CN105736948A - 煤层瓦斯抽采管道控制装置与控制方法 - Google Patents

Abstract

煤层瓦斯抽采管道控制装置与控制方法，属于煤层瓦斯抽采管理系统设备领域。包括瓦斯浓度传感器、数据处理模块、显示模块，体积式流量计，整形电路，控制器，无线通信模块，压力传感器，模数转换模块，电机阀。其特征在于管道同时连接了瓦斯浓度、压力、流量传感器和电机阀，实现了共点同时测量与控制。由控制器对瓦斯浓度、瓦斯压力及其变化趋势进行分析，通过控制电机阀实现对瓦斯管道的开闭控制。包括瓦斯浓度与瓦斯压力变化趋势分析和瓦斯管道控制。由控制器完成管道瓦斯浓度、流量、压力的测量，将测量数据与预设瓦斯浓度、压力阈值与变化趋势阈值比较，控制电机阀实现瓦斯管道的开闭，达到控制抽采管道的瓦斯浓度、提高抽采效率的目的。

Description

煤层瓦斯抽采管道控制装置与控制方法

技术领域

煤层瓦斯抽采管道控制装置与控制方法，属于煤层瓦斯抽采管理系统设备领域。

背景技术

煤层瓦斯抽采是目前降低矿井瓦斯涌出量，防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要安全预防性措施，而且抽出的瓦斯还可变害为利，作为优质清洁能源加以开发利用。瓦斯抽采一般是利用瓦斯泵或其他抽采设备，抽采煤层中高浓度的瓦斯，并通过与巷道隔离的管网，把抽出的高浓度的瓦斯进行合理利用或排放至地面或矿井总回风巷中。不同的抽放方法钻孔有不同的最佳和有效抽放时间，在这段时间内，抽采的瓦斯量大、浓度高，之后逐渐衰减到无抽采价值而停抽。

我国煤层地质复杂，煤层内的瓦斯含量分布不均匀，现有的煤矿瓦斯传感器测量多为低浓度的环境空气瓦斯浓度测量传感器，测量范围低，不适于管道瓦斯的高浓度测量。瓦斯抽采系统的浓度控制通常是监测主管道的瓦斯浓度，并根据浓度进行监测。地面的瓦斯抽采系统对主管道的瓦斯浓度进行测量，无法获取不同抽采分支管道各个瓦斯浓度，对煤层瓦斯抽采效果不能进行局部分析。地面以下的瓦斯抽采管道控制多为人工操作，分支管道没有安装瓦斯浓度传感器，无法根据瓦斯浓度进行及时有效的管道阀门的开闭，造成瓦斯抽采总浓度不稳定。传统的瓦斯抽采管道控制设备安装工作量大，布线复杂，移动抽采管路时需要重新布线，增加了人工工作量。在煤层瓦斯浓度逐渐下降时，抽采分支管道无法及时关闭，系统不能停止分支管道抽采系统的工作，造成瓦斯抽采浓度偏低，系统超时工作而导致主管道抽采瓦斯浓度偏低，系统整体效率偏低。

发明内容

本发明为了解决现有瓦斯抽采系统存在的技术缺陷，提供一种通过浓度传感器、压力传感器、流量传感器和控制器连接实现的无人值守的瓦斯抽采管道开闭自动控制装置。该控制装置安装于煤层瓦斯抽采各分支管道与瓦斯抽采系统主管道之间。该控制装置通过瓦斯浓度传感器、压力传感器实时监测管道瓦斯体积浓度和压力，经过数据分析处理，及时控制管道开闭，防止主管道混入低浓度瓦斯气体，有效提高了瓦斯抽采效率。

控制装置通过浓度传感器、压力传感器和流量传感器能够对符合浓度要求的气体进行流量计算和压力测量，通过无线通信模块进行数据传输，无线通信模块的数据可以通过有线传输将数据发送至地面进行分析与处理，实现煤层瓦斯信息的在线监测。

