基于PLC的煤矿排水系统设计培训课件

5.3 基于PLC的煤矿排水系统设计

由于矿井涌水的复杂性和危险性，以及矿井结构布置的不同，故对矿井排水及排水泵的要求比一般机电硐室的要求严格，对排水的可靠性要求较高，必须保证及时排除矿井涌水。因为矿井涌水在井下流动的过程中，混入和溶解了许多矿物质，含有一定数量的煤炭颗粒、流砂等杂质，所以要求排水泵要具有较强的抗腐蚀性和耐磨性;此外，由于排水泵安装在硐室内，硐室空间比地面空间小，安装和维修都不方便，为了保证矿井安全，矿井水泵房要求安装使用、备用、待检的水泵台数较多;再者，矿井排水设备的耗电量很大，一般会占到全矿井总耗电量的25%-35%，有的矿井占到40%，个别矿井会更多。

2.固定排水设备的要求

1) 工作水泵应能在20小时内排出24小时的正常涌水量;备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%;工作和备用水泵的总能力，应在20小时内，排除矿井24小时的最大涌水量;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，在主要泵房内预留安装一定数量水泵的位置，或另外增设水泵。

2) 工作水管的能力应能配合工作水泵在20小时内排出24小时的正常涌水量;工作和备用水管的总能力应能配合工作和备用水泵，在20小时内排出24小时的最大涌水量。

3.移动式排水设备要求

1) 有较好吸水性能，可排除泥水。

2) 水利特性适合流量变化不大而扬程有较大变化的需要。

3) 外形尺寸较小以便转移方便而迅速。

4) 轴线倾斜仍能正常工作。

4.传统控制方法存在的问题

在传统的矿井排水系统中，时刻需要有人值守。传统的靠人工测水位，停开泵的控制方法值班人员很难保持长时间注意力集中，遇到突发事件可能会出现混乱，不能及时做出处理，导致可以避免的生产事故发生。所以靠人工检测的方法已不适应煤炭发展的需要，取而代之的是自动排水系统。

4) 大量涌水情况下启用备用水泵，并报警。在出现大量涌水，正常工作的水泵已经无法完成排水量的情况下，启用备用水泵，必要时启用所有水泵，确保排水顺畅。并且发出报警信号，警告涌水量已经处于危险状态。

5)泵站运行状况监控。排水系统要实现自动控制、无人值守，就要对水泵的各个参数进行监控。这些需要监控的参数包括：电动机工作电流、电动机振动、水泵出口压力、闸阀的开度(全开还是全关)、水泵流量总和。

6) 故障检测与报警。系统应对自身运行情况检测并对泵站的整体工作状态进行判断。不仅在各个单一参数(压力、流量、电压、电流等)超出正常范围时，发出报警信号;启动过程中，如果各种运行参数(真空度、压力等)达不到要求，就不要使系统进入运行状态。水泵运行时，还要能够自动切换，停止故障泵，启动其他泵。

2) 保护功能。系统应具有以下几种保护功能：

①漏水保护，每台水泵均安装真空度变送器，如在规定的注水时间内系统仍未收到真空度达到规定值的信号，则停止启动本台水泵，转为启动下台水泵，并发出故障报警信号;

②流量、压力保护，当水泵启动后或正常运行中，如流量或压力达不到正常值，通过流量、压力保护装置使本台水泵停车，转为启动下台水泵;

③超温保护，水泵长期运行，当水泵轴温或电机温度超出允许值时，通过温度保护装置使水泵停车;

④过流保护，接在主回路里的电流互感器把电流信号送入可编程控制器，由可编程控制器计算、判断电动机工况。当出现过流时，启动相应的保护装置动作;

(1)滤水器和底阀

滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于0.5m。其作用是防止井底沉积的煤泥和杂物吸入泵内，导致水泵被堵塞或被磨损。在滤水器内装有舌型底阀，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。但是现在的排水系统中，为了提高排水效率，减小水泵腐蚀，一般不用底阀，而用射流泵或真空泵为水泵和吸水管注水。本系统采用无底阀排水。

(2)闸阀

调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止阀的下方。其功用为:

(4)压力表和真空表

压力表安装在水泵的排水接管上，为检测排水管中水压大小用。常用的压力表为普通弹簧管压力表，根据其结构特征可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径有60mm， 100mm， 150mm， 200mm和250mm五种。压力表所测出的压力叫做表压力或相对压力，它比绝对压力小1个大气压。

真空表安装在水泵的吸水接管上，为检侧吸水管的真空度用。根据其结构特征也可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径和压力表一样，也分为60、100、150、200和250mm五种。真空表的测量范围为0~0.1MPa(一个大气压)。

2.射流泵工作原理

水泵房排水设备一般安置在水井液面以上，所以水泵启动前的灌水一般采用吸入式。为了减小井水吸入阻力，提高泵站运行效率，吸水管路不宜设置底阀。无底阀吸入式灌水，要采用专门的引水设备，对水泵排水腔和吸水管路进行抽真空，使水泵运行前充满水。

引水设备一般为真空泵或射流泵。真空泵运行效率高，水泵启动快，但需要提供专门的驱动设备。射流泵结构简单，操作方便，根据矿井的地下环境和条件，射流泵的应用更为普遍。其结构包括：喷嘴、吸入室、混合管、扩散管。

射流泵工作时要有高压水源，使喷嘴处产生高速水流，通过虹吸现象使吸入室产生真空，将低处的水吸入水泵内，再启动水泵。射流泵应连接于水泵的最高处。在开启射流泵前，要把水泵排水管上的闸阀关闭。射流泵具有结构简单、占地少、安装容易、工作可靠、维护方便等优点，是一种常用的引水设备，适合井下排水设备使用。

电动阀门控制器

电动阀

几种常见的电磁阀

浸水变送器

5.电磁流量计

电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。

电磁流量计的测量原理是法拉第电磁感应原理，即导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电势，其感应电势E为：

E=KBVD

其中：K——仪表常数;B——磁感应强度;V——测量管道截面内的平均流速;D——测量管道截面的内径。

测量流量时，导电性的液体以速度V流过垂直于流动方向的磁场，导电性液体的流动感出一个平均流速成正比的电压，其感应电压信号通过二个或二个以上与液体直接接触的电极检出，并通过电缆送至转换器通过智能处理，转换成标准信号输出。

电磁流量计具有一系列优良特性，如对脏污水流、腐蚀水流的测量，不会阻塞。适用于测量含固体颗粒的液体，不产生流量检测所造成的压力损失，所测得体积流量不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响，流量范围大，口径范围宽等优点，可以解决其它流量计不易应用的问题，

电磁流量计

由外部接线图可以看出，PLC外部电路没有自锁和互锁功能，因此必要的自锁和互锁均在梯形图中实现。低水位时，一号泵和二号泵没有故障时两者轮流工作，并在程序中实现互锁和自锁，保证一组水泵可靠工作的同时另一组水泵可靠不工作。一组水泵出现故障时，备用泵和故障水泵实现自锁和互锁，保证备用泵可靠工作的同时故障水泵可靠不工作。高水位时，对低水位时自动定时切换的控制部分进行锁定，使其可靠断开，保证两台水泵同时工作，当其中一台出现故障时，备用泵工作的同时对故障水泵进行锁定，使其可靠断开。手动控制信号输入时，将自动部分锁定，系统退出自动，进入手动控制程序，由外部人员实现手动控制。