矿用防爆柴油机车（精选4篇）
矿用防爆柴油机车 篇1
0 引言
防爆柴油机是一种以柴油为燃料的新型矿用动力机车。经过技术论证和实际运用, 它适用于矿山井下具有爆炸性气体的环境, 是近年来被逐渐推广的矿山运输设备。CCG10/9S防爆柴油机车目前在板集煤矿得到了实际运用, 逐步替代了板集煤矿传统的蓄电池机车。
1 柴油机车的基本结构
CCG10/9S防爆柴油机车为900m m轨距, 液力—机械传动内燃机车, 它由车体、车架、走行和制动等组成。机车为0-2-0轴列式的调车型机车。
防爆柴油机为MLR4110QFB型, 主要由柴油机、进气系统、废气处理系统、水散热器及安全保护装置等组成;进气系统的进气口和费气处理系统的排气口均设置有阻火器即防爆栅栏。废气处理系统由水夹层排气管、水夹层波纹管、废气处理箱及补水箱组成;废气经水洗后再由防爆栅栏熄灭余火, 保证排气安全。进气系统由进气波纹管、进气防爆栅栏及空气滤清器组成;柴油机气缸返回的火焰由进气防爆栅栏灭火, 确保进气口安全。
2 柴油机车的安全保护装置
2.1
安全保护装置通电后, 主机中的微型计算机通过传感器对温度、压力、水位等参数进行采样和运算, 处理结果送显示电路进行显示, 同时与设定值进行比较, 如果某一路的检测参数超过设定值, 则装置发出声光报警。
2.2
防爆柴油机配置ZEB-15/24防爆柴油机自动保护装置, 具有排气温度、表面温度、冷却水温、机油压力、废气处理水位等5种保护, 并配置便携式瓦斯监测报警仪, 当各项保护超过设定值时, 保护装置发出声光报警信号, 在一分钟内自动停止柴油机工作, 具有可靠性高, 使用维护方便等特点。其电路原理图如下:
3 柴油机车运行要满足的条件
3.1 燃油的选用:
柴油机必须使用符合国家标准的GB252-87环境温度规定指标的轻柴油。根据不同的环境温度选用不同牌号的轻柴油见下表:
为了减少故障, 延长柴油机的使用寿命, 要严格遵守使用清洁燃油的原则。
3.2 润滑油的选用:
柴油机采用的是自然吸气, 选用L-ECC级柴油机机油, 禁用普通柴油机机油, 以避免由此产生的拉缸、抱瓦等意外故障的发生。应根据环境温度, 为柴油机、喷油泵、油浴式空气滤清器选择润滑油。
3.3 冷却水的选用:
柴油机中使用的冷却水应该是清洁的软水, 如河水、雨水、雪水等, 如果使用了含有大量矿物质的硬水, 在高温下, 这些矿物质会从水中沉淀析出来产生水垢。水垢积附在管道和高温零件的壁面上, 会造成管道堵塞和高温零件散热困难, 容易使柴油机过热, 引起故障。
3.4 轨道车场铺设的要求:
由于柴油机车运输牵引能力较强, 拉运车辆多, 要求调车车场要比蓄电池机车车场更长, 一般要达到90米左右, 才能充分发挥柴油机车的运力。
3.5 副井罐笼的尺寸要求:
板集煤矿副井罐笼有效装载长度为5m, 是运输动力机车升入井的必经通道。双向操作的CCG10/9S柴油机车外型尺寸长×宽×高为:5000mm×1120mm×1600mm。一般8T蓄电池机车的外型尺寸长×宽×高为:4850 mm×1120m m×1500 m m。因此板集煤矿副井罐笼均能满足这两种型号机车的提升入井条件。
4 柴油机车与蓄电池机车相比具备的技术特点
CCG10/9S防爆柴油机车与蓄电池电机车相比具有以下特点: (1) 机车功率和牵引力不会随运行时间的增加而减小, 运输效率高, 持续工作能力强。 (2) 不需要设置充电房和充电设备, 减少充电工人员的配备等。 (3) 工作可靠, 使用维护简单, 不需调配制电解液, 对环境污染减小。 (4) CCG10/9S防爆柴油机在控制器内设置了液晶显示屏, 使操作工的视线范围扩大, 更好地保障了行车安全。 (5) 该型号机车柴油机进气口和费气排放口, 均采用特殊改进, 整车具有防爆性能和瓦斯超限自动保护性能, 和防爆蓄电池机车一样, 均适应有瓦斯的井下工作环境。
