礦用平巷防爆電驅人車電氣系統設計

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，國內外一些井下無軌車輛生產企業，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量，也減少了運行費用。

架線電驅技術，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動無軌膠輪車質量大、續航里程短等問題。因此，經反復分析研究，提出礦用平巷防爆電驅人車電氣系統設計方案。通過井下工業性試驗表明，該方案取得了良好的效果，其電驅人車不僅大大提高煤礦巷道空氣質量，而且改善了井下作業環境，保護井下工人的安全健康。

1 礦用巷階爆電驅人車電氣系統設計原理

礦用平巷防爆電驅人車的電氣系統的設計原理如圖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據傳送，將系統電壓、系統電流、實時轉速、左右變頻器參數、故障信息等發送給駕駛室，方便駕駛人員掌握整體車況。通信方式可以有多種選擇，如Can通信、CanOpen通信、Modbus通信以及DeviceNet等短距離現場總線通信方式。

圖1 平巷防爆電驅人車電氣系統設計原理

2 硬件設計

礦用平巷防爆電驅人車的電氣系統硬件中，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，主控制器可同時執行多個任務[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

整個系統軟件運行在中央控制器內部，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通信數據的接收與發送，完成PLC數據通過駕駛室顯示屏的顯示，以及PLC對駕駛室控制命令數據的接收；與顯示屏子程序完成PLC數據在顯示屏上的顯示；通信狀態可判斷子程序完成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模擬量側采集以及檢測。軟件系統中所有子程序都在項目中系統的主程序main函數中運行。控制器上電后，主程序main每一循環周期可被系統調用執行一次，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，發送PLC的心跳值。通信建立后，PLC與左右牽引變頻器進行數據的接收和發送，并各自對數據進行相應的處理。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通信并完成數據收發并對數據進行相應的處理如圖4所示。若DeviceNet通信連接建立成功，則PLC組織并發送數據給駕駛室，同時接收并處理駕駛室發送過來的數據，若DeviceNet通信正常，則繼續進行DeviceNet通信數據處理，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 井下工業性試驗情況

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

5 結論

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

2) 礦用平巷防爆電驅人車通過井下工業性試驗，不但巷道空氣質量得到較大改善，而且降低了運人車的運行成本，經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人車已在榆家梁礦全面完成了井下工業性試驗，試驗結果表明，其運行安全穩定,滿足設計要求。