一种新型矿用柴油机车保护装置的设计
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第4期 2011年4月工矿自动化Industry and M ine A ut omatio nNo.4 Apr.2011文章编号:1671-251X(2011)04-0011-03 DOI:CNKI:32-1627/TP.20110329.0839.001一种新型矿用柴油机车保护装置的设计张立斌, 汪学明, 程刘胜(中煤科工集团常州自动化研究院,江苏常州 213015)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;分布式控制中图分类号:TD524.3/67 文献标识码:B 网络出版时间:2011-03-2908:39 网络出版地址:http://w /kcms/detail/32.1627.TP.20110329.0839.001.htmlDesign of a Novel Protection Device of M ine used Diesel Locomot iveZH ANG Li bin, WANG Xue ming, CH ENG Liu sheng(Chang zhou Auto matio n Research Institute o f China Coal T echno logy and EngineeringGroup Corporation,Changzho u 213015,China)Abstract :For problems of single function and poo r function ex panding caused by centralized control mo de o f curr ent pro tection device o f m ine used diesel loco motive,the paper put for ward a design schem e o f novel pro tection device of m ine used diesel lo com otiv e based on CAN bus and intro duced softw are and hardw are designs of the pr otectio n dev ice in ponents o f the protection device adopts distributed contr ol mode and ex chang e data thr oug h CAN bus.T he protection device can realize mo nitoring functions of operating param eters of mine used diesel lo com otive such as rotational speed,speed,oil pressure,gas co ncentratio n and so on,and functions of acousto o ptic alarming,fault detectio n and pre alarming,and has perfect function expanding perform ance,w hich pro vides a co mpleted r esolutio n for ex plosion proo f diesel lo com otive.Key words :coal mine,ex plo sion proof diesel lo com otiv e,pro tection device,CAN bus,distributed contro l 收稿日期:2011-01-12基金项目:天地科技股份有限公司科技发展基金项目(TZ -JJ -2010-S XM J -2)作者简介:张立斌(1976-),男,湖南岳阳人,工程师,现主要从事煤矿安全监测、传感器研发工作。
E mail:day213015@0 引言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。
图1 新型矿用柴油机车保护装置组成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(28V 和24V 电源)接入电源控制器后经DC/DC 变换器转换为两路12V 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、2.4GH z 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12V 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5V 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18V/350mA 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12V/12A 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28V 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。
12 工矿自动化2011年4月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。
图2 矿用柴油机车保护装置控制流程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]。
