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煤矿自发电巡检机器人瓦斯断电闭锁系统设计及检测检验方法

2024-05-30 34 上传者：管理员

摘要：为实现煤矿用自发电巡检机器人瓦斯超限断电闭锁及检测检验，设计了自发电巡检机器人瓦斯断电闭锁系统，并研究了断电控制执行时间检测方法。断电闭锁系统既能满足井下瓦斯超限断电的要求，又能满足断电保护后机器人能够持续对瓦斯浓度进行监测和实时上传；将瓦斯超限时报警输出信号引出接入到电子计数器的开始计数触发端，切换控制电路切换开关引出接入到电子计数器的终止计数触发端，实现电路切换与结束计时的同步性，解决了现有检测方法未与瓦斯浓度监测时刻及断电时刻同步的误差问题。

关键词：
切换控制电路
备用本安电池
瓦斯断电闭锁
监测时刻同步
自发电巡检机器人
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煤矿用机器人技术是推进煤矿智能化发展的关键手段，因此推动机器人在煤矿井下的安全准入是促进我国煤矿实现智能化的重点。煤矿井下存在CH4、CO等复杂气体，故针对井下复杂环境及安全使用，煤矿用巡检机器人需要具有瓦斯超限断电闭锁功能，当瓦斯超限时，机器人中非本质安全型设备及动力系统供电应当断电闭锁，且CH4传感部分应持续监测以保证后续恢复时的安全性，并能将CH4监测数据实时传输至监控设备，同时CH4断电控制执行时间不大于2 s。自发电巡检机器人动力源来自于外部的牵引电机，牵引电机带动机器人移动，机器人内部的自发电电机将机器人移动的动能转化为电能为内部设备供电，当瓦斯超限时为使得非本质安全部分断电，只能将外部牵引电机停机，从而使机器人内部无法自发电，以保证非本质安全部分电源均被切断，但同时内部本质安全供电也被切断。然而根据《煤矿安全规程》针对瓦斯超限断电要求及安标中心《煤矿用巡检机器人安全技术要求》中相关规定，瓦斯超限断电后，巡检机器人应可持续监测瓦斯浓度并可通过监控设备实时监测。因此针对自发电式巡检机器人设计既满足GB/T 3836系列标准要求又符合相关准入规定要求的瓦斯断电闭锁切换及控制系统十分重要。

此外，目前现有技术中断电控制执行时间的检测方法是通过工装采集控制断电信号输出时刻到断电结束反馈回来时刻的时间差，实际上此种检测方法开始时间与结束时间的判定均有误差，真正断电控制执行时间为检测到瓦斯浓度超限到断电时刻的时间差，因此突破现有检测方法，实现逼近真实断电控制执行动作时间的检测方法具有重要意义。

1、自发电巡检机器人瓦斯断电系统总体设计

设计方案主要是由硬件控制单元和逻辑控制方法两部分组成，其中瓦斯断电保护功能硬件控制单元包括供电电路、切换控制电路和本安设备，工作框图如图1所示。

图1 自发电巡检机器人瓦斯断电系统工作框图

供电电路包括本安电源模块和备用本安电池，本安电源模块与自发电电机连接并作为本安设备的主供电电源，备用本安电池作为瓦斯断电后能够继续向本安设备供电的冗余供电电源。供电电路通过切换控制电路与本安设备连接，本安设备用于对瓦斯浓度进行检测和判断并向切换控制电路发送控制指令，当瓦斯浓度不超限时，由本安电源模块对本安设备进行供电；当瓦斯浓度超限时，本安设备控制切换控制电路做出切换动作，将供电电路切换为由备用本安电池对本安设备进行供电，这样就保证了机器人在瓦斯断电闭锁状态下能够持续监测瓦斯浓度，并能将瓦斯监测数据实时传输至上位机，也保证了自发电电机与备用本安电池供电不会存在串并联使用情况，其机械布置图如图2所示。

