礦用卡車消防控制系統(tǒng)改造研究與設(shè)計

趙鵬飛，金 鑫，王東飛，韓 鵬，高金榮

（神華哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

礦用卡車消防控制系統(tǒng)改造研究與設(shè)計

趙鵬飛，金 鑫，王東飛，韓 鵬，高金榮

（神華哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

MT4400與MT5500卡車作為哈爾烏素露天煤礦重要的運輸設(shè)備，在運行中頻繁出現(xiàn)滅火器自動釋放現(xiàn)象，針對此現(xiàn)象提出了相應(yīng)的改造方案，一定程度上降低了該故障發(fā)生的頻率，保障設(shè)備安全運行。

PLC；源型；漏型；信號干擾

0 引 言

在哈爾烏素露天煤礦礦區(qū)，MT4400與MT5500卡車已運行l(wèi)0余年，在多年的運行作業(yè)中由于其自動滅火存在著缺陷，無火情情況下滅火器頻繁自動釋放的現(xiàn)象持續(xù)存在，造成成本的浪費，對設(shè)備其它元部件構(gòu)成安全隱患。通過對該故障現(xiàn)象進行研究和探索，制定了一套切實可行的解決方案，有效避免了類似的故障重復(fù)發(fā)生。

1 消防控制系統(tǒng)原理

MT4400與MT5500卡車使用的消防控制系統(tǒng)電路（圖1）是由控制盒、檢測線纜、電池、爆管、小氮氣瓶、大氮氣瓶和干粉滅火器等組成[1]?？刂坪惺钦麄€消防控制系統(tǒng)的控制部分，控制盒接線端子1和2是外部輸入電源接線端，與卡車電瓶正負極連接。3和4號接線端子連接檢測線纜，在檢測線纜的末端接1個4.7 kΩ的標準電阻，控制盒通過這2個端子監(jiān)測檢測線纜的阻值變化判斷是否有火情發(fā)生。5和6號接線端子之間直接連接一個4.7 KΩ的標準電阻，它的主要作用是為控制盒提供一個標準阻值，用來與3和4號的阻值進行對比。7和8號接線端子直接與爆管連接，控制盒可以通過激發(fā)爆管引導(dǎo)干粉滅火器噴射。14和15號接線端子連接的是一個關(guān)閉開關(guān)。檢測線纜是消防控制系統(tǒng)中的火情探測部分，是由一根兩芯電纜與在末端兩線芯之間連接的一個4.7 kΩ的標準電阻構(gòu)成。檢測線纜主要布置在卡車駕駛室平臺與發(fā)動機出入口周圍的夾板層周圍以及發(fā)動機后側(cè)排煙管附件，用緊固螺母與線夾固定。電池的作用是在外部電源關(guān)閉（卡車電瓶關(guān)閉）的情況下對消防控制系統(tǒng)繼續(xù)提供電源，使系統(tǒng)繼續(xù)運行。爆管是消防控制系統(tǒng)的控制輸出部分(間接觸發(fā)滅火器噴發(fā))，只有當控制盒判斷已經(jīng)發(fā)生火情需要進行滅火時才會激發(fā)爆管，爆管激發(fā)后，爆炸頭擊破小氮氣瓶封口，使小氮氣瓶噴發(fā)從而間接觸發(fā)干粉滅火器噴發(fā)。小氮氣瓶的作用是直接觸發(fā)干粉滅火器噴發(fā)，但小氮氣瓶的噴發(fā)即可以通過控制爆管激發(fā)進行也可以人工推按壓扭操作。

當卡車發(fā)動機或排煙管等部位有起火事故發(fā)生后，布置在周圍及發(fā)動機上方的檢測線纜被燃燒的火焰高溫炙烤或引燃，檢測線纜絕緣被燒壞，線纜的兩芯線因為絕緣損壞而短路連接，檢測線纜回路阻值由于短路大大小于控制盒接線端子5和6號之間接的4.7 kΩ標準電阻。這種情況下，控制盒將導(dǎo)通釋放電路使爆管激發(fā)，從而觸發(fā)駕駛室的小氮氣瓶噴發(fā)，小氮氣瓶再觸發(fā)在車架上緊固的大氮氣瓶，大氮氣瓶中的壓縮氮氣順管路進入干粉滅火器，大量的壓縮氮氣將瓶中干粉沖出并沿噴射管路從噴口噴向指定部位進行滅火。

