李國軍

（國家能源集團(tuán)神東生產(chǎn)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 概述

1.1 研究背景

神東煤炭集團(tuán)位于神府東勝煤田，煤田地跨蒙、陜、晉三省區(qū)，神東自1985 年開發(fā)建設(shè)，依托先進(jìn)的進(jìn)口設(shè)備，整體產(chǎn)能超過2 億噸，主要礦井采用無軌膠輪化運(yùn)輸，依托進(jìn)口澳大利亞BOART LANGYER 公司生產(chǎn)的LWC40T 實(shí)現(xiàn)了綜采工作面液壓支架的快速安裝回撤，為礦井生產(chǎn)接續(xù)提供優(yōu)質(zhì)的保障。

LWC40T 為澳大利亞BOART LANGYER 公司生產(chǎn)，設(shè)計(jì)載重量為40T。其同類產(chǎn)品還有350P、50T、55T 等，LWC40T 采用CAT3126TA 發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，靜液壓的驅(qū)動(dòng)方式，前后部份采用鉸接式，通過液壓油缸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，外形尺寸：9546×2287(3484)×1596，離地間隙：264，自重：22.5T，車速：6Km/ h(一檔)、8Km/ h(二檔)、12Km/ h(三檔)、24Km/ h(一檔)。

由于礦井輔助運(yùn)輸巷道寬度受限，井下運(yùn)行噪音過大，LWC40T 液壓支架車裝載液壓支架時(shí)車身尾部寬度超限，造成駕駛員出現(xiàn)視線盲區(qū)，倒車時(shí)無法確認(rèn)后方人員是否處于安全位置，因此給礦井輔助運(yùn)輸管理帶來巨大的安全隱患。

1.2 主要研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線

隨著傳感器技術(shù)、單片機(jī)、煤礦特種設(shè)備的飛速發(fā)展，以單片機(jī)/PLC 為核心的傳感器的應(yīng)用技術(shù)已越來越普遍，技術(shù)也越來越成熟。針對(duì)LWC40T 框架式支架搬運(yùn)車周圍人員的主動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，研究LWC40T框架式支架搬運(yùn)車的液壓、氣動(dòng)控制、電氣系統(tǒng)，根據(jù)LWC40T 框架式支架搬運(yùn)車控制系統(tǒng)，分析LWC40T 框架式支架搬運(yùn)車液壓、氣動(dòng)、電氣系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)的針對(duì)車輛附近視線盲區(qū)內(nèi)的人員保護(hù)系統(tǒng)能夠與原系統(tǒng)充分結(jié)合。在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入細(xì)致分析的基礎(chǔ)上制定完善嚴(yán)謹(jǐn)且具有良好可行性的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，根據(jù)設(shè)計(jì)方案將設(shè)計(jì)后的控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試，使系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，最終立足于模擬井下現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，開展現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制效果。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

LWC40T 框架式支架搬運(yùn)車系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成。

由于礦井輔助運(yùn)輸巷道寬度受限，井下運(yùn)行噪音過大，LWC40T 液壓支架車裝載液壓支架時(shí)車身尾部寬度超限，造成駕駛員無法觀測(cè)車輛后方全部區(qū)域，倒車時(shí)無法確認(rèn)后方人員是否處于安全位置，因此給輔助運(yùn)輸管理帶來巨大的安全隱患。

設(shè)計(jì)的基于LWC40T 框架式支架搬運(yùn)車人員保護(hù)系統(tǒng)主要由人體傳感器、控制程序及PCB 電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)測(cè)試等構(gòu)成。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

保護(hù)系統(tǒng)硬件主要包括傳感器的選型設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制器的選擇、PCB 電路設(shè)計(jì)。

3.1 傳感器

熱釋電紅外探測(cè)人體傳感器工作原理

人體接近傳感器基于熱釋電紅外感應(yīng)技術(shù)，不但檢測(cè)靈敏度度高，探測(cè)范圍寬，而且工作非?？煽?，一般沒有誤報(bào)，能在-15～+60 度的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，是目前用于安全防范和自動(dòng)監(jiān)控的最佳產(chǎn)品。

熱釋電紅外探測(cè)人體傳感器選型：

設(shè)計(jì)選用DYP-ME003熱釋電紅外人體感模塊傳感器。該傳感器靈敏度高，可靠性強(qiáng)，具有超低電壓工作模式。

DYP-ME003 該傳感器的工作原理如圖1 所示，由熱釋電敏感材料吸收外界的輻射，隨后輻射進(jìn)行熱轉(zhuǎn)換促使溫度發(fā)生變化，從而釋放電流，再由電流進(jìn)行電轉(zhuǎn)換，其最終轉(zhuǎn)換為信號(hào)電壓。

