安全监测与监控-复习重点.doc

安全监测与监控 复习重点
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名词解释（15分）判断题（10分）填空题（10分）简答题（30分）计算（35分）
名词解释：
约定真值
亮度温度
压电效应
光电导效应
光谱特性
光照特性
传感器
声发射
黑度
绝对误差
死区
平均无故障时间
标称值
比色温度
滞后度
阈值
霍尔效应
热电效应
简答：
1热电偶的材料有哪些要求？

2热电偶参考端的处理方法有哪些，并简要说明其过程?

3说明压力式温度计的组成及工作原理。

4试述减小和消除系统误差的方法主要有哪些?

5简述电阻应变片传感器的工作原理。

6说明电容式传感器测料位的原理，并分析有物料时，电容与料位的关系。

7怎样确定压力表的量程？

8传感器的选用指标有哪些？

9分析恒浮力式液位计工作原理。

10析椭圆齿轮流量计工作原理。

11电阻式物位计在测量料位时的原理是什么?对被测介质有何要求?

12简述速度检测常用的几种方法。

13什么是亮度温度?什么是比色温度?为什么比色辐射温度计通常比其他辐射式温度计能获得较高的测量精度?

14常见的被测参量可分为哪几类？

15用镍铬-镍硅热电偶测量炉温，其仪表示值为600℃，而冷端温度t0为65℃，则实际温度为665℃，对不对？为什么？应如何计算？

16试简述差动变极矩型电容传感器的原理。

计算：
1.有一内径为0.1 m气体管道，测得管道横截面上的气体平均流速u=8 m／s，又知工作状态下的气体密度ρ=13kg／m3，试求气体流过测量管道内的体积流量和质量流量。
解：

2.有一压电晶体，其面积S=4cm2，厚度d=0.5mm，X切型纵向石英晶体压电系数d11=2.31
×10-12C/N.求受到压力p=9MPa作用时产生的电荷q及输出电压U0.（已知真空介电常数
ε0=8.85×10-12F/m,石英晶体相对介电常数εr=4.85）

解：

最小二乘法(必考)

2. 电阻式物位计在测量料位时的原理是什么?对被测介质有何要求?
答：电阻式物位计在料位检测中一般用作料位的定点控制，因此也称作电极接触式物位计。两支或多支用于不同位置控制的电极置于储料容器中作为测量电极，金属容器壁作为另一电极。测量时物料上升或下降至某一位置时，即与相应位置上的电极接通或断开，使该路信号发生器发出报警或控制信号。
接触电极式料位计在测量时要求物料是导电介质或本身虽不导电但含有一定水分能微弱导电；另外它不宜于测量粘附性的浆液或流体，否则会因物料的粘附而产生误信号。

3. 简述速度检测常用的几种方法。
答：(1)微积分法对运动体的加速度信号口进行积分运算，得到运动体的运动速度，或者将运动体的位移信号进行微分也可以得到速度。例如在振动测量时，应用加速度计测得振动体的振动信号，或应用振幅计测得振动体的位移信号，再经过电路，进行积分或微分运算而得到振动速度。
(2)线速度和角速度相互转换测速法线速度和角速度在同一个运动体上是有固定关系的，这和线位移和角位移在同一运动体上有固定关系一样。在测量时可采取互换的方法测量。例如测火车行驶速度时，直接测线速度不方便，可通过测量车轮的转速，换算出火车的行驶速度。
(3)速度传感器法 利用各种速度传感器，将速度信号变换为电信号、光信号等易测信号进行测量。速度传感器法是最常用的一种方法。
(4)时间、位移计算测速法 这种方法是根据速度的定义测量速度，即通过测量距离L和走过该距离的时间t，然后求得平均速度ν。L取得越小，则求得的速度越接近运动体的瞬时速度。如子弹速度的测量，运动员百米速度的测量等。

