矿井监测监控系统设计

1 设计目的与要求

1.1 设计目的

随着煤炭行业的发展，企业不断建设与改建大型矿井，矿井井底水抽放到地面上处理也越来越不容易。无论从资源利用，经济效益还是环境方面考虑煤矿的排水问题，对于矿井排水的二次利用是非常重要的。所以针对这一问题利用传感器技术、PLC控制技术、计算机视频监控技术，实现煤矿抽水的自动化，自动启动水泵进行抽水。当水位下降到安全值以下时，自动关闭水泵，实现水位和流量的实时监控。设计矿井排水进行制浆是提高煤矿效益，安全生产，降低损失，保护环境的最好选择。

对于多数矿井来说，较大的矿井水被排放到地面后比较难以处理，自然排放容易造成环境污染，二次处理成本极高，采用二次利用的方式能有效的解决矿井水排放问题。

本次我们采用电动调节阀进行控制，设计了一个自动控制系统，主要用于自动控制从井下抽放到地面蓄水池的矿井水，从而进行制浆，制成的泥浆将会用于井下灭火和充填。

1.2 设计要求

设计一个矿井抽水系统，利用设计的传感器，控制器，执行器可以对输水管道的水流量进行实时检测监控并且能控制水流量为指定值，形成一个自动恒温控制系统，采用电动调节阀进行控制，将矿井井下水抽放到蓄水池，利用蓄水池的矿井水进行制浆，用于井下灭火和充填。结合具体的煤矿相关标准按照《煤矿安全规程》主要排水设备应符合下列要求：

（1）水泵。合理的选择水泵型号类型，必须有工作和备用检修的水泵。工作水泵应能在20 小时内排出矿井24 小时的正常涌水量。备用水泵应具备大于工作水泵70%的排水能力。

（2）水管。必须有工作和备用的水管。工作水管的能力应能配合工作水泵在20小时内排出矿井的正常涌水量。工作和备用水管的总能力应能配合工作和备用水泵在20 小时内排出矿井24 小时内最大的涌水量。

（3）配电设备。应同工作及备用水泵相适应，并能够同时开动工作和备用水泵。

同时设计应保证采用适当的水泵将地面蓄水池的水抽到制浆机中，达到制浆灭火和充填的目的。对于系统中各个器件有以下要求：

1) 传感器可以检测到抽出水的流量；

2) 控制器能自动控制指定的水流量，已达到恒流为50方/小时；

此次设计的控制系统采用变频器执行来实现自动恒流控制。

2 系统结构设计

2.1 控制方案

此次设计的主要目的在于能够实现自动恒流控制，因此在系统中，采用流量传感器将流量信息传输给控制器，控制器根据数据信息判别当前是否为恒流，以及实际流量和标准50方/小时的大小关系，然后将信息传输给执行器，由执行器控制水泵的功率，从而根据实际情况来增大或者减小频率，以达到恒流为 50方/小时。煤矿矿井抽水自动控制系统是根据煤矿矿井的实际情况，以使设备在无人干涉的情况下自动运行和自我诊断的一套系统。通过工业计算机的决策控制，对设备的运行状态、运行过程进行自动检测、自动控制，利用水位测量计，传感器采集，记录的相关数据传送到地面中枢电脑控制室对其进行分析，对照煤矿排水标准以及煤矿灌浆设计需求的供水排水量，将信息处理后通过对控制器传递模拟信号，进一步对执行器传递模拟信号来控制管道的输水情况。设备列表如下：

表1 系统设备列表

2.2 系统结构

图1系统主要结构图

考虑到经济方面和环境保护方面的因素，我们把从井下抽出来的水源先预存到蓄水池中，然后采用我们设计的自动恒流控制系统，将井下水源进行制浆，主要用于井下灭火和制浆。

如上图所示：用水泵将蓄水池中的水通向制浆机中，在水泵和制浆机中间有一个传感器，这个传感器主要用于流量的判别（控制流量为50方/小时），传感器将流量信息传输给控制器，控制器根据实际情况将需要改变的信息传输到执行器，执行器根据控制器传输的信息来控制水泵，从而达到增大、减小或者不改变水流大小的目的。

3 设备选型

3.1 传感器

根据设计要求选择分体式电磁流量传感器。电磁流量传感器是由电磁流量计和电磁流量转换器组成，基于法拉第电磁感应定律用于测量导电液体与浆液的瞬时流量与体积流量。

分体式电磁流量传感器有许多优点，其中它的传感器与转换器为各自独立结构，传感器装在管道上，转换器可安装在离传感器 200m 以内的场所；测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液固二相流体，如纸浆、泥浆、污水等；不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好；所测得体积流量

实际上不受流体密度、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；可应用腐蚀性流体。而且其使用寿命长，价格合适。

最终选择的分体式电磁流量计，如下图：

图3分体式电磁流量计

其技术参数如下：

仪表规格 SURE1031-2

转换器形式分体式

执行标准 JB/T9248-1999

精度等级 1 级或 0.5 级

介质电导率＞5μs/cm

可测最低流速 0.1 米/秒

可测最高流速 15 米/秒

量程比 1:20，可订制

显示器标配

信号输出脉冲或 4-20mA

供电电源 220VAC 或+24VDC

通讯接口可选 RS485

通讯协议 MODBUS、 HART、 Profibus

防爆等级 Exd[ia]qIICT5

防护等级 IP65，可选 IP68

仪表通经 DN6~DN2000

安装方式法兰安装，可选法兰夹持

公称压力 1.6MPa 或订制

介质温度＜180℃

环境温度 -30℃-60℃

3.2 执行器

本次设计选择电动控制阀，电动控制阀是一种以电磁阀为向导阀的水力操作

式阀门。其图片如右图所示：

工作过程是当阀门从进口端给水时，水流流过针阀进入主阀控制室，当电磁导阀打开时，控制室内的水经电磁导阀、球阀流出。球阀开度大于针阀开度，主阀控制室内压力很低，主阀处于全开状态。当电磁导阀关闭时，主阀控制室的水不能流出，控制室升压，推动膜片关闭主阀。

电动控制阀的优点：

1)600X电动控制阀前要安装过滤器，并应便于排污的要求；

2)600X电动控制阀是一种利用水自润式阀体，无须另加机油润滑，如遇主阀内零部件损坏时，请按规定进行拆卸；

3.3 控制器

控制器是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

1 控制器的分类