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1、基于P1.C的井下自动排水监控系统设计摘要在煤矿生产中，排水设备是保证正常生产的至关重要的设备。目前，许多国内的矿山排水系统仍使用传统的继电器来进行操纵，这种方式的优势是操纵简单，但是它的安全性较差，对于煤炭行业来说是一个挑战。为了解决这个问题，我们研发出一种新型的排水系统，它将P1.C技术与PC技术有机地融为一体，既能够实现对环境的实时监控，又能够保证操纵的安全性。本论文中重点介绍一个关于煤矿排水系统的概念。为了满足排水控制的需求,我们还将提出一个新的系统。该系统将使用西门子的S7-1200系列P1.C,它可以通过多种传感技术（如水位、负压、压力和流量等）来满足我们的控制目标。除了这些，该系
2、统还拥有三种不同的操作模式：全自动、部分自动以及人工干预。为了确保水泵、管道等部件的正常运行，以减少由此带来的磨损，以及预防由于缺乏维护，可能引起的电机、电气设备的腐蚀、变形等问题，我们采取“自动轮换”工作机制，以确保可靠的运行状态。“避峰就谷”规定，为了实现节能减排，必须精准控制水泵台次，从而实现有效利用资源。通过将P1.C与PC技术有机地融入到排水系统中，我们大大改善了传统单一的继电器管理的局限，使其具备极强的可信度与稳定能力。此外，我们运用了自动轮换的技术，以及实现精准的调度，使得整个系统变得更具备智慧与高效，从而有助于推进煤炭行业的发展。关键词：煤矿；排水系统；集中控制；P1.C第1章
3、绪论1.1 研究目的及意义在矿井工作运转时，会常常出现不同的水源流入的情况，我们称之为矿水。这种情况就会严重的影响的矿井的正常工作，还会遇到意外出现矿难。两个关键因素决定了矿井涌水的形成：水源和流动通道。1）大气降水和地下供应水有着很大联系。当井不是很深的时候、有透水地层的地区，以及煤层上层的溶洞、裂缝或塌陷区，降水的优势劣势就会看出来。而干旱会导致旱季的下降。2）引发洪水可能性的原因之一是地表水可以作为地下水的补给源，通过相连的渠道进入井中。此外，地表水还有可能通过竖井、裂缝、断层、裂隙、溶洞、钻孔等途径，直接渗透到地下水层中。这些途径可以使地表水如江河、湖泊、水库以及塌陷区的积水，进入地下
4、水层，从而对地下水补给源进行补充，提升了洪水的发生几率。E所以，我们应该调查地下水的一切相关情况是非常重要的。大气降水是地下水补给的重要来源。对于位于谷缝附近、含透水层或煤层上部存在溶洞、裂缝、塌方的井，降水影响显着，呈季节性波动。在雨季，流入矿井的水量增加，而在旱季，流入矿井的水量减少。水库、湖泊、河流和塌陷区等地表水源也可以作为地下水进入地下的入口点，既可以通过直接接触，也可以通过连接的竖井、裂缝、断层、钻孔和溶洞，可能导致洪水泛滥。最后，地下水通常是进入矿山的主要水源，主要由大气降水和地表水补给。大气降水是地下水最重要的来源，对位于透水区浅井附近和山谷、溶洞、煤层裂隙内的矿井进水具有重要
5、影响。这种影响可以季节性地看到，雨季流入量增加，旱季输入量减少。此外，地表水，如江河湖流，除了在水库和洞穴中积聚外，还可以通过洞口、塌陷裂隙、裂隙直接流入地下。它还可以促进地下水补给，水通过相互连接的渠道进入井中并可能发生洪水。在所有来源中，地下水在矿井水流入方面最为普遍和重要，因为降水和地表水在水进入矿井之前都充当补给管道。因此，了解地下水体积分布、补给过程以及任何后续变化对于评估矿井水流入量至关重要。矿井涌水通道是一种用于排水和处理矿井涌水的设施。在矿井开采过程中，会出现积水的排放，我们必须及时处理这个问题，不然的话将会对矿井的安全和生产造成带来很大的问题。矿井涌水通道的主要功能是将地下水
