（中國神華海外開發(fā)投資有限公司，北京 100011）

無齒輪傳動吊斗鏟電控系統(tǒng)設(shè)計

宋 杰

（中國神華海外開發(fā)投資有限公司，北京 100011）

拋擲爆破加吊斗鏟倒堆工藝是露天煤礦最先進(jìn)的開采工藝，吊斗鏟是該工藝的核心設(shè)備，神華在國內(nèi)率先采用該工藝，并引進(jìn)了世界第一臺無齒輪傳動吊斗鏟，本文旨在介紹該吊斗鏟的電氣組成、AFE整流、SIBAS/PLC控制網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)界面（HMI）及故障遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。

吊斗鏟；AFE；SIBAS；PLC

概述

拋擲爆破加吊斗鏟倒堆工藝是一種技術(shù)先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)性較明顯的露天采掘工藝，其生產(chǎn)能力遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的電鏟加卡車的作業(yè)工藝，因其生產(chǎn)效率高、使用成本低、技術(shù)先進(jìn)可靠等優(yōu)勢，在美國、加拿大、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家得到較為廣泛的應(yīng)用。

該工藝的核心設(shè)備吊斗鏟是一種復(fù)雜的超大型機(jī)電液一體化設(shè)備，是全球眾多露天采礦作業(yè)中采用的主要挖掘工具，也是當(dāng)今建造的最大單斗挖掘設(shè)備，神華準(zhǔn)能黑岱溝露天礦引進(jìn)的世界第一臺無齒輪傳動S8750-65邁步式吊斗鏟于2007年下坑作業(yè)，標(biāo)志著拋擲爆破加吊斗鏟倒堆作業(yè)工藝在國內(nèi)的首次成功應(yīng)用，掀開了中國露天采掘業(yè)的全新一頁。該吊斗鏟重4900多噸，單鏟挖掘量90m3，最大挖掘深度71m，作業(yè)半徑100m，其機(jī)械和液壓部分由比塞洛斯公司（Bucyrus）設(shè)計，電氣部分由西門子公司（SIEMENS）設(shè)計。

1 吊斗鏟電氣組成

吊斗鏟的電氣部分主要包括提升電機(jī)、回拉電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、行走電機(jī)、液壓站、空壓機(jī)、潤滑系統(tǒng)、水冷站、主/輔/低壓變壓器、中壓柜、電抗器、操作站及通風(fēng)系統(tǒng)等。其總體布置圖如圖1所示。

提升和回拉電機(jī)為7.768MW的九繞組同步電機(jī)，是吊斗鏟剝離爆破后煤層上部巖土的動力源。電機(jī)與滾筒采用直聯(lián)方式，由于無減速器，這就要求在超低頻率下恒力矩調(diào)速。其制動方式為液壓制動，每臺大電機(jī)配備了8臺用于冷卻的鼓風(fēng)機(jī)和1個用于加熱的加熱系統(tǒng)。傳感器方面配有絕對式編碼器用于確定滾筒位置和增量式編碼器用于測量速度，此外還配有溫度、氣隙等傳感器。旋轉(zhuǎn)電機(jī)為1136kW的交流同步電機(jī)，共配置6臺同等型號的旋轉(zhuǎn)電機(jī)分別分布在旋轉(zhuǎn)盤圓周兩側(cè)，可360度旋轉(zhuǎn)，利用吊斗鏟的大尺寸斗臂實現(xiàn)將倒堆剝離的巖土直接排放至采空區(qū)。行走電機(jī)為884kW的交流同步電機(jī)，于吊斗鏟兩側(cè)分別配置2臺，利用凸輪結(jié)構(gòu)實現(xiàn)吊斗鏟的邁步式定速行走。旋轉(zhuǎn)和行走電機(jī)的制動

吊斗鏟用于礦巖搗堆的野外工作，工作條件復(fù)雜多變、載荷極不均勻，大的沖擊載荷不可避免地時常出現(xiàn)，有時方式為氣壓制動。所有電機(jī)驅(qū)動均采用基于IGBT的交-直-交變頻驅(qū)動方式。

