李國軍

（國家能源集團神東生產(chǎn)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 概述

1.1 研究背景

神東煤炭集團位于神府東勝煤田，煤田地跨蒙、陜、晉三省區(qū)，神東自1985 年開發(fā)建設(shè)，依托先進的進口設(shè)備，整體產(chǎn)能超過2 億噸，主要礦井采用無軌膠輪化運輸，依托進口澳大利亞BOART LANGYER 公司生產(chǎn)的LWC40T 實現(xiàn)了綜采工作面液壓支架的快速安裝回撤，為礦井生產(chǎn)接續(xù)提供優(yōu)質(zhì)的保障。

LWC40T 為澳大利亞BOART LANGYER 公司生產(chǎn)，設(shè)計載重量為40T。其同類產(chǎn)品還有350P、50T、55T 等，LWC40T 采用CAT3126TA 發(fā)動機為動力，靜液壓的驅(qū)動方式，前后部份采用鉸接式，通過液壓油缸實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，外形尺寸：9546×2287(3484)×1596，離地間隙：264，自重：22.5T，車速：6Km/ h(一檔)、8Km/ h(二檔)、12Km/ h(三檔)、24Km/ h(一檔)。

由于礦井輔助運輸巷道寬度受限，井下運行噪音過大，LWC40T 液壓支架車裝載液壓支架時車身尾部寬度超限，造成駕駛員出現(xiàn)視線盲區(qū)，倒車時無法確認后方人員是否處于安全位置，因此給礦井輔助運輸管理帶來巨大的安全隱患。

1.2 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線

隨著傳感器技術(shù)、單片機、煤礦特種設(shè)備的飛速發(fā)展，以單片機/PLC 為核心的傳感器的應(yīng)用技術(shù)已越來越普遍，技術(shù)也越來越成熟。針對LWC40T 框架式支架搬運車周圍人員的主動保護系統(tǒng)設(shè)計要求，研究LWC40T框架式支架搬運車的液壓、氣動控制、電氣系統(tǒng)，根據(jù)LWC40T 框架式支架搬運車控制系統(tǒng)，分析LWC40T 框架式支架搬運車液壓、氣動、電氣系統(tǒng)保護系統(tǒng)，使設(shè)計的針對車輛附近視線盲區(qū)內(nèi)的人員保護系統(tǒng)能夠與原系統(tǒng)充分結(jié)合。在對控制系統(tǒng)進行深入細致分析的基礎(chǔ)上制定完善嚴(yán)謹且具有良好可行性的控制系統(tǒng)設(shè)計方案，根據(jù)設(shè)計方案將設(shè)計后的控制系統(tǒng)進行現(xiàn)場安裝和調(diào)試，使系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，最終立足于模擬井下現(xiàn)場場景，開展現(xiàn)場工業(yè)性實驗驗證控制效果。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

LWC40T 框架式支架搬運車系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成。

由于礦井輔助運輸巷道寬度受限，井下運行噪音過大，LWC40T 液壓支架車裝載液壓支架時車身尾部寬度超限，造成駕駛員無法觀測車輛后方全部區(qū)域，倒車時無法確認后方人員是否處于安全位置，因此給輔助運輸管理帶來巨大的安全隱患。

設(shè)計的基于LWC40T 框架式支架搬運車人員保護系統(tǒng)主要由人體傳感器、控制程序及PCB 電路設(shè)計，系統(tǒng)測試等構(gòu)成。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

保護系統(tǒng)硬件主要包括傳感器的選型設(shè)計、單片機控制器的選擇、PCB 電路設(shè)計。

3.1 傳感器

熱釋電紅外探測人體傳感器工作原理

人體接近傳感器基于熱釋電紅外感應(yīng)技術(shù)，不但檢測靈敏度度高，探測范圍寬，而且工作非?？煽浚话銢]有誤報，能在-15～+60 度的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，是目前用于安全防范和自動監(jiān)控的最佳產(chǎn)品。

熱釋電紅外探測人體傳感器選型：

設(shè)計選用DYP-ME003熱釋電紅外人體感模塊傳感器。該傳感器靈敏度高，可靠性強，具有超低電壓工作模式。

DYP-ME003 該傳感器的工作原理如圖1 所示，由熱釋電敏感材料吸收外界的輻射，隨后輻射進行熱轉(zhuǎn)換促使溫度發(fā)生變化，從而釋放電流，再由電流進行電轉(zhuǎn)換，其最終轉(zhuǎn)換為信號電壓。