4. 什么是亮度温度?什么是比色温度?为什么比色辐射温度计通常比其他辐射式温度计能获得较高的测量精度?
答：用光学高温计测量被测物体的温度时，读出的数值将不是该物体的实际温度，而是这个物体此时相当于绝对黑体的温度，即所谓的“亮度温度”。
比色温度定义为：绝对黑体辐射的两个波长λ1和λ2的亮度比等于被测辐射体在相应波长下的亮度比时，绝对黑体的温度就称为这个被测辐射体的比色温度。
由于很多金属或合金随波长的增大，其单色光谱发射率是逐渐减小的，故这类物体的比色温度是高于真实温度的。而相当多的金属其 近似等于 ，故用比色高温计测量此类金属时所得的比色温度就近似等于它们的真实温度。以上这些是比色高温计的一个主要优点。其次，在测量物体的光谱发射率时，比色高温计测量它们相对比值的精度总高于测量它们绝对值的精度；另外由于采用两个波长亮度比的测量，故对环境气氛方面的要求可大大降低，中间介质的影响相对前述光谱辐射温度计要小得多。
综上所述，与光谱辐射温度计相比、比色高温计的准确度通常较高、更适合在烟雾、粉尘大等较恶劣环境下工作。

5.常见的被测参量可分为哪几类？
答：常见的被测参量可分为以下几类：
(1)电工量 电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁场强度、磁通密度等；
(2)热工量 温度、热量、比热容、热流、热分布、压力、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面等；
(3)机械量位移、形状、力、应力、力矩、重量、质量、转速、线速度、振动、加速度、噪声等；
(4)物性和成分量气体成分、液体成分、固体成分、酸碱度、盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等；
(5)光学量光强、光通量、光照度、辐射能量等；
(6)状态量颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量等

绿草沟煤矿安全监测监控系统检查表

单位名称： 检查日期：年月日
安全监测监控系统基本情况
系统名称

型号规格

安装时间

安标编号

分站种类及数量

传感器种类及数量
瓦斯传感器 个， 温度传感器 个， 风速传感器 个，
设备开停传感器 个，馈电状态传感器 个，风筒传感器 个，
顶板压力传感器 个，一氧化碳传感器 个，负压传感器 个，
水位传感器 个，风门开启传感器 个，烟雾传感器 个，
粉尘传感器 个 ，瓦斯断电仪 个。
持证检测工数量

检查情况记录
序
号
检查内容项目
要求
检查结果
1
系统检查
1、煤矿安全监控系统是否具备系统整体安全标志

2、系统各组成部件的名称、型号、规格、生产单位、安全标志编号等是否与系统整体安全标志证书中标注的一致；

3、电缆型号规格是否与备案的使用说明书中规定的一致；

4、传输接口、分站、传感器、执行器、电源箱等防爆产品是否取得矿用产品安全标志；

5、产品铭牌和MA标识、防爆标识想法是否完整，字迹清晰可见；

6、各类设备是否有产品合格证；

7、大修后系统配套产品是否检修合格；

8、瓦斯传感器是否定期检定。

2
系统配置
1、监控系统是否有专门设计；

2、监控系统功能是否齐全、完整、是否符合AQ6201和AQ1029的规定，并满足安全生产的需要；

3、对采区设计、采掘作业规程中对安全测控仪器的种类、数量和位置，信号电缆和电源电缆的敷设，控制断电区域等是否做出明确规定；

4、分站、传感器、声光报警器、执行器、电源等设置和安装，传感器的报警浓度、断电浓度、复电浓度的设置是否与《煤矿安全规程》和AQ1029标准表1以及图1~图10的规定；

