孫園園

（河北鋼鐵集團灤縣司家營鐵礦有限公司，河北 唐山 063700）

1 WK-20電鏟電氣系統(tǒng)升級改造的背景

本公司使用的WK-20電鏟變頻調(diào)速系統(tǒng)采用西門子6SE70裝置。西門子6SE70系列產(chǎn)品配件現(xiàn)已停產(chǎn)，在未來可能出現(xiàn)配件無法供應(yīng)的情況，影響設(shè)備正常運行，另外變頻器使用年限過長，內(nèi)部電氣元件老化嚴(yán)重，電氣故障頻繁。為保證設(shè)備穩(wěn)定運行，將原系統(tǒng)升級為S120變頻器和西門子S7-1500PLC控制系統(tǒng)，S120變頻調(diào)速系統(tǒng)已投入市場多年，反應(yīng)良好，變頻調(diào)速系統(tǒng)升級后能保證設(shè)備穩(wěn)定運行?；诖?，本公司根據(jù)用戶電鏟情況，有針對性地設(shè)計《WK-20電鏟變頻系統(tǒng)升級技術(shù)方案》。

2 WK-20電鏟電氣系統(tǒng)升級改造方案

WK-20變頻調(diào)速系統(tǒng)升級改造后，控制系統(tǒng)由“人機界面+PLC系統(tǒng)+變頻調(diào)速”三部分組成。PLC接收司機室控制信號，通過PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)總線實現(xiàn)對變頻裝置、輔助控制柜等從站的控制。

變頻調(diào)速系統(tǒng)升級采用西門子S120變頻器調(diào)速柜，柜體采用特殊結(jié)構(gòu)的加強型設(shè)計，底部增設(shè)防震底座，提高電氣設(shè)備使用壽命。

本方案提供的多傳動系統(tǒng)是高性能且具有明確定義功能和接口的全數(shù)字交流變頻器控制裝置，該裝置是西門子新一代交流變頻器，能達(dá)到控制交流電機的完美極限。具體方案設(shè)計如下。

2.1 利舊設(shè)備

為節(jié)約資源并使舊設(shè)備達(dá)到最大化的利用，經(jīng)綜合考慮分析后，確定高壓柜、主變壓器、輔助變壓器、切換柜等設(shè)備依然沿用舊設(shè)備。

2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)

整套變頻調(diào)速多傳系統(tǒng)更新為西門子S120系列產(chǎn)品，有源整流裝置+各機構(gòu)逆變單元完成電能→機械能和機械能→電能的雙向傳輸，提升下放和回轉(zhuǎn)制動時分別將重力勢能和動能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，節(jié)能環(huán)保。

行走機構(gòu)可與提升機構(gòu)共用逆變器，通過切換柜進(jìn)行切換；也可新增逆變器獨立驅(qū)動，但要考慮電氣室安裝尺寸是否夠用（獨立驅(qū)動時變頻柜總長度為4800mm）。

變頻器柜體選用西門子原裝柜體，定制符合S120系統(tǒng)的防震底座，控制單元選用CU320-2PN。

2.3 高低壓集電環(huán)

更換新型高低壓一體式集電環(huán)（帶行走電機編碼器屏蔽環(huán)），改造后行走機構(gòu)可實現(xiàn)閉環(huán)控制，提高行走控制精度。

2.4 PLC系統(tǒng)

電鏟正在使用的S7-300型PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)停產(chǎn)，該方案將西門子S7-300型PLC控制系統(tǒng)整體升級為西門子S7-1500型PLC控制系統(tǒng)。PLC控制柜輸入輸出點電壓等級為220VAC。S7-1500擁有更快的處理速度、可視化界面、Profinet接口。

原WK-20變頻器與PLC采用PROFIBUS DP通訊，改造后升級為Profinet通訊。Profinet通訊速度更快，抗干擾能力強，兼容性好。

系統(tǒng)預(yù)留遠(yuǎn)程通訊接口，滿足將來智慧礦山遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作的需求。當(dāng)電鏟工作面有網(wǎng)絡(luò)覆蓋時，系統(tǒng)可更方便地連接網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，為將來系統(tǒng)擴展做好準(zhǔn)備。

2.5 操作臺、聯(lián)動臺

更換，MP277觸摸屏升級成西門子精致面板TP1200。更換新的主令控制器和航空座椅。

2.6 交流輔助柜

更換，由于低壓元件及線纜老化，更換全新的交流輔助柜,輔助柜配置PLC遠(yuǎn)程從站與主PLC通訊。

2.7 潤滑及照明控制箱

潤滑控制箱更換，照明控制箱不更換。

2.8 UPS電源

新增，UPS和隔離變壓器共同提供穩(wěn)定的控制電源。

2.9 電纜

動力電纜使用CEFR-SA型號船用電纜，屏蔽電纜使用RVVP-SA型號電纜。不包含電鏟使用的6KV高壓電纜，電纜視現(xiàn)場實際情況部分更換。

2.10 線槽

根據(jù)S120變頻柜出線孔位置調(diào)整線槽。

2.11 制動電阻

更換，制動電阻與S120變頻系統(tǒng)匹配。

2.12 電機編碼器

更換，將原系統(tǒng)2通道編碼器更換為4通道編碼器。

2.13 電氣室通風(fēng)管道

更換和優(yōu)化WK-20電氣室風(fēng)道，電氣室壁增開進(jìn)風(fēng)孔，從而減小風(fēng)阻，增大通風(fēng)量，同時改善排風(fēng)。

2.14 開斗驅(qū)動機構(gòu)

將開斗驅(qū)動系統(tǒng)由原來的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速改造為變頻調(diào)速，新增變頻控制柜，更換開斗電機和減速機。

3 WK-20電鏟升級后優(yōu)勢

WK-20電鏟電氣系統(tǒng)通過升級改造在可靠性、維修成本、上位監(jiān)控軟件、整機出動率及備件供應(yīng)等方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，具體見表1所示。

表1 WK-20電鏟電氣系統(tǒng)升級后的優(yōu)勢

4 結(jié)論

（1）改造后的電氣系統(tǒng)為“上位人機界面+PLC現(xiàn)場總線+S120變頻傳動”組成的三級控制系統(tǒng)。上位人機界面監(jiān)控整機的運行狀態(tài)及故障信息，實現(xiàn)運行狀態(tài)模擬顯示與故障自診斷；PLC通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與S120整流回饋單元、各機構(gòu)逆變器、司機室控制等連接，實現(xiàn)分布式控制；S120整流回饋單元通過公用直流母線與各機構(gòu)逆變器相連，實現(xiàn)對各機構(gòu)變頻電動機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的精確控制。

（2）整套電控系統(tǒng)采用目前最新設(shè)計的抗震減震底座，整體電控柜體做防震措施，滿足長期加速度6g，抗沖擊性10g(20ms)的使用環(huán)境。

（3）整套裝置做整體散熱方案，熱量按照裝置滿負(fù)荷散熱處理，滿足周期循環(huán)工況最大負(fù)荷使用要求，連續(xù)滿負(fù)荷運行電氣室環(huán)境溫度最大不超過55℃。

（4）設(shè)計制作的變頻柜，該西門子變頻柜除安裝必須的硬件外，還需含WK-20整鏟“防提升回轉(zhuǎn)失控”“推壓皮帶打滑保護”“提升一軸斷裂保護”等功能，通過這些功能的應(yīng)用，提高電鏟的安全性，提高設(shè)備的出動率。