圖1 熱釋電傳感器工作原理

熱釋電紅外傳感器的工作原理是從光變?yōu)闊岬倪^程，反應(yīng)到敏感元溫度的變化，最后轉(zhuǎn)換為電信號的過程。

3.2 單片機的選型及控制電路設(shè)計

框架式支架車駕駛員視線盲區(qū)人員保護系統(tǒng)設(shè)計單片機選型為PIC16F505。該型號單片機器件具有性能高成本低的優(yōu)點。主要體現(xiàn)在該型號的單片機采用了獨特的架構(gòu)，其架構(gòu)稱之為RISC 架構(gòu)。RISO 架構(gòu)在數(shù)據(jù)壓縮方面有著強大之處，與傳統(tǒng)的單片機相比，該型號的單片機是傳統(tǒng)單片機壓縮速度的4 倍。由于PIC16F505器件具有的以上特點和突出優(yōu)勢，因此將該部件適用于駕駛員視線盲區(qū)人員保護系統(tǒng)的核心器件。

當(dāng)人發(fā)生意外或者處于危險位置時，紅外傳感器感應(yīng)到工作人員的存在，傳感器發(fā)出接收到感應(yīng)的信號，信號由控制模塊接收并由程序處理，發(fā)出動作指令，使電路板內(nèi)固態(tài)繼電器進行動作，固態(tài)繼電器通過線路連接機械繼電器，機械繼電器的三個常開觸點分別連接煤礦定位報警模塊，車輛電磁閥動作模塊、聲光高報警器模塊，從而實現(xiàn)車輛主動停車，定位報警系統(tǒng)主動報警，車輛主動發(fā)出聲光報警信號，對附近人員進行警告，促使其離開危險區(qū)域。電磁閥動作使機油回油壓力降低，導(dǎo)致保護系統(tǒng)機油壓力降低，觸發(fā)發(fā)動機系統(tǒng)保護，從而導(dǎo)致發(fā)動機保護性熄火，從而避免車輛進一步運動導(dǎo)致對車輛附近人員的進一步傷害。

J1 為電源輸入端，U1 為降壓模塊，C1、C2、C3、C4 為電容，R1、R2 是降流電阻,D1、D2 是LED 信號顯示燈，U3是紅外傳感器，J2 為繼電器控制觸點，J3 為聲光報警器觸點，D3、D4 為續(xù)流二極管。

4 控制過程

U3 紅外傳感器感應(yīng)人員，OUT 端發(fā)出感應(yīng)信號，感應(yīng)信號進入單片機U4，程序?qū)π盘栠M行處理，由GPIO1、GPIO2 發(fā)出控制信號，從而對J2 繼電器進行控制，J3 控制報警器發(fā)出報警求助信號。（J2 繼電器實現(xiàn)對閉鎖開關(guān)和定位報警模塊的控制，原閉鎖按鈕功能更改閉鎖裝置的復(fù)位開關(guān)）。

機械繼電器采用歐姆龍MY4N-J 12V 繼電器，四組常開常閉轉(zhuǎn)換帶電源指燈，安裝方式采取螺栓固定或者導(dǎo)軌方式，在圖2 中4 組常開觸點，選擇三組觸點分別連接電磁閥、井下定位呼救模塊，聲光報警模塊，以便以上三個系統(tǒng)能夠同時對附近的危險區(qū)域內(nèi)的人員作出反應(yīng)。

圖2 電路設(shè)計圖

LWC40T 框式支架搬運車針對水、氣、液壓油等設(shè)計了多種保護方式，當(dāng)框架式支架搬運車局部溫度過高時，溫度傳感器控制閥開啟，導(dǎo)致機油泵所供給的機油發(fā)生回油現(xiàn)象，機油壓力降低，無法滿足車輛運行保護系統(tǒng)要求，機油低油位先導(dǎo)閥開啟，導(dǎo)致控制柴油關(guān)斷缸的氣壓管路降低，柴油關(guān)斷缸自動關(guān)閉，從而切斷發(fā)動機柴油供給，發(fā)動機自動熄火，從而起到保護發(fā)動機及車輛的作用。