5 柴油机车与蓄电池机车的经济比较
5.1 每台蓄电池机车每年的运输费用为39.62万元。
并且不包括充电厂房设置建设固定费用需投入80多万和购置充电设备12万元。具体包括: (1) 岗位作业人员 (包括充电工、电瓶维修工、硫酸配制工) 工资费用支出24万/年。 (2) 电池机车年运行费用为15.62万元。每年要更换以下零部件:电枢2台:2台*4000元/台=8000元;控制器1台:1台*7800元/台=15600元;减速机2台:2台*6000元/台=12000元;闸块8块:8块*75元/块=600元;弹簧板4套:4套*750元/套=3000元;硫酸1200公斤:1200公斤*3元/公斤=3600元;按一天按额定功率运行十六小时计算, 运行电费为:30千瓦*16小时/天*365天*0.5元/度=87600元;更换一箱电源装置需3万元;其它小型材料4000元。
5.2 每台防爆柴油机车的运行费用为12.33万元。
具体包括:柴油费用:15公升/小班*3小班/天*30天/月*12月*6.5元/公升=105300元;维修费用:12000元;其它未预见费用:500元/月*12月=6000元。
通过实际使用和理论测算, 仅运行费用一项, 防爆柴油机车比蓄电池机车每年要节约运行费用27.29万元。其次防爆柴油机车与蓄电池机车相比, 省时省力省人工, 同时还消除了蓄电池机车电解液在使用过程中产生的有害气体对环境的污染和对人体的伤害。
6 防爆柴油机车与蓄电池机车的运输能力比较
CCG10/9S防爆柴油机车最大牵引吨位在坡度达到3‰时, 最大牵引吨位达到130吨。如果用柴油机车牵引MGC1.7-9B型矿车的话, 每辆装满矸石的重车按3.7T计算, 一次最多可牵引近35辆重车;同样条件下, 8T蓄电池机车一次最多只能牵引18辆重车。防爆柴油机车的运输能力是一般蓄电池机车近2倍。
7 结语
CCG10/9S防爆柴油机车的应用不仅给煤矿企业节约了大量的资金投入, 同时减轻了工人的劳动强度。运输能力比现在广泛使用的蓄电池机车的功率更大, 机动性和安全性更高, 能够满足现代化大型矿井平巷运输的需求。随着矿井自动化程度的不断加强, 运输系统信集闭系统的不断完善, 电磁远控道岔、载频电话与模调度、以太网在煤矿的广泛应用, 防爆柴油机车大幅度地提升了板集煤矿的运输效率, 在大型现代化矿井中有广泛的应用前景。
摘要：防爆柴油机车是近年来发展较快的一种矿井运输工具, 在现代化矿井中有代替蓄电池电机车的趋势。本文就CCG10/9S防爆柴油机车的使用环境、工作原理、安全保护装置以及应用中的实际效果和产生的经济效益进行了系统的分析和研究。
关键词：矿用防爆柴油机车,工作原理,保护装置,应用分析
矿用防爆柴油机车 篇2
矿用防爆柴油机车作为矿井辅助运输的主要设备[1,2], 因其运输方式灵活、节省人力、运输效率高等特点而得到积极推广[3]。启动电源作为柴油机车重要的配套设备[4,5], 不仅给启动机供电来启动柴油机车, 还给灯、喇叭等机车辅助设备供电。柴油机车启动后, 带动充电机对启动电源进行充电。
