蓄電池支架搬運(yùn)車電氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計*

布朋生

（中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，太原 030006）

0 引言

支架搬運(yùn)車用于煤礦井下綜采工作面液壓支架的搬運(yùn)工作。國內(nèi)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(zhì)量小于28 t，1.75 m中心距液壓支架總質(zhì)量大于28 t。隨著自動化、智能化開采技術(shù)的不斷發(fā)展，綜采工作面長度由100～150 m提升至300 m，液壓支架數(shù)量由100架提升值180架，總質(zhì)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(yùn)液壓支架工作任務(wù)重、危險系數(shù)高、耗時長，約占總搬遷時間的70%。為節(jié)約綜采工作面搬家時間，需要保證支架搬運(yùn)車運(yùn)行的穩(wěn)定性［4－5］。針對蓄電池支架搬運(yùn)車原電氣系統(tǒng)中存在問題諸如通信、控制模式等問題，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高支架搬運(yùn)車電氣控制性能。支架搬運(yùn)車運(yùn)行過程中的重要數(shù)據(jù)，如運(yùn)行模式、變頻器故障、轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩實(shí)時值等，以CAN通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。配置電源裝置，為系統(tǒng)中的用電設(shè)備提供AC220或DC24V供電電源。在該電氣系統(tǒng)設(shè)計中，采用轉(zhuǎn)矩控制模式驅(qū)動支架搬運(yùn)車。蓄電池支架搬運(yùn)車原電氣系統(tǒng)存在的問題有：（1）CAN通信時，數(shù)據(jù)量大時，數(shù)據(jù)丟包率高、實(shí)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(yàn)；（3）無遙控系統(tǒng)，增加了井下工作人員的危險系數(shù)。

1 原電氣設(shè)計

原蓄電池支架搬運(yùn)車電氣系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示，由PLC控制器控制變頻器控制器，驅(qū)動1臺油泵變頻器、2臺牽引變頻器運(yùn)行。油泵變頻器與油泵電機(jī)采用“一拖一”模式運(yùn)行，用于為支架搬運(yùn)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(jī)采用“一拖二”模式運(yùn)行，分別用于控制支架搬運(yùn)車的前部2電機(jī)和后部2電機(jī)，驅(qū)動支架搬運(yùn)車前進(jìn)、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(shù)據(jù)傳輸模式。PLC控制器還需要對電操作系統(tǒng)、低壓照明系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制。電操作系統(tǒng)主要包括急停、閉鎖、手柄按鈕控制。配置顯示系統(tǒng)，用于顯示

圖1 原蓄電池支架搬運(yùn)車電氣系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 優(yōu)化設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

針對原蓄電池支架搬運(yùn)車電氣系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計優(yōu)化設(shè)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(jī)之間采用“一拖一”模式。擴(kuò)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(qū)動油泵變頻器，以保證CAN通信數(shù)據(jù)的實(shí)時性，減少丟包率。增加支架搬運(yùn)車遙控系統(tǒng)，以CAN通信模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、控制指令的傳輸。

采用CAN總線通信時，設(shè)置的通信參數(shù)如表1所示。

圖2 優(yōu)化后的蓄電池支架搬運(yùn)車電氣系統(tǒng)設(shè)計框圖

表1 蓄電池支架搬運(yùn)車CAN通信參數(shù)設(shè)置

2.2 優(yōu)化驅(qū)動策略

針對原蓄電池支架搬運(yùn)車電氣系統(tǒng)存在控制模式單一問題，優(yōu)化設(shè)計驅(qū)動策略，如圖3所示。PLC控制器接收模式轉(zhuǎn)換、駐車制動、加速腳踏板、制動腳踏板以及車速／電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)邏輯處理后，分別進(jìn)入轉(zhuǎn)速模式、低速大扭矩、前驅(qū)以及后驅(qū)4種控制模式，以驅(qū)動支架搬運(yùn)車運(yùn)行。轉(zhuǎn)速模式用于在巷道內(nèi)空載運(yùn)行，可提高支架搬運(yùn)車的運(yùn)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(yùn)支架過程。前驅(qū)、后驅(qū)模式為應(yīng)急模式，防止有一個或幾個變頻器損壞時，確保支架搬運(yùn)車能駛離巷道。設(shè)計故障處理系統(tǒng)，以便對支架搬運(yùn)車運(yùn)行發(fā)生故障時，及時發(fā)現(xiàn)故障、排除故障。