5、断电范围是否符合AQ1029中表1的规定；

6、井下防爆电气、地面防雷装置及中心站设备是否良好接地；

7、地面中心站及入井口的装备设备配置是否符合系统及产品使用说明书的要求；

8、电网停电后，备用电源是否保证设备连续工作不低于2h；

9、矿井是否配备传感器，分站等安全监控设备备件、备用数量不少于应配备数量20%。

3
系统运行状况
1、监测功能是否正常；

2、报警和断电功能是否正常；

3、甲烷超限断电闭锁和甲烷风电闭锁功能是否不正常；

4、是否具备联网功能；

5、系统数据传输是否正常，巡检周期的平均值应不大于30s；

6、是否保证存储时间及报警断电及馈电异常报表的一致性；

7、手动、自动双机切换是否正常，从工作主机故障到备用机正常工作的时间应不大于5ｍｉｎ。

4
技术文件管理要求
1、监控系统安装完成后是否经试运转，通过相关部门组织的验收，是否有验收合格报告；

2、监控系统的技术文件是否齐全、完整，包括使用说明书、安全标志证书、防爆合格证、产品合格证等；

3、是否保存完整的帐卡及报表、报警参数、相关措施及采取措施的时间必须符合《煤矿安全规程》、AQ1029及应急预案的要求；

4、是否有全矿安全监控布置图和断电控制图，并随着生产的进行及时更新、图件应经审批，有相关审批手续；

5、传感器和系统的调校是否满足相关规定；

6、传感器和系统维护检修是否满足相关规定；

7、地面中心站、网络中心是否有24ｈ有人值班；

8、监控系统和网络中心是否每3个月对数据进行备份，备份的数据介质保存时间应不少于2年；

9、图纸、技术资料的保存时间是否符合规定，保存时间应不少于2年。

系统安全管理要求
1、是否建立煤矿安全测控管理机构，由煤矿主要技术负责人领导，配备足够的人员；

2、国有重点煤矿的矿务局（公司）、产煤县（市）是否建立安全测控仪器检修中心；

3、煤矿是否建立安全测控仪器检修室；

4、安全测控仪器管理、维护、检修、值班的人员，是否接受相关培训合格，持证上岗；

5、安全测控岗位责任制、操作规程、值班制度等规章制度是否健全，在实际过程是否得到严格执行；

6、是否建立相关事故应急预案；

7、是否建立监控系统完整的技术措施。

抽查、督查的重点检查项目

检查要求：
装备齐全，数据准确，断电可靠，处置

1、设备是否合法、功能是否齐全。

2、井下安装接电是否正确？（监控系统分站的供电电源应接在被控开关的接入侧，严禁接到被控开开关的负荷侧）

3、软件功能是否完备

4、监测数据的一致性检查。检查数据是否有人为删除，过滤，是否有绑架软件，系统的报警功能是否启用。

5、各类断电控制功能是否能正常实现。

安全监测监控课程设计

1课程设计的要求与目的
1.1课程设计的目的
随着煤炭行业的发展，企业不断建设与改建大型矿井，矿井井底水抽放到地面上处理也越来越不容易。无论从资源利用，经济效益还是环境方面考虑煤矿的排水问题，对于矿井排水的二次利用是非常重要的。所以针对这一问题利用传感器技术、PLC控制技术、计算机视频监控技术，实现煤矿抽水的自动化，自动启动水泵进行抽水。当水位下降到安全值以下时，自动关闭水泵，实现水位和流量的实时监控。
设计矿井排水进行制浆是提高煤矿效益，安全生产，降低损失，保护环境的最好选择。
1.2课程设计的要求
设计一个矿井抽水系统，利用设计的传感器，控制器，执行器可以对输水管道的水流量进行实时检测监控并且能控制水流量为指定值，形成一个自动恒温控制系统，采用电动调节阀进行控制，将矿井井下水抽放到蓄水池，利用蓄水池的矿井水进行制浆，用于井下灭火和充填。
结合具体的煤矿相关标准按照《煤矿安全规程》主要排水设备应符合下列要求：
（1）水泵。合理的选择水泵型号类型，必须有工作和备用检修的水泵。工作水泵应能在20 小时内排出矿井24 小时的正常涌水量。备用水泵应具备大于工作水泵70%的排水能力。
（2）水管。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20小时内排出矿井的正常涌水量。工作和备用水管的总能力应能配合工作和备用水泵在20 小时内排出矿井24 小时内最大的涌水量。
（3）配电设备。应同工作及备用水泵相适应，并能够同时开动工作和备用水泵。
2系统结构设计
2.1控制方案
煤矿矿井抽水自动控制系统是根据煤矿矿井的实际情况，以使设备在无人干涉的情况下自动运行和自我诊断的一套系统。通过工业计算机的决策控制，对设备的运行状态、运行过程进行自动检测、自动控制，利用水位测量计，传感器采集，记录的相关数据传送到地面中枢电脑控制室对其进行分析，对照煤矿排水标准以及煤矿灌浆设计需求的供水排水量，将信息处理后通过对控制器传递模拟信号，进一步对执行器传递模拟信号来控制管道的输水情况。
设备列表如下：

序号
1
2
3
4
5
6
7
8
设备名称
水管
流量计
传感器
水泵
自动控阀门制
计算机控制主机
视主机频监控
液位计
作用及相互关系
连接水泵输送水
监测水流量反馈给主机
与管道连接监测，安装在井下
连接水管抽水
执行计算机传递信号控制水流
分析传感器信息
根据监控数据自动成像
连接管路监测水位

