井下三级排水系统设计

1、池州学院本科毕业论文（设计）本科毕业设计（论文）题目：井下三级排水系统设计-系统设计与设备选型学生姓名：刘运节学号： 110813113 系（部）：电子与机械工程系 专业： 电子信息科学与技术 入学时间：2011年9月导师姓名：孙佐 职称/学位：教授/硕士 导师所在单位： 池州学院机械与电子工程系毕业设计（论文）提交时间：二一三年五 月池州学院教务处制学位论文独创性声明本人所提交的学位论文，是在导师指导下由本人独立完成的研究成果，对文中所引用他人的成果，均已进行了明确标注或得到许可。论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，不包含他人已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研

2、究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果，如有不实之处，由本人承担一切相关责任。  学位论文作者签名：日期： 年 月 日学位论文使用授权声明本人完全了解池州学院有关保留、使用学位论文的规定，允许论文被学校图书馆收藏并被查阅。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文以非赢利的方式使用，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文进行汇编。保密的学位论文在解密后适用本规定。学位论文作者签名： 论文指导教师签名： 日期： 年 月 日日期： 年 月 日目 录井下三级排水系统设计

3、与设备选型11 绪 论11.1煤矿井下水的形成及排水的重要性11.2 国内外研究现状及主要问题21.2.1课题研究现状21.2.2 主要问题31.3 本课题研究的主要内容31.3.1单片机及其相应芯片的选型31.3.2水泵及其水位检测装置的选择41.3.3“避峰填谷”机制41.4本章小结42 系统硬件芯片的选型和设计52.1单片机控制技术52.1.1 单片机的主要特点52.1.2单片机的基本工作原理62.1.3单片机芯片选型82.2 MAX232芯片92.2.1MAX232芯片的功能和作用92.2.2 MAX232引脚图表9主要特点102.3 ULN2004芯片103 系统硬件排水装置的选型和

4、设计113.1 水泵的选型113.1.1离心式水泵工作原理113.1.2射流泵和真空泵的介绍133.1.3多台水泵的井下排水系统组成及功能实现153.2传感器选型163.2.1超声波液位传感器163.2.2投入式液位传感器183.3继电器的选型183.4本章小结194 总结与展望204.1总结204.2展望20参考文献21致 谢22摘 要井下排水设备对保证矿井正常生产起着非常重要的作用。目前国内各矿井的排水系统多采用传统的继电器控制方法，用人工进行监测。传统方法控制线路复杂，设备运行的可靠性低，工人劳动强度大，不适应煤炭发展的需要。本文设计的排水系统采用单片机控制与PC监视相结合的方式，弥补了

5、传统继电器控制的缺陷与不足，提高了工作可靠性和稳定性。本设计是对井下三级排水系统设计中硬件部分的设计。通过对煤矿排水系统的概述，进行硬件方面的设计和选型。本系统采用本课题拟采用STC89C52RC单片机、ULN2004芯片、液位传感器 ，继电器控制模块和LED警示灯以及相应辅助电路，来实现上述功能，并结合各种传感器（主要为水位传感器），完成系统设计中要实现的控制功能。关键词：排水系统；集中控制；单片机；传感器；芯片ABSTRACTThe drainage under coal mine well is very important equipment for ensuring normal p

6、roduction of coal mine well. At present, most drainage systems of all domestic coal mine well adopt conventional means of relay controlling, inspected artificially. This kind means of inspection and control can't meet the requirement of coal development for its complicated control circuit, low r

7、eliability of equipment running and great working intension. The drainage system designed in this text combined control by single chip microcomputer control with stakeout by PC, so that it made up a variety of limitation and shortage of conventional means of relay controlling and improved running re

8、liability and stability.This system has characteristics of long operating life-span and convenient maintenance.This design is part of tertiary underground drainage system design in hardware design. Through the overview of the coal mine drainage system, hardware design and type selection. This system

