單軌吊電氣監測與控制裝置設計

單成偉， 程劉勝， 呂小強， 吳巖明， 陳曉晶

(1. 中煤科工集團 常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015； 2. 天地(常州)自動化股份有限公司， 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，本文設計了一套電氣監測與控制裝置。該裝置可實時監測顯示柴油機自動保護參數、系統壓力參數(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

該防爆柴油機單軌吊電氣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總線進行數據交互[3]。

圖1 裝置原理圖

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據，根據信號采集模塊和手柄開關信號指示負責執行對應的電磁閥控制。控制信號發出后，液壓電磁閥執行對應的動作，相應的液壓回路的壓力會發生變化，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出的控制命令進行對比，根據設定數據或邏輯判斷給出正常或者報警信息，以獨立ID編碼發送至顯示設備，由顯示設備負責正常顯示或者報警提示，實現液壓回路的閉環控制[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和系統壓力相關參數監測和采集，同時將監測參數數據以獨立ID編碼通過CAN總線發送至電源繼電器箱。當自動保護參數超限時，信號采集模塊發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受阻或危險的區域。

4) 駕駛員操作手柄開關用來控制單軌吊機車，實現急停、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MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》以及 MT/T 883—2000《 礦用柴油機單軌吊機車》行業標準的要求，需對裝置中防爆柴油機自動保護參數、機車系統壓力參數(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，并將當前數據實時顯示出來[6]。當監測量超標(如發動機水溫過高)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，可以實現停車熄火。

2.2 手柄操作臺

礦用本安型操作臺用于實現防爆柴油機單軌吊機車整車電氣設備的控制功能。控制箱能實現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獨立地址編碼協同數據的形式發送至CAN1總線，信號采集模塊的配置信息由參數顯示屏下發。電源繼電器箱接收來自信號采集模塊和手柄操作臺數據，同時根據控制發出指令和反饋信息給出執行結果，當控制發出指令和反饋數據不一致時，應給出報警信號至CAN2總線。手柄操作臺根據相應控制動作發出控制信號至CAN2總線。參數顯示屏接收CAN1和CAN2總線數據，進行數據顯示和報警提示等。

圖2 裝置內部通信信號流

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。

圖3 急停初步方案原理

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測各個傳感器狀態以及當前環境瓦斯濃度，待各項參數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：500 mA/12 V；

2) 手柄操作箱：300 mA/12 V×2 = 600 mA/12 V；

3) 7寸參數顯示器：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時工作電流，電源效率按照70%估算，在DC24 V時電流約為2 A。若按照后備電源在主電源斷電情況下能夠工作2 h計算，后備電源選用不小于C24 V/4 Ah。

6 結論

對裝置各個設備通信方式及線束工藝進行規劃，監測設備、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]，關鍵執行操作如“急停”需單獨線纜控制，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生的振動對電源繼電器箱的影響。

該裝置目前完成了工業性試驗，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先處理、控制流程進行優化。