礦用平巷防爆電驅(qū)人車電氣系統(tǒng)設計

甘松柏

(西山煤電集團 東曲煤礦， 山西 太原 030200)

0 引言

當前礦用車輛主要依賴柴油和電池為動力源，其中防爆柴油機的廢氣排放致使巷道中空氣質(zhì)量變差，使之駕乘人員和其他井下工作人員長期呼吸有毒排放氣體，嚴重影響身體健康。同時，狹窄封閉環(huán)境中防爆柴油機的尾氣排放也使柴油機自身的進氣條件變差[1-2]。2000年以后，國內(nèi)外一些井下無軌車輛生產(chǎn)企業(yè)，比如卡特彼勒、石家莊煤礦機械有限公司、航天重工以及深圳德塔電動汽車科技有限公司陸續(xù)推出了蓄電池無軌膠輪車，通過尾氣零排放改善了巷道空氣質(zhì)量，也減少了運行費用。

架線電驅(qū)技術，既能高效地解決使用防爆柴油機帶來的二次污染、動力不足等問題，又能解決以蓄電池電驅(qū)動無軌膠輪車質(zhì)量大、續(xù)航里程短等問題。因此，經(jīng)反復分析研究，提出礦用平巷防爆電驅(qū)人車電氣系統(tǒng)設計方案。通過井下工業(yè)性試驗表明，該方案取得了良好的效果，其電驅(qū)人車不僅大大提高煤礦巷道空氣質(zhì)量，而且改善了井下作業(yè)環(huán)境，保護井下工人的安全健康。

1 礦用巷階爆電驅(qū)人車電氣系統(tǒng)設計原理

礦用平巷防爆電驅(qū)人車的電氣系統(tǒng)的設計原理如圖1所示。主要由可編程控制器(PLC)以有線通信方式控制左、右變頻器，并由變頻器驅(qū)動左、右變頻器電動機，進而控制人車行進，然后與人車駕駛室之間以有線通信方式進行數(shù)據(jù)傳送，將系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、實時轉(zhuǎn)速、左右變頻器參數(shù)、故障信息等發(fā)送給駕駛室，方便駕駛?cè)藛T掌握整體車況。通信方式可以有多種選擇，如Can通信、CanOpen通信、Modbus通信以及DeviceNet等短距離現(xiàn)場總線通信方式。

圖1 平巷防爆電驅(qū)人車電氣系統(tǒng)設計原理

2 硬件設計

礦用平巷防爆電驅(qū)人車的電氣系統(tǒng)硬件中，PLC選用了Alley_Bradley1756系列，該系列的PLC支持Ethernet/IP、ControlNet以及DeviceNet通信，配套有數(shù)字量DC輸入/輸出模塊，模擬量輸入模塊以及熱電偶溫度輸入模塊等，并且處理速度快，配置多任務多系統(tǒng)，主控制器可同時執(zhí)行多個任務[3-6]，其左、右變頻器選用Alley_Bradley系列的額定電壓為2 300 V的變頻器，額定功率為1 200 kW，額定頻率為50 Hz，最大輸出頻率為60 Hz；左、右變頻電動機選用南陽防爆電機廠定制的變頻防爆電動機，額定功率為1 000 kW。

