煤矿自动排水控制系统设计（流量90 m3h，扬程100m）

本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：煤矿自动排水控制系统设计（流量 90 m3/h，扬程 100m）学 院： 机械工程学院 专 业： 工程机械 班 级： 机自 075 班 学 号： 070803110196 学生姓名： 陈明荣 指导教师： 钱宏琦 2011 年 6 月 7 日贵州大学本科毕业论文（设计）贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计） ，是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 陈明荣 日 期： 2011 年 6 月 7 日 贵 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 I 页目 录摘 要 IVAbstract V第一章 前 言 .11.1 排水在煤炭开采中的作用 .11.2 国内外煤矿排水的发展概况及其存在的问题 .11.3 毕业设计目的和意义 .21.4 指导思想 .21.5 本设计要完成的主要任务 .3第二章 排水系统设计 .42.1 排水方案的确定 .42.2 管材的选择及排水系统水力计算 .52.2.1 管材的选择 .52.2.2 排水系统的水力计算 .62.3 水泵选型 .82.3.1 选泵的依据 .82.3.2 选泵原则 .82.3.3 水泵选型 .92.4 水泵安装基础设计 .102.5 水泵安装设计 .112.6 水泵房设置及排水设备的布置 .122.6.1 水泵房设置 .122.6.2 排水设备的布置 .13第三章 主电路设计 .153.1 电气负载计算及启动方案选择 .153.1.1 电流计算 .153.1.2 启动方案选择 .153.2 电气元件选型 .16贵 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 II 页3.3 主回路设计 .183.4 电动阀门电路设计 .19第四章 控制回路设计 .214.1 PLC 控制回路元件选型及其接线设计 .214.1.1 控制部分电气元件选型 .214.1.2 PLC 接线设计及 I/O 分配表 214.2 可编程序控制器（PLC）选型设计 234.2.1 PLC 触点数统计统 244.2.2 存储器容量的估算 .244.2.3 控制功能的选择 .244.2.4 机型的选择 .264.3 水位控制计的设计 .294.4 PLC 编程 304.5 触摸屏设计 .31第五章 排水设备的安装与调试 .355.1 水泵的安装 .355.1.1 钢筋混凝土基础的设置 .355.1.2 IS80-50-315 卧式离心水泵安装 355.1.3 检测、调整及润滑 .355.1.4 水泵机组的试运行 .365.1.5 具体操作要求 .365.2 电气设备的安装 .365.3 管道试压、绝缘测试与试运行 .375.3.1 管道试压 .375.3.2 绝缘测试 .375.3.3 试运行 .375.4 PLC 程序的调试 375.4.1 信号调试 .375.4.2 系统调试 .38贵 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 III 页5.5 触摸屏的调试 .38第六章 结论 .39参 考 文 献 .40致 谢 .41附录 A 毕业设计图纸 42附录 B PLC 梯形图程序 .42贵 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 IV 页煤矿自动排水控制系统设计（流量 90 m3/h，扬程 100m）摘 要我国是以煤炭为主要能源的国家，在煤矿类型中，有露天煤矿，也有深井煤矿。为了开采安全，在开采过程中，尤其是深井煤矿，必须排除大量从煤层中涌出来的水。在分析确定涌水量的情况下，采用什么样的排水系统、排水方案，怎么利用好自动控制的技术，实现煤矿自动排水，减少人员值守时间，确保煤矿生产安全是本设计的主要目的。因此，煤矿排水系统在煤矿安全生产中有着举足轻重的作用，它主要负责排除煤矿矿井中的聚集水，是煤矿安全生产的重要保障。能否及时有效地将井下聚集水排出，关系着矿井煤炭的开采，关系着矿井中施工人员的生命安全。本设计的主要内容为：流量为 90 hm/3，扬程为 100m的煤矿排水系统的设计，及其主电路、控制回路以及水位控制系统的设计，调试方案的设计，以及编写设计计算说明书。