進口與國產采煤機電氣保護方面的對比

摘 要：進口采煤機的電控系統介紹，國產采煤機電控系統介紹。對進口和國產采煤機電控系統進行對比，尋找國產采煤機電氣保護方面的不足，并分析國產采煤機電控系統的改進前景。

關鍵詞：采煤機 電控系統 電氣保護 進口 國產

中圖分類號：TD42 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（a）-0125-02

1 進口采煤機和國產采煤機的電控系統介紹

1.1 進口采煤機的電控系統介紹

關于進口采煤機電控箱系統，我就拿現在較為先進的美國久益公司生產的7LS07采煤機為例做個介紹。

JNA Face Boss系統是該采煤機的控制核心。它包括以下的系統單元及所實現的功能。

（1）中央控制器（CCU）、顯示計算機、鼠標、本安隔離柵。還包括遙控器、接收器和天線，以及相關的接線、電纜和開關。

（2）本安多用輸入/輸出模塊和隔離柵及相關電纜和接線。這些部件提供了煤機傳感器、溫度開關和油位開關與CCU間的本安輸入/輸出接口。

（3）遠程輸入/輸出模塊。它接收控制開關的輸入信號、溫控器輸入信號和位置傳感器輸入信號。此模塊與電機電流互感器和CCU之間通訊。

（4）數字輸入/輸出模塊，接收CCU的指令，輸出電壓控制電磁閥，電磁閥控制相應的液壓元件，此模塊也用于監測漏電故障電路。

（5）變頻器模塊，接收CCU的指令，調節牽引電機的速度。

JNA Face Boss是久益通用控制平臺的一部分。JNA Face Boss使用一整套的硬件來監控采煤機。其用于監測遙控器的連續數據傳輸、液壓控制數據、牽引控制數據和急停信號。監測遙控器選擇開關來禁用故障的或未選用的遙控器。實現液壓電磁閥的順序和優先控制。監控泵、截割和牽引電機的電流，也控制截割反饋。系統也為泵、截割和牽引電機提供過電流、堵轉過載和相不平衡保護。系統還在顯示計算機上提供診斷數據。系統也可以提供數據記錄功能，用于煤機性能的檢查。

典型的JNA Face Boss主面屏幕顯示了煤機的側視圖，和單獨的煤機部件的圖標。點擊屏幕相應圖標，可查看更多的部件信息。當部件圖標綠色高亮顯示，表示其正在運行。當部件的圖標背景為黃色，表示其有一個或多個報警事件。背景紅色閃爍，表示其有一個或多個警告事件。

以上就是JOY采煤機的電控系統概況、下面對其采煤機保護做個簡要介紹。

采煤機有幾套保護系統。電流互感器提供過載和堵轉故障的反饋。RTD提供過熱故障的信號。

（1）截割電機RTD：熱敏電阻監測截割電機的溫度。RTD的阻值隨溫度變化。JNA Face Boss可使用RTD輸入信號來降低牽引速度，防止截割電機過載。如果截割電機達到截割溫度限定值。CCU會控制降低牽引速度。通過降低牽引速度，CCU確保截割電機消耗的電流將減少，電機溫度將下降。如果截割電機溫度沒有下降，CCU將繼續降低牽引速度。

（2）其它RTD：牽引/泵變壓器、牽引電機整流模塊、牽引電機逆變器、牽引電機、泵電機和破碎機電機都裝有RTD。每個RTD的阻值都會隨著溫度變化。每個RTD阻值的變化信號都將傳輸到CCU或直接到遠程輸入/輸出模塊。

（3）過載保護：電流互感器可提供過電流、堵轉和相不平衡保護。電機電流互感器監測泵電機、破碎機電機和截割電機消耗的電流，每個變頻器監測牽引電機消耗的電流。并處理這些數據，把結果傳送到CCU。CCU把電流互感器的輸出電流值與預先設定的曲線相比較。來判斷有無過電流、堵轉、或相不平衡故障。

（4）電壓變送器：電壓變送器監測主控制變壓器的相電壓，并通過遠程輸入/輸出模塊把數據傳送到JNA Face Boss系統。

（5）過電流：JNA Face Boss如同一個過熱片，電流值越大跳閘時間越短，相反，電流值越小跳閘時間越長。如果截割電機電流超過其過電流過載設定值，JNA Face Boss會停止截割電機，并停止牽引。如果泵或牽引電機電流超過其過電流過載設定值，JNA Face Boss會使ESR繼電器失電，切斷電機控制回路的電源。

（6）堵轉過載：JNA Face Boss系統為泵、截割和牽引電機提供堵轉保護。如果任一截割電機的電流超過堵轉過載設定值兩秒，JNA Face Boss系統將停止截割電機，并停止牽引。

