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

關(guān)鍵詞：瓦斯抽放；自動放水；數(shù)據(jù)通信；遠程監(jiān)控；定時

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：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)機通過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附屬問題，在抽出瓦斯的同時，煤層中一部分水也被抽出，積聚在管道的低洼處，長時間積累會嚴重影響瓦斯抽放效果[2]。為了解決這一問題，煤礦井下在瓦斯抽放管道上裝有多個放水器，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：手動放水器和自動放水器，手動放水器需要工人定期手動操作放水，自動放水器無需人工干預(yù)，可以自行將瓦斯抽放管道內(nèi)的水放出，當前煤礦使用的自動放水器多為機械式放水器，放水器內(nèi)裝有水位開關(guān)，當放水器內(nèi)聚集的水到達一定量時，水位開關(guān)動作，通過機械驅(qū)動打開閥門將水放出。機械式自動放水器大大減小了工人的勞動強度，提高了放水效率。由于放水器數(shù)量多，且布局分散，使用機械式自動放水器，煤礦管理部門難以掌握每個放水器的工作情況和運行時間，不利于放水器的集中監(jiān)控。

本文設(shè)計了一種基于時間的具有控制核心和通信接口的自動放水裝置，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)，實現(xiàn)遠程監(jiān)視和控制。操作員坐在地面集控中心就可以掌握每個放水器的運行情況，在緊急情況下可以實現(xiàn)對每個放水器的打開關(guān)閉操作。

1 裝置組成

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

2 主要功能

控制箱是自動放水裝置的控制核心，裝置的主要功能都由控制箱實現(xiàn)。

2.1 工作方式

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

1） 在自動方式下，控制箱根據(jù)設(shè)定的集水時間和放水時間自動切換集水、放水狀態(tài)。當由其他工作方式轉(zhuǎn)換到自動方式時，程序會先自動進行一次放水，然后再根據(jù)設(shè)定的集水時間和放水時間自動切換集水、放水狀態(tài)。觀察窗以倒計時方式顯示集水或放水的剩余時間，第一位數(shù)碼管的小數(shù)點亮表示當前處于放水狀態(tài)，第二位數(shù)碼管的小數(shù)點亮表示當前處于集水狀態(tài)。按一下4號按鈕，還可以顯示當前時鐘時間，再按一下4號按鈕則返回倒計時顯示狀態(tài)。

2） 在手動方式下，利用面板上1號和2號按鈕分別控制放水和集水，按一下1號按鈕，停止集水，開始放水，按一下2號按鈕，停止放水，開始集水。當由其他工作方式轉(zhuǎn)換到手動方式時，程序首先進入集水狀態(tài)，然后再根據(jù)按鈕的狀態(tài)判斷進行集水還是放水。觀察窗顯示當前時鐘時間，作為操作員進行操作的時間參考，第一位數(shù)碼管的小數(shù)點亮表示當前處于放水狀態(tài)，第二位數(shù)碼管的小數(shù)點亮表示當前處于集水狀態(tài)。

3） 在檢修方式下，面板上4個按鈕分別代表放水啟動，放水停止，集水啟動和集水停止，觀察窗顯示當前時鐘時間，第一位數(shù)碼管的小數(shù)點亮表示出水球閥開到位，第二位數(shù)碼管的小數(shù)點亮表示出水球閥關(guān)到位，第三位數(shù)碼管的小數(shù)點亮表示進水球閥開到位，第四位數(shù)碼管的小數(shù)點亮表示進水球閥關(guān)到位。

2.2 時間設(shè)定模式

分別長按1號、2號、3號按鈕5秒以上，可以分別進入自動放水時間、自動集水時間和時鐘時間的設(shè)定模式，可以根據(jù)數(shù)碼管中間兩個點的閃爍情況來判斷是否進入了設(shè)定模式，在非設(shè)定模式下，兩個點以1秒為時間間隔閃爍，當兩個點處于常亮狀態(tài)，則進入了設(shè)定模式可以松開按鈕了。

1） 長按1號按鈕5秒以上，進入自動放水時間設(shè)定模式。在此模式下，按一下1號按鈕小時加1，按一下2號按鈕小時減1，按一下3號按鈕分鐘加1，按一下4號按鈕分鐘減1，15秒4個按鈕都無操作則退出設(shè)定模式。

2） 長按2號按鈕5秒以上，進入自動集水時間設(shè)定模式。在此模式下，按一下1號按鈕小時加1，按一下2號按鈕小時減1，按一下3號按鈕分鐘加1，按一下4號按鈕分鐘減1，15秒4個按鈕都無操作則退出設(shè)定模式。

3） 長按3號按鈕5秒以上，進入時鐘時間設(shè)定模式。在此模式下，按一下1號按鈕小時加1，按一下2號按鈕小時減1，按一下3號按鈕分鐘加1，按一下4號按鈕分鐘減1，15秒4個按鈕都無操作則退出設(shè)定模式。

2.3 數(shù)據(jù)通信

控制箱具有CAN總線接口，可以與控制中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，將本裝置的運行參數(shù)實時傳到控制中心，也可接收來自控制中心的操作命令。如果控制中心距離不遠，可以通過CAN總線直接實現(xiàn)通信，如果距離較遠或者控制中心在地面，則可通過協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)將CAN總線信號接入礦井以太環(huán)網(wǎng)實現(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。電動球閥和電磁閥工作原理簡單，裝置的技術(shù)方案主要是指控制箱的設(shè)計方案。

3.1 控制電路設(shè)計方案

控制芯片選用PIC單片機，計時選用專用定時芯片，觀察窗指示板由4位數(shù)碼管和5個發(fā)光二極管組成。電路原理框圖如圖2。

輸出端子控制電動球閥和電磁閥的打開和關(guān)閉，并將狀態(tài)信號（打開或關(guān)閉）接入輸入端子。單片機讀取定時芯片中的數(shù)據(jù)，以此作為定時基準，來控制輸出口何時輸出，并根據(jù)輸入口的狀態(tài)判斷何時撤銷輸出。單片機將當前要顯示的時間和狀態(tài)信息傳給觀察窗指示板進行顯示。

3.2 軟件流程設(shè)計

控制箱的軟件從功能上可以分為控制和計時顯示兩個主要部分，其中控制程序是核心。控制程序的流程圖如圖3，初始化完成后，程序首先判斷當前的工作方式，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，則判斷當前的工作方式以執(zhí)行相應(yīng)的功能函數(shù)。

4 結(jié)束語

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

參考文獻：

[1] 官平剛，黃大永.煤礦瓦斯抽放系統(tǒng)全自動放水器的改進[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2004，31（增刊）：11-12.

[2] 沈必君. ZFS自動放水器的研制及其應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2001，28（3）：21-22.

[3] 余天明.自動放水器在瓦斯抽放系統(tǒng)中的應(yīng)用與改造[J].煤礦現(xiàn)代化，2010（1）：72-73.

[4] 李國雄，孫德寧，王洪存，等.瓦斯抽放管路系統(tǒng)的設(shè)計及其設(shè)備的配套選型[J].工礦自動化，2012，38（2）：78-81.