学位论文-—盘县煤矿西一区-620-水平自动排水控制系统设计说明书.doc

本科毕业论文（设计）

论文（设计）题目：
盘县煤矿西一区620水平自动排水控制系统设计

学 院：＿＿机械工程学院＿＿＿＿＿
专 业：＿＿＿工程机械＿＿＿＿＿＿
班 级：＿＿＿机自096班＿＿＿＿＿
学 号：＿＿＿0908030355＿＿＿＿
学生姓名：＿ 汪如举＿＿＿＿＿＿
指导教师：＿＿＿＿钱宏琦＿＿＿＿＿＿

2013年 6 月 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：

日 期：

II
贵州大学本科毕业论文（设计）
目 录

目录 I
煤矿自动排水控制系统设计（流量30M3/h，扬程150M ） III
第一章 前言 1
1.1设计目的和意义 1
1.2本课题在国内外的发展概况及存在的问题 1
1.3应解决的主要问题 1
第二章 矿井排水系统选择与计算 3
2.1排水系统的重要性及特点 3
2.2系统功能 3
2.2.1系统的自动控制功能 4
2.2.2 保护功能 4
2.2.3水泵备用功能 4
2.2.4防倒灌功能 5
2.3矿井排水系统选择的选择 5
2.3.1 排水方案的确定 5
2.4管道的水力计算与选型 5
2.4.1管道材料的选择 5
2.4.2. 排水管路计算 6
2.4.3选择水泵 8
2.4.4泵基础设计 8
2.5水泵房布置 10
2.5.1 水泵机组的布置设计 10
第三章 电气与电路设计 13
3.1电流的计算 13
3.2 电动阀电路设计 15
3.3 PLC选型与设计 16
3.3.1 PLC选型  16
3.32 PLC电路设计 20
3.3.3排水系统的动作顺序及要求 22
3.4、触摸屏设计 22
4.1、水泵房的布置 26
4.2 水泵就位安装 26
4.3 检测与调整 26
4.4 电器系统的安装 26
4.5管道试压，绝缘测试以及联动试车 27
4.5.1管道试压 27
4.5.2绝缘测试 27
4.5.3联动试车 28
第五章 结论 29
参考文献 30
致谢 31

煤矿自动排水控制系统设计（流量30M3/h，扬程150M ）
摘要
目前，煤矿安全问题日益突出，尤其是瓦斯泄漏和煤矿透水事故的发生。在煤矿矿井建设和生产过程中，随时都有各种来源的水涌入矿井。矿井排水设备不仅要排除各时期涌入矿井的水，而且在遭到突然涌水的袭击有可能淹没矿井的情况下，还要抢险排水。因此，排水设备是煤矿建设和生产中不可缺少的，排水泵的安全可靠运行对保证矿井安全生产起着非常重要的作用。
现在， 许多矿井下主排水系统还采用人工控制，水泵的开停及选择切换均人工完成，完全依赖于工人的责任心， 做不到根据水位来进行排水，这将严重影响煤矿自动化管理水平和安全生产，同时也容易由于人为因素造成安全隐患。
随着科学技术的进步，可编程控制器（PLC）已经逐步取代了传统的继电器控制。PLC的应用领域已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。，其优点有：1可靠性高，抗干扰能力强；2配套齐全，功能完善，适用性强；3易学易用，深受工程技术人员欢迎4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；5体积小，重量轻，能耗低。因此本设计采用PLC为控制核心，根据传感器采集水位信号，通过PLC进行处理，从而控制水泵的运行和停止。从而达到节能减排，提高安全性的目的。
关键词：智能控制系统，煤矿排水，节能，编程逻辑控制器（PLC）

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第一章 前言
1.1设计目的和意义
这次设计是我们大学的最后一次设计，也是我们大学以来要求最严格，内容最为丰富的一次设计。本次设计能够检验同学在四年来所积累的知识及知识运用能力，也是考验课外知识的一次测验。并且在研究和设计的过程中逐渐发现自己的不足并加以改正。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,一定的方案比较、论证的能力,一定的理论分析与设计运算能力,进一步提高应用计算机绘图的能力以及编写编制能力。同时增强学生对PLC的认识,掌握不同功率的三项异步电动机的启动知识和给水工程规模的确定、管网的布置和计算、设计方案的选择、成果图的绘制以及设计文本的编制全过程。另外对培养学生独立思考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。

