趙鵬飛，金 鑫，王東飛，韓 鵬，高金榮

（神華哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

礦用卡車消防控制系統(tǒng)改造研究與設(shè)計(jì)

趙鵬飛，金 鑫，王東飛，韓 鵬，高金榮

（神華哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

MT4400與MT5500卡車作為哈爾烏素露天煤礦重要的運(yùn)輸設(shè)備，在運(yùn)行中頻繁出現(xiàn)滅火器自動(dòng)釋放現(xiàn)象，針對(duì)此現(xiàn)象提出了相應(yīng)的改造方案，一定程度上降低了該故障發(fā)生的頻率，保障設(shè)備安全運(yùn)行。

PLC；源型；漏型；信號(hào)干擾

0 引 言

在哈爾烏素露天煤礦礦區(qū)，MT4400與MT5500卡車已運(yùn)行l(wèi)0余年，在多年的運(yùn)行作業(yè)中由于其自動(dòng)滅火存在著缺陷，無(wú)火情情況下滅火器頻繁自動(dòng)釋放的現(xiàn)象持續(xù)存在，造成成本的浪費(fèi)，對(duì)設(shè)備其它元部件構(gòu)成安全隱患。通過(guò)對(duì)該故障現(xiàn)象進(jìn)行研究和探索，制定了一套切實(shí)可行的解決方案，有效避免了類似的故障重復(fù)發(fā)生。

1 消防控制系統(tǒng)原理

MT4400與MT5500卡車使用的消防控制系統(tǒng)電路（圖1）是由控制盒、檢測(cè)線纜、電池、爆管、小氮?dú)馄?、大氮?dú)馄亢透煞蹨缁鹌鞯冉M成[1]?？刂坪惺钦麄€(gè)消防控制系統(tǒng)的控制部分，控制盒接線端子1和2是外部輸入電源接線端，與卡車電瓶正負(fù)極連接。3和4號(hào)接線端子連接檢測(cè)線纜，在檢測(cè)線纜的末端接1個(gè)4.7 kΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻，控制盒通過(guò)這2個(gè)端子監(jiān)測(cè)檢測(cè)線纜的阻值變化判斷是否有火情發(fā)生。5和6號(hào)接線端子之間直接連接一個(gè)4.7 KΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻，它的主要作用是為控制盒提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)阻值，用來(lái)與3和4號(hào)的阻值進(jìn)行對(duì)比。7和8號(hào)接線端子直接與爆管連接，控制盒可以通過(guò)激發(fā)爆管引導(dǎo)干粉滅火器噴射。14和15號(hào)接線端子連接的是一個(gè)關(guān)閉開(kāi)關(guān)。檢測(cè)線纜是消防控制系統(tǒng)中的火情探測(cè)部分，是由一根兩芯電纜與在末端兩線芯之間連接的一個(gè)4.7 kΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻構(gòu)成。檢測(cè)線纜主要布置在卡車駕駛室平臺(tái)與發(fā)動(dòng)機(jī)出入口周圍的夾板層周圍以及發(fā)動(dòng)機(jī)后側(cè)排煙管附件，用緊固螺母與線夾固定。電池的作用是在外部電源關(guān)閉（卡車電瓶關(guān)閉）的情況下對(duì)消防控制系統(tǒng)繼續(xù)提供電源，使系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。爆管是消防控制系統(tǒng)的控制輸出部分(間接觸發(fā)滅火器噴發(fā))，只有當(dāng)控制盒判斷已經(jīng)發(fā)生火情需要進(jìn)行滅火時(shí)才會(huì)激發(fā)爆管，爆管激發(fā)后，爆炸頭擊破小氮?dú)馄糠饪?，使小氮?dú)馄繃姲l(fā)從而間接觸發(fā)干粉滅火器噴發(fā)。小氮?dú)馄康淖饔檬侵苯佑|發(fā)干粉滅火器噴發(fā)，但小氮?dú)馄康膰姲l(fā)即可以通過(guò)控制爆管激發(fā)進(jìn)行也可以人工推按壓扭操作。

當(dāng)卡車發(fā)動(dòng)機(jī)或排煙管等部位有起火事故發(fā)生后，布置在周圍及發(fā)動(dòng)機(jī)上方的檢測(cè)線纜被燃燒的火焰高溫炙烤或引燃，檢測(cè)線纜絕緣被燒壞，線纜的兩芯線因?yàn)榻^緣損壞而短路連接，檢測(cè)線纜回路阻值由于短路大大小于控制盒接線端子5和6號(hào)之間接的4.7 kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻。這種情況下，控制盒將導(dǎo)通釋放電路使爆管激發(fā)，從而觸發(fā)駕駛室的小氮?dú)馄繃姲l(fā)，小氮?dú)馄吭儆|發(fā)在車架上緊固的大氮?dú)馄?，大氮?dú)馄恐械膲嚎s氮?dú)忭樄苈愤M(jìn)入干粉滅火器，大量的壓縮氮?dú)鈱⑵恐懈煞蹧_出并沿噴射管路從噴口噴向指定部位進(jìn)行滅火。

