煤礦用電驅(qū)梭車控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱鋒

(神東技術(shù)研究院, 陜西 神木 719315)

0 引言

在煤礦短壁開(kāi)采中，梭車是與掘進(jìn)機(jī)、連采機(jī)等配套使用的。經(jīng)防爆處理后的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的梭車，在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量的廢氣排放、煙霧以及熱輻射，同時(shí)柴油機(jī)的噪聲非常大，這些問(wèn)題無(wú)法從根本上解決。隨著井下使用柴油驅(qū)動(dòng)的輔助運(yùn)輸車輛的增多，對(duì)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)就會(huì)提出更高的要求，如果通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)能力不夠，發(fā)生災(zāi)害的可能性就會(huì)更大。電驅(qū)型輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，廢氣、煙霧以及熱輻射都是零排放，而且系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)聲音較小。同時(shí)使用電力驅(qū)動(dòng)，降低了驅(qū)動(dòng)源的經(jīng)濟(jì)損耗，提高了輔助運(yùn)輸車輛使用的性價(jià)比。因此，電驅(qū)型梭車在煤礦井下使用較為廣泛。

國(guó)外對(duì)煤礦用梭車的研究?jī)?nèi)容以及研究深度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于國(guó)內(nèi)，尤其是沒(méi)有以JOY公司、Caterpillar公司、FLETCHER公司、LongAaidox公司、GE公司以及德國(guó)DBT公司為代表的礦用機(jī)械設(shè)備制造壟斷企業(yè)。我國(guó)神東礦區(qū)、兗州礦區(qū)、大同礦區(qū)等較大型煤礦企業(yè)在前期的短壁開(kāi)采中，都是進(jìn)口上述國(guó)外公司短壁開(kāi)采設(shè)備?？偟膩?lái)說(shuō)，國(guó)外電驅(qū)梭車的研究要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早與國(guó)內(nèi)[3]，并在機(jī)械、液壓、電氣以及智能化技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，是國(guó)內(nèi)各個(gè)企業(yè)、高校以及科研機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)的榜樣。美國(guó)JOY公司生產(chǎn)的電驅(qū)梭車在我國(guó)的神東礦區(qū)、榆林礦區(qū)、山東兗州礦區(qū)以及山西礦區(qū)中都有在使用，使用效果較好，在安全性、穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)都非常突出，極大地提升了當(dāng)?shù)孛旱V井下的生產(chǎn)效率。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

煤礦用電驅(qū)梭車控制系統(tǒng)的強(qiáng)電設(shè)計(jì)方案[1]如圖1所示，U、V、W三相交流1 140 V電源由電控箱的專用電源喇叭嘴引入，經(jīng)熔斷器、熱繼電器以及隔離開(kāi)關(guān)后，接油泵電動(dòng)機(jī)；另外經(jīng)隔離開(kāi)關(guān)后，分別接變頻模塊1、變頻模塊2以及變頻模塊3分別驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)載電動(dòng)機(jī)、左行走電動(dòng)機(jī)以及右行走電動(dòng)機(jī)[2]。另外，在油泵電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)載電動(dòng)機(jī)、左行走電動(dòng)機(jī)[9]以及右行走電動(dòng)機(jī)上分別裝有3個(gè)電流傳感器，用于檢測(cè)三相電流值。

煤礦用電驅(qū)梭車的弱電系統(tǒng)主要包括PLC控制器以及擴(kuò)展模塊，用于隔離模擬量、數(shù)字量的隔離柵、用于保護(hù)電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)器、用于報(bào)警的蜂鳴器、直流127 V電源模塊、直流36 V電源模塊、礦用液位傳感器、礦用壓力傳感器、礦用油溫傳感器[12]、前燈、后燈以及語(yǔ)音報(bào)警器。在該弱電系統(tǒng)中，PLC控制器以及擴(kuò)展模塊是該控制系統(tǒng)的核心[4]，該P(yáng)LC控制器也是CAN通信的主站，其上側(cè)為CPU側(cè)，下側(cè)為I/O側(cè)。其中CPU側(cè)有油溫、行車制動(dòng)、駐車制動(dòng)、油泵啟動(dòng)、油泵停止、轉(zhuǎn)載啟動(dòng)、轉(zhuǎn)載停止、急停、前進(jìn)、后退、行走高速、行走低速[10]、后燈、前燈、蜂鳴器、電磁閥、語(yǔ)音報(bào)警以及CANH/CANL等。I/O側(cè)有行走速度、漏電閉鎖、油泵自保、熱繼電器、控制模式、油位警告、卷纜空、卷纜滿、127 V漏電、36 V漏電、復(fù)位、轉(zhuǎn)載過(guò)熱、運(yùn)行、故障、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、油位故障、變頻回路狀態(tài)等。該弱電系統(tǒng)中用到的隔離柵有行車、駐車模擬量隔離柵、油溫模擬量隔離柵、行走模擬量隔離柵、CAN通信隔離柵、轉(zhuǎn)速數(shù)字量隔離柵[7]。