1.2本课题在国内外的发展概况及存在的问题
现状：有很多小型煤矿仍然采用比较简单的手动启动及停止的煤矿排水设备，这不仅浪费大量的人力物力，而且不便于了解煤矿的具体水位情况，这对煤矿及煤矿设备都带来了巨大的安全隐患。
发展趋势：新型的煤矿排水系统应向着自动化智能化发展。利用传感器等检查元件对处理器进行反馈。运用较多并且技术比较成熟的主要由可编程控制器（PLC）控制。PLC已经在各个领域尤其是自动控制领域飞速发展，已经成为现在自动控制的主流产品。
1.3应解决的主要问题
在这次设计中，主要解决以下问题：
（1）排水方案的确定。排水方案的确定不仅关系着消耗能量的多少，而且对煤矿安全也起着重要的作用。
（2）水泵房的合理设计。水泵房的合理设计能提高排水系统的安全，而且会减少排除故障时的时间，以及遇到危险时工作人员的紧急疏散。
（3）主回路的设计，包括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。
（4）电器控制部分的设计，包括触摸屏选型及设计，控制回路设计，逻辑动作图设计，可编程控制器选型设计，软件程序设计，保护回路设计和电器元件选型。
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。

第二章 矿井排水系统选择与计算
2.1排水系统的重要性及特点
煤矿排水系统的顺利工作关系到煤矿工作人员甚至整个煤矿的安全。但根据各个煤矿规模不同，复杂程度也不同。传统的继电器控制整个排水系统的工作及停止存在着很多问题。比如需要大量的人力物力，而且要时刻观察水位的高度，设备发生故障时很难排查故障点。这些都对工作效率产生了不小的影响。因此采用智能化控制已经逐步取代了传统的继电器控制。其主要有以下优点：
（1）在没有人工看守的情况下，可实现基于水泵的自动启动和停止。在很大程度上节省了人力物力，合理地利用了资源，合理调度。充分响应了节能减排的政策。
（2）该系统有过载、短路等保护。当水位达到高、低水位，或者系统发生故障时，系统将自动报警，以确保煤矿的安全生产，对故障的诊断及检修节省了宝贵的时间。保证设备的可靠运行。
（3）将煤矿排水的水泵站的数据传送到电器控制柜，采用触摸屏控制水泵的启停，增加了控制按钮的寿命，并且能更直观的观察水泵的工作状况及水位状况。可以在地面对泵站的运行实行远程控制。
（4）该系统采用采用PLC控制。比传统的继电器控制更准确更迅速。通过编程能实现水泵的只能控制，合理利用水泵，对延长水泵的寿命起到了很大的作用。并且PLC抗干扰能力强，大大保证了控制系统的可靠性。并且已经成为今后发展的趋势。
2.2系统功能
煤矿的所处的自然环境一般都比较复杂而且是在地下工作，不同的煤矿存在着不同的差异。随着透水量的多少、开采强度的变化，要求控制系统的开发必须有更高的工作效率、稳定性及普遍适用性来确保整个煤矿的安全。因此，排水系统主要应有以下一些功能：
(1)水泵备用功能
(2)保护功能
(3)系统的自动控制功能
(4) 防倒灌功能
2.2.1系统的自动控制功能
由于煤矿所处的环境都比较复杂，因此对控制部分的要求特别高。传统的继电器控制存在着很多问题，如：接线复杂，抗干扰能力差，寿命短等。PLC的出现改变了这一局面。对于传统控制，PLC住要有以下优点：1可靠性高，抗干扰能力强；2配套齐全，功能完善，适用性强；3易学易用，深受工程技术人员欢迎4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；5体积小，重量轻，能耗低。所以采用PLC控制整个煤矿系统既减小了控制难度，又减少了人力物力的投入。
控制系统主要有手动选择、自动选择的切换，备用水泵的选择，水位监控系统，水泵排水系统，阀门开关系统，报警系统等组成。
手动选择主要用于调试，及特殊情况的启动形式。这在整个系统的安装过程中非常重要。以确保调试安装工作的顺利进行及特殊状况的启动。自动选择主要用于无人监视时水泵工作。水位监控系统主要采集水位的高低的数据，数据通过PLC处理从而控制水泵及电动阀门的启停。水泵排水系统主要是排净煤矿中的涌水，确保煤矿的安全。阀门开关系统主要是用于防止管路中的水倒流损坏排水系统。报警系统主要为了防止水泵发生故障时，发出警报，提醒工作人员及时检修及更换备用水泵。
2.2.2 保护功能
由于系统是在井下工作，而控制人员是在井上工作，不可能时时都下井去检查水泵的运转情况，一旦电动机发生故障会比较危险。因此自动保护功能显得尤为重要。
涌水中成分比较复杂，当沙石泥土进入水泵时会增加水泵的负载，严重时可能烧坏电动机。因此过载保护极为重要，主要采用空气开关和热继电器进行保护。当电动机过载时会自动跳闸。
为了防止开启水泵是管路中的水倒灌，设计还采用电动阀来防止管路中的水倒流。开启排水系统时先开启水泵，然后打开电动阀门，来防止水倒灌。关闭排水系统时应先关闭阀门，再停止水泵的运转。

