單成偉， 程劉勝， 呂小強(qiáng)， 吳巖明， 陳曉晶

(1. 中煤科工集團(tuán) 常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015； 2. 天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

煤礦使用的高效輔助運(yùn)輸設(shè)備主要有無(wú)軌膠輪車、單軌吊、卡軌車、齒軌車。單軌吊機(jī)車可以實(shí)現(xiàn)從車場(chǎng)至工作面直達(dá)運(yùn)輸，以其結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)靈活、轉(zhuǎn)彎半徑小、多工作面同時(shí)作業(yè)等特點(diǎn)[1]，成為井下高效輔助運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備。單軌吊裝置充分利用巷道的上部空間，用于執(zhí)行日常人員、物料的運(yùn)送，以及液壓支架的整體搬運(yùn)任務(wù)。

根據(jù)動(dòng)力不同，單軌吊機(jī)車具有多種形式，包括：蓄電池單軌吊、風(fēng)動(dòng)單軌吊、防爆柴油機(jī)單軌吊[2]。由于電池動(dòng)力有限和鉛酸電池在煤礦井下使用受限的原因，以蓄電池作為動(dòng)力的單軌吊機(jī)車會(huì)越來(lái)越少；風(fēng)動(dòng)單軌吊提供的動(dòng)力較小，其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、體積小，主要用于空間窄小運(yùn)輸要求低的場(chǎng)所；防爆柴油機(jī)單軌吊具有牽引力大、爬坡能力強(qiáng)、靈活、安全、高效等特點(diǎn)[3]，其應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

針對(duì)防爆柴油機(jī)單軌吊的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一套電氣監(jiān)測(cè)與控制裝置。該裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示柴油機(jī)自動(dòng)保護(hù)參數(shù)、系統(tǒng)壓力參數(shù)(制動(dòng)壓力、夾緊壓力、補(bǔ)油壓力、起動(dòng)壓力、工作壓力)、潤(rùn)滑油溫度、液壓油溫度、行車傾角等。

1 裝置工作原理

該防爆柴油機(jī)單軌吊電氣監(jiān)測(cè)與控制裝置的工作原理如圖1所示。裝置包括信號(hào)采集模塊、電源繼電器箱、手柄開關(guān)、顯示設(shè)備以及各種傳感元件，除傳感元件外，各組成模塊采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[3]。

圖1 裝置原理圖

1) 電源繼電器箱是整個(gè)裝置的決策和控制中心，接收來(lái)自信號(hào)采集模塊和手柄開關(guān)的數(shù)據(jù)，根據(jù)信號(hào)采集模塊和手柄開關(guān)信號(hào)指示負(fù)責(zé)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的電磁閥控制?？刂菩盘?hào)發(fā)出后，液壓電磁閥執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，相應(yīng)的液壓回路的壓力會(huì)發(fā)生變化，信號(hào)采集模塊接入的壓力傳感器采集管路壓力，將數(shù)據(jù)回傳給電源繼電器箱，電源繼電器箱將接收到的壓力數(shù)據(jù)和發(fā)出的控制命令進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)設(shè)定數(shù)據(jù)或邏輯判斷給出正?；蛘邎?bào)警信息，以獨(dú)立ID編碼發(fā)送至顯示設(shè)備，由顯示設(shè)備負(fù)責(zé)正常顯示或者報(bào)警提示，實(shí)現(xiàn)液壓回路的閉環(huán)控制[4]。同時(shí)，電源繼電器箱還負(fù)責(zé)給顯示設(shè)備、手柄開關(guān)、信號(hào)采集模塊以及視頻監(jiān)控設(shè)備提供本安電源。

