一种大吨位蓄电池电动牵引机车智能控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种大吨位蓄电池电动牵引机车智能控制系统，该机车用于煤矿、冶金、石化、港口等厂内铁路站段的调车、小运转作业。

背景技术：

目前国内煤矿、冶金、石化、港口等铁路站段的调车、小运转作业广泛采用内燃机车，但内燃机车的使用、维护及保养费用太高，柴油机的排放对环境产生一定污染。架空线的电车对使用工况的要求过高，不利于工矿环境采用。鉴于此，国内新型的蓄电池牵引机车逐渐进入工矿领域，现在用户方不但对运量的要求持续提升，每列运量提到6000吨，而且从安全和效率方面考虑，对大吨位蓄电池牵引机车智能化程度的要求也越来越高，急需一种高可靠性、高智能化的机车控制系统。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种大吨位蓄电池电动牵引机车智能控制系统，该智能控制系统采用新型智能化驱动和控制技术，解决了此类机车启动和制动时机车与负载和负载与负载之间出现的碰撞现象，使得机车运行更加平稳。采用高抗干扰无线遥控系统，消除了原有遥控系统时常出现的信号丢失现象，采用远程在线监控技术，使机车具有远程监控接口，可方便地与调车调度系统连接，实现对机车的远程控制和监测，从而实现机车的无人驾驶。采用完善的机车安全系统，运用先进数据采集技术，采集重要点位的电流、电压、温度、压力、车速及周围环境的信息，采用先进的分析软件，分析出机车自身状态和运行环境情况，提前和及时地发出故障报警，保证机车的安全运行。

本实用新型是通过如下技术方案实现的，提供一种大吨位蓄电池电动牵引机车智能控制系统，包括控制系统、分别与控制系统连接的驱动系统、无线遥控系统、远程监控系统、机车安全系统；

所述控制系统包括控制柜，所述控制柜内包括控制器；完成各种数据的采集、传输，接收行车指令并根据指令完成对驱动系统中变频器的控制；

所述驱动系统包括与控制柜连接的操纵台，与控制柜连接的动力柜，与动力柜连接的蓄电池，经转换柜与动力柜连接的变频器，所述变频器输出交流电到牵引电动机；

所述无线遥控系统包括遥控发射器和与控制柜连接的遥控接收机，遥控发射器发出指令信号，遥控接收机接收信号并输出指令给控制柜，再由控制柜控制机车运行；

所述远程监控系统分两大部分，分别为车载端和远程监控端；所述车载端包括通过工业以太网与控制柜连接在一起的无线视频传输器和与无线视频传输器连接的硬盘录像机；所述远程监控端包括通过无线接收机与无线视频传输器连接的视频服务器，与视频服务器连接的监控终端；

所述机车安全系统包括与无线视频传输器和硬盘录像机连接的摄像头、与控制柜连接的电流电压传感器、模拟量采集模块、温度传感器、压力传感器、光敏传感器、机车速度传感器、烟雾报警传感器。

优选的，所述控制柜为PLC控制柜，所述PLC控制柜内包括PLC控制器。

优选的，所述变频器包括分别经转换柜与动力柜连接的主变频器和副变频器。

优选的，所述摄像头为红外高清晰摄像头。

优选的，所述操纵台包括以太网形式与控制柜PLC相连的视频监视器、触摸屏监视器；还包括操纵手柄及位于操纵手柄上的按钮、按键开关、转换开关、速度表、压力表。

优选的，所述视频监视器采用六路视频监视器。

所述控制系统为控制柜；控制柜包括PLC控制器、断路器、继电器模组及各种接线排组成，完成各种数据的采集、传输，接收行车指令并根据指令完成对变频器的控制。PLC可以自动调节机车减速时间，通过不断地调整即可达到既满足机车制动距离要求，又消除减速时机车与牵引负载的撞击现象。 PLC根据设定程序及采集信息实现机车的智能控制。