目前, 矿用防爆柴油机车的启动电源主要使用隔爆启动型铅酸蓄电池。GB 3836.2—2010《爆炸性环境第2部分:由隔爆外壳“d”保护的设备》规定, 隔爆壳内不能使用有可燃混合物析出的蓄电池, 因此, 需要对现行的煤矿隔爆铅酸蓄电池进行改进, 可替代产品主要有免维护铅酸蓄电池和锂离子蓄电池。免维护铅酸蓄电池容量小、自放电量大、使用寿命短、对环境污染严重[6];锂离子蓄电池具有比功率和比能量高、绿色无污染、使用寿命长等特点, 是铅酸蓄电池的最优替代产品, 是新型二次蓄电池的发展方向。锂离子蓄电池在过放、过充、过热等条件下会导致电池寿命缩短或损坏[7], 本文设计了一套矿用防爆柴油机车锂离子蓄电池启动电源系统, 该系统配备电池管理系统, 可确保锂离子蓄电池使用安全可靠, 延长其使用寿命。
1 煤矿安全标准要求
由于锂离子蓄电池启动电源系统应用于矿用防爆柴油机车, 所以必须满足《矿用隔爆 (兼本安) 型锂离子蓄电池电源安全技术要求 (试行) 》中关于防爆柴油机车启动机用启动电源的所有指标。
1.1 锂离子蓄电池基本要求
(1) 防爆柴油机车启动机用启动电源中锂离子蓄电池的标称容量不超过100A·h; (2) 在正常充、放电过程中单体电池的最高温度不应超过60℃; (3) 锂离子蓄电池应采用串联方式连接, 其类型、规格、技术参数应一致, 并为同一制造厂家生产的产品; (4) 锂离子蓄电池应放置在独立的隔爆腔内, 且该隔爆腔内不应放置除电池管理系统中检测单体电池温度的传感元件和防止锂离子蓄电池安装时发生短路的熔断器以外的其他电气元件; (5) 隔爆腔内不允许锂离子蓄电池以任何形式的并联连接。
1.2 电池管理系统基本要求
应对所有单体电池的电压和极耳处温度, 电池组的电压、电流、电池容量等参数进行检测, 误差应满足表1的要求;测量信息的显示和故障报警功能应满足实际需要;应具有单体电池过放、单体电池过充、放电过流、充电过流、输出短路、温度等保护功能, 以及均衡充电控制功能;应具有电池信息采集线开路保护。
2 系统结构
现场调研启动电源的电压一般不低于24V, 因此系统选用8节标称电压为3.2V的100A·h磷酸铁锂蓄电池串联成组, 得到24V电压。对于电压高于24V的启动电源, 可通过增加串联电池的数量来满足电压需求;对于容量高于100A·h的启动电源, 可通过多个启动电源外部并联的方式提高容量。
依据GB 3836.2—2010的相关规定, 设计3腔 (电池腔、控制腔和接线腔) 结构的隔爆箱, 箱体能够承受1.5 MPa的水压试验。锂离子蓄电池启动电源系统结构如图1所示, 图中Bat1—Bat8为8节单体电池。由8节单体电池串联而成的锂离子蓄电池组及温度传感器放入隔爆箱的电池腔内;总开关、电池管理系统、液晶显示屏和万能开关、中间继电器以及接触器KM1等放入隔爆箱的控制腔内;接线腔为用户提供外部接线端口, 实现启动电源与柴油机车启动机、充电机、司控器的电气连接。用户通过万能开关1-1、万能开关1-2、万能开关2分别实现对启动电源的充电、柴油机车的启动、司控器的供电控制;通过司控器实现对电池管理系统的控制。电池管理系统完成对锂离子蓄电池的电压检测及均衡控制、温度检测、电流检测、电池剩余电量 (State of Charge, SOC) 估算等, 并配合中间继电器和接触器KM1完成对电池组的过充、过放、短路、过温等保护。
3 电池管理实现
3.1 单体电池电压检测及均衡控制
采用LTC6803配合MCU实现对串联电池组的单体电池电压检测和均衡控制, 如图2所示。LTC6803是新一代高电压电池组监视器, 其AD转换速度快, 待机功耗低, 配备通用SPI通信接口, 每片最多可实现12个单体电池串联成组的电压检测和均衡, 每个单体电池电压测量范围为-0.3~5V。MCU选用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103RET6, 该芯片外设SPI通信接口, 具有12路AD采样通道和CAN总线接口等。LTC6803与STM32F103RET6之间的SPI通信使用数字隔离芯片SI8441, 它可实现4个通道的模拟信号隔离, 具有功耗小、速率快 (150 Mbit/s) 、电路简单的特点, 非常适用于数字通信, 避免了光耦隔离电路的繁琐。
