淺析新型單法蘭差壓變送器監測與控制裝置設計

摘要:隨著(zhù)開(kāi)采深度和開(kāi)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的重要補充，發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。根據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測與控制裝置，該裝置采用CAN總線(xiàn)完成設備之間的交互，可有效地減少線(xiàn)束，通過(guò)操作手柄及開(kāi)關(guān)，可控制夾緊、制動(dòng)、甩驅、起吊、照明、鳴笛等相關(guān)執行動(dòng)作，并實(shí)現防爆柴油機自動(dòng)保護參數、裝置壓力參數、行車(chē)參數等統一監控。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(wú)軌膠輪車(chē)、單軌吊、卡軌車(chē)、齒軌車(chē)。單軌吊機車(chē)可以實(shí)現從車(chē)場(chǎng)至工作面直達運輸，以其結構緊湊、機動(dòng)靈活、轉彎半徑小、多工作面同時(shí)作業(yè)等特點(diǎn)［1］，成為井下高效輔助運輸機械設備。單軌吊裝置充分利用巷道的上部空間，用于執行日常人員、物料的運送，以及液壓支架的整體搬運任務(wù)。

根據動(dòng)力不同，單軌吊機車(chē)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)力的單軌吊機車(chē)會(huì )越來(lái)越少;風(fēng)動(dòng)單軌吊提供的動(dòng)力較小，其結構形式簡(jiǎn)單、體積小，主要用于空間窄小運輸要求低的場(chǎng)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(diǎn)［3］，其應用會(huì )越來(lái)越廣泛。

針對防爆柴油機單軌吊的特點(diǎn)，本文設計了一套新型單法蘭差壓變送器監測與控制裝置。該裝置可實(shí)時(shí)監測顯示柴油機自動(dòng)保護參數、系統壓力參數( 制動(dòng)壓力、夾緊壓力、補油壓力、起動(dòng)壓力、工作壓力) 、潤滑油溫度、液壓油溫度、行車(chē)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(kāi)關(guān)、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(xiàn)進(jìn)行數據交互［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測與控制裝置的工

 

 

 

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)自信號采集模塊和手柄開(kāi)關(guān)的數據，根據信號采集模塊和手柄開(kāi)關(guān)信號指示負責執行對應的電磁閥控制�？刂菩盘柊l(fā)出后，液壓電磁閥執行對應的動(dòng)作，相應的液壓回路的壓力會(huì )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，將數據回傳給電源繼電器箱，電源繼電器箱將接收到的壓力數據和發(fā)出的控制命令進(jìn)行對比，根據設定數據或邏輯判斷給出正�；蛘邎缶�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(shí)現液壓回路的閉環(huán)控制［4］。同時(shí)，電源繼電器箱還負責給顯示設備、手柄開(kāi)關(guān)、信號采集模塊以及視頻監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(dòng)保護參數和系統壓力相關(guān)參數監測和采集，同時(shí)將監測參數數據以好立ID編碼通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送至電源繼電器箱。當自動(dòng)保護參數超限時(shí)，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行設備實(shí)現停機熄火。

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

4)駕駛員操作手柄開(kāi)關(guān)用來(lái)控制單軌吊機車(chē)，實(shí)現急停、鳴笛、照明(鑰匙插入)、甩驅、制動(dòng)、前進(jìn)、后退等動(dòng)作。

 

2 硬件設計

根據MT/T989—2006《礦用防爆柴油機無(wú)軌膠輪車(chē)通用技術(shù)條件》以及MT/T883—2000《礦用柴油機單軌吊機車(chē)》行業(yè)標準的要求，需對裝置中防爆柴油機自動(dòng)保護參數、機車(chē)系統壓力參數(制動(dòng)壓力、夾緊壓力、補油壓力、起動(dòng)壓力、工作壓力)、潤滑油溫度、液壓油溫度、行車(chē)傾角角度等進(jìn)行監測［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(kāi)關(guān)量油壓、1路開(kāi)關(guān)量水位信號、1路甲烷變送器SMbus信號，并將當前數據實(shí)時(shí)顯示出來(lái)［6］。當監測量超標(如發(fā)動(dòng)機水溫過(guò)高)或者故障(如甲烷變送器斷線(xiàn))時(shí)，信號采集模塊根據采集信號進(jìn)行判斷，進(jìn)行聲光報警。