（7）相不平衡過載保護：JNA Face Boss系統使用電機電流相間的不平衡百分數來影響電機過電流過載特性。

以上就是進口久益采煤機的電控部分及其部分保護的介紹，可謂是環環相扣，各部分緊密相聯，很多部分都采用雙重保護，而且這么多多的保護皆由JNA Face Boss系統來完成和實現，具有統一的通訊平臺。

1.2 國產采煤機的電控系統介紹

國產采煤機我就以現在較為先進的西安煤機廠生產的MG900/2210-GWD型交流電牽引采煤機為例做個介紹。

MG900/2210-GWD型交流變頻電牽引采煤機電氣部分結構上由三個獨立的電控箱共同組成。系統上采用了可編程序控制器（PLC），工控機，工業平板顯示器顯示，直接轉矩（DTC）變頻調速技術和信號傳輸技術共同控制兩臺截割電機，兩臺牽引電機，一臺破碎電機以及一臺泵電機的運行狀態。

其電控系統主要組成部件如下。

（1）變頻器，變頻器選用ABB公司的直接轉矩控制（DTC）變頻器ACS800系列，變頻器無速度傳感器。

（2）可編程序控制器（PLC），PLC是采煤機電氣系統的控制中心。選用三菱FX2N系列。在PLC正常時，變頻器的速度給定，牽引方向，加、減速，水流量保護，截割電機的溫度監測，電流采樣，截割電機的恒功率保護，采煤機零位抱閘，啟動預報警，截割電機的分別啟動和停止，破碎電機的啟動、停止，瓦斯斷電，絕緣監測，牽引變壓器溫度監測及采煤機的動作執行等均通過PLC 來控制。

（3）顯示，顯示器有兩處：一處為中文顯示器，另一處為兩個變頻器的顯示窗。工業平板顯示器（FPM）選用臺灣研華產品，通過與工控機通信，實時顯示系統的各種工作參數、工作狀態和各種信息。二個變頻器顯示窗實時顯示變頻器的工作參數、狀態及信息。

（4）操作，可以在左、右端頭站，遙控器及電控箱上對采煤機進行操作。也可以手動操作左、右搖臂的升降。

下面對其保護做個簡要介紹。

（1）截割電機恒功率自動控制，用2個電流互感器分別檢測左、右截割電機的單相電流，將截割電流信號轉變為0～10 V的信號送入PLC進行比較，得到欠載、超載信號。當兩臺電機都欠載時，發出加速信號，牽引速度增加；當任一臺電機超載時，發出減速信號，牽引速度自動減小，直到退出超載區域。

（2）采煤機過零保護，當采煤機向左牽引時，按下“右牽”按鈕，此時采煤機將會減速；如果一直按下“右牽”按鈕，則采煤機速度將會減小到零速。但是采煤機到零速后不會繼續向右牽引，只有松開“右牽”按鈕，重新選擇“左牽”或“右牽”，則采煤機將沿著所選的方向行走，反之亦然。

（3）截割電機、破碎電機、泵電機、牽引電機溫度保護，在電機繞組內埋有溫度接點，將其串在啟動回路中，當任意一臺電機的溫度超過155 ℃時，接點斷開，從而斷開啟動回路，使采煤機整機斷電。同時電機內埋有Pt100熱電阻，熱電阻值經過溫度模塊轉化為電流值接入PLC的模擬量模塊，當任意一臺電機溫度達135 ℃時，電機降低容量30%運行，達155 ℃時，PLC輸出信號將采煤機啟動回路自保接點切斷，使整機停電。

（4）瓦斯保護，當采煤機工作環境中瓦斯濃度超限時，瓦斯斷電儀將報警并動作，將瓦斯斷電儀接點接于PLC中，控制啟動回路自保接點，濃度超限時整機斷電。

（5）牽引電機電流保護，當左、右牽引電機電流小于90Ie%時，牽引可以加速，當90%Ie≤I≤100%Ie時，牽引恒速運行，當I≥100%Ie時，牽引減速運行；當I≥120%Ie時，變頻器停止輸出，采煤機停止牽引。

（6）牽引電機和電控箱水流量保護，該采煤機有三個流量傳感器，分別監測左、右截割電機和左、右牽引電機、電控箱的水流量。當電控箱的水流量不夠，采煤機將不能牽引或停止牽引；當左截割電機和左牽引電機的水流量不夠，采煤機將不能牽引或停止牽引同時左截割電機不能運行或停止運行。

（7）牽引變壓器溫度保護，牽引變壓器繞組內埋設有溫度接點，將其串接在采煤機啟動回路中。當變壓器溫度超過160 ℃時，接點斷開，切斷啟動回路，使整機斷電。牽引變壓器繞組內還埋設有一個Pt100熱電阻，當變壓器溫度超過135 ℃時，牽引電機降低容量30%運行；達160 ℃時，PLC輸出信號將采煤機啟動回路自保接點切斷，使整機停電。