所述驱动系统包括动力柜、转换柜、变频器、操纵台；蓄电池提供的电源将直流电接进入动力柜，由动力柜经转换柜分别到变频器(共有主变频器和副变频器两个变频器一备一用)，变频器输出交流电到牵引电动机。司机通过操纵台的触摸屏上的按钮，或通过遥控发射器，或远程控制终端的按键(手动操作时操纵手柄)发出行车指令，该指令进入控制柜根据输入信息判断分析发出指令给变频器，最终由变频器执行对电动机的驱动，从而实现对机车的牵引控制。其中动力柜主要由直流断路器、直流接触器、DC/DC变换器组成，完成动力电源和控制电源的分配。转换柜主要由隔离开关、直流接触器、电流电压传感器、电流电压采集模块、电流表、电压表、频率表组成，完成两个变频器输入电源切换和输出的切换。变频器主电路采用英飞凌的IGBT，控制采用最先进的DTC直接力矩控制技术实现对电机的平滑启动、减速和回馈制动。操纵台由操纵手柄、按钮、按键开关、转换开关、速度表、压力表、六路视频监视器及触摸屏监视器构成，由操纵手柄完成对机车牵引、停车和制动的手动控制，由触摸屏完成对机车的智能控制。视频监视器采集六路视频信号显示并输出给控制柜的无线视频传输器，触摸屏监视器以以太网形式与控制柜PLC相连，完成对机车运行的智能控制、显示机车运行工况、安全信息及故障报警。

无线遥控系统：无线遥控实现机车近距离的遥控操作，主要由遥控发射器和遥控接收机组成。遥控发射器可以背在身上离车操作，遥控接收机安装在司机室内，遥控发射器发出指令信号，接收机接收信号并输出指令给PLC，再由PLC控制机车运行。新型无线遥控系统具备遥控距离远、抗干扰性高、同一台接收机可配置多台发射器(每个发射器互不干扰，且互相闭锁，即接收机只接受最早联机的发射器信号)。新型无线遥控系统同时具备图像传输功能，接收机接收摄像头的视频信号，并实时传送给发射器，司机从发射器的显示屏就可清晰地看到机车前方的路况，提高机车遥控运行的可靠性，配备该系统的机车可实现单人操作(无遥控操作的机车至少需要两个人操作)。

远程监控系统分两大部分，分别为车载端和远程监控端。车载端是机车远程监控系统的一个重要部分，它主要由与PLC连接的硬盘录像机和无线视频传输器为核心来组成车载端系统。远程控制端主要由无线接收机、视频服务器和监控终端构成。

PLC、硬盘录像机和无线视频传输器通过工业以太网连接在一起。微机(PLC) 系统采集蓄电池和电动机电压、电流、温度、压力、烟雾报警及机车速度等，通过以太网将采集的数字数据传送给无线视频传输器。视频信号通过摄像头采集，摄像头视频信号输出给硬盘录像机和无线视频传输器，通过无线视频传输器将机车工况信息和视频信息以无线方式传送至与互联网连接的视频服务器，视频服务器与上位机(远程监控终端)相连，远程监控端通过监控软件对机车的数字信息和视频信息进行存储、计算处理、分析，然后显示在屏幕上并据此可发出指令实现对机车的远程监控。

机车安全系统主要是采集有关机车运行安全的数据并将这些数据传送给 PLC，PLC根据预先设定的安全门槛值来判断机车是否具备安全行车的条件，据此给出相应控制指令。机车安全系统主要由红外高清晰摄像头、电流电压传感器、模拟量采集模块、温度传感器、温度采集模块、压力传感器、光敏传感器、机车速度传感器、烟雾报警传感器等组成。红外高清晰摄像头采集机车运行前方环境视频、机车车钩视频、司机室视频、电器间视频和电池间视频等信息并将视频信息传送给无线遥控发射器和无线视频传输器。电流电压传感器采集电池组输出电压电流、每个电动机的电压电流、变频器输出电压电流，然后通过模拟量采集模块转换成数字信号并传送给PLC及相应显示仪表。温度传感器采集每个电动机的绕组温度、轴承温度，采集变速器轴承温度、电池组温度等，然后通过温度采集模块转换成数字信号并传送给PLC。压力传感器采集气压制动系统总压力和制动压力并传送给PLC。光敏传感器根据光的明暗输送信号给PLC，由PLC判断是否开关机车车灯。机车速度传感器采集机车速度并以数字信号模式传送给PLC，实现对车速的监控。电池组间装有烟雾报警传感器，如烟雾超标则发出信号给PLC，PLC据此发出停车指令。

