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淺析新型單法蘭差壓變送器監測與控制裝置設計

作時間:2019-09-10  來源:  作者:
   
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,單軌吊裝置作爲煤礦輔助運輸的重要補充,發揮著不可替代的作用。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、鳴笛等相關執行動作,並實現防爆柴油機自動保護參數、裝置壓力參數、行車參數等統一監控。該裝置目前已完成井下工業性試驗,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],成爲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,以蓄電池作爲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。
针对防爆柴油机单轨吊的特点,本文设计了一套新型單法蘭差壓變送器监测与控制装置。该装置可实时监测显示柴油机自动保护参数、系统压力参数( 制动压力、夹紧压力、补油压力、起动压力、工作压力) 、润滑油温度、液压油温度、行车倾角等。 1 装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图 1 所示。装置包括信号采集模块、电源继电器箱、手柄开关、显示设备以及各种传感元件,除传感元件外,各组成模块采用 CAN 总线进行数据交互[3]。
 
1 装置工作原理
 
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
 

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1) 电源继电器箱是整个装置的决策和控制中心,接收来自信号采集模块和手柄开关的数据,根据信号采集模块和手柄开关信号指示负责执行对应的电磁阀控制。控制信号发出后,液压电磁阀执行对应的动作,相应的液压回路的压力会发生变化,信号采集模块接入的压力传感器采集管路压力,将数据回传给电源继电器箱,电源继电器箱将接收到的压力数据和发出的控制命令进行对比,根据设定数据或逻辑判断给出正常或者报警信息,以好立 ID 编码发送至显示设备,由显示设备负责正常显示或者报警提示,实现液压回路的闭环控制[4]。同时,电源继电器箱还负责给显示设备、手柄开关、信号采集模块以及视频监控设备提供本安电源。
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好立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裏面,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、後退等動作。
 
2 硬件设计
根據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》行業標准的要求,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,並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,給出本安控制信號並隔離輸出,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手柄操作台
礦用本安型操作台用于實現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爲: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後退比例電磁閥。4路本質安全型電源輸出主要給手柄操作台、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爲手柄操作台的急停開關輸入,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 软件设计
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,並將其端口采集的傳感器信號以好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台數據,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。手柄操作台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。
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4 单轨吊急停方案设计
单轨吊的急停涉及运行的安全,设计中采用冗余方案,原理如图 3 所示。 1) 通 信急停方式。通过手柄操作箱采集“急停”开关信号,通过 CAN 总线发送至电源继电器箱,由电源继电器箱负责 2 个停机阀熄火停机。 2) 硬件急停方式。将“急停”开关信号直接引入电源继电器箱,控制 2 个停机阀熄火停机。
 
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5 电池容量计算
單軌吊啓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啓動柴油機條件後才允許啓動設備,因此設計中礦用隔爆兼本質安全型電源繼電器箱需配置後備電池。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時工作電流,電源效率按照70%估算,在DC24V時電流約爲2A。若按照後備電源在主電源斷電情況下能夠工作2h計算,後備電源選用不小于C24V/4Ah。
 
6 结论
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,避免出現多根線纜捆紮在一起。結構上,電源繼電器箱采用吊裝,並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産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,後期需對軟件,尤其是在故障模式下的優先處理、控制流程進行優化。
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