系统采用能耗型均衡方式, 即在每个单体电池两端并联1个MOSFET开关和1个电阻, 通过控制MOSFET开关把电池组中高电压单体电池的多余电量通过电阻释放掉。具体过程:STM32F103RET6通过分析LTC6803采集的电压得到高电压单体电池电量, 然后发送CFG (Configuration Register Group) 指令控制LTC6803的S1—S8输出电平来控制MOSFET开关, 通过电阻实现电压均衡。
3.2 单体电池温度、电流检测
单体电池温度检测采用一线总线方式传输的DS18B20温度传感器实现, 如图3所示, 最大程度地简化了布线, 最大误差为0.5℃, 符合煤矿安全相关标准要求。开发程序运用基于二叉树的搜索算法, 首先查找每个DS18B20的64位序列号, 然后对其对应的每个单体电池进行软件编号[8]。
电流检测采用单电源供电的电流霍尔传感器实现。由于启动电流太大, 而充电电流相对较小, 系统选用2个不同量程的单电源电流霍尔传感器HFK400BS5和HFK25BS5。电流霍尔传感器的输出信号通过运放调整电路分别连接STM32F103RET6的2路AD通道进行采样, 如图3所示。
3.3 电池组SOC估算
系统的电池组长期处于浮充状态, 因此对于电池组的瞬态特性, 只考虑欧姆内阻对电池组的影响, 得到电池组开路电压和工作电压的关系式:
式中:Uoc为电池组开路电压;U为电池组工作电压;I为电池组工作电流;r0为电池组欧姆内阻。
选定实际工况对电池进行充放电, 得到特定的充放电曲线。电池组的内阻已知, 工作电压和工作电流可直接测得, 根据式 (1) 可得电池组的开路电压, 然后根据开路电压法得到电池组的SOC。在实际工程应用中, 该方法简单可靠。
4 系统测试
电池组单体电池电压实际值、测量值及误差见表2, 误差远小于煤矿安全标准中的规定值。
电池组电流实际值、测量值及误差见表3, 符合煤矿安全标准的规定。
5 结语
依据《矿用隔爆 (兼本安) 型锂离子蓄电池电源安全技术要求 (试行) 》的规定, 设计了多个单体锂离子蓄电池串联成组的矿用锂离子蓄电池启动电源系统, 通过调节电池组的数量可适用于不同的柴油机车。该系统结构简单可靠, 电池检测数据符合煤矿安全标准相关要求。
摘要：针对GB 3836.2—2010规定隔爆壳内不能使用有可燃混合物析出的蓄电池的要求, 将多个单体锂离子蓄电池串联成组, 设计了一套矿用防爆柴油机车锂离子蓄电池启动电源系统;分析了系统的设计要求和结构, 详细介绍了系统中电池管理功能的实现。电池管理系统采用LTC6803配合单片机实现对电池组的单体电池电压检测和均衡控制, 利用DS18B20温度传感器采集单体电池温度, 运用双电流霍尔传感器采集电池组启动电流和充电电流。测试结果表明, 该系统运行稳定, 电压和电流测量误差远小于煤矿安全标准的规定值。
关键词：防爆柴油机车,锂离子蓄电池,启动电源,电池管理
参考文献
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矿用防爆柴油机车 篇3
随着煤矿采掘机械化程度的提高,以防爆柴油机车作为动力的矿井辅助运输车辆因具备运输距离长、维修保养方便、运输效率高等特点而受到越来越广泛的关注[1,2]。车辆安全保护系统作为确保车辆在井下安全运行的关键系统之一,其性能的优劣对车辆能否安全使用、性能可否充分发挥起到至关重要的作用。
