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淺析新型單法蘭差壓變送器監(jiān)測與控制裝置設(shè)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,單軌吊裝置作為煤礦輔助運輸?shù)闹匾a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(shè)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(shè)備之間的交互,可有效地減少線束,通過操作手柄及開關(guān),可控制夾緊、制動、甩驅(qū)、起吊、照明、鳴笛等相關(guān)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(shè)計要求。
 
0 引言
煤礦使用的高效輔助運輸設(shè)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(jié)構(gòu)緊湊、機動靈活、轉(zhuǎn)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(shè)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(wù)。
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(fēng)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(fēng)動單軌吊提供的動力較小,其結(jié)構(gòu)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(yīng)用會越來越廣泛。
針對防爆柴油機單軌吊的特點,本文設(shè)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(guān)、顯示設(shè)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
 

20190910085819.jpgKEK壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
 
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(guān)的數(shù)據(jù),根據(jù)信號采集模塊和手柄開關(guān)信號指示負責(zé)執(zhí)行對應(yīng)的電磁閥控制?刂菩盘柊l(fā)出后,液壓電磁閥執(zhí)行對應(yīng)的動作,相應(yīng)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(shè)定數(shù)據(jù)或邏輯判斷給出正;蛘邎缶畔,以好立 ID 編碼發(fā)送至顯示設(shè)備,由顯示設(shè)備負責(zé)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(zé)給顯示設(shè)備、手柄開關(guān)、信號采集模塊以及視頻監(jiān)控設(shè)備提供本安電源。
2)信號采集模塊負責(zé)防爆柴油機自動保護參數(shù)和系統(tǒng)壓力相關(guān)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(dāng)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(shè)備實現(xiàn)停機熄火。
3)顯示設(shè)備和紅外攝像頭負責(zé)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(shè)備安裝在駕駛室的里面,紅外攝像頭負責(zé)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(guān)用來控制單軌吊機車,實現(xiàn)急停、鳴笛、照明(鑰匙插入)、甩驅(qū)、制動、前進、后退等動作。
 
2 硬件設(shè)計
根據(jù)MT/T989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術(shù)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(guān)量油壓、1路開關(guān)量水位信號、1路甲烷變送器SMbus信號,并將當(dāng)前數(shù)據(jù)實時顯示出來[6]。當(dāng)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(guān)和電磁閥控制功能,當(dāng)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(shè)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(guān)量信號輸入、1路本安模擬信號輸入、4路本安開關(guān)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(guān)量輸出、2路非安方波脈沖寬度調(diào)制信號輸出、4路本安電源輸出、2路本安開關(guān)量輸出、2路本安隔離CAN通信。其中,12路非安有源開關(guān)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(qū)電磁閥、2路隔爆照明燈、2路澆封喇叭、1路預(yù)留。2路非安方波脈沖寬度調(diào)制信號輸出主要控制前進和后退比例電磁閥。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(shù)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(shè)備等供電。2路本質(zhì)安全型開關(guān)量輸入為手柄操作臺的急停開關(guān)輸入,用于急停單軌吊機車。2路本質(zhì)安全型隔離CAN通信用于信號采集設(shè)備、本質(zhì)安全型參數(shù)顯示器與控制箱之間的通信。
 
3 軟件設(shè)計
裝置內(nèi)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(jié)果,當(dāng)控制發(fā)出指令和反饋數(shù)據(jù)不一致時,應(yīng)給出報警信號至CAN2總線。手柄操作臺根據(jù)相應(yīng)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。
20190910090124.jpg
4 單軌吊急停方案設(shè)計
單軌吊的急停涉及運行的安全,設(shè)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(guān)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(zé) 2 個停機閥熄火停機。 2) 硬件急停方式。將“急停”開關(guān)信號直接引入電源繼電器箱,控制 2 個停機閥熄火停機。
 
20190910085819.jpg
 
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(dāng)前環(huán)境瓦斯?jié)舛龋黜梾?shù)正常且符合啟動柴油機條件后才允許啟動設(shè)備,因此設(shè)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(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(jié)論
對裝置各個設(shè)備通信方式及線束工藝進行規(guī)劃,監(jiān)測設(shè)備、顯示設(shè)備、控制手柄及開關(guān)、控制開關(guān)設(shè)備之間的通信采用CAN總線[5],關(guān)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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。
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