圖1 熱釋電傳感器工作原理

熱釋電紅外傳感器的工作原理是從光變?yōu)闊岬倪^程，反應(yīng)到敏感元溫度的變化，最后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程。

3.2 單片機(jī)的選型及控制電路設(shè)計(jì)

框架式支架車駕駛員視線盲區(qū)人員保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)選型為PIC16F505。該型號(hào)單片機(jī)器件具有性能高成本低的優(yōu)點(diǎn)。主要體現(xiàn)在該型號(hào)的單片機(jī)采用了獨(dú)特的架構(gòu)，其架構(gòu)稱之為RISC 架構(gòu)。RISO 架構(gòu)在數(shù)據(jù)壓縮方面有著強(qiáng)大之處，與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比，該型號(hào)的單片機(jī)是傳統(tǒng)單片機(jī)壓縮速度的4 倍。由于PIC16F505器件具有的以上特點(diǎn)和突出優(yōu)勢(shì)，因此將該部件適用于駕駛員視線盲區(qū)人員保護(hù)系統(tǒng)的核心器件。

當(dāng)人發(fā)生意外或者處于危險(xiǎn)位置時(shí)，紅外傳感器感應(yīng)到工作人員的存在，傳感器發(fā)出接收到感應(yīng)的信號(hào)，信號(hào)由控制模塊接收并由程序處理，發(fā)出動(dòng)作指令，使電路板內(nèi)固態(tài)繼電器進(jìn)行動(dòng)作，固態(tài)繼電器通過線路連接機(jī)械繼電器，機(jī)械繼電器的三個(gè)常開觸點(diǎn)分別連接煤礦定位報(bào)警模塊，車輛電磁閥動(dòng)作模塊、聲光高報(bào)警器模塊，從而實(shí)現(xiàn)車輛主動(dòng)停車，定位報(bào)警系統(tǒng)主動(dòng)報(bào)警，車輛主動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，對(duì)附近人員進(jìn)行警告，促使其離開危險(xiǎn)區(qū)域。電磁閥動(dòng)作使機(jī)油回油壓力降低，導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)機(jī)油壓力降低，觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)保護(hù)，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)性熄火，從而避免車輛進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致對(duì)車輛附近人員的進(jìn)一步傷害。

J1 為電源輸入端，U1 為降壓模塊，C1、C2、C3、C4 為電容，R1、R2 是降流電阻,D1、D2 是LED 信號(hào)顯示燈，U3是紅外傳感器，J2 為繼電器控制觸點(diǎn)，J3 為聲光報(bào)警器觸點(diǎn)，D3、D4 為續(xù)流二極管。

4 控制過程

U3 紅外傳感器感應(yīng)人員，OUT 端發(fā)出感應(yīng)信號(hào)，感應(yīng)信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)U4，程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理，由GPIO1、GPIO2 發(fā)出控制信號(hào)，從而對(duì)J2 繼電器進(jìn)行控制，J3 控制報(bào)警器發(fā)出報(bào)警求助信號(hào)。（J2 繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)閉鎖開關(guān)和定位報(bào)警模塊的控制，原閉鎖按鈕功能更改閉鎖裝置的復(fù)位開關(guān)）。

機(jī)械繼電器采用歐姆龍MY4N-J 12V 繼電器，四組常開常閉轉(zhuǎn)換帶電源指燈，安裝方式采取螺栓固定或者導(dǎo)軌方式，在圖2 中4 組常開觸點(diǎn)，選擇三組觸點(diǎn)分別連接電磁閥、井下定位呼救模塊，聲光報(bào)警模塊，以便以上三個(gè)系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)附近的危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的人員作出反應(yīng)。

圖2 電路設(shè)計(jì)圖

LWC40T 框式支架搬運(yùn)車針對(duì)水、氣、液壓油等設(shè)計(jì)了多種保護(hù)方式，當(dāng)框架式支架搬運(yùn)車局部溫度過高時(shí)，溫度傳感器控制閥開啟，導(dǎo)致機(jī)油泵所供給的機(jī)油發(fā)生回油現(xiàn)象，機(jī)油壓力降低，無法滿足車輛運(yùn)行保護(hù)系統(tǒng)要求，機(jī)油低油位先導(dǎo)閥開啟，導(dǎo)致控制柴油關(guān)斷缸的氣壓管路降低，柴油關(guān)斷缸自動(dòng)關(guān)閉，從而切斷發(fā)動(dòng)機(jī)柴油供給，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)熄火，從而起到保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛的作用。

為使LWC40T 氣壓系統(tǒng)與原車其他保護(hù)系統(tǒng)相融合，在其原系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加新的電磁閥。安裝電磁閥后的支架搬運(yùn)車氣壓原理圖如圖3 所示。

