礦用電機車無線重聯(lián)同步控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張 凱

（山西華鑫電氣有限公司，山西 陽泉 045000）

1 我國礦用電機車應(yīng)用情況

礦用電機車是煤礦井下長距離運輸?shù)闹匾侄危谖覈行┟旱V依舊采用礦用電機車作為井下煤炭運輸?shù)闹饕侄?。隨著產(chǎn)能的擴大，開采距離的增長，已有電機車單次運力的不足逐漸突顯。在當前技術(shù)手段下，這些煤礦企業(yè)不論是轉(zhuǎn)型使用膠帶運輸機來運輸煤炭，還是購買規(guī)格更高的礦用電機車，都將產(chǎn)生極大的浪費與背負沉重的經(jīng)濟壓力，而采用增加司機人數(shù)的方法，同樣給企業(yè)會帶來了嚴重的人員負擔問題。

根據(jù)電機車牽引原理可知，機車所能提供的最大牽引力僅與自身重量有關(guān)，但受限于各種條件，電機車不可能通過無限增重來增大牽引力。如何能在較少的投入下解決上述問題，而又不會帶來人員負擔問題，即為本文的研究設(shè)計目標。

2 機車重聯(lián)技術(shù)介紹

機車重聯(lián)是鐵路機車干線運輸中的概念，是指一人操作由兩列或兩列以上采用硬連接的機車實現(xiàn)同步運行的技術(shù)。機車重聯(lián)技術(shù)的產(chǎn)生解決了已有鐵路軌道對重載列車的各種限制，極大地促進了重載列車的發(fā)展。

由于礦用電機車與鐵路電力機車遵循相同的牽引原理，可為煤礦用電機車已有單次運力不足的問題的解決指出了一個方向，即礦用電機車無線重聯(lián)同步控制系統(tǒng)。

3 重聯(lián)同步控制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計

3.1 雙機分布式重聯(lián)編組

本文從礦用電機車自身的特點與煤礦井下環(huán)境的特殊情況出發(fā)，選擇雙機重聯(lián)編組試，可分為首—中、首—尾、首—首（集中式）三種編組方式。如圖1所示。

圖1 雙機重聯(lián)編組示意圖

與集中式重聯(lián)編組相比，分布式重聯(lián)編組具有以下優(yōu)點：

1）降低“斷鏈”幾率，提高行車安全。

2）提高制動響應(yīng)速度，減少列車制動距離與制動沖擊。

3）更加優(yōu)秀的彎道通行能力，不論是牽引還是制動。

4）靈活高效的編組與分組方式，大幅提高運輸效率。

5）有效避免列車打滑，起步更順暢，制動更安全。

礦用電機車井下運輸具有機車軌距較窄、彎道半徑較小等特點，在通過彎道時存在車輪與軌道磨損大、易脫軌等嚴重問題。尤其是用于煤炭等物料運輸?shù)牡V車，由于沒有制動系統(tǒng)，全車制動僅依靠電機車的制動力，在彎道時制動更易出現(xiàn)上述問題。因為首—中編組等同于原來的兩列列車首尾相連，并沒有改變原車運行方向及車皮直連長度，是三種方式中編組與分組效率最高的方式，也是通過彎道時控制力最好的方式，故而采用首—中編組方式的分布式重聯(lián)控制系統(tǒng)更適合于礦用電機車的井下運輸。

3.2 基于雙極化定向天線技術(shù)、MIMO-OFDM 技術(shù)以及airMAX 技術(shù)的無線通信方案

因為在煤礦井下使用的礦用電機車，重聯(lián)編組后的主控機車與從控機車之間的通信距離一般不會超過100 m，綜合視頻傳輸與網(wǎng)絡(luò)實時特性等方面的需要，故而選擇近距離無線通信方案中的WIFI。

眾所周知，井下電機車行車巷道的物理環(huán)境與電磁環(huán)境相當復(fù)雜，雖然兩車之間的距離較近，但隨著機車的行進，通信的物理與電磁環(huán)境也會隨之變化，傳統(tǒng)的WIFI 通信設(shè)備是無法滿足使用要求的。通過查閱關(guān)于煤礦井下WIFI 研究與應(yīng)用的相關(guān)論文，結(jié)合在井下大量的實地測試，最終確定了基于雙極化定向天線技術(shù)、MIMO-OFDM 技術(shù)以及airMAX技術(shù)的工業(yè)無線網(wǎng)橋?qū)⒆鳛橹芈?lián)無線通信的關(guān)鍵設(shè)備。

1）雙極化定向天線技術(shù)，可以優(yōu)化通信天線的數(shù)量與體積，擁有良好的分集接收效果，可有效提高輻射功率利用率與信號強度、增強了抗干擾能力。

