一種新型礦用柴油機(jī)車保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

1、一種新型礦用柴油機(jī)車保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)張立斌, 汪學(xué)明, 程劉勝(中煤科工集團(tuán)常州自動(dòng)化研究院,江蘇常州 213015)摘要:針對(duì)目前礦用柴油機(jī)車保護(hù)裝置因采用集中式控制方式而導(dǎo)致功能單一、功能擴(kuò)展性能不強(qiáng)等問題,提出了一種基于CAN總線的新型礦用柴油機(jī)車保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方案,詳細(xì)介紹了該保護(hù)裝置的軟、硬件設(shè)計(jì)。該保護(hù)裝置的各組成設(shè)備之間采用分布式控制,通過CAN總線來交換數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)礦用柴油機(jī)車的轉(zhuǎn)速、時(shí)速、油壓、瓦斯?jié)舛鹊刃熊噮?shù)的監(jiān)測(cè)功能,以及聲光報(bào)警、故障檢測(cè)和預(yù)警提示功能,且功能擴(kuò)展方便,為防爆柴油機(jī)車提供了整車解決方案。關(guān)鍵詞:煤礦;防爆柴油機(jī)車;保護(hù)裝置;CAN總線;分布式控制中圖分類

2、號(hào):TD524.3/67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2011-03-2908:39DesignofaNovelProtectionDeviceofMine usedDieselLocomotiveZHANGLi bin, WANGXue ming, CHENGLiu sheng(ChangzhouAutomationResearchInstituteofChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCorporation,Changzhou213015,China)Keywords:coalmine,explosion proofdiesellocomotiv

3、e,protectiondevice,CANbus,distributedcontrol0 引言防爆柴油機(jī)無軌膠輪車(以下簡(jiǎn)稱柴油機(jī)車)是礦井輔助運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備。它不需鋪設(shè)軌道,且運(yùn)距長,運(yùn)輸機(jī)動(dòng)靈活,具有較大的爬坡能力,可實(shí)現(xiàn)從地面至工作面不經(jīng)轉(zhuǎn)載的直達(dá)運(yùn)輸,因而效率較收稿日期:2011-01-12基金項(xiàng)目:天地科技股份有限公司科技發(fā)展基金項(xiàng)目(TZ-JJ-2010-SXMJ-2)作者簡(jiǎn)介:張立斌(1976-),男,湖南岳陽人,工程師,現(xiàn)主要從事煤礦安全監(jiān)測(cè)、傳感器研發(fā)工作。E mail:day213015高,既減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,又大幅度地提高了生產(chǎn)效率和安全性。因此,防爆柴油機(jī)車在煤礦

4、得到了大面積推廣使用,其相應(yīng)的保護(hù)裝置也隨之應(yīng)運(yùn)而生。目前,礦用柴油機(jī)車保護(hù)裝置在總體架構(gòu)上采用集中控制,所有參數(shù)的采集和控制都由控制單元來實(shí)現(xiàn),用戶在增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)和控制輸出點(diǎn)等功能時(shí)不能進(jìn)行很好的擴(kuò)展。因此,本文提出一種基于CAN總線的礦用柴油機(jī)車保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方案。該保護(hù)裝置各組成設(shè)備之間具有即插即用功能,擴(kuò)展方便,同時(shí)采用CAN總線通信方式來交換數(shù)據(jù),根據(jù)預(yù)先設(shè)定的邏輯實(shí)現(xiàn)機(jī)車的分布式控制1,為12礦用柴油機(jī)車提供了整車解決方案。1 保護(hù)裝置工作原理工礦自動(dòng)化2.2 顯示器2011年4月顯示器以NXP公司生產(chǎn)的32位微控制器LPC2294為核心2,采用類似汽車儀表盤設(shè)計(jì),通過液晶顯示、CA

5、N總線通信、無線通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和人機(jī)交互,實(shí)時(shí)或滾動(dòng)顯示礦用柴油機(jī)車的當(dāng)前狀態(tài)和參數(shù)。顯示器主要由電源轉(zhuǎn)換模塊電路、處理器、LCD液晶顯示模塊電路、射頻讀寫IC卡通信模塊電路、2.4GHz無線射頻通信模塊電路、CAN總線通信模塊電路等組成。2.3 信號(hào)轉(zhuǎn)換器信號(hào)轉(zhuǎn)換器主要將液位、油位、溫度、轉(zhuǎn)速和時(shí)速等信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,之后再向CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)供其它設(shè)備采集。信號(hào)轉(zhuǎn)換器由12V本安電源供電,本安電源接入后經(jīng)限流保護(hù)進(jìn)入金升陽DC-DC轉(zhuǎn)換為5V電源給C8051F502單片機(jī)供電。壓新型礦用柴油機(jī)車保護(hù)裝置各組成設(shè)備之間通過CAN總線通信,采用分布式控制方式。整個(gè)裝置主要由顯示器、電源控制器、控制