关键词：煤矿，排水系统，自动控制，设计贵 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 V 页Coal automatic drainage control system design(flow for 90 m3 / h, head for the 100m)AbstractOur country is the main source of energy coal country, in coal mine type, have open coal mine, also has deep coal mines. In order to mining safety, in mining process, especially well, must eliminate a large number of coal seam gushed out from the water in. In the analysis to identify the circumstances, yield drainage systems, adopt what kind of drainage scheme, how to make good use of automatic control technology to realize the automatic drainage, reduces the personnel coal substation time, ensure safety production in coal mine is the main purpose of this design.Therefore, the mine drainage system in coal mine safety production has a pivotal role, it mainly responsible for exclusion of coal mine water, is gather the important guarantee of safety production in coal mine. Can effectively and timely no-flow periods will gather in underground coal mining in relation to the mine pit, relate to the life safety of construction personnel.The design of the main content is: flow for 90m3 / h, head of coal mine drainage system for 100m, and the design of main circuit, control circuit and water level control system design, commissioning scheme design, as well as the preparation of design calculation specification.Keywords: Coal mine, drainage system, automatic control, design贵州大学本科毕业论文（设计） 第 1 页第一章 前 言1.1 排水在煤炭开采中的作用改革开放 30 多年以来，我们国家在科学技术、信息技术方面都取得了迅猛发展，各行各业也发生了翻天覆地的变化，给排水也同样取得了革命性的发展。众所周知，我们国家是一个以煤炭为主要能源的发展中大国，对能源的需求量很大，确保煤炭产量的稳定对我们来说是相当的重要。然而，煤矿排水是整个煤炭生产过程中一个非常重要的环节，做好煤矿排水工作，就是为煤炭生产过程打下安全的基础。在所开采的煤矿类型中，有露天煤矿，也有深井煤矿，在开采过程中，为了开采的安全，尤其是深井煤矿，必须排除大量从煤层中涌出来的水。在煤矿矿井中由于涌水聚集而存在大量的水，这就严重影响煤炭的正常开采，甚至导致矿井坍塌，所以我们必须利用把这些涌出水汇聚到一个水仓中，利用排水系统将其排出矿井。因此，排水在煤矿开采中有着至关重要的作用。1.2 国内外煤矿排水的发展概况及其存在的问题在国内外煤矿排水系统中，目前大多数采用继电器进行控制。一方面，这种排水系统可靠性差、自动化程度不高、安全系数低；另一方面，由于排水器械功率较大，频繁启动会对电网造成很大的冲击，从而影响了煤矿的正常供电；其次，在水泵等启动时，噪音及震动比较大，这就缩短了排水设备的使用寿命。所以说这种排水方式效率低、工作人员劳动强度大、而且误操作比较多，是一种传统而且落后的排水方法。自动排水系统就克服了这些缺点，能够节省大量的人力。它以系统安全、可靠、先进为原则，既能利用数字技术实现在安全生产指挥调度中心对井下排水系统泵房的所有设备进行网络监视和控制，又能做到泵房无人值守、而设备却安全可靠地运行。在这样的科技与信息时代，煤矿排水系统的控制精度将会越来越高，而工作人员劳动强度也会越来越低。