礦用電機車無線重聯同步控制系統的研究與應用

張 凱

（山西華鑫電氣有限公司，山西 陽泉 045000）

1 我國礦用電機車應用情況

礦用電機車是煤礦井下長距離運輸的重要手段，在我國有些煤礦依舊采用礦用電機車作為井下煤炭運輸的主要手段。隨著產能的擴大，開采距離的增長，已有電機車單次運力的不足逐漸突顯。在當前技術手段下，這些煤礦企業不論是轉型使用膠帶運輸機來運輸煤炭，還是購買規格更高的礦用電機車，都將產生極大的浪費與背負沉重的經濟壓力，而采用增加司機人數的方法，同樣給企業會帶來了嚴重的人員負擔問題。

根據電機車牽引原理可知，機車所能提供的最大牽引力僅與自身重量有關，但受限于各種條件，電機車不可能通過無限增重來增大牽引力。如何能在較少的投入下解決上述問題，而又不會帶來人員負擔問題，即為本文的研究設計目標。

2 機車重聯技術介紹

機車重聯是鐵路機車干線運輸中的概念，是指一人操作由兩列或兩列以上采用硬連接的機車實現同步運行的技術。機車重聯技術的產生解決了已有鐵路軌道對重載列車的各種限制，極大地促進了重載列車的發展。

由于礦用電機車與鐵路電力機車遵循相同的牽引原理，可為煤礦用電機車已有單次運力不足的問題的解決指出了一個方向，即礦用電機車無線重聯同步控制系統。

3 重聯同步控制系統關鍵設計

3.1 雙機分布式重聯編組

本文從礦用電機車自身的特點與煤礦井下環境的特殊情況出發，選擇雙機重聯編組試，可分為首—中、首—尾、首—首（集中式）三種編組方式。如圖1所示。

圖1 雙機重聯編組示意圖

與集中式重聯編組相比，分布式重聯編組具有以下優點：

1）降低“斷鏈”幾率，提高行車安全。

2）提高制動響應速度，減少列車制動距離與制動沖擊。

3）更加優秀的彎道通行能力，不論是牽引還是制動。

4）靈活高效的編組與分組方式，大幅提高運輸效率。

5）有效避免列車打滑，起步更順暢，制動更安全。

礦用電機車井下運輸具有機車軌距較窄、彎道半徑較小等特點，在通過彎道時存在車輪與軌道磨損大、易脫軌等嚴重問題。尤其是用于煤炭等物料運輸的礦車，由于沒有制動系統，全車制動僅依靠電機車的制動力，在彎道時制動更易出現上述問題。因為首—中編組等同于原來的兩列列車首尾相連，并沒有改變原車運行方向及車皮直連長度，是三種方式中編組與分組效率最高的方式，也是通過彎道時控制力最好的方式，故而采用首—中編組方式的分布式重聯控制系統更適合于礦用電機車的井下運輸。

3.2 基于雙極化定向天線技術、MIMO-OFDM 技術以及airMAX 技術的無線通信方案

因為在煤礦井下使用的礦用電機車，重聯編組后的主控機車與從控機車之間的通信距離一般不會超過100 m，綜合視頻傳輸與網絡實時特性等方面的需要，故而選擇近距離無線通信方案中的WIFI。

眾所周知，井下電機車行車巷道的物理環境與電磁環境相當復雜，雖然兩車之間的距離較近，但隨著機車的行進，通信的物理與電磁環境也會隨之變化，傳統的WIFI 通信設備是無法滿足使用要求的。通過查閱關于煤礦井下WIFI 研究與應用的相關論文，結合在井下大量的實地測試，最終確定了基于雙極化定向天線技術、MIMO-OFDM 技術以及airMAX技術的工業無線網橋將作為重聯無線通信的關鍵設備。

