一种矿用隔爆兼本安型数字化自动排水系统

摘要

一种矿用隔爆兼本安型数字化自动排水系统，属于煤矿井下自动化检测技术领域，目的在于公开一种能够准确、安全、可靠检测煤矿井下水仓水位并实时启动排水系统的防爆兼本安型数字化自动控制系统的技术方案，其特征在于该系统由本安型数字水位传感器I、隔爆兼本安型控制回路II和本安电源电路III三部分组成，是一套数字化、智能化监控系统，具有实时采集并存储水位信号，监控水泵电机工作状态、水仓流量，并实时控制电机的开停，实现数据显示、设限报警和上位机串口通信等功能。并按照煤矿行业安全标准设计，防爆标志为Exdib，可广泛应用于一般矿井和高瓦斯矿井的井下水仓水位的自动监测和自动化排水系统。

说明书

一、技术领域

本发明一种矿用隔爆兼本安型数字化自动排水系统，属于煤矿井下自动化检测技术领域，可用于高瓦斯煤矿井下水仓水位的自动监测和自动化排水系统。

二、背景技术

由于煤矿井下生产环境恶劣，矿难频频发生，煤矿水害带来的灾难是煤矿三大灾害之一。目前，煤矿井下水仓排水大多是靠人工手动控制实现，原因是煤矿井下水仓的水均为煤泥水或伴有悬浮污物，现阶段对煤矿井下水仓水位检测技术和自动排水系统还没有成熟的产品。太原理工大学马福昌教授发明的“感应式数字水位传感器(ZL96110735.9)”和“检索式数字水位传感器(ZL200310109631.9)”，解决了恶劣环境下水位信号的采集问题和涵洞中远距离信号传输的世界性难题，但是对于煤矿井下水仓水位检测技术及实时自动排水控制还是煤矿自动化领域渴望已久解决的难题，这关系到煤矿工人的生命安全和国家无法统计的经济利益受损的问题。

三、发明内容

本发明一种隔爆兼本安型数字化自动排水系统的目的在于：解决上述现有技术中无法解决的和人们渴望已久需要解决的难题，从而公开一种能够准确、安全、可靠检测煤矿井下水仓水位并实时启动排水系统的防爆兼本安型数字化自动控制系统的技术方案。

本发明一种矿用隔爆兼本安型数字化自动排水系统，其特征在于由本安型数字水位传感器I、隔爆兼本安型控制回路II和本安电源电路III三部分组成(见图1、图2)，本安型数字水位传感器I垂直贴壁安装在井下水仓，隔爆兼本安型控制回路II和本安电源电路III置于防爆壳内并安放在井下采区变电所，由本安电源电路III给防爆壳内隔爆兼本安型控制回路II和壳外的本安型数字水位传感器I提供本安直流电源，隔爆兼本安型控制回路II和本安型数字水位传感器I联接；其所述本安型数字水位传感器I满足GB3836.4矿用本质安全型标准简称本安型的要求，防爆标志为Exib，是一种直接数字量取样的数字传感器，由数字变送电路8、休眠式供电电路9、发送电路10、检索电路11、取样电路12和取样感应电极6组成(见图5)，外形结构由两节接插组成，接插部位4、引线端子3采用防水防爆接插式器件，插件1内装有数字变送电路8和休眠式供电电路9，插件2内装有信号发送电路10、检索电路11、取样电路12和取样感应电极6，电路装配调试后，放入圆形模具中，用耐高温环氧树脂浇铸而成，芯片与外壳经浇铸后成为一个圆形棒式实体(见图3、图4)；其隔爆兼本安型控制回路II(见图6)，是一种与上述本安型数字水位传感器I配套的的专用控制回路，以主控电路13为核心控制单元与储存电路14、通信时钟电路15、A/D转换电路16、按键电路17、串口通信电路18、液晶显示电路19及继电器开关信号电路24直接联接，并经光电隔离电路23与报警电路22、复位电路21、JTAG20芯片测试电路联接组成，同时经光电隔离电路23与外部本安型数字水位传感器I联接，采集并存储水位信号，监控水泵电机工作状态、水仓流量，同时输出接点信号控制电机的开停，实现数据显示、设限报警和上位机串口通信，防爆外壳根据GB3836.2矿用隔爆型标准设计，并将隔爆兼本安型控制回路II全部置于防爆外壳内使其满足隔爆本安型电路的要求，防爆标志为Exdib；本安电源电路III是一个独立电路单元，也是一种煤矿低压电器设备的安全电源电路，防爆标志为Exib，由采区变电所提供AC127V电压，经断路器25、控制变压器26、本安电路27输出DC9V、DC5V本安电源电压(见图7)。