煤炭工业将在大力提高机械化，自动化水平的基础上充分利用计算机及通信等现代信息技术，加速实现煤炭工业的信息化，以达到信息资源共享，贵州大学本科毕业论文（设计） 第 2 页提高煤矿管理水平的目的。所以说，煤矿排水正在逐步向自动化、智能化和信息化迈进。1.3 毕业设计目的和意义毕业设计是大学阶段学习中一个至关重要的实践环节。具体来说，它是一个总结、深化和拓展本科阶段学习的基础知识的重要过程；是对学习、研究以及实践成果的一次全面总结；是对工程实践能力与综合素质的培养效果的一次全面检查；是实现从学校的理论学习到岗位实践工作的过度环节。毕业设计强化了我们对技能和基本知识的掌握和理解，培养了我们收集资料、查阅资料、研究和总结资料的能力，提高了我们比较、分析和论证设计方案的能力，理论分析与设计计算能力，提高了计算机应用绘图的能力以及编写控制程序的能力。通过本次毕业设计，相信在以后的学习工作中我能将所学的理论知识与生产实践进一步相结合。毕业设计也是实现高等教育培养研究型复合性人才的目标，是高等教育必不可少的实践环节，是实践教学的最后一步也是相当重要的一步。通过毕业设计强化我们对基本理论知识和基本实践技能的理解与掌握，培养我们查阅资料、和分析研究资料的能力在。在大学期间，我们主修的是机械设计制造及其自动化，由于在进行煤矿自动排水控制系统的设计中，涉及到多种排水方案的选择。在这个过程中，要运用到许多新的知识，比如说建筑给排水工程的知识，ONRON PLC的编辑、触摸屏的选型和设计等，它培养我们综合运用基础知识的能力，更重要的是培养了我们学习新知识的能力，我们更好地掌握资料的收集和分析、相关标准和规范的选择和运用；掌握给高楼供水工程管网的布置和水力计算、设计方案的选型、图纸的绘制以及设计说明书的编制等全过程。另外对培养我们独立思考问题，发现问题和解决问题的能力，为今后工作做好技术储备，都具有十分重要意义。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，对任何一套理论知识的学习，如果不能让其为社会生产而服务，转化为社会生产力，一切都是纸上谈兵，通过这次毕业设计，使我们认识到将理论知识应用到生产实践的重要性。通过这次设计，使我对给水排水工程，尤其是煤矿排水自动控制工程有了更深入的了解和认识贵州大学本科毕业论文（设计） 第 3 页1.4 指导思想为适应高等教育培养运用型与研究型的复合型人才的特点，毕业设计在高等教育的实践教学环节中是非常重要的。在煤矿自动排水控制系统设计中我们要本着结合行业、深入企业、贯穿工作岗位的实际需要，不能纸上谈兵，要符合煤矿的生产技术要求，根据国内目前的煤矿排水系统的现状，拟定符合实际的设计方案。通过设计，以培养我们发现问题和解决实际问题的能力，增强对就业岗位的适应性。在设计过程中，要认真设计，独立完成，遇到不懂的自己查阅资料，或者向指导老师请教。只有在掌握了充分的理论知识才能完成一个良好的设计。在设计时，只有经过每一步准确的计算和核定，保证了参数的准确性，才能保证设备的正确设计和型号的正确选择，进而保证系统工作的可靠性，安全性。本设计以以上为指导思想。1.5 本设计要完成的主要任务在这次毕业设计中，主要完成以下任务。1.排水系统设计，包括排水方案确定，排水管路计算及水泵选型，水泵安装图设计，水泵基础设计。方案的选择是设计的第一步，在方案选择时，由于是在井下，除了要保证整个系统中排水设备占用的空间足够小，还要有足够的空间方便进行维修。要让维修方便，就必须要保证好机组间的距离，太大了占用空间，太小了又不方便工人维修，一般间距设置在 m0.17.之间。2. 主电路设计：电动机选型计算及启动方案选择，短路、过载保护设计计算。主回路的设计，电路的各种保护功能应该齐全，电动机选型合理，功率太小无法排水，太大则不节能，功率损失大。 3. 控制回路设计：可编程序控制器选型设计，触摸屏选型，软件程序设计。电器部分的设计是这次设计的核心部分，要注意电器的正确选型，有三个变化量：水位高低，涌水量和排水量。为了使系统达到在最佳节能方式下工作，必须使涌水量等于排水量。贵州大学本科毕业论文（设计） 第 4 页4. 水位控制系统设计：保护回路设计，电器元件选型。在排水系统中，水位控制系统是很重要的部分，在高低水位时，系统都要自动报警，因此必须安装有水位控制器。贵州大学本科毕业论文（设计） 第 5 页第二章 排水系统设计2.1 排水方案的确定煤矿排水系统作为煤炭生产过程中的一个重要环节。因此，排水系统的可靠性高低一定程度上决定了整个煤矿生产过程中工作人员的生命安全。在国家节能减排政策的要求下，还得综合考虑整个煤矿排水系统的经济性、环保性、节能性和实用性。一方面，要求设计施工人员在选择排水器材时要综合考虑购买排水器材的费用、使用过程中的能源消耗费用以及管理和维护器材的成本费用，因此在选择器材时要选用性价较高的排水器材。