安全監(jiān)測監(jiān)控課程設(shè)計(jì)

1、安全監(jiān)測監(jiān)控課程設(shè)計(jì)1課程設(shè)計(jì)的要求與目的1.1課程設(shè)計(jì)的目的隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，企業(yè)不斷建設(shè)與改建大型礦井，礦井井底水抽放到地面上處理也越來越不容易。無論從資源利用，經(jīng)濟(jì)效益還是環(huán)境方面考慮煤礦的排水問題，對于礦井排水的二次利用是非常重要的。所以針對這一問題利用傳感器技術(shù)、PLC控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)視頻監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦抽水的自動化，自動啟動水泵進(jìn)行抽水。當(dāng)水位下降到安全值以下時，自動關(guān)閉水泵，實(shí)現(xiàn)水位和流量的實(shí)時監(jiān)控。設(shè)計(jì)礦井排水進(jìn)行制漿是提高煤礦效益，安全生產(chǎn)，降低損失，保護(hù)環(huán)境的最好選擇。1.2課程設(shè)計(jì)的要求設(shè)計(jì)一個礦井抽水系統(tǒng)，利用設(shè)計(jì)的傳感器，控制器，執(zhí)行器可以對輸水管道的水流量進(jìn)行實(shí)

2、時檢測監(jiān)控并且能控制水流量為指定值，形成一個自動恒溫控制系統(tǒng)，采用電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，將礦井井下水抽放到蓄水池，利用蓄水池的礦井水進(jìn)行制漿，用于井下滅火和充填。結(jié)合具體的煤礦相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)按照煤礦安全規(guī)程主要排水設(shè)備應(yīng)符合下列要求：（1）水泵。合理的選擇水泵型號類型，必須有工作和備用檢修的水泵。工作水泵應(yīng)能在20 小時內(nèi)排出礦井24 小時的正常涌水量。備用水泵應(yīng)具備大于工作水泵70%的排水能力。（2）水管。必須有工作和備用的水管。工作水管的能力應(yīng)能配合工作水泵在20小時內(nèi)排出礦井的正常涌水量。工作和備用水管的總能力應(yīng)能配合工作和備用水泵在20 小時內(nèi)排出礦井24 小時內(nèi)最大的涌水量。（3）配電設(shè)備。

3、應(yīng)同工作及備用水泵相適應(yīng)，并能夠同時開動工作和備用水泵。 2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1控制方案煤礦礦井抽水自動控制系統(tǒng)是根據(jù)煤礦礦井的實(shí)際情況，以使設(shè)備在無人干涉的情況下自動運(yùn)行和自我診斷的一套系統(tǒng)。通過工業(yè)計(jì)算機(jī)的決策控制，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行過程進(jìn)行自動檢測、自動控制，利用水位測量計(jì)，傳感器采集，記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到地面中樞電腦控制室對其進(jìn)行分析，對照煤礦排水標(biāo)準(zhǔn)以及煤礦灌漿設(shè)計(jì)需求的供水排水量，將信息處理后通過對控制器傳遞模擬信號，進(jìn)一步對執(zhí)行器傳遞模擬信號來控制管道的輸水情況。設(shè)備列表如下：序號12345678設(shè)備名稱水管流量計(jì)傳感器水泵自動控閥門制計(jì)算機(jī)控制主機(jī)視主機(jī)頻監(jiān)控液位計(jì)作用及相互

4、關(guān)系連接水泵輸送水監(jiān)測水流量反饋給主機(jī)與管道連接監(jiān)測，安裝在井下連接水管抽水執(zhí)行計(jì)算機(jī)傳遞信號控制水流分析傳感器信息根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)自動成像連接管路監(jiān)測水位表1排水系統(tǒng)設(shè)備表2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如下；設(shè)計(jì)統(tǒng)主要在PCL監(jiān)控機(jī)為工作核心在排水的過程中進(jìn)行水泵，管路流量的檢測，壓力檢測，溫度檢測，真空度檢測以及系統(tǒng)的電壓檢測，水位監(jiān)測，工作狀況檢測監(jiān)控。系統(tǒng)由PLC（可編程邏輯控制器）、觸摸屏、檢測部分（模擬量和開關(guān)量采集）和執(zhí)行部分等組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1排水控制系統(tǒng)圖井下排水系統(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。離心式水泵排水系統(tǒng)主要由離心式水泵、電

5、動機(jī)、起動設(shè)備、儀表、管路及管路附件等組成。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O.5m 。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管注水。閘閥調(diào)節(jié)閘閥安裝在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止閥的下方。其功用為:調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程；起動時將它完全關(guān)閉，以降低起動電流。調(diào)節(jié)閘閥的優(yōu)點(diǎn)是流動阻力和關(guān)閉壓力較小，安裝時無方向性，能夠方便地來調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程

6、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，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，其作用為檢修排水管路時放水用。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，或者在未關(guān)閉調(diào)節(jié)閘閥的情況下停泵時，能自動關(guān)閉，切斷水流，使水泵不致受到水力沖擊而遭到損壞。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(dāng)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

