基于本安直流電動閥的負(fù)壓自動放水器

王祖迅

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039）

在高瓦斯及突出礦井根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》規(guī)定，要求在地面或井下建立瓦斯抽采系統(tǒng)，通過抽采泵、水泵、電動閥、抽采管道等設(shè)備將煤層中賦存的瓦斯氣體輸送至地面利用或排空，減少煤礦井下發(fā)生瓦斯爆炸或煤與瓦斯突出事故，保障煤礦安全生產(chǎn)[1]。在抽采過程中往往由于被抽采煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，有些采煤工作面煤層中含水量大，同時在瓦斯泵正常運行時瓦斯抽采管路內(nèi)的負(fù)壓又比較高，在抽采瓦斯時從抽采鉆孔中吸入大量的煤層積水，這些積水進(jìn)入抽采管內(nèi)不僅使瓦斯抽采管路的有效抽采橫截面面積變小，影響單位時間內(nèi)通過瓦斯抽采管路的瓦斯流量，而且大量積水混合著瓦斯氣體一起運動，抽采泵要克服積水的運動做大量的無用功，這樣就會使瓦斯抽采泵的抽采效率大大減低[2-7]。由于煤礦井下巷道取電困難，目前對抽采管路積水的處理主要采用機(jī)械式負(fù)壓自動防水器，但經(jīng)常出現(xiàn)彈簧損壞放，無法壓縮和伸展導(dǎo)致的放水困難、放不出水等問題，因此需要設(shè)計一種放水效果更好的負(fù)壓自動放水器。

1 電動式負(fù)壓自動放水器

電動式負(fù)壓自動放水器主要由集水管、直流驅(qū)動器、兩通球閥、三通球閥、集水箱、放水管和控制器等組成。電動式負(fù)壓自動放水器主要工作在集水和放水2 個狀態(tài)，由控制器協(xié)調(diào)控制。在集水狀態(tài)時，出水管上的兩通球閥關(guān)閉，集水管上的三通球閥連通抽采管道的管路打開，這時集水箱和抽采負(fù)壓管道形成一個聯(lián)通體，水在自身重力作用下經(jīng)集水管進(jìn)入集水箱內(nèi)；在放水狀態(tài)時，集水管上的三通球閥連通大氣的管路打開，這時集水箱和大氣形成一個聯(lián)通體，打開放水管道上的兩通球閥，水在自身重力的作用下從集水箱中流走。放水器不斷重復(fù)集水-放水-集水過程，實現(xiàn)對抽采負(fù)壓管道進(jìn)行自動放水。

2 直流電動閥

電動式負(fù)壓放水器主要采用電源驅(qū)動放水器上的兩通放水球閥和三通集水球閥的開關(guān)進(jìn)行放水操作。由于井下抽采管道安裝環(huán)境復(fù)雜，在巷道內(nèi)取交流127 V 及以上電源困難，而且管道內(nèi)存在瓦斯氣體，采用高壓控制危險，因此設(shè)計采用監(jiān)控電源箱提供的24 V 本安直流電源作為驅(qū)動電源，電動閥采用直流無刷電機(jī)驅(qū)動閥門動作。直流驅(qū)動器原理如圖1。

圖1 直流驅(qū)動器原理Fig.1 Principle of DC driver

直流驅(qū)動器主要由微處理器、直流無刷電機(jī)、齒輪減速機(jī)構(gòu)及過流保護(hù)電路、驅(qū)動電路、采樣電路、遙控及顯示電路、控制接口和RS485 通訊等組成。驅(qū)動器采用監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控電源箱提供的24 V 本安直流電源進(jìn)行供電，微處理器接收來自控制接口的觸點命令或來自RS485 通訊的數(shù)字命令，經(jīng)微處理器解析處理后輸出PWM 控制信號，通過驅(qū)動電路控制三相全橋功率開關(guān)來驅(qū)動直流無刷電機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動，再通過齒輪減速機(jī)構(gòu)帶動球閥動作。其中，位置采樣主要用于檢測閥門是否開關(guān)到位，電流采樣主要用于檢測驅(qū)動器工作電流，遙控及顯示電路用于設(shè)置驅(qū)動器的參數(shù)和顯示工作狀態(tài)，RS485 通訊電路主要用于對外輸出驅(qū)動器狀態(tài)信息和控制參數(shù)等，實現(xiàn)閥門的遠(yuǎn)程控制。

