柴油机单轨吊控制系统甲烷保护功能设计

2020-06-02汪秀郭西进

煤矿机电 2020年2期

汪秀，郭西进

(1. 沙尔夫矿山机械(徐州)有限公司，江苏徐州 221000；2. 中国矿业大学，江苏徐州 221000)

0 引言

近年来，在矿井辅助运输方面，单轨吊因其自身优势而得到了大量应用。随之而来的各式车载式甲烷断电仪在蓄电池单轨吊或柴油机单轨吊产品中也得到了广泛使用[1-2]。甲烷检测仪或断电仪主要由甲烷传感器和电源控制警报装置组成，当甲烷浓度达到或超过报警值时，警报装置给出声、光报警信号，某些情况下还会通过直接的硬件电气连接切断蓄电池单轨吊的蓄电池电源或切断单轨吊中柴油机的气路及油路供给，并继续监测甲烷浓度。这些都是通过甲烷断电仪，输出驱动相应电磁阀关断动作，以实现在甲烷超标情况下的报警保护。但甲烷浓度超标信号本身并未进入控制程序参与到机车更深入的控制策略中，当出现甲烷浓度超标情况时，司机未采取相应保护措施，而柴油机仍然会继续运转，机车继续在危险环境中被使用，这极大增加了危险性，造成人员和财产的双重损失。为此，在设计中通过使用集成有甲烷传感器的甲烷测量仪给出两类信号，一类是在甲烷浓度超标时给出无源输出信号进入继电器卡，调控其线轴常闭点打开；一类是给出频率输出信号进入控制系统,经程序逻辑处理后控制系统执行相应处理措施。当甲烷浓度超标时，控制系统对机车实施软制动处理，实现自动双重安全保护，同时避免因忽然的紧急停车或柴油机停机而造成损坏，且能够在最大程度上保护机车的安全。

1 控制系统的甲烷保护功能

柴油机单轨吊控制系统的甲烷保护功能的设计包括以下组成部分[3]：UPS电源[4]、UPS电源开关、矿用甲烷测量仪(内含甲烷传感器)、控制箱，控制箱内含模块架、控制中心模块E01、PC板、继电器卡以及配电器，所有组成部分均为本质安全型。

此功能要求甲烷测量仪在柴油机单轨吊运行之前由UPS电源内部的锂电池提供其工作电源以实时监测甲烷浓度，在柴油机单轨吊运行之后实现由UPS电源运行产生的本质安全型电压为甲烷测量仪提供工作电源。UPS电源的本质安全型输入电压来自于控制器的中心模块E01，通过拨动开关启动UPS电源。

模块E01作为机车的控制系统中心,不仅为UPS电源和继电器卡提供本质安全型电源[5]，还输出控制各报警喇叭、关机阀、液压泵比例阀、制动器的紧急和缓制动阀。模块E01接收来自甲烷测量仪的频率输出反馈信号即甲烷浓度值，在甲烷浓度达到0.5%时，经程序逻辑处理后软制动控制机车。软制动处理是一个包括比例阀失电、喇叭鸣笛、车速检测、缓制动阀失电和关机阀失电的一系列按顺序逻辑动作的过程，首先通过制动器缓慢停止机车，再关闭柴油机，可最大程度地实现对人员和机车的安全保护，鉴于综合考虑这里不采取紧急停车处理方法。

该设计通过增加继电器卡的使用，避免了把本质安全型电路与非本质安全型电路混淆或把不同的本质安全型电路错接，可以安全可靠地实现控制关机阀的功能。继电器线轴上的2个无源常闭触点K1和K2的两极分别与2个关机阀相连接。一旦甲烷浓度超过0.5%，甲烷测量仪输出2个无源信号进入继电器卡，K1和K2打开，两个关机阀失电关断闭合，柴油机停止运转。

2 控制系统甲烷保护功能的设计原理

柴油机单轨吊控制系统的甲烷保护功能设计原理如图1所示。

1)手动启动机车的柴油机正常运转后，其通过液压马达带动发电机运转。发电机输出的低压直流电经配电器调节处理后输出本质安全型电压进入模块E01，经程序处理后输出低压电以提供整车所需的各种电源。配电器和模块E01均置于控制箱内的模块架上，模块架的后墙由 PC板组成，且该PC板的两侧都装有导线槽，配电器和模块E01，可以通过导线槽连接该PC板，PC板上的继电器卡的常闭触点与外部电路相通以控制关机阀。当有报警信号产生进入模块E01时，程序进行逻辑处理后由模块E01控制输出实现机车的软制动处理过程，并结合继电器卡共同作用可靠控制关机阀失电闭合，停止柴油机的运行。

2) 在柴油机单轨吊静放于矿井中而未启动运行之前，由UPS电源内的锂电池提供甲烷测量仪的工作电源用以实时监测机车环境中的甲烷浓度，且当甲烷浓度值未超标时方可通过液压蓄能器启动柴油机。若强行手动启动柴油机，在模块E01收到甲烷浓度超标信号后，控制系统执行自检时失败，关机阀不会自动打开，柴油机无法自动运行。

3) 在柴油机运行稳定后，机车的控制系统也正常稳定工作。一旦发生甲烷浓度超标情况，甲烷测量仪分别输出频率反馈信号至模块E01以及两个无源信号至继电器卡。按照控制系统程序的相应逻辑处理过程，首先模块E01停止对外输出比例阀的工作电源，此时来自驾驶室操作手柄电位器的任何输入电流信号都将无效，同时因比例阀关断不工作机车的液压泵无法对外提供任何动力，机车的驱动部因没有继续得到来自液压泵的驱动力而停止工作，机车靠自身庞大的质量，其行进速度迅速下降，及时有效地实现综合保护。

4) 在比例阀失电后，模块E01控制喇叭鸣笛30S进行长时间的报警提示，同时通过车速传感器实时检测机车车速，当车速迅速低于0.5 m/s时，模块E01停止对制动器缓制动阀的供电，缓制动阀失电机车抱闸闭合，控制系统通过缓制动方式对机车实施制动。在缓制动阀失电1 s后，继电器卡断开其两个常闭触点，关机阀失电闭合，柴油机继续运转所需的燃油以及空气被隔断，柴油机停机，发电机停转，整个机车电源切断。由于此甲烷保护功能是通过控制系统来实现的，因此在实施过程中达到快速、可靠、有效。