圖1 消防控制系統(tǒng)電路（改造前）

2 改造原因分析

現(xiàn)在使用的消防控制系統(tǒng)在運行中頻繁出現(xiàn)滅火器自動釋放的缺陷，造成不小的成本支出，下面將從造成這種情況發(fā)生的原因方面進行闡述。

1）電路和環(huán)境干擾。消防控制系統(tǒng)是通過將連接在控制盒接線端子3和4號的檢測線纜回路的阻抗值與接線端子上5和6號連接的4.7 kΩ的標準電阻進行對比，根據(jù)阻值對比情況來判斷是否有起火事故發(fā)生。這一過程是一個模擬量對比的過程，通過應(yīng)用局部歐姆定律R=U/I[8]，我們可以知道檢測線纜回路的電流Imax≈24/4 700=0.005 1 A，是一個很小的微電流信號，微小電流信號極易受到信號干擾，所以一般用于模擬量信號傳輸?shù)木€路都有屏蔽保護設(shè)計，而檢測線纜是一根兩芯電纜，無屏蔽層和屏蔽接地，不能很好消除干擾信號，但線纜敷由于空間限制使的通過駕駛室的部分檢測線纜與控制電路的線束在同一線管內(nèi)穿過，控制電路的導(dǎo)線是普通的絕緣導(dǎo)線并無屏蔽保護，對同樣沒有屏蔽保護的檢測線纜線芯回路的微電流信號很容易造成干擾[7]，從而引起消防控制系統(tǒng)錯誤的釋放滅火器。

由于探測火情的需要，檢測線纜必須布置在卡車的易起火部位才能有效的確保設(shè)備安全運行。發(fā)動機作為卡車最重要的組成部分燃油管路和控制電路密集且屬于高溫運行是卡車的重點起火部位，所以檢測線纜主要被布置在發(fā)動機的周圍?？ㄜ囎鳂I(yè)過程中，發(fā)動機長時間運行，它周圍處于持續(xù)的高溫狀態(tài)。溫度的變化會對導(dǎo)體的阻抗造成影響，一般來說導(dǎo)體的阻抗隨溫度上升而減弱，從而導(dǎo)致該導(dǎo)體所在回路電流增加，溫度下降又使電流減少，造成信號變化不規(guī)律,使其波動所以消防控制系統(tǒng)同樣很容易因為高溫環(huán)境干擾引發(fā)滅火器自動釋放。

2）檢測線纜磨損。檢測線纜是消防控制系統(tǒng)探測火情的部分，主要布置在發(fā)動機周圍[2]。而電動輪卡車的發(fā)動機是卡車主發(fā)電機和液壓裝置的主要動力來源，是卡車的核心部件，周圍遍布控制線路線纜和各種油路管路，因此定期保養(yǎng)和日常維護作業(yè)都比較頻繁，檢測線纜誤碰誤傷和磨損情況較多，線纜絕緣長期重復(fù)性磨損直至破損，導(dǎo)致檢測線纜線芯接地，引起消防控制系統(tǒng)錯誤的判斷，造成滅火器自動釋放這種情況。

3 解決方案

原消防控制系統(tǒng)檢測線纜存在的缺陷主要為電路電流和高溫環(huán)境對線纜信號的干擾問題，其次為檢測線纜磨損和消防控制模塊抗干擾性能不強。為了解決這些問題，本次改造選用PLC（可編程控制器）作為改造消防控制系統(tǒng)的控制器，選用型號為西門子S7-200小型機，具有運行可靠，抗干擾能力強，通用性強等優(yōu)點，配合輔助電路可以很好的解決干擾問題。

