防爆無軌膠輪車安全保護系統(tǒng)的研究

孫知宇

（同煤集團北辛窯煤業(yè)公司，山西 忻州036700）

引言

防爆無軌膠輪車可被應用于礦井危險環(huán)境中，有著很好的機動靈活性和爬坡能力，采用一個機車就可以完成支架的拆除、鏟裝、卸載及調(diào)整，可有效降低作業(yè)人員的勞動強度，不需要為其單獨鋪設軌道，可從工作面直接到達地面，具有高效快捷等特點[1]，是礦井輔助運輸最為先進的運輸設備。膠輪車運行時間長，如果防爆措施失效，柴油機形成的火焰和高溫則不能有效控制，與環(huán)境中的可燃氣體接觸會存在爆炸風險，因此需要設計膠輪車安全保護系統(tǒng)，對膠輪車運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，保證車輛的運行安全。

1 防爆無軌膠輪車的安全影響因素

1.1 瓦斯?jié)舛?/h3>

煤礦井下存在的瓦斯是以甲烷為主的有害氣體，存在著瓦斯爆炸和人員窒息風險。氣體濃度超過極值并與氧氣混合，再與火花接觸則會產(chǎn)生爆炸，引發(fā)嚴重的礦難事故，需要對瓦斯氣體濃度進行監(jiān)測，在瓦斯?jié)舛瘸^1%發(fā)出報警信號。

1.2 柴油機尾氣溫度

無軌膠車在爆炸氣體環(huán)境中工作，如果柴油機排出的高溫尾氣、運行時產(chǎn)生的火花與爆炸氣體接觸則會引發(fā)爆炸。不經(jīng)處理的尾氣溫度約為650℃，完全可以將瓦斯氣體點燃[2]。而尾氣采用冷卻水箱進行降溫，如果受損或冷卻失效，會使尾氣溫度升高，需要對尾氣溫度進行實時監(jiān)測，當溫度超過設定值則需要停機或維修，尾氣的安全溫度區(qū)間為0～70℃。

1.3 柴油機機體溫度

柴油機表面會與爆炸氣體接觸，高溫是引發(fā)安全事故的必要條件，需要對機體溫度進行監(jiān)測，保證機體溫度不超過150℃。

1.4 冷卻水溫度

冷卻水對降低柴油機體溫度發(fā)揮著重要作用，如果溫度太高則達不到冷卻效果，需要對冷卻溫度進行監(jiān)測，保證溫度區(qū)間在0～95℃，超過上限值則發(fā)出報警信號，停機休息或更換冷卻水。

1.5 尾氣有害氣體

柴油機運行排出的尾氣中含有一氧化碳和氮氧化物，如果氣體濃度過高則會對身體造成危害，需要對排放的尾體濃度進行監(jiān)測（一氧化碳0.1%、氮氧化物0.08%），如果檢測到有害氣體超過上限，需要停機進行維修，當尾氣排放達到標準以后進行作業(yè)。

1.6 機油壓力

膠輪車機油對柴油機正常運行起到潤滑作用，需要對機油壓力進行監(jiān)測，如果油壓太低，會使部件由于得不到有效的潤滑而受損，機油壓力超過規(guī)定的壓力后需要停機檢修。

1.7 凈化水箱水位

如果冷卻凈化水位小于下限值則失去冷卻效果，不能將尾氣中的火花熄滅，溫度也達不到設計要求，起不到凈化有害氣體的效果。需要對凈化水箱水位進行檢測，當?shù)陀谙孪拗敌枰C來補充凈化水。

1.8 車速

受到煤礦巷道條件限制，防爆膠輪車應該限制在30 km/h，避免由于高速引發(fā)事故。

2 防爆無軌膠輪車安全保護系統(tǒng)的功能

為保證膠輪車安全運行，應該在啟動前進行安全檢測，對運行狀態(tài)信息進行采集和分析，如果檢測數(shù)據(jù)滿足安全運行條件，則發(fā)出信號驅(qū)動柴油機啟動機運行。如果檢測數(shù)據(jù)不滿足安全條件，柴油機則無法啟動，安全保護系統(tǒng)通過人機界面發(fā)出提示信息，工作人員需要對膠輪車異常信息進行檢查[3]。如果膠輪車在工作狀態(tài)下檢測到運行數(shù)據(jù)超出安全區(qū)間，則會發(fā)出報警信息提示工作人員停機處理，如果在設定時間內(nèi)沒有采取處理措施，系統(tǒng)則會強制柴油機熄火。如果檢測到車輛速度超過上限值，系統(tǒng)則會發(fā)出信息提示減速，如果工作人員沒有采取減速操作，系統(tǒng)自動將車速調(diào)整到安全區(qū)間。防爆無軌膠輪車安全保護系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 防爆無軌膠輪車安全保護系統(tǒng)流程圖

3 安全保護系統(tǒng)的硬件設計

3.1 硬件架構

硬件系統(tǒng)由傳感器、S3C2440A模塊和響應模塊構成，傳感器將采集到的瓦斯?jié)舛取⒉裼蜋C身溫度、機油壓力、一氧化碳濃度、氮氧化物濃度、凈化水液位、轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送給處理器，將膠輪車運行信息顯示在人機界面，處理器將采集到的信號進行分析，控制柴油機的啟動與轉(zhuǎn)速，并發(fā)出聲光報警信號。為了對膠輪車運行狀態(tài)進行分析還需要配置存儲器模塊，可以為后續(xù)的車輛故障處理和維護提供便利，通信模塊是將處理器與上位機進行數(shù)據(jù)交互，具體框架結構見圖2所示。