為使LWC40T 氣壓系統(tǒng)與原車其他保護系統(tǒng)相融合，在其原系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加新的電磁閥。安裝電磁閥后的支架搬運車氣壓原理圖如圖3 所示。

圖3 LWC40T 框架式支架搬運車控制系統(tǒng)改進圖

信號探測模塊采用DYP-ME003 人體感應(yīng)模塊紅外傳感器，在人出現(xiàn)在感應(yīng)范圍內(nèi)時，信號探測模塊能夠?qū)@取到的感應(yīng)信號迅速精準(zhǔn)地調(diào)制為數(shù)字信號，再將其傳輸至單片機處理模塊，分析數(shù)據(jù)并發(fā)出處理動作信號，接收模塊接收單片機發(fā)出信號，電磁閥動作使機油回油壓力降低，導(dǎo)致保護系統(tǒng)機油壓力降低，觸發(fā)發(fā)動機系統(tǒng)保護，從而導(dǎo)致發(fā)動機保護性熄火，從而避免車輛進一步運動導(dǎo)致對車輛附近人員的進一步傷害。

5 工程測驗及應(yīng)用

本文設(shè)計了基于澳大利亞LWC40T 框架式支架搬運車的人員保護系統(tǒng)，用于對特種車輛附近的人員提供主動性保護。

5.1 系統(tǒng)安裝及測試

結(jié)合LWC40T 車輛狀況、體積和形狀對各模塊的安裝位置進行合理布局?？紤]傳感器對盲區(qū)的監(jiān)測范圍有限，對傳感器等配件進行合理布局和安裝調(diào)試，最終目的是把此系統(tǒng)與車輛原有保護系統(tǒng)各個部分進行科學(xué)合理地組合，由此保證人員保護系統(tǒng)性能可靠、功能完善，滿足實際應(yīng)用需求。

系統(tǒng)各部分附件安裝符合要求后將關(guān)閉測試環(huán)境內(nèi)的部分照明系統(tǒng)，使測試環(huán)境處于弱光狀態(tài)，盡力保持與井下條件相似的弱光環(huán)境，并使測試環(huán)境無電焊作業(yè)等高溫高光作業(yè)，使其形成良好的測試環(huán)境。

系統(tǒng)整體測試及具體步驟如下：（1）按下傳感器箱體的銀色復(fù)位按鈕，對控制模塊進行復(fù)位。（2）按操作標(biāo)準(zhǔn)啟動車輛，保持車輛處于停止?fàn)顟B(tài)，打開手動機油壓力保護測試閥。（3）人員從車輛后方進入傳感器感應(yīng)范圍內(nèi)的危險區(qū)域，分別在距離傳感器0-3 米、3-7 米、7 米以外的檢測范圍進行多次測試，被測人員進入在0-3 米內(nèi)傳感器感應(yīng)范圍內(nèi)危險位置時，此保護系統(tǒng)能夠主動發(fā)揮作用，車輛主動熄火停車，聲光報警器發(fā)出報警，人員定位模塊報警狀態(tài)指示燈開始緊急閃爍。（4）在此期間駕駛員注意到聲光報警器的報警信號后，無法繼續(xù)啟動操作車輛，在駕駛員下車檢查車輛周邊情況后，確認安全后按下感應(yīng)模塊箱體的銀色閉鎖按鈕復(fù)位從，方可從新啟動車輛。

5.2 結(jié)果及結(jié)論

以上結(jié)果表明，此系統(tǒng)在人員進入LWC40T 的人體接近傳感器0 至3 米的感應(yīng)范圍內(nèi)的危險區(qū)域時，系統(tǒng)能夠使LWC40T 主動熄火停車并伴隨聲光報警器發(fā)出聲光報警信號，同時煤礦定位報警模塊進入報警狀態(tài)，說明此系統(tǒng)能夠有效地對接近傳感器0 至3 米的感應(yīng)范圍內(nèi)處于危險區(qū)域的人員起到保護和警示作用，通過此系統(tǒng)提高LWC40T 框架式支架運輸過程中的安全性，從而進一步保障煤礦安全生產(chǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，傳感器技術(shù)的進一步提高，系統(tǒng)的可靠性會進一步提升，從而使煤礦特種運輸車輛的安全性進一步加強，以期為國家能源建設(shè)創(chuàng)造可觀的安全效益和社會效益。