矿用卡车消防控制系统改造研究与设计

赵鹏飞，金 鑫，王东飞，韩 鹏，高金荣

（神华哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

矿用卡车消防控制系统改造研究与设计

赵鹏飞，金 鑫，王东飞，韩 鹏，高金荣

（神华哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

MT4400与MT5500卡车作为哈尔乌素露天煤矿重要的运输设备，在运行中频繁出现灭火器自动释放现象，针对此现象提出了相应的改造方案，一定程度上降低了该故障发生的频率，保障设备安全运行。

PLC；源型；漏型；信号干扰

0 引 言

在哈尔乌素露天煤矿矿区，MT4400与MT5500卡车已运行l0余年，在多年的运行作业中由于其自动灭火存在着缺陷，无火情情况下灭火器频繁自动释放的现象持续存在，造成成本的浪费，对设备其它元部件构成安全隐患。通过对该故障现象进行研究和探索，制定了一套切实可行的解决方案，有效避免了类似的故障重复发生。

1 消防控制系统原理

MT4400与MT5500卡车使用的消防控制系统电路（图1）是由控制盒、检测线缆、电池、爆管、小氮气瓶、大氮气瓶和干粉灭火器等组成[1]。控制盒是整个消防控制系统的控制部分，控制盒接线端子1和2是外部输入电源接线端，与卡车电瓶正负极连接。3和4号接线端子连接检测线缆，在检测线缆的末端接1个4.7 kΩ的标准电阻，控制盒通过这2个端子监测检测线缆的阻值变化判断是否有火情发生。5和6号接线端子之间直接连接一个4.7 KΩ的标准电阻，它的主要作用是为控制盒提供一个标准阻值，用来与3和4号的阻值进行对比。7和8号接线端子直接与爆管连接，控制盒可以通过激发爆管引导干粉灭火器喷射。14和15号接线端子连接的是一个关闭开关。检测线缆是消防控制系统中的火情探测部分，是由一根两芯电缆与在末端两线芯之间连接的一个4.7 kΩ的标准电阻构成。检测线缆主要布置在卡车驾驶室平台与发动机出入口周围的夹板层周围以及发动机后侧排烟管附件，用紧固螺母与线夹固定。电池的作用是在外部电源关闭（卡车电瓶关闭）的情况下对消防控制系统继续提供电源，使系统继续运行。爆管是消防控制系统的控制输出部分(间接触发灭火器喷发)，只有当控制盒判断已经发生火情需要进行灭火时才会激发爆管，爆管激发后，爆炸头击破小氮气瓶封口，使小氮气瓶喷发从而间接触发干粉灭火器喷发。小氮气瓶的作用是直接触发干粉灭火器喷发，但小氮气瓶的喷发即可以通过控制爆管激发进行也可以人工推按压扭操作。

当卡车发动机或排烟管等部位有起火事故发生后，布置在周围及发动机上方的检测线缆被燃烧的火焰高温炙烤或引燃，检测线缆绝缘被烧坏，线缆的两芯线因为绝缘损坏而短路连接，检测线缆回路阻值由于短路大大小于控制盒接线端子5和6号之间接的4.7 kΩ标准电阻。这种情况下，控制盒将导通释放电路使爆管激发，从而触发驾驶室的小氮气瓶喷发，小氮气瓶再触发在车架上紧固的大氮气瓶，大氮气瓶中的压缩氮气顺管路进入干粉灭火器，大量的压缩氮气将瓶中干粉冲出并沿喷射管路从喷口喷向指定部位进行灭火。

图1 消防控制系统电路（改造前）

2 改造原因分析

现在使用的消防控制系统在运行中频繁出现灭火器自动释放的缺陷，造成不小的成本支出，下面将从造成这种情况发生的原因方面进行阐述。

1）电路和环境干扰。消防控制系统是通过将连接在控制盒接线端子3和4号的检测线缆回路的阻抗值与接线端子上5和6号连接的4.7 kΩ的标准电阻进行对比，根据阻值对比情况来判断是否有起火事故发生。这一过程是一个模拟量对比的过程，通过应用局部欧姆定律R=U/I[8]，我们可以知道检测线缆回路的电流Imax≈24/4 700=0.005 1 A，是一个很小的微电流信号，微小电流信号极易受到信号干扰，所以一般用于模拟量信号传输的线路都有屏蔽保护设计，而检测线缆是一根两芯电缆，无屏蔽层和屏蔽接地，不能很好消除干扰信号，但线缆敷由于空间限制使的通过驾驶室的部分检测线缆与控制电路的线束在同一线管内穿过，控制电路的导线是普通的绝缘导线并无屏蔽保护，对同样没有屏蔽保护的检测线缆线芯回路的微电流信号很容易造成干扰[7]，从而引起消防控制系统错误的释放灭火器。