圖1 吊斗鏟電氣布置示意圖

液壓站為提升和回拉滾筒的盤式制動器提供動力源，空壓機(jī)為旋轉(zhuǎn)和行走的制動機(jī)構(gòu)提供動力源，潤滑系統(tǒng)為機(jī)械傳動部件提供潤滑油，水冷站為AFE和逆變器的IGBT冷卻用。

吊斗鏟內(nèi)總共配備6臺變壓器，其中3臺8000kVA容量的22kV/900V的主變壓器、2臺1500kVA容量的22kV/380V的輔助變壓器及1臺30kVA容量的400V/120-220V/110V的低壓變壓器。主變壓器采用油冷方式，為提升、回拉、行走和旋轉(zhuǎn)共12臺同步電機(jī)供電；輔助變壓器為鼓風(fēng)機(jī)、冷卻電機(jī)、液壓站電機(jī)及低壓變壓器等供電；低壓變壓器為照明、控制系統(tǒng)等供電。

2 AFE整流

甚至?xí)斐商嵘突乩姍C(jī)的堵轉(zhuǎn)。這些復(fù)雜的情況均對吊斗鏟的電氣傳動部分提出了相當(dāng)高的要求：要求其電氣傳動部分有足夠大的有用功率，機(jī)械特性好；要求其調(diào)速性能卓越，動態(tài)響應(yīng)迅速，并可四象限運(yùn)行；要求系統(tǒng)電氣制動性能好；要求系統(tǒng)可穩(wěn)定、可靠地長時間不間斷運(yùn)行，并維護(hù)保養(yǎng)簡單方便等。

基于以上的要求，S8750-65吊斗鏟采用了基于AFE的交-直-交變頻驅(qū)動方式：其整流部分采用了AFE整流，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，此外并可將多余的能量100%的回饋給電網(wǎng)；逆變部分采用了電壓型逆變器，運(yùn)行時，將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，電氣制動時，逆變器將制動能量回饋到直流母線上，可供其它逆變器工作使用，從而充分地利用了其制動能量。

AFE （ 主 動 前 端Active Front End），采用了IGBT 功率元件，位于電源進(jìn)線側(cè)，如圖2所示。S8750-65吊斗鏟共采用了24個AFE整流單元，將900伏交流電轉(zhuǎn)變成1800伏直流電，直流電又通過24個逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成所需頻率的交流電，從而變頻驅(qū)動提升、回拉、旋轉(zhuǎn)和行走電機(jī)，AFE主動的含義在于，與二級管和可控制硅整流等傳統(tǒng)技術(shù)相比，AFE不是被動地將交流轉(zhuǎn)變成直流，而是采用了基于PWM控制技術(shù)的主動控制，由輸入電壓空間矢量定向來直接計算空間電壓矢量的作用時間和位置，如圖2所示，利用SIBAS控制器的SIP單元實現(xiàn)對空間矢量的全數(shù)字控制，生成相應(yīng)的驅(qū)動脈沖控制IGBT的通斷，使整流器輸入電流接近正弦波，并且電流和電壓同相位，從而消除大部分電流諧波，其所產(chǎn)生的總的諧波畸變不足1%，并使得功率因數(shù)接近于1。

3 SIBAS和PLC控制網(wǎng)絡(luò)

3.1 控制器

SIBAS控制器是西門子公司最初為列車驅(qū)動而專門設(shè)計的，采用了軍用規(guī)格元器件、多重高速處理器、專用的軟硬件、串口及各種I/O模塊框架內(nèi)連接，造就了其卓越的控制性能，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用到露天礦的大型機(jī)械設(shè)備驅(qū)動控制領(lǐng)域，如電驅(qū)動卡車、電鏟和吊斗鏟等。

PLC控制器是在繼電器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，已經(jīng)發(fā)展成為一種可提供諸多功能的成熟控制器，不僅能實現(xiàn)繼電器的邏輯控制、順序控制，同時還具有模擬量信號處理與控制、網(wǎng)絡(luò)通訊、故障自診斷障等功能。這些使得PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

吊斗鏟的控制器選用西門子的SIBAS和PLC控制器，組成了吊斗鏟的SIBAS和PLC兩大控制網(wǎng)絡(luò)，完成所有的控制功能。

3.2 控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

SIBAS和PLC兩大控制網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，SIBAS控制網(wǎng)絡(luò)的作用是對提升、回拉、旋轉(zhuǎn)和行走電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制，其由7個獨(dú)立運(yùn)行的SIBAS控制系統(tǒng)組成，分別采集電源電壓和電流信號，完成對AFE整流單元和逆變單元的控制，SIBAS控制系統(tǒng)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊。