6、箱、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)采集器、電池箱等組成,如圖1所示。圖1 新型礦用柴油機(jī)車保護(hù)裝置組成力、溫度、液位數(shù)據(jù)經(jīng)過放大電路后進(jìn)入C8051F502的ADC,換算成對(duì)應(yīng)的參數(shù),C8051F502再將壓力、溫度、液位、轉(zhuǎn)速或時(shí)速等數(shù)據(jù)發(fā)到CAN總線上,供其它設(shè)備單元讀取。2.4 信號(hào)采集器信號(hào)采集器實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)車的開關(guān)量傳感元件和本安型控制開關(guān)的接入。開關(guān)量傳感元件主要是油壓元件、水位元件或者組合開關(guān)(左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前大燈、遠(yuǎn)近光等)。開關(guān)量信號(hào)接入C8051F502的ADC3,C8051F502通過采集端口電壓來監(jiān)測(cè)傳感器的四種狀態(tài)(導(dǎo)通、斷開、短路、斷路),并自動(dòng)向CAN總線發(fā)送當(dāng)前的輸入狀態(tài)。2.5

7、 控制箱控制箱主要由電源部分、CPU部分、CAN總線接收/發(fā)送及隔離部分和繼電器控制模塊部分等組成。控制箱從CAN總線接收到控制命令后控制其相應(yīng)的繼電器動(dòng)作。繼電器控制模塊主要輸出左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前大燈、遠(yuǎn)近光、倒車、啟車燈信號(hào),以及一路18V/350mA本安電源輸出,作為設(shè)備擴(kuò)展的備用本安電源。2.6 電池箱電池箱由2節(jié)12V/12A h鉛酸蓄電池串聯(lián)而成,為礦用柴油機(jī)車保護(hù)裝置、礦用柴油機(jī)車未啟動(dòng)時(shí)的燈光、礦用柴油機(jī)車啟車提供電源。礦用柴油機(jī)車的調(diào)節(jié)器輸入28V電壓,利用充放電模塊對(duì)電池箱的電池進(jìn)行充電;放電時(shí),電池電壓低于一定值時(shí),充放電模塊控制電池對(duì)外輸出,保護(hù)電池箱電池,延長電池使用壽命

8、。啟動(dòng)礦用柴油機(jī)車時(shí),將鑰匙開關(guān)撥到通電檔位,電源控制器輸出兩路本安電源。保護(hù)裝置通電后,各組成設(shè)備向CAN總線發(fā)送當(dāng)前的狀態(tài)和數(shù)據(jù),電源控制器根據(jù)CAN總線上收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行啟車控制。當(dāng)收到的數(shù)據(jù)不正?；蚰承﹨?shù)超限時(shí),用戶將鑰匙開關(guān)撥到啟車檔位時(shí),保護(hù)裝置將實(shí)現(xiàn)啟車閉鎖,用戶無法啟動(dòng)柴油機(jī)車,保護(hù)裝置的顯示器將顯示故障原因;如果電源控制器收到的總線數(shù)據(jù)正常,用戶將鑰匙開關(guān)撥到啟車檔位即可實(shí)現(xiàn)啟車。柴油機(jī)車啟動(dòng)后,顯示器接收各組成設(shè)備向CAN總線發(fā)送的數(shù)據(jù),并顯示保護(hù)裝置的各種參數(shù)。當(dāng)柴油機(jī)車的參數(shù)超限時(shí),顯示器顯示當(dāng)前的報(bào)警信息,并發(fā)出光報(bào)警信號(hào)提醒用戶。當(dāng)用戶需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近光、轉(zhuǎn)向、倒車等控

9、制時(shí),信號(hào)采集器收到組合開關(guān)的輸入信號(hào)后向CAN總線發(fā)送控制命令,控制箱收到總線控制命令后控制相對(duì)應(yīng)的繼電器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)輸出。2 保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)2.1 電源控制器電源控制器主要實(shí)現(xiàn)電源非安與本安的轉(zhuǎn)換、總線信號(hào)采集、熄火控制以及瓦斯監(jiān)測(cè)等功能。礦用柴油機(jī)車調(diào)節(jié)器的兩路非安電源(28V和24V電源)接入電源控制器后經(jīng)DC/DC變換器轉(zhuǎn)換為兩路12V直流電源,然后經(jīng)本安處理后成為本安電源,一路供顯示器使用,另一路供保護(hù)裝置的其它設(shè)備、電源控制器的內(nèi)部電路和配接設(shè)備使用。2011年第4期3 保護(hù)裝置控制流程張立斌等:一種新型礦用柴油機(jī)車保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)4 保護(hù)裝置特點(diǎn)及功能13礦用柴油機(jī)車保護(hù)裝置控制流