3 軟件設計

3.1 PLC軟件流程

整個系統(tǒng)軟件運行在中央控制器內(nèi)部，由左牽引變頻器控制子程序、右牽引變頻器子程序、與駕駛室通訊子程序、與顯示屏通訊子程序、控制子程序、模擬量處理子程序以及通信狀態(tài)判斷子程序7部分組成，詳見圖2所示。左右牽引變頻器控制子程序包括PLC對牽引變頻器的初始化、啟動以及DeviceNet通信3大部分，該子程序負責完成左右牽引牽引變頻器的初始化、啟動以及對左右牽引電動機的控制；與駕駛室子程序包括PLC與駕駛室DeviceNet通信數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，完成PLC數(shù)據(jù)通過駕駛室顯示屏的顯示，以及PLC對駕駛室控制命令數(shù)據(jù)的接收；與顯示屏子程序完成PLC數(shù)據(jù)在顯示屏上的顯示；通信狀態(tài)可判斷子程序完成PLC與左右牽引變頻器、油泵變頻器、駕駛室以及顯示屏的通信狀態(tài)的判斷；控制子程序包括延時處理、邏輯控制以及漏電檢測3大部分，該子程序負責完成對輸入點的延時處理、邏輯控制以及漏電檢測；模擬量處理子程序完成對母線電流、母線電壓、漏電流以及PT100模擬量側(cè)采集以及檢測。軟件系統(tǒng)中所有子程序都在項目中系統(tǒng)的主程序main函數(shù)中運行。控制器上電后，主程序main每一循環(huán)周期可被系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行一次，相當于一個單任務程序的主程序。

圖2 礦用平巷防爆電驅(qū)人車PLC軟件流程

3.2 關鍵PLC子程序流程

3.2.1 牽引變頻控制子程序

牽引變頻器控制子程序主要完成對牽引變頻器的控制如圖3所示。首先PLC與左右牽引變頻器建立DeviceNet通信連接，若DeviceNet通信連接建立成功，則PLC發(fā)送啟動信號、啟動代碼給變頻器，并獲取左右牽引變頻器的心跳值，發(fā)送PLC的心跳值。通信建立后，PLC與左右牽引變頻器進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，并各自對數(shù)據(jù)進行相應的處理。若DeviceNet通信連接沒有建立成功，則重新建立DeviceNet通信連接。

圖3 對牽引變頻控制子程序

3.2.2 與駕駛室通信子程序

與駕駛室通信子程序主要完成PLC與駕駛室的DeviceNet通信并完成數(shù)據(jù)收發(fā)并對數(shù)據(jù)進行相應的處理如圖4所示。若DeviceNet通信連接建立成功，則PLC組織并發(fā)送數(shù)據(jù)給駕駛室，同時接收并處理駕駛室發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，若DeviceNet通信正常，則繼續(xù)進行DeviceNet通信數(shù)據(jù)處理，若DeviceNet通信異常，則重新建立DeviceNet通信連接。若DeviceNet通信連接建立失敗，則重新建立DeviceNet通信連接。

圖4 與駕駛室通信子程序

3.2.3 模擬量處理子程序

模擬量處理子程序主要完成模擬量的數(shù)字化處理，如圖5所示。該子程序分別對母線電流信號、母線電壓信號、漏電流信號以及PT100信號進行處理，并進行錯誤判斷并指示。

圖5 模擬量處理子程序

4 井下工業(yè)性試驗情況

礦用平巷防爆電驅(qū)人車選定榆家梁煤礦進行井下工業(yè)性試驗，該試驗旨在驗證其電氣系統(tǒng)在實際使用中的安全性、可靠性。通過井下試驗結果，其電驅(qū)人車的井下巷通空氣質(zhì)量，故圓滿地完成了井下工業(yè)性試驗，達到了良好的設計效果。

5 結論

1) 礦用平巷防爆電驅(qū)人車電氣系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)主要以PLC支持通信，配套有數(shù)字量的模塊，主控制器同時能執(zhí)行多個任務，其軟件運行在中失控制器內(nèi)部，其子程序由7個部分組成。

2) 礦用平巷防爆電驅(qū)人車通過井下工業(yè)性試驗，不但巷道空氣質(zhì)量得到較大改善，而且降低了運人車的運行成本，經(jīng)濟效益和社會效益方面都取得了較好的效果。目前礦用平巷防爆電驅(qū)人車已在榆家梁礦全面完成了井下工業(yè)性試驗，試驗結果表明，其運行安全穩(wěn)定,滿足設計要求。