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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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 : 变频器 1PID调节器|A PLC控制器 1水 泵 机 组电磁流量计 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
6、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 2.5mm到2.6m。(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
7、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 gS/cm介质流速推荐流速：0.510m
8、/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).5% , 1%环境温度-10 C - 50 C介质温度60 C（橡胶内衬）、120 C （四氟内衬）、180 C （四氟内衬）DN10 50 : PN NMPa工作压力DN65 200 : PN 1.6MPaDN250 1000 : PN 1.0MPaDN1200 2000 : PN O.6MPaDN2200 : PN O.25MPa以上各口径如需要更高压力，可以特殊订货电源AC 220V 50Hz( 90 245VAC 50Hz)DC 24V (20 36VDC)DC 3.6V （
9、锂电池供电）防护等级标准型IP65，防水型IP68电极材质316L，Hc，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
10、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
11、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
12、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FX1S-10MR-001输入输岀I/O总数数目类型数目类型106漏型4继电器尺寸mm(英寸)（宽）*（厚）*（高）60*75*90（2.4*3.0*3.5）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
13、FU1， FU2RT18 6A2FU3RT18 8A1热继电器FR1 FR2TK-E02T-C2FR3K-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DM46-50 X 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=19680m4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4-1图4-1本设计的电路图，如图4-2图4-24.2管路设计4-3根据
14、已经选型的设备，本设计的管路结构图如图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。定要不懈努力，不能遇在课程设计过程中，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，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。