2）MIMO-OFDM 技術(shù)，實現(xiàn)了無線傳輸過程中抗多徑衰落與頻率選擇性衰落的統(tǒng)一，提高了有效信道連接的穩(wěn)定度，增加了弱信號下的頻譜利用率，提高有效使用寬帶。

3）airMAX 技術(shù)，UBNT 公司的專利技術(shù)，是對WIFI 通信協(xié)議的改進，以時分多址（TDMA）輪詢技術(shù)為核心，能有效提高點對點工作模式和噪聲環(huán)境下設(shè)備的整體性能，可有效減少延遲，增加吞吐量，防止干擾。

3.3 基于速度控制的轉(zhuǎn)矩跟隨功率平衡策略

基于轉(zhuǎn)矩跟隨的功率平衡控制策略的核心思想是：通過轉(zhuǎn)矩給定控制的方式來直接控制每臺電機的輸出轉(zhuǎn)矩，進而控制電機的輸出功率，也就是電機運行電流，來達到多臺電機輸出功率的一致性。此策略主要通過負載耦合來實現(xiàn)多臺電機之間的等速等功率，常用于鋼性連接的受控模型。

對于正常行車的重聯(lián)機車來講，其4 臺電機以等速同負荷的方式運行才是其最佳的工作狀態(tài)。其中單臺礦用電機車內(nèi)部的2 臺電機由于共同安裝在一個車架中，故而可以近似看作是鋼性連接；而重聯(lián)主控機車與從控機車之間雖然采用的是半鋼性連接，但由于半鋼性的范圍較小，在極限時可以轉(zhuǎn)變?yōu)殇撔赃B接，此時主從機可以通過負載耦合來同步車速，故可以以鋼性連接的方式來進行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。

基于轉(zhuǎn)矩跟隨的功率平衡控制理論，對于正常狀態(tài)下的重聯(lián)機車的功率平衡調(diào)節(jié)給定策略如下：

1）司機的給定操作直接給定到主控機車的主控電機；

2）從控電機以主控電機的輸出（輸出頻率、輸出轉(zhuǎn)矩）作為給定值；

3）從控機車以主控機車的輸出（輸出轉(zhuǎn)矩）作為給定值，即主控機車中主控電機的輸出值是從控機車中主控電機的給定值。

由于重聯(lián)機車之間的負載耦合是存在一個半鋼性與鋼性相互變化的過程，根據(jù)轉(zhuǎn)矩控制的特性可知，當給定轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩時電機將按加速曲線加速至給定頻率，也就是說從控機車在給定轉(zhuǎn)矩大于其負載后會呈現(xiàn)加速運行狀態(tài)，故而在重聯(lián)機車負載耦合時會產(chǎn)生較大的沖擊。為了保證了負載耦合過程的快速性，同時減少在負載耦合過程中的沖擊問題，可在從控機車的控制策略中加入速度限幅，即從控機車頻率給定=主控機車輸出頻率×（1+設(shè)定值）。

4 重聯(lián)同步控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案

礦用電機車無線重聯(lián)同步控制系統(tǒng)由PLC 控制系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及視頻監(jiān)視系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示：

圖2 礦用電機車無線重聯(lián)同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

具體方案設(shè)計如下：

1）重聯(lián)控制系統(tǒng)應(yīng)用對象是支持轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速型礦用電機車，包括蓄電池與架線車型。

2）重聯(lián)控制系統(tǒng)采用分布式重聯(lián)控制方案，選用首中的編組方式，同時兼容首首與首尾的編組方式。

3）重聯(lián)控制系統(tǒng)由PLC 控制系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及視頻監(jiān)視系統(tǒng)組成。

4）重聯(lián)控制系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)分網(wǎng)傳輸?shù)脑O(shè)計理念，重聯(lián)機車之間、機車內(nèi)部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸均通過不同的網(wǎng)絡(luò)進行交換。

5）重聯(lián)主從機之間采用以工業(yè)級無線網(wǎng)橋為傳輸設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)方案。

6）重聯(lián)控制系統(tǒng)采用基于速度控制的轉(zhuǎn)矩跟隨功率平衡策略。

7）重聯(lián)控制系統(tǒng)共有單機模式、重聯(lián)主控及重聯(lián)從控三種控制模式。

8）為了保證重聯(lián)列車制動的安全性，需要對礦用電機車原有的不可控氣制動回路進行可控性改造，增加可控單元——礦用本安型電磁閥及其配套組件。

5 應(yīng)用效果

經(jīng)陽煤集團五礦進行測試與應(yīng)用表明，12 t 重聯(lián)機車與用戶常用的15 t 機車相比，單次運力提升約62.5%，單次耗時多12.5%，綜合效率提升約44.4%。且經(jīng)過半年多的應(yīng)用，礦用電機車無線重聯(lián)同步控制系統(tǒng)得到了用戶的一致好評，具備良好的社會經(jīng)濟效應(yīng)，具有很高的推廣價值。