另一方面必须设置得有备用水泵和备用水管，只有这样，才能保证在工作机组出故障、不能工作甚至在煤矿矿井涌水量超常的情况下能利用备用机组进行排水或检修。其次还要求设计人员在设计过程中选用功率适当的电动机、性能优良的水泵和符合要求的管道。还要按要求降低系统运行过程中的噪音，保证系统机组启停时无有害冲击，管路中阀门的阻尼要小，尽量减少在排水过程中产生的振动。根据煤矿安全教程 2010中第二百七十八条规定，煤矿中水泵设置必须有工作、备用和检修的水泵。工作水泵的能力，应能在 20h 内排出矿井 24h 的正常涌水量（包括充填水及其他用水）。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，应能在 20h 内排出矿井 24h 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，可在主泵房内预留安装一定数量水泵的位置。水管设置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 20h 内排出矿井 24h 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 20h内排出矿井 24h 的最大涌水量。而在实际应用中，单台水泵的排水量往往达不到矿区的要求，以及使用单台水泵的可靠性差等原因，因此，需要利用多台离心泵并联同时运行。水泵在并联运行时，即使使用的是同一厂家同一型号的水泵，也不能完全认为单台泵性能完全相同，实际运行中负荷有变化，且管路中的阻力损失不能忽略，这些影响到水泵的运行特性。所以掌握水泵实际并联运行特性的变化规律，有着十分重要的现实意义。并联运行后每贵州大学本科毕业论文（设计） 第 6 页台泵输送的流量减少，扬程却要升高一些，这是因为并联后共用管路流量增大，阻力也相应增大，需要相应提高扬程来克服阻力损失。因此，并联水泵台数过多并不经济。因此，在本毕业设计中，采用三台工作水泵，一台备用、检修水泵，以及其自己的独立的排水水管，简称“三用一备”单泵单管排水系统。设置三台工作水泵和自己独立的排水管路，出水水管直径减小，在煤矿矿井中布置水管容易，同时避免了各水泵在排水过程中的互相干扰，而且水泵排水能力能根据矿井实际情况提高和改变，同时系统的可靠性增加。在现代给水排水工程中采用采用“三用一备”给水排水系统的比较多，技术较成熟。因此本设计采用“三用一备”单泵单管的煤矿排水系统。2.2 管材的选择及排水系统水力计算2.2.1 管材的选择排水水管有两种，分别为工作水管（即工作水泵使用的水管）和备用水管（即工作水泵使用的水管） 。因为使用的水泵型号一致，每台水泵的排水流量一致，所以两者管径一致。排水过程中大多数时间使用的是工作水管，只有当其出现堵塞等故障时就得利用备用水泵和备用水管，以保证在检修时不影响排水系统排水能力。如果没有选择合适的管材，根本就难以完成这样的设计。目前我国给水排水管管材琳琅满目，大体上可分为金属管和非金属属管两大类。应用较多的金属管分为钢管和球墨铸铁管。其中钢管有焊接钢管和无缝钢管。焊接钢管又分为螺旋缝焊和直焊钢管，其中直焊钢管较为常见。无缝钢管分为冷轧管和热轧管，冷轧管最大 mDN20，热轧管最大 mDN60。钢管中还有不锈钢管，但由于造价较高，未曾推广使用。这些管材中，铸铁管承受工作压力一般为 Mpa0.145.，且耐腐蚀，价格较便宜，因为材质硬而脆。非金属管材有混凝土管、钢筋混凝土管、玻璃钢管、石棉水泥管、塑料管和复合塑料管等。混凝土管和钢筋混凝土管价格较低，节省钢材，耐腐蚀、耐高压，但重量较大，质地脆，装卸运输较困难，维护难度大。石棉水泥管和玻璃管易损坏。塑料管有 PE 管、PVC-U 管、ABS 管等。PE 管卫生条件好，柔韧性好，抗冲击强度高，工作压力有 0.6MPa、0.8 、1.0 MPa、1.25 、1.6 MPa的档次；公称贵州大学本科毕业论文（设计） 第 7 页外径有 mDN106；缺点是易燃，受热易变形。PVC 管不导电，不导热且阻燃，目前主要规格有 75十多种；管材公称压力有 0.63MPa和 1.00 a两种规格；管道连接方法有承插式连接、粘结剂粘结两种。ABS 工程塑料耐腐蚀性极强，耐冲击性极好，韧性强；主要规格有公称直径 mDN4015十多种；管道许可压力为 0.6MPa、0.9 、1.6 MPa三种规格；使用温度 CT72；管道的连接方法主要是用冷胶溶接法；缺点是不耐高温，不阻燃。PVC 和 ABS 材料质量轻，密度为钢铁的 7/1左右。无缝钢管的机械强度较最好，可以承受内外高压，公称压力一般可达5Mpa；管材可焊性较好，能适用于复杂的地形，适用于建筑内要求较高的排水管路。钢管最大的缺点是易腐蚀。现在钢管均采用镀锌钢管，镀锌管分冷镀管和热镀管。冷镀管由于镀的锌不致密、不均匀、稳定性较差，一般使用寿命不到 5 年，就会出现“红水” 、 “黑水”现象。