PLC控制網(wǎng)絡(luò)的作用是對潤滑、冷卻、制動等系統(tǒng)進(jìn)行過程控制，其控制主站為2個西門子的S7-400 CPU416-2DP，控制分站為24個ET200站、4個軸編碼器和1個電源監(jiān)測模塊，通訊協(xié)議采用了Profibus-DP通訊協(xié)議，共組成了3個DP網(wǎng)絡(luò)，完成對整個吊斗鏟電氣系統(tǒng)的信號采集與集散控制。PLC控制網(wǎng)絡(luò)通過CP 443-1 Advanced 模塊掛接在工業(yè)以太網(wǎng)上，從而實現(xiàn)與SIBAS控制網(wǎng)絡(luò)及人機(jī)交互界面之間的大量數(shù)據(jù)交換。

兩大控制網(wǎng)絡(luò)的信號采集相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)交換主要通過網(wǎng)絡(luò)完成，但關(guān)鍵信號的交換增加了通過數(shù)據(jù)線直接連接到另一控制網(wǎng)路的輸入接口模塊上，此外還設(shè)置了機(jī)械電氣雙重互鎖，防止誤差信號。在控制邏輯上，一些主要電氣的控制采用了兩大控制網(wǎng)絡(luò)相互互鎖、共同控制的方式，最大程度地確保對電氣系統(tǒng)的可靠控制。

圖2 AFE控制示意圖

3.3 控制功能

啟動：吊斗鏟設(shè)置了系統(tǒng)啟動按鈕，采用順序自動啟動方式，依次合提升/回拉高速回路開關(guān)，啟動冷卻系統(tǒng)、預(yù)充電、主變壓器回路接入、直流母線、通風(fēng)系統(tǒng)、控制柜冷卻系統(tǒng)，步驟啟動就緒后方可啟動下一步程序。

運(yùn)行：啟動完成后，操作臺選擇操作行走或挖掘操作模式，點擊啟動勵磁按鈕，電機(jī)的鼓風(fēng)機(jī)自動啟動，手動開啟液壓閘瓦或氣動閘瓦，吊斗鏟即進(jìn)入運(yùn)行模式，通過左右兩手柄來控制提升、回拉和旋轉(zhuǎn)或行走。

停止：系統(tǒng)設(shè)置了手動及自動停機(jī)功能。手動停機(jī)設(shè)置了正常停機(jī)、緊急停機(jī)和停勵磁3個按鈕。自動停機(jī)分為延遲停機(jī)和緊急停機(jī)兩種模式，兩種模式下又細(xì)分成為系統(tǒng)、提升、回拉、旋轉(zhuǎn)、行走5種延遲和緊急停機(jī)模式，各種模式下執(zhí)行其相應(yīng)的保護(hù)措施。

4 人機(jī)交互界面

吊斗鏟內(nèi)設(shè)置四臺人機(jī)界面：操作界面、計量界面、WINCC界面和SIBAS界面。其中操作界面和計量界面設(shè)置在操作室內(nèi)，供吊斗鏟的操作人員使用，WINCC界面和SIBAS界面設(shè)置在控制室內(nèi)，供維護(hù)人員使用。四臺人機(jī)界面通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊完成與SIBAS和PLC控制器的數(shù)據(jù)交換。

4.1 操作界面

操作界面采用了西門子的OP觸摸面板，放置在司機(jī)操作臺的左側(cè)，用于提升和回拉鋼絲繩長度校核和顯示操作模式、運(yùn)行基本狀態(tài)及重要故障報警，吊斗鏟操作人員可以方便地通過該界面完成對提升和回拉鋼絲繩的長度校核、掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息和查詢系統(tǒng)的故障。

