1、摘 要排水设备是煤矿生产中必不可少的大型固定设备。一个完整的井下排水系统最核心的部分是对水泵的控制，充分考虑周围环境的积水，根据水位的变化控制水泵的启停时间，启停台数，从而达到节能的目的。本次设计运用了自动控制系统与矿井排水系统的结合，以西门子S7-200系列PLC作为控制中心，并扩展了必要的CPU模块一个，数字量输入/输出模块两个，模拟量输入模块五个。本文采用了自动控制和手动控制两种控制模式，能够根据不同情况选择控制方式。自动模式下，实时测量水仓的水位变化，根据水位的高低和水位变化的速度，并充分考虑“避峰就谷”的原则，自动控制开启水泵的时间和台数，保证安全可靠的基础上，尽可能降低电力消耗成本
2、，节约能量，从而实现经济高效的煤矿生产。关键词：井下排水系统； PLC； 自动控制；节能I ABSTRACTDrainage equipment is essential for coal production and large fixed equipment. A complete underground drainage system is the core part is the pump control, give full consideration to water environment, according to the changes in the water level
3、control of water pump of start stop time, start and stop units, so as to achieve energy-saving purpose.This design using combination and automatic control system of mine drainage system, takes the Siemens S7-200 series PLC as the control center, and expanded the necessary CPU module a, digital input
4、 / output module two. Simulation input module five.This paper adopts two control modes, automatic control and manual control, and can choose the control mode according to different circumstances. Automatic mode, real-time measurements of water tank water level changes, according to the speed of the
5、height of the water level and water level changes, and give full consideration to the peak averting Valley of the principle of automatic control opening time and the volume of the pump, to ensure the safe and reliable basis, as far as possible reduce the power consumption of the, energy saving, so a
6、s to realize the economic efficiency of coal mine production.Keywords: downhole drainage system; PLC; automatic control; energy saving1目录1绪论11.1引言11.2 本课题的意义和目的11.3 本设计主要研究的内容11.4小结22.煤矿井下水泵房自动化监控系统概述32.1煤矿井下排水系统组成32.2离心式水泵排水系统42.2.1 离心泵排水系统组成部分42.2.2 真空泵的工作原理42.2.3真空泵的特点42.3离心式水泵的启停过程52.3.1 启动过程52.
7、3.2 停机过程52.4可编程控制器PLC52.4.1PLC的系统组成52.4.2PLC的工作原理62.5主排水控制系统82.5.1排水系统原理82.5.2系统组成82.6小结93主排水自动控制系统的硬件设计103.1主排水自控系统主要设备选型103.1.1主要硬件选型103.1.2 PLC 的选型113.2各模块地址分配143.3排水自动控制系统硬件连接173.4 小结234 自动控制系统的程序设计244.1主程序的编程244.2水位判断254.3 水泵轮换工作264.4 模拟量采集284.5 避峰就谷原则314.6 自动控制334.8小结345 PLC控制系统的可靠性设计355.1 影响P
8、LC控制系统可靠性的因素及措施355.1.1 电源的抗干扰措施355.1.2 布线的抗干扰措施355.1.3 来自接地系统混乱的抗干扰措施355.1.4 强烈干扰环境中的措施365.1.5PLC输出的可靠性措施365.2 小结366 总结37致谢38参考文献39附录A41附录B491绪论1.1引言中国经济发展经过近30年的快速增长后，其增长速度受资源、能源的约束已经越来越明显，能源供求矛盾日益突出，环境污染严重。水泵是国民经济中应用最广泛、最普遍的常用机械，是各种流体装置中不可替代的设备。根据统计，我国大约有20%的电能用于各类水泵的驱动，2012年全年用电量为50 000亿kWh，其中水泵装
