摘要:隨著開采深度和開采難度的增加，以及對爬坡能力的不斷要求，單軌吊裝置作為煤礦輔助運輸?shù)闹匾�補充，發(fā)揮著不可替代的作用。根據(jù)防爆柴油機單軌吊的特性，設計了一套新型單法蘭差壓變送器監(jiān)測與控制裝置，該裝置采用CAN總線完成設備之間的交互，可有效地減少線束，通過操作手柄及開關，可控制夾緊、制動、甩驅、起吊、照明、鳴笛等相關執(zhí)行動作，并實現(xiàn)防爆柴油機自動保護參數(shù)、裝置壓力參數(shù)、行車參數(shù)等統(tǒng)一監(jiān)控。該裝置目前已完成井下工業(yè)性試驗，各項性能指標達到了設計要求。

 

0 引言

煤礦使用的高效輔助運輸設備主要有無軌膠輪車、單軌吊、卡軌車、齒軌車。單軌吊機車可以實現(xiàn)從車場至工作面直達運輸，以其結構緊湊、機動靈活、轉彎半徑小、多工作面同時作業(yè)等特點［1］，成為井下高效輔助運輸機械設備。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、物料的運送，以及液壓支架的整體搬運任務。

根據(jù)動力不同，單軌吊機車具有多種形式，包括:蓄電池單軌吊、風動單軌吊、防爆柴油機單軌吊［2］。由于電池動力有限和鉛酸電池在煤礦井下使用受限的原因，以蓄電池作為動力的單軌吊機車會越來越少;風動單軌吊提供的動力較小，其結構形式簡單、體積小，主要用于空間窄小運輸要求低的場所;防爆柴油機單軌吊具有牽引力大、爬坡能力強、靈活、安全、高效等特點［3］，其應用會越來越廣泛。

針對防爆柴油機單軌吊的特點，本文設計了一套新型單法蘭差壓變送器監(jiān)測與控制裝置。該裝置可實時監(jiān)測顯示柴油機自動保護參數(shù)、系統(tǒng)壓力參數(shù)( 制動壓力、夾緊壓力、補油壓力、起動壓力、工作壓力) 、潤滑油溫度、液壓油溫度、行車傾角等。 1 裝置工作原理該防爆柴油機新型單法蘭差壓變送器監(jiān)測與控制裝置的工作原理如圖 1 所示。裝置包括信號采集模塊、電源繼電器箱、手柄開關、顯示設備以及各種傳感元件，除傳感元件外，各組成模塊采用 CAN 總線進行數(shù)據(jù)交互［3］。

 

1 裝置工作原理

 

該防爆柴油機新型單法蘭差壓變送器監(jiān)測與控制裝置的工

 

 

 

1) 電源繼電器箱是整個裝置的決策和控制中心，接收來自信號采集模塊和手柄開關的數(shù)據(jù)，根據(jù)信號采集模塊和手柄開關信號指示負責執(zhí)行對應的電磁閥控制。控制信號發(fā)出后，液壓電磁閥執(zhí)行對應的動作，相應的液壓回路的壓力會發(fā)生變化，信號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)出的控制命令進行對比，根據(jù)設定數(shù)據(jù)或邏輯判斷給出正常或者報警信息，以好立 ID 編碼發(fā)送至顯示設備，由顯示設備負責正常顯示或者報警提示，實現(xiàn)液壓回路的閉環(huán)控制［4］。同時，電源繼電器箱還負責給顯示設備、手柄開關、信號采集模塊以及視頻監(jiān)控設備提供本安電源。

2)信號采集模塊負責防爆柴油機自動保護參數(shù)和系統(tǒng)壓力相關參數(shù)監(jiān)測和采集，同時將監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)以好立ID編碼通過CAN總線發(fā)送至電源繼電器箱。當自動保護參數(shù)超限時，信號采集模塊發(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)行設備實現(xiàn)停機熄火。

3)顯示設備和紅外攝像頭負責視頻監(jiān)控以及單軌吊工況參數(shù)的顯示，兩個視頻顯示設備安裝在駕駛室的里面，紅外攝像頭負責監(jiān)視某些視線受阻或危險的區(qū)域。

4)駕駛員操作手柄開關用來控制單軌吊機車，實現(xiàn)急停、鳴笛、照明(鑰匙插入)、甩驅、制動、前進、后退等動作。

 

2 硬件設計

根據(jù)MT/T989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》以及MT/T883—2000《礦用柴油機單軌吊機車》行業(yè)標準的要求，需對裝置中防爆柴油機自動保護參數(shù)、機車系統(tǒng)壓力參數(shù)(制動壓力、夾緊壓力、補油壓力、起動壓力、工作壓力)、潤滑油溫度、液壓油溫度、行車傾角角度等進行監(jiān)測［4-5］。

 