4.2 計量界面

計量系統(tǒng)對日常生產(chǎn)的統(tǒng)計至關(guān)重要，是掌握每日挖掘量及對操作人員工作考核的重要依據(jù)。其由PLC和計量軟件共同完成，計量界面，由VB軟件開發(fā)，運(yùn)行在操作臺左側(cè)的觸摸式工控機(jī)上，PLC負(fù)責(zé)實時監(jiān)控吊斗鏟運(yùn)行信息，監(jiān)測工作周期、單斗挖掘量等，通過工業(yè)以太網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)傳送給計量系統(tǒng)，由計量系統(tǒng)統(tǒng)計總產(chǎn)量及各種需要的相關(guān)產(chǎn)量信息，并可按操作人員、班次或時間段生成相應(yīng)的產(chǎn)量報表。

吊斗鏟不同于電鏟，其鏟斗為柔性連接，由提升、回拉的鋼絲繩牽引而工作，這為其工作的計量帶來了困難，為實現(xiàn)準(zhǔn)確地計量和工作周期狀態(tài)監(jiān)測，引入了提升/回拉鋼絲繩長度、提升/回拉力矩、旋轉(zhuǎn)速度來綜合判斷工作周期狀態(tài)，并由提升力矩計算出裝載量。實踐證明，計量系統(tǒng)在正常挖掘模式下誤差率為+/-4%。

4.3 WINCC界面

WINCC界面運(yùn)行在控制室內(nèi)的一臺

工控機(jī)上，該工控機(jī)并裝有PLC控制軟件，使用和維護(hù)人員可通過WINCC界面查看設(shè)備具體信息和故障，專業(yè)工程師可通過PLC控制軟件對PLC軟件進(jìn)行調(diào)試與修改。

WINCC界面是整個系統(tǒng)的最主要的人機(jī)交互界面，集成了吊斗鏟的所有運(yùn)行信息和過程控制邏輯，包括了吊斗鏟各組成部分的電壓、電流、溫度、位置等相關(guān)參數(shù)及控制、傳感元件的運(yùn)行狀態(tài)，圖3也是WINCC界面中的控制系統(tǒng)圖，點擊相應(yīng)的站圖標(biāo)即可查看該站所采集的所有信號信息。

4.4 SIBAS界面

SIBAS界面運(yùn)行在控制室內(nèi)的另一臺工控機(jī)上，供SIBAS操作及狀態(tài)查詢用，通過SIBAS Monitor軟件可修改SIBAS參數(shù)和對SIBAS進(jìn)行實時狀態(tài)和歷史故障查詢。

5 故障診斷系統(tǒng)

吊斗鏟結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涵蓋了機(jī)械、液壓、電氣、傳感，自動控制等諸多領(lǐng)域，各子系統(tǒng)數(shù)十個，其控制電氣接線圖就達(dá)上千張，這些子系統(tǒng)又相互聯(lián)系、相互依賴，這就使得設(shè)備故障診斷難度增大。此外吊斗鏟進(jìn)行的是在野外長時間不間斷地作業(yè)，任務(wù)比較繁重，現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣、多變，使得在運(yùn)行過程中未知的故障不可避免發(fā)生，出現(xiàn)故障時能否快速診斷故障并找出真正故障源，對于煤礦來說是至關(guān)重要的。如何幫助生產(chǎn)一線的工人和技術(shù)人員快速準(zhǔn)確地查找出故障源是故障診斷系統(tǒng)的重要使命。吊斗鏟設(shè)計了一個功能強(qiáng)大的故障診斷系統(tǒng)，幫助維護(hù)人員排查故障。

5.1 控制邏輯診斷

在WINCC界面中設(shè)計了一邏輯控制顯示界面，將PLC中的所有重要控制邏輯都以框圖的形式顯示在該界面上，如電機(jī)控制，將其溫度等控制允許條件以一個個框圖形式并聯(lián)或串聯(lián)到電機(jī)運(yùn)行框圖上，當(dāng)一個條件不滿足時，紅色顯示，滿足時綠色顯示，如電機(jī)控制發(fā)生故障，其維護(hù)人員可以十分清晰得從該電機(jī)的控制邏輯界面上看出問題出在哪個環(huán)節(jié)。

5.2 故障查詢及分析

WINCC界面設(shè)計了一個故障查詢界面，可顯示當(dāng)前實時故障，并可對歷史故障進(jìn)行查詢，每個故障都進(jìn)行分門別類地編號，可以根據(jù)不同時間、不同類型、不同系統(tǒng)（如電機(jī)、冷卻系統(tǒng)等）對故障進(jìn)行分類查詢及報表，這樣更易于掌握設(shè)備運(yùn)行故障情況。