圖2 安全保護系統(tǒng)硬件框架圖

3.2 處理器

安全保護系統(tǒng)采用S3C2400A芯片，是具有指令集的32位處理器，指令高速緩存和數(shù)據(jù)緩存都分別為16 kB，內(nèi)核采用1.25 V供電，外部I/O接口為3.3 V，該芯片具有很好的抗電磁干擾能力，可以在嚴酷的環(huán)境下穩(wěn)定運行，滿足膠輪車安全保護系統(tǒng)的設計需要。處理器還具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，可以減少外圍電路設計的工作量，芯片購置成本低，配套硬件驅(qū)動豐富，可以縮短開發(fā)周期[4]。

3.3 最小系統(tǒng)電路

安全保護系統(tǒng)運行需要時鐘信號，根據(jù)S3C2440A芯片數(shù)據(jù)資料中要求的工作頻率和鎖相環(huán)PLL電路，需要為系統(tǒng)配置12 MHz無源晶振，通過芯片內(nèi)倍頻和整形處理后，可形成533 MHz工作頻率，可以保證CPU的正常運行，還可以為USB接口提供48 MHz的頻率。芯片PLL電路可以對頻率進行放大，并具備信號提純處理功能，可以在外部較低的時鐘信號條件得到更高的工作頻率，這對減小高頻噪聲干擾十分有利。

3.4 數(shù)據(jù)采集電路

尾氣排放溫度、冷卻水溫度均可以采用DS18B20傳感器進行采集，供電電壓為DC 3～5 V，可采集溫度區(qū)間為-55～+125℃，采用單總線方式進行通信，將數(shù)據(jù)IO直接與處理器的GPIO口連接，有很好的抗電磁干擾能力。采集到的溫度信號通過數(shù)字量串行發(fā)送到S3C2440A芯片，采用C語言編程應該嚴格按著時序要求。柴油機身溫度的檢測應用LM35H傳感器，可采集溫度區(qū)間為-55～+150℃，可以達到±℃的準確率，供電電壓為DC4～30 V，可采用單源或雙電源供電方式，輸出信號接處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換I/O口。一氧化碳濃度檢測采用MQ-7傳感器，氣敏元件為二氧化錫，會隨著一氧化碳濃度成比例增長，檢測量程可達到10～1 000 ppm，供電電壓為DC 5 V，而柴油機排放的尾氣成分較多，會對一氧化碳檢測產(chǎn)生干擾，需要選用具有過濾功能傳感器。氮氧化物氣檢測對象為一氧化氮、二氧化氮，選擇4NO-2000、4NO2-2000兩種傳感器，輸出為0～1.44 A電流信號，氣體檢測量程為0～1 000 ppm，需要通過運算放大器對電極C端及R端電勢進行調(diào)整，W端這運算放器后與處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口連接。瓦斯?jié)舛鹊臋z測選用LMJC4/3.0傳感器,供電電壓為DC3 V，量程可達到0～40 000×10-6，輸隱電壓會隨著氣體濃度變大而增長，在檢測1%瓦斯氣體濃度時輸出電壓為20 mV，處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電壓為0～3.3 V，需要將輸出信號放大至100倍。機油壓力按1 MPa量程選擇，選擇AP681-010-A壓力傳感器，經(jīng)過ADC0809芯片轉(zhuǎn)換后與處理器數(shù)字量信號端連接。冷卻凈化水箱水位檢測采用浮子式液位計，采用DC 5 V供電，經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換后與處理器數(shù)字信號引腳連接。車速檢測采用AH3144E霍爾傳感器，根據(jù)處理器接收到高、低電壓信號來處理得到車速信號。

3.5 LCD電路

人機界面選用4.3寸的LR043JC211液晶屏，控制時序由處理器提供TFT控制信號，還具有視頻數(shù)據(jù)接口V23∶0。LCDCDMA可編程寄存器可將幀存儲器數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD驅(qū)動器中，屏上顯示數(shù)據(jù)不再通過CPU處理。VIDPRCS獲取該寄存器視頻數(shù)據(jù)信息，通過格式轉(zhuǎn)換后輸送給V23∶0后再提供給LCD驅(qū)動器，VCLK為時鐘信號，提供不小于16.5 MHz的頻率。

3.6 報警電路

安全保護系統(tǒng)的報警電路是由蜂鳴器、LED燈組成，系統(tǒng)檢測到運行異常則會發(fā)出聲光報警，需要通過控制程序來完成。

4 程序

S3C2440A芯片采用嵌入式操作系統(tǒng)，編譯軟件采用ADS1.2，是嵌入式微控制器集成開發(fā)工具，具有軟件調(diào)試和硬件仿真功能，可利用匯編、C語言等進行編程，安全保護系統(tǒng)程序編寫在Code Warrior for Arm中實現(xiàn)，采用AXD調(diào)試器進行編譯后調(diào)試。主函數(shù)調(diào)用子程序來實現(xiàn)保護功能，主程序由啟動自檢程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、響應控制程序構成。啟動自檢程序由Boot Loader及初始化語句構成，數(shù)據(jù)采集處理程序?qū)τ布涌谶M行檢測，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后對數(shù)據(jù)進行分析與處理，經(jīng)過通信接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD屏中，對上限參數(shù)進行設置，完成按鍵檢測和報警控制輸出功能。響應程序?qū)刂颇K、LCD顯示和聲光報警進行控制。

5 應用效果

經(jīng)過現(xiàn)場實際應用表明，防爆無軌膠輪車安全保護系統(tǒng)具備很快的開機自檢功能，可準確對傳感器信號進行處理，檢測各項參數(shù)是否在安全區(qū)間內(nèi)運行，當出現(xiàn)異常情況會啟動報警程序，10 s內(nèi)沒有檢測到工作人員操作，系統(tǒng)會自動將柴油發(fā)動機熄滅，有著很快的響應速度，可以滿足使用要求。