1）電路改造。S7-200是西門子公司的一款小型PLC，專用于小型控制系統(tǒng)，費用低，抗干擾性能好，用來作為改造消防控制系統(tǒng)的控制器非常合適。但只使用PLC作為控制器并不能從根本上消除缺陷，為了更好的解決信號干擾和磨損問題還需要加以設(shè)計輔助電路來配合完成。由于信號干擾和線纜磨損問題的主要所在就是檢測線纜，所以本次改造的電路設(shè)計主要是圍繞檢測線纜的探測原理和信號傳輸方式展開，并配合設(shè)計報警電路[5]進行預(yù)警。設(shè)計電路如圖2所示。

本次改造將爆管與供電電池的連接設(shè)計為串聯(lián)，常態(tài)為斷路模式，這樣可以節(jié)約電池的損耗，減少電池更換次數(shù)。對于檢測線纜：①在信號傳輸?shù)姆绞缴?，去掉線纜末端串聯(lián)的4.7 kΩ標準電阻，使檢測線纜由原來的電路回路變?yōu)閱为毜膬尚揪€纜，將其分別連接在PLC對應(yīng)的數(shù)字量輸入端，改變?yōu)閿?shù)字量信號傳輸方式；②在檢測線纜與PLC輸入端子連接方式上，兩線芯要分開并且要采用不同的連接方式，其中一根線芯使用源型接線方式（輸入信號為有源信號）連接，另一個線芯則使用漏型接線方式（輸入端子提供信號源）連接[3]。這樣做可以保證檢測線纜的火情探測性能不低于改造前，同時對于解決信號干擾和磨損問題提供了便利。

圖2 改造設(shè)計電路原理

檢測線纜的兩線芯分別連接在PLC的I0.3與I0.4端子上，兩根線芯分別采用源型和漏型接法連接在PLC輸入端的，所以，端子I0.4的信號輸入方式是源型，即有正向電流進入產(chǎn)生輸入信號，另一個端子I0.3的信號輸入方式是漏型，即有正向電流流出產(chǎn)生輸入信號。正常情況下，由于檢測線纜兩線芯單獨連接在 PLC與檢測線纜的連接端子I0.3或I0.4上，兩線芯與PLC輸入端的回路都處于斷開狀態(tài)，兩線芯均無電流產(chǎn)生，所以不論是來自控制系統(tǒng)的外接電源、電路還是其他的電磁電流等干擾信號都不能對改造后的消防控制系統(tǒng)造成實質(zhì)影響。當發(fā)生起火事故時，受火部位的檢測線纜燃燒，絕緣損壞或破損，兩線芯直接接觸，端子I0.3輸出的正向電流經(jīng)兩線芯相觸處進入端子i0.4，端子I0.3和I0.4與PLC輸入端的回路均導(dǎo)通，所以端子i0.3與i0.4都形成有效輸入信號送入PLC內(nèi)部，PLC會按照植入的編寫程序，這種情況下，延時指示燈將持續(xù)閃爍10 s，時間到以后將激發(fā)爆管電路，釋放滅火器進行滅火，保障設(shè)備的安全運行?；鹎樘綔y原理如圖3。

圖3 火情探測原理

對于磨損問題，通過上文所述的改造原理，可以知道要使滅火器釋放必須要滿足PLC的端子I0.3與I0.4都有輸入信號并且要持續(xù)10 s。如圖2，不管兩根線芯中其中一根線芯接地還是兩根線芯都接地，最多只可以滿足PLC端子I0.3和I0.4中的一個有輸入信號，不能同時滿足端子I0.3與I0.4都有輸入信號的要求。從而避免了檢測線纜線芯因磨損接地而觸發(fā)滅火器自動釋放。為了方便了解對檢測線纜的情況，對檢測線纜接地進行了報警提示[6]，當檢測線纜接在PLC端子I0.3的這一線芯接地時，端子i0.3將導(dǎo)通，PLC的I0.3端子輸入有效信號，按設(shè)計程序，接地報警指示燈將持續(xù)亮2S，之后將持續(xù)閃爍，直至接地信號消失或進行復(fù)位。漏型接法線芯接地原理如圖4。

