礦用瓦斯抽放管道自動(dòng)放水裝置的設(shè)計(jì)

孔維社

摘要：分析了煤礦井下瓦斯抽放管道積水的危害以及當(dāng)前普遍使用的機(jī)械式自動(dòng)放水器的缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)間的具有控制核心和通信接口的自動(dòng)放水裝置，放水參數(shù)可由用戶設(shè)定，通過(guò)通信接口放水器可連接到井下控制網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)放水器的遠(yuǎn)控監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽放；自動(dòng)放水；數(shù)據(jù)通信；遠(yuǎn)程監(jiān)控；定時(shí)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）35-8563-02

煤礦井下瓦斯抽放管道是保證煤礦安全生產(chǎn)的必要設(shè)備[1]，抽風(fēng)機(jī)通過(guò)瓦斯抽放管道將煤巖中的瓦斯抽到地面，以防止井下瓦斯局部積聚和瓦斯突出。管道內(nèi)存水是瓦斯抽放的一個(gè)附屬問(wèn)題，在抽出瓦斯的同時(shí)，煤層中一部分水也被抽出，積聚在管道的低洼處，長(zhǎng)時(shí)間積累會(huì)嚴(yán)重影響瓦斯抽放效果[2]。為了解決這一問(wèn)題，煤礦井下在瓦斯抽放管道上裝有多個(gè)放水器，放水器可以將積聚在管道內(nèi)的水放出[3]。

放水器分為兩種：手動(dòng)放水器和自動(dòng)放水器，手動(dòng)放水器需要工人定期手動(dòng)操作放水，自動(dòng)放水器無(wú)需人工干預(yù)，可以自行將瓦斯抽放管道內(nèi)的水放出，當(dāng)前煤礦使用的自動(dòng)放水器多為機(jī)械式放水器，放水器內(nèi)裝有水位開(kāi)關(guān)，當(dāng)放水器內(nèi)聚集的水到達(dá)一定量時(shí)，水位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，通過(guò)機(jī)械驅(qū)動(dòng)打開(kāi)閥門將水放出。機(jī)械式自動(dòng)放水器大大減小了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了放水效率。由于放水器數(shù)量多，且布局分散，使用機(jī)械式自動(dòng)放水器，煤礦管理部門難以掌握每個(gè)放水器的工作情況和運(yùn)行時(shí)間，不利于放水器的集中監(jiān)控。

本文設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)間的具有控制核心和通信接口的自動(dòng)放水裝置，放水參數(shù)可由用戶設(shè)定，并且所有放水器都可以與監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。操作員坐在地面集控中心就可以掌握每個(gè)放水器的運(yùn)行情況，在緊急情況下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)放水器的打開(kāi)關(guān)閉操作。

1 裝置組成

如圖1，自動(dòng)放水裝置由儲(chǔ)水箱、進(jìn)水球閥、出水球閥、泄壓電磁閥和控制箱組成，圖中控制箱到進(jìn)水球閥、出水球閥和泄壓電磁閥的虛線表示控制電纜。自動(dòng)放水裝置的工作分為集水和放水兩種狀態(tài)。在裝置安裝到位開(kāi)始工作前，進(jìn)水球閥、出水球閥和泄壓電磁閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，控制箱首先控制進(jìn)水球閥打開(kāi)，此時(shí)如果瓦斯抽發(fā)管道中有積水，水就會(huì)通過(guò)進(jìn)水球閥流入儲(chǔ)水箱，裝置進(jìn)入集水狀態(tài)。進(jìn)水球閥打開(kāi)到位后，控制箱開(kāi)始定時(shí)，定時(shí)時(shí)間可以由用戶根據(jù)特定區(qū)域管道中的水量進(jìn)行設(shè)備，定時(shí)時(shí)間結(jié)束后，控制箱控制進(jìn)水球閥關(guān)閉，然后開(kāi)始放水的過(guò)程。進(jìn)水球閥關(guān)閉前，儲(chǔ)水箱中的氣壓與瓦斯抽放管道的氣壓是一致的，即負(fù)壓，進(jìn)水球閥關(guān)閉后，儲(chǔ)水箱中仍然保持負(fù)壓，如果只打開(kāi)出水球閥，儲(chǔ)水箱中的水在外部大氣壓的作用下是無(wú)法流出的，因此，應(yīng)先打開(kāi)泄壓電磁閥，使儲(chǔ)水箱中的氣壓與外部大氣壓相同，然后打開(kāi)出水球閥，這樣儲(chǔ)水箱中的水就會(huì)在重力的作用下通過(guò)出水球閥流出。出水球閥打開(kāi)到位后，控制箱再次定時(shí)，定時(shí)時(shí)間根據(jù)儲(chǔ)水箱的容積設(shè)定，定時(shí)的時(shí)間應(yīng)保證儲(chǔ)水箱中的水能全部流出。定時(shí)時(shí)間結(jié)束后，控制箱控制出水球閥和泄壓電磁閥關(guān)閉，然后進(jìn)水球閥打開(kāi)，再次進(jìn)入集水狀態(tài)。自動(dòng)放水裝置不斷重復(fù)集水和放水的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽發(fā)管道中的水定時(shí)放出。