热镀管保护层均匀致密，附着力强。结合水管管材的优缺点，以及煤矿排水水管对管道承受压力、工艺性、强度和防腐蚀的要求，选用热轧、热镀锌的无缝钢管。2.2.2 排水系统的水力计算设计依据：流量为 hm/903，扬程为 100m。管径确定根据流量公式 udqg4212-（1）式中 gq-水泵排水流量 sm/3；d-水管管径 ；u-流体流速 s/。得 uqdg42-（2）贵州大学本科毕业论文（设计） 第 8 页因为采用三用一备单泵单管排水系统，所以单台工作泵流量 smhqg /083./3根据建筑给排水手册，取 su/2.1所以 uqdg42.1308m94.圆整后取 DN符合建筑给排水手册中的 05, su/2.18，smuDN/5.1,705，DN80 及以上的管径， .。沿程水头损失计算根据水力学基本原理，管理的沿程水头损失可以按水力坡降进行计算。公式如下： HIX22-（3）I32-（4）85.17.485.10gjhqdC42-（5）式中 IH-管道沿程损失 mKPa/；-水泵富余扬程，一般为 301；I-水力坡降，即管道单位长度水头损失（ mKPa/） 。gjhqdC,值查阅有关手册取 m20H，因选取的水管为热轧、热镀锌的无缝钢管，根据建筑给排水手册以及拥有的参数，查得 10hC， jd， 083.gq，所以5.17.4-j85.1hdCI85.18.-.-0543.2-贵州大学本科毕业论文（设计） 第 9 页（6） IHI0543.1m2-（7） HIX2043.51m2-（8） 2.3 水泵选型2.3.1 选泵的依据水泵选型，应根据设计的工艺流程和排水要求，从以下几个方面加以考虑：1、流量是选泵的重要性能数据之一，它直接关系到整个排水系统的排水能力。 在工艺设计中计算出水泵正常、最小和最大三种流量。选泵时，以最大流量为依据，兼顾正常流量，在没有最大流量时，通常可取正常流量的1.1倍作为最大流量。2、水泵的理论扬程是选泵的又一重要数据，一般要按放大5%10%余量后得到的扬程来进行水泵选型。(3)液体性质，包括液体介质名称，物理性质，化学性质和其它性质，物理性质有温度C 密度D ，粘度U，介质中固体颗粒直径和气体的含量等，这涉及到系统的扬程，有效气蚀余量计算和合适泵的类型；化学性质，主要指液体介质的化学腐蚀性和毒性，是选用泵材料和选用那一种轴封型式的重要依据。(4) 排水系统的管路布置条件。吸入侧的最低液面，排出侧的最高液面等一些数据和管道规格及其长度、材料、管件规格、数量等都要加以考虑，以便进行水泵扬程计算和汽蚀余量的校核。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 10 页但是其中最主要的依据是所需要的流量。2.3.2 选泵原则水泵的选择应该以以下几个为原则：(1)使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求。(2)必须满足介质特性的要求。(3)机械方面可靠性高、噪声低、振动小。(4)经济上要综合考虑到设备费、运转费，维修费和管理费等，力求使的成本最低(5)离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。综上所述，水泵的选择原则就是要满足在最不利工况的条件下水泵同样能够正常工作，并且在考虑各种工况下，尽可能节约投资，减少能耗。对水泵台数和型号进行选定，满足对水量和水压的要求。从经济和管理上对水泵台数和工作方式进行确定，做到投资，维修费最低，正常工作能耗最低。2.3.3 水泵选型本设计中使用了三台工作水泵，一台备用水泵，但每台水泵都设置了独立的排水管路。为了便于采购及系统的管理，选取相同型号的四台水泵。水泵主要有叶片泵、齿轮泵、离心泵三种类型，这些水泵的原理及优缺点参见液压元件与系统 。在选取水泵的时候主要考虑两个参数，即排水流量 Q 及扬程 H。设计依据是hmQ/903， H10。由于存在沿程损失，局部阻尼损失等，所以水泵的实际流量和扬程要比设计流量和扬程大。水泵在运行时，流量减小系数 %706Q，这里取 60Q，则每台工作水泵的流量 hmQ/50%6393。根据上一章节，得 mHX43.125。立式水泵虽然节约安装面积，但由于煤矿矿井安装空间有限，吊装困难，所以选择卧式离心水泵。贵州大学本科毕业论文（设计） 第 11 页综合上述因数考虑，参照卧式水泵隔振及安装，选取 IS80-50-315 型卧式离心水泵。其参数为：流量 hmQ/6033，扬程 mH1238。与之匹配的电机型号为Y200L2-2，电动机参数为：额定转速 in/290rnN，额定功率 KWPN37。为了自动控制方便，这里将水泵进行以下分组编号，如表 2-1。表 2-1 水泵分组首先启动机组 联动启动第一台机组 联动启动第二台机组 备用机组1 号 2 号 3 号 4 号2.4 水泵安装基础设计目前，厂家都是将水泵和电动机组装在一个的钢制底座上，在安装时，只要用地脚螺栓将底座安装在钢筋混凝土基础上，就完成了水泵的安装。