柴油機單軌吊控制系統甲烷保護功能設計

汪秀， 郭西進

(1. 沙爾夫礦山機械(徐州)有限公司， 江蘇 徐州 221000；2. 中國礦業大學， 江蘇 徐州 221000)

0 引言

近年來，在礦井輔助運輸方面，單軌吊因其自身優勢而得到了大量應用。隨之而來的各式車載式甲烷斷電儀在蓄電池單軌吊或柴油機單軌吊產品中也得到了廣泛使用[1-2]。甲烷檢測儀或斷電儀主要由甲烷傳感器和電源控制警報裝置組成，當甲烷濃度達到或超過報警值時，警報裝置給出聲、光報警信號，某些情況下還會通過直接的硬件電氣連接切斷蓄電池單軌吊的蓄電池電源或切斷單軌吊中柴油機的氣路及油路供給，并繼續監測甲烷濃度。這些都是通過甲烷斷電儀，輸出驅動相應電磁閥關斷動作，以實現在甲烷超標情況下的報警保護。但甲烷濃度超標信號本身并未進入控制程序參與到機車更深入的控制策略中，當出現甲烷濃度超標情況時，司機未采取相應保護措施，而柴油機仍然會繼續運轉，機車繼續在危險環境中被使用，這極大增加了危險性，造成人員和財產的雙重損失。為此，在設計中通過使用集成有甲烷傳感器的甲烷測量儀給出兩類信號，一類是在甲烷濃度超標時給出無源輸出信號進入繼電器卡，調控其線軸常閉點打開；一類是給出頻率輸出信號進入控制系統,經程序邏輯處理后控制系統執行相應處理措施。當甲烷濃度超標時，控制系統對機車實施軟制動處理，實現自動雙重安全保護，同時避免因忽然的緊急停車或柴油機停機而造成損壞，且能夠在最大程度上保護機車的安全。

1 控制系統的甲烷保護功能

柴油機單軌吊控制系統的甲烷保護功能的設計包括以下組成部分[3]：UPS電源[4]、UPS電源開關、礦用甲烷測量儀(內含甲烷傳感器)、控制箱，控制箱內含模塊架、控制中心模塊E01、PC板、繼電器卡以及配電器，所有組成部分均為本質安全型。

此功能要求甲烷測量儀在柴油機單軌吊運行之前由UPS電源內部的鋰電池提供其工作電源以實時監測甲烷濃度，在柴油機單軌吊運行之后實現由UPS電源運行產生的本質安全型電壓為甲烷測量儀提供工作電源。UPS電源的本質安全型輸入電壓來自于控制器的中心模塊E01，通過撥動開關啟動UPS電源。

模塊E01作為機車的控制系統中心,不僅為UPS電源和繼電器卡提供本質安全型電源[5]，還輸出控制各報警喇叭、關機閥、液壓泵比例閥、制動器的緊急和緩制動閥。模塊E01接收來自甲烷測量儀的頻率輸出反饋信號即甲烷濃度值，在甲烷濃度達到0.5%時，經程序邏輯處理后軟制動控制機車。軟制動處理是一個包括比例閥失電、喇叭鳴笛、車速檢測、緩制動閥失電和關機閥失電的一系列按順序邏輯動作的過程，首先通過制動器緩慢停止機車，再關閉柴油機，可最大程度地實現對人員和機車的安全保護，鑒于綜合考慮這里不采取緊急停車處理方法。

該設計通過增加繼電器卡的使用，避免了把本質安全型電路與非本質安全型電路混淆或把不同的本質安全型電路錯接，可以安全可靠地實現控制關機閥的功能。繼電器線軸上的2個無源常閉觸點K1和K2的兩極分別與2個關機閥相連接。一旦甲烷濃度超過0.5%，甲烷測量儀輸出2個無源信號進入繼電器卡，K1和K2打開，兩個關機閥失電關斷閉合，柴油機停止運轉。

2 控制系統甲烷保護功能的設計原理

柴油機單軌吊控制系統的甲烷保護功能設計原理如圖1所示。

1)手動啟動機車的柴油機正常運轉后，其通過液壓馬達帶動發電機運轉。發電機輸出的低壓直流電經配電器調節處理后輸出本質安全型電壓進入模塊E01，經程序處理后輸出低壓電以提供整車所需的各種電源。配電器和模塊E01均置于控制箱內的模塊架上，模塊架的后墻由 PC板組成，且該PC板的兩側都裝有導線槽，配電器和模塊E01，可以通過導線槽連接該PC板，PC板上的繼電器卡的常閉觸點與外部電路相通以控制關機閥。當有報警信號產生進入模塊E01時 ，程序進行邏輯處理后由模塊E01控制輸出實現機車的軟制動處理過程，并結合繼電器卡共同作用可靠控制關機閥失電閉合，停止柴油機的運行。

2) 在柴油機單軌吊靜放于礦井中而未啟動運行之前，由UPS電源內的鋰電池提供甲烷測量儀的工作電源用以實時監測機車環境中的甲烷濃度，且當甲烷濃度值未超標時方可通過液壓蓄能器啟動柴油機。若強行手動啟動柴油機，在模塊E01收到甲烷濃度超標信號后，控制系統執行自檢時失敗，關機閥不會自動打開，柴油機無法自動運行。

3) 在柴油機運行穩定后，機車的控制系統也正常穩定工作。一旦發生甲烷濃度超標情況，甲烷測量儀分別輸出頻率反饋信號至模塊E01以及兩個無源信號至繼電器卡。按照控制系統程序的相應邏輯處理過程，首先模塊E01停止對外輸出比例閥的工作電源，此時來自駕駛室操作手柄電位器的任何輸入電流信號都將無效，同時因比例閥關斷不工作機車的液壓泵無法對外提供任何動力，機車的驅動部因沒有繼續得到來自液壓泵的驅動力而停止工作，機車靠自身龐大的質量，其行進速度迅速下降，及時有效地實現綜合保護。

4) 在比例閥失電后，模塊E01控制喇叭鳴笛30S進行長時間的報警提示，同時通過車速傳感器實時檢測機車車速，當車速迅速低于0.5 m/s時，模塊E01停止對制動器緩制動閥的供電，緩制動閥失電機車抱閘閉合，控制系統通過緩制動方式對機車實施制動。在緩制動閥失電1 s后，繼電器卡斷開其兩個常閉觸點，關機閥失電閉合，柴油機繼續運轉所需的燃油以及空氣被隔斷，柴油機停機，發電機停轉，整個機車電源切斷。由于此甲烷保護功能是通過控制系統來實現的，因此在實施過程中達到快速、可靠、有效。

圖1 控制系統甲烷保護功能設計原理

3 技術關鍵

設計的主要技術關鍵是當甲烷濃度超標時，該保護功能可通過控制程序制動機車，即關閉比例閥，通過緩制動器降低機車速度，可及時以最大程度實現對人員和機車的雙重保護，同時通過調控繼電器卡的常閉接點關斷柴油機的兩個關機閥，使之柴油機停機。

4 結論

該甲烷保護功能已經成熟應用于柴油機單軌吊系列產品的控制系統中，經實際使用效果驗證，其比甲烷斷電儀更安全可靠，在提升煤礦輔助運輸安全保護設施的智能化、可靠性及實用性等方面有顯著作用。