传统的防爆柴油机车安全保护系统具备检测发动机冷却水温、表面温度、排气温度、发动机转速、机油压力及瓦斯体积分数等功能,并能根据这些指标限值对发动机进行断气保护。但随着车辆使用要求的提高而需要越来越多的功能扩展时,传统的安全保护系统由于采用集中控制方式,即所有参数的采集和控制均由单一控制单元实现,因而很难增加监测点及控制输出点,同时,显示器显示参数过少且不清晰也很难满足用户的需求。
本文介绍一种基于CAN总线及采用分布式控制技术的新型防爆柴油机车安全保护系统的设计。该系统克服了传统的安全保护系统的缺陷,具备多参数在线监测及数字仪表显示、蓄电池充放电管理、全矿井车辆远距离数据无线射频通信、车辆与驾驶人员之间的近距离射频通信以实现车辆驾驶人员信息登记及声光预报警、停车保护等多种功能,同时,可方便进行功能扩展。
1 系统结构
新型安全保护系统主要由智能监控单元、显示器、继电器控制箱、总线信号转换器、开关量采集单元5个设备组成,各设备之间采用CAN总线通信,即各数字总线设备将采集到的数据信息通过CAN总线传送到显示器,显示器根据协议进行解析并处理完成监测与显示功能。系统分布式网络拓扑结构[3]如图1所示。
图1中,各设备之间采用长度不超过7 m的MHYVR1×4(7/0.28)型本质安全电缆相互连接。智能监控单元由电池箱提供的DC24 V和DC28 V非本质安全电源(蓄电池输出DC24 V,发电机调节器输出DC28 V)供电,对外采用长度不超过8 m的MYQ型橡套电缆连接。
2 系统硬件设计
新型安全保护系统在兼具传统的安全保护系统已有功能的基础上,采用多节点分布式网络控制方式实时监测和控制整车运行状态及过程,并在相关参数超过预设安全限值的紧急情况下对车辆进行熄火保护。
智能监控单元是新型安全保护系统的主要模块之一,它由非本质安全电源浇封模块和本质安全采集模块组成。采集模块主要负责包括发动机温度、相关压力、液位及转速等行车参数以及瓦斯体积分数等环境参数的采集,并根据当前监测量及预设的相关参数允许范围进行逻辑判断,决定是否输出熄火控制信号以控制熄火断气电磁阀的开合。电源浇封模块则可接入由发电机调节器和蓄电池提供的非本质安全电源,并可将其转为DC12 V本质安全电源,同时,控制非本质安全熄火继电器实现对熄火电磁阀通断的控制。
继电器控制箱的主要功能是主控板接收控制命令,完成包括启动继电器、前灯(远、近光)继电器、尾信号灯继电器、倒车报警继电器及转向灯继电器在内的继电器输出控制,其防爆型式为隔爆型。
开关量采集单元主要负责本质安全型控制开关的接入,是防爆柴油机车安全保护系统的一大改进,与传统的安全保护系统的隔爆型硬开关(即在非本质安全线路上直接进行通断)相比,新型安全保护系统采用MOS开关控制电路的通断,不仅提高了安全可靠性,也大大减小了开关模块的体积。前灯、尾灯以及转向灯开关信号均通过该模块内部的单片机采集,并通过CAN收发器向总线发送,以供继电器控制箱接收后控制相应的继电器动作。
总线信号转换器采集各种传感器信号,如表面温度、排气温度等信号,被采集到的信号由单片机发送至CAN总线。
显示器采用汽车仪表盘显示方式[4,5]。该数字仪表采用高清宽屏液晶显示系统,显示图形贴近汽车仪表图形,可显示车速里程、车辆各种状态、电池管理电量、当前瓦斯体积分数、转速、时速、总里程、温度、水位、油位等参数信息。在各种参数中,重要参数在显示器左侧进行点阵显示,同时在显示器右侧进行具体数值的滚动显示。显示器可完成采集单元与显示器处理单元之间的数据传输、数据存储及相关参数的实时显示与监控;显示器处理单元与外部胶轮车监控系统之间的无线远距离射频通信可完成车辆定位;显示器处理单元与驾驶人员之间的近距离射频通信可完成车辆驾驶人员信息登记以及基于红外遥控方式的显示器人机交互功能。