（8）變頻器故障保護，變頻器的保護有：接地保護、過壓保護、欠載保護、供電電源缺相保護、變頻器輸出短路保護、及變頻器對牽引電機的缺相保護、堵轉保護、過流保護。當啟動采煤機后，變頻器帶電，此時若兩個變頻器中任意一個有故障，則不允許牽引，同樣在牽引的過程中，兩個變頻器中無論哪個有故障，則停止牽引。

（9）破碎電機電流保護。

破碎電機電流超過1.2Ie時，PLC輸出信號將采煤機控制回路切斷，使整機停電。

（10）截割電機，破碎電機絕緣保護。

兩個截割電機、破碎電機分別具有絕緣保護裝置。當其絕緣降低時，相應的截割電機、破碎電機不能啟動。

發展到現在，國產采煤機也具有了相對完備的保護系統，但是都相對獨立。而且國內采煤機的電控部分多為采購其他公司的部件進行整合、組裝，自己按需開發的模塊及系統甚少，很難實現所有元器件的最大互聯和兼容。

2 進口采煤機和國產采煤機電氣保護方面的對比，以及國產采煤機電氣保護方面的不足

進口采煤機，我還拿久益公司來說，近幾年，久益公司對主要機型的主控制系統進行了改進，即采用新一代的JNA控制系統，具有非常直觀的人機通訊界面、故障診斷圖形顯示和儲存、無線電遙控、牽引控制等先進功能，其處理速度快，能夠顯示工況參數的瞬間變化。

總體來說，目前國內生產的采煤機不僅在結構布置、性能參數等方面與進口機型有著明顯的差距，而且某些關鍵部件的性能、功能、適應范圍還有待完善和提高，尤其是無線監測、故障診斷及預報、信號傳輸、傳感器等智能化技術和可靠性方面與國外相比差距甚大。例如：國內采煤機的變頻器，只能從國外購買地面用的通用變頻器，經過拆卸改造，重新裝配，來滿足采煤機的使用要求。而國外是專門為采煤機研究的專用變頻器。另外，在自動化工作面中采煤機所采用的自動控制技術、傳感器技術、計算機技術、設備工況監測及故障診斷技術、采煤機自動操縱技術、遠程通訊和集中控制技術等方面也是相差甚遠。

3 國產采煤機電控系統的改進前景

可靠性大功率采煤機是實現高產高效礦井合理集中生產的根本保證，采用機載計算機監測，故障診斷及自動控制系統是提高大功率采煤機可靠性和利用率的重要途徑，通過開發采煤機監測傳感器和機載計算機系統，以及地面中心站的故障診斷和維修管理專家系統，實現多參數工況監測和井下、地面兩極預報型故障診斷及維修管理專家系統等機電一體化技術，使采煤機的技術水平、工作能力得以大幅度提高，保證高效連續生產。

根據我國煤炭生產要求和采煤機發展趨勢以及針對國內電牽引采煤機存在的差距，今后主要研究內容如下。

進一步完善和提高交流變頻調速系統的可靠性；研究可靠的微機電氣控制系統，重點提高采煤機機電控制系統的抗干擾、抗熱效應的能力。

開發或增強電控系統的監控功能，重點研究故障診斷與專家系統、工況監測、顯示與信息傳輸系統、工作面采煤機自動運行控制系統、自適應變頻電路的漏電監測與保護技術等；開發四象限運行的礦用交流變頻調速裝置，使采煤機能適應較大傾角煤層開采的需要。

開發四象限運行的礦用交流變頻調速裝置，使采煤機能適應較大傾角煤層開采的需要。

通過以上改進，逐步提高國產交流電牽引采煤機的可靠性、安全性、可維護性、自動化程度。

4 結語

我國煤礦綜合機械化采煤設備的研制水平，經過幾十年的引進技術、消化吸收和自主研發，已有長足進步。國產采煤機設備的主要技術參數、機電一體化程度以及可靠性接近或達到20世紀90年代初的國際先進水平。中國煤機制造企業設計制造的煤礦機電裝備已經廣泛地在我國各類煤礦中使用，成為中國煤礦工業技術裝備的主體，為中國煤礦安全生產和高產高效礦井的建設提供了可靠的保證。國內電牽引采煤機研制方向與也國際發展基本一致，但離國際先進水平尚有較大差距，必須進行大量的技術和試驗研究，來提升國內電牽引采煤機的整體競爭力。

參考文獻

[1]李光煜，趙榮，張春祥，等.我國采煤機的發展與前景[J].煤炭技術，2001，2：3～5.

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