表1排水系统设备表
2.2系统结构
系统结构简图如下；
设计统主要在PCL监控机为工作核心在排水的过程中进行水泵，管路流量的检测，压力检测，温度检测，真空度检测以及系统的电压检测，水位监测，工作状况检测监控。
系统由PLC（可编程逻辑控制器）、触摸屏、检测部分（模拟量和开关量采集）和执行部分等组成，其硬件结构如图1所示。

图1排水控制系统图
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。
①滤水器和底阀
滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于O.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。
②闸阀
调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止阀的下方。其功用为:
①调节水泵的流量和扬程；
②起动时将它完全关闭，以降低起动电流。
调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小，安装时无方向性，能够方便地来调节水泵的流量和扬程等。其缺点是密封面容易擦伤，检修较为困难，高度尺寸较大，在安装位置受到限制时，安装不便，结构较复杂，价格较高。
放水闸阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上，其作用为检修排水管路时放水用。
③逆止阀
逆止阀安装在调节闸阀的上方，其作用是当水泵突然停止运转(如突然停电)时，或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时，能自动关闭，切断水流，使水泵不致受到水力冲击而遭到损坏。
④灌引水漏斗、放气栓和旁通管
灌引水漏斗是在水泵初次起动时，向水泵和吸水管中灌引水用。在向水泵和吸水管中灌引水时，要通过放气栓(又叫气嘴)将水泵和吸水管中的空气放掉。
当排水管中有存水时，也可通过旁通管向水泵和吸水管中灌引水，此时要将旁通管上的阀门打开。此外，还可通过旁通管，利用排水管中的压力水的反冲作用，冲掉积存于水泵流通部分和附着于滤水器上的杂物，但此时须通过连接在底阀上的铁丝或链条将底阀提起。
⑤压力表和真空表
压力表安装在水泵的排水接管上，为检测排水管中水压大小用。常用的压力表为普通弹簧管压力表，根据其结构特征可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径有60mm,100mm,150mm,200mm和250mm五种。压力表所测出的压力叫做表压力或相对压力，它比绝对压力小1个大气压。
真空表安装在水泵的吸水接管上，为检测吸水管的真空度用。根据其结构特征也可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径和压力表一样，也分为60, 100, 150，和250mm五种。真空表测量范围为0--0.1 MPa(一个大气压)。
⑥射流泵或真空泵
离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵腔内注满水才能进入运行状态，否则水泵转动时将无法吸水，形成“干烧”，严重影响水泵的使用寿命。在无底阀的排水系统中，水泵每次起动都要灌水，这一工作由抽真空设备完成，一般使用射流泵或真空泵。如图1-2所示。它们的工作原理不同，但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真空度，保证系统正常工作。
3设备选型
3.1传感器
3.1.1液位传感器介绍
一、超声波液位传感器
超声波液位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声波脉冲开始，到接受到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对液位进行测量。根据发射和接受换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接受各使用一个换能器。
下面就单换能器的超声波传感器加以介绍。
超声波发射和接收换能器可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图2所示。

2超声波液位计安装示意图
对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为：
（式3-1）
则 （式3-2）
式中： h —换能器距液面的距离；
c —超声波在介质中的传播速度。
从以上公式中可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的液位。
超声波液位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会产生较大的误差。在一般使用条件下，它的测量误差为，检测液位的范围为～m。
本设计中采用的是Yjsonic系列的超声波液位计，在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。
工作特点：采用SMD技术，提高仪器的可靠性，自动功率调整，增益控制、温度补偿。先进的检测技术，丰富的软件功能适应各种复杂环境。采用新型的波形计算技术，提高仪表的测量精度。具有干扰回波的抑制功能，保证测量数据的真实。16位D/A转换，提高电流输出的精度和分辨率。传感器采用四氟乙烯材料，可用于各种腐蚀性场合，多种输出方式：可编程继电器输出、高精度4～20mA电流输出、RS-485数字通信输出等方式可供选择。

