直流斩波调速电机车闭环调速装置的研制及应用

谢广峰 王亚东

(河钢集团矿山设计有限公司)

目前直流斩波调速的电机车依然广泛应用于各种矿山、钢厂等生产物料的长距离有轨运输。司家营铁矿井下运输所使用的就是直流斩波调速的电机车，然而这种传统的人工驾驶电机车已经不符合现代新型矿山建设要求。该公司所使用的电机车全部为人工手动驾驶，电机车司机进行运输作业时，根据需要调节控制器手柄提高脉宽、降低脉宽控制电机车的速度，当需要快速减速或停车时，投入电阻制动实现减速或停车。这种人工开环控制的速度稳定性和运输效率受人为因素影响很大，窜车掉道现象时有发生，矿石运输效率低下。为此，河钢集团矿山设计公司自主研制电机车的闭环调速装置，以期改造电机车运行方式，实现高效降耗运输。

1 闭环调速装置结构组成

闭环调速装置由西门子TP700精智7寸触摸屏、西门子S7200 SMART 小型PLC、24 V直流电源、电机车测速装置等组成[1-2]。触摸屏、PLC及直流电源组成PLC控制单元。24 V直流电源为PLC和测速装置供电。触摸屏是集成自动化工程软件 SIMATIC WinCC V11组态面板。触摸屏与PLC用网线连接，在组态画面中可以设定电机车行驶速度以及显示行车速度。电机车测速装置安装在电机车的一个车轮上[3]。

2 工作原理

当车轮上的测速装置检测到的电机车速度信息后，将信息输出至驾驶室内的PLC控制单元；PLC控制单元根据测速装置中的旋转编码器信号检测出的电机车的运行速度和方向，与电机车的预设运行速度和方向对比生成控制信号的脉宽，由PLC控制单元的高速脉冲输出接口输出至电机车的斩波控制器；斩波器将PLC的脉冲信号放大，用于控制电机车运行。PLC控制单元也可以使用模拟量输出模块将与控制输出速度成正比关系的电压信号直接输送至驱动电路，驱动电路输出给斩波器的脉冲可调占空比的脉宽与输入的信号电压成线性比例。PLC控制单元根据测速装置输出信号计算得出电机车的运行速度，将其与预先设定的速度对比进行PID运算，调节控制信号的占空比值，将控制信号输出至斩波控制器，当运行速度超出预设速度的设定范围时，PLC控制单元关断控制信号的输出，并切入电阻减速制动[4]。

电机车原有斩波调速开环控制技术原理见图1，改造后的电机车闭环调速控制技术原理见图2。

图1 原电机车开环控制技术原理

3 主要功能及特点

该铁矿的电机车应用闭环调速装置后，电机车的运输行驶速度稳定，控制系统根据机车负载大小、轨道坡度的变化自适应调整脉宽，有效节约电能损耗，极大提高运输效率，可以实现高精度定速控制且超速保护，实际行驶速度与给定速度误差不超过0.5 km/h。其中的PLC控制单元还可以扩展其他功能，无论是手动驾驶和远程无人驾驶都可以在此装置的基础上实现智能控制。测速装置安装在车轮上不受外界环境及机车振动影响，可准确测定机车的运行速度。采用了多项抗干扰措施，使原车的系统寿命延长，可靠性高，控制准确，接线简单，运行安全可靠，维护简单，安装成本低。

图2 改造后电机车闭环控制技术原理

4 结 论

直流斩波调速电机车闭环调速装置采用西门子公司的S7-200 SMART小型PLC及TP700精智7寸触摸屏，电机车驾驶人员通过触摸屏进行相关操作，在运输行驶过程中，及时处理数据，系统快速输出反应。该装置对井下电机车原有系统改动很小，运行可靠，硬件投入和软件编程方面极易实现，并且成本低廉。现已在司家营铁矿实际应用，在此基础上实现了自动化无人驾驶，并且从中取得了良好的经济效益，达到了预期效果，为国内矿山企业的井下电机车智能化改造提供了借鉴。