圖3 LWC40T 框架式支架搬運(yùn)車控制系統(tǒng)改進(jìn)圖

信號(hào)探測(cè)模塊采用DYP-ME003 人體感應(yīng)模塊紅外傳感器，在人出現(xiàn)在感應(yīng)范圍內(nèi)時(shí)，信號(hào)探測(cè)模塊能夠?qū)@取到的感應(yīng)信號(hào)迅速精準(zhǔn)地調(diào)制為數(shù)字信號(hào)，再將其傳輸至單片機(jī)處理模塊，分析數(shù)據(jù)并發(fā)出處理動(dòng)作信號(hào)，接收模塊接收單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，電磁閥動(dòng)作使機(jī)油回油壓力降低，導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)機(jī)油壓力降低，觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)保護(hù)，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)性熄火，從而避免車輛進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致對(duì)車輛附近人員的進(jìn)一步傷害。

5 工程測(cè)驗(yàn)及應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)了基于澳大利亞LWC40T 框架式支架搬運(yùn)車的人員保護(hù)系統(tǒng)，用于對(duì)特種車輛附近的人員提供主動(dòng)性保護(hù)。

5.1 系統(tǒng)安裝及測(cè)試

結(jié)合LWC40T 車輛狀況、體積和形狀對(duì)各模塊的安裝位置進(jìn)行合理布局?？紤]傳感器對(duì)盲區(qū)的監(jiān)測(cè)范圍有限，對(duì)傳感器等配件進(jìn)行合理布局和安裝調(diào)試，最終目的是把此系統(tǒng)與車輛原有保護(hù)系統(tǒng)各個(gè)部分進(jìn)行科學(xué)合理地組合，由此保證人員保護(hù)系統(tǒng)性能可靠、功能完善，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

系統(tǒng)各部分附件安裝符合要求后將關(guān)閉測(cè)試環(huán)境內(nèi)的部分照明系統(tǒng)，使測(cè)試環(huán)境處于弱光狀態(tài)，盡力保持與井下條件相似的弱光環(huán)境，并使測(cè)試環(huán)境無電焊作業(yè)等高溫高光作業(yè)，使其形成良好的測(cè)試環(huán)境。

系統(tǒng)整體測(cè)試及具體步驟如下：（1）按下傳感器箱體的銀色復(fù)位按鈕，對(duì)控制模塊進(jìn)行復(fù)位。（2）按操作標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)車輛，保持車輛處于停止?fàn)顟B(tài)，打開手動(dòng)機(jī)油壓力保護(hù)測(cè)試閥。（3）人員從車輛后方進(jìn)入傳感器感應(yīng)范圍內(nèi)的危險(xiǎn)區(qū)域，分別在距離傳感器0-3 米、3-7 米、7 米以外的檢測(cè)范圍進(jìn)行多次測(cè)試，被測(cè)人員進(jìn)入在0-3 米內(nèi)傳感器感應(yīng)范圍內(nèi)危險(xiǎn)位置時(shí)，此保護(hù)系統(tǒng)能夠主動(dòng)發(fā)揮作用，車輛主動(dòng)熄火停車，聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，人員定位模塊報(bào)警狀態(tài)指示燈開始緊急閃爍。（4）在此期間駕駛員注意到聲光報(bào)警器的報(bào)警信號(hào)后，無法繼續(xù)啟動(dòng)操作車輛，在駕駛員下車檢查車輛周邊情況后，確認(rèn)安全后按下感應(yīng)模塊箱體的銀色閉鎖按鈕復(fù)位從，方可從新啟動(dòng)車輛。

5.2 結(jié)果及結(jié)論

以上結(jié)果表明，此系統(tǒng)在人員進(jìn)入LWC40T 的人體接近傳感器0 至3 米的感應(yīng)范圍內(nèi)的危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)能夠使LWC40T 主動(dòng)熄火停車并伴隨聲光報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)煤礦定位報(bào)警模塊進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，說明此系統(tǒng)能夠有效地對(duì)接近傳感器0 至3 米的感應(yīng)范圍內(nèi)處于危險(xiǎn)區(qū)域的人員起到保護(hù)和警示作用，通過此系統(tǒng)提高LWC40T 框架式支架運(yùn)輸過程中的安全性，從而進(jìn)一步保障煤礦安全生產(chǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳感器技術(shù)的進(jìn)一步提高，系統(tǒng)的可靠性會(huì)進(jìn)一步提升，從而使煤礦特種運(yùn)輸車輛的安全性進(jìn)一步加強(qiáng)，以期為國家能源建設(shè)創(chuàng)造可觀的安全效益和社會(huì)效益。