2 控制系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)

2.1 關(guān)鍵硬件選型

1) PLC控制器選型。煤礦用電驅(qū)梭車控制系統(tǒng)中的PLC控制器選用InterControl的IC-02型控制器[5]。該控制器具有32位地址總線，主頻為400 MHz，具有64浮點(diǎn)處理能力，配置有32 MBSDRAM，8 MB Flash以及16 kB程序緩存，具有16 kB數(shù)字緩存，并且支持多任務(wù)處理能力?？刂破鞣譃镃PU側(cè)以及I/O側(cè)，兩個(gè)的引腳功能不同。

2) 變頻器選型。變頻器選用澳大利亞PEMPEK公司的LOW4系列變頻器。該款變頻器是專為輪式牽引系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的一款四象限產(chǎn)品[6]，經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用與改進(jìn)，該款變頻器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)緊湊、保護(hù)性能優(yōu)越、完全符合煤礦設(shè)計(jì)體積小、運(yùn)行穩(wěn)定的要求。

3) CAN通信隔離柵選型。CAN通信隔離柵選用深圳安貝爾的ADG-CAN-A總線隔離柵，該隔離柵能夠自適應(yīng)50～500 kHz波特率，支持并適應(yīng)任何CAN總線高層協(xié)議；兩側(cè)內(nèi)置120 Ω匹配電阻，具有高隔離、高可靠、耐沖擊的優(yōu)點(diǎn)。該CAN通信隔離柵適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)采集等需要隔離或增加負(fù)載節(jié)點(diǎn)的延長(zhǎng)通信距離的領(lǐng)域。

4) 瓦斯斷電儀選型。瓦斯斷電儀選用DJC4.0/220礦用車載式瓦斯斷電儀，采用智能單片和新型電子器件，數(shù)碼顯示，自動(dòng)控制，性能穩(wěn)定，門限準(zhǔn)確，反應(yīng)迅速，精度高。斷電儀具有本安電源短路(故障)自動(dòng)保護(hù)功能，確保了長(zhǎng)時(shí)間使用的安全性，斷電儀還具有體積小、功耗低、操作簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)，從而達(dá)到國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

2.2 硬件實(shí)現(xiàn)

2.2.1 電驅(qū)梭車參數(shù)

煤礦用電驅(qū)梭車的硬件參數(shù)如表1所示，主回路電壓等級(jí)為交流1 140 V，控制回路電壓等級(jí)較多，有AC 220 V、AC 180 V、AC 127 V、DC 36 V、DC 24 V等。該控制系統(tǒng)一共有4個(gè)回路，即油泵回路、轉(zhuǎn)載回路、左牽引回落以及右牽引回路，除油泵回路功率為25 kW外，其余回路功率均為65 kW。

表1 煤礦用電驅(qū)梭車硬件參數(shù)

2.2.2 電控箱結(jié)構(gòu)

電控箱外觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。電控箱為隔爆兼本質(zhì)安全型電氣設(shè)備，其隔爆外殼由主腔和接線腔兩個(gè)獨(dú)立的隔爆腔體組成，兩個(gè)腔體之間通過(guò)接線端子相互連接。接線腔裝有3個(gè)JF12-1140接線端子，6個(gè)JF10-1140接線端子，8個(gè)JF8-1140接線端子和10個(gè)JD9-220接線端子，主腔和接線腔內(nèi)都裝有接地螺栓。