综上所述，机车智能控制系统主要以PLC为核心控制器，与操纵台、监视器、无线视频传输器、电压电流采集模块、烟雾报警模块、温度采集模块、气体压力以工业以太网形式组成现场控制网络，该系统连线方便简单、抗干扰性强、功能强大。该系统可对信号灯间隔路段进行不同速度的设定，实现智能化控制，通过监控系统和无线传输装置，在特定区域设定程序可远程遥控无人驾驶。

使用此系统机车可实现就地、遥控和远程监控三种方式的一键操作，即当选择开关打到智能控制位置时，操作人员可以通过操纵台上触摸屏的按钮(就地操作)、遥控器的按钮(遥控操作)或远程监控终端上的按键(远程控制) 均可启动机车并进入智能运行状态。机车智能运行时根据输入的起点和终点按设定的程序自动实行机车的牵引、制动、停车。机车运行时智能控制系统实时采集各种信息并综合分析处理，一旦出现异常立即停车并报警。操作人员可通过遥控发射器和远程监控终端根据接收到的视频信号实时监控机车运行。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型智能控制系统采用新型智能化驱动和控制技术，解决了此类机车启动和制动时机车与负载和负载与负载之间出现的碰撞现象，使得机车运行更加平稳。采用高抗干扰无线遥控系统，消除了原有遥控系统时常出现的信号丢失现象，采用远程在线监控技术，使机车具有远程监控接口，可方便地与调车调度系统连接，实现对机车的远程控制和监测，从而实现机车的无人驾驶。采用完善的机车安全系统，运用先进数据采集技术，采集重要点位的电流、电压、温度、压力、车速及周围环境的信息，采用先进的分析软件，分析出机车自身状态和运行环境情况，提前和及时地发出故障报警，保证机车的安全运行。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型大吨位蓄电池机车智能控制系统供电方框图。

图2是本实用新型大吨位蓄电池机车智能控制系统的原理框图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面结合附图及具体实施例对本实用新型的应用原理作进一步描述。

实施例1，一种大吨位蓄电池电动牵引机车智能控制系统，包括控制系统、分别与控制系统连接的驱动系统、无线遥控系统、远程监控系统、机车安全系统；

所述控制系统包括控制柜，所述控制柜内包括控制器；完成各种数据的采集、传输，接收行车指令并根据指令完成对驱动系统中变频器的控制；

所述驱动系统包括与控制柜连接的操纵台，与控制柜连接的动力柜，与动力柜连接的蓄电池，经转换柜与动力柜连接的变频器，所述变频器输出交流电到牵引电动机；

所述无线遥控系统包括遥控发射器和与控制柜连接的遥控接收机，遥控发射器发出指令信号，遥控接收机接收信号并输出指令给控制柜，再由控制柜控制机车运行；

所述远程监控系统分两大部分，分别为车载端和远程监控端；所述车载端包括通过工业以太网与控制柜连接在一起的无线视频传输器和与无线视频传输器连接的硬盘录像机；所述远程监控端包括通过无线接收机与无线视频传输器连接的视频服务器，与视频服务器连接的监控终端；

所述机车安全系统包括与无线视频传输器和硬盘录像机连接的摄像头、与控制柜连接的电流电压传感器、模拟量采集模块、温度传感器、压力传感器、光敏传感器、机车速度传感器、烟雾报警传感器。