9、置用电量约为10 000亿kWh。目前我国未改造的水泵效率平均比国外的先进水平低百分之三到百分之五，整个泵站系统的效率同比大概低百分之二十。在这样的背景下，推广应用水泵节能技术，既符合我国节能减排的国策，也能为企业带来可观的经济效益，具有非常重大的现实意义。在国外，矿井排水系统的技术起步较早，发展较为迅速，很多现场的总线监控系统己经发展很成熟，而且在生产和安全监控方面已得到广泛应用。如德国的基于GEMATI2900的煤矿排水监控系统、美国在HONEYWELL公司研究的煤矿排水安全监控系统等。 1.2 本课题的意义和目的新形势下，随着市场经济的飞速发展，中国低碳节能的经济目标的提出，与泵类搭配使
10、用的马达的用电量大致是全国耗电总量的两成由于过去水泵的效率比较低，致使资源的浪费问题严重。如何提高水泵的运转效率，是考虑水泵节能的首要工作，这成为当今势必考量的话题。该设计的目的以及意义就是通过分析煤矿井下排水泵的节能方法，找出一种最适合的节能途径，力求做到能源消耗最少，使泵的排水效率实现最大化。1.3 本设计主要研究的内容针对目前我国煤矿井下排水系统的现状，本课题研制开发适合我国煤矿的井下自动排水系统。主要研究内容包括：1.根据排水系统控制要求进行PLC硬件选型和软件的设计。2.根据水仓水位系统可以自动控制启停水泵的时间、台数、轮换工作。3.根据水仓水位条件按照“避峰填谷”的原则启停水泵。4
11、.对排水系统设备运行、保护等参数进行实时监测和传送。5.发生故障时，启动故障处理功能。1.4小结这一章先是介绍了中国煤矿井下排水泵的发展，明确矿井排水的重要性。然后分别介绍了煤矿井下排水自动控制系统在国内外的研究状况，最后根据目前煤矿排水系统所面临的的问题，要求对排水系统分析，寻求水泵节能的最优方法，提出改进方法，提出本文研究的主要内容。12.煤矿井下水泵房自动化监控系统概述2.1煤矿井下排水系统组成 本节对煤矿井下排水系统做了相应的介绍，其中矿井的排水系统中有下面几个部分:水泵房、水仓、排水管道、水泵和供电系统。 (1)水泵房 水泵房是安设矿井主要排水设备的机器房。要求紧固、干燥、照明和通风
12、良好;便于设备的运转与维修;无火灾及爆炸气体钻入其中的危险;设有在必要时能严密封闭的防水、防火门和两条出入通道。它还经吸水井与水仓相通，位于井底车场附近。(2)水仓水仓是矿井下的贮水池和沉淀池，分为主仓和副仓，便于轮流清理淤泥杂物，以保证水仓容量的有效性。水泵从水仓吸水。矿坑水顺排水沟流动时速度很大，其中带有很多泥沙微粒和碎小的木屑，因水仓面积大使上述带来的泥沙逐渐沉于底部，使进入水泵的水洁净，以延长水泵使用期。水仓需要定期清淤。(3)排水管道主排水管路必需设工作水管和备用水管这两种水管。排水管道的管径要与水泵能力相匹配，其趟数要与总设计排水能力相匹配，其壁厚要与相应的扬程相适应。排水管路必须
13、能承受内水静压、水锤动压、钢管自重和温度应力叠加产生的载荷。(4)水泵水泵按排水方式可分为压入式排水和吸入式排水。压入式排水是指被排的水面比水泵的吸水口高的排水方式，它起动方便，但要求机电设备有很高的可靠性，要求水仓围沿没有裂隙。如果水泵或电气设备出了故障，严重时会造成淹泵房和矿井的事故。因此，国内煤矿很少采用;煤矿广泛采用的排水方式是吸入式排水，吸入式排水比压入式排水安全可靠，但它需要起动设备，排水系统效率不如压入式排水高。选择水泵的类型的时候要根据扬程、排水量和相适应的管径及电动机的形式、电压等结合到一起来考虑。(5)供电系统供电系统需与水泵的供电负荷相对应，并保证双电源双回路供电，以便一
14、路电源发生故障时，另一路电源能立即供电，保障排水系统的不间断正常工作。2.2离心式水泵排水系统2.2.1 离心泵排水系统组成部分离心式水泵排水系统的主要组成部分有：离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成。排水系统图2.11-水仓；2-真空表；3-压力表；4-调节闸阀；5-逆止阀；6-水泵；7-电机；8-电磁阀；9-真空泵；10-排空阀图2.1 排水系统图Figure 2.1 drainage system2.2.2 真空泵的工作原理 真空泵常用与大型水泵的注水。其抽气速率比射流泵快，可在短时间内使泵灌满水。水环式真空泵是最常用的一种，真空泵转动后，把泵腔内吸水管内的空气抽出，
15、形成一定真空，泵腔与吸水面形成压力差，水就进入泵腔。图2.1 真空泵结构图Fig. 2.1 structure diagram of vacuum pump2.2.3真空泵的特点抽气速率快，可在短时间内使泵灌满水，不受压力水源控制，应用广泛。采用真空泵注水，可实现无底阀排水，这样就可以减少吸水管路的阻力损失，达到了节能的目的，对于水泵的防止空蚀也是有利的。适合井下排水设备使用。我国煤矿井下很多大型煤矿都选用真空泵做引水设备。 2.3离心式水泵的启停过程2.3.1 启动过程首先是监测水仓的水位，当水仓的水位达到预设的水位标准时，通过控制射流泵的电磁阀线圈，打开喷射泵为离心式水泵注水。射流泵的工作会使水泵入口处的真空度增加，离心泵的腔体会在大气压力的作用下被配水井中的水注满，当水泵入口处的真空度达到理论值后，水泵机组的电动机触电接通使水泵被开启。此后水泵出口压力将慢慢增加，当达到一定值时就不会再增加，此时开启该水泵的电动闸阀，使得这个水泵进行排水，同时关闭射流泵停止
