安全監(jiān)測監(jiān)控課程設(shè)計實例

1、 安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)課程設(shè)計 論文名稱： 蓄水池變頻恒流量抽水自動控制系統(tǒng)設(shè)計 論文單位： 能源學(xué)院 論文作者： 安全工程 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 蓄水池變頻恒流量抽水自動控制系統(tǒng)1 設(shè)計目的與要求1.1 設(shè)計目的對于多數(shù)礦井來說，較大的礦井水被排放到地面后比較難以處理，自然排放容易造成環(huán)境污染和資源浪費，而如果二次處理，成本極高。所以考慮采用二次利用的方式能有效的解決礦井水排放問題。本設(shè)計利用從井下抽放到地面蓄水池的礦井水進(jìn)行制漿，制成的泥漿將會用于井下滅火和充填。這樣做可以變廢為寶，減少對環(huán)境的污染，有效的解決礦井水排放處理問題，同時也解決了制泥漿所需水的問題，降低了制漿的成本。因此，這種設(shè)計

2、會有很好的經(jīng)濟(jì)效益。1.2 設(shè)計要求設(shè)計對象是某煤礦地面蓄水池，通過設(shè)計一個自動控制系統(tǒng)，將其中的水抽出刀制定的制漿設(shè)備用于制漿，實現(xiàn)井下廢水的再利用。該礦井下抽取到地面蓄水池的水雜質(zhì)較少，礦領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計制漿用水量為70方/小時，可以采用變頻器進(jìn)行控制，制定一個自動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)該功能。設(shè)計采用水泵將蓄水池的水抽出到指定設(shè)備的系統(tǒng)，具體要求：（一）、能檢測抽出的水流量；（二）、形成一個自動恒流控制系統(tǒng)；（三）、能控制水流量為我們的指定值。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 控制方案根據(jù)設(shè)計目的和設(shè)計要求，本設(shè)計采用變頻恒流量抽水方式，最根本的目的是將蓄水池中的水抽送至制漿設(shè)備中，在設(shè)計中添加流量傳感器、變頻執(zhí)

3、行器和控制器等將抽水過程進(jìn)行優(yōu)化。實現(xiàn)恒流量變頻自動控制抽水過程。流量傳感器用來監(jiān)測管路中的流量是否達(dá)到生產(chǎn)所需的值；變頻執(zhí)行器以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，在本設(shè)計中，其作用也是一樣的，它是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元.變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制；控制器可以實現(xiàn)對抽水過程的靈活控制。對此，選用新型變頻調(diào)速抽水設(shè)備，該設(shè)備將PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和

4、對PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)屬于蓄水池變頻恒流量抽水自動控制系統(tǒng)，主要在原本的蓄水池中添加先進(jìn)控制設(shè)備和輔助設(shè)備，二次利用礦井廢水，實現(xiàn)廢水的再利用。該系統(tǒng)具體有這幾部分：抽水泵，傳感器，執(zhí)行器，控制器，還有其他若干配套設(shè)備。由于本設(shè)計要求是恒流量型的，所以傳感器使用電磁流量計；執(zhí)行器選擇變頻器，

5、帶有PID調(diào)節(jié)器，變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無極調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。；控制器選擇一臺PLC控制器。上述幾種設(shè)備工作時之間的相互關(guān)系的工作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-1： PID調(diào)節(jié)器變頻器PLC控制器電磁流量計水泵機組圖 2-1 設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖3 設(shè)備選型3.1 傳感器傳感器選用電磁流量計，電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行流量測量的流量計。電磁流量計的優(yōu)點是壓損極小，可測流量范圍大。最大流量與最小流量的比值一般為20：1以上，適用的工業(yè)管徑范圍寬，最大可達(dá)3m，輸出信號和被測流量成線性，精確度較高，可測量電導(dǎo)率5s/cm的酸、堿、鹽溶液、水、污水、腐

6、蝕性液體以及泥漿、礦漿、紙漿等的流體流量。但它不能測量氣體、蒸汽以及純凈水的流量。優(yōu)點：（1）電磁流量計可用來測量工業(yè)導(dǎo)電液體或漿液。（2）無壓力損失。（3）測量范圍大，電磁流量變送器的口徑從2.5到2.6。（4）電磁流量計測量被測流體工作狀態(tài)下的體積流量，測量原理中不涉及流體的溫度、壓力、密度和粘度的影響。缺點：（1）電磁流量計的應(yīng)用有一定局限性，它只能測量導(dǎo)電介質(zhì)的液體流量，不能測量非導(dǎo)電介質(zhì)的流量，例如氣體和水處理較好的供熱用水。另外在高溫條件下其襯里需考慮。（2）電磁流量計是通過測量導(dǎo)電液體的速度確定工作狀態(tài)下的體積流量。按照計量要求，對于液態(tài)介質(zhì)，應(yīng)測量質(zhì)量流量，測量介質(zhì)流量應(yīng)涉及到