9、 adopts this topic proposed STC89C52RC MCU, ULN2004 chips, liquid level sensor, relay control module and the LED warning light and the corresponding auxiliary circuit, to achieve the above functions. With many sensors(mianly incloding wanter line sensors) to complete autocontrol function demanded in

10、 this system design. Key Words：Drainage system； centralized control ； single chip microcomputer ； sensor ； chip 23井下三级排水系统设计与设备选型1 绪 论 1.1煤矿井下水的形成及排水的重要性在矿井生产过程中，经常有各种水源的水涌入矿井，称之为矿水。大量的矿水威胁到矿井生产的正常运行，突发时甚至会造成工作人员的伤亡。产生矿井涌水的两个必备条件是矿井水源和涌水通道。1.矿井涌水的水源矿井涌水的水源有地表水和地下水两大类。(1)地表水源。地表水源主要指大气降水和地表水。1）大气降水。大

11、气降水是地下水的主要补给水源。降水量对矿井涌水的影响，对于分布于河谷洼地，并且煤层上部有透水层、溶洞、裂隙或塌陷的浅井较为显著，其影响具有明显的季节性。雨季矿井涌水量增大，旱季则相反。 2）地表水。河流、湖泊、水库和塌陷地积水等地表水，可以通过井筒、塌陷裂隙、断层、裂隙、溶洞和钻孔等直接进入井下，也可以作为地下水的补给水源，使地下水经过与井巷连通的通道进入井巷，造成水灾。（2）地下水源。地下水是矿井水最经常、最主要的水源，而大气降水和地表水也是一般先补给地下水，然后再流入矿井。所以研究地下水的水量分布、补给条件、动态变化规律等，对分析矿井涌水极为重要。 根据地下水的赋存状态和赋存位置的不同，可

12、将矿井水分为以下几种： 1）含水层水。地层中的沙层、砂岩和灰岩层等，往往含有丰富的地下水。当掘进巷道揭露含水层或回采工作面放顶后所形成的冒落裂隙与这些含水层相通时，含水层水就涌入矿井。含水层水一般都具有很高的压力，特别是当它与地面水源相通时，对矿井安全生产的影响较大。 2）断层水。断层带及断层附近岩石破碎，裂隙发育，常形成构造赋水带。特别是当导水断层与强含水层或积水体相通时，如发生断层突水，就会形成水灾。 3）老空积水。井下采空区或煤层露头附近的古井、小窖常有积水，如果开采时与之相通，就会发生突水事故。另外，还有生产用水。煤矿生产过程中，如水采、除尘、煤体注水、防火注浆、水砂充填等，都要大量用

13、水，如管理不善、排水不畅也可能引起水灾事故。2.矿井涌水通道矿井涌水通道可分为人为形成的通道和天然形成的通道两种。(1) 人为形成的通道有：1）顶板冒落裂隙带顶板冒落形成导水裂隙。2）地表岩溶塌陷带矿区开采后地表下沉，地表水和大气降水通过塌陷坑直接进入井下。3）封孔质量差的钻孔打孔后封孔不严，钻孔成为各类含水层的涌水通道。（2）天然形成的涌水通道有： 1）孔隙、裂隙各种岩层中的节理、层理成为涌水通道。 2）岩溶岩石中的溶洞、孔洞成为涌水通道。 3）断层破碎带通过断层与含水层相连，断层破碎带成为涌水通道。井下排水系统的任务就是把通过各种途径流入矿井的积水排送到地表。在煤矿地下开采过程中，由于地层

14、中含水的涌出，雨水和江河水的渗透，水砂充填和水利采煤矿井的井下供水，将更有大量的水昼夜不停地汇集于井下。如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产可能受到阻碍，井下的安全得不到保障，严重者会造成重大事故。煤矿大量的井下水在会对工作人员和设备的安全造成很大的威胁，如不采取及时有效地治理措施，会造成严重后果，轻者淹井停产，重者矿毁人亡。因此矿井主排水系统是保证矿井安全的关键设备之一，在煤矿安全生产中有着举足轻重的作用。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已经在煤矿井下排水系统控制的研究中取得了很多成就。就国内的研究工作来看，大多是从煤矿井下排水系统的安全可靠性、

