安全监测监控课程设计
1课程设计的要求与目的 1.1课程设计的目的
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。
1.2课程设计的要求
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。
2系统结构设计 2.1控制方案
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排水系统设备表
2.2系统结构
系统结构简图如下；
设计统主要在PCL监控机为工作核心在排水的过程中进行水泵，管路流量的检测，压力检测，温度检测，真空度检测以及系统的电压检测，水位监测，工作状况检测监控。
系统由PLC（可编程逻辑控制器）、触摸屏、检测部分（模拟量和开关量采集）和执行部分等组成，其硬件结构如图1所示。
图1排水控制系统图
井下排水系统一般采用离心式水泵，一些小型煤矿或浅水井临时排水系统也采用潜水泵。离心式水泵排水系统主要由离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成。 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O.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。 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:
①调节水泵的流量和扬程；
②起动时将它完全关闭，以降低起动电流。
调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小，安装时无方向性，能够方便地来调节水泵的流量和扬程等。其缺点是密封面容易擦伤，检修较为困难，高度尺寸较大，在安装位置受到限制时，安装不便，结构较复杂，价格较高。
放水闸阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上，其作用为检修排水管路时放水用。 ③逆止阀
逆止阀安装在调节闸阀的上方，其作用是当水泵突然停止运转(如突然停电)时，或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时，能自动关闭，切断水流，使水泵不致受到水力冲击而遭到损坏。 ④灌引水漏斗、放气栓和旁通管
灌引水漏斗是在水泵初次起动时，向水泵和吸水管中灌引水用。在向
水泵和吸水管中灌引水时，要通过放气栓(又叫气嘴)将水泵和吸水管中的空气放掉。
当排水管中有存水时，也可通过旁通管向水泵和吸水管中灌引水，此时要将旁通管上的阀门打开。此外，还可通过旁通管，利用排水管中的压力水的反冲作用，冲掉积存于水泵流通部分和附着于滤水器上的杂物，但此时须通过连接在底阀上的铁丝或链条将底阀提起。 ⑤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，为检测吸水管的真空度用。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，和250mm五种。真空表测量范围为0--0.1 MPa(一个大气压)。 ⑥射流泵或真空泵
离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵腔内注满水才能进入运行状态，否则水泵转动时将无法吸水，形成“干烧”，严重影响水泵的使用寿命。在无底阀的排水系统中，水泵每次起动都要灌水，这一工作由抽真空设备完成，一般使用射流泵或真空泵。如图1-2所示。它们的工作原理不同，但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真空度，
保证系统正常工作。
3设备选型 3.1传感器
3.1.1液位传感器介绍
一、超声波液位传感器
超声波液位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声波脉冲开始，到接受到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对液位进行测量。根据发射和接受换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接受各使用一个换能器。
下面就单换能器的超声波传感器加以介绍。
超声波发射和接收换能器可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图2所示。
2超声波液位计安装示意图
对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换
能器的时间为：
2h
cct
则 h=
2
t= （式3-1） （式3-2）
式中： h —换能器距液面的距离； c —超声波在介质中的传播速度。
从以上公式中可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的液位。
超声波液位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会产生较大的误差。在一般使用条件下，它的测量误差为±0.1%，检测液位的范围为10-2～104m。
本设计中采用的是Yjsonic系列的超声波液位计，在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。
工作特点：采用SMD技术，提高仪器的可靠性，自动功率调整，增益控制、温度补偿。先进的检测技术，丰富的软件功能适应各种复杂环境。采用新型的波形计算技术，提高仪表的测量精度。具有干扰回波的抑制功能，保证测量数据的真实。16位D/A转换，提高电流输出的精度和分辨率。传感器采用四氟乙烯材料，可用于各种腐蚀性场合，多种输出方式：可编程继电器输出、高精度4～20mA电流输出、RS-485数字通信输出等方式可供选择。