由于探测火情的需要，检测线缆必须布置在卡车的易起火部位才能有效的确保设备安全运行。发动机作为卡车最重要的组成部分燃油管路和控制电路密集且属于高温运行是卡车的重点起火部位，所以检测线缆主要被布置在发动机的周围。卡车作业过程中，发动机长时间运行，它周围处于持续的高温状态。温度的变化会对导体的阻抗造成影响，一般来说导体的阻抗随温度上升而减弱，从而导致该导体所在回路电流增加，温度下降又使电流减少，造成信号变化不规律,使其波动所以消防控制系统同样很容易因为高温环境干扰引发灭火器自动释放。

2）检测线缆磨损。检测线缆是消防控制系统探测火情的部分，主要布置在发动机周围[2]。而电动轮卡车的发动机是卡车主发电机和液压装置的主要动力来源，是卡车的核心部件，周围遍布控制线路线缆和各种油路管路，因此定期保养和日常维护作业都比较频繁，检测线缆误碰误伤和磨损情况较多，线缆绝缘长期重复性磨损直至破损，导致检测线缆线芯接地，引起消防控制系统错误的判断，造成灭火器自动释放这种情况。

3 解决方案

原消防控制系统检测线缆存在的缺陷主要为电路电流和高温环境对线缆信号的干扰问题，其次为检测线缆磨损和消防控制模块抗干扰性能不强。为了解决这些问题，本次改造选用PLC（可编程控制器）作为改造消防控制系统的控制器，选用型号为西门子S7-200小型机，具有运行可靠，抗干扰能力强，通用性强等优点，配合辅助电路可以很好的解决干扰问题。

1）电路改造。S7-200是西门子公司的一款小型PLC，专用于小型控制系统，费用低，抗干扰性能好，用来作为改造消防控制系统的控制器非常合适。但只使用PLC作为控制器并不能从根本上消除缺陷，为了更好的解决信号干扰和磨损问题还需要加以设计辅助电路来配合完成。由于信号干扰和线缆磨损问题的主要所在就是检测线缆，所以本次改造的电路设计主要是围绕检测线缆的探测原理和信号传输方式展开，并配合设计报警电路[5]进行预警。设计电路如图2所示。

本次改造将爆管与供电电池的连接设计为串联，常态为断路模式，这样可以节约电池的损耗，减少电池更换次数。对于检测线缆：①在信号传输的方式上，去掉线缆末端串联的4.7 kΩ标准电阻，使检测线缆由原来的电路回路变为单独的两芯线缆，将其分别连接在PLC对应的数字量输入端，改变为数字量信号传输方式；②在检测线缆与PLC输入端子连接方式上，两线芯要分开并且要采用不同的连接方式，其中一根线芯使用源型接线方式（输入信号为有源信号）连接，另一个线芯则使用漏型接线方式（输入端子提供信号源）连接[3]。这样做可以保证检测线缆的火情探测性能不低于改造前，同时对于解决信号干扰和磨损问题提供了便利。

图2 改造设计电路原理

检测线缆的两线芯分别连接在PLC的I0.3与I0.4端子上，两根线芯分别采用源型和漏型接法连接在PLC输入端的，所以，端子I0.4的信号输入方式是源型，即有正向电流进入产生输入信号，另一个端子I0.3的信号输入方式是漏型，即有正向电流流出产生输入信号。正常情况下，由于检测线缆两线芯单独连接在 PLC与检测线缆的连接端子I0.3或I0.4上，两线芯与PLC输入端的回路都处于断开状态，两线芯均无电流产生，所以不论是来自控制系统的外接电源、电路还是其他的电磁电流等干扰信号都不能对改造后的消防控制系统造成实质影响。当发生起火事故时，受火部位的检测线缆燃烧，绝缘损坏或破损，两线芯直接接触，端子I0.3输出的正向电流经两线芯相触处进入端子i0.4，端子I0.3和I0.4与PLC输入端的回路均导通，所以端子i0.3与i0.4都形成有效输入信号送入PLC内部，PLC会按照植入的编写程序，这种情况下，延时指示灯将持续闪烁10 s，时间到以后将激发爆管电路，释放灭火器进行灭火，保障设备的安全运行。火情探测原理如图3。