6、引导至通道，以便有效地控制和处理，从而有效地防止污染物的污染，保护矿山环境。通常情况下，矿井涌水通道由主通道和支路通道组成，主通道负责收集和引导水流，支路通道则用于分流和处理水流在矿井涌水通道中，通常会设立一些处理设施，如过滤器、分离器、沉淀池等，用于处理水中的杂质和污染物，确保排出的水质符合环保要求。同时，为了方便维护和管理，矿井涌水通道通常会配备一些监测设备，如水位计、水质分析仪等，用于监测和控制水流的流量和质量。矿井主排水系统对于矿山的安全和正常运营至关重要，它不仅能够确保矿工的安全，还能有效地减少环境污染，从而确保矿山的长期发展。排水系统的主要作用是将地下矿井中的水排出，保持矿井内部的
7、干燥状态。只有保持矿井内部的干燥状态，才能确保矿山的正常运营。同时，排水系统也可以防止地下水的污染，保护环境。因此，矿井主排水系统对于矿工保护和环境保护都具有非常重要的意义。1.2 国内外研究现状及主要问题1.2.1 课题研究现状目前，国内外学者在控制煤矿井下排水系统的研究中取得了长足的进步。大多数在该国开展的研究都围绕安全性、可靠性和能源效率展开。例如，主水泵控制系统的计算机化革命性改造取得成功，进一步验证了矿山监控系统与排水系统自动化集成的有效性。此外，近年来，出现了许多研究来解决地下排水系统产生的高能源成本。重点关注离心泵、管道和电动机三个方面的改造，以实现更大的节能效果。由于各种煤矿的
8、状况各异，国内一家研究机构正在开发一种新的技术，即使用P1.C来自动收集水箱的水位、管道的压力和流量等信息。基于这些数据和预期矿山电力消耗的数学模型可以避免高峰和低谷水泵运行，从而降低能源消耗和生产成本。随着分时电费的日益普及，国内提出了分时用电，最大限度地降低煤矿井下排水成本。这种方法忽略了水泵、管道和电力效率等变量，而是简单地关注电力消耗的时间段；重点在用电高峰期避峰和用电低谷期尽可能有效地净化水体一一被称为煤矿排水的“避峰填谷”。国外的研究除了井水水质对排水装置的影响外，还主要关注管道的超长维护和清洗，以及其他更细微、更长期的组成部分。俄罗斯科学家基于等效成本的概念，形成了两个相似的水泵
9、最佳使用期限和管道清洗的计算公式，为水泵的使用和管道清洗提供了科学依据，从而提升了整个排水系统的安全性能系统。地下排水系统深受有害元素、酸性矿井排水的影响。排水系统的正常运行受到威胁，同时井下的设备和工作人员也面临着安全风险。随着全球化的加快，国际社会正在积极探索新的技术来解决酸性矿井排水和有害元素的危害。英国、德国、加拿大、西班牙等国都在努力研究这一领域，以解决当地矿山的独特环境问题，尤其是酸性矿井排水的挑战。这项研究已经发表了数百篇学术论文，并出版了许多文集和专著，为全球矿山排水环境的研究作出了重要贡献。1.2.2 主要问题矿山中央泵房是矿山企业必不可少的机电设施，对安全生产影响巨大。目前
10、，矿山中央泵房自动化水平较低，存在安全和生产效率问题。采用无人看守泵房中存在的各种挑战。地下水泵通常带有高电压、大功率并且启动起来相当复杂。水泵启动前吸水管的充水大多是借助真空吸水过程完成的。另一方面，泵房内设备的运行和监控，以及水箱内的水位均由人工管理。这种繁琐的人工操作过程耗时长，降低了系统的自动化水平，不符合现代矿井管理系统。由于实施了分时电价政策，煤炭企业的收入增长迅速。根据数据，一吨煤炭的生产需要27吨的矿泉水，甚至于可以高达30-40吨。这些企业的发动机功率各异，可以是几千瓦、几十千瓦、几百千瓦或者更多。中国的煤炭工厂中，井下排放的能源消耗大约是总能源消耗的18%-41%,一般情况
11、下，这个比例约为20%。因此，有必要降低与煤矿排水系统相关的能源成本。1.3 本课题研究的主要内容水泵的启停控制机制是一种自动化控制系统，其主要作用是对水泵的运行状态进行控制，以保证水泵的正常运行和节约能源。该机制通常由传感器、控制器、继电器和电源等部分组成。传感器是该机制的核心部分之一，它可以检测水泵的水位、压力、温度等参数，并将这些控制器可以实现对水泵的实时监测和控制。当水泵需要启动时，控制器会发出启动指令，以确保水泵能够正常运行；而当水泵不再需要启动或停止时，控制器会发出相应的停止指令。继电器是控制水泵电源开关的关键部件，它将控制器发出的信号转换成电力信号，控制水泵的启停。在实际应用中，