10、程如圖2所示。當(dāng)鑰匙開關(guān)旋到通電檔位后,保護(hù)裝置進(jìn)行啟車自檢。當(dāng)保護(hù)裝置檢測(cè)到瓦斯?jié)舛?、溫度、壓力等參?shù)超限時(shí)報(bào)警并進(jìn)行電氣閉鎖,禁止保護(hù)裝置啟車。當(dāng)保護(hù)裝置檢測(cè)到機(jī)車各參數(shù)正常時(shí),將鑰匙開關(guān)旋至啟車檔,控制箱根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行判斷,當(dāng)轉(zhuǎn)速大于0時(shí),說明機(jī)車已經(jīng)啟動(dòng),無需啟車;當(dāng)轉(zhuǎn)速等于0時(shí),電源控制器輸出啟車命令;當(dāng)機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為正常怠速并持續(xù)一段特定時(shí)間、控制箱超過特定的時(shí)間未收到停止啟車命令、電源控制器發(fā)出停止啟車命令時(shí),機(jī)車控制箱停止發(fā)出啟車命令,機(jī)車啟車成功,此時(shí)機(jī)車由原來的蓄電池供電變?yōu)檎{(diào)節(jié)器供電,并為蓄電池通電。機(jī)車啟動(dòng)后可以正常運(yùn)行,當(dāng)機(jī)車運(yùn)行中信號(hào)轉(zhuǎn)換器的參

11、數(shù)(如瓦斯、溫度、轉(zhuǎn)速)出現(xiàn)超限報(bào)警時(shí),礦用柴油機(jī)車保護(hù)裝置的控制器輸出熄火信號(hào)。(1)采用分布式控制,各設(shè)備之間采用CAN總線傳輸,具有即插即用功能;(2)啟車和運(yùn)行過程中具有自檢、預(yù)警功能;(3)具有車輛行駛速度和里程的測(cè)量及時(shí)間、日期及駕駛時(shí)間的實(shí)時(shí)采集、記錄、存儲(chǔ)功能;(4)電磁閥具有排溫、瓦斯、轉(zhuǎn)速等參數(shù)超限控制功能,通過保護(hù)裝置內(nèi)部的繼電器節(jié)點(diǎn)輸出控制信號(hào),關(guān)閉電磁閥,實(shí)現(xiàn)停車;(5)超速、瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警提醒,報(bào)警時(shí)蜂鳴器發(fā)出響聲,液晶背光點(diǎn)亮,顯示報(bào)警內(nèi)容;(6)具有車輛信息管理功能,地面管理計(jì)算機(jī)軟件提供良好的人機(jī)界面,實(shí)現(xiàn)車輛信息錄入、修改、查詢統(tǒng)計(jì)及報(bào)表打印

12、功能;(7)具有車輛行駛數(shù)據(jù)顯示功能,瓦斯?jié)舛取⑴艤氐葏?shù)采用汽車儀表盤方式直接顯示,其它監(jiān)測(cè)量由液晶循環(huán)顯示;(8)具有數(shù)據(jù)通信功能,可通過射頻等接口實(shí)現(xiàn)與地面管理計(jì)算機(jī)的通信;(9)具有車輛行駛數(shù)據(jù)顯示功能,可實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛?、排溫和日期?shí)時(shí)顯示,其它監(jiān)測(cè)量循環(huán)顯示。5 結(jié)語新型礦用柴油機(jī)車保護(hù)裝置各組成設(shè)備之間通過CAN總線通信,實(shí)現(xiàn)了礦用柴油機(jī)車的排溫、轉(zhuǎn)速、時(shí)速、油壓、瓦斯?jié)舛鹊刃熊噮?shù)監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)所監(jiān)測(cè)的參數(shù)超過允許范圍或發(fā)生故障時(shí),提供聲光報(bào)警、故障檢測(cè)和預(yù)警提示功能,而且可以通過礦用柴油機(jī)車監(jiān)控儀的開關(guān)量輸出控制柴油機(jī)車的熄火、轉(zhuǎn)向、倒車、遠(yuǎn)近光等操作,達(dá)到控制車輛運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)礦用柴油機(jī)車保護(hù)的目的。參考文獻(xiàn):1 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北