3超声波液位计选型
设计中选用二线制输出型液位计，其参数如下：
量程： 0～3、5、8、10、15、20m
精度： 0.25%
盲区： 0.3～0.5m
温度： -20℃～+55℃
电源： 24VDC
控制： 无
输出： 4～20mA 二线制
防护等级：  IP65
显示方式： 4位LCD  
二、投入式液位传感器
投入式液位传感器是将传感器的探头投入液体中。利用处于一定深度时液体会产生一定的压强这个基本原理制成的。其示意图如图4所示。

图4水位计示意图

图 5传感器功能模块图
具体的来说是:传感头根据水中的压力与空气中的压力差，传感头把水位的高度变换成压力差，再把压力差转换成微弱的电信号，该微弱的电信号经放大器放大后送A/D变换器，单片机采集数字信号经运算处理后，输出的水位高度用数码管来显示，同时输出对应的输出信号。其内部的功能模块图如图5。
3.1执行器

3.3 井下中央控制器
井下控制器是本项目自主研发的主要设备，也是整个控制系统的核心部分。从处理器芯片选择到电路设计再到接口设计并制板，都是在实验室中完成的。然后设计该控制器的软件程序，通过功能调试之后，加上外壳封装而成。
本控制器选用选择Philips 公司的LPC2368 芯片（ ARM7 系列产品）作为处理器，通过CAN 总线实现现场数据的实时通讯，采用SD 卡(FAT32 文件系统)作为数据存储设备，搭载井上监控设备（工控机）、井下传感设备（流量仪和液位计）以及配用矿井原有的水泵站构成具有实时通讯和数据检索功能的监测及自动排水控制装置。
控制器实现的功能为：读取流量计和液位计的数据之后，通过运算处理监控水池的水位，并实时记录并显示水池水情、发送日常水位情报信息以及异常状态信息。同时，能自动识别水池水位，在水位超出需要高度时自动抽排，并使用无线技术和网络传输手段实现远程监控。
采用嵌入式控制器的主要优点是：功耗极低，工作可靠，无常规操作系统下易受破坏的困扰。
3.4 配套设备
数字监控系统(JDVR)可集音视频数据实时采集与压缩、联动报警、辅助设备控制、网络远程控制等于一体，数据压缩采用H.264算法，声音与画质非常清晰、可将现场情况录制在硬盘中，以便于在需要的情况下回查。
选用PCL控机作为系统工况的监控机使用,配备监控设施监控抽水工作状况，系统采用研华原装IPC-610P 工控计算机、6114P4 无源底板、250W 工业电源等工业级组件，配合Intel PIII CPU 128~512M 内存，80G 硬盘等配件，经过12~48 小时整机老化，构成可靠、安全的、高性能的PIII 级工业控制计算机作为监控。

3.5水泵

离心式水泵只有在泵壳内充满水的情况下允许启动，通常采用的方法是打开逆止阀旁通道上的截止阀（或注水电磁阀）让排水管道中的压力水注入泵体，泵体内的空气从放气旋塞排出。这种方法要求水泵必须装设底阀。在排水过程中，底阀产生一定的水力损失使水泵的电耗增加、效率降低。为了取消底阀、增加吸水高度、便于自动控制，还可采用以下充水装置。
用真空泵抽真空吸水
在多台大泵集中排水的情况下，可设置两台真空泵专为大泵抽真空吸水。一般采用SZ型、SZB型、SZH型水环式真空泵。在本系统中采用的是SZ水环式真空泵。
在正常情况下，为了加快充水过程两台真空泵同时对一台水泵抽气。当一台真空泵发生故障时，另一台仍能担负抽气的任务。抽气管经过电磁阀与每台水泵进水端的放气孔相接，管路接头处要保证严密。由于真空泵在工作时会发热，及一部分工作液（水环）随气体一起排走，所以应不断地向真空泵补充清水。其参数如表2所示。

型号
真空最大吸气量
压缩机最大排气量(m3/h)
电机功率(Kw)
转速r/min
水耗量L/min
最大真空度%
当真空度为
当压力为(Mpa)
0%
40%
60%
80%
90%
0
0.05
0.08
0.1
0.15
真空泵
压缩机
SZ-1
1.5
0.64
0.4
0.12
-
1.5
1
-
-
-
4
5.5
1440
10
84
SZ-2
3.4
1.65
0.95
0.25
-
3.4
2.6
2
1.5
-
7.5
11
1440
30
87
SZ-3
11.5
6.8
3.6
1.5
0.5
11.5
9.2
8.5
7.5
3.5
22
37
980
70
92
SZ-4
27
17.6
11
3
-
27
26
20
16
9.5
75
90
740
100
93