圖2 電控箱結(jié)構(gòu)

電控箱主腔門與箱體靠螺栓緊固，并設(shè)有回轉(zhuǎn)鉸鏈。主腔右側(cè)上部裝有斷路器操作手柄、急停按鈕和門閉鎖機(jī)構(gòu)，下部裝有牽引變頻器所需的2臺(tái)升壓電抗器。斷路器手柄有分、合兩個(gè)位置。只有先按下急停按鈕，才能對(duì)斷路器的操作手柄進(jìn)行操作。

主腔后壁裝有一個(gè)轉(zhuǎn)載變頻器、變壓器、牽引回路主接觸器、油泵接觸器及油泵回路熱繼電器等器件；主腔底部安裝有2臺(tái)牽引變頻器。主腔的門板上安裝有該電控箱弱電控制部分，其中包括2臺(tái)開(kāi)關(guān)電源、1臺(tái)中央邏輯控制器、中間隔離繼電器、安全式隔離柵等部件。

接線腔位于電控箱箱體的上端，接線腔蓋板與箱體采用螺栓緊固，并設(shè)有“嚴(yán)禁帶電開(kāi)蓋”警示牌，警示只有在前級(jí)電控箱電源處于斷開(kāi)位置時(shí)才能打開(kāi)本電控箱的接線腔。接線腔和主腔電源端子均設(shè)有絕緣護(hù)板，防止誤操作危害人身安全。接線腔為電源進(jìn)線和控制回路進(jìn)出線腔體，裝有6個(gè)B4、5個(gè)A4、24個(gè)A1喇叭嘴。

2.2.3 操作箱結(jié)構(gòu)

操作箱外觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。操作箱為礦用隔爆型電氣設(shè)備，蓋板與箱體采用螺栓緊固方式。其共有3個(gè)三位旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)、6個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕及1個(gè)急停開(kāi)關(guān)。箱體上有“嚴(yán)禁帶電開(kāi)蓋”并在各開(kāi)關(guān)位置有其功能標(biāo)牌，蓋板上同時(shí)設(shè)有“Exib I”標(biāo)志。

圖3 操作箱結(jié)構(gòu)

2.2.4 硬件故障

煤礦用電驅(qū)梭車控制系統(tǒng)硬件部分的故障信息以及解決方法如表2、表3及表4所示，分別給出真空接觸器部分、電動(dòng)機(jī)部分、控制保護(hù)部分的部分常見(jiàn)故障現(xiàn)象、故障原因以及故障處理方法[8]。

表2 煤礦用電驅(qū)梭車控制系統(tǒng)真空接觸器故障信息

表3 煤礦用電驅(qū)梭車控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)故障信息

表4 煤礦用電驅(qū)梭車控制系統(tǒng)控制保護(hù)部分故障信息

2.3 監(jiān)控平臺(tái)程序

應(yīng)用KingSCADA3.53軟件設(shè)計(jì)的煤礦用輕型電驅(qū)梭車控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)如圖4所示，在該監(jiān)控平臺(tái)中包含PLC控制的輸入輸出變量，變頻器相關(guān)數(shù)據(jù)變量以及報(bào)警信息實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的故障監(jiān)控，并實(shí)時(shí)顯示報(bào)警信息[13]。

圖4 煤礦用輕型電驅(qū)梭車控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)

3 結(jié)論

本文在介紹煤礦用梭車的基礎(chǔ)上，分析煤礦用電驅(qū)梭車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)架構(gòu)以及硬件設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)給出電驅(qū)梭車控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方法，主要分析了電驅(qū)梭車參數(shù)、電控箱結(jié)構(gòu)、操作箱結(jié)構(gòu)、硬件故障及其解決方法。后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)電驅(qū)鎖車軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，完整給出煤礦用電驅(qū)梭車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，從而完整給出電驅(qū)梭車控制系統(tǒng)的硬件及監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)，進(jìn)行試生產(chǎn)及工業(yè)性試驗(yàn)。對(duì)于消除防爆柴油發(fā)動(dòng)機(jī)鎖車帶來(lái)的尾氣及噪聲帶來(lái)的污染有著重大意義。