混凝土基础作用是支承并固定机组，使其运行平稳，不致发生剧烈振动。因此，不允许混泥土基础产生沉陷。因此，基础的刚度强度足够，除了要能承受机组的静荷载外，还要能承受机械震动荷载。查阅卧式水泵隔振及其安装，IS80-50-315 型卧式单级离心泵安装尺寸如下（单位：mm）： 160L， 4201， 34L， 903， 324L， 185， 26L，85B， ， 5B， 1， 5B， 0H， 3h， 01，32h。于是得到水泵安装钢筋混凝土基础图（如图2.1）及水泵安装钢筋混凝土基础配筋图（如图2.2） 。贵州大学本科毕业论文（设计） 第 12 页2.1 水泵安装钢筋混凝土基础图贵州大学本科毕业论文（设计） 第 13 页2.2 水泵安装钢筋混凝土基础配筋图2.5 水泵安装设计查阅建筑给水排水手册,并结合实际安装情况得出对应的安装设备材料如下：阀门DN= 100，可曲挠偏心橡胶接头型号为KYP-1，DN为100，钢制短管DN=100，钢制异径管DN-DN1 为10050和 10080，可曲挠橡胶接头型号为 KXT-1,DN=80,消声止回阀DN=100，阀门DN=100， 90度弯头DN=100，压力表型号为Y-0.1，压力范围为02.5Mpa。可曲挠同心异径橡胶接头型号为KYT-1,DN-dn范围为150，管制短管DN=150，可曲橡胶弯头型号为KWT-1,DN=150。配有橡胶隔振器，型号为SD，基本尺寸为1941943，支点数目为6个。根据上一节设计的水泵安装基础，得到水泵安装图（如图2.3） ，其在水泵房中的具体布置请参照下一节的水泵房设备布置图（如图2.4） 。图2.3 水泵安装图贵州大学本科毕业论文（设计） 第 14 页2.6 水泵房设置及排水设备的布置2.6.1 水泵房设置水泵房根据煤矿矿井实际情况和机械电气设备布置要求，以及煤矿消防要求。主要有以下几点要求：1、 根据 煤矿安全教程2010第二百七十九条，主要泵房至少设置有2个出口，一个出口用斜巷通到井筒，并应高出泵房底板7m以上；另一个出口通到井底车场，在此出口通路内，应设置易于关闭的既能防水又能防火的密闭门。而泵房和水仓的连接通道，应设置可靠的控制闸门。2、在装有大型机组的泵站内，应当留出适当的面积作为检修机组使用，机组周围的周围要预留有0.7m1.0m的过道。3、相邻机组的基础之间应有一定宽度放入过道，以便工作人员通行，电动机容量不大于55KW,净距应不小于0.8m，电动机容量大于55KW时，净距不小于1.2m，电动机容量小于20KW时，过道宽度可适当减小，但在任何情况下，设备的突出部件之间或突出部件与墙之间应不小于0.7m，如电动机容量大于55KW时，则不得小于1.0m。4、泵站内主要通道宽度应不小于1.2m。5、水管与水管之间的净距B值应大于0.7m,保证工作人员能较为方便地通过。6、水管外壁与配电设备应保持一定的安全操作距离C。当为低压配电设备时C值不小于1.5m，高压配电设备C值不小于2m。7、水泵外形凸出部分与墙壁的净距D，须满足管道配件安装的要求，但是，为了便于就地检修水泵，D值不宜小于 1.0m 。如水泵外形不凸出基础，D值则表示基础与墙壁的距离。8、对于非水平接缝的水泵，在检修时，往往要将泵轴和叶轮沿轴线方向取出。因此，在设计泵房时，要考虑在这个方向上有一定的余地，即水泵离开墙壁或者其他机组的距离应大于泵轴长度加上0.25m，为了从电动机中取出转子，应同样地留出适当的距离。贵州大学本科毕业论文（设计） 第 15 页2.6.2 排水设备的布置在布置水泵房的时候，水泵机组的布置和排列是其主要内容，它决定着水泵房建筑面积的大小。一方面，各机组的间距以不妨碍操作和维修的需要为原则。另一方面，各机组的布置应保证运行安全，装卸和管理方便。而且，管道总长度最短、接头配件最少最小、水头损失最小并应考虑泵站有扩建的余地。图 2.4 水泵房设备布置图根据上述要求，在保证水泵房水泵工作可靠性的前提下，力求运行安全和管理方便，各排水设备的布置如图2.4所示。贵州大学本科毕业论文（设计） 第 16 页第三章 主电路设计3.1 电气负载计算及启动方案选择3.1.1 电流计算1、水泵电机型号为 Y200L2-2，已知：转速 min/290rn；额定电压 VUN380;额定功率 KWPN37；功率因数 85.0cos。根据功率计算公式 cos3UIP5 3-（1）得 cos3NI85.0173A4.63-（2）2、电动阀门电机型号为 Y-802-4，已知：额定电压 VUN3;额定功率 KWP75.0;87.0cos。由式 3-（1）得 cos3NPI87.015.3A.3-（3）贵州大学本科毕业论文（设计） 第 17 页3.1.2 启动方案选择IS80-50-315 离心泵所用的电动机的功率为 37KW,额定电流约为 66A，电机直接启动时，启动电流一般为额定电流的 5-7 倍，以 6 倍记，则 AIst396。