15、节能的角度进行研究。首先是煤矿对中央泵房水泵自动控制系统的成功改造，为我国井下排水系统自动控制开辟了一条新的途径。这也验证了以计算机进行单台水泵的“水泵控制系统”改造和以矿井监控为主的“矿井监控系统”组成的“矿井排水自动控制系统”是一种可行的方法。随后几年，根据煤矿井下排水系统消耗电能大的特点，国内研究人员分别从离心式水泵，排水管路，电动机三个方面提出了对井下排水系统的节能改造。由于各类矿井情况差别大，能源消耗尤其是电能消耗大，所以在节能技术方面的研究对煤矿效益，以致可持续发展有着很大的意义。国内某计研究院提出采用PLC自动检测水仓水位、管道压力、流量等数据，根据水仓水位高低和参考矿井用电情况

16、，建立数学模型，达到了水泵运行的避峰就谷的效果，有效地节省了矿井在排水系统上的能耗，缩减了煤矿的生产成本。随着全国普及用电分时段计费后，国内专家就煤矿用电问题提出了分时用电以降低煤矿井下排水的成本。本观点避开水泵、管道和用电效率等因素，单从用电时段来考虑，强调煤矿井下排水应避开用电高峰，尽量在用电低谷把井下的水排净，称为煤矿排水的“避峰填谷”技术。国外的研究大多从管道的长期的维护和清理，井水质量对排水设备的影响等更加细微更加长远的方面来研究。俄罗斯研究人员根据费用相等的原理，推导出水泵最佳使用周期和管道清理周期的两种形式相似的计算公式，为水泵使用和管道清理从科学的角度进行阐述，提高了整个排水系

17、统的安全性能。酸性矿井排水及有害元素的影响对井下排水系统也是一项严峻的考验。它不仅关乎到整个排水系统的正常运行，更影响井下设备和工作人员的安全。因此研究酸性矿井排水和有害元素的危害的新工艺已是国外矿井排水下大力度解决的科研难题。英国、德国、加拿大、西班牙等国根据本国矿井的具体存在的环境问题，特别是酸性矿井排水进行了大量的研究。并公开发表了数百篇学术论文和几部论文集和专著。对世界矿井排水中的环境研究作出了巨大的贡献。1.2.2 主要问题矿井中央泵房是矿山企业的机电要害场所，直接影响到矿山企业的安全生产，现在国内的矿山企业矿井中央泵房的自动化水平还不是很高，这影响了生产的安全生和高效性，矿井中央泵

18、房无人值守自动化系统可以有效解决这些问题。井下的水泵电压高、功率大、启动复杂，水泵启动前吸水管路的充水，通常采用抽真空吸水的方法来完成。现泵房内设备的运行与管理以及水仓水位的观察，普遍采用人工操作方式，操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长、自动化程度低、不适应现代化矿井管理。 随着我国颁布分时缴纳电费的办法后，煤矿排水的经济效益也尤为突出。根据统计，每开采1吨煤就要排出2-7吨矿井水，有时甚至要排出30-40吨矿井水。井下排水设备所配备电机的功率，小的几千瓦到几十千瓦，大的几百千瓦到上千千瓦、在我国煤炭行业中，井下排水用电量占原煤生产总耗电量的18%-41%，一般为20%左右。因此，煤矿排