表2 SZ水环式真空泵的性能参数

1-抽气管；2-电磁阀；3-真空表；4-水环式真空泵；5-补水水管；6-排气软管
图6真空泵的安装示意图
4电路及管路设计
4.1电路设计
井下排水自控系统中显示操作台的输入信号、各阀门开关到位信号和传感器的 4～20mA 电流信号等均通过航空电缆从 PLC 防爆箱的喇叭嘴接入，连接到数字量和模拟量输入模块上。数字量输出模块的输出信号同样需要通过航空电缆从喇叭嘴连接到各执行设备。CPU226CN 模块上的 RS485 接口与显示操作台上的文本显示器相连接，可为文本显示器提供各设备的状态显示信号。CP243-1 模块的以太网接口通过网线连接到光纤分线盒，将工业以太网信号转换为光信号，光纤连接到地面监控室后接入地面上的光纤接线盒，光信号被再次转换为工业以太网信号，其后将其并入工业以太网交换机再连接到上位机。

图7排水电路图
4.2管路设计
如下图所示的管路图

图8管路图

由上图我们可以看出，每台水泵均与 1#主排水管路和 2#副排水管路连接，并分别在支路上安装有排水闸阀，在排空管路上安装有主、副真空阀。另外，主副排水管路均安装有流量传感器，每台水泵出水口安装有正压力传感器，水泵吸水口安装有负压力传感器来检测水泵的真空度，在水泵电机安装 PT100 温度传感器，检测电机轴温和水泵轴温，所有传感器的信号电流均为 4mA～20mA。在水仓中安装有两套液位传感器，一套为超声波传感器，用来检测水仓水位的细微变化，可在文本显示器和上位机组态监控系统显示具体的数值，主要用来判断水位的上升、下降趋势，另一套为本安式数字液位开关，即是 3 套浮球液位开关，根据浮球的浮沉情况设置了 4 个液位高度，使系统能根据水位变化情况自动开停水泵等。

结论
通过本次安全监测监控的课程设计，使自己对煤矿井下的自动抽，排水系统有了一定的认识。结合课本所学知识与上课内容，上网查资料对一些检测监控设备原理，功能，作用从新的了解，对矿井自动排水系统有一个整体的补充认识，弥补了单纯课本学习的不足。当然，设计过程中也有一些不合理的地方需要我们向其他同学讨教学习。

安全监测监控系统
课程设计

课设题目：蓄水池变频恒流量抽水自动控制系统设计
学院：
班级： 安全工程1201
组员：

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，这种设计会提高经济效益，同时大大减少对环境的污染。

1.2 设计要求
此设计的对象是某煤矿地面蓄水池，通过设计一个自动控制系统，将其中的水抽出到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50方/小时，可以采用电动调节阀进行控制，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，具体要求如下:
（一）、能检测抽出的水流量；
（二）、能控制水流量为我们的指定值；
（三）、形成一个自动恒流控制系统。

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。本次设计的设备包含以下设备：
1.流量传感器，是用来检测管路中的流量值，得出有效的实际流量值，才能有效的进行调整。
2.变频执行器：是控制水泵转速的仪器，根据供水控制器提供的信号来控制水泵的运行频率以达到对水泵的转速控制。
3．控制器：通过传感器检测出来的流量值，对比实际需要的流量值进行比较后来控制水泵的流量，并可以传输信号给变频执行器控制水泵的转速。
4.水泵机组：用来将矿井蓄水池内的水抽出的设备，包括管道等。
5.PID调节器：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。
6.其余设备：包括连接各设备的电路，管路等。

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，将矿井废水抽入后进行注浆，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：

PID调节器

传感器
执行器
控制器

水泵机组

矿井蓄水池

原理：水泵机组从蓄水池中抽水，传感器将水泵机组内的流量传输给PID调节器，PID调节器通过控制执行器和控制器队水泵机组内的流量根据实际需要量进行控制。

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，精确度较高，可测量电导率≥5μs/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。

