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
(flow for 90 m3 source of energy coal country, in coal mine type, coal mine, also 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, time, ensure safety production in coal mine is the main purpose of this design.
Therefore, the mine drainage system in coal mine safety production 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 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
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，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
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。
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。
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，热轧管最大。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，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0.6、0.8、1.0、1.25、1.6的档次；公称外径有；缺点是易燃，受热易变形。PVC管不导电，不导热且阻燃，目前主要规格有十多种；管材公称压力有0.63和1.00两种规格；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十多种；管道许可压力为0.6、0.9、1.6三种规格；使用温度；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，扬程为100m。
⑴管径确定
根据流量公式
2-（1）得
2-（2）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
根据[建筑给排水手册]，取
所以
圆整后取
符合[建筑给排水手册]中的,，，DN80及以上的管径，。
⑵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：
2-（3）
2-（4）
2-（5）值查阅有关手册
取，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，，，所以
85
.4-
.1-008333
.1
87
85
?
=
105?
100
.0
100
2-（6）
2-（7）
2-（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。
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，。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，这里取，则每台工作水泵的流量h m Q Q Q /50%
6039033`=?==η。根据上一章节，得。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。
其参数为：流量，扬程。与之匹配的电机型号为Y200L 2-2，电动机参数为：额定转速，额定功率。
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
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。
位：mm）：
，，，，，，，，，，，，，，，。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）。
2.1 水泵安装钢筋混凝土基础图
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100~50和100~80，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0~2.5Mpa。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194
×194×3，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
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0.7m～1.0m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。
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。
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；额定电压;额定功率；功率因数。
根据功率计算公式
3-（1）得
3-（2）
2、电动阀门电机型号为Y-802-4，已知：额定电压;额定功率;。由式3-（1）得
3-（3）
3.1.2启动方案选择
时，启动电流一般为额定电流的5-7倍，以6倍记，则。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，所以降压启动电流。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；而高压架空线路，还应验算其机械