图3 火情探测原理

对于磨损问题，通过上文所述的改造原理，可以知道要使灭火器释放必须要满足PLC的端子I0.3与I0.4都有输入信号并且要持续10 s。如图2，不管两根线芯中其中一根线芯接地还是两根线芯都接地，最多只可以满足PLC端子I0.3和I0.4中的一个有输入信号，不能同时满足端子I0.3与I0.4都有输入信号的要求。从而避免了检测线缆线芯因磨损接地而触发灭火器自动释放。为了方便了解对检测线缆的情况，对检测线缆接地进行了报警提示[6]，当检测线缆接在PLC端子I0.3的这一线芯接地时，端子i0.3将导通，PLC的I0.3端子输入有效信号，按设计程序，接地报警指示灯将持续亮2S，之后将持续闪烁，直至接地信号消失或进行复位。漏型接法线芯接地原理如图4。

为了保证消防控制系统的正常，不能仅仅依靠电路保护设计的提示，在日常保养和检修的时候也应定期检查，并对结果做好记录工作，对于存在问题的配件及线缆及时更换。

2）逻辑程序。本次改造选用的PLC是西门子S7-200，PLC的工作需要硬件电路和用户程序共同作用来完成。

图4 漏型接法线芯接地原理

4 实验效果分析

材料准备好后，经过深入分析和探讨，在MT5500卡车上进行了实验。改造后的消防控制系统运行状况良好，并没有因为改造出现新的故障情况，也没有再出现灭火器自动释放的情况。通过此次改造消防控制系统的灭火器自动释放这种情况得到了很好的控制。

5 经济效益分析

此次改造的经济效益主要有2方面：①杜绝了卡车消防控制系统误触发的缺陷，提高了卡车的出动率，节省了大量的人力物力和配件的的浪费；②降低了消防控制系统的单套成本，从71 893元降低为47 704元，节约大量成本费用。

从设备维修方面来说，降低了故障率就降低了维修人员的劳动强度及维修时间。降低了设备的维修时间，也就提高了设备的运行时间和设备的使用性能，降低了维修成本，提高了设备的出动率。

6 结 论

通过此次改造，使卡车的消防控制系统的灭火器自动释放现象得到了很好的控制，为设备的安全运行提供了有力的保障，极大地降低了卡车消防控制系统的维护费用，减少设备的故障时间，提高设备的使用效率，为矿山生产创造更大的经济效益。

［1］MT5500电传动卡车电气手册［M］.特莱克斯公司，2006．

［2］MT5500电传动卡车维修保养手册［M］.特莱克斯公司，2006．

［3］刘品潇．电气控制与PLC［M］.长沙：国防科技大学出版社，2013．

［4］李长军，刘福祥，王明礼．西门子S7-200PLC应用实例解说［M］.北京：电子工业出版社，2011．

［5］（英）威廉斯．电路设计技术与技巧［M］.北京：电子工业出版社，2006．

［6］刘丙江．实用接地技术［M］.北京：中国电力出版社，2012．

［7］陈梓城，邓海，邵长军．实用电子电路抗干扰设计及应用［M］.北京：中国电力出版社，2014．

［8］姜桥．电子技术基础［M］.北京：人民邮电出版社，2009．

【责任编辑：陈 毓】

Transformation research and design of fire control system for mining truck

ZHAO Pengfei,JIN Xin,WANG Dongfei,HAN Peng,GAO Jinrong
(Ha'erwusu Open-pit Coal Mine,Shenhua Group Zhunge'er Energy Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

As the important transport equipment in Ha'erwusu Open-pit Mine,MT5500 truck frequently emerges the automatic release phenomenon of fire extinguishing system in operation.Based on it,this article puts forward the reforming plan to reduce the failure frequency to some extent and ensure safe operation of equipments.

PLC;source type;leakage type;signal interference

TD561

B

1671－9816（2017）03－0060－04

2016-11-10

赵鹏飞（1988—），男，助理工程师，2010年毕业于内蒙古乌海职业技术学院机电一体化技术专业，现为神华哈尔乌素露天矿维修中心汽修车间重卡电工。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.017

赵鹏飞，金鑫，王东飞，等.矿用卡车消防控制系统改造研究与设计［J］.露天采矿技术，2017，32（3）：60-63.