启动电流较大，直接启动会对电网造成冲击，可能导致同一电网中其他正在工作的大功率电器因电压供应不足而停机。为了有效地减少启动电流，采用星三角降压启动，此时启动电流为直接启动的3/1，所以降压启动电流 AIst132。显然，启动电流下降明显，对电网的冲击程度大为减少。减小启动电流，能有效避免对电网的冲击。在水泵启动前应当先关闭出口阀门，待水泵运转正常后再将其开启；在水泵停止前又必须关闭出口阀门，再停止水泵，以免水泵发生反转而被损坏。驱动电动阀门功率小，启动电流小，不会对电网产生冲击，采取直接启动的方式。3.2 电气元件选型根据电机的额定电流，查阅电工手册，主要电器元件选型如下：1、电线选择电线电缆无论是在输电系统还是在用电系统中都承担着电力的传输与分配，在电力系统里面，电线选择至关重要，它关系到整个系统的用电安全，选择不当会造成绝缘皮的烧损而漏电，甚至造成火灾更严重的事故。在我国现目前常用的电线电缆是铜线和铝线，如果按导体电阻看，铌和锡的电阻最小，是常用的超导材料，其次就是银的电阻最小。在选择电线时，一般应考虑发热，电压损失，经济电流密度，机械强度等选择条件。同时还要考虑导线的工作环境。一般情况下，低压动力线因其负荷电流较大，故一般先按发热条件选择截面，然后验算其电压损失和机械强度；低压照明线因其对电压水平要求较高，可先按允许电压损失条件选择截面，再验算发热条件和机械强度；对高压线路，则先按经济电流密度选择截面，然后验算其发热条件和允许电压损失；而高贵州大学本科毕业论文（设计） 第 18 页压架空线路，还应验算其机械强度。然而因为煤矿排水系统的工作环境恶劣，并且环境潮湿，虽然铝导线不易生锈，电阻小，质软不易折断，造价便宜，但是铝导线的耐高温能力低，长时间在高温条件下使用就会烧坏，因而会缩短使用寿命。而铜导线就改善了铝导线的缺点，但是造价比铝导线贵。一般铜导线载流量导线的安全载流量是根据所允许的线芯最高温度、冷却条件、敷设条件来确定的。 一般铜导线的安全载流量为58A/ 2m，铝导线的安全载流量为35A/ 2m。主线电路同时供应四台 37KW 三相绕线式异步电机、四台 0.75KW 的三相鼠笼式异步电机和一台 PLC、一台触摸屏等。主线路电流约为 280A，所以采用 210m铝芯线，其载流量大概 300A 左右。水泵电机分路上，每台电机电流在 67A 左右，选择25m的铜芯线，能通过在 130A 左右的电流，在降压启动过程时产生的电流通过也没有问题。在电动阀门电机回路中，因为启动频繁等，采用 24铜芯线。其他线路都采用 2.1铜芯线。2、交流接触器交流接触器常用来接通和断开电动机和其他设备的主电路，每小时可以开闭千余次，可以实现远程控制。主要由电磁铁和触点两部分组成，它是利用电磁铁的吸引力而动作的。接触器主要技术参数除额定电流、电压之外还有使用类别、机械寿命、操作寿命和电寿命。根据用途，接触器的触点分主触点和辅助触点两种。辅助触点通过的电流较小，常接在电动机得控制回路中；主触点能通过的较大电流，接在电动机的主回路中。如CJ10-20 型交流接触器有三个动合主触点，四个辅助触点（两个动合，两个动断） 。在选用接触器时，应注意它的额定电流，线圈电压及触点数量等。CJ10 系列接触器的主触点额定电流有 5,10,20,40,60,100,150A 等数种；线圈额定电压通常是 220V 或380V，也有 36V 和 72V 的。CJ10 系列交流接触器是一般任务型接触器，主要使用于交流电动机得启停和控制。贵州大学本科毕业论文（设计） 第 19 页水泵电机的接触器 KM1-12， 由于电机启动电流较大，为 66.7A 左右，选用 CJ 系列额定电流为 100A 的交流接触器，技术参数如下：控制电机最大功率 50KW，额定电压VuN380，额定电流 AIN10。主触头数目为 3，辅助触头数目为 2 常分 2 常合。电寿命 60 万次，机械寿命 300 万次。电动阀门电动机功率小，为 0.75Kw，其接触器KM13-24， 选用 CJ 系列额定电流为 5A 的交流接触器，技术参数如下：控制电机最大功率 2.2KW，额定电压 VuN380，额定电流 AIN5。主触头数目为 3，辅助触头数目为 1 常分。电寿命 60 万次，机械寿命 300 万次。3、自动空气短路器断路器具有过载、短路和欠电压保护的功能，有油浸式断路器、真空式断路器和空气式断路器三大类，在低压电路中空气式断路器目前是应用最多的。空气式断路器结构型式可分为框架式和塑料式外壳，框架式分断能力较高，常用于主电路或大容量电路中，塑料式结构紧凑，便于独立安装。4、主电路断路器 QF：根据总得电路额定电流和电压，选用框架式断路器，型号为 015Dw框架式自动空气开关，适用于 HzAc605，额定工作电压为 VuN380，额定电流 AIN，过电流脱扣范围 200-400A。