煤矿用电驱梭车控制系统硬件的设计与实现

朱锋

(神东技术研究院, 陕西 神木 719315)

0 引言

在煤矿短壁开采中，梭车是与掘进机、连采机等配套使用的。经防爆处理后的柴油机驱动的梭车，在使用过程中会出现大量的废气排放、烟雾以及热辐射，同时柴油机的噪声非常大，这些问题无法从根本上解决。随着井下使用柴油驱动的辅助运输车辆的增多，对矿井的通风系统就会提出更高的要求，如果通风系统通风能力不够，发生灾害的可能性就会更大。电驱型辅助运输系统，废气、烟雾以及热辐射都是零排放，而且系统在运行时声音较小。同时使用电力驱动，降低了驱动源的经济损耗，提高了辅助运输车辆使用的性价比。因此，电驱型梭车在煤矿井下使用较为广泛。

国外对煤矿用梭车的研究内容以及研究深度均远远早于国内，尤其是没有以JOY公司、Caterpillar公司、FLETCHER公司、LongAaidox公司、GE公司以及德国DBT公司为代表的矿用机械设备制造垄断企业。我国神东矿区、兖州矿区、大同矿区等较大型煤矿企业在前期的短壁开采中，都是进口上述国外公司短壁开采设备。总的来说，国外电驱梭车的研究要远远早与国内[3]，并在机械、液压、电气以及智能化技术上处于领先地位，是国内各个企业、高校以及科研机构学习的榜样。美国JOY公司生产的电驱梭车在我国的神东矿区、榆林矿区、山东兖州矿区以及山西矿区中都有在使用，使用效果较好，在安全性、稳定性方面的表现都非常突出，极大地提升了当地煤矿井下的生产效率。

1 控制系统硬件设计方案

煤矿用电驱梭车控制系统的强电设计方案[1]如图1所示，U、V、W三相交流1 140 V电源由电控箱的专用电源喇叭嘴引入，经熔断器、热继电器以及隔离开关后，接油泵电动机；另外经隔离开关后，分别接变频模块1、变频模块2以及变频模块3分别驱动转载电动机、左行走电动机以及右行走电动机[2]。另外，在油泵电动机、转载电动机、左行走电动机[9]以及右行走电动机上分别装有3个电流传感器，用于检测三相电流值。

煤矿用电驱梭车的弱电系统主要包括PLC控制器以及扩展模块，用于隔离模拟量、数字量的隔离栅、用于保护电动机的综合保护器、用于报警的蜂鸣器、直流127 V电源模块、直流36 V电源模块、矿用液位传感器、矿用压力传感器、矿用油温传感器[12]、前灯、后灯以及语音报警器。在该弱电系统中，PLC控制器以及扩展模块是该控制系统的核心[4]，该PLC控制器也是CAN通信的主站，其上侧为CPU侧，下侧为I/O侧。其中CPU侧有油温、行车制动、驻车制动、油泵启动、油泵停止、转载启动、转载停止、急停、前进、后退、行走高速、行走低速[10]、后灯、前灯、蜂鸣器、电磁阀、语音报警以及CANH/CANL等。I/O侧有行走速度、漏电闭锁、油泵自保、热继电器、控制模式、油位警告、卷缆空、卷缆满、127 V漏电、36 V漏电、复位、转载过热、运行、故障、正转、反转、油位故障、变频回路状态等。该弱电系统中用到的隔离栅有行车、驻车模拟量隔离栅、油温模拟量隔离栅、行走模拟量隔离栅、CAN通信隔离栅、转速数字量隔离栅[7]。

2 控制系统硬件的实现

2.1 关键硬件选型

1) PLC控制器选型。煤矿用电驱梭车控制系统中的PLC控制器选用InterControl的IC-02型控制器[5]。该控制器具有32位地址总线，主频为400 MHz，具有64浮点处理能力，配置有32 MBSDRAM，8 MB Flash以及16 kB程序缓存，具有16 kB数字缓存，并且支持多任务处理能力。控制器分为CPU侧以及I/O侧，两个的引脚功能不同。

2) 变频器选型。变频器选用澳大利亚PEMPEK公司的LOW4系列变频器。该款变频器是专为轮式牵引系统开发设计的一款四象限产品[6]，经过多年的应用与改进，该款变频器运行稳定可靠，结构紧凑、保护性能优越、完全符合煤矿设计体积小、运行稳定的要求。