2.1 直流驅(qū)動及電流采樣電路

直流無刷電機(jī)的驅(qū)動及電流采樣電路如圖2。

驅(qū)動及電流采樣電路主要采用JY01 直流無刷電機(jī)IC 控制芯片與外圍電路組成的橋式驅(qū)動來實現(xiàn)。IC 芯片的AT、BT、CT 引腳接入橋式驅(qū)動功率開關(guān)的上臂，IC 芯片的AB、BB、CB 引腳接入橋式驅(qū)動功率開關(guān)的下臂，其中上臂采用P 型場效應(yīng)管，下臂采用N 型場效應(yīng)管，由于球閥電機(jī)功率較小采用集成的PN 雙MOS 芯片來作為功率開關(guān)。電機(jī)霍爾元件的采樣信號分別進(jìn)入Ha、Hb、Hc 引腳，通過霍爾元件和JY01 控制芯片的配合來控制功率管，電路工作時每次導(dǎo)通2 個功率開關(guān)管，這2 個功率管在轉(zhuǎn)子經(jīng)過120°電角度所持續(xù)的時間內(nèi)保持導(dǎo)通狀態(tài)。每當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過60°電角度后，電動機(jī)就必須改變1 次相位，改變相位后，2 個正在導(dǎo)通的功率管其中1 個被斷開，電路中未導(dǎo)通的功率管按照電路接收到的電信號導(dǎo)通其中1 個[7-11]。微處理器輸出的轉(zhuǎn)速控制PWM 信號經(jīng)限流電阻R5進(jìn)入VR 控制引腳，根據(jù)占空比實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。正反轉(zhuǎn)控制信號進(jìn)入F/R 引腳，實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。電流采樣電路由R10和R11和比例運算放大器組成，通過R10采樣電阻把電機(jī)電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過限流電阻進(jìn)入運算放大器的同向輸入端，根據(jù)比例運算放大器的電壓增益系數(shù)F＝（1＋R13/R12），將采樣電壓放大20 倍后進(jìn)入微處理器，經(jīng)微處理器的AD 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供程序使用。

2.2 本安電源保護(hù)電路

直流電動閥采用監(jiān)控電源箱提供的24 V 本安直流電源進(jìn)行供電，對電動閥的工作電流設(shè)計了硬件限流和軟件過流2 種保護(hù)。其中，硬件限流保護(hù)主要是在電源的輸入端口設(shè)計了限流電路，通過硬件對整機(jī)的工作電流進(jìn)行初步限制，限流電路可以有效地隔離電機(jī)驅(qū)動電路中的大容量儲能電容向外部電路釋放的能量，避免產(chǎn)生引起可以點燃瓦斯的電火花，限流保護(hù)電路原理如圖3。

圖2 驅(qū)動和電流采集電路Fig.2 Drive and current acquisition circuit

圖3 限流保護(hù)電路Fig.3 Current limiting protection circuit

限流保護(hù)電路由電阻R6、R7、R8、R10和OP1A運算放大器組成差分放大電路，穩(wěn)壓管U3和電阻R7、R8為運算放大器提供參考電壓，通過R6對整機(jī)工作電流進(jìn)行取樣，當(dāng)電流增大時運算放大器根據(jù)輸入誤差調(diào)整Q1管進(jìn)行分壓，使得負(fù)載上的電壓降低，從而保持電流恒定不再增大，實現(xiàn)了恒流限流的功能。軟件過流保護(hù)主要是通過電流采樣電路實時檢測直流電機(jī)拖動負(fù)載的電流變化情況，一旦檢測的電流變化有可能引起本安電源發(fā)生過流保護(hù)的時候，微處理器便會實時的調(diào)節(jié)電機(jī)速度，以動態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動電流，避免電流過大引起本安電源的過流保護(hù)。

2.3 控制程序

電動式負(fù)壓自動放水器對兩通和三通球閥的控制主要由放水器的控制器進(jìn)行定時操作控制，控制器通過采集閥門的工作狀態(tài)，定時自動打開和關(guān)閉直流電動閥，控制流程如圖4。

首先對參數(shù)進(jìn)行初始化操作，讀取直流驅(qū)動器的保護(hù)參數(shù)、工作狀態(tài)、集水和放水時間等參數(shù)，初始化完成后關(guān)閉放水兩通球閥，打開集水三通球閥，即三通球閥的A 點和B 點相通，使水箱與抽采負(fù)壓管道相通進(jìn)行集水。如果集水定時時間未到，繼續(xù)集水過程，如果集水定時時間到，關(guān)閉集水三通球閥，即三通球閥的C 點和B 點相通，使水箱與大氣相通，然后再打開放水閥進(jìn)行放水操作。如果放水時間未到，繼續(xù)放水操作，如果放水時間到，關(guān)閉放水兩通球閥，進(jìn)行集水過程。此過程不斷循環(huán)，實現(xiàn)放水器的定時自動放水操作。

圖4 放水器控制流程Fig.4 Control process of drainer

3 結(jié) 語

設(shè)計了一種基于本安直流電動閥的負(fù)壓自動放水器。通過在放水器集水箱的進(jìn)水口和出水口采用直流電動球閥，能有效的解決機(jī)械式負(fù)壓放水器由于彈簧損壞，無法壓縮和伸展導(dǎo)致的放水困難、放不出水等問題；通過采用監(jiān)控電源箱提供的24 V 本安直流電源供電，供電電源安全且容易在巷道內(nèi)取到電源，能有效解決井下巷道取交流127 V 及以上電源困難問題；根據(jù)設(shè)定集水時間和放水時間，直流驅(qū)動器自動控制兩通和三通球閥進(jìn)行集水和放水操作，定時將高負(fù)壓抽采管路中的積水排出管道外。通過測試表明：基于本安直流電動閥驅(qū)動的放水器在高負(fù)壓情況下能有效排出抽采管道內(nèi)的積水，能有效解決機(jī)械式負(fù)壓放水器存在的問題，對提高瓦斯抽采系統(tǒng)工作效率具有重要意義。