圖1 消防控制系統(tǒng)電路（改造前）

2 改造原因分析

現(xiàn)在使用的消防控制系統(tǒng)在運(yùn)行中頻繁出現(xiàn)滅火器自動(dòng)釋放的缺陷，造成不小的成本支出，下面將從造成這種情況發(fā)生的原因方面進(jìn)行闡述。

1）電路和環(huán)境干擾。消防控制系統(tǒng)是通過(guò)將連接在控制盒接線端子3和4號(hào)的檢測(cè)線纜回路的阻抗值與接線端子上5和6號(hào)連接的4.7 kΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)阻值對(duì)比情況來(lái)判斷是否有起火事故發(fā)生。這一過(guò)程是一個(gè)模擬量對(duì)比的過(guò)程，通過(guò)應(yīng)用局部歐姆定律R=U/I[8]，我們可以知道檢測(cè)線纜回路的電流Imax≈24/4 700=0.005 1 A，是一個(gè)很小的微電流信號(hào)，微小電流信號(hào)極易受到信號(hào)干擾，所以一般用于模擬量信號(hào)傳輸?shù)木€路都有屏蔽保護(hù)設(shè)計(jì)，而檢測(cè)線纜是一根兩芯電纜，無(wú)屏蔽層和屏蔽接地，不能很好消除干擾信號(hào)，但線纜敷由于空間限制使的通過(guò)駕駛室的部分檢測(cè)線纜與控制電路的線束在同一線管內(nèi)穿過(guò)，控制電路的導(dǎo)線是普通的絕緣導(dǎo)線并無(wú)屏蔽保護(hù)，對(duì)同樣沒(méi)有屏蔽保護(hù)的檢測(cè)線纜線芯回路的微電流信號(hào)很容易造成干擾[7]，從而引起消防控制系統(tǒng)錯(cuò)誤的釋放滅火器。

由于探測(cè)火情的需要，檢測(cè)線纜必須布置在卡車的易起火部位才能有效的確保設(shè)備安全運(yùn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)作為卡車最重要的組成部分燃油管路和控制電路密集且屬于高溫運(yùn)行是卡車的重點(diǎn)起火部位，所以檢測(cè)線纜主要被布置在發(fā)動(dòng)機(jī)的周圍?？ㄜ囎鳂I(yè)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，它周圍處于持續(xù)的高溫狀態(tài)。溫度的變化會(huì)對(duì)導(dǎo)體的阻抗造成影響，一般來(lái)說(shuō)導(dǎo)體的阻抗隨溫度上升而減弱，從而導(dǎo)致該導(dǎo)體所在回路電流增加，溫度下降又使電流減少，造成信號(hào)變化不規(guī)律,使其波動(dòng)所以消防控制系統(tǒng)同樣很容易因?yàn)楦邷丨h(huán)境干擾引發(fā)滅火器自動(dòng)釋放。

2）檢測(cè)線纜磨損。檢測(cè)線纜是消防控制系統(tǒng)探測(cè)火情的部分，主要布置在發(fā)動(dòng)機(jī)周圍[2]。而電動(dòng)輪卡車的發(fā)動(dòng)機(jī)是卡車主發(fā)電機(jī)和液壓裝置的主要?jiǎng)恿?lái)源，是卡車的核心部件，周圍遍布控制線路線纜和各種油路管路，因此定期保養(yǎng)和日常維護(hù)作業(yè)都比較頻繁，檢測(cè)線纜誤碰誤傷和磨損情況較多，線纜絕緣長(zhǎng)期重復(fù)性磨損直至破損，導(dǎo)致檢測(cè)線纜線芯接地，引起消防控制系統(tǒng)錯(cuò)誤的判斷，造成滅火器自動(dòng)釋放這種情況。

3 解決方案

原消防控制系統(tǒng)檢測(cè)線纜存在的缺陷主要為電路電流和高溫環(huán)境對(duì)線纜信號(hào)的干擾問(wèn)題，其次為檢測(cè)線纜磨損和消防控制模塊抗干擾性能不強(qiáng)。為了解決這些問(wèn)題，本次改造選用PLC（可編程控制器）作為改造消防控制系統(tǒng)的控制器，選用型號(hào)為西門(mén)子S7-200小型機(jī)，具有運(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)，通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，配合輔助電路可以很好的解決干擾問(wèn)題。