此外，在WINCC界面還設(shè)計了一個故障分析界面，在界面中雙擊故障代碼，就會顯示出引起該故障的所有可能性。

5.3 PDA信號高速采集系統(tǒng)

有時故障發(fā)生只是瞬間，當(dāng)技術(shù)人員前去查找故障原因的時，故障已經(jīng)完全消除，信號一切正常，或者是一個故障的出現(xiàn)會衍生出許多其他故障，這些情況都會讓維護(hù)者無從入手，逐一排查費(fèi)時費(fèi)力也很難找出真正的故障源。

圖3 SIBAS/PLC控制系統(tǒng)示意圖

為解決此問題，設(shè)計了一套高速信號采集系統(tǒng)，選用了微秒級采集速度的IBA PDA信號采集模塊，安裝在兩個工控機(jī)的柜體內(nèi)，信號插口鑲在柜體門表面上，結(jié)合WINCC界面上的信號采集選擇界面，對所有的吊斗鏟電氣信號連續(xù)高速、不間斷地采集，為查找到真正的故障源提供依據(jù)。

5.4 遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)

雖然設(shè)計了一個較為完善的故障診斷系統(tǒng)，但當(dāng)較嚴(yán)重和復(fù)雜的故障出現(xiàn)或是現(xiàn)場技術(shù)人員無法解決時，為解決故障，就需要得到相關(guān)專家的幫助，電話溝通往往描述不清真正故障，將相關(guān)專家迅速地請到現(xiàn)場也是不太現(xiàn)實的，遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)正為解決此問題而設(shè)計，克服了地域和時間的限制。

吊斗鏟內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)通過安置在吊斗鏟頂部的無線發(fā)射、接收器掛接在露天礦的局域網(wǎng)上。局域網(wǎng)內(nèi)訪問，可通過PCanywhere軟件直接對吊斗鏟內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)任一站點進(jìn)行訪問；局域網(wǎng)外訪問，則通過思科VPN登錄軟件，互聯(lián)網(wǎng)連接到露天礦的局部網(wǎng)內(nèi)，然后就可以通過PCanywhere軟件對吊斗鏟內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)任一站點進(jìn)行訪問，從而實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程故障診斷。

結(jié)語

2008年底神華準(zhǔn)能公司正式驗收接收該吊斗鏟，吊斗鏟滿負(fù)荷24小時不間斷運(yùn)行已五年有余，實踐證明，在效率與節(jié)能方面大大超越了傳統(tǒng)的電鏟加卡車的挖掘模式，與電鏟-卡車工藝相比：降低了剝采比，以電耗代替了油耗，減少了運(yùn)輸費(fèi)用，極大地降低了生產(chǎn)成本，單臺吊斗鏟的剝離工作量與傳統(tǒng)工藝下的4臺395BI型電鏟配合34臺154T卡車的剝離工作量相當(dāng)；由于吊斗鏟倒堆工藝的工作幫坡角變陡，煤臺階和巖石臺階需要并段形成的緩采量與沿二條區(qū)的擴(kuò)采量相抵，其基建工程量基本為零；勞動效率高，各項指標(biāo)均優(yōu)于電鏟-卡車工藝方案。

此外，由于采用無齒輪傳動、AFE整流及基于SIBAS和PLC的電控系統(tǒng)等領(lǐng)先技術(shù)，極大地降低了其維護(hù)和使用費(fèi)用，年節(jié)約成本1.9億元以上，勞動生產(chǎn)率增加38.12噸/工，年實際生產(chǎn)原煤超過2000萬噸，每年因增產(chǎn)給企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益約在2億元以上。其成功應(yīng)用對中國乃至世界露天采礦技術(shù)的發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

[1]西門子公司吊斗鏟內(nèi)部設(shè)計資料．

[2]李新彪．AFE原理及其在8750—65吊斗鏟的應(yīng)用[J]．黑龍江科技信息，2010（33）：56．

[3]宋杰，史志遠(yuǎn)，李白羽．無齒輪傳動吊斗鏟的電控系統(tǒng)概述[J]．礦山機(jī)械，2010（13）：35-37．

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