安全监测监控课程设计实例

安全监测监控系统课程设计论文名称：蓄水池变频恒流量抽水自动控制系统设计论文单位：能源学院论文作者：安全工程学 号：指导老师：蓄水池变频恒流量抽水自动控制系统1 设计目的与要求1.1 设计目的对于多数矿井来说， 较大的矿井水被排放到地面后比较难以处理， 自然排放 容易造成环境污染和资源浪费， 而如果二次处理， 成本极高。 所以考虑采用二次 利用的方式能有效的解决矿井水排放问题。本设计利用从井下抽放到地面蓄水池的矿井水进行制浆， 制成的泥浆将会用 于井下灭火和充填。 这样做可以变废为宝， 减少对环境的污染， 有效的解决矿井 水排放处理问题，同时也解决了制泥浆所需水的问题， 降低了制浆的成本。 因此， 这种设计会有很好的经济效益。1.2 设计要求设计对象是某煤矿地面蓄水池， 通过设计一个自动控制系统， 将其中的水抽 出刀制定的制浆设备用于制浆， 实现井下废水的再利用。 该矿井下抽取到地面蓄 水池的水杂质较少， 矿领导设计制浆用水量为 70方/ 小时，可以采用变频器进行 控制，制定一个自动控制系统来实现该功能。设计采用水泵将蓄水池的水抽出到指定设备的系统，具体要求：（一）、能检测抽出的水流量；（二）、形成一个自动恒流控制系统；（三）、能控制水流量为我们的指定值。2 系统结构设计2.1 控制方案根据设计目的和设计要求， 本设计采用变频恒流量抽水方式， 最根本的目的 是将蓄水池中的水抽送至制浆设备中， 在设计中添加流量传感器、 变频执行器和 控制器等将抽水过程进行优化。实现恒流量变频自动控制抽水过程。流量传感器用来监测管路中的流量是否达到生产所需的值； 变频执行器以其 显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩 机等高能耗设备上广泛应用， 在本设计中， 其作用也是一样的， 它是对水泵进行 转速控制的单元 . 变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频 率，完成对调速泵的转速控制；控制器可以实现对抽水过程的灵活控制。对此，选用新型变频调速抽水设备， 该设备将 PID 调节器以及简易可编程控 制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。由于 PID 运算在变频器内部， 这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对 PID 算法的 编程，而且 PID 参数的在线调试非常容易， 这不仅降低了生产成本， 而且大大提 高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压 的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对 该信号设置滤波时间常数， 同时还可对反馈信号进行换算， 使系统的调试非常简 单、方便。2.2 系统结构本系统属于蓄水池变频恒流量抽水自动控制系统， 主要在原本的蓄水池中添 加先进控制设备和辅助设备，二次利用矿井废水，实现废水的再利用。该系统具体有这几部分：抽水泵，传感器，执行器，控制器，还有其他若干 配套设备。由于本设计要求是恒流量型的， 所以传感器使用电磁流量计；执行器 选择变频器，带有PID调节器，变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率 实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。；控制器选择一台PLC控 制器。上述几种设备工作时之间的相互关系的工作系统结构原理图如图2-1 :|A 变频器PID调节器|A PLC控制器 |A水 泵 机 组V|电磁流量计 V图2-1设计系统结构原理图3设备选型3.1传感器传感器选用电磁流量计，电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测 量的流量计。电磁流量计的优点是压损极小， 可测流量范围大。最大流量与最小 流量的比值一般为20： 1以上，适用的工业管径范围宽，最大可达 3m输出信 号和被测流量成线性，精确度较高，可测量电导率 5卩s/cm的酸、碱、盐溶液、 水、污水、腐蚀性液体以及泥浆、矿浆、纸浆等的流体流量。但它不能测量气体、 蒸汽以及纯净水的流量。优点：(1)电磁流量计可用来测量工业导电液体或浆液。(2) 无压力损失。(3) 测量范围大，电磁流量变送器的口径从 2.5 mm到2.6 m。(4) 电磁流量计测量被测流体工作状态下的体积流量，测量原理中不涉及 流体的温度、压力、密度和粘度的影响。缺点：(1)电磁流量计的应用有一定局限性，它只能测量导电介质的液体流量， 不能测量非导电介质的流量，例如气体和水处理较好的供热用水。另外在高温条 件下其衬里需考虑。(2) 电磁流量计是通过测量导电液体的速度确定工作状态下的体积流量。按照计量要求，对于液态介质，应测量质量流量，测量介质流量应涉及到流体的 密度，不同流体介质具有不同的密度，而且随温度变化。如果电磁流量计转换器 不考虑流体密度，仅给出常温状态下的体积流量是不合适的。(3) 电磁流量计用来测量带有污垢的粘性液体时，粘性物或沉淀物附着在测量管内壁或电极上，使变送器输出电势变化，带来测量误差，电极上污垢物达 到一定厚度，可能导致仪表无法测量。选用上海速坤仪表有限公司的智能型电磁流量计，流量适合设计要求的70方每小时。