2.2.3水泵备用功能
由于煤矿的所处的自然环境比较差，因此对水泵的质量及工作时间都有很高的要求。如果水泵出现故障，涌水不能及时排出，将大大影响整个煤矿系统的安全性。因此备用水泵显得尤为重要。根据需要一般煤矿采用3台水泵工作，一台水泵备用。当有水泵发生故障时，采用备用水泵排水，同时检修故障水泵。这就能保证整个排水系统的正常运行。不仅如此，也可以根据涌水量的不同采用不同数量的水泵进行排水，不仅增长了水泵的寿命而且节约了能源。这样可以防止有的水泵因长时间工作而损坏，而备用水泵因长时间不工作而发生故障。
2.2.4防倒灌功能
为了防止开启水泵是管路中的水倒灌，设计还采用电动阀来防止管路中的水倒流。开启排水系统时先开启水泵，然后打开电动阀门，来防止水倒灌。关闭排水系统时应先关闭阀门，再停止水泵的运转。
2.3矿井排水系统选择的选择
2.3.1 排水方案的确定
煤矿排水系统的可靠性是建整个煤矿工作人员及煤矿安全的重要保障系统。所以排水系统的可靠性是系统方案设计的重要标准，不仅如此，还要综合考虑排水系统的节能性、经济性、环保性和实用性。为保证排水系统的安全性，必须要选用结实耐用且不容易腐蚀的管道，而优质管道价格又相对过高，所以要平衡好安全性与经济性。而实际排水时选择一台水泵会使所选的水泵功率过大，如果发生故障是不容易检修，而且检修期间不能进行正常的排水工作，这对煤矿的安全造成了很大的隐患。当使用多台水泵时，即使所选用的水泵型号相同，但由于实际加工生产过程中会产生误差，性能指数不尽相同，会使实际运行中负荷发生变化，且有时非共用管路段的阻力损失不能忽略，这些都会影响其排水系统的效率。所以排水方案的确定起到了极其重要的作用。
2.4管道的水力计算与选型
2.4.1管道材料的选择
市面上管道分好多种，主要由金属管道和非金属管道。由于煤矿的地质环境比较复杂对管道的质量及抗压强度要求很高，因此非金属管道不予考虑。但金属管道又分好多种，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。钢管中还有一类为不锈钢管，但造价较高，未曾推广使用。铸铁管承受工作压力一般为，且
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耐腐蚀，价格较便宜，缺点为质硬而脆，笨重，施工不便，因而在煤矿排水系统中应用也较少。
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供水管路。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，目前大量使用。
综合考虑，供水管路的实际压力、工艺性、消防需求、强度需求以及防腐需求，选用热轧、热镀锌无缝钢管。

2.4.2. 排水管路计算
（1）管径确定
本系统共用3台水泵，按一用一备设置,根据流量公式:

可确定计算管径公式为:

其中当DN25~DN40，u=0.8~1.2 m/s，DN50~70，u ≤1.5m/s，DN80及以上的管径，u ≤1.8m/s。
于是根据本设计流量Q=30 m3/h查文献【建筑给排水手册】，选择公称直径的无缝钢管，取，，∴。
当DN>80时< u ≤1.8m/s，符合要求。
(2)局部水头损失
给水管道具备水头损失：

式中：为管道个局部水头损失总积；
为局部阻力系数；
为平均水流速度。
查文献【简明设计手册】知时，管道各处局部阻力系数如表2.1。
表2.1 局部阻力系数
受阻力的局部
局部阻力系数
数量
异径管滤水网
6.5
1
水泵入口处
1.0
1
闸阀
0.2
2
升降式上回阀
7.5
1
弯头
0.80
1
钢制焊接弯头
0.63
1
异径管
0.17
1
截止阀
2.0
1
水泵有1个入口，1只滤水网，1个升降式上回阀，2个闸阀，1异径管，1个弯头，一个弯头，则其局部阻力系数之和：