19、水系统的节约用电也开始引起人们的注意。1.3 本课题研究的主要内容1.3.1单片机及其相应芯片的选型煤矿井下排水自动控制系统是以单个水泵的自动运作为基础的,每个水泵在启动前, PLC模块先启动抽真空系统,检测真空度。如果没有达到所需的真空度则继续等待并适时检测,当达到所需的真空度,则启动水泵。然后检测水泵出水口压力,如果压力参数没有达到要求,则继续等待,并适时检测,当压力参数满足要求,则打开水泵出水口电动闸阀同时停止抽真空系统。水泵运行过程中, PLC模块又适时检测水仓液位,当水位低于液位下限值时则关闭水泵电动闸阀。确保闸阀关闭到位,水泵关闭完毕。1.3.2水泵及其水位检测装置的选择每台水泵有

20、两个数据寄存器,分别存放运行时间和运行次数。每次启动水泵,自动启动运行时间最短的无故障水泵。当两台水泵的运行时间相近且最少时,则启动运行次数较少的水泵。自动累加水泵的排水时间和排水次数。1.3.3“避峰填谷”机制设定4个水位限值： H1(安全水位) , H2(一级排水水位) , H3(二级排水水位),H4(报警水位) , 当前水位设为H。当H达到H2时,启动一级排水水泵；当水位继续上升至H3时，同时二级水位水泵排水；当时水位继续上升到H4三级排水水位时，三给排水水泵工作，同时报警铃声响起。1.4本章小结本章简述了煤矿井下水的形成和排水的重要性，目前该领域存在的问题，并介绍了国内外研究现状，最后

21、对本课题所要做的主要内容进行了简单的概括。 2 系统硬件芯片的选型和设计2.1单片机控制技术2.1.1 单片机的主要特点单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一

22、个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS-51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32

23、位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端1的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生

24、活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同

25、时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。单片机芯片单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程

26、序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 2.1.2单片机的基本工作原理单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。 单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的

27、命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地

28、址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。以STC89C52RC单片机为例讲解单片机的引脚及相关功能。图1 STC89C52RC引脚图40个引脚

29、按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。 电源: VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端； 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 控制线:控制线共有4根， ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPRO

30、M编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 I/O线 80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线） 5. P3口第二功能 P30 RXD 串行输入口 P31 TXD 串行输出口 P32 INT0 外部中断0（低电平有效） P33 INT1 外部中断1（低电平有效） P34 T0 定时计数器0 P35 T1 定时计数器1 P36 WR 外部数据存储器写选通（低电平有效） P37 RD 外部数据存储器读选通（低电平有效）

31、2.1.3单片机芯片选型单片机芯片选型时,总的原则是:“芯片含有(功能或数量)略大于设计需求”,”设计需求尽可能(用)芯片完成(少用外围器件)”,“选大(大厂)不选小,选多(供应量多)不选少,选名(名牌)不选渺(飘渺,不知详情的厂子),选廉(谦价)但要好(质量保证)。对单片机选型,主要应用从单片机应用系统的技术性,实用性和要开发性三方面来考虑. (1)技术性:要从单片机的技术指标角度,对单片机芯片进行选择,以保证单片机应用系统在一定的技术指标下可靠运行; (2)实用性:要从单片机的供货渠道、信誉程序等角度，对单片机的生产厂家进行选择以保证单片机应用系统在能长期、可靠运行； (3)可开发性：选用

32、的单片机要有可靠的可以开发手段，如程序开发工具、仿真调试手段等。 图2 STC89C52RC芯片 2.2 MAX232芯片MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。MAX220MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供±12V电源的应用。这些器件特别适合电池供电系统，这是由于其低功耗关断模式可以将功耗减小到5uW以内。MAX225、MAXX233、MAX235以及MAX245/MAX246/MAX247不需要外部元件，推荐用于印刷电路板面积有限的

33、应用。2.2.1MAX232芯片的功能和作用1.对于低电压、集成ESD应用MAX3222E/MAX3232E/MAX3237E/MAX3241E/MAX3246E：+3.0V至+5.5V、低功耗、最高1Mbps、真正的RS-232收发器，使用4个0.1µF外部电容(MAX3246E提供UCSP封装)2.对于低成本应用MAX221E：±15kV ESD保护、+5V、1µA、单路RS-232收发器，带AutoShutdown2.2.2 MAX232引脚图表图3 MAX220MAX249系列引脚图表第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4