3超声波液位计选型
设计中选用二线制输出型液位计，其参数如下： 量程： 0～3、5、8、10、15、20m 精度： 0.25% 盲区： 0.3～0.5m 温度： -20℃～+55℃ 电源： 24VDC 控制： 无
输出： 4～20mA 二线制 防护等级： IP65 显示方式： 4位LCD 二、投入式液位传感器
投入式液位传感器是将传感器的探头投入液体中。利用处于一定深度时液体会产生一定的压强这个基本原理制成的。其示意图如图4所示。
图4水位计示意图
图 5传感器功能模块图
具体的来说是:传感头根据水中的压力与空气中的压力差，传感头把水位的高度变换成压力差，再把压力差转换成微弱的电信号，该微弱的电信号经放大器放大后送A/D变换器，单片机采集数字信号经运算处理后，输出的水位高度用数码管来显示，同时输出对应的输出信号。其内部的功能模块图如图5。
7809+6V -6V传感探头
检测电桥
放大电路
振荡器EPROMA/D单
片机
电流输出
3.1执行器
3.3 井下中央控制器
井下控制器是本项目自主研发的主要设备，也是整个控制系统的核心部分。从处理器芯片选择到电路设计再到接口设计并制板，都是在实验室中完成的。然后设计该控制器的软件程序，通过功能调试之后，加上外壳封装而成。
本控制器选用选择Philips 公司的LPC2368 芯片（ ARM7 系列产品）作为处理器，通过CAN 总线实现现场数据的实时通讯，采用SD 卡(FAT32 文件系统)作为数据存储设备，搭载井上监控设备（工控机）、井下传感设备（流量仪和液位计）以及配用矿井原有的水泵站构成具有实时通讯和数据检索功能的监测及自动排水控制装置。
控制器实现的功能为：读取流量计和液位计的数据之后，通过运算处理监控水池的水位，并实时记录并显示水池水情、发送日常水位情报信息以及异常状态信息。同时，能自动识别水池水位，在水位超出需要高度时自动抽排，并使用无线技术和网络传输手段实现远程监控。
采用嵌入式控制器的主要优点是：功耗极低，工作可靠，无常规操作系统下易受破坏的困扰。 3.4 配套设备
数字监控系统(JDVR)可集音视频数据实时采集与压缩、联动报警、辅助设备控制、网络远程控制等于一体，数据压缩采用H.264算法，声音与画质非常清晰、可将现场情况录制在硬盘中，以便于在需要的情
况下回查。
选用PCL控机作为系统工况的监控机使用,配备监控设施监控抽水工作状况，系统采用研华原装IPC-610P 工控计算机、6114P4 无源底板、250W 工业电源等工业级组件，配合Intel PIII CPU 128~512M 内存，80G 硬盘等配件，经过12~48 小时整机老化，构成可靠、安全的、高性能的PIII 级工业控制计算机作为监控。
3.5水泵
离心式水泵只有在泵壳内充满水的情况下允许启动，通常采用的方法是打开逆止阀旁通道上的截止阀（或注水电磁阀）让排水管道中的压力水注入泵体，泵体内的空气从放气旋塞排出。这种方法要求水泵必须装设底阀。在排水过程中，底阀产生一定的水力损失使水泵的电耗增加、效率降低。为了取消底阀、增加吸水高度、便于自动控制，还可采用以下充水装置。 用真空泵抽真空吸水
在多台大泵集中排水的情况下，可设置两台真空泵专为大泵抽真空吸水。一般采用SZ型、SZB型、SZH型水环式真空泵。在本系统中采用的是SZ水环式真空泵。
在正常情况下，为了加快充水过程两台真空泵同时对一台水泵抽气。当一台真空泵发生故障时，另一台仍能担负抽气的任务。抽气管经过电磁阀与每台水泵进水端的放气孔相接，管路接头处要保证严密。由
于真空泵在工作时会发热，及一部分工作液（水环）随气体一起排走，所以应不断地向真空泵补充清水。其参数如表2所示。
表2 SZ水环式真空泵的性能参数
1抽气管
接进水管放气孔
1-抽气管；2-电磁阀；3-真空表；4-水环式真空泵；5-补水水管；6-排气软管
图6真空泵的安装示意图
4电路及管路设计 4.1电路设计
井下排水自控系统中显示操作台的输入信号、各阀门开关到位信号和传感器的 4～20mA 电流信号等均通过航空电缆从 PLC 防爆箱的喇叭嘴接入，连接到数字量和模拟量输入模块上。数字量输出模块的输出信号同样需要通过航空电缆从喇叭嘴连接到各执行设备。CPU226CN 模块上的 RS485 接口与显示操作台上的文本显示器相连接，可为文本显示器提供各设备的状态显示信号。CP243-1 模块的以太网接口通过网线连接到光纤分线盒，将工业以太网信号转换为光信号，光纤连接到地面监控室后接入地面上的光纤接线盒，光信号被再次转换为工业以太网信号，其后将其并入工业以太网交换机再连接到上位机。
图7排水电路图
4.2管路设计
如下图所示的管路图
图8管路图
由上图我们可以看出，每台水泵均与 1#主排水管路和 2#副排水管路连接，并分别在支路上安装有排水闸阀，在排空管路上安装有主、副真空阀。另外，主副排水管路均安装有流量传感器，每台水泵出水口安装有正压力传感器，水泵吸水口安装有负压力传感器来检测水泵的真空度，在水泵电机安装 PT100 温度传感器，检测电机轴温和水泵轴温，所有传感器的信号电流均为 4mA～20mA。在水仓中安装有两套液位传感器，一套为超声波传感器，用来检测水仓水位的细微变化，可在文本显示器和上位机组态监控系统显示具体的数值，主要用来判断水位的上升、下降趋势，另一套为本安式数字液位开关，即是 3 套浮球液位开关，根据浮球的浮沉情况设置了 4 个液位高度，使系统能根据水位变化情况自动开停水泵等。
结论
通过本次安全监测监控的课程设计，使自己对煤矿井下的自动抽，排水系统有了一定的认识。结合课本所学知识与上课内容，上网查资料对一些检测监控设备原理，功能，作用从新的了解，对矿井自动排水系统有一个整体的补充认识，弥补了单纯课本学习的不足。当然，设计过程中也有一些不合理的地方需要我们向其他同学讨教学习。