1）電路改造。S7-200是西門(mén)子公司的一款小型PLC，專用于小型控制系統(tǒng)，費(fèi)用低，抗干擾性能好，用來(lái)作為改造消防控制系統(tǒng)的控制器非常合適。但只使用PLC作為控制器并不能從根本上消除缺陷，為了更好的解決信號(hào)干擾和磨損問(wèn)題還需要加以設(shè)計(jì)輔助電路來(lái)配合完成。由于信號(hào)干擾和線纜磨損問(wèn)題的主要所在就是檢測(cè)線纜，所以本次改造的電路設(shè)計(jì)主要是圍繞檢測(cè)線纜的探測(cè)原理和信號(hào)傳輸方式展開(kāi)，并配合設(shè)計(jì)報(bào)警電路[5]進(jìn)行預(yù)警。設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

本次改造將爆管與供電電池的連接設(shè)計(jì)為串聯(lián)，常態(tài)為斷路模式，這樣可以節(jié)約電池的損耗，減少電池更換次數(shù)。對(duì)于檢測(cè)線纜：①在信號(hào)傳輸?shù)姆绞缴?，去掉線纜末端串聯(lián)的4.7 kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻，使檢測(cè)線纜由原來(lái)的電路回路變?yōu)閱为?dú)的兩芯線纜，將其分別連接在PLC對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸入端，改變?yōu)閿?shù)字量信號(hào)傳輸方式；②在檢測(cè)線纜與PLC輸入端子連接方式上，兩線芯要分開(kāi)并且要采用不同的連接方式，其中一根線芯使用源型接線方式（輸入信號(hào)為有源信號(hào)）連接，另一個(gè)線芯則使用漏型接線方式（輸入端子提供信號(hào)源）連接[3]。這樣做可以保證檢測(cè)線纜的火情探測(cè)性能不低于改造前，同時(shí)對(duì)于解決信號(hào)干擾和磨損問(wèn)題提供了便利。

圖2 改造設(shè)計(jì)電路原理

檢測(cè)線纜的兩線芯分別連接在PLC的I0.3與I0.4端子上，兩根線芯分別采用源型和漏型接法連接在PLC輸入端的，所以，端子I0.4的信號(hào)輸入方式是源型，即有正向電流進(jìn)入產(chǎn)生輸入信號(hào)，另一個(gè)端子I0.3的信號(hào)輸入方式是漏型，即有正向電流流出產(chǎn)生輸入信號(hào)。正常情況下，由于檢測(cè)線纜兩線芯單獨(dú)連接在 PLC與檢測(cè)線纜的連接端子I0.3或I0.4上，兩線芯與PLC輸入端的回路都處于斷開(kāi)狀態(tài)，兩線芯均無(wú)電流產(chǎn)生，所以不論是來(lái)自控制系統(tǒng)的外接電源、電路還是其他的電磁電流等干擾信號(hào)都不能對(duì)改造后的消防控制系統(tǒng)造成實(shí)質(zhì)影響。當(dāng)發(fā)生起火事故時(shí)，受火部位的檢測(cè)線纜燃燒，絕緣損壞或破損，兩線芯直接接觸，端子I0.3輸出的正向電流經(jīng)兩線芯相觸處進(jìn)入端子i0.4，端子I0.3和I0.4與PLC輸入端的回路均導(dǎo)通，所以端子i0.3與i0.4都形成有效輸入信號(hào)送入PLC內(nèi)部，PLC會(huì)按照植入的編寫(xiě)程序，這種情況下，延時(shí)指示燈將持續(xù)閃爍10 s，時(shí)間到以后將激發(fā)爆管電路，釋放滅火器進(jìn)行滅火，保障設(shè)備的安全運(yùn)行。火情探測(cè)原理如圖3。

圖3 火情探測(cè)原理

對(duì)于磨損問(wèn)題，通過(guò)上文所述的改造原理，可以知道要使滅火器釋放必須要滿足PLC的端子I0.3與I0.4都有輸入信號(hào)并且要持續(xù)10 s。如圖2，不管兩根線芯中其中一根線芯接地還是兩根線芯都接地，最多只可以滿足PLC端子I0.3和I0.4中的一個(gè)有輸入信號(hào)，不能同時(shí)滿足端子I0.3與I0.4都有輸入信號(hào)的要求。從而避免了檢測(cè)線纜線芯因磨損接地而觸發(fā)滅火器自動(dòng)釋放。為了方便了解對(duì)檢測(cè)線纜的情況，對(duì)檢測(cè)線纜接地進(jìn)行了報(bào)警提示[6]，當(dāng)檢測(cè)線纜接在PLC端子I0.3的這一線芯接地時(shí)，端子i0.3將導(dǎo)通，PLC的I0.3端子輸入有效信號(hào)，按設(shè)計(jì)程序，接地報(bào)警指示燈將持續(xù)亮2S，之后將持續(xù)閃爍，直至接地信號(hào)消失或進(jìn)行復(fù)位。漏型接法線芯接地原理如圖4。