3 系统功能应用
3.1 正常运行
接通电源气控开关,旋转钥匙开关至通电档,显示器即可正常工作,此时系统自动进入自检程序,同时,智能控制单元输出熄火控制信号,确保自检期间不能启车。自检通过后,停止熄火控制信号输出,此时,显示器显示可以启车。对于“电启动”系统,应将钥匙开关旋转至“启动档”,启车动作发出后,继电器控制箱会根据当前发动机转速值决定是否输出启车继电器控制信号以启动车辆。对于“气启动”系统,可启动相应的气马达开关以启动车辆。车辆正常启动后,所监测的各种参数以图像界面的形式清晰地显示在彩色屏幕上。
3.2 超标与故障报警
车辆在运行过程中,智能监控单元监测到任何参数超标或传感器元件发生故障时,显示器均发出声光报警提示,并在显示器上显示相应的报警界面。故障报警主要指传感头或传感器线路发生短接或断路的情况,其对应的报警方式为间歇式报警,间歇时间可设定。参数超标报警指监测参数超过其正常范围时,除瓦斯体积分数外,显示器先显示该参数的报警内容,连续超标一段时间以上时,智能监控单元将发出熄火控制信号,强行关闭发动机,而瓦斯体积分数超标时,将立即关闭发动机。
4 结语
基于分布式结构的新型防爆柴油机车安全保护系统与传统的集中控制式安全保护系统相比,主要具备以下优点:
(1) 实时监测平台以CAN总线技术为基础,监测参数包括了整车关键部件的温度、压力、液位、瓦斯体积分数、开关量信号,测点功能扩展方便;
(2) 本质安全型液晶显示器采用汽车数字仪表显示方式,直观显示机车运行参数及故障状态;
(3) 具备蓄电池充放电管理功能,为机车安全供电运行、提高蓄电池寿命、方便实时了解电池电量提供了有力保障;
(4) 采用无线射频通信模块可实现远距离车辆定位、数据信息的采集与数据交互;
(5) 采用13.56 MHz读写模块可完成近距离数据信息的采集,实现机车监控仪对车辆驾驶人员信息登记等功能;
(6) 可通过遥控方式灵活配置机车监控仪参数,方便地实现人机交互功能,从而更好地满足不同客户的需求。
该系统在自行研制的7 t多功能机车上进行了为期30 d的井下工业性试验,在整个试验期间,并未发生由于系统电气故障而导致停车的现象。实践证明,该系统电气性能可靠、故障率低,满足矿用车辆的设计要求。
摘要：针对传统的防爆柴油机车安全保护系统采用集中控制方式而存在很难增加监测点及输出控制点的问题,设计了一种基于CAN总线及采用分布式控制方式的新型防爆柴油机车安全保护系统。该系统中的智能监控单元、显示器、继电器控制箱、总线信号转换器、开关量采集单元通过CAN总线组成分布式网络拓扑结构,实时监测机车在行驶过程中的各种状态以及驾驶员输入的信号,实时显示特定参数,并根据所监测到的状态和预先制定的逻辑关系对继电器的输出做出相应控制,从而保证了机车安全、稳定运行。井下工业性试验结果表明,该系统电气性能可靠、故障率低,满足矿用车辆的设计要求。
关键词：防爆柴油机车,安全保护系统,分布式控制,CAN总线
参考文献
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矿用防爆柴油机车 篇4
防爆柴油机无轨胶轮车(以下简称柴油机车)是矿井辅助运输的主要设备。它不需铺设轨道,且运距长,运输机动灵活,具有较大的爬坡能力,可实现从地面至工作面不经转载的直达运输,因而效率较高,既减轻了工人的劳动强度,又大幅度地提高了生产效率和安全性。因此,防爆柴油机车在煤矿得到了大面积推广使用,其相应的保护装置也随之应运而生。目前,矿用柴油机车保护装置在总体架构上采用集中控制,所有参数的采集和控制都由控制单元来实现,用户在增加监测点和控制输出点等功能时不能进行很好的扩展。因此,本文提出一种基于CAN总线的矿用柴油机车保护装置的设计方案。该保护装置各组成设备之间具有即插即用功能,扩展方便,同时采用CAN总线通信方式来交换数据,根据预先设定的逻辑实现机车的分布式控制[1],为矿用柴油机车提供了整车解决方案。