优选的，所述控制柜为PLC控制柜，所述PLC控制柜内包括PLC控制器。

优选的，所述变频器包括分别经转换柜与动力柜连接的主变频器和副变频器。

优选的，所述摄像头为红外高清晰摄像头。

优选的，所述操纵台包括以太网形式与控制柜PLC相连的视频监视器、触摸屏监视器；还包括操纵手柄及位于操纵手柄上的按钮、按键开关、转换开关、速度表、压力表。

优选的，所述视频监视器采用六路视频监视器。

所述控制系统为控制柜；控制柜包括PLC控制器、断路器、继电器模组及各种接线排组成，完成各种数据的采集、传输，接收行车指令并根据指令完成对变频器的控制。PLC可以自动调节机车减速时间，通过不断地调整即可达到既满足机车制动距离要求，又消除减速时机车与牵引负载的撞击现象。 PLC根据设定程序及采集信息实现机车的智能控制。

所述驱动系统包括动力柜、转换柜、变频器、操纵台；蓄电池提供的电源将直流电接进入动力柜，由动力柜经转换柜分别到变频器(共有主变频器和副变频器两个变频器一备一用)，变频器输出交流电到牵引电动机。司机通过操纵台的触摸屏上的按钮，或通过遥控发射器，或远程控制终端的按键(手动操作时操纵手柄)发出行车指令，该指令进入控制柜根据输入信息判断分析发出指令给变频器，最终由变频器执行对电动机的驱动，从而实现对机车的牵引控制。其中动力柜主要由直流断路器、直流接触器、DC/DC变换器组成，完成动力电源和控制电源的分配。转换柜主要由隔离开关、直流接触器、电流电压传感器、电流电压采集模块、电流表、电压表、频率表组成，完成两个变频器输入电源切换和输出的切换。变频器主电路采用英飞凌的IGBT，控制采用最先进的DTC直接力矩控制技术实现对电机的平滑启动、减速和回馈制动。操纵台由操纵手柄、按钮、按键开关、转换开关、速度表、压力表、六路视频监视器及触摸屏监视器构成，由操纵手柄完成对机车牵引、停车和制动的手动控制，由触摸屏完成对机车的智能控制。视频监视器采集六路视频信号显示并输出给控制柜的无线视频传输器，触摸屏监视器以以太网形式与控制柜PLC相连，完成对机车运行的智能控制、显示机车运行工况、安全信息及故障报警。

无线遥控系统：无线遥控实现机车近距离的遥控操作，主要由遥控发射器和遥控接收机组成。遥控发射器可以背在身上离车操作，遥控接收机安装在司机室内，遥控发射器发出指令信号，接收机接收信号并输出指令给PLC，再由PLC控制机车运行。新型无线遥控系统具备遥控距离远、抗干扰性高、同一台接收机可配置多台发射器(每个发射器互不干扰，且互相闭锁，即接收机只接受最早联机的发射器信号)。新型无线遥控系统同时具备图像传输功能，接收机接收摄像头的视频信号，并实时传送给发射器，司机从发射器的显示屏就可清晰地看到机车前方的路况，提高机车遥控运行的可靠性，配备该系统的机车可实现单人操作(无遥控操作的机车至少需要两个人操作)。

远程监控系统分两大部分，分别为车载端和远程监控端。车载端是机车远程监控系统的一个重要部分，它主要由与PLC连接的硬盘录像机和无线视频传输器为核心来组成车载端系统。远程控制端主要由无线接收机、视频服务器和监控终端构成。

PLC、硬盘录像机和无线视频传输器通过工业以太网连接在一起。微机(PLC) 系统采集蓄电池和电动机电压、电流、温度、压力、烟雾报警及机车速度等，通过以太网将采集的数字数据传送给无线视频传输器。视频信号通过摄像头采集，摄像头视频信号输出给硬盘录像机和无线视频传输器，通过无线视频传输器将机车工况信息和视频信息以无线方式传送至与互联网连接的视频服务器，视频服务器与上位机(远程监控终端)相连，远程监控端通过监控软件对机车的数字信息和视频信息进行存储、计算处理、分析，然后显示在屏幕上并据此可发出指令实现对机车的远程监控。