34、只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TT

35、L/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。主要特点1、符合所有的RS-232C技术标准2、只需要单一 +5V电源供电3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-4、功耗低，典型供电电流5mA5、内部集成2个RS-232C驱动器6、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。电容器应选择1F的电解电容。在使用过程中本人曾用过10F的代替。注意，由于RS232电平较高，在接通时产生的瞬时电涌非常高，很有可能击毁max232，所以在使用中应尽量避免热插拔。 2.3 ULN2004芯片功

36、能概述：ULN2004 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成。该电路的特点如下：ULN2004 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 ULN2004 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。3 系统硬件排水装置的选型和设计3.1 水泵的选型3.1.1离心式水泵工作原理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、

37、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成。如图3-1所示。 1.起动设备 2.电动机 3.水泵 4.抽水管 5.滤水器 6.负压表 7.压力表 8.闸阀 9.逆止阀 10.射流泵 11.排水阀 12.静压水管 13.射流泵电磁阀 图6 离心式水泵工作系统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0.5m 。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

38、阀（如图3-2）是指启闭体(阀板)由阀杆带动阀座密封面作升降运动的阀门，可接通或截断流体的通道。当阀门部分开启时，在闸板背面产生涡流，易引起闸板的侵蚀和震动，也易损坏阀座密封面，修理困难。闸阀通常适用于不需要经常启闭，而且保持闸板全开或全闭的工况。不适用于作为调节或节流使用。图7 闸阀结构图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

39、，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

40、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60,100,150,200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。6.真空表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60,100,150，200和250mm五种。真空表测量范围为0-0.1 MPa

41、(一个大气压)。 3.1.2射流泵和真空泵的介绍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。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。水泵房排水设备一般安置在水井液面以上，所以水泵启动前的灌水一般采用吸入式。为了减小井水吸入阻力，提高泵站运行效率，吸水管路不宜设置底阀。无底阀吸入式灌水，要采用撞门的引水设备，对水泵排水腔和吸水管路进行抽真空，使水泵运行前充满水。引水设备一般为真空泵

42、或射流泵。真空泵和射流泵中所用到的阀门都是球阀。球阀（如图3-3）是由旋塞阀演变而来。它具有相同的启闭动作，不同的是阀芯旋转体不是塞子而是球体。当球旋转90度时，在进、出口处应全部呈现球面，从而截断流动。球阀在管路中主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向。 图8 球阀结构图真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。真空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。极限压力(极限真空)从粗真空到10-12Pa以上的超高真空范围。 由于真空

43、应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求，使用不同类型的真空泵。为了使用方便和各种真空工艺过程的需要，有时将各种真空泵按其性能要求组合起来，以机组型式应用。 凡是利用机械运动(转动或滑动)以获得真空的泵，称为机械真空泵。机械真空泵按其工作原理及结构特点分述如下： 1.变容真空泵 它是利用泵腔容积的周期变化来完成吸气和排气以达到抽气目的的真空泵。气体在排出泵腔前被压缩。这种泵分为往复式及旋转式两种。 （1）往复式真空泵 利用泵腔内活塞往复运动，将气体吸入、压缩并排出。又称为活塞式空泵。 （2）旋转

44、式真空泵 利用泵腔内转子部件的旋转运动将气体吸入、压缩并排出。它大致有如下几种分类： 1)油封式真空泵 它是利用真空泵油密封泵内各运动部件之间的间隙，减少泵内有害空间的一种旋转变容真空泵。这种泵通常带有气镇装置。它主要包括旋片式真空泵、定片式真空泵、滑阀式真空泵、余摆线真空泵等。 2)液环真空泵 将带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。当它旋转时，把工作液体抛向泵壳形成与泵壳同心的液环，液环同转子叶片形成了容积周期变化的几个小的旋转变容吸排气腔。工作液体通常为水或油，所以亦称为水环式真空泵或油环式真空泵。3)干式真空泵 它是一种泵内不用油类(或液体)密封的变容真空泵。由于干式真空泵泵腔内不需要工作液