1 保护装置工作原理
新型矿用柴油机车保护装置各组成设备之间通过CAN总线通信,采用分布式控制方式。整个装置主要由显示器、电源控制器、控制箱、信号转换器、信号采集器、电池箱等组成,如图1所示。
启动矿用柴油机车时,将钥匙开关拨到通电档位,电源控制器输出两路本安电源。保护装置通电后,各组成设备向CAN总线发送当前的状态和数据,电源控制器根据CAN总线上收到的数据进行启车控制。当收到的数据不正常或某些参数超限时,用户将钥匙开关拨到启车档位时,保护装置将实现启车闭锁,用户无法启动柴油机车,保护装置的显示器将显示故障原因;如果电源控制器收到的总线数据正常,用户将钥匙开关拨到启车档位即可实现启车。柴油机车启动后,显示器接收各组成设备向CAN总线发送的数据,并显示保护装置的各种参数。当柴油机车的参数超限时,显示器显示当前的报警信息,并发出光报警信号提醒用户。当用户需要实现远近光、转向、倒车等控制时,信号采集器收到组合开关的输入信号后向CAN总线发送控制命令,控制箱收到总线控制命令后控制相对应的继电器实现相应输出。
2 保护装置硬件设计
2. 1 电源控制器
电源控制器主要实现电源非安与本安的转换、总线信号采集、熄火控制以及瓦斯监测等功能。矿用柴油机车调节器的两路非安电源(28 V和24 V电源)接入电源控制器后经DC/DC变换器转换为两路12 V直流电源,然后经本安处理后成为本安电源,一路供显示器使用,另一路供保护装置的其它设备、电源控制器的内部电路和配接设备使用。
2. 2 显示器
显示器以NXP公司生产的32位微控制器LPC2294为核心[2],采用类似汽车仪表盘设计,通过液晶显示、CAN总线通信、无线通信、数据存储和人机交互,实时或滚动显示矿用柴油机车的当前状态和参数。显示器主要由电源转换模块电路、处理器、LCD液晶显示模块电路、射频读写IC卡通信模块电路、2.4 GHz无线射频通信模块电路、CAN总线通信模块电路等组成。
2.3 信号转换器
信号转换器主要将液位、油位、温度、转速和时速等信号进行转换,之后再向CAN总线发送数据供其它设备采集。信号转换器由12 V本安电源供电,本安电源接入后经限流保护进入金升阳DC-DC转换为5 V电源给C8051F502单片机供电。压力、温度、液位数据经过放大电路后进入C8051F502的ADC,换算成对应的参数,C8051F502再将压力、温度、液位、转速或时速等数据发到CAN总线上,供其它设备单元读取。
2.4 信号采集器
信号采集器实现柴油机车的开关量传感元件和本安型控制开关的接入。开关量传感元件主要是油压元件、水位元件或者组合开关(左转、右转、前大灯、远近光等)。开关量信号接入C8051F502的ADC[3],C8051F502通过采集端口电压来监测传感器的四种状态(导通、断开、短路、断路),并自动向CAN总线发送当前的输入状态。
2.5 控制箱
控制箱主要由电源部分、CPU部分、CAN总线接收/发送及隔离部分和继电器控制模块部分等组成。控制箱从CAN总线接收到控制命令后控制其相应的继电器动作。继电器控制模块主要输出左转、右转、前大灯、远近光、倒车、启车灯信号,以及一路18 V/350 mA本安电源输出,作为设备扩展的备用本安电源。
2.6 电池箱