选用北京中西远大科技的智能型电磁流量计，流量适合设计要求的50方每小时。如实物图如图3-1：
图3-1

具体技术参数如下
JKY/LDDN50智能型电磁流量计 (液体) DN50 
库号：M326872
● 流动方向
正，反，净流量，
量程比：150：1
重复性误差：测量值的±0.1%
● 精度等级：管道式：0.5级，1.0级
● 被测介质温度：
普通橡胶衬里：-20~+60℃
高温橡胶衬里：-20~+90℃
聚四氟乙烯衬里：-30~+100℃
高温型乙烯衬里：-30~+180℃● 额定工作压力：
管道式：DN10—DN65：≤2.5Mpa, DN80—DN150：≤1.6Mpa,
DN200—DN1200：≤1.0Mpa
● 流量测量范围：
流量测量范围对流速度范围是0.3—15m/s
JKY/LDDN50智能型电磁流量计 (液体) DN50 
库号：M326872 
电导率范围：
被测流体电导率≥5μs/cm
大多数以水为成份的介质，其导电率在200-800μs/cm范围内，均可选用电磁流量；
● 输出电流及负载电阻：
4~20mA全隔离负载电阻＜750欧姆脉冲频率0-1KHZ光电隔离OCT外接电源≤35V
导通时 集电极最大电流为25mA
● 电极材料：
含钼不锈刚、钛（Ti）、钽（Ta）、哈氏合金（H）、铂（Pt）或其他特殊电极材料
● 防护等级： 潜水型： IP68，其他型 IP65
● 供电电源：
85~265V， 45~63HZ
● 直管段长度：
管道式：上游≥5DN，下游≥2DN
● 连接方式：
流量计与配管之间均采用法兰连接，法兰连接尺寸应符合GB9119-88的规定。
● 防暴标志：mdllBT4
● 环境温度： -25℃~+60℃● 相对温度：5%~95%
● 消耗总功率：小于20W

3.2 执行器
电动调节阀是由电动执行机构和调节阀连接组合后经过机械连接装配、调试安装构成电动调节阀。
电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。电动调节阀最适宜安装为工作活塞上端在水平管线下部。电动调节阀一般包括驱动器，接受驱动器信号来控制阀门进行调节，也可根据控制需要，组成智能化网络控制系统，优化控制实现远程监控。电动调节阀的电气部分安装应根据有关电气设备施工要求进行。随着工业领域的自动化程度越来越高，电动调节阀被越来越多的应用在各种工业生产领域中。
通过接收工业自动化控制系统的信号（如：4~20mA）来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数。实现自动化调节功能。
新型电动调节阀执行器内含饲服功能，接受统一的4-20mA或1-5V·DC的标准信号，将电流信号转变成相对应的直线位移，自动地控制调节阀开度，达到对管道内流体的压力、流量、温度、液位等工艺参数的连续调节。产品结构合理、制造工艺独特精湛、质量可靠、产品广泛应用于石化、天然气、冶金、电力、制药、建筑、污水处理和环保等行业，并且远销中东、东南亚、欧美等多个国家及地区、深受用户广泛赞誉和信赖.
设计选用上海嘉德阀门制造的电动调节阀，型号为：ZRHF电动三通调节阀。如实物图如图3-2：
如图3-2
具体技术参数如下
阀体型式：三通铸造球型阀体
阀芯型式：三通型双座阀芯
公称通径：DN20~300 NPS 3/4〞~ 12〞
公称压力：PN16 ~ 100 CLASS 150LB ~ 600LB
连接方式：法兰：FF、RF、MF、RTJ 
焊接：SW、BW
法 兰 距：符合IEC 60534 
阀盖形式：标准型（-5℃~230℃）、
散热片型（-45℃~大于230℃场合）、
低温加长型（-196℃~ -45℃）、波纹管密封型
填 料：V型聚四氟乙烯填料、柔性石墨填料等 
密 封 垫：金属夹石墨密封垫
执行机构：电动：3810L系列智能型执行机构、PSL系列智能型执行机构
表面涂漆：绿色 丙稀酸聚胺酯磁漆

3.3控制器

通用控制器 西门子 通用控制器 RWD68/CN 
商家开通担保交
西门子 RWD68/CN  通用控制器
广州朗特威自动化机械

属性
值
工作电压
AC 24 V
频率
50/60 Hz
耗电量
3 VA
定位信号
2-position , DC 0…10 V
控制回路数
1
模拟输出数
1
模拟输出
DC 0...10V, ±1 mA
模拟输出信号