机车安全系统主要是采集有关机车运行安全的数据并将这些数据传送给PLC，PLC根据预先设定的安全门槛值来判断机车是否具备安全行车的条件，据此给出相应控制指令。机车安全系统主要由红外高清晰摄像头、电流电压传感器、模拟量采集模块、温度传感器、温度采集模块、压力传感器、光敏传感器、机车速度传感器、烟雾报警传感器等组成。红外高清晰摄像头采集机车运行前方环境视频、机车车钩视频、司机室视频、电器间视频和电池间视频等信息并将视频信息传送给无线遥控发射器和无线视频传输器。电流电压传感器采集电池组输出电压电流、每个电动机的电压电流、变频器输出电压电流，然后通过模拟量采集模块转换成数字信号并传送给PLC及相应显示仪表。温度传感器采集每个电动机的绕组温度、轴承温度，采集变速器轴承温度、电池组温度等，然后通过温度采集模块转换成数字信号并传送给PLC。压力传感器采集气压制动系统总压力和制动压力并传送给PLC。光敏传感器根据光的明暗输送信号给PLC，由PLC判断是否开关机车车灯。机车速度传感器采集机车速度并以数字信号模式传送给PLC，实现对车速的监控。电池组间装有烟雾报警传感器，如烟雾超标则发出信号给PLC，PLC据此发出停车指令。

综上所述，机车智能控制系统主要以PLC为核心控制器，与操纵台、监视器、无线视频传输器、电压电流采集模块、烟雾报警模块、温度采集模块、气体压力以工业以太网形式组成现场控制网络，该系统连线方便简单、抗干扰性强、功能强大。该系统可对信号灯间隔路段进行不同速度的设定，实现智能化控制，通过监控系统和无线传输装置，在特定区域设定程序可远程遥控无人驾驶。

使用此系统机车可实现就地、遥控和远程监控三种方式的一键操作，即当选择开关打到智能控制位置时，操作人员可以通过操纵台上触摸屏的按钮(就地操作)、遥控器的按钮(遥控操作)或远程监控终端上的按键(远程控制) 均可启动机车并进入智能运行状态。机车智能运行时根据输入的起点和终点按设定的程序自动实行机车的牵引、制动、停车。机车运行时智能控制系统实时采集各种信息并综合分析处理，一旦出现异常立即停车并报警。操作人员可通过遥控发射器和远程监控终端根据接收到的视频信号实时监控机车运行。

附图1中，逆变器是将560V的直流变为220V的交流，提供电源给空调等设备。充电器的电源为380V交流。

按照以上的描述设计制造动力柜、转换柜、变频器、操纵台、控制柜。其中系统供电电路连线如附图1所示。从蓄电池来的直流电经配电箱PDX中的母排由四根线缆转换成两根电缆，之后进入动力柜。动力柜将560V的动力电源分配给转换柜和逆变器，同时由柜内的DC/DC变换器产生24V控制电压给控制柜。逆变器产生220V交流电供空调、电暖器等设备用。转换柜通过隔离开关和接触器将动力电源分配给两个变频器，两个变频器互为备用，当一个出现故障时，由控制柜的PLC发出指令通过转换柜自动切换另一个备用变频器。变频器经逆变产生380V交流电，并通过转换柜分别输出给电动机，驱动电动机，由此牵引机车运行。

机车智能控制系统的控制通信连线如附图2所示。以PLC为核心控制器以工业以太网的方式组成现场网络。与PLC通过工业以太网连接的有操纵台、监视器、无线视频传输器、电压电流采集模块、烟雾报警模块、温度采集模块、气体压力模块。无线遥控系统、转换柜、变频器及机车速度传感器与PLC 采取硬线连接。其中，与远程监控的联系是通过无线视频传输器。无线视频传输器发出无线信号(本系统采用4G无线通讯方式)，4G基站接收信号经 INTERNET网传输给视频服务器，与视频服务器连接的电脑终端即可接收机车智能系统的运行信息并对其发出指令实现远程监控。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本实用新型未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本实用新型的技术方案并非是对本实用新型的限制，参照优选的实施方式对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本实用新型的宗旨，也应属于本实用新型的权利要求保护范围。