為了保證消防控制系統(tǒng)的正常，不能僅僅依靠電路保護設(shè)計的提示，在日常保養(yǎng)和檢修的時候也應(yīng)定期檢查，并對結(jié)果做好記錄工作，對于存在問題的配件及線纜及時更換。

2）邏輯程序。本次改造選用的PLC是西門子S7-200，PLC的工作需要硬件電路和用戶程序共同作用來完成。

圖4 漏型接法線芯接地原理

4 實驗效果分析

材料準備好后，經(jīng)過深入分析和探討，在MT5500卡車上進行了實驗。改造后的消防控制系統(tǒng)運行狀況良好，并沒有因為改造出現(xiàn)新的故障情況，也沒有再出現(xiàn)滅火器自動釋放的情況。通過此次改造消防控制系統(tǒng)的滅火器自動釋放這種情況得到了很好的控制。

5 經(jīng)濟效益分析

此次改造的經(jīng)濟效益主要有2方面：①杜絕了卡車消防控制系統(tǒng)誤觸發(fā)的缺陷，提高了卡車的出動率，節(jié)省了大量的人力物力和配件的的浪費；②降低了消防控制系統(tǒng)的單套成本，從71 893元降低為47 704元，節(jié)約大量成本費用。

從設(shè)備維修方面來說，降低了故障率就降低了維修人員的勞動強度及維修時間。降低了設(shè)備的維修時間，也就提高了設(shè)備的運行時間和設(shè)備的使用性能，降低了維修成本，提高了設(shè)備的出動率。

6 結(jié) 論

通過此次改造，使卡車的消防控制系統(tǒng)的滅火器自動釋放現(xiàn)象得到了很好的控制，為設(shè)備的安全運行提供了有力的保障，極大地降低了卡車消防控制系統(tǒng)的維護費用，減少設(shè)備的故障時間，提高設(shè)備的使用效率，為礦山生產(chǎn)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

［1］MT5500電傳動卡車電氣手冊［M］.特萊克斯公司，2006．

［2］MT5500電傳動卡車維修保養(yǎng)手冊［M］.特萊克斯公司，2006．

［3］劉品瀟．電氣控制與PLC［M］.長沙：國防科技大學出版社，2013．

［4］李長軍，劉福祥，王明禮．西門子S7-200PLC應(yīng)用實例解說［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011．

［5］（英）威廉斯．電路設(shè)計技術(shù)與技巧［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006．

［6］劉丙江．實用接地技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2012．

［7］陳梓城，鄧海，邵長軍．實用電子電路抗干擾設(shè)計及應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2014．

［8］姜橋．電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：人民郵電出版社，2009．

【責任編輯：陳 毓】

Transformation research and design of fire control system for mining truck

ZHAO Pengfei,JIN Xin,WANG Dongfei,HAN Peng,GAO Jinrong
(Ha'erwusu Open-pit Coal Mine,Shenhua Group Zhunge'er Energy Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

As the important transport equipment in Ha'erwusu Open-pit Mine,MT5500 truck frequently emerges the automatic release phenomenon of fire extinguishing system in operation.Based on it,this article puts forward the reforming plan to reduce the failure frequency to some extent and ensure safe operation of equipments.

PLC;source type;leakage type;signal interference

TD561

B

1671－9816（2017）03－0060－04

2016-11-10

趙鵬飛（1988—），男，助理工程師，2010年畢業(yè)于內(nèi)蒙古烏海職業(yè)技術(shù)學院機電一體化技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)為神華哈爾烏素露天礦維修中心汽修車間重卡電工。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.017

趙鵬飛，金鑫，王東飛，等.礦用卡車消防控制系統(tǒng)改造研究與設(shè)計［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（3）：60-63.