12、水泵的启停控制机制可以根据不同的使用场景进行调整，例如可以根据需求设置水泵的启动和停止水位、压力等参数。除了安装了报警系统，我们也能够在水泵出现问题的时候，立即向操作者发送警告，让他们立即采取措施来解决问题。总之，水泵的启停控制机制是一种非常重要的自动化控制系统，它能够有效地保障水泵的正常运行，提高水泵的使用效率，降低能源的消耗。第2章煤矿井下排水系统组成概况2.1 离心式水泵工作原理通常，离心式水泵是用于处理井下水的，但有些小型的煤矿和浅水井的应用可能会使用潜水泵。离心式水泵的结构包括泵体、控制器、启动装置、测量装置、水流控制器和相关配套元器件。如图2.1所示。图2.1离心式水泵工作系统(1
13、)滤水器和底阀离心式水泵工作系统中，滤水器和底阀是非常重要的组成部分。滤水器位于泵的进口处，可以过滤掉水中的杂质和固体颗粒，以保护泵的叶轮和密封件不被磨损或堵塞。滤水器可以是不锈钢网、石英砂滤料或其他材质的滤芯，具体选择要根据水质和使用环境而定。底阀被安装在泵的出口处，它不仅可以阻止水从泵体内溢出，还可以阻止空气进入泵体，从而有效地防止泵出现气锁现象。底阀通常由不锈钢或铸铁制成，有球型和闸型两种形式，选择要根据具体的使用条件来决定。总之，滤水器和底阀的作用是保护泵的正常运行和延长泵的使用寿命。（2）图2.2展示的是一种特殊的闸阀，它采用启闭体（阀板），由阀杆驱动，使得阀座密封面能够上下移动，从
14、而控制流体的流向。这种特殊的设计使得它成为离心式水泵工作系统中不可或缺的一部分，它可以有效地控制水流的流量和压力。它通常安装在管道系统中，可以手动或电动控制水流的开启和关闭。闸阀的结构简单，由一个带有阀门板的门体和一个阀杆组成。在水泵系统中，闸阀通常安装在泵的进口和出口处，以控制水流的流量和压力。需要注意的是，当闸阀完全关闭时，水泵会产生过高的压力，可能会损坏泵的部件。因此，在操作闸阀时，需要根据实际情况适当调整开度，以保证系统的正常运行。在选择闸阀时，需要考虑到系统的工作压力和流量，以确保闸阀的尺寸和强度能够满足系统的需求。此外，还需要考虑到闸阀的材质和密封性能，以确保其能够长期稳定地运行。
15、总之，闸阀在离心式水泵工作系统中扮演着重要的角色，可以控制水流的流量和压力，保护系统和人员的安全，是水泵系统中不可或缺的一部分。图2.2闸阀结构图安装在水泵排水管上方的调节闸阀，具有良好的流动性能，能够根据不同的工况，调整其开度，从而实现对流体介质的有效控制，满足各种工况下的流量需求。调节闸阀通常安装在管道系统中，用于调节流体介质的流量和压力，具有较高的流量调节精度和稳定性，广泛应用于工业、建筑、供水、排水等领域。调节闸阀的结构简单，维护方便，使用寿命长，可以在恶劣的工作环境中稳定运行。在使用调节闸阀时，需要按照相关标准和规范进行安装和使用，根据实际情况适当调整开度和流量，定期检查和维护闸阀，
16、保证其正常运行和安全使用。灌引水漏斗用于向水泵和吸水管中灌引水，将水流引入收水器中，通过出水口将水流引导到需要灌溉的地方。由于灌引水漏斗的收水器具有漏斗形状，可以收集和引导水流，使水流均匀地分配到需要灌溉的植物上，从而提高灌溉效率和作物产量。这些设备的安装和运用，可以帮助维护水泵系统的正常运行，保护水泵免受损坏，同时也便于检修和维护排水管路。普通弹簧管压力表是一种机械式压力测量仪器，基于胡克定律，利用弹簧管的形变量来测量被测介质的压力。它由弹簧管、指针和刻度盘组成，通常以psi、bar或kPa为单位。由于其便捷的操作、实惠的售价以及出色的准确性，普通的弹簧管压力计已经被广泛地运用到了各种行业，如工程、农业、航天、汽车等。但是，在使用时需要注意其测量范围、使用条件和校准维护等方面的问题，以保证测量结果的准确。真空表是一种常用于测量低气压或真空度的仪器，它由测量单元和指示
