)式通斷閥設(shè)計(jì)電磁先導(dǎo)式通斷閥用一種新的設(shè)計(jì)思路，從流體力學(xué)原理出發(fā)設(shè)計(jì)的一種具有同樣功能的通斷閥門(mén)。它的主要特點(diǎn)是沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，體積小、重量輕，相應(yīng)快速，通斷性能好。3.4.1 功能原理及設(shè)計(jì)思路因傳統(tǒng)閘閥使用剛性閘板，所以一般要有機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，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(shí)產(chǎn)生彎曲變形?？梢岳眠@一現(xiàn)象，通過(guò)排水系統(tǒng)工作過(guò)程中的流體壓力作用于柔性閘板，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)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(mén)體積與重量。用柔性閘板控制進(jìn)出口通斷，閥板在介質(zhì)壓力下的柔性變形即可起密封作用，無(wú)需機(jī)械傳動(dòng)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)電控，選用電磁換向閥導(dǎo)通系統(tǒng)管路與控制管路。電磁先導(dǎo)式通斷閥通過(guò)系統(tǒng)工作過(guò)程中建立起來(lái)的介質(zhì)壓力，控制柔性閘板的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的通斷。遼寧工程技術(shù)大學(xué)223.4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電磁先導(dǎo)式通斷閥替代傳統(tǒng)閘板閥門(mén)，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(jié)構(gòu)上也應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單。所以，閥門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)前述各功能的基礎(chǔ)上，盡量采取簡(jiǎn)化措施，使結(jié)構(gòu)緊湊，使用安裝方便。根據(jù)閥門(mén)的功能原理，控制部分通過(guò)管路和其他元件控制柔性閘板的運(yùn)動(dòng)，主通路通過(guò)柔性閘板連通進(jìn)出口:控制信號(hào)取自主通路進(jìn)口(通過(guò)電磁換向閥選擇)，主通路中介質(zhì)(少量進(jìn)入控制部分傳遞壓力信號(hào))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(lián)接作用，而在結(jié)構(gòu)上起隔離作用。柔性閘板的運(yùn)動(dòng)是在控制部分的操縱下完成的，同時(shí)又作用于主通路，起開(kāi)關(guān)作用。柔性閘板截?cái)嘀魍愤M(jìn)出口，要受進(jìn)口處介質(zhì)壓力作用;控制部分取進(jìn)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(chǎn)生壓力差，使柔性閘板運(yùn)動(dòng)截?cái)噙M(jìn)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(yùn)動(dòng)空間，使進(jìn)出口接通時(shí)，介質(zhì)能夠以足夠的流量進(jìn)入出口。根據(jù)以上分析，可以確定閥門(mén)接入系統(tǒng)后介質(zhì)流動(dòng)的路線:大部分經(jīng)由主通路進(jìn)入閥體內(nèi)，柔性閘板打開(kāi)后流入出口;少量進(jìn)入控制回路，傳輸壓力信號(hào)。控制部分要有足夠的空間來(lái)儲(chǔ)存帶有壓力信號(hào)的介質(zhì)，即要有壓力腔。壓力腔根據(jù)電磁換向閥的得電情況有兩種狀態(tài):一種與閥門(mén)進(jìn)口接通，引入高壓介質(zhì)，將閥門(mén)阻斷;一種與閥門(mén)出口接通，放出高壓介質(zhì)，連通進(jìn)出口。所以，主通路由進(jìn)口管路和出口管路組成，進(jìn)出口連接處覆蓋柔性閘板。進(jìn)口處引出一枝管路進(jìn)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(jìn)口引入管，八口接入壓力腔，O 口通過(guò)管路接入閥門(mén)出口。柔性閘板與上蓋板之間形成壓力腔。壓力腔內(nèi)為從進(jìn)口出引入的壓力介質(zhì)，通過(guò)電磁閥的選向控制介質(zhì)的進(jìn)或出，來(lái)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(mén)進(jìn)口與電磁換向閥 P 口，電磁閥失電時(shí)，遼寧工程技術(shù)大學(xué)23引入壓力介質(zhì)到壓力腔;另一條連接閥門(mén)出口與電磁換向閥 O 口，電磁閥得電時(shí)，排出壓力腔中介質(zhì)。為保證進(jìn)入電磁換向閥和壓力腔中介質(zhì)的清潔度，在進(jìn)口壓力引入的管路中串入過(guò)濾器。3.4.3 工作原理電磁先導(dǎo)式通斷閥要實(shí)現(xiàn)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(jù)前述的分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電磁先導(dǎo)式通斷閥是應(yīng)用流體壓力控制原理實(shí)現(xiàn)起功能要求。