矿用平巷防爆电驱人车电气系统设计

甘松柏

(西山煤电集团 东曲煤矿， 山西 太原 030200)

0 引言

当前矿用车辆主要依赖柴油和电池为动力源，其中防爆柴油机的废气排放致使巷道中空气质量变差，使之驾乘人员和其他井下工作人员长期呼吸有毒排放气体，严重影响身体健康。同时，狭窄封闭环境中防爆柴油机的尾气排放也使柴油机自身的进气条件变差[1-2]。2000年以后，国内外一些井下无轨车辆生产企业，比如卡特彼勒、石家庄煤矿机械有限公司、航天重工以及深圳德塔电动汽车科技有限公司陆续推出了蓄电池无轨胶轮车，通过尾气零排放改善了巷道空气质量，也减少了运行费用。

架线电驱技术，既能高效地解决使用防爆柴油机带来的二次污染、动力不足等问题，又能解决以蓄电池电驱动无轨胶轮车质量大、续航里程短等问题。因此，经反复分析研究，提出矿用平巷防爆电驱人车电气系统设计方案。通过井下工业性试验表明，该方案取得了良好的效果，其电驱人车不仅大大提高煤矿巷道空气质量，而且改善了井下作业环境，保护井下工人的安全健康。

1 矿用巷阶爆电驱人车电气系统设计原理

矿用平巷防爆电驱人车的电气系统的设计原理如图1所示。主要由可编程控制器(PLC)以有线通信方式控制左、右变频器，并由变频器驱动左、右变频器电动机，进而控制人车行进，然后与人车驾驶室之间以有线通信方式进行数据传送，将系统电压、系统电流、实时转速、左右变频器参数、故障信息等发送给驾驶室，方便驾驶人员掌握整体车况。通信方式可以有多种选择，如Can通信、CanOpen通信、Modbus通信以及DeviceNet等短距离现场总线通信方式。

图1 平巷防爆电驱人车电气系统设计原理

2 硬件设计

矿用平巷防爆电驱人车的电气系统硬件中，PLC选用了Alley_Bradley1756系列，该系列的PLC支持Ethernet/IP、ControlNet以及DeviceNet通信，配套有数字量DC输入/输出模块，模拟量输入模块以及热电偶温度输入模块等，并且处理速度快，配置多任务多系统，主控制器可同时执行多个任务[3-6]，其左、右变频器选用Alley_Bradley系列的额定电压为2 300 V的变频器，额定功率为1 200 kW，额定频率为50 Hz，最大输出频率为60 Hz；左、右变频电动机选用南阳防爆电机厂定制的变频防爆电动机，额定功率为1 000 kW。

3 软件设计

3.1 PLC软件流程

整个系统软件运行在中央控制器内部，由左牵引变频器控制子程序、右牵引变频器子程序、与驾驶室通讯子程序、与显示屏通讯子程序、控制子程序、模拟量处理子程序以及通信状态判断子程序7部分组成，详见图2所示。左右牵引变频器控制子程序包括PLC对牵引变频器的初始化、启动以及DeviceNet通信3大部分，该子程序负责完成左右牵引牵引变频器的初始化、启动以及对左右牵引电动机的控制；与驾驶室子程序包括PLC与驾驶室DeviceNet通信数据的接收与发送，完成PLC数据通过驾驶室显示屏的显示，以及PLC对驾驶室控制命令数据的接收；与显示屏子程序完成PLC数据在显示屏上的显示；通信状态可判断子程序完成PLC与左右牵引变频器、油泵变频器、驾驶室以及显示屏的通信状态的判断；控制子程序包括延时处理、逻辑控制以及漏电检测3大部分，该子程序负责完成对输入点的延时处理、逻辑控制以及漏电检测；模拟量处理子程序完成对母线电流、母线电压、漏电流以及PT100模拟量侧采集以及检测。软件系统中所有子程序都在项目中系统的主程序main函数中运行。控制器上电后，主程序main每一循环周期可被系统调用执行一次，相当于一个单任务程序的主程序。

图2 矿用平巷防爆电驱人车PLC软件流程

3.2 关键PLC子程序流程

3.2.1 牵引变频控制子程序

牵引变频器控制子程序主要完成对牵引变频器的控制如图3所示。首先PLC与左右牵引变频器建立DeviceNet通信连接，若DeviceNet通信连接建立成功，则PLC发送启动信号、启动代码给变频器，并获取左右牵引变频器的心跳值，发送PLC的心跳值。通信建立后，PLC与左右牵引变频器进行数据的接收和发送，并各自对数据进行相应的处理。若DeviceNet通信连接没有建立成功，则重新建立DeviceNet通信连接。

图3 对牵引变频控制子程序

3.2.2 与驾驶室通信子程序

与驾驶室通信子程序主要完成PLC与驾驶室的DeviceNet通信并完成数据收发并对数据进行相应的处理如图4所示。若DeviceNet通信连接建立成功，则PLC组织并发送数据给驾驶室，同时接收并处理驾驶室发送过来的数据，若DeviceNet通信正常，则继续进行DeviceNet通信数据处理，若DeviceNet通信异常，则重新建立DeviceNet通信连接。若DeviceNet通信连接建立失败，则重新建立DeviceNet通信连接。

图4 与驾驶室通信子程序

3.2.3 模拟量处理子程序

模拟量处理子程序主要完成模拟量的数字化处理，如图5所示。该子程序分别对母线电流信号、母线电压信号、漏电流信号以及PT100信号进行处理，并进行错误判断并指示。

图5 模拟量处理子程序

4 井下工业性试验情况

矿用平巷防爆电驱人车选定榆家梁煤矿进行井下工业性试验，该试验旨在验证其电气系统在实际使用中的安全性、可靠性。通过井下试验结果，其电驱人车的井下巷通空气质量，故圆满地完成了井下工业性试验，达到了良好的设计效果。

5 结论

1) 矿用平巷防爆电驱人车电气系统，其硬件系统主要以PLC支持通信，配套有数字量的模块，主控制器同时能执行多个任务，其软件运行在中失控制器内部，其子程序由7个部分组成。

2) 矿用平巷防爆电驱人车通过井下工业性试验，不但巷道空气质量得到较大改善，而且降低了运人车的运行成本，经济效益和社会效益方面都取得了较好的效果。目前矿用平巷防爆电驱人车已在榆家梁矿全面完成了井下工业性试验，试验结果表明，其运行安全稳定,满足设计要求。