毕业设计说明书.docx
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毕业设计说明书
本科毕业论文(设计)
论文(设计)题目:
煤矿排水自动控制系统设计(H=200M,Q=60M3)
学院:
机械工程学院
专业:
机电传动与控制
班级:
机自066班
学号:
060803110205
学生姓名:
秦绍统
指导教师:
钱宏琦
2010年6月15日
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:
秦绍统
日期:
2010-6-10
贵州大学本科毕业论文(设计)任务书
学生信息
学号
060803110205
学院
机械工程
班级
姓名
秦绍统
专业
机电传动与控制
机自066
教师信息
姓名
钱宏琦
职称
副教授
学历
大学本科
任务书发出时间
2010年1月15日
论文(设计)题目
煤矿排水自动控制系统设计
(H=200M,Q=60M3)
论文(设计)起止时间
2010年3月1日——2010年7月2日
共需周数
18
主要内容:
煤矿排水自动控制系统设计:
1、排水系统设计,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;
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;
3、变频器选型设计;
4、控制回路设计,逻辑动作图设计,可编程序控制器选型设计,软件程序设计;
5、水位控制系统设计,保护回路设计,电器元件选型;
6、调试方案设计;
7、编写设计计算说明书。
主要要求:
1、综合考虑技术上的先进性、经济上的合理性、方案的可行性和可靠性。
2、充分考虑排水系统与各子系统的逻辑关系,力求系统的一致性和最优化;
3、尽量采用成熟技术,在经过深入的论证分析,应勇于开拓创新;
4、设计图纸15张以上,要求图纸符合国家标准,制图正确,图面整洁,标注齐全;
5、设计计算说明书1.5万字以上,应包含方案拟定说明,水泵管路计算,电器元件选型计算,并应配有必要简图,要求内容完整,引据正确可靠,并注明出处,文字通顺,书写规整,条理清楚;
6、设计说明书格式必须严格按贵州大学本科毕业论文(设计)规范化要求书写,论文摘要要求中英文必备,摘要应阐述设计的概貌、特色及采用新技术等内容,字数在300字以内,英文摘要应注意用词准确,语言通顺,语法正确。
预期目标:
通过毕业设计,学生应能巩固和应用所学的基础理论和专业知识,提高解决工程实际问题的能力;培养学生独立分析问题、独立设计的能力,培养学生应用创造性思维解决设计中出现问题,提高创新能力;使学生的工程绘图、计算、查阅文献资料、使用计算机、文字表达等基本技能及能力得到进一步的提高。
计划进程:
第1周:
到煤矿实习;
第2周:
总体设计方案确定,完成开题报告;
第3-5周:
确定排水系统方案,排水管路计算及水泵选型、水泵安装图设计;水泵基础设计;
第6周:
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;
第7周:
变频器选型设计;
第8-9周:
逻辑动作图设计;
第10-12周:
可编程序控制器选型设计,软件程序设计;
第14周:
水位控制系统设计;
第15周:
编写系统调试方案及软件调试。
第16周:
编写毕业设计说明书;
第17周:
评阅毕业设计;
第18周:
毕业设计答辩。
目录黑体2号,目录格式不对
摘要字数不超过500
随着计算机控制技术的迅速发展,以微处理器为核心的可编程序控制器(PLC)控制已逐步取代继电器控制,普遍应用于各行各业的自动化控制领域。
煤炭行业也不例外,但目前煤矿井下主排水系统仍多采用继电器控制,水泵的开停及选择切换均由人工完成,还做不到根据水位或其它参数自动开停水泵,这将严重影响井下主排水泵房的管理水平和经济效益的提高。
本系统通过检测水仓水位和其它参数,控制水泵轮流工作与适时启动备用泵,合理调度5台水泵运行。
系统通过触摸屏以图形、图像、数据、文字等方式,直观、形象、实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度、轴承温度、3趟排水管流量等参数,并通过通讯模块与综合监测监控主机实现数据交换。
该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点,并可节省水泵的运行费用。
系统控制设计选用了欧姆龙公司C系列的小型机CPM2A型PLC为控制主机,该机为模块化结构,由PLC机架、CPU、数字量I/O、模拟量输入、电源、通讯等模块构成。
PLC自动化控制系统根据水仓水位的高低、井下用电负荷的高、低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段(时间段可根据实际情况随时在触摸屏上进行调整和设置)等因素,建立数学模型,合理调度水泵,自动准确发出启、停水泵的命令。
其主要特点是:
(1)PLC控制程序采用模块化结构,系统可按程序模块分段调试,分段运行。
该程序结构具有清晰、简捷、易懂,便于模拟调试,运行速度快等特点。
(2)系统根据水位和压力控制原则,自动实现水泵的轮换工作,延长了水泵的使用寿命。
(3)系统可根据投入运行泵组的位置,自动选择启动就近的真空泵,若在程序设定的时间内达不到真空度,便自动启动备用真空泵。
(4)PLC自动检测水位信号,计算单位时间内不同水位段水位的上升速率,从而判断矿井的涌水量,自动投入和退出水泵运行台数,合理地调度水泵运行。