2 主要功能

控制箱是自動(dòng)放水裝置的控制核心，裝置的主要功能都由控制箱實(shí)現(xiàn)。

2.1 工作方式

自動(dòng)放水裝置有三種工作方式：自動(dòng)、手動(dòng)和檢修，用控制箱右側(cè)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇?？刂葡涿姘迳嫌?個(gè)按鈕和1個(gè)4位數(shù)碼管。數(shù)碼管可以顯示定時(shí)時(shí)間和控制箱的工作狀態(tài)，按鈕方便用戶實(shí)現(xiàn)各種操作。

1） 在自動(dòng)方式下，控制箱根據(jù)設(shè)定的集水時(shí)間和放水時(shí)間自動(dòng)切換集水、放水狀態(tài)。當(dāng)由其他工作方式轉(zhuǎn)換到自動(dòng)方式時(shí)，程序會(huì)先自動(dòng)進(jìn)行一次放水，然后再根據(jù)設(shè)定的集水時(shí)間和放水時(shí)間自動(dòng)切換集水、放水狀態(tài)。觀察窗以倒計(jì)時(shí)方式顯示集水或放水的剩余時(shí)間，第一位數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)亮表示當(dāng)前處于放水狀態(tài)，第二位數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)亮表示當(dāng)前處于集水狀態(tài)。按一下4號(hào)按鈕，還可以顯示當(dāng)前時(shí)鐘時(shí)間，再按一下4號(hào)按鈕則返回倒計(jì)時(shí)顯示狀態(tài)。

2） 在手動(dòng)方式下，利用面板上1號(hào)和2號(hào)按鈕分別控制放水和集水，按一下1號(hào)按鈕，停止集水，開(kāi)始放水，按一下2號(hào)按鈕，停止放水，開(kāi)始集水。當(dāng)由其他工作方式轉(zhuǎn)換到手動(dòng)方式時(shí)，程序首先進(jìn)入集水狀態(tài)，然后再根據(jù)按鈕的狀態(tài)判斷進(jìn)行集水還是放水。觀察窗顯示當(dāng)前時(shí)鐘時(shí)間，作為操作員進(jìn)行操作的時(shí)間參考，第一位數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)亮表示當(dāng)前處于放水狀態(tài)，第二位數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)亮表示當(dāng)前處于集水狀態(tài)。

3） 在檢修方式下，面板上4個(gè)按鈕分別代表放水啟動(dòng)，放水停止，集水啟動(dòng)和集水停止，觀察窗顯示當(dāng)前時(shí)鐘時(shí)間，第一位數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)亮表示出水球閥開(kāi)到位，第二位數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)亮表示出水球閥關(guān)到位，第三位數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)亮表示進(jìn)水球閥開(kāi)到位，第四位數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)亮表示進(jìn)水球閥關(guān)到位。

2.2 時(shí)間設(shè)定模式

分別長(zhǎng)按1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)按鈕5秒以上，可以分別進(jìn)入自動(dòng)放水時(shí)間、自動(dòng)集水時(shí)間和時(shí)鐘時(shí)間的設(shè)定模式，可以根據(jù)數(shù)碼管中間兩個(gè)點(diǎn)的閃爍情況來(lái)判斷是否進(jìn)入了設(shè)定模式，在非設(shè)定模式下，兩個(gè)點(diǎn)以1秒為時(shí)間間隔閃爍，當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)處于常亮狀態(tài)，則進(jìn)入了設(shè)定模式可以松開(kāi)按鈕了。