电池箱由2节12 V/12 A·h铅酸蓄电池串联而成,为矿用柴油机车保护装置、矿用柴油机车未启动时的灯光、矿用柴油机车启车提供电源。矿用柴油机车的调节器输入28 V电压,利用充放电模块对电池箱的电池进行充电;放电时,电池电压低于一定值时,充放电模块控制电池对外输出,保护电池箱电池,延长电池使用寿命。
3 保护装置控制流程
矿用柴油机车保护装置控制流程如图2所示。当钥匙开关旋到通电档位后,保护装置进行启车自检。当保护装置检测到瓦斯浓度、温度、压力等参数超限时报警并进行电气闭锁,禁止保护装置启车。当保护装置检测到机车各参数正常时,将钥匙开关旋至启车档,控制箱根据转速信号转换器的转速信号进行判断,当转速大于0时,说明机车已经启动,无需启车;当转速等于0时,电源控制器输出启车命令;当机车发动机的转速为正常怠速并持续一段特定时间、控制箱超过特定的时间未收到停止启车命令、电源控制器发出停止启车命令时,机车控制箱停止发出启车命令,机车启车成功,此时机车由原来的蓄电池供电变为调节器供电,并为蓄电池通电。机车启动后可以正常运行,当机车运行中信号转换器的参数(如瓦斯、温度、转速)出现超限报警时,矿用柴油机车保护装置的控制器输出熄火信号。
4 保护装置特点及功能
(1) 采用分布式控制,各设备之间采用CAN总线传输,具有即插即用功能;
(2) 启车和运行过程中具有自检、预警功能;
(3) 具有车辆行驶速度和里程的测量及时间、日期及驾驶时间的实时采集、记录、存储功能;
(4) 电磁阀具有排温、瓦斯、转速等参数超限控制功能,通过保护装置内部的继电器节点输出控制信号,关闭电磁阀,实现停车;
(5) 超速、瓦斯浓度超限时自动进行声光报警提醒,报警时蜂鸣器发出响声,液晶背光点亮,显示报警内容;
(6) 具有车辆信息管理功能,地面管理计算机软件提供良好的人机界面,实现车辆信息录入、修改、查询统计及报表打印功能;
(7) 具有车辆行驶数据显示功能,瓦斯浓度、排温等参数采用汽车仪表盘方式直接显示,其它监测量由液晶循环显示;
(8) 具有数据通信功能,可通过射频等接口实现与地面管理计算机的通信;
(9) 具有车辆行驶数据显示功能,可实现瓦斯浓度、排温和日期实时显示,其它监测量循环显示[4]。
5 结语
新型矿用柴油机车保护装置各组成设备之间通过CAN总线通信,实现了矿用柴油机车的排温、转速、时速、油压、瓦斯浓度等行车参数监测功能。当所监测的参数超过允许范围或发生故障时,提供声光报警、故障检测和预警提示功能,而且可以通过矿用柴油机车监控仪的开关量输出控制柴油机车的熄火、转向、倒车、远近光等操作,达到控制车辆运行、实现矿用柴油机车保护的目的。
摘要：针对目前矿用柴油机车保护装置因采用集中式控制方式而导致功能单一、功能扩展性能不强等问题,提出了一种基于CAN总线的新型矿用柴油机车保护装置的设计方案,详细介绍了该保护装置的软、硬件设计。该保护装置的各组成设备之间采用分布式控制,通过CAN总线来交换数据,可实现矿用柴油机车的转速、时速、油压、瓦斯浓度等行车参数的监测功能,以及声光报警、故障检测和预警提示功能,且功能扩展方便,为防爆柴油机车提供了整车解决方案。
关键词：煤矿,防爆柴油机车,保护装置,CAN总线,分布式控制
参考文献
[1]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996.
[2]Philips Semiconductors.LPC2292/LPC2294 ProductData[EB/OL].[2010-01-05].http://www.docin.com/p-46550639.ht ml.
[3]张迎新,雷文,姚静文,等.C8051F系列SOC单片机原理及应用[M].北京:国防工业出版社,2005.