本发明是采用如下技术方案实现的：煤矿瓦斯抽采管道控制装置，包括瓦斯浓度传感器、数据处理模块、显示模块，体积式流量计，整形电路，控制器，无线通信模块，压力传感器，模数转换模块，电机阀。数据处理模块连接瓦斯浓度传感器与控制器，体积式流量计通过整形电路与控制器连接，压力传感器通过模数转换模块与控制器连接，电机阀直接与控制器连接，无线通信模块直接与控制器连接。本发明采用了浓度传感器，体积式流量计，压力传感器，无线通信模块与控制器组成一个整体控制装置，从而实现了管道瓦斯的浓度、流量、压力的同时监测，并通过控制器进行瓦斯浓度的测量、压力的测量和流量的计量，对瓦斯浓度和压力进行变化趋势分析，通过电机阀进行瓦斯管道的及时有效开闭控制，从而保证抽采管道瓦斯浓度符合抽采标准，提高抽采效率。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

本发明对瓦斯抽采管道实现了单点的瓦斯浓度、流量、压力的同时集中监测，通过大量程瓦斯浓度传感器测量管道瓦斯浓度，通过压力传感器对抽采压力进行监测，通过体积式流量计对抽采瓦斯量进行计算，由控制器根据瓦斯浓度、流量、压力进行数据分析，与管道瓦斯浓度、压力上下限和变化趋势阈值想比较，通过控制电机阀实现管道的及时有效开关控制，所有数据通过显示模块进行显示，从而实现瓦斯抽采管理系统的数字化无人监测与煤层瓦斯抽采的分支管道无人值守瓦斯浓度自动控制，有利于提高抽采管道和整个抽采系统的瓦斯浓度。

现场技术人员可以根据煤矿的实际情况对各阈值数据自行设定，适用范围更广。工作人员通过无线数据传输可向控制器发送控制信号，实现自动控制以及相应的管路参数与历史数据的查询，克服了传统传感器和管道控制装置安装和有线电缆布线费时费力、有线监测方式故障率高的缺点，提高了整个瓦斯抽采系统运行效率。

附图说明

图1为本发明的煤层瓦斯抽采管道控制装置结构示意图；图2为煤层瓦斯抽采管道控制装置控制方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，如图1所示：煤层瓦斯抽采管道控制装置，包括瓦斯浓度传感器1、数据处理模块2、显示模块3，体积式流量计4，整形电路5，控制器6，无线通信模块7，压力传感器8，模数转换模块9，电机阀10。

本发明的原理：

瓦斯浓度传感器1通过数据处理模块2与控制器6连接，完成浓度测量。体积式流量计4经过整形电路5与控制器6连接，完成瓦斯气体流量测量。压力传感器8经过模数转换器9与控制器6连接，完成压力测量。显示模块3直接与控制器6连接，用于显示瓦斯浓度、压力、流量数据。

控制器6完成抽采管道的瓦斯浓度，流量，压力的数据采集，通过显示模块3完成测量数据的显示。显示模块可以是LCD或者LED、触摸屏。

控制装置通过控制器6对瓦斯浓度、管道压力和抽采流量的测量数据进行实时采集与分析，同时对采集数据的变化趋势进行计算与分析，并根据分析结果控制电机阀10的开闭动作。

管道串联连接电机阀10，且电机阀与控制器6连接。

控制器6可以是单片微控制器（俗称单片机），也可以是DSP芯片或ARM或FPGA电路。电机阀10直接与控制器6连接，由控制器6控制电机阀10，实现管道中瓦斯气体运输的畅通与截止，防止低浓度瓦斯混入主管道。

与控制器6相连的无线通信模块7采用低功耗、高可靠、支持大量节点、支持多种网络拓扑的通信协议。

无线通信模块7与控制器6连接，由控制器6周期性向无线通信模块7发送数据，实现瓦斯抽采数据的在线监测与无线传输。

整个装置采用大容量电池供电。

煤层瓦斯抽采管道控制装置的控制方法，其特征在于共点同时测量管道瓦斯浓度、压力和流量，根据瓦斯浓度和压力变化趋势控制电机阀10。

如图2所示，本发明应用于煤层瓦斯抽管道控制装置的控制方法为：初始化主要是根据煤矿提出的要求进行设定瓦斯浓度上下限、变化趋势曲线数据与变化趋势阈值，然后控制器6完成抽采管道的瓦斯浓度、流量、压力的数据采集与存储，并分析瓦斯浓度与压力变化趋势。预设瓦斯浓度设定值与变化阈值根据煤矿提出的要求进行设定，如当前瓦斯浓度数值大于设定值上限，则通过显示模块3提示管道气体超限，进行无线数据通信以实现报警信号输出。如当前瓦斯浓度小于设定值下限，则根据浓度、压力变化趋势控制电机阀10。浓度、压力变化趋势大于预设变化阈值则关闭电机阀10，如果变化趋势小于或等于预设变化阈值则保持电机阀10打开，在规定时间段经过无线通信模块7通信后返回数据采集操作。如果瓦斯浓度处于正常水平，则在规定时间段经无线通信模块7通信。重复进行上述数据分析过程。