1） 長(zhǎng)按1號(hào)按鈕5秒以上，進(jìn)入自動(dòng)放水時(shí)間設(shè)定模式。在此模式下，按一下1號(hào)按鈕小時(shí)加1，按一下2號(hào)按鈕小時(shí)減1，按一下3號(hào)按鈕分鐘加1，按一下4號(hào)按鈕分鐘減1，15秒4個(gè)按鈕都無(wú)操作則退出設(shè)定模式。

2） 長(zhǎng)按2號(hào)按鈕5秒以上，進(jìn)入自動(dòng)集水時(shí)間設(shè)定模式。在此模式下，按一下1號(hào)按鈕小時(shí)加1，按一下2號(hào)按鈕小時(shí)減1，按一下3號(hào)按鈕分鐘加1，按一下4號(hào)按鈕分鐘減1，15秒4個(gè)按鈕都無(wú)操作則退出設(shè)定模式。

3） 長(zhǎng)按3號(hào)按鈕5秒以上，進(jìn)入時(shí)鐘時(shí)間設(shè)定模式。在此模式下，按一下1號(hào)按鈕小時(shí)加1，按一下2號(hào)按鈕小時(shí)減1，按一下3號(hào)按鈕分鐘加1，按一下4號(hào)按鈕分鐘減1，15秒4個(gè)按鈕都無(wú)操作則退出設(shè)定模式。

2.3 數(shù)據(jù)通信

控制箱具有CAN總線接口，可以與控制中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，將本裝置的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)傳到控制中心，也可接收來(lái)自控制中心的操作命令。如果控制中心距離不遠(yuǎn)，可以通過(guò)CAN總線直接實(shí)現(xiàn)通信，如果距離較遠(yuǎn)或者控制中心在地面，則可通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)將CAN總線信號(hào)接入礦井以太環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3 技術(shù)方案

控制箱是裝置的控制核心，是決定裝置性能的關(guān)鍵部分。電動(dòng)球閥和電磁閥工作原理簡(jiǎn)單，裝置的技術(shù)方案主要是指控制箱的設(shè)計(jì)方案。

3.1 控制電路設(shè)計(jì)方案

控制芯片選用PIC單片機(jī)，計(jì)時(shí)選用專用定時(shí)芯片，觀察窗指示板由4位數(shù)碼管和5個(gè)發(fā)光二極管組成。電路原理框圖如圖2。

輸出端子控制電動(dòng)球閥和電磁閥的打開(kāi)和關(guān)閉，并將狀態(tài)信號(hào)（打開(kāi)或關(guān)閉）接入輸入端子。單片機(jī)讀取定時(shí)芯片中的數(shù)據(jù)，以此作為定時(shí)基準(zhǔn)，來(lái)控制輸出口何時(shí)輸出，并根據(jù)輸入口的狀態(tài)判斷何時(shí)撤銷輸出。單片機(jī)將當(dāng)前要顯示的時(shí)間和狀態(tài)信息傳給觀察窗指示板進(jìn)行顯示。

3.2 軟件流程設(shè)計(jì)

控制箱的軟件從功能上可以分為控制和計(jì)時(shí)顯示兩個(gè)主要部分，其中控制程序是核心?？刂瞥绦虻牧鞒虉D如圖3，初始化完成后，程序首先判斷當(dāng)前的工作方式，根據(jù)工作方式的不同執(zhí)行相應(yīng)的功能函數(shù)，功能函數(shù)執(zhí)行完畢后，再次判斷控制箱的工作方式是否發(fā)生變化，如果沒(méi)有發(fā)生變化，則再次執(zhí)行本工作方式的功能函數(shù)，如果發(fā)生變化，則判斷當(dāng)前的工作方式以執(zhí)行相應(yīng)的功能函數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

煤礦井下瓦斯抽放管道內(nèi)的積水會(huì)嚴(yán)重影響瓦斯抽放效果，必須及時(shí)排出，該文設(shè)計(jì)的基于時(shí)間的具有控制核心和通信接口的自動(dòng)放水裝置，不但可以完成普通機(jī)械式自動(dòng)放水器的所有功能，還能實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)自動(dòng)放水器的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在一定程度推動(dòng)了煤礦井下電控設(shè)備的一體化管理。此種放水器已在煤礦井下實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。

參考文獻(xiàn)：

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