7、流體的密度，不同流體介質(zhì)具有不同的密度，而且隨溫度變化。如果電磁流量計轉(zhuǎn)換器不考慮流體密度，僅給出常溫狀態(tài)下的體積流量是不合適的。（3）電磁流量計用來測量帶有污垢的粘性液體時，粘性物或沉淀物附著在測量管內(nèi)壁或電極上，使變送器輸出電勢變化，帶來測量誤差，電極上污垢物達(dá)到一定厚度，可能導(dǎo)致儀表無法測量。選用上海速坤儀表有限公司的智能型電磁流量計，流量適合設(shè)計要求的70方每小時。如實物圖如圖3-1：圖 3-1具體技術(shù)參數(shù)如下如表3-1：表3-1介質(zhì)電導(dǎo)率5S/cm介質(zhì)流速推薦流速：0.510m/s，可測量流速：0.115m/s量程范圍滿量程20mA對應(yīng)流量規(guī)格詳見下表，在口徑范圍內(nèi)可任意設(shè)置精度等級

8、±0.5%，±1%環(huán)境溫度-1050介質(zhì)溫度60（橡膠內(nèi)襯）、120（四氟內(nèi)襯）、180（四氟內(nèi)襯）工作壓力DN1050：PN4MPaDN65200：PN1.6MPaDN2501000：PN1.0MPaDN12002000：PN0.6MPaDN2200：PN0.25MPa以上各口徑如需要更高壓力，可以特殊訂貨電 源AC 220V 50Hz( 90245VAC 50Hz)DC 24V (2036VDC)DC 3.6V（鋰電池供電）防護(hù)等級標(biāo)準(zhǔn)型IP65，防水型IP68電極材質(zhì)316L，Hc，Hb，Ti，Ta，Pt襯里材質(zhì)氯丁橡膠，聚四氟乙烯，聚氯乙稀法蘭標(biāo)準(zhǔn)GB9119-20

9、003.2 執(zhí)行器變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻調(diào)速是公認(rèn)為理想的調(diào)速方式，采用變頻調(diào)速一是為了滿足提高勞動生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動化程度、提高生活質(zhì)量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。變頻調(diào)速的節(jié)能：供水系統(tǒng)采用變頻器泵的節(jié)能效果明顯，節(jié)電率達(dá)20%-60%。減少無功功率：變頻器有效的節(jié)省了無功功率消耗的能量。易于控制，控制系統(tǒng)簡單

10、化：供水系統(tǒng)變頻器的應(yīng)用使系統(tǒng)更方便控制。設(shè)計選用上海肯科電氣有限公司的三菱電機變頻器，型號為：FR-D700系列變頻調(diào)速器。如實物圖如圖3-2：圖 3-2技術(shù)數(shù)據(jù)：表 3-2變頻器適用電機容量（KW)輸出額定容量(KVA)輸出額定電流（A）過載能力電源額定輸入交流電壓/頻率冷卻方式FR-D700系列5.5型（三菱）5.59.112150%60s ,200% 0.5s (反時限特性)3相，380V至480V 50Hz/60Hz強制風(fēng)冷3.3 控制器PID（比例（proportion）、積分（integral）、微分（derivative）控制器作為最早實用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是

11、應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（Kp， Ti和Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。首先，PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PI

12、D參數(shù)就可以重新整定。本設(shè)計選用三菱電機-PLC，F(xiàn)X1S系列PLC。相關(guān)信息如表3-3：表3-3模型I/O總數(shù)輸入輸出尺寸mm(英寸)(寬)*(厚)*(高)數(shù)目類型數(shù)目類型FX1s-10MR-001106漏型4繼電器60*75*90(2.4*3.0*3.5)3.4 配套設(shè)備配套設(shè)備如表3-4表3-4元件符號型號個數(shù)接觸器KMSC-E03-C7閘刀開關(guān)QSHD11-100/181熔斷器FU1，F(xiàn)U2RT18 6A2FU3RT18 8A1熱繼電器FR1 FR2TK-E02T-C2FR3K-E02U-C1按鈕SBLAY311103.5 水泵設(shè)計需要兩臺水泵，一臺工作，一臺防止工作水泵出問題作為備用

13、水泵。水泵所抽水的流量要滿足70方每小時，選用三昌泵業(yè)的DM46-50×4DM耐磨多級離心泵。46設(shè)計點流量為46m3/h；50設(shè)計點單級揚程為50m；4級數(shù)為4級性能范圍：流量：Q=3.75840m3/h；揚程：H=19680m4 電路及管路設(shè)計4.1 電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計系統(tǒng)原理圖連接實物圖，如圖4-1圖4-1本設(shè)計的電路圖，如圖4-2圖 4-24.2 管路設(shè)計根據(jù)已經(jīng)選型的設(shè)備，本設(shè)計的管路結(jié)構(gòu)圖如圖4-3電磁流量計圖 4-3當(dāng)管路中流量下降時，變頻器輸出頻率降至增大頻率，恢復(fù)對水量的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使流量重新達(dá)到設(shè)定值.當(dāng)管路中的流量增大時，結(jié)論變頻器輸出頻率升至降低頻率，恢復(fù)對水量的比黃調(diào)節(jié)，是流量重新達(dá)到設(shè)定值。實現(xiàn)恒流量量變頻自動控制抽水。結(jié)論通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)安全檢測監(jiān)控系統(tǒng)方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢查環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在老師與同學(xué)們的指