2．1信號采集模塊

信號采集模塊采集3路鉑電阻溫度信號、1路開關量油壓、1路開關量水位信號、1路甲烷變送器SMbus信號，并將當前數(shù)據(jù)實時顯示出來［6］。當監(jiān)測量超標(如發(fā)動機水溫過高)或者故障(如甲烷變送器斷線)時，信號采集模塊根據(jù)采集信號進行判斷，進行聲光報警。

信號采集模塊具備非安無源接點開關和電磁閥控制功能，當信號采集模塊根據(jù)邏輯判斷需要停車熄火時，給出本安控制信號并隔離輸出，控制非安無源接點開閉和電磁閥氣路換向，可以實現(xiàn)停車熄火。

 

2．2手柄操作臺

礦用本安型操作臺用于實現(xiàn)防爆柴油機單軌吊機車整車新型單法蘭差壓變送器設備的控制功能。控制箱能實現(xiàn)1路本安電源輸入、8路本安開關量信號輸入、1路本安模擬信號輸入、4路本安開關量輸出、1路本安CAN通信、10路本安端子接線。

 

2．3電源繼電器箱

電源繼電器實現(xiàn)12路非安有源開關量輸出、2路非安方波脈沖寬度調制信號輸出、4路本安電源輸出、2路本安開關量輸出、2路本安隔離CAN通信。其中，12路非安有源開關量輸出主要控制對象為:2路停機電磁閥、2路制動電磁閥、1路起吊電磁閥、2路甩驅電磁閥、2路隔爆照明燈、2路澆封喇叭、1路預留。2路非安方波脈沖寬度調制信號輸出主要控制前進和后退比例電磁閥。4路本質安全型電源輸出主要給手柄操作臺、本質安全型參數(shù)顯示器、本質安全型視頻顯示器、本質安全型攝像頭、信號采集設備等供電。2路本質安全型開關量輸入為手柄操作臺的急停開關輸入，用于急停單軌吊機車。2路本質安全型隔離CAN通信用于信號采集設備、本質安全型參數(shù)顯示器與控制箱之間的通信。

 

3 軟件設計

裝置內部通信信號流如圖2所示。信號采集模塊采集外圍傳感器信號，并將其端口采集的傳感器信號以好立地址編碼協(xié)同數(shù)據(jù)的形式發(fā)送至CAN1總線，信號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自信號采集模塊和手柄操作臺數(shù)據(jù)，同時根據(jù)控制發(fā)出指令和反饋信息給出執(zhí)行結果，當控制發(fā)出指令和反饋數(shù)據(jù)不一致時，應給出報警信號至CAN2總線。手柄操作臺根據(jù)相應控制動作發(fā)出控制信號至CAN2總線。參數(shù)顯示屏接收CAN1和CAN2總線數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)顯示和報警提示等。

4 單軌吊急停方案設計

單軌吊的急停涉及運行的安全，設計中采用冗余方案，原理如圖 3 所示。 1) 通 信急停方式。通過手柄操作箱采集“急停”開關信號，通過 CAN 總線發(fā)送至電源繼電器箱，由電源繼電器箱負責 2 個停機閥熄火停機。 2) 硬件急停方式。將“急停”開關信號直接引入電源繼電器箱，控制 2 個停機閥熄火停機。

 

 

5 電池容量計算

單軌吊啟動前需要監(jiān)測各個傳感器狀態(tài)以及當前環(huán)境瓦斯?jié)舛龋�待各項參�?shù)正常且符合啟動柴油機條件后才允許啟動設備，因此設計中礦用隔爆兼本質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)信號采集模塊:500mA/12V;

2)手柄操作箱:300mA/12V×2=600mA/12V;

3)7寸參數(shù)顯示器:550mA/12V×2=1100mA/12V;

4)電源繼電器箱:500mA/24V。

以上折算成DC24V時工作電流，電源效率按照70%估算，在DC24V時電流約為2A。若按照后備電源在主電源斷電情況下能夠工作2h計算，后備電源選用不小于C24V/4Ah。

 

6 結論

對裝置各個設備通信方式及線束工藝進行規(guī)劃，監(jiān)測設備、顯示設備、控制手柄及開關、控制開關設備之間的通信采用CAN總線［5］，關鍵執(zhí)行操作如“急停”需單好線纜控制，選型多芯電纜連接駕駛室和機車繼電器箱，避免出現(xiàn)多根線纜捆扎在一起。結構上，電源繼電器箱采用吊裝，并在安裝位置增加振動緩沖墊設計，減緩了機車在行走過程中產(chǎn)生的振動對電源繼電器箱的影響。

該裝置目前完成了工業(yè)性試驗，各項性能指標達到了設計要求，后期需對軟件，尤其是在故障模式下的優(yōu)先處理、控制流程進行優(yōu)化。