∴
(3)排水管道的沿程水头损失
Hi = H×I
扬程
式中：为实际扬程，；为总水头损失；为富余扬程，一般为
10~30m，取。
∴
Hi=150×0.22115=3.385m
总水头损失=沿层阻力损失+局部阻力损失：

2.4.3选择水泵
则水泵扬程H：

式中：为实际扬程，；为总水头损失；为富余扬程，一般为10~30m，取。
∴
则泵所需流量。
根据所需扬程，流量为，查文献【建筑给排水设计手册】，选取型卧式单级离心泵。相关参数：流量，额定扬程。.与之相匹配的电机型号为Y225M-2。相关参数：额定转速，额定功率。
2.4.4泵基础设计
机组（水泵和电动机）安装在共同的基础上。基础的作用是支承并固定机组，使它运行平稳，不致发生剧烈振动，更不允许产生基础沉陷。因此，对基础的要求是：
(1)坚实牢固，除能承受机组的静荷载外，还能承受机械震动荷载。
（2）要浇制在较坚实的地基上，不宜浇制在松软地基或新填土上，以免发生基础下沉或不均匀沉陷。
查手册，得出IS80-50-315型卧式单级离心泵安装尺寸如下：
，，，，，，，，，，，。混凝土机座，，，。
水泵基础图如图2.1所示。

图 2.1 基础图

查阅【水泵安装与隔振手册】，得出混凝土基座的配筋图如图2.2所示。

图 2.2 基础配筋图
查【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-dn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。

图 2.3 水泵安装图

2.5水泵房布置
2.5.1 水泵机组的布置设计
（1）水泵机组的布置
水泵机组的排列是泵站内布置的重要内容，它决定泵房建筑面积的大小。机组间距以不妨碍操作和维修的需要为原则。机组布置应保证运行安全，装卸、维修和管理方便，管道总长度最短、接头配件最小、水头损失最小并应考虑泵站有扩建的余地。为了保证泵站的工作可靠，运行安全和管理方便，在布置机组时，应遵照以下规定：
①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。
②泵站内主要通道宽度应不小于1.2m。
③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。
④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。
⑤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。
⑥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。
⑦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只用，其尺
应保持检修机组的周围有0.7m～1.0m的过道。
（2）泵房设计
泵房布置应根据泵站的总体布置要求和站址地质条件，设备型号和参数，进、出水流道（或管道），电源进线方向，对外交通以及有利于泵房施工、机组安装与检修和工程管理等，经技术经济比较确定。泵房布置应符合下列规定：
①泵房大门口要求通畅，既能容纳最大的设备（水泵或电机），又有操作余地。其内部场地宽度一般用水管外壁和墙壁的净距A表示。其等于最大设备的宽度加lm ，但不得小于2m 。
②满足机电设备布置、安装、运行和检修的要求。　
③泵房长度应根据机组台数、布置形式、机组间距，边机组段长度和安装检修间的布置等因素确定，并应满足机组吊运和泵房内部交通的要求。
④泵房宽度应根据机组及辅助设备、电气设备布置要求，进、出水流道（或管道）的尺寸，工作通道宽度，进、出水侧必需的设备吊运要求等因素，结合起吊设备的标准跨度确定。
⑤安装检修间宜设置在泵房内对外交通运输方便的一端或进水侧，其尺寸应根据机组安装、检修要求确定，
⑥泵房对外至少应有两个出口，其中一个应能满足运输最大部件或设备的要求。
⑦泵房内，四周均应设将渗水汇入集水廊道或集水井的排水沟。
⑧泵房的耐火等级不应低于二级。泵房内应设消防设施，并应符合现行国家标准《煤矿设计规范》和国家现行标准《给排水安装规范》的规定。
(3) 水泵机组安装图设计
由以上水泵机组的布置设计和泵房设计得如下水泵机组安装图：

