蓄電池支架搬運車電氣系統優化設計*

布朋生

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，太原 030006）

0 引言

支架搬運車用于煤礦井下綜采工作面液壓支架的搬運工作。國內液壓支架按照中心距可分為1.5 m、1.75 m兩種。1.5 m中心距液壓支架總質量小于28 t，1.75 m中心距液壓支架總質量大于28 t。隨著自動化、智能化開采技術的不斷發展，綜采工作面長度由100～150 m提升至300 m，液壓支架數量由100架提升值180架，總質量由1 500 t提升至7 500 t左右［1－3］。綜采工作面搬家時，搬運液壓支架工作任務重、危險系數高、耗時長，約占總搬遷時間的70%。為節約綜采工作面搬家時間，需要保證支架搬運車運行的穩定性［4－5］。針對蓄電池支架搬運車原電氣系統中存在問題諸如通信、控制模式等問題，進行優化設計，提高支架搬運車電氣控制性能。支架搬運車運行過程中的重要數據，如運行模式、變頻器故障、轉速／轉矩實時值等，以CAN通信進行數據傳輸。配置電源裝置，為系統中的用電設備提供AC220或DC24V供電電源。在該電氣系統設計中，采用轉矩控制模式驅動支架搬運車。蓄電池支架搬運車原電氣系統存在的問題有：（1）CAN通信時，數據量大時，數據丟包率高、實時性差；（2）控制模式單一，平路行駛時，速度低于8 km／h；爬坡時，變頻器報過壓故障，無法完成12°爬坡試驗；（3）無遙控系統，增加了井下工作人員的危險系數。

1 原電氣設計

原蓄電池支架搬運車電氣系統設計如圖1所示，由PLC控制器控制變頻器控制器，驅動1臺油泵變頻器、2臺牽引變頻器運行。油泵變頻器與油泵電機采用“一拖一”模式運行，用于為支架搬運車提供液壓動力，控制液壓油缸按照指令動作；牽引變頻器與牽引電機采用“一拖二”模式運行，分別用于控制支架搬運車的前部2電機和后部2電機，驅動支架搬運車前進、后退。PLC控制器、變頻器控制器以及變頻器之間采用CAN總線數據傳輸模式。PLC控制器還需要對電操作系統、低壓照明系統進行邏輯控制。電操作系統主要包括急停、閉鎖、手柄按鈕控制。配置顯示系統，用于顯示

圖1 原蓄電池支架搬運車電氣系統設計框圖

2 優化設計

2.1 設計方案

針對原蓄電池支架搬運車電氣系統存在的問題，設計優化設計方案，如圖2所示。由PLC控制器直接控制牽引、油泵變頻器，變頻器與電機之間采用“一拖一”模式。擴展兩個CAN通信口，一個CAN通信口控制兩個牽引變頻器，PLC控制器自帶的CAN通信口用于驅動油泵變頻器，以保證CAN通信數據的實時性，減少丟包率。增加支架搬運車遙控系統，以CAN通信模式實現數據、控制指令的傳輸。

采用CAN總線通信時，設置的通信參數如表1所示。

圖2 優化后的蓄電池支架搬運車電氣系統設計框圖

表1 蓄電池支架搬運車CAN通信參數設置

2.2 優化驅動策略

針對原蓄電池支架搬運車電氣系統存在控制模式單一問題，優化設計驅動策略，如圖3所示。PLC控制器接收模式轉換、駐車制動、加速腳踏板、制動腳踏板以及車速／電機轉速信號，經邏輯處理后，分別進入轉速模式、低速大扭矩、前驅以及后驅4種控制模式，以驅動支架搬運車運行。轉速模式用于在巷道內空載運行，可提高支架搬運車的運行速度；低速大扭矩模式用于爬坡工況，降低車速、輸出大扭矩；也用于搬運支架過程。前驅、后驅模式為應急模式，防止有一個或幾個變頻器損壞時，確保支架搬運車能駛離巷道。設計故障處理系統，以便對支架搬運車運行發生故障時，及時發現故障、排除故障。