7、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。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(jù)其結(jié)構(gòu)特征可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑有60mm,100mm,150mm,200mm和250mm五種。壓力表所測出的壓力叫做表壓力或相對壓力，它比絕對壓力小1個大氣壓。真空表安裝在水泵的吸水接管上，為檢測吸水管的真空度用。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征也可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑和壓力表一樣，也分為6

8、0, 100, 150，和250mm五種。真空表測量范圍為0-0.1 MPa(一個大氣壓)。 射流泵或真空泵離心式水泵在起動前必須將吸水管和泵腔內(nèi)注滿水才能進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，否則水泵轉(zhuǎn)動時將無法吸水，形成“干燒”，嚴(yán)重影響水泵的使用壽命。在無底閥的排水系統(tǒng)中，水泵每次起動都要灌水，這一工作由抽真空設(shè)備完成，一般使用射流泵或真空泵。如圖1-2所示。它們的工作原理不同，但都能在系統(tǒng)中使水泵工作腔達(dá)到一定的真空度，保證系統(tǒng)正常工作。3設(shè)備選型3.1傳感器3.1.1液位傳感器介紹一、超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接受到反射波

9、為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對液位進(jìn)行測量。根據(jù)發(fā)射和接受換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接受各使用一個換能器。下面就單換能器的超聲波傳感器加以介紹。超聲波發(fā)射和接收換能器可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖2所示。 2超聲波液位計(jì)安裝示意圖對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時間為： （式3-1）則 （式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。從以上公式中可以看出，只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的

10、時間間隔，便可以求得待測的液位。超聲波液位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點(diǎn)，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下，它的測量誤差為，檢測液位的范圍為m。本設(shè)計(jì)中采用的是Yjsonic系列的超聲波液位計(jì)，在測量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)物體表面反射后被同一傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時間來計(jì)算傳感器到被測物體的距離。工作特點(diǎn)：采用SMD技術(shù)，提高儀器的可靠性，自動功率調(diào)整，增益控制、溫度補(bǔ)償。先進(jìn)的檢測技術(shù)，豐富的軟件功能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。采用新型的波形計(jì)算技術(shù)，提高儀表的測量精度。具有干擾回波的抑制功能，保證測量數(shù)據(jù)的真實(shí)

11、。16位D/A轉(zhuǎn)換，提高電流輸出的精度和分辨率。傳感器采用四氟乙烯材料，可用于各種腐蝕性場合，多種輸出方式：可編程繼電器輸出、高精度420mA電流輸出、RS-485數(shù)字通信輸出等方式可供選擇。3超聲波液位計(jì)選型設(shè)計(jì)中選用二線制輸出型液位計(jì)，其參數(shù)如下：量程： 03、5、8、10、15、20m精度： 0.25% 盲區(qū)： 0.30.5m溫度： -20+55電源： 24VDC控制： 無輸出： 420mA 二線制防護(hù)等級： IP65顯示方式： 4位LCD二、投入式液位傳感器投入式液位傳感器是將傳感器的探頭投入液體中。利用處于一定深度時液體會產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)這個基本原理制成的。其示意圖如圖4所示。圖4水位

12、計(jì)示意圖圖 5傳感器功能模塊圖具體的來說是:傳感頭根據(jù)水中的壓力與空氣中的壓力差，傳感頭把水位的高度變換成壓力差，再把壓力差轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，該微弱的電信號經(jīng)放大器放大后送A/D變換器，單片機(jī)采集數(shù)字信號經(jīng)運(yùn)算處理后，輸出的水位高度用數(shù)碼管來顯示，同時輸出對應(yīng)的輸出信號。其內(nèi)部的功能模塊圖如圖5。3.1執(zhí)行器3.3 井下中央控制器井下控制器是本項(xiàng)目自主研發(fā)的主要設(shè)備，也是整個控制系統(tǒng)的核心部分。從處理器芯片選擇到電路設(shè)計(jì)再到接口設(shè)計(jì)并制板，都是在實(shí)驗(yàn)室中完成的。然后設(shè)計(jì)該控制器的軟件程序，通過功能調(diào)試之后，加上外殼封裝而成。本控制器選用選擇Philips 公司的LPC2368 芯片（ ARM

13、7 系列產(chǎn)品）作為處理器，通過CAN 總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時通訊，采用SD 卡(FAT32 文件系統(tǒng))作為數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，搭載井上監(jiān)控設(shè)備（工控機(jī)）、井下傳感設(shè)備（流量儀和液位計(jì)）以及配用礦井原有的水泵站構(gòu)成具有實(shí)時通訊和數(shù)據(jù)檢索功能的監(jiān)測及自動排水控制裝置?？刂破鲗?shí)現(xiàn)的功能為：讀取流量計(jì)和液位計(jì)的數(shù)據(jù)之后，通過運(yùn)算處理監(jiān)控水池的水位，并實(shí)時記錄并顯示水池水情、發(fā)送日常水位情報(bào)信息以及異常狀態(tài)信息。同時，能自動識別水池水位，在水位超出需要高度時自動抽排，并使用無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸手段實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。采用嵌入式控制器的主要優(yōu)點(diǎn)是：功耗極低，工作可靠，無常規(guī)操作系統(tǒng)下易受破壞的困擾。3.4 配套設(shè)備數(shù)字