(5)超温保护:
水泵长期运行,当轴承温度或定子温度超出允许值时,通过温度保护装置及PLC实现超限报警。
关键词:
井下排水;PLC;组态软件;可控阀
Abstract
Withtherapiddevelopmentofcomputercontroltechnologytomicroprocessorcoreprogrammablelogiccontroller(PLC)controlhasbeengraduallyreplacingtherelaycontrol,commonlyusedinthefieldofautomaticcontrolofallwalksoflife.Thecoalindustryisnoexception,butthemaindrainagesystemundergroundminestillusemorerelaycontrol,pumpstopandchoosetoswitchto
openbythemantocomplete,itcannotdounderthewaterlevelorotherparameters
Thesystemofwaterstoragebydetectingthewaterlevelandotherparameterstocontrolthepumpinturnworkwiththetimelystartstandbypump5pumpstorunareasonableschedule.Systemthroughthetouchscreenwithgraphics,images,data,text,etc.,visual,image,inrealtimetoreflectsystemoperationandwaterstoragelevel,themotoroperatingcurrent,motortemperature,bearingtemperature,3timesadrainflow,andotherparametersand,throughcommunicationmodulesandintegratedmonitoringandcontrolconsolefordataexchange.Thesystemisreliable,easyoperation,highautomation,andcansavethewaterpumprunningcosts.
controlsystembasedonthelevelofthewaterstoragelevel,undergroundelectricityloadofhighandlowpeaksandelectricitysectorsunderthelevelofsection,paragraphvalley,peakelectricitypricetimesegment(timeperiodatanytimeaccordingtoactualsituationTouch-screenadjustmentsandsettings)otherfactors,amathematicalmodel,rationalmanagementpumps,automaticaccurateissueofKai,stoppumporder.Itsmainfeaturesare:
(1)PLCcontrolprogrammodularstructures,programmodulesmaybesub-systemdebugging,piecewiseoperation.Theprogramstructureisclear,simple,easytounderstand,easytosimulationdebugging,runrateandsoon.
(2)waterlevelandpressurecontrolsystemaccordingtotheprincipleofrotationofpumpworkautomaticallyextendthelifeofthepump.
(3)Thepumpsystemcanbeputintooperationaccordingtothelocationofthenearestofthevacuumpumpstartsautomaticallyselected,ifwithinthetimesetintheprogramreachthevacuumwillautomaticallystartthestandbypump.
(4)PLCautomaticallydetectthewaterlevelsignalunitoftime,differentratesofwaterlevelriseinwaterlevelsegment,todeterminetheminedischarge,automaticinvestmentandwithdrawalpumpsrunsetsthenumberofpumpsrunningreasonabledispatch.
(5)over-temperatureprotection:
waterpumplongrun,whenthebearingtemperatureorstatortemperatureexceedsallowablevalue,throughtheprotectiondeviceandthePLCtoachievethetemperaturelimitalarm.
