防爆无轨胶轮车安全保护系统的研究

2020-04-12孙知宇

机械管理开发 2020年12期

孙知宇

（同煤集团北辛窑煤业公司，山西忻州036700）

引言

防爆无轨胶轮车可被应用于矿井危险环境中，有着很好的机动灵活性和爬坡能力，采用一个机车就可以完成支架的拆除、铲装、卸载及调整，可有效降低作业人员的劳动强度，不需要为其单独铺设轨道，可从工作面直接到达地面，具有高效快捷等特点[1]，是矿井辅助运输最为先进的运输设备。胶轮车运行时间长，如果防爆措施失效，柴油机形成的火焰和高温则不能有效控制，与环境中的可燃气体接触会存在爆炸风险，因此需要设计胶轮车安全保护系统，对胶轮车运行状态进行实时监控，保证车辆的运行安全。

1 防爆无轨胶轮车的安全影响因素

1.1 瓦斯浓度

煤矿井下存在的瓦斯是以甲烷为主的有害气体，存在着瓦斯爆炸和人员窒息风险。气体浓度超过极值并与氧气混合，再与火花接触则会产生爆炸，引发严重的矿难事故，需要对瓦斯气体浓度进行监测，在瓦斯浓度超过1%发出报警信号。

1.2 柴油机尾气温度

无轨胶车在爆炸气体环境中工作，如果柴油机排出的高温尾气、运行时产生的火花与爆炸气体接触则会引发爆炸。不经处理的尾气温度约为650℃，完全可以将瓦斯气体点燃[2]。而尾气采用冷却水箱进行降温，如果受损或冷却失效，会使尾气温度升高，需要对尾气温度进行实时监测，当温度超过设定值则需要停机或维修，尾气的安全温度区间为0～70℃。

1.3 柴油机机体温度

柴油机表面会与爆炸气体接触，高温是引发安全事故的必要条件，需要对机体温度进行监测，保证机体温度不超过150℃。

1.4 冷却水温度

冷却水对降低柴油机体温度发挥着重要作用，如果温度太高则达不到冷却效果，需要对冷却温度进行监测，保证温度区间在0～95℃，超过上限值则发出报警信号，停机休息或更换冷却水。

1.5 尾气有害气体

柴油机运行排出的尾气中含有一氧化碳和氮氧化物，如果气体浓度过高则会对身体造成危害，需要对排放的尾体浓度进行监测（一氧化碳0.1%、氮氧化物0.08%），如果检测到有害气体超过上限，需要停机进行维修，当尾气排放达到标准以后进行作业。

1.6 机油压力

胶轮车机油对柴油机正常运行起到润滑作用，需要对机油压力进行监测，如果油压太低，会使部件由于得不到有效的润滑而受损，机油压力超过规定的压力后需要停机检修。

1.7 净化水箱水位

如果冷却净化水位小于下限值则失去冷却效果，不能将尾气中的火花熄灭，温度也达不到设计要求，起不到净化有害气体的效果。需要对净化水箱水位进行检测，当低于下限值需要停机来补充净化水。

1.8 车速

受到煤矿巷道条件限制，防爆胶轮车应该限制在30 km/h，避免由于高速引发事故。

2 防爆无轨胶轮车安全保护系统的功能

为保证胶轮车安全运行，应该在启动前进行安全检测，对运行状态信息进行采集和分析，如果检测数据满足安全运行条件，则发出信号驱动柴油机启动机运行。如果检测数据不满足安全条件，柴油机则无法启动，安全保护系统通过人机界面发出提示信息，工作人员需要对胶轮车异常信息进行检查[3]。如果胶轮车在工作状态下检测到运行数据超出安全区间，则会发出报警信息提示工作人员停机处理，如果在设定时间内没有采取处理措施，系统则会强制柴油机熄火。如果检测到车辆速度超过上限值，系统则会发出信息提示减速，如果工作人员没有采取减速操作，系统自动将车速调整到安全区间。防爆无轨胶轮车安全保护系统工作流程如图1所示。

图1 防爆无轨胶轮车安全保护系统流程图

3 安全保护系统的硬件设计

3.1 硬件架构

硬件系统由传感器、S3C2440A模块和响应模块构成，传感器将采集到的瓦斯浓度、柴油机身温度、机油压力、一氧化碳浓度、氮氧化物浓度、净化水液位、转速信号经过模数转换后发送给处理器，将胶轮车运行信息显示在人机界面，处理器将采集到的信号进行分析，控制柴油机的启动与转速，并发出声光报警信号。为了对胶轮车运行状态进行分析还需要配置存储器模块，可以为后续的车辆故障处理和维护提供便利，通信模块是将处理器与上位机进行数据交互，具体框架结构见图2所示。