图 2.4 水泵房的配置图（1）

图 2.4水泵安配置图（2）

第三章 电气与电路设计
3.1电流的计算
第三章中根据水泵型号得到与水泵型号相匹配的电动机，其电动机型号为Y200L2-2，电动机性能参数如下：
同步转速：n=30000r/min 功率：P=45KW 额定电压：P=380V，额定电流转速:n1=2970r/min
(1)线径选择。
口诀中的阿拉伯数字与倍数的排列关系如下：
对于1.5、2.5、4、6、10的导线可将其截面积数乘以5倍。
对于16、25的导线可将其截面积数乘以4倍。
对于35、50的导线可将其截面积数乘以3倍。
对于70、95 的导线可将其截面积数乘以2.5倍。
对于120、150、185的导线可将其截面积数乘以2倍
首先要计算电机的线电流，对于单相电路而言，电机功率的计算公式是：
p=iucosφ；
对于三相平衡电路而言，三相电机功率的计算公式是：p=1.732iucosφ。由三相电机功率公式可推出线电流公式：
i=p/1.732ucosφ
式中：
p为电机功率
u为线电压，一般是380v
cosφ是电机功率因素，一般取0.75
45kw电机的线电流：
i=p/1.732ucosφ=45000/1.732*380*0.75=45000/493.62=91.16A
由于电机的启动电流很大，是工作电流的4到7倍，所以还要考虑电机的启动电流，但启动电流的时间不是很长，一般在选择导线时只按1.3到1.7的系数考虑。这取1.5，那么电流就是137.4A,选择70的铜线也可以满足正常工作。
同理，1kw电机的线电流：
i=p/1.732ucosφ=1000/1.732*380*0.75=1000/493.62=2a
考虑启动电流后，线电流为2a，选择1.5的铜线比较合适。
导线截面积和载流量的计算有口诀如下：导线安全载流量10下五，100上二，16、25四，35、50
所以主回路线径选择为300，允许通过电流为137.4×3+2×3+2=420.2A，选择线径为185的铜线。
(2)元件选型。
断路器：断路器是具有过载、短路和欠电压保护的保护电器，断路器有油浸式断路器、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。

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，型号为框架式自动空气开关，适用于，额定工作电压为，额定电流，过电流脱扣范围200-600A。
异步电机分支回路分电路断路器QF1-4 ：根据电机额定电流；额定电压，选用塑料外壳式空气开关，型号DZ10-100，适用于，额定工作电压为，额定电流，过电流脱扣范围60-100A。
③ 接触器；接触器是一种适用于远距离频繁通断电路的控制电器，主要控制对象为电动机。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。CJ10系列交流接触器是一般任务型接触器，主要适用于交流电动机的启动和控制。绕线式异步电机分支回路分电路接触器KM1-12，选用型交流接触器，技术参数如下：控制电机最大功率50KW，额定电压，额定电流。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。
④ 热继电器： 热继电器主要用于电机的过载保护，一般情况按照电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，热继电器整定值在66.31-73.92A之间。因此选用，热元件额定电流为85A。刻度中可调范围为53~85A。
主电路的电路图如图3.1所示。

图 3.1 电路主回路图
3.2 电动阀电路设计
电动阀的设计是为了防止启停水泵时发生水锤现象。当水泵关闭时，由于水泵出口的压力骤然减小，管路中的水就会出现自由落体现象，但由于逆止阀的存在，使管路中水的重量突然集中在逆止阀上，产生巨大的能量。这股巨大的能量甚至能损坏设备，对整个排水系统造成损坏。所以电动阀的设计是必须的。
为了防止这种现象发生，启动排水系统时要先开启水泵电动机，当水泵运转起来以后，，管路中的压力逐渐升高，打开电动阀会平衡管路中水的自身的重力，对整个官网冲击较小。停止排水系统时，要先关闭电动阀，使管路中水的压力逐渐减小，再关闭水泵电动机，减小对官网的冲击。这样能大大增加排水系统的寿命，也保证了煤矿的安全。
电器元件选型如下：
(1)电动阀：查阅【给排水设计手册】，选用型号为D94-2.5的电动阀。阀门型式为蝶阀，驱动方式为电动，联接型式为法兰联接，工作压力为2.5MPa。
(2) 交流接触器：电动阀驱动电机分支回路接触器13-20 选用型交流接触器，技术参数如下：控制电机最大功率2.2KW，额定电压，额定电流。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) 电缆：电动阀驱动电机分支回路采用1.5铜芯线，载流量约为7.5A。
(4) 断路器 ：电动阀驱动电机分支回路断路器QF5 ：四台电机型号为Y801-2额定工作电压为，额定电流，选用塑料外壳式空气开关，型号DZ0.15-2，适用于，额定工作电压为380V，额定电流2A，过电流脱扣范围0.15-2A。