2) 信號(hào)采集模塊負(fù)責(zé)防爆柴油機(jī)自動(dòng)保護(hù)參數(shù)和系統(tǒng)壓力相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)和采集，同時(shí)將監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)以獨(dú)立ID編碼通過(guò)CAN總線發(fā)送至電源繼電器箱。當(dāng)自動(dòng)保護(hù)參數(shù)超限時(shí)，信號(hào)采集模塊發(fā)出熄火控制命令給電源繼電器箱，由電源繼電器箱控制外部執(zhí)行設(shè)備實(shí)現(xiàn)停機(jī)熄火。

3) 顯示設(shè)備和紅外攝像頭負(fù)責(zé)視頻監(jiān)控以及單軌吊工況參數(shù)的顯示，兩個(gè)視頻顯示設(shè)備安裝在駕駛室的里面，紅外攝像頭負(fù)責(zé)監(jiān)視某些視線受阻或危險(xiǎn)的區(qū)域。

4) 駕駛員操作手柄開關(guān)用來(lái)控制單軌吊機(jī)車，實(shí)現(xiàn)急停、鳴笛、照明(鑰匙插入)、甩驅(qū)、制動(dòng)、前進(jìn)、后退等動(dòng)作。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車通用技術(shù)條件》以及 MT/T 883—2000《 礦用柴油機(jī)單軌吊機(jī)車》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，需對(duì)裝置中防爆柴油機(jī)自動(dòng)保護(hù)參數(shù)、機(jī)車系統(tǒng)壓力參數(shù)(制動(dòng)壓力、夾緊壓力、補(bǔ)油壓力、起動(dòng)壓力、工作壓力)、潤(rùn)滑油溫度、液壓油溫度、行車傾角角度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4-5]。

2.1 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊采集3路鉑電阻溫度信號(hào)、1路開關(guān)量油壓、1路開關(guān)量水位信號(hào)、1路甲烷變送器SMbus信號(hào)，并將當(dāng)前數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)[6]。當(dāng)監(jiān)測(cè)量超標(biāo)(如發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高)或者故障(如甲烷變送器斷線)時(shí)，信號(hào)采集模塊根據(jù)采集信號(hào)進(jìn)行判斷，進(jìn)行聲光報(bào)警。

信號(hào)采集模塊具備非安無(wú)源接點(diǎn)開關(guān)和電磁閥控制功能，當(dāng)信號(hào)采集模塊根據(jù)邏輯判斷需要停車熄火時(shí)，給出本安控制信號(hào)并隔離輸出，控制非安無(wú)源接點(diǎn)開閉和電磁閥氣路換向，可以實(shí)現(xiàn)停車熄火。

2.2 手柄操作臺(tái)

礦用本安型操作臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)防爆柴油機(jī)單軌吊機(jī)車整車電氣設(shè)備的控制功能。控制箱能實(shí)現(xiàn)1路本安電源輸入、8路本安開關(guān)量信號(hào)輸入、1路本安模擬信號(hào)輸入、4路本安開關(guān)量輸出、1路本安CAN通信、10路本安端子接線。

2.3 電源繼電器箱

電源繼電器實(shí)現(xiàn)12路非安有源開關(guān)量輸出、2路非安方波脈沖寬度調(diào)制信號(hào)輸出、4路本安電源輸出、2路本安開關(guān)量輸出、2路本安隔離CAN通信。其中，12路非安有源開關(guān)量輸出主要控制對(duì)象為：2路停機(jī)電磁閥、2路制動(dòng)電磁閥、1路起吊電磁閥、2路甩驅(qū)電磁閥、2路隔爆照明燈、2路澆封喇叭、1路預(yù)留。2路非安方波脈沖寬度調(diào)制信號(hào)輸出主要控制前進(jìn)和后退比例電磁閥。4路本質(zhì)安全型電源輸出主要給手柄操作臺(tái)、本質(zhì)安全型參數(shù)顯示器、本質(zhì)安全型視頻顯示器、本質(zhì)安全型攝像頭、信號(hào)采集設(shè)備等供電。2路本質(zhì)安全型開關(guān)量輸入為手柄操作臺(tái)的急停開關(guān)輸入，用于急停單軌吊機(jī)車。2路本質(zhì)安全型隔離CAN通信用于信號(hào)采集設(shè)備、本質(zhì)安全型參數(shù)顯示器與控制箱之間的通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