如实物图如图3-1 :图3-1具体技术参数如下如表3-1 :表3-1介质电导率 5 卩 S/cm介质流速推荐流速：0.510m/s，可测量流速：0.115m/s量程范围满量程20mA对应流量规格详见下表，在口径范围内可任意设置精度等级 0.5%，土 1%环境温度-10 C - 50 C介质温度60C（橡胶内衬）、120C（四氟内衬）、180C（四氟内衬）DN1L 50: PNC 4MPaDN6b 200: PNC 1.6MPa工作压力DN25A 1000: PNC 1.0MPaDN120C 2000: PNC 0.6MPaDN220Q PNC 0.25MPa以上各口径如需要更高压力，可以特殊订货AC 220V 50Hz( 90 245VAC 50Hz)电源DC 24V (20 36VDC)DC 3.6V （锂电池供电）防护等级标准型IP65，防水型IP68电极材质316L，He, Hb, Ti，Ta，Pt衬里材质氯丁橡胶，聚四氟乙烯，聚氯乙稀法兰标准GB9119-20003.2执行器变频器（Variable-frequency Drive , VFD是应用变频技术与微电子技术， 通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测 单元微处理单元等组成。变频调速是公认为理想的调速方式，采用变频调速一是为了满足提高劳动生 产效率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等 要求；二是为了节约能源、降低生产成本。变频调速的节能：供水系统采用变频器泵的节能效果明显，节电率达 20%-60%减少无功功率：变频器有效的节省了无功功率消耗的能量。易于控制，控制系统简单化：供水系统变频器的应用使系统更方便控制。设计选用上海肯科电气有限公司的三菱电机变频器，型号为：FR-D700系列变频调速器。如实物图如图3-2 :FR-D700系列变频调速器图3-2技术数据：表3-2变频器适用电机容量（KW）输岀额定容量（KVA）输岀额定电流（A）过载能力电源额定输入交流电压/频率冷却方式FR-D700系列5.5 型（三菱）5.59.112150%60s ,200% 0.5s （反时限特性）3相，380V至480V50Hz/60Hz强制风冷3.3控制器PID（比例（proportion ）、积分（integral ）、微分（derivative ）控制器 作为最早实用化的控制器已有 70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制 器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应 用最为广泛的控制器。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp, Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一 到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp, Ti和Td可以根据过程的 动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统 动态特性变化，PID参数就可以重新整定。本设计选用三菱电机-PLC, FX1S系列PLC相关信息如表3-3 :表3-3模型I/O总数输入输岀数目类型数目类型FX1S-10MR-001106漏型4继电器60*75*90(2.4*3.0*3.5)尺寸mm英寸）（宽）*（厚）*（高）3.4配套设备配套设备如表3-4表3-4元件符号型号个数接触器KMSC-E03-C7闸刀开关QSHD11-100/181熔断器FU1, FU2RT18 6A2FU3RT18 8A1热继电器FR FR2TK-E02T-C2FF3K-E02U-C1按钮SBLAY3-11103.5水泵设计需要两台水泵，一台工作，一台防止工作水泵出问题作为备用水泵。水泵所抽水的流量要满足 70方每小时，选用三昌泵业的DM46-50X 4DM耐 磨多级离心泵。46设计点流量为46m3/h; 50-设计点单级扬程为50m 4级 数为4级性能范围：流量：Q=3.75840m3/h;扬程：H=14680m4电路及管路设计4.1电路设计根据设计系统原理图连接实物图，如图4-11F图4-1本设计的电路图，如图4-2图4-24.2管路设计当管路中流量下降时，变频器输出频率降至增大频率，恢复对水量的闭环调 节，使流量重新达到设定值当管路中的流量增大时，结论变频器输出频率升至 降低频率，恢复对水量的比黄调节，是流量重新达到设定值。实现恒流量量变频 自动控制抽水。结论通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关安全检测监控系统方面的知 识，在设计过程中虽然遇到了一些问题， 但经过一次又一次的思考，一遍又一遍 的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不 足。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。 最终的检查环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程 设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师与同学们的指导下， 终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中， 一定要不懈努力，不能遇 到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在， 然后一一进行解决，只 有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难 而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你 的认可！此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或 上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇 丰。