3) CAN通信隔离栅选型。CAN通信隔离栅选用深圳安贝尔的ADG-CAN-A总线隔离栅，该隔离栅能够自适应50～500 kHz波特率，支持并适应任何CAN总线高层协议；两侧内置120 Ω匹配电阻，具有高隔离、高可靠、耐冲击的优点。该CAN通信隔离栅适用于工业现场控制、远程控制与数据采集等需要隔离或增加负载节点的延长通信距离的领域。

4) 瓦斯断电仪选型。瓦斯断电仪选用DJC4.0/220矿用车载式瓦斯断电仪，采用智能单片和新型电子器件，数码显示，自动控制，性能稳定，门限准确，反应迅速，精度高。断电仪具有本安电源短路(故障)自动保护功能，确保了长时间使用的安全性，断电仪还具有体积小、功耗低、操作简单、使用方便等特点，从而达到国内同类产品的先进水平。

2.2 硬件实现

2.2.1 电驱梭车参数

煤矿用电驱梭车的硬件参数如表1所示，主回路电压等级为交流1 140 V，控制回路电压等级较多，有AC 220 V、AC 180 V、AC 127 V、DC 36 V、DC 24 V等。该控制系统一共有4个回路，即油泵回路、转载回路、左牵引回落以及右牵引回路，除油泵回路功率为25 kW外，其余回路功率均为65 kW。

表1 煤矿用电驱梭车硬件参数

2.2.2 电控箱结构

电控箱外观结构如图2所示。电控箱为隔爆兼本质安全型电气设备，其隔爆外壳由主腔和接线腔两个独立的隔爆腔体组成，两个腔体之间通过接线端子相互连接。接线腔装有3个JF12-1140接线端子，6个JF10-1140接线端子，8个JF8-1140接线端子和10个JD9-220接线端子，主腔和接线腔内都装有接地螺栓。

图2 电控箱结构

电控箱主腔门与箱体靠螺栓紧固，并设有回转铰链。主腔右侧上部装有断路器操作手柄、急停按钮和门闭锁机构，下部装有牵引变频器所需的2台升压电抗器。断路器手柄有分、合两个位置。只有先按下急停按钮，才能对断路器的操作手柄进行操作。

主腔后壁装有一个转载变频器、变压器、牵引回路主接触器、油泵接触器及油泵回路热继电器等器件；主腔底部安装有2台牵引变频器。主腔的门板上安装有该电控箱弱电控制部分，其中包括2台开关电源、1台中央逻辑控制器、中间隔离继电器、安全式隔离栅等部件。

接线腔位于电控箱箱体的上端，接线腔盖板与箱体采用螺栓紧固，并设有“严禁带电开盖”警示牌，警示只有在前级电控箱电源处于断开位置时才能打开本电控箱的接线腔。接线腔和主腔电源端子均设有绝缘护板，防止误操作危害人身安全。接线腔为电源进线和控制回路进出线腔体，装有6个B4、5个A4、24个A1喇叭嘴。

2.2.3 操作箱结构

操作箱外观结构如图3所示。操作箱为矿用隔爆型电气设备，盖板与箱体采用螺栓紧固方式。其共有3个三位旋转开关、6个开关按钮及1个急停开关。箱体上有“严禁带电开盖”并在各开关位置有其功能标牌，盖板上同时设有“Exib I”标志。

图3 操作箱结构

2.2.4 硬件故障

煤矿用电驱梭车控制系统硬件部分的故障信息以及解决方法如表2、表3及表4所示，分别给出真空接触器部分、电动机部分、控制保护部分的部分常见故障现象、故障原因以及故障处理方法[8]。

表2 煤矿用电驱梭车控制系统真空接触器故障信息

表3 煤矿用电驱梭车控制系统电动机故障信息

表4 煤矿用电驱梭车控制系统控制保护部分故障信息

2.3 监控平台程序

应用KingSCADA3.53软件设计的煤矿用轻型电驱梭车控制系统监控平台如图4所示，在该监控平台中包含PLC控制的输入输出变量，变频器相关数据变量以及报警信息实现对控制系统的故障监控，并实时显示报警信息[13]。

图4 煤矿用轻型电驱梭车控制系统监控平台

3 结论

本文在介绍煤矿用梭车的基础上，分析煤矿用电驱梭车控制系统的设计目标、设计架构以及硬件设计方案，重点给出电驱梭车控制系统的硬件实现方法，主要分析了电驱梭车参数、电控箱结构、操作箱结构、硬件故障及其解决方法。后续将进一步对电驱锁车软件部分进行设计及实现，完整给出煤矿用电驱梭车控制系统的关键技术，从而完整给出电驱梭车控制系统的硬件及监控平台设计，进行试生产及工业性试验。对于消除防爆柴油发动机锁车带来的尾气及噪声带来的污染有着重大意义。