裝置內(nèi)部通信信號(hào)流如圖2所示。信號(hào)采集模塊采集外圍傳感器信號(hào)，并將其端口采集的傳感器信號(hào)以獨(dú)立地址編碼協(xié)同數(shù)據(jù)的形式發(fā)送至CAN1總線，信號(hào)采集模塊的配置信息由參數(shù)顯示屏下發(fā)。電源繼電器箱接收來(lái)自信號(hào)采集模塊和手柄操作臺(tái)數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)控制發(fā)出指令和反饋信息給出執(zhí)行結(jié)果，當(dāng)控制發(fā)出指令和反饋數(shù)據(jù)不一致時(shí)，應(yīng)給出報(bào)警信號(hào)至CAN2總線。手柄操作臺(tái)根據(jù)相應(yīng)控制動(dòng)作發(fā)出控制信號(hào)至CAN2總線。參數(shù)顯示屏接收CAN1和CAN2總線數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警提示等。

圖2 裝置內(nèi)部通信信號(hào)流

4 單軌吊急停方案設(shè)計(jì)

單軌吊的急停涉及運(yùn)行的安全，設(shè)計(jì)中采用冗余方案，原理如圖3所示。

1) 通信急停方式。通過(guò)手柄操作箱采集“急?！遍_關(guān)信號(hào)，通過(guò)CAN總線發(fā)送至電源繼電器箱，由電源繼電器箱負(fù)責(zé)2個(gè)停機(jī)閥熄火停機(jī)。

圖3 急停初步方案原理

2) 硬件急停方式。將“急?！遍_關(guān)信號(hào)直接引入電源繼電器箱,控制2個(gè)停機(jī)閥熄火停機(jī)。

5 電池容量計(jì)算

單軌吊啟動(dòng)前需要監(jiān)測(cè)各個(gè)傳感器狀態(tài)以及當(dāng)前環(huán)境瓦斯?jié)舛?，待各?xiàng)參數(shù)正常且符合啟動(dòng)柴油機(jī)條件后才允許啟動(dòng)設(shè)備，因此設(shè)計(jì)中礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源繼電器箱需配置后備電池。電池容量推算如下：

1) 信號(hào)采集模塊：500 mA/12 V；

2) 手柄操作箱：300 mA/12 V×2 = 600 mA/12 V；

3) 7寸參數(shù)顯示器：550 mA/12 V×2 = 1 100 mA/12 V；

4) 電源繼電器箱：500 mA/24 V。

以上折算成DC24 V時(shí)工作電流，電源效率按照70%估算，在DC24 V時(shí)電流約為2 A。若按照后備電源在主電源斷電情況下能夠工作2 h計(jì)算，后備電源選用不小于C24 V/4 Ah。

6 結(jié)論

對(duì)裝置各個(gè)設(shè)備通信方式及線束工藝進(jìn)行規(guī)劃，監(jiān)測(cè)設(shè)備、顯示設(shè)備、控制手柄及開關(guān)、控制開關(guān)設(shè)備之間的通信采用CAN總線[5]，關(guān)鍵執(zhí)行操作如“急?！毙鑶为?dú)線纜控制，選型多芯電纜連接駕駛室和機(jī)車?yán)^電器箱，避免出現(xiàn)多根線纜捆扎在一起。結(jié)構(gòu)上，電源繼電器箱采用吊裝，并在安裝位置增加振動(dòng)緩沖墊設(shè)計(jì)，減緩了機(jī)車在行走過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)電源繼電器箱的影響。

該裝置目前完成了工業(yè)性試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，后期需對(duì)軟件，尤其是在故障模式下的優(yōu)先處理、控制流程進(jìn)行優(yōu)化。