14、監(jiān)控系統(tǒng)(JDVR)可集音視頻數(shù)據(jù)實(shí)時采集與壓縮、聯(lián)動報(bào)警、輔助設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制等于一體，數(shù)據(jù)壓縮采用H.264算法，聲音與畫質(zhì)非常清晰、可將現(xiàn)場情況錄制在硬盤中，以便于在需要的情況下回查。 選用PCL控機(jī)作為系統(tǒng)工況的監(jiān)控機(jī)使用,配備監(jiān)控設(shè)施監(jiān)控抽水工作狀況，系統(tǒng)采用研華原裝IPC-610P 工控計(jì)算機(jī)、6114P4 無源底板、250W 工業(yè)電源等工業(yè)級組件，配合Intel PIII CPU 128512M 內(nèi)存，80G 硬盤等配件，經(jīng)過1248 小時整機(jī)老化，構(gòu)成可靠、安全的、高性能的PIII 級工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控。3.5水泵離心式水泵只有在泵殼內(nèi)充滿水的情況下允許啟動，通常采用

15、的方法是打開逆止閥旁通道上的截止閥（或注水電磁閥）讓排水管道中的壓力水注入泵體，泵體內(nèi)的空氣從放氣旋塞排出。這種方法要求水泵必須裝設(shè)底閥。在排水過程中，底閥產(chǎn)生一定的水力損失使水泵的電耗增加、效率降低。為了取消底閥、增加吸水高度、便于自動控制，還可采用以下充水裝置。用真空泵抽真空吸水在多臺大泵集中排水的情況下，可設(shè)置兩臺真空泵專為大泵抽真空吸水。一般采用SZ型、SZB型、SZH型水環(huán)式真空泵。在本系統(tǒng)中采用的是SZ水環(huán)式真空泵。 在正常情況下，為了加快充水過程兩臺真空泵同時對一臺水泵抽氣。當(dāng)一臺真空泵發(fā)生故障時，另一臺仍能擔(dān)負(fù)抽氣的任務(wù)。抽氣管經(jīng)過電磁閥與每臺水泵進(jìn)水端的放氣孔相接，管路接頭處

16、要保證嚴(yán)密。由于真空泵在工作時會發(fā)熱，及一部分工作液（水環(huán)）隨氣體一起排走，所以應(yīng)不斷地向真空泵補(bǔ)充清水。其參數(shù)如表2所示。型號 真空最大吸氣量 壓縮機(jī)最大排氣量(m3/h) 電機(jī)功率(Kw) 轉(zhuǎn)速r/min 水耗量L/min 最大真空度% 當(dāng)真空度為 當(dāng)壓力為(Mpa) 0% 40% 60% 80% 90% 0 0.05 0.08 0.1 0.15 真空泵 壓縮機(jī) SZ-11.50.640.40.12-1.51-45.514401084SZ-23.41.650.950.25-3.42.621.5-7.51114403087SZ-311.56.83.61.50.511.59.28.57.53.

17、522379807092SZ-42717.6113-272620169.5759074010093表2 SZ水環(huán)式真空泵的性能參數(shù)1-抽氣管；2-電磁閥；3-真空表；4-水環(huán)式真空泵；5-補(bǔ)水水管；6-排氣軟管圖6真空泵的安裝示意圖 4電路及管路設(shè)計(jì)4.1電路設(shè)計(jì)井下排水自控系統(tǒng)中顯示操作臺的輸入信號、各閥門開關(guān)到位信號和傳感器的 420mA 電流信號等均通過航空電纜從 PLC 防爆箱的喇叭嘴接入，連接到數(shù)字量和模擬量輸入模塊上。數(shù)字量輸出模塊的輸出信號同樣需要通過航空電纜從喇叭嘴連接到各執(zhí)行設(shè)備。CPU226CN 模塊上的 RS485 接口與顯示操作臺上的文本顯示器相連接，可為文本顯示器提供

18、各設(shè)備的狀態(tài)顯示信號。CP243-1 模塊的以太網(wǎng)接口通過網(wǎng)線連接到光纖分線盒，將工業(yè)以太網(wǎng)信號轉(zhuǎn)換為光信號，光纖連接到地面監(jiān)控室后接入地面上的光纖接線盒，光信號被再次轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)信號，其后將其并入工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)再連接到上位機(jī)。圖7排水電路圖4.2管路設(shè)計(jì)如下圖所示的管路圖圖8管路圖由上圖我們可以看出，每臺水泵均與 1#主排水管路和 2#副排水管路連接，并分別在支路上安裝有排水閘閥，在排空管路上安裝有主、副真空閥。另外，主副排水管路均安裝有流量傳感器，每臺水泵出水口安裝有正壓力傳感器，水泵吸水口安裝有負(fù)壓力傳感器來檢測水泵的真空度，在水泵電機(jī)安裝 PT100 溫度傳感器，檢測電機(jī)軸溫和水泵軸溫，所有傳感器的信號電流均為 4mA20mA。在水倉中安裝有兩套液位傳感