礦用防爆蓄電池鏟車電控系統(tǒng)的設(shè)計＊

高鵬

礦用防爆蓄電池鏟車電控系統(tǒng)的設(shè)計＊

高鵬

（中煤科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

隨著人們對煤礦井下工人身心健康以及環(huán)境保護的要求提高，礦用防爆柴油車已不能滿足實際的要求，而礦用鉛酸蓄電池車變得越來越重要。介紹了基于PLC為主控制器、單片機為輔的數(shù)據(jù)采集器以及采用牽引變頻器的礦用電鏟車的電控系統(tǒng)的工作原理以及軟件設(shè)計，并將其應(yīng)用到蓄電池鏟車中。實際使用效果表明，基于數(shù)據(jù)采集器、PLC、變頻器三級結(jié)構(gòu)的控制單元，通過CAN總線連接具有接線少、可靠性高、維護方便等特點，從而可以提高礦井輔助運輸?shù)哪芰Α?/p>

礦用電鏟車；PLC；數(shù)據(jù)采集器；變頻器

礦用車輛作為煤礦井下巷道輔助運輸?shù)慕煌üぞ?，起著舉足輕重的作用。隨著高效高產(chǎn)能的礦井建設(shè)，礦用防爆電動車凸顯出噪聲低、零排放等優(yōu)點，相比防爆柴油機在環(huán)保和節(jié)能方面有著明顯的優(yōu)勢。而煤礦井下對電動車輛的要求較高，要求車輛牽引系統(tǒng)具有大扭矩，且能適應(yīng)煤礦地面的使用環(huán)境，特別是對整個電控系統(tǒng)的設(shè)計。本文針對此問題設(shè)計了一套礦用鏟車電控系統(tǒng)，采用了PLC、數(shù)據(jù)采集器以及變頻器三級結(jié)構(gòu)控制單元，減少彼此之間的線連接，從而通過CAN總線將其各個子系統(tǒng)連接，并將其應(yīng)用于礦用電鏟車的電控系統(tǒng)。

1 電鏟車電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在電鏟車電控系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池作為整車能量的來源，主要給整車提供動力電源，即當(dāng)合上隔離開關(guān)、斷路器后，整個系統(tǒng)通電。通過控制手柄按鈕的操作將信號發(fā)給數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器通過CAN總線發(fā)給PLC主控器。

PLC通過采集不同的信號從而控制油泵電機以及牽引電機的行走。其中，圖中的24 V隔離電源主要起隔離電壓的作用，防止高壓電源串接入，損壞整車的PLC以及數(shù)據(jù)采集器，確保整個系統(tǒng)能夠更加可靠地運行，其電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 軟件結(jié)構(gòu)

本電鏟車軟件結(jié)構(gòu)主要分為兩部分：一部分為數(shù)據(jù)采集器采集手柄等開關(guān)量信號以及外圍傳感器等模擬量信號，將采集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)給主控制器PLC處理，從而作出相應(yīng)的動作；另一部分為PLC主控制器，其通過采集到的信號來啟動控制油泵、牽引變頻器的輸出，從而控制油泵電機以及牽引電機。油泵電機轉(zhuǎn)速采用某一固定的頻率，而牽引電機采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制算法實現(xiàn)車輛可靠的行走。其中，PLC在整個CAN網(wǎng)絡(luò)中作為CAN總線的主站，數(shù)據(jù)采集器、牽引變頻器、油泵變頻器作為CAN網(wǎng)絡(luò)的從站。

圖1 電鏟車電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制框圖

整個電控系統(tǒng)控制單元間的所有信息都通過CAN的兩根數(shù)據(jù)線進行交換，其整車CAN網(wǎng)絡(luò)控制如圖2所示。

在整個系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)進行CAN網(wǎng)絡(luò)、模擬量/數(shù)字量輸入、輸出口的初始化，并對變頻器進行初始化操作，包括通過SDO寫變頻器初始化配置數(shù)據(jù)（包括轉(zhuǎn)速限制數(shù)值、電機參數(shù)數(shù)值等）。當(dāng)整個系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)初始化后，通信正常與否，會通過彼此間定時的一問一答即“心跳”進行聯(lián)系，當(dāng)心跳正常后，方可進行整車的控制，否則將通信故障信息顯示在顯示屏上。

圖2 整車CAN網(wǎng)絡(luò)控制圖

當(dāng)數(shù)據(jù)采集器通過采集外圍操作箱信號給定以及外圍傳感器數(shù)據(jù)正確后，系統(tǒng)開始進行相應(yīng)的一系列動作，如果出現(xiàn)故障，故障代碼及故障信息將會實時顯示在顯示屏上。

PLC在系統(tǒng)中作為整車的中央處理單元，通過CAN總線判斷數(shù)據(jù)采集器以及變頻器的數(shù)據(jù)實時地將數(shù)據(jù)更新到人機交互顯示界面，同時其處理各個數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系，通過外圍的數(shù)據(jù)以及一定的算法實現(xiàn)整車可靠的運行。

4 系統(tǒng)顯示界面

系統(tǒng)顯示界面作為人機交換的窗口，在車輛可靠運行中扮演著重要的角色。車載顯示屏顯示界面如圖3所示，其主要顯示牽引轉(zhuǎn)速表、電機溫度、變頻器主板溫度、電池電量SOC、電池電壓、電池電流、里程表以及車輛外圍的各開關(guān)量信號等信息。當(dāng)出現(xiàn)故障時，顯示屏滾動顯示故障信息以及解決辦法，并發(fā)出報警聲，為司機提供一定的解決辦法。這樣能夠提高整車的可靠性，縮短故障消除的時間，從而提高整車的運行效率。

5 結(jié)語

該種設(shè)計方法已經(jīng)應(yīng)用于礦用7 t、10 t防爆鉛酸蓄電池鏟車的電控系統(tǒng)，且系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠運行。并且該種方法可進一步移植應(yīng)用于其他新型礦用防爆電鏟車的電控系統(tǒng)。通過CAN總線的連接減少了電控箱體之間多線的連接，從而確保整個系統(tǒng)能夠可靠地運行，并且系統(tǒng)在出現(xiàn)故障后能夠盡快排除故障，提高產(chǎn)品的可靠性和競爭力。

圖3 車載顯示界面

［1］衛(wèi)文波.煤礦井下無軌防爆特種車輛液壓系統(tǒng)研究［J］.煤礦機械，2016，37（5）：21-23.

［2］李芳，張俊智，王麗芳，等.電動汽車動力總成系統(tǒng)控制器局域網(wǎng)（CAN）總線通信協(xié)議［J］.機械工程學(xué)報，2008（5）：102-107.

［3］袁紅軍.基于CAN地下混合動力車輛電控系統(tǒng)設(shè)計分析［J］.機械設(shè)計與制造，2018（6）：184-187.

［4］李徑亮，劉昭度，張彪，等.基于MCU的車輛ACC電控系統(tǒng)設(shè)計［J］.微計算機信息，2009（29）：1-3.

［5］姜銘.礦用分體梭車電氣系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.煤礦機電，2016（5）：21-23.

TD632

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.050

2095－6835（2020）08－0116－02

中國煤炭科工集團太原研究院有限公司技術(shù)創(chuàng)新項目（編號：M2018-23）

高鵬（1989—），男，碩士，實習(xí)研究員，主要從事煤礦車輛電氣自動化的研究。

〔編輯：王霞〕