瓦斯浓度或压力趋势变化计算公式为：

d(a,b)=

其中，d为瓦斯测量数据趋势变化值，a为实际瓦斯测量数据，b为预设瓦斯浓度或压力变化趋势曲线数据。

煤层瓦斯抽采管道控制装置的软件设计主要包括：数据采集软件设计，显示软件设计，数据分析处理软件设计和控制软件设计。数据采集软件设计针对模数转换模块编程，显示软件针对采集数据进行数据转换和显示，数据分析处理软件则对采集的浓度和压力进行趋势分析、数据存储，并对采集数据和报警信息进行打包和定时发送。控制软件则对分析结果进行判断和输出电机阀动作命令，并定时发送采集数据和报警信息。

以上所述，仅是本发明的说明，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的实例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施内容作任何简单修改，等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.煤层瓦斯抽采管道控制装置，包括瓦斯浓度传感器（1）、数据处理模块（2）、显示模块（3），体积式流量计（4），整形电路（5），控制器（6），无线通信模块（7），压力传感器（8），模数转换模块（9），电机阀（10），其特征在于：抽采管道同时连接了浓度传感器（1），压力传感器（8），体积式流量计（4），电机阀（10）；控制器（6）同时采集浓度传感器（1），压力传感器（8），体积式流量计（4）数据，并连接电机阀（10）和无线通信模块（7），控制器（6）控制电机阀（10）实现抽采管道的开闭，控制器（6）通过无线通信模块（7）实现无线方式的数据通信。

2.按照权利要求1所述的瓦斯抽采管道控制装置，其特征在于：瓦斯抽采监测管道同时连接了用于测量分支管道瓦斯浓度的瓦斯浓度传感器（1），用于测量分支管道抽采瓦斯流量的体积式流量计（4），用于测量分支管道压力的压力传感器（8），用于控制分支管道的电机阀（10）。

3.按照权利要求1所述的瓦斯抽采管道控制装置，其特征在于：控制器同时连接浓度传感器（1），压力传感器（8），体积式流量计（4），电机阀（10）和用于与外界进行数据通信的无线通信模块（7）。

4.按照权利要求1所述的瓦斯抽采管道控制装置，其特征在于：与控制器（6）相连的无线通信模块（7）采用低功耗、高可靠、支持大量节点、支持多种网络拓扑的通信协议。

5.按照权利要求1所述的瓦斯抽采管道控制装置，其特征在于：管道串联连接了电机阀（10）作为管道控制执行机构。

6.煤层瓦斯抽采管道控制装置的控制方法，其特征在于共点同时测量管道瓦斯浓度、压力和流量，根据瓦斯浓度和压力变化趋势控制电机阀（6）；

由大范围瓦斯浓度传感器（1）对管道瓦斯浓度进行测量，由压力传感器（8）对管道负压进行测量，抽采瓦斯流量由体积式流量计（4）测量，控制器通过无线模块（7）周期性发送测量数据和报警信息；控制装置通过控制器（6）对瓦斯浓度、管道压力和抽采流量的测量数据进行实时采集与分析；采集数据通过显示模块（3）进行显示，同时对采集数据的变化趋势进行计算与分析；预设瓦斯浓度设定值与变化阈值根据煤矿提出的要求进行设定，如当前瓦斯浓度值大于设定值上限，则提示检测数据有误，进行数据处理与报警信号输出，如当前瓦斯浓度小于设定值下限，则根据浓度、压力变化趋势控制电机阀（10）；如果浓度、压力变化趋势大于预设变化阈值则关闭电机阀，如果变化趋势小于或等于预设变化阈值则保持电机阀打开的状态；瓦斯浓度或压力变化趋势计算公式为：

d(a,b)=

其中，d为瓦斯测量数据变化趋势值，a为实际瓦斯浓度或压力测量数据，b为预设瓦斯浓度或压力变化趋势曲线数据。