上述的一种矿用隔爆兼本安型数字化自动排水系统，其特征在于所述本安型数字水位传感器I中的取样感应电极6均匀分布在本安型数字水位传感器I的插件2棒体表面(见图3)，其间隔距离可按测量精度要求分别为1cm、2cm或3cm，插件2按使用需要采用防水防爆接插式器件联接，测量范围为0～20m。

上述的一种矿用隔爆兼本安型数字化自动排水系统，其特征在于隔爆兼本安型控制回路II的各项监控参数范围通过按键电路17手动设定或通过主控电路13自动调整。

上述的一种矿用隔爆兼本安型数字化自动排水系统，其特征在于所述本安电源电路III与隔爆兼本安型控制回路II一起放置在防爆壳内或按需要独立安装。

本发明一种矿用隔爆兼本安型数字化自动排水系统的优点在于：

特别适合在煤矿井下恶劣环境下的水仓水位的准确、可靠测量，是一套数字化、智能化监控系统，具有实时采集并存储水位信号，监控水泵电机工作状态、水仓流量，并实时控制电机的开停，实现数据显示、设限报警和上位机串口通信等功能。并按照煤矿行业安全标准设计，防爆标志为Exdib，可广泛应用于一般矿井和高瓦斯矿井的井下水仓水位的自动监测和自动化排水系统。

四、附图说明

I-本安型数字水位传感器

II-隔爆兼本安型控制回路

III-本安电源电路

图1矿用隔爆兼本安型数字化自动排水系统结构框图

图2防爆外壳结构图

图3本安型数字水位传感器外形结构图

图4本安型数字水位传感器电路结构图

图5本安型数字水位传感器电路原理框图

图6防爆兼本安型控制回路原理框图

图7本安电源电路原理框图

1、插件1               2、插件2

3、引线端子            4、接插部位

5、电路芯体骨架        6、感应电极

7、电路板              8、数字变送电路

9、休眠式供电电路      10、信号发送电路

11、检索电路           12、取样电路

13、主控电路           14、存储电路

15、通信时钟电路       16、A/D转换电路

17、按键电路           18、串口通信电路

19、LED液晶显示电路    20、JTAG芯片测试电路

21、复位电路           22、报警电路

23、光电隔离电路       24、继电器开关电路

25、断路器             26、本安型变压器

27、本安电路           28、隔爆接线腔

29、本安接线腔         30、LED液晶显示器

31、按键               32、标有”ib”字样的蓝色铜导线

五、具体实施方式

实施方式1：如图1、图2，本发明矿用隔爆兼本安型数字化自动排水系统结构框图及防爆外壳结构图，防爆外壳外形尺寸为204*337*83mm，根据GB3836.2矿用隔爆型标准(防爆标志为Exdib)设计外壳厚度、前后端盖接合面宽度或结构间隙尺寸，使外壳因内部电路意外爆炸而不损坏，并且将内部爆炸隔在壳内不会引起外部瓦斯或煤尘爆炸事故。防爆外壳左侧设有两个隔爆接线腔28，用于联接由采区变电所提供的AC127V电源电压和输出控制电机工作状态的信号电压。防爆外壳右侧设有两个本安接线腔29，用于引出本安电源给本安数字水位传感器I供电。隔爆兼本安型控制回路II经光电隔离电路23、本安接线腔29与壳外本安数字水位传感器I联接采集水位数据及输出串口通信信号、报警信号及复位信号，外壳正面LED液晶显示窗30显示水位数据，按键31用于手动复位和置零，本安电路的所有布线均采用标有”ib”字样的蓝色铜导线32，所有电路元器件选择要高耐压值(200％)、高精度(1％)及高能量转换效率(80％)，以满足本安电路的试验条件，系统主要技术指标：