3.3 PLC选型与设计
3.3.1 PLC选型 
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备是集成的、标准的，按照易于工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应用装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能图标及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性价比的PLC和设计相应的控制系统。
（1）估算 输入输出（I/O）点数
  I/O点数估算时应当考虑适当的余量，通常先根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。最后在实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行适当调整。
在本设计中，PLC输入端应设置3台机组的3个备用选择按钮、3个启动按钮、3个停止按钮、3个热继电器输入、上下水位触点2个，2个手动控制和自动控制选择按钮、6个电动阀门的行程开关，输入点合计,25点。输出端应设置主回路的9个交流接触器、电动阀回路的6个交流接触器、3个故障指示灯、3个备用指示灯、输出点合计21点。输入输出（I/O）点数为25+21=46点。再增加15%的可扩展余量，I/O总点数为53点。
（2）存储器容量的估算 
    存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，所以程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 
存储器内存容量的估算没有固定的计算公式，许多文献资料中给出了不同的估算公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
（3）控制功能的选择 
    控制功能包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等功能。
①运算功能 
    简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。 
    ② 控制功能 
    控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。 
    ③ 通信功能 
    大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。 
    PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。 
     PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。 
    为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。 
    ④ 编程功能 
    离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。 
    五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 
     ⑤ 诊断功能 
     PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。 
     PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 
     ⑥ 处理速度 
     PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。 
处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。

（4）、机型的选择 
PLC种类繁多，主要生产厂商有西门子、三菱、施耐德、AB、台达、欧姆龙、array、基恩士、多呢 、富士，安川，松下等，其功能、容量、控制规模、外观等方面差异巨大。PLC的I/O总点数小于256点的叫小型机，357~2048点的为中型机，超过2048点的为大型机。
OMRON公司推出的C系列可编程控制器分为袖珍型、小型、中心和大型四个档次。根据估算的I/O总点数，选用OMRON公司C系列可编程控制器小型机。C系列小型机按处理器档次分为普及型、P型机和H型机。普及型价格低廉、功能简单。P系列机为普及型的加强版，增加了许多功能。H型处理器比P型更好、处理速度更快，但价格更高。自动供水系统的控制为简单的顺序控制，标准版得CP1L机型既能满足控制要求，该机型根据输入输出点数可分为L型的10点、14点、20点三种机型和M型30点、40点、60点三种机型

3.32 PLC电路设计
根据设计要求输入需要有水泵备用输入、启动输入、手动/自动选择输入、电动阀门开启输入、电动阀门关闭输入，根据需要还有热保护触点输入、水位监测输入。输出需要有水泵电机接触器输出、电动阀门接触器输出、备用指示输出、故障显示输出。
拟定PLC I/O分配表如表3.3所示。

图 3.2 I/O分配图

根据 I/O分配表画出PLC接线图如图3.4所示：

图 3.3 PLC节选图
(1) 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，额定工作电压为，额定电流，过电流脱扣范围0.5-10A。
(2)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500~2550mm，选用GSK型干簧继电器，适用于清水，控制幅度为0~5.5m。
(3)指示灯：指示灯用于PLC输出端的信号显示，电压为12V~ 。选用AC1-22/11型信号指示灯，颜色选用红色和绿色。
(4)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，T1选用DCB10—200VA/220V/24V。
3.3.3排水系统的动作顺序及要求
当给排水系统通电后，需要作出手动/自动选择。
当选择自动模式时，首先选择备用水泵，同时有指示灯指示作为备用的水泵。通过检测水位的信号，决定水泵的开启（关闭）。若水位达到一定高度，触发干簧管，则通过PLC进行信号处理，发出电动机启动信号，通过星型降压启动第一台水泵，延时一段时间开启电动阀门，待电机达到一定转速时将电动机转换为三角型接法，正常工作，完成水泵的启动,随着时间的推移，水池中的水位逐渐降低，当触发下水位触点时，信号传到PLC中，通过处理，并发送停泵信号。关闭泵的电动阀，经过一段时间.
系设计还需要有保护、报警等功能。当电动机过载时，热继电器会自动弹开，并将信号输入到PLC，通过处理发出报警信号，点亮控制台的报警灯。
当选择手动模式时，按下一号泵启动一号泵星型启动，延时一段时间后电动阀门打开，当电动机达到一定转速时，转换为三