异步电机分支回路分电路断路器 QF1-4 ：根据电机额定电流 AIN.69；额定电压VuN380，选用塑料外壳式空气开关，型号 DZ10-100，适用于 Hzc05，额定工作电压为 N，额定电流 AIN10，过电流脱扣范围 60-100A。5、热继电器： 热继电器是用来保护电动机使之免受长期过载的危害，它是利用电流的热效应而工作的。通常用的热继电器有 JR20，JR15 和引进的 JRS 等系列。它的主要技术数据是整定电流，整定电流与电动机的额定电流基本上一致。一般情况按照电动机额定电流选用热继电器，依据电机的实际负载情况，选取热继电器整定值为电机额定电流的 0.95-1.05 倍，水泵驱动电机的额定电流 AIN14.6，热继电器电流整定值在 62.83-69.45A 之间。因此选用 3/1506JR，热元件额定电流为85A。刻度中可调范围为 5385A。贵州大学本科毕业论文（设计） 第 20 页3.3 主回路设计电动机的主电路设计要保证整个排水系统能正常运行，以保障煤矿的正常生产安全。每台电机设置自己的空气自动短路器，又叫空气开关。当排水系统发生意外故障时，电路能够自动切断电源，保证排水设备的安全。为了保证在电机长时间过载运行而发生意外，还要设置热继电器等。参照电工手册，画出了水泵电机电气主回路图（图 3.1）。图 3.1 水泵电机电气回路图3.4 电动阀门电路设计在水泵启动前应当先关闭出口阀门，待水泵运转正常后再将其开启；在水泵停止前又必须关闭出口阀门，再停止水泵，以免水泵发生反转而被损坏。为了控制这个阀门方便及时，就需要设置电动阀门。控制电动阀门的是 0.75KW 的 Y802-4 型电动机。主要是通过控制它们的正反转来控制电动阀门的开闭，从而实现其对整个排水系统的贵州大学本科毕业论文（设计） 第 21 页保护功能。其电气元件选型参照 3.2 电气元件选型。根据电工学手册，得到电动阀门电机电气回路图（如图 3.2） 。图 3.2 电动阀门电机电气回路图贵州大学本科毕业论文（设计） 第 22 页第四章 控制回路设计4.1 PLC 控制回路元件选型及其接线设计4.1.1 控制部分电气元件选型PLC 控制回路的电器元件选型如下： 断路器：PLC 分支回路断路器 QF6-7 ：选用塑料外壳式空气开关，型号 DZ5-10，适用于 HzAc605，额定工作电压为 VuN20，额定电流 AIN10，过电流脱扣范围 0.5-10A。 压力继电器：压力继电器是利用液体的压力来启闭电气触点的液压电气转换元件。当系统压力值达到压力继电器调定值时，就会发出电信号，起安全保护作用等。压力继电器的静压 MpaghP98.01.03。根据静压值，查 电工手册，选用 2JY型压力继电器，工作压力为 0.0651.2Mpa。 水位信号器：水位信号器用于检测水池和水塔的水位，当水位到达上下限时发出相应的信号，提供给控制器。干簧式水位信号器结构简单，成本低廉，应用广泛。选用干簧信号器主要考虑水质、水温和控制幅度。供水系统的水质为清水，不会有漂浮物，水位控制范围为 5002550mm，查电工手册，选用 GSK 型干簧继电器，适用于清水，控制幅度为 05.5m。 指示灯：指示灯用于 PLC 输出端的信号显示，电压为 24V 。选用 AD1-22/11型信号指示灯，颜色选用红色和绿色。 变压器：变压器 T1 用于给指示灯提供 24V 的交流电源。变压器的选型参数有容量、原电压和变压后后电压。查阅电工手册，T 1 选用 DCB10200VA/220V/24V4.1.2 PLC 接线设计及 I/O 分配表根据输入输出通道的端子排列，设计 PLC 接线图如图 3.9 所示。贵州大学本科毕业论文（设计） 第 23 页图 4.1 PLC 接线图根据 PLC 接线图得到 I/O 分配表，如表 4.1。表 4.1 I/O 分配表输入 输出1 号机组备用按钮 SPES1 I:0.00 1 号电机电源接触器 1KM 5.002 号机组备用按钮 SPES2 I:0.01 1 号电机 Y 接触器 2KM 5.013 号机组备用按钮 SPES3 I:0.02 1 号电机接触器 3KM 5.024 号机组备用按钮 SPES4 I:0.03 2 号电机电源接触器 4KM 5.031 号机组手动启动按钮 SB1 I:0.04 2 号电机 Y 接触器 5KM 5.042 号机组手动启动按钮 SB2 I:0.05 2 号电机接触器 6KM 5.053 号机组手动启动按钮 SB3 I:0.06 3 号电机电源接触器 7KM 5.064 号机组手动启动按钮 SB4 I:007 3 号电机 Y 接触器 8KM 5.07手动 I:0.08 3 号电机接触器 9KM 5.08手动/自动选择开关 SA 自动 I:0.09 4 号电机电源接触器 10KM 5.09水位上限接点 SU I:0.10 4 号电机 Y 接触器 11KM 5.10