防爆标志：Exdib

电源：井下：127V 50Hz

有线信号传输距离：20公里(通过井下通讯电缆)

按需设定排水流量和报警参数

传感器测量精度：1cm 2cm 3cm，测量范围：0～20m

控制回路：16路数字量输入；8路开关量输出

8路模拟量信号输入(可选)

控制继电器通断能力：AC36/5A、AC127V/2A、AC660V/0.35A

下面结合附图进一步加以说明：

I本安型数字水位传感器电路(防爆标志为Exib)外形结构按照图3、图4所示结构设计，由插件1和插件2两节接插组成，如图5所示，本安型数字水位传感器插件1内组装数字变送电路8和休眠式供电电路9，实现信号变送与休眠式供电控制功能，本安型数字水位传感器插件2内组装信号发送电路10、检索电路11、取样电路12并安装取样感应电极6，当休眠式供电电路9发出工作信号时，由信号发送电路10激活取样电路12由取样感应电极6采集信号，经检索电路11将采集到的数字信号传递给信号变送器8，经过数字信号变送器处理并输出信号；本安型数字水位传感器I的插件1直径40mm、长度为120mm，插件2直径40mm，长度为1m，电路芯片部分用耐高温绝缘材料板制成骨架5，并按各自功能在骨架上组装相应电路，装配调试好后，放入圆形模具中，用耐高温环氧树脂浇铸而成，芯片与外壳经浇铸后成为一个圆形棒式实体，取样感应电极6按照间隔距离为3cm均匀分布在传感器2节棒体表面，插件2的节数为20节，经防水防爆联接件4接插级联，引线端子3采用防水防爆接插式器件，引线采用标有”ib”字样的蓝色铜导线，电路元器件选择要高耐压值(200％)、高精度(1％)及高能量转换效率(80％)，将传感器贴壁垂直安装在井下水仓，测量范围为0～20m；

II隔爆兼本安型控制回路如图6(防爆标志为Exdib)以主控模块MSP430F1611IPM作为核心控制的智能化现场数据采集、控制及通信电路，电路包括主控电路13、储存电路14、通信时钟电路15、A/D转换电路16、串口通信电路18、液晶显示电路19、报警电路22、按键电路17、复位电路21、JTAG20芯片测试电路、光电隔离电路23及继电器开关信号24，由主控电路13的处理器经光电隔离电路23采集数字水位传感器25的煤泥水位信号和电机工作状态的继电器开关信号24，各传感器和电机的工作状态通过存储电路14进行数据存储，通过液晶显示电路进行数据显示19，并通过串口通信电路18与上位机之间进行数据交换。当水位超过一定高度时，启动报警电路22报警器和报警灯报警，并输出继电器节点信号控制电机的开停。同时，主控模块通过A/D转换电路16接收流量等模拟信号，实现设限报警和将各点涌水量情况上传请求处理，复位电路21用于监控主控制器和其他子系统的电源电压，在上电、掉电和节电情况下向主控制器提供复位信号，按键电路17手动改变液晶显示的基准电压，而JTAG测试电路20允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，实现对各个器件分别测试；

III本安电源电路如图7，包括断路器25、本安型控制变压器26及本安电路27，由采区变电所提供AC127V电压经隔爆接线腔接入经断路器25到本安型变压器26变压，设计本安电路27输出本安DC9V、DC5V，本安电源电路置于隔爆腔内下面部分，见图4中，隔爆腔内下面部分本安电源26在隔爆腔内，经光电隔离电路给控制回路提供电源。本安电路布线采用标有”ib”字样的蓝色铜导线，经本安接线腔引出给本安型数字水位传感器26提供本安电源，防爆标志为Exib，

实施方式2：

本安电源电路III按需要独立安装使用，其它同实施方式1。

实施方式3：

取样感应电极6按照间隔距离为2cm均匀分布在插件2棒体表面，其它同实施方式1。

实施方式4：

取样感应电极6按照间隔距离为1cm均匀分布在插件2棒体表面，其它同实施方式1。

实施方式5：

当不需要测量水仓深度只需测3m以内的水位变化范围时，插件2的节数为3节，经防水防爆联接件4接插级联，其它同实施方式1。