图2 安全保护系统硬件框架图

3.2 处理器

安全保护系统采用S3C2400A芯片，是具有指令集的32位处理器，指令高速缓存和数据缓存都分别为16 kB，内核采用1.25 V供电，外部I/O接口为3.3 V，该芯片具有很好的抗电磁干扰能力，可以在严酷的环境下稳定运行，满足胶轮车安全保护系统的设计需要。处理器还具有模数转换功能，可以减少外围电路设计的工作量，芯片购置成本低，配套硬件驱动丰富，可以缩短开发周期[4]。

3.3 最小系统电路

安全保护系统运行需要时钟信号，根据S3C2440A芯片数据资料中要求的工作频率和锁相环PLL电路，需要为系统配置12 MHz无源晶振，通过芯片内倍频和整形处理后，可形成533 MHz工作频率，可以保证CPU的正常运行，还可以为USB接口提供48 MHz的频率。芯片PLL电路可以对频率进行放大，并具备信号提纯处理功能，可以在外部较低的时钟信号条件得到更高的工作频率，这对减小高频噪声干扰十分有利。

3.4 数据采集电路

尾气排放温度、冷却水温度均可以采用DS18B20传感器进行采集，供电电压为DC 3～5 V，可采集温度区间为-55～+125℃，采用单总线方式进行通信，将数据IO直接与处理器的GPIO口连接，有很好的抗电磁干扰能力。采集到的温度信号通过数字量串行发送到S3C2440A芯片，采用C语言编程应该严格按着时序要求。柴油机身温度的检测应用LM35H传感器，可采集温度区间为-55～+150℃，可以达到±℃的准确率，供电电压为DC4～30 V，可采用单源或双电源供电方式，输出信号接处理器的模数转换I/O口。一氧化碳浓度检测采用MQ-7传感器，气敏元件为二氧化锡，会随着一氧化碳浓度成比例增长，检测量程可达到10～1 000 ppm，供电电压为DC 5 V，而柴油机排放的尾气成分较多，会对一氧化碳检测产生干扰，需要选用具有过滤功能传感器。氮氧化物气检测对象为一氧化氮、二氧化氮，选择4NO-2000、4NO2-2000两种传感器，输出为0～1.44 A电流信号，气体检测量程为0～1 000 ppm，需要通过运算放大器对电极C端及R端电势进行调整，W端这运算放器后与处理器的模数转换接口连接。瓦斯浓度的检测选用LMJC4/3.0传感器,供电电压为DC3 V，量程可达到0～40 000×10-6，输隐电压会随着气体浓度变大而增长，在检测1%瓦斯气体浓度时输出电压为20 mV，处理器模数转换接口电压为0～3.3 V，需要将输出信号放大至100倍。机油压力按1 MPa量程选择，选择AP681-010-A压力传感器，经过ADC0809芯片转换后与处理器数字量信号端连接。冷却净化水箱水位检测采用浮子式液位计，采用DC 5 V供电，经过ADC0809转换后与处理器数字信号引脚连接。车速检测采用AH3144E霍尔传感器，根据处理器接收到高、低电压信号来处理得到车速信号。

3.5 LCD电路

人机界面选用4.3寸的LR043JC211液晶屏，控制时序由处理器提供TFT控制信号，还具有视频数据接口V23∶0。LCDCDMA可编程寄存器可将帧存储器数据发送到LCD驱动器中，屏上显示数据不再通过CPU处理。VIDPRCS获取该寄存器视频数据信息，通过格式转换后输送给V23∶0后再提供给LCD驱动器，VCLK为时钟信号，提供不小于16.5 MHz的频率。

3.6 报警电路

安全保护系统的报警电路是由蜂鸣器、LED灯组成，系统检测到运行异常则会发出声光报警，需要通过控制程序来完成。

4 程序

S3C2440A芯片采用嵌入式操作系统，编译软件采用ADS1.2，是嵌入式微控制器集成开发工具，具有软件调试和硬件仿真功能，可利用汇编、C语言等进行编程，安全保护系统程序编写在Code Warrior for Arm中实现，采用AXD调试器进行编译后调试。主函数调用子程序来实现保护功能，主程序由启动自检程序、数据采集处理程序、响应控制程序构成。启动自检程序由Boot Loader及初始化语句构成，数据采集处理程序对硬件接口进行检测，完成模数转换后对数据进行分析与处理，经过通信接口将数据发送到LCD屏中，对上限参数进行设置，完成按键检测和报警控制输出功能。响应程序对控制模块、LCD显示和声光报警进行控制。