图2 机械布置图

2、控制及监测单元设计

(1）供电电路设计

供电电路是由整流板、保护控制板、DC稳压模块、本安电源模块及备用本安浇封电池组成，其中整流板、保护控制板、DC稳压模块、本安电源模块作为设备供电传输的主要线路，本线路是由交流电经过整流板转换成直流电输送到DC稳压电源模块，然后通过DC稳压电源模块稳定电压后再输入到本安电源模块。由于瓦斯断电后瓦斯传感器能持续工作并将数据进行传输，所以备用本安浇封电池作为瓦斯断电后能够继续向瓦斯监测及传输部分供电的冗余供电系统，备用本安型浇封电池是由符合防爆要求、总能量控制在100 W·h并通过GB/T 30426标准试验的锂电池和具有双重过流过压保护本安电路组成，两部分通过环氧树脂浇封剂浇封成备用本安型浇封电池。

(2）切换控制电路设计

切换控制电路为断电闭锁功能设计重点。设计电路既要满足GB/T 3836标准中正常本安供电电源模块与备用电池组不可同时供电要求，又要使得非安断电瞬间本安设备部分供电不间断，实现瓦斯超限时非安部分断电且瓦斯浓度持续实时监测的功能。

切换控制电路切换执行部分选择本安继电器，如图3所示。

图3 定时触发控制单元结构框图

由图3可知，切换控制电路包括4个本安继电器K1、K2、K3、K4，继电器均为单刀双掷结构，4个本安继电器的常闭触点分别与本安电源连接，4个常开触点分别与本安型浇封电池连接，其公共端分别与瓦斯传感器、本安控制板、本安交换机及本安无线AP连接，本安继电器能够保证开关闭合与断开的有效衔接，且不存在2种状态同时存在的情况，保证了2种供电方式不会同时存在，不会出现2路电源串并联使用情况。4个本安继电器的动作均由本安控制板进行控制。

(3）本安设备部分设计

本安设备主要指瓦斯监测及传输部分，由瓦斯传感器、本安控制板、本安交换机、本安无线AP组成，瓦斯传感器将监测到的瓦斯浓度信息传递给本安控制板，控制板输出信号通过交换机及无线AP将数据进行上传。此部分作为瓦斯数据采集及传输的主要部分。

(4）瓦斯断电功能控制方法

瓦斯传感器用于采集现场工作环境中的瓦斯浓度信息，瓦斯传感器每间隔100 ms采集一次瓦斯浓度数据并将采集到的瓦斯浓度信息以RS485通信方式传输给本安控制板；本安控制板将接收到的瓦斯浓度信息与预先设定的阈值进行比较，如果瓦斯浓度未超过阈值则命令瓦斯传感器继续进行循环监测；如果瓦斯浓度超过阈值则命令本安继电器执行切换动作，未切换成功则尝试继续切换，切换成功则将瓦斯浓度信息通过协议转换成socket数据并通过RJ45连接到本安交换机上，同时本安控制板对本安浇封电池状态实时监测，本安浇封电池状态信息也发送至本安交换机，保证瓦斯断电保护功能正常使用；本安交换机通过RJ45连接本安无线AP，最后本安无线AP将数据上传至上位机，上位机向牵引电机发送断电停车指令，同时向报警器发送报警指令，当检测到的瓦斯浓度小于阈值后，手动解除报警并恢复牵引电机正常运行，本安电源模块恢复正常供电，本安控制器发送信号到切换控制电路，切换控制电路将本安继电器常开转换到常闭，恢复至本安电源模块对本安设备进行供电。此断电过程满足了安标中心《煤矿用巡检机器人安全技术要求》中瓦斯超限时非本质安全部分及动力系统断电，瓦斯持续监测且当瓦斯浓度恢复正常时需人工操作恢复的要求。

