煤礦用電驅梭車控制系統硬件的設計與實現

朱鋒

(神東技術研究院, 陜西 神木 719315)

0 引言

在煤礦短壁開采中，梭車是與掘進機、連采機等配套使用的。經防爆處理后的柴油機驅動的梭車，在使用過程中會出現大量的廢氣排放、煙霧以及熱輻射，同時柴油機的噪聲非常大，這些問題無法從根本上解決。隨著井下使用柴油驅動的輔助運輸車輛的增多，對礦井的通風系統就會提出更高的要求，如果通風系統通風能力不夠，發生災害的可能性就會更大。電驅型輔助運輸系統，廢氣、煙霧以及熱輻射都是零排放，而且系統在運行時聲音較小。同時使用電力驅動，降低了驅動源的經濟損耗，提高了輔助運輸車輛使用的性價比。因此，電驅型梭車在煤礦井下使用較為廣泛。

國外對煤礦用梭車的研究內容以及研究深度均遠遠早于國內，尤其是沒有以JOY公司、Caterpillar公司、FLETCHER公司、LongAaidox公司、GE公司以及德國DBT公司為代表的礦用機械設備制造壟斷企業。我國神東礦區、兗州礦區、大同礦區等較大型煤礦企業在前期的短壁開采中，都是進口上述國外公司短壁開采設備。總的來說，國外電驅梭車的研究要遠遠早與國內[3]，并在機械、液壓、電氣以及智能化技術上處于領先地位，是國內各個企業、高校以及科研機構學習的榜樣。美國JOY公司生產的電驅梭車在我國的神東礦區、榆林礦區、山東兗州礦區以及山西礦區中都有在使用，使用效果較好，在安全性、穩定性方面的表現都非常突出，極大地提升了當地煤礦井下的生產效率。

1 控制系統硬件設計方案

煤礦用電驅梭車控制系統的強電設計方案[1]如圖1所示，U、V、W三相交流1 140 V電源由電控箱的專用電源喇叭嘴引入，經熔斷器、熱繼電器以及隔離開關后，接油泵電動機；另外經隔離開關后，分別接變頻模塊1、變頻模塊2以及變頻模塊3分別驅動轉載電動機、左行走電動機以及右行走電動機[2]。另外，在油泵電動機、轉載電動機、左行走電動機[9]以及右行走電動機上分別裝有3個電流傳感器，用于檢測三相電流值。

煤礦用電驅梭車的弱電系統主要包括PLC控制器以及擴展模塊，用于隔離模擬量、數字量的隔離柵、用于保護電動機的綜合保護器、用于報警的蜂鳴器、直流127 V電源模塊、直流36 V電源模塊、礦用液位傳感器、礦用壓力傳感器、礦用油溫傳感器[12]、前燈、后燈以及語音報警器。在該弱電系統中，PLC控制器以及擴展模塊是該控制系統的核心[4]，該PLC控制器也是CAN通信的主站，其上側為CPU側，下側為I/O側。其中CPU側有油溫、行車制動、駐車制動、油泵啟動、油泵停止、轉載啟動、轉載停止、急停、前進、后退、行走高速、行走低速[10]、后燈、前燈、蜂鳴器、電磁閥、語音報警以及CANH/CANL等。I/O側有行走速度、漏電閉鎖、油泵自保、熱繼電器、控制模式、油位警告、卷纜空、卷纜滿、127 V漏電、36 V漏電、復位、轉載過熱、運行、故障、正轉、反轉、油位故障、變頻回路狀態等。該弱電系統中用到的隔離柵有行車、駐車模擬量隔離柵、油溫模擬量隔離柵、行走模擬量隔離柵、CAN通信隔離柵、轉速數字量隔離柵[7]。

2 控制系統硬件的實現

2.1 關鍵硬件選型

1) PLC控制器選型。煤礦用電驅梭車控制系統中的PLC控制器選用InterControl的IC-02型控制器[5]。該控制器具有32位地址總線，主頻為400 MHz，具有64浮點處理能力，配置有32 MBSDRAM，8 MB Flash以及16 kB程序緩存，具有16 kB數字緩存，并且支持多任務處理能力。控制器分為CPU側以及I/O側，兩個的引腳功能不同。

2) 變頻器選型。變頻器選用澳大利亞PEMPEK公司的LOW4系列變頻器。該款變頻器是專為輪式牽引系統開發設計的一款四象限產品[6]，經過多年的應用與改進，該款變頻器運行穩定可靠，結構緊湊、保護性能優越、完全符合煤礦設計體積小、運行穩定的要求。

3) CAN通信隔離柵選型。CAN通信隔離柵選用深圳安貝爾的ADG-CAN-A總線隔離柵，該隔離柵能夠自適應50～500 kHz波特率，支持并適應任何CAN總線高層協議；兩側內置120 Ω匹配電阻，具有高隔離、高可靠、耐沖擊的優點。該CAN通信隔離柵適用于工業現場控制、遠程控制與數據采集等需要隔離或增加負載節點的延長通信距離的領域。