信號采集模塊具備非安無(wú)源接點(diǎn)開(kāi)關(guān)和電磁閥控制功能，當信號采集模塊根據邏輯判斷需要停車(chē)熄火時(shí)，給出本安控制信號并隔離輸出，控制非安無(wú)源接點(diǎn)開(kāi)閉和電磁閥氣路換向，可以實(shí)現停車(chē)熄火。

 

2．2手柄操作臺

礦用本安型操作臺用于實(shí)現防爆柴油機單軌吊機車(chē)整車(chē)新型單法蘭差壓變送器設備的控制功能�？刂葡淠軐�(shí)現1路本安電源輸入、8路本安開(kāi)關(guān)量信號輸入、1路本安模擬信號輸入、4路本安開(kāi)關(guān)量輸出、1路本安CAN通信、10路本安端子接線(xiàn)。

 

2．3電源繼電器箱

電源繼電器實(shí)現12路非安有源開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)量輸出、2路本安隔離CAN通信。其中，12路非安有源開(kāi)關(guān)量輸出主要控制對象為:2路停機電磁閥、2路制動(dòng)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(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、本質(zhì)安全型參數顯示器、本質(zhì)安全型視頻顯示器、本質(zhì)安全型攝像頭、信號采集設備等供電。2路本質(zhì)安全型開(kāi)關(guān)量輸入為手柄操作臺的急停開(kāi)關(guān)輸入，用于急停單軌吊機車(chē)。2路本質(zhì)安全型隔離CAN通信用于信號采集設備、本質(zhì)安全型參數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)同數據的形式發(fā)送至CAN1總線(xiàn)，信號采集模塊的配置信息由參數顯示屏下發(fā)。電源繼電器箱接收來(lái)自信號采集模塊和手柄操作臺數據，同時(shí)根據控制發(fā)出指令和反饋信息給出執行結果，當控制發(fā)出指令和反饋數據不一致時(shí)，應給出報警信號至CAN2總線(xiàn)。手柄操作臺根據相應控制動(dòng)作發(fā)出控制信號至CAN2總線(xiàn)。參數顯示屏接收CAN1和CAN2總線(xiàn)數據，進(jìn)行數據顯示和報警提示等。

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(guò)手柄操作箱采集“急停”開(kāi)關(guān)信號，通過(guò) CAN 總線(xiàn)發(fā)送至電源繼電器箱，由電源繼電器箱負責 2 個(gè)停機閥熄火停機。 2) 硬件急停方式。將“急停”開(kāi)關(guān)信號直接引入電源繼電器箱，控制 2 個(gè)停機閥熄火停機。

 

 

5 電池容量計算

單軌吊啟動(dòng)前需要監測各個(gè)傳感器狀態(tài)以及當前環(huán)境瓦斯濃度，待各項參數正常且符合啟動(dòng)柴油機條件后才允許啟動(dòng)設備，因此設計中礦用隔爆兼本質(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)信號采集模塊:500mA/12V;

2)手柄操作箱:300mA/12V×2=600mA/12V;

3)7寸參數顯示器:550mA/12V×2=1100mA/12V;

4)電源繼電器箱:500mA/24V。

以上折算成DC24V時(shí)工作電流，電源效率按照70%估算，在DC24V時(shí)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(gè)設備通信方式及線(xiàn)束工藝進(jìn)行規劃，監測設備、顯示設備、控制手柄及開(kāi)關(guān)、控制開(kāi)關(guān)設備之間的通信采用CAN總線(xiàn)［5］，關(guān)鍵執行操作如“急停”需單好線(xiàn)纜控制，選型多芯電纜連接駕駛室和機車(chē)繼電器箱，避免出現多根線(xiàn)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(dòng)緩沖墊設計，減緩了機車(chē)在行走過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)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(jìn)行優(yōu)化。