圖3 蓄電池支架搬運(yùn)車驅(qū)動策略

（1）轉(zhuǎn)速模式控制

當(dāng)支架搬運(yùn)車的運(yùn)行模式為轉(zhuǎn)速模式時，PLC控制器需完成對變頻器的轉(zhuǎn)速控制。PLC控制器以CAN通信模式接收變頻器數(shù)據(jù)，根據(jù)定義的CAN通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)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(xié)議。根據(jù)解析到的變頻器的“狀態(tài)字”，以CAN通信模式發(fā)送對應(yīng)的控制指令，使變頻器狀態(tài)切換至可運(yùn)行模式（變頻器狀態(tài)處于該模式時，只要給定轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩，即驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)行）。PLC控制器分析駐車制動、制動腳踏板信號經(jīng)邏輯判斷，支架搬運(yùn)車可運(yùn)行時，對加速腳踏板信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，得到腳踏板給定轉(zhuǎn)速Vset，傳送至CAN通信協(xié)議中的“速度給定”單元，并發(fā)送至變頻器，驅(qū)動電動機(jī)按照Vset運(yùn)行。變頻器返回設(shè)定“模式”、“模式反饋速度”，PLC控制器解析后完成確認(rèn)。

表2 PLC控制器發(fā)送給變頻器的CAN通信數(shù)據(jù)（部分）

表3 變頻器發(fā)送給PLC控制器的CAN通信數(shù)據(jù)（部分）

（2）轉(zhuǎn)矩模式控制

當(dāng)支架搬運(yùn)車的運(yùn)行模式為低速大扭矩、前驅(qū)、后驅(qū)模式時，PLC控制器完成對變頻器的轉(zhuǎn)矩控制，軟件流程如圖4所示。PLC控制器根據(jù)變頻器的“狀態(tài)字”，發(fā)送不同的“控制字”以及模式，將變頻器切換至轉(zhuǎn)矩模式可運(yùn)行狀態(tài)。PLC控制器獲取腳踏板信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后傳送至模糊PID控制單元，輸出經(jīng)調(diào)節(jié)后的“轉(zhuǎn)矩給定”值發(fā)送給變頻器以驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)行。電動機(jī)運(yùn)行后，通過安裝在電動機(jī)機(jī)身的旋轉(zhuǎn)編碼器，PLC控制器實(shí)時獲取電動機(jī)轉(zhuǎn)速，作為模糊PID控制單元的輸入變量進(jìn)行轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)［6－7］。當(dāng)輸出值與給定值的偏差較大時，取消積分調(diào)節(jié)，避免輸出值的穩(wěn)定性降低；當(dāng)輸出值與給定值相近時，加入積分調(diào)節(jié)，消除靜態(tài)誤差，提高“轉(zhuǎn)矩給定”值的精度。在進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制時，需要對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速上限進(jìn)行設(shè)置，另需要考慮母線電壓以及功率對“轉(zhuǎn)矩給定”的影響，即增加母線電壓和功率調(diào)節(jié)系數(shù)。

圖4 轉(zhuǎn)矩控制模式軟件流程

3 試驗(yàn)分析

優(yōu)化后的蓄電池支架搬運(yùn)車電氣控制系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)室測試以及整車出廠測試。

實(shí)驗(yàn)室測試以測試電氣控制箱為主，外接4臺牽引電機(jī)以及1 200 kW測功機(jī)，完成空載、溫升、帶載、堵轉(zhuǎn)等試驗(yàn)。試驗(yàn)統(tǒng)計結(jié)果如下：（1）空載時，電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速可至3 000 r／min；（2）空載，無冷卻系統(tǒng)時（室溫30℃），變頻驅(qū)動牽引電機(jī)運(yùn)行，5 min后變頻器IGBT溫度達(dá)85℃，溫度保護(hù)報警；加水冷（風(fēng)冷）系統(tǒng)后，變頻器可長時間穩(wěn)定運(yùn)行；（3）帶載，驅(qū)動測功機(jī)運(yùn)行，總輸出功率為320 kW，加冷卻系統(tǒng)后，變頻器IGBT溫度保持在47℃左右；（4）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為1 100 N·m。

整車出廠試驗(yàn)以測試整車性能為主，完成模式、速度、續(xù)航以及爬坡試驗(yàn)。試驗(yàn)統(tǒng)計結(jié)果如下：（1）可完成轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩（低速大扭矩、前驅(qū)、后驅(qū)）模式運(yùn)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(xù)航里程約為40 km，滿載續(xù)航里程約為20 km；（4）整車可完成12°、14°爬坡試驗(yàn)，電池最大放電電流為1 088 A。

4 結(jié)束語

本文以蓄電池支架搬運(yùn)車為研究對象，優(yōu)化電氣系統(tǒng)設(shè)計，增加轉(zhuǎn)速模式控制，低速大扭矩、前驅(qū)、后驅(qū)轉(zhuǎn)矩模式控制，增加遙控系統(tǒng)，以增強(qiáng)操作支架搬運(yùn)車的安全性。將支架搬運(yùn)車國產(chǎn)化，也解決了依賴進(jìn)口價格昂貴、維修成本較高的突出問題。蓄電池支架搬運(yùn)車，有效解決了煤礦井下設(shè)備搬家問題，減少一氧化碳等有毒有害氣體的排放，對國內(nèi)實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采意義重大。