圖3 蓄電池支架搬運車驅動策略

（1）轉速模式控制

當支架搬運車的運行模式為轉速模式時，PLC控制器需完成對變頻器的轉速控制。PLC控制器以CAN通信模式接收變頻器數據，根據定義的CAN通信協議進行數據解析。表2以及表3所示為PLC控制器與變頻器部分CAN通信協議。根據解析到的變頻器的“狀態字”，以CAN通信模式發送對應的控制指令，使變頻器狀態切換至可運行模式（變頻器狀態處于該模式時，只要給定轉速／轉矩，即驅動電動機運行）。PLC控制器分析駐車制動、制動腳踏板信號經邏輯判斷，支架搬運車可運行時，對加速腳踏板信號經A／D轉換后，得到腳踏板給定轉速Vset，傳送至CAN通信協議中的“速度給定”單元，并發送至變頻器，驅動電動機按照Vset運行。變頻器返回設定“模式”、“模式反饋速度”，PLC控制器解析后完成確認。

表2 PLC控制器發送給變頻器的CAN通信數據（部分）

表3 變頻器發送給PLC控制器的CAN通信數據（部分）

（2）轉矩模式控制

當支架搬運車的運行模式為低速大扭矩、前驅、后驅模式時，PLC控制器完成對變頻器的轉矩控制，軟件流程如圖4所示。PLC控制器根據變頻器的“狀態字”，發送不同的“控制字”以及模式，將變頻器切換至轉矩模式可運行狀態。PLC控制器獲取腳踏板信號經A／D轉換后傳送至模糊PID控制單元，輸出經調節后的“轉矩給定”值發送給變頻器以驅動電動機運行。電動機運行后，通過安裝在電動機機身的旋轉編碼器，PLC控制器實時獲取電動機轉速，作為模糊PID控制單元的輸入變量進行轉矩調節［6－7］。當輸出值與給定值的偏差較大時，取消積分調節，避免輸出值的穩定性降低；當輸出值與給定值相近時，加入積分調節，消除靜態誤差，提高“轉矩給定”值的精度。在進行轉矩控制時，需要對電動機的轉速上限進行設置，另需要考慮母線電壓以及功率對“轉矩給定”的影響，即增加母線電壓和功率調節系數。

圖4 轉矩控制模式軟件流程

3 試驗分析

優化后的蓄電池支架搬運車電氣控制系統完成實驗室測試以及整車出廠測試。

實驗室測試以測試電氣控制箱為主，外接4臺牽引電機以及1 200 kW測功機，完成空載、溫升、帶載、堵轉等試驗。試驗統計結果如下：（1）空載時，電動機最高轉速可至3 000 r／min；（2）空載，無冷卻系統時（室溫30℃），變頻驅動牽引電機運行，5 min后變頻器IGBT溫度達85℃，溫度保護報警；加水冷（風冷）系統后，變頻器可長時間穩定運行；（3）帶載，驅動測功機運行，總輸出功率為320 kW，加冷卻系統后，變頻器IGBT溫度保持在47℃左右；（4）堵轉轉矩為1 100 N·m。

整車出廠試驗以測試整車性能為主，完成模式、速度、續航以及爬坡試驗。試驗統計結果如下：（1）可完成轉速、轉矩（低速大扭矩、前驅、后驅）模式運行；（2）空載時最大車速為9.2 km／h，滿載時最大車速為5.8 km／h；（3）空載蓄電池續航里程約為40 km，滿載續航里程約為20 km；（4）整車可完成12°、14°爬坡試驗，電池最大放電電流為1 088 A。

4 結束語

本文以蓄電池支架搬運車為研究對象，優化電氣系統設計，增加轉速模式控制，低速大扭矩、前驅、后驅轉矩模式控制，增加遙控系統，以增強操作支架搬運車的安全性。將支架搬運車國產化，也解決了依賴進口價格昂貴、維修成本較高的突出問題。蓄電池支架搬運車，有效解決了煤礦井下設備搬家問題，減少一氧化碳等有毒有害氣體的排放，對國內實現煤礦綠色開采意義重大。