4) 瓦斯斷電儀選型。瓦斯斷電儀選用DJC4.0/220礦用車載式瓦斯斷電儀，采用智能單片和新型電子器件，數碼顯示，自動控制，性能穩定，門限準確，反應迅速，精度高。斷電儀具有本安電源短路(故障)自動保護功能，確保了長時間使用的安全性，斷電儀還具有體積小、功耗低、操作簡單、使用方便等特點，從而達到國內同類產品的先進水平。

2.2 硬件實現

2.2.1 電驅梭車參數

煤礦用電驅梭車的硬件參數如表1所示，主回路電壓等級為交流1 140 V，控制回路電壓等級較多，有AC 220 V、AC 180 V、AC 127 V、DC 36 V、DC 24 V等。該控制系統一共有4個回路，即油泵回路、轉載回路、左牽引回落以及右牽引回路，除油泵回路功率為25 kW外，其余回路功率均為65 kW。

表1 煤礦用電驅梭車硬件參數

2.2.2 電控箱結構

電控箱外觀結構如圖2所示。電控箱為隔爆兼本質安全型電氣設備，其隔爆外殼由主腔和接線腔兩個獨立的隔爆腔體組成，兩個腔體之間通過接線端子相互連接。接線腔裝有3個JF12-1140接線端子，6個JF10-1140接線端子，8個JF8-1140接線端子和10個JD9-220接線端子，主腔和接線腔內都裝有接地螺栓。

圖2 電控箱結構

電控箱主腔門與箱體靠螺栓緊固，并設有回轉鉸鏈。主腔右側上部裝有斷路器操作手柄、急停按鈕和門閉鎖機構，下部裝有牽引變頻器所需的2臺升壓電抗器。斷路器手柄有分、合兩個位置。只有先按下急停按鈕，才能對斷路器的操作手柄進行操作。

主腔后壁裝有一個轉載變頻器、變壓器、牽引回路主接觸器、油泵接觸器及油泵回路熱繼電器等器件；主腔底部安裝有2臺牽引變頻器。主腔的門板上安裝有該電控箱弱電控制部分，其中包括2臺開關電源、1臺中央邏輯控制器、中間隔離繼電器、安全式隔離柵等部件。

接線腔位于電控箱箱體的上端，接線腔蓋板與箱體采用螺栓緊固，并設有“嚴禁帶電開蓋”警示牌，警示只有在前級電控箱電源處于斷開位置時才能打開本電控箱的接線腔。接線腔和主腔電源端子均設有絕緣護板，防止誤操作危害人身安全。接線腔為電源進線和控制回路進出線腔體，裝有6個B4、5個A4、24個A1喇叭嘴。

2.2.3 操作箱結構

操作箱外觀結構如圖3所示。操作箱為礦用隔爆型電氣設備，蓋板與箱體采用螺栓緊固方式。其共有3個三位旋轉開關、6個開關按鈕及1個急停開關。箱體上有“嚴禁帶電開蓋”并在各開關位置有其功能標牌，蓋板上同時設有“Exib I”標志。

圖3 操作箱結構

2.2.4 硬件故障

煤礦用電驅梭車控制系統硬件部分的故障信息以及解決方法如表2、表3及表4所示，分別給出真空接觸器部分、電動機部分、控制保護部分的部分常見故障現象、故障原因以及故障處理方法[8]。

表2 煤礦用電驅梭車控制系統真空接觸器故障信息

表3 煤礦用電驅梭車控制系統電動機故障信息

表4 煤礦用電驅梭車控制系統控制保護部分故障信息

2.3 監控平臺程序

應用KingSCADA3.53軟件設計的煤礦用輕型電驅梭車控制系統監控平臺如圖4所示，在該監控平臺中包含PLC控制的輸入輸出變量，變頻器相關數據變量以及報警信息實現對控制系統的故障監控，并實時顯示報警信息[13]。

圖4 煤礦用輕型電驅梭車控制系統監控平臺

3 結論

本文在介紹煤礦用梭車的基礎上，分析煤礦用電驅梭車控制系統的設計目標、設計架構以及硬件設計方案，重點給出電驅梭車控制系統的硬件實現方法，主要分析了電驅梭車參數、電控箱結構、操作箱結構、硬件故障及其解決方法。后續將進一步對電驅鎖車軟件部分進行設計及實現，完整給出煤礦用電驅梭車控制系統的關鍵技術，從而完整給出電驅梭車控制系統的硬件及監控平臺設計，進行試生產及工業性試驗。對于消除防爆柴油發動機鎖車帶來的尾氣及噪聲帶來的污染有著重大意義。