1）雙極化定向天線技術，可以優化通信天線的數量與體積，擁有良好的分集接收效果，可有效提高輻射功率利用率與信號強度、增強了抗干擾能力。

2）MIMO-OFDM 技術，實現了無線傳輸過程中抗多徑衰落與頻率選擇性衰落的統一，提高了有效信道連接的穩定度，增加了弱信號下的頻譜利用率，提高有效使用寬帶。

3）airMAX 技術，UBNT 公司的專利技術，是對WIFI 通信協議的改進，以時分多址（TDMA）輪詢技術為核心，能有效提高點對點工作模式和噪聲環境下設備的整體性能，可有效減少延遲，增加吞吐量，防止干擾。

3.3 基于速度控制的轉矩跟隨功率平衡策略

基于轉矩跟隨的功率平衡控制策略的核心思想是：通過轉矩給定控制的方式來直接控制每臺電機的輸出轉矩，進而控制電機的輸出功率，也就是電機運行電流，來達到多臺電機輸出功率的一致性。此策略主要通過負載耦合來實現多臺電機之間的等速等功率，常用于鋼性連接的受控模型。

對于正常行車的重聯機車來講，其4 臺電機以等速同負荷的方式運行才是其最佳的工作狀態。其中單臺礦用電機車內部的2 臺電機由于共同安裝在一個車架中，故而可以近似看作是鋼性連接；而重聯主控機車與從控機車之間雖然采用的是半鋼性連接，但由于半鋼性的范圍較小，在極限時可以轉變為鋼性連接，此時主從機可以通過負載耦合來同步車速，故可以以鋼性連接的方式來進行相關數據分析。

基于轉矩跟隨的功率平衡控制理論，對于正常狀態下的重聯機車的功率平衡調節給定策略如下：

1）司機的給定操作直接給定到主控機車的主控電機；

2）從控電機以主控電機的輸出（輸出頻率、輸出轉矩）作為給定值；

3）從控機車以主控機車的輸出（輸出轉矩）作為給定值，即主控機車中主控電機的輸出值是從控機車中主控電機的給定值。

由于重聯機車之間的負載耦合是存在一個半鋼性與鋼性相互變化的過程，根據轉矩控制的特性可知，當給定轉矩大于負載轉矩時電機將按加速曲線加速至給定頻率，也就是說從控機車在給定轉矩大于其負載后會呈現加速運行狀態，故而在重聯機車負載耦合時會產生較大的沖擊。為了保證了負載耦合過程的快速性，同時減少在負載耦合過程中的沖擊問題，可在從控機車的控制策略中加入速度限幅，即從控機車頻率給定=主控機車輸出頻率×（1+設定值）。

4 重聯同步控制系統整體設計方案

礦用電機車無線重聯同步控制系統由PLC 控制系統、無線網絡系統以及視頻監視系統三部分組成。系統結構示意圖如圖2 所示：

圖2 礦用電機車無線重聯同步控制系統結構示意圖

具體方案設計如下：

1）重聯控制系統應用對象是支持轉矩控制的變頻調速型礦用電機車，包括蓄電池與架線車型。

2）重聯控制系統采用分布式重聯控制方案，選用首中的編組方式，同時兼容首首與首尾的編組方式。

3）重聯控制系統由PLC 控制系統、無線網絡系統以及視頻監視系統組成。

4）重聯控制系統基于數據分網傳輸的設計理念，重聯機車之間、機車內部設備之間的數據傳輸均通過不同的網絡進行交換。

5）重聯主從機之間采用以工業級無線網橋為傳輸設備的無線網絡方案。

6）重聯控制系統采用基于速度控制的轉矩跟隨功率平衡策略。

7）重聯控制系統共有單機模式、重聯主控及重聯從控三種控制模式。

8）為了保證重聯列車制動的安全性，需要對礦用電機車原有的不可控氣制動回路進行可控性改造，增加可控單元——礦用本安型電磁閥及其配套組件。

5 應用效果

經陽煤集團五礦進行測試與應用表明，12 t 重聯機車與用戶常用的15 t 機車相比，單次運力提升約62.5%，單次耗時多12.5%，綜合效率提升約44.4%。且經過半年多的應用，礦用電機車無線重聯同步控制系統得到了用戶的一致好評，具備良好的社會經濟效應，具有很高的推廣價值。