Keywords:
undergrounddrainage;PLC;configurationsoftware;controlvalve
第一章前言
1.1研究或设计的目的和意义:
通过大学四年的学习,掌握了扎实的基础理论和专业知识,通过一系列的参观实习和即将开始的毕业设计,让我们用实际行动将理论知识与实践相结合。
提高解决工程实际问题的能力;培养了我们独立分析问题、独立设计的能力,培养应用创造性思维解决设计中出现问题,提高创新能力;在毕业设计过程中,使我们更加熟练的掌握工程绘图、计算、查阅文献资料、使用计算机、文字表达等基本技能及能力得到进一步的提高。
毕业设计是我们本科生学习深化、拓宽、综合运用所学知识的重要过程;是学生学习、研究与实践成果的全面总结;是学生综合素质与工程实践能力培养效果的全面检验;是实现学生从学校学习到岗位工作的过渡环节;通过毕业设计强化学生对基本知识和基本技能的理解和掌握,培养学生收集资料和调查研究的能力。
通过毕业设计,使我们对煤矿排水智能控制系统有了比较全面的了解,熟悉有关规范、规程、手册和工具书,为今后独立工作打下基础。
理论与实际联系,提高分析、解决工程实际问题的能力,培养我们踏实、细致、严格、认真和吃苦耐劳的工作作风。
1.2研究或设计的国内外现状和发展趋势:
1.2.1设计的工作环境
井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一,担负着井下积水排除的重要任务。
然而,目前我国普遍使用的井下排水系统依然是传统的人工操作方式。
本章分析这种排水系统的组成及工作过程,指出其存在的问题,为井下自动排水系统的研究提供依据。
并下排水系统概述井下涌水现象及排水的重要性
在煤矿地下开采的过程中,由于地层中含水的涌出,雨水和江河中水的渗透,水砂充填和力采煤矿井的井下供水,将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下。
矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关系,涌水量在不同的季节也呈现不同。
在一些大水矿井,矿井涌水量可达到每秒17立方米,甚至超过每秒20立方米。
另外,煤炭开采过程中,由于地层结构被破坏,岩层断裂,使采区与储水层连通,发生突水事故,涌水量会突然增加。
如果不能及时地将这些积水排送到井上,井下的生产就可能受到阻碍,井下的安全就会得不到保障,严重者会造成重大事故。
给人民的生命、国家的财产都带来了极大的威胁。
因此,井下排水就显得尤为重要。
井下排水系统的任务就是把流入井下煤矿巷道中的矿井积水排送至地表。
根据统计,每开采1吨煤就要排出2-7吨矿井水,有时甚至要排出30-40吨矿井水。
井下排水设备所配备电机的功率,小的几千瓦到几十千瓦,大的几百千瓦到上千千瓦、在我国煤炭行业中,井下排水用电量占原煤生产总耗电量的18%-41,一般为20%左右。
因此,井下排水设备运转的可靠性(安全运转)与经济性(效率高、电耗量小),具有十分重要的意义。
矿井水的成分很复杂,它对水泵和水管的腐蚀性,不仅与游离硫酸的存在有关系,而且也和硫酸镁、硫酸铁和硫酸铝的存在有一定关系。
矿井水的物理性质和酸度,可用氢离子浓度(又叫氢离子指数)pH值的大小来表示,如表1.1所列。
由于酸性矿井水对金属具有腐蚀破坏作用,所以井下排水设备的钢铁零件,一旦遇到酸性矿井水时,将会很快遭到破坏。
因此,当pH值小于5时,就必须采用耐酸泵等防酸措施。
表1.1矿井水物理性质与酸度
矿井水
PH值
PH值
PH值
PH值
PH值
0-3
│4-6
7
8-9
11-14
酸度物理性质
强酸性
混浊,浓茶色
弱酸性
混浊,黄色
中性
混浊
弱碱性
清洁,透明
强碱性
清洁,透明
1.2.2井下排水系统的组成
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
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。
1.2.3国内外研究动态
井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。
随着控制理论和现代检测技术的发展,自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定进步。
国外在软件设计方面提出了许多简单实用的算法。
例如,前苏联国家镍工业设计研究院开发的软件包能根据复杂的水文和地质条件,以及矿井排水的参数,优化管理水泵房的运行,并有一定的计算机辅助设计功能。
国内的科研工作者在理论研究和设计方面也作了大量的工作。
结合水泵特性研究的多种控制方法在不同地区得到应用。
大多工作集中在水泵闸阀的设计与控制系统的改进方面。
尽管国内外研究者在井下自动排水系统的研究中取得了很多成果,但仍存在优待解决的问题。
①可控闸阀问题。
自动排水系统研究的一项重要任务是可控闸阀研究。
目前,在相关领域的研究中,以电动闸阀为主,在手动闸阀机构的基础上增加电机驱动和减速装置,使闸阀能够自动控制。
但这样以来,机构更加庞大复杂,运输安装不便。
而且,对井下环境而言,电动闸阀存在控制及防爆等问题。
还有一些设计方案从液压、机械等方面考虑,设计传动及控制机构,取得一定成果,但难以解决复杂性、可靠性及矿井环境适应性等问题。
②控制策略问题。
矿井涌水是复杂的现象,受多种随机因素的影响,很难准确预测。
所以,根据涌水量大小建立排水系统数学模型,并选择合适控制策略很困难。
因此,现有的自动排水系统多是采用简单的水位开关控制方法,使问题简化。
在处理复杂的排水问题时,这种控制方法显然不能满足需要。
目前,国内煤矿排水系统大部分仍然处于手动控制排水,存在很多缺点:
不可靠,效率比较低,自动化程度不高;由于频繁启动,对电网造成了的冲击大;在启动时,噪音及震动比较大,对设备影响非常大。
然而智能排水克服了以上缺点,并且节省了人力的耗费,好能低。
智能系统安全可靠,自动化程度高,智能系统实现了安全生产并对井下泵房排水系统的所有设备进行网络监视和控制,做到泵房无人值守、设备安全可靠运行。
在智能控制自动化排水系统里面,主要考虑以下因素:
1、积水井水位的高低
2、积水井的水位的变化率
然而随着社会的不断发展,煤矿排水正向着自动化、智能化方向发展。
1.3、主要研究或设计内容,需要解决的关键问题和思路:
设计的内容:
1、排水方案选定(排水管路计算及水泵选型、水泵安装图设计、水泵基础设计)
2、变频器的选型设计
3、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)
4、主电器系统的设计
5、控制系统设计(PLC的选型,PLC软件的设计)
在设计过程中,应注意电器设备设计,水泵基础设计,排水系统设计,以及系统中各参数的设计和选定,在整个系统中,如果任何一个参数有错误,它将影响整个系统的工作甚至无法工作。
因此,在设计时,只有经过每一步准确的计算和设计,只有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,才能保证系统工作的可靠性,安全性。
1.4完成毕业论文(设计)所必须具备的工作条件及解决的办法:
本课题根据我国煤矿企业发展需要,针对现有井下排水系统自动化程度低,劳动强度大、安全可靠性差等缺点,研制开发适用于煤矿安全生产的井下自动排水系统。
主要研究内容包括:
①从现有井下排水系统现状出发,研究切实可行自动化排水方案,解决井下排水现状存在的问题。
②开发电气控制系统,选择可靠的控制器及附属电气元件,适应井下环境,符合矿用设备的安全标准;并能充分利用井下条件,使控制简便可行。
③研制开发可控闸阀,适应于井下自动排水系统,提高排水效率和安全可靠性。
④优化控制系统,根据井下涌水情况的变化,选择不同的泵站运行方案,是使水泵房工作更加高效节能。
井下排水系统自动化程度低是我国煤矿企业普遍面临的问题。
随着煤炭行业的发展,对排水系统自动化的要求越来越高,在此背景下,本课题提出了井下自动排水系统的研究方案。
要顺利完成这次毕业设计,要具备很多的条件,由于我们本科生缺乏实践性操作,首先必须得了解排水系统的要求和所需的主要设备,除了这些还得具备其他条件,主要具备的条件如下:
1、经过四年的学习,掌握了扎实的基础理论知识
2、在指导教师的精心指导
3、学校开放的教学实验室,教学设备与仪器
4、在进行毕业设计以前对排水系统的了解,到水泵房观看排水系统实物,对排水系统管道、电机、水泵的布置有所了解,为毕业设计做了铺垫
5、学校可提供的可查阅资料和书刊等等
只有具备了以上条件,在自己的努力下,结合自己所学知识才能完成这次毕业设计。
在设计过程中,难免会发现很多疑难问题,这时我们就要积极查阅资料,谦虚向同学咨询请教,自己和同学都解决不了的就向指导教师请教,请求帮忙解决,使自己能顺利完成这次毕业设计。
第二章矿井排水系统选择与计算
2.1设计方案的比较
2.1.1传统继电器的缺点
体积较大(笨重),响应速度慢(达ms级),驱动继电器的功耗较大,机械寿命短,容易受到干扰而引起误操作,接线复杂,
元器件多,故障点就多,
接线完成后就只能实现一种特定的功能
2.1.2可编程控制器的优点
(1)PLC的基本概念
可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。
但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLC。
(2)PLC未来展望
虽然PLC问世时间不长,但是随着微处理器的出现,大规模,超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步,PLC也迅速发展,近期的PLC(80年代中、后期至今)进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。
而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化
(3)PLC的组成
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同:
1.中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。
2.存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同,但是根据PLC的工作原理,其存储空间一般包括以下三个区域:
(1)系统程序存储区
(2)系统RAM存储区(包括I/O映象区和系统软设备等)
(3)用户程序存储区系统程序存储区:
在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。
包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。
由制造厂商将其固化在EPROM中,用户不能直接存取。
它和硬件一起决定了该PLC的性能。
(4)PLC的基本特点
PLC的功能:
逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、PID控制、数据控制:
PLC具有数据处理能力、通信和联网和许多特殊功能模块,适用于各种特殊控制的要求,如:
定位控制模块,CRT模块。
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