45、体，因此，适用于半导体行业、化学工业、制药工业及食品行业等需要无油清洁真空环境的工艺场合。 4)罗茨真空泵泵内装有两个相反方向同步旋转的双叶形或多叶形的转子。转子间、转子同泵壳内壁之间均保持一定的间隙。 5）动量传输泵 它依靠高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给气体或气体分子，使气体连续不断地从泵的入口传输到出口。 2.分子真空泵它是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。这种泵具体可分为：（1)牵引分子泵气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。 （2)涡轮分子泵 靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合

46、来实现抽气的。这种泵通常在分子流状态下工作。 （3)复合分子泵它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。 真空泵运行效率高，水泵启动快，但需要提供专门的驱动设备。射流泵结构简单，操作方便，根据矿井的地下环境和条件，射流泵的应用更为普遍。3.1.3多台水泵的井下排水系统组成及功能实现为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用.而使电机和电气设备受潮或其他故障未经及时发现，当工作泵出现紧急故障或排水管路需要维修的情况需投入备用泵和备用管路时，而不能及时投入以至影响矿井安全，本系统程序设计了3台泵和2条管路的井下排水系统，如图3-5。 图9 煤矿井下排水系统图系统工作原

47、理如下：以离心泵10#和排水管1作为常用工作系统，离心泵20#，离心泵30#和排水管2作为备用的轮换系统。先不考虑避峰填谷机制的运用，当排水系统需要排水时，即假定水位h2时，射流泵先将水泵注满水抽真空，即打开射流泵的注水阀和排气阀，进行水泵的抽真空，当水泵出水口压力到达预定值时，开启闸阀11#，并关闭排气阀和注水阀，停止射流泵工作。当排水管路出口的压力到达预定值时，开启排水阀14#，进行排水。井水排完时，即井下水位低于h1时，先关闭排水阀14#，在关闭逆止阀11#，防止水井倒流打坏水泵，最后关闭水泵电机停止工作。3.2传感器选型系统所选用的传感器如表4-1。液位传感器超声波液位计、投入式液位计

48、表1 系统选用的传感器主要传感器安装位置如图4-1。1.投入式液位计 2.超声波液位计 3.温度传感器 4.负压传感器5.压力传感器 6.流量传感器图10 几个传感器安装示意图下面分别介绍各个传感器的原理及选型依据。3.2.1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

49、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4-2所示。图11 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： 公式1则 公式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。系统采用超声波液位计，在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声

50、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。 设计中选用二线制输出型液位计，其参数如表4-2：量程：08m精度：0.25%盲区：0.30.5m温度：-20+55电源：24VDC控制：无输出：420mA二线制防护等级：IP65显示方式：4位LCD表2超声波液位计参数3.2.2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4-3所示。 1.传感头 2.通气电缆 3.通气孔 4.电缆 喇叭口图12 水位计示意图具体的来说是:传感头根据水中的压力与空气中

51、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。3.3继电器的选型继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。主要作用继电器是具有隔离功能

52、的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。3.4本章小结本章详细叙述了离心式水泵排水系统的组成、工作原理，球阀和闸阀的区别和特点，射流泵和真空泵的区别以及各自的工作原理，整个排水系统的工作流程以及实现功能简介，本章还对水仓水位、水泵流量、电机及水泵温度、水泵压力和负压参数检测以及传感器选择方面做了详细的阐述4 总结与展望4.1总结本论文针对煤矿井下主排水系统自动化程度不高的现状，研究设计了单片机控制与PC监视相结合的煤矿井下自动排水系统。本文重点介绍了以下几点内容：（1） 进行系统设计中所使用到的设备，