為了保證消防控制系統(tǒng)的正常，不能僅僅依靠電路保護(hù)設(shè)計(jì)的提示，在日常保養(yǎng)和檢修的時(shí)候也應(yīng)定期檢查，并對(duì)結(jié)果做好記錄工作，對(duì)于存在問(wèn)題的配件及線纜及時(shí)更換。

2）邏輯程序。本次改造選用的PLC是西門(mén)子S7-200，PLC的工作需要硬件電路和用戶程序共同作用來(lái)完成。

圖4 漏型接法線芯接地原理

4 實(shí)驗(yàn)效果分析

材料準(zhǔn)備好后，經(jīng)過(guò)深入分析和探討，在MT5500卡車上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。改造后的消防控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，并沒(méi)有因?yàn)楦脑斐霈F(xiàn)新的故障情況，也沒(méi)有再出現(xiàn)滅火器自動(dòng)釋放的情況。通過(guò)此次改造消防控制系統(tǒng)的滅火器自動(dòng)釋放這種情況得到了很好的控制。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

此次改造的經(jīng)濟(jì)效益主要有2方面：①杜絕了卡車消防控制系統(tǒng)誤觸發(fā)的缺陷，提高了卡車的出動(dòng)率，節(jié)省了大量的人力物力和配件的的浪費(fèi)；②降低了消防控制系統(tǒng)的單套成本，從71 893元降低為47 704元，節(jié)約大量成本費(fèi)用。

從設(shè)備維修方面來(lái)說(shuō)，降低了故障率就降低了維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度及維修時(shí)間。降低了設(shè)備的維修時(shí)間，也就提高了設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間和設(shè)備的使用性能，降低了維修成本，提高了設(shè)備的出動(dòng)率。

6 結(jié) 論

通過(guò)此次改造，使卡車的消防控制系統(tǒng)的滅火器自動(dòng)釋放現(xiàn)象得到了很好的控制，為設(shè)備的安全運(yùn)行提供了有力的保障，極大地降低了卡車消防控制系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用，減少設(shè)備的故障時(shí)間，提高設(shè)備的使用效率，為礦山生產(chǎn)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］MT5500電傳動(dòng)卡車電氣手冊(cè)［M］.特萊克斯公司，2006．

［2］MT5500電傳動(dòng)卡車維修保養(yǎng)手冊(cè)［M］.特萊克斯公司，2006．

［3］劉品瀟．電氣控制與PLC［M］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2013．

［4］李長(zhǎng)軍，劉福祥，王明禮．西門(mén)子S7-200PLC應(yīng)用實(shí)例解說(shuō)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011．

［5］（英）威廉斯．電路設(shè)計(jì)技術(shù)與技巧［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006．

［6］劉丙江．實(shí)用接地技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2012．

［7］陳梓城，鄧海，邵長(zhǎng)軍．實(shí)用電子電路抗干擾設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2014．

［8］姜橋．電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：人民郵電出版社，2009．

【責(zé)任編輯：陳 毓】

Transformation research and design of fire control system for mining truck

ZHAO Pengfei,JIN Xin,WANG Dongfei,HAN Peng,GAO Jinrong
(Ha'erwusu Open-pit Coal Mine,Shenhua Group Zhunge'er Energy Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

As the important transport equipment in Ha'erwusu Open-pit Mine,MT5500 truck frequently emerges the automatic release phenomenon of fire extinguishing system in operation.Based on it,this article puts forward the reforming plan to reduce the failure frequency to some extent and ensure safe operation of equipments.

PLC;source type;leakage type;signal interference

TD561

B

1671－9816（2017）03－0060－04

2016-11-10

趙鵬飛（1988—），男，助理工程師，2010年畢業(yè)于內(nèi)蒙古烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)為神華哈爾烏素露天礦維修中心汽修車間重卡電工。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.017

趙鵬飛，金鑫，王東飛，等.礦用卡車消防控制系統(tǒng)改造研究與設(shè)計(jì)［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（3）：60-63.