瓦斯断电控制逻辑流程图如图4所示。

图4 瓦斯断电控制逻辑流程图

(5）信号采集处理方法

煤矿井下环境复杂，气体浓度检测易受粉尘、黑暗及通风等环境影响出现误报警状况，因此瓦斯信号的采集需考虑因检测误差出现的误判断问题。

瓦斯信号采集过程中采用了中值滤波算法，通过对个别脉冲信号进行滤波并保护信号的边缘数据方式，实现在最小绝对误差下的最优滤波。

最终滤波的输出值

式中Med{·}———信号样本窗口；

———样本采集二维数据；

x(i）———位于窗口中心的信号样本值；

N———定义采集数列的长度，通过窗口函数对采集信号样品从小到大的顺序进行排列。

将数据代入算法结果如下：

滤波前数据：x(i-N),x(i),x(i+N);

如果x(i-N)>x(i),x(i+N)>x(i-N），不采用滤波方式，结果y(i)=x(i+N);

滤波后数据：x(i),x(i-N),x(i+N);

结果y(i)=x(i-N）。

数据滤波前和滤波后得到的数值如表1所示、曲线图如图5所示。由表1和图5可以看出将抖动较大的数据过滤掉，滤波后的数据变得更加平滑。

表1 滤波前数据和滤波后数据表

图5 滤波前数据和滤波后数据曲线图

通过中值滤波算法将采集的瓦斯信号以数据组的方式集中起来，然后再进行排列，最终取中间值，以此方法减少了数据误报、错报的情况，增加了瓦斯断电监测的可靠性。

3、断电时间检测检验方法

目前监测监控系统或甲烷断电仪等设备相关行业标准中主要技术指标均规定了CH4断电执行时间应不大于2 s,CH4断电执行时间即CH4超限时刻至断电完成时刻时间差。现有检测技术往往针对此项指标的测试均是通过工装采集分站或是主控单元接收到瓦斯浓度超限信息后输出控制信号控制计时器开始计时至断电结束后再输出控制信号控制计时器停止计时的时间差，虽目前信号传输速率很高，滞后性微乎其微，但此项时间的测试仍是忽略了瓦斯监测设备监测到瓦斯超限时刻至控制信号输出时刻的时间段，且包含了断电结束时刻至控制信号输出时刻的时间段，因此测试到的时间存在误差。

针对上述问题，设计计时工装，如图6所示，将瓦斯传感器报警输出信号引出接入到电子计数器的开始计数触发端，以瓦斯传感器报警输出信号作为计时器开始计时触发，实现报警与开始计时的同步性；将本安继电器双刀切换开关引出接入到电子计数器的终止计数触发端，以双刀开关切换信号作为计时器结束计时触发，实现电路切换与结束计时的同步性。该方法能够将信号处理转换到发送的时间记录下来，从检测到瓦斯浓度超限开始计时，断电控制执行时刻结束，保证了检测到的时间与实际断电控制执行的同步性，避免软件修改影响记录时间，解决了现有检测方法的误差问题。

图6 瓦斯断电执行时间原理示意图

4、结语

根据机器人相关标准及安全准入要求，针对煤矿自发电巡检机器人，设计了瓦斯超限断电闭锁控制结构与逻辑方法及断电控制执行时间检测检验方法。可实现如下功能：

(1）采用单刀双掷结构本安继电器对本安设备的供电方式进行切换，既能满足井下瓦斯超限断电的要求，又能满足断电保护后机器人能够持续对瓦斯浓度进行监测和实时上传，降低了巡检机器人进入到危险气体环境下引爆的风险，整体控制流程满足防爆要求；

(2）通过中值滤波算法对检测到的瓦斯浓度信号进行滤波处理，将个别脉冲数据进行滤波，将数据组合进行优化后输出，减小了误判概率，为瓦斯断电保护控制的可靠性提供保障；

(3）将瓦斯监测到超限后输出控制蜂鸣器报警的信号引出接入到电子计数器的开始计数触发端，将本安继电器双刀切换开关引出接入到电子计数器的终止计数触发端，实现了监测到瓦斯超限到断电完成的时间差与需检测的断电控制执行时间的同步性，解决了现有检测方法的误差问题，为检测的真实、可靠性提供重要手段。

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