用系統(tǒng)工作過(guò)程中建立起來(lái)的介質(zhì)壓力來(lái)控制閥門(mén)動(dòng)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(lái)自閥門(mén)進(jìn)口處的高壓介質(zhì)進(jìn)入壓力腔，作用于柔性閘板上側(cè);同時(shí)，主通路中介質(zhì)進(jìn)入閥體，作用于柔性閘板下側(cè)。柔性閘板上側(cè)受壓面積大于下側(cè)，覆蓋在閥體出口上，將進(jìn)出口截?cái)?。?dāng)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(zhì)通過(guò)出口導(dǎo)壓管排出，失去壓力;柔性閘板下側(cè)壓力大于上側(cè)，產(chǎn)生向上的彎曲變形，將進(jìn)出口導(dǎo)通，介質(zhì)能夠通過(guò)閥門(mén)流動(dòng)。3.4.4 性能特點(diǎn)電磁先導(dǎo)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(mén)。它沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)，磨損小，使用壽命長(zhǎng)。采用介質(zhì)壓力控制，密封性能良好，提高了工作壓力等級(jí)，可用于高揚(yáng)程的排水系統(tǒng)中。閥門(mén)自帶精密過(guò)濾器，可以在一定程度上用在污水處理系統(tǒng)中。閥門(mén)操作完全使用電控，易于同自動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)集中控制。閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，體積小，重量輕，安裝維修方便。3.5 小結(jié)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(dǎo)式通斷閥，它們有不同的應(yīng)用特點(diǎn)。液控閘閥性能穩(wěn)定，可控性強(qiáng)，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(shù)大學(xué)24閥門(mén)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(yīng)用。電磁先導(dǎo)是通斷閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shù)大學(xué)25第四章 基于 PLC 的泵房自動(dòng)控制排水系統(tǒng)4.1 系統(tǒng)情況概述本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集基于PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)，以操作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的自動(dòng)控制，除每套水泵及相關(guān)設(shè)備外，還進(jìn)行就地/集控的轉(zhuǎn)換。各臺(tái)水泵以位置為單位相互連接、數(shù)據(jù)共享，地面統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一控制，數(shù)據(jù)傳輸使用串聯(lián)方式，多臺(tái)水泵相互連接。電動(dòng)機(jī)的電磁啟動(dòng)器 [11]控制由本系統(tǒng)控制現(xiàn)有設(shè)備的啟動(dòng)、停止;通過(guò)電流、電壓變送器采集工作電流、電壓，且預(yù)留故障反饋輸入點(diǎn)。電動(dòng)閘閥對(duì)改造實(shí)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(nèi)，以減少布線、減少設(shè)備、提高集成度。根據(jù)工況設(shè)定，以及時(shí)間、水位、煤礦用電負(fù)荷等參數(shù)自動(dòng)開(kāi)啟、停止水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，并能實(shí)現(xiàn)泵閥的聯(lián)鎖啟動(dòng)，對(duì)運(yùn)行中的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)接口向上傳送數(shù)據(jù)。水泵運(yùn)行計(jì)量/時(shí)間/運(yùn)行統(tǒng)計(jì):在地面控制站上應(yīng)可分別對(duì)每臺(tái)水泵的運(yùn)行電耗、工作時(shí)間等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于管理人員及時(shí)掌握每臺(tái)水泵的工況?？刂葡到y(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，并具有漢字顯示功能，可自動(dòng)漢字提示故障信號(hào)和系統(tǒng)有關(guān)信息。井下中央泵房現(xiàn)有4 臺(tái)大型水泵，以及QBRG-400 /6 K 礦用隔爆型交流高壓軟啟動(dòng)器2臺(tái)，按控制器一拖二的智能轉(zhuǎn)換原則，設(shè)計(jì)了基于PLC 的井下中央泵房自動(dòng)控制排水系統(tǒng)。自動(dòng)控制排水系統(tǒng)的原理圖見(jiàn)圖4-1