無齒輪傳動吊斗鏟電控系統設計

摘 要：拋擲爆破加吊斗鏟倒堆工藝是露天煤礦最先進的開采工藝，吊斗鏟是該工藝的核心設備，神華在國內率先采用該工藝，并引進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控制網絡、人機界面（HMI）及故障遠程診斷系統。

關鍵詞：吊斗鏟；AFE；SIBAS；PLC

中圖分類號：TD613 文獻標識碼：A

概述

拋擲爆破加吊斗鏟倒堆工藝是一種技術先進和經濟性較明顯的露天采掘工藝，其生產能力遠超過傳統的電鏟加卡車的作業工藝，因其生產效率高、使用成本低、技術先進可靠等優勢，在美國、加拿大、澳大利亞等發達國家得到較為廣泛的應用。

該工藝的核心設備吊斗鏟是一種復雜的超大型機電液一體化設備，是全球眾多露天采礦作業中采用的主要挖掘工具，也是當今建造的最大單斗挖掘設備，神華準能黑岱溝露天礦引進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，標志著拋擲爆破加吊斗鏟倒堆作業工藝在國內的首次成功應用，掀開了中國露天采掘業的全新一頁。該吊斗鏟重4900多噸，單鏟挖掘量90m3，最大挖掘深度71m，作業半徑100m，其機械和液壓部分由比塞洛斯公司（Bucyrus）設計，電氣部分由西門子公司（SIEMENS）設計。

1 吊斗鏟電氣組成

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

提升和回拉電機為7.768MW的九繞組同步電機，是吊斗鏟剝離爆破后煤層上部巖土的動力源。電機與滾筒采用直聯方式，由于無減速器，這就要求在超低頻率下恒力矩調速。其制動方式為液壓制動，每臺大電機配備了8臺用于冷卻的鼓風機和1個用于加熱的加熱系統。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。旋轉電機為1136kW的交流同步電機，共配置6臺同等型號的旋轉電機分別分布在旋轉盤圓周兩側，可360度旋轉，利用吊斗鏟的大尺寸斗臂實現將倒堆剝離的巖土直接排放至采空區。行走電機為884kW的交流同步電機，于吊斗鏟兩側分別配置2臺，利用凸輪結構實現吊斗鏟的邁步式定速行走。旋轉和行走電機的制動方式為氣壓制動。所有電機驅動均采用基于IGBT的交-直-交變頻驅動方式。

液壓站為提升和回拉滾筒的盤式制動器提供動力源，空壓機為旋轉和行走的制動機構提供動力源，潤滑系統為機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、行走和旋轉共12臺同步電機供電；輔助變壓器為鼓風機、冷卻電機、液壓站電機及低壓變壓器等供電；低壓變壓器為照明、控制系統等供電。

2 AFE整流

吊斗鏟用于礦巖搗堆的野外工作，工作條件復雜多變、載荷極不均勻，大的沖擊載荷不可避免地時常出現，有時甚至會造成提升和回拉電機的堵轉。這些復雜的情況均對吊斗鏟的電氣傳動部分提出了相當高的要求：要求其電氣傳動部分有足夠大的有用功率，機械特性好；要求其調速性能卓越，動態響應迅速，并可四象限運行；要求系統電氣制動性能好；要求系統可穩定、可靠地長時間不間斷運行，并維護保養簡單方便等。

基于以上的要求，S8750-65吊斗鏟采用了基于AFE的交-直-交變頻驅動方式：其整流部分采用了AFE整流，將交流電轉換為直流電，此外并可將多余的能量100%的回饋給電網；逆變部分采用了電壓型逆變器，運行時，將直流電逆變為交流電，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，位于電源進線側，如圖2所示。S8750-65吊斗鏟共采用了24個AFE整流單元，將900伏交流電轉變成1800伏直流電，直流電又通過24個逆變器將直流電轉變成所需頻率的交流電，從而變頻驅動提升、回拉、旋轉和行走電機，AFE主動的含義在于，與二級管和可控制硅整流等傳統技術相比，AFE不是被動地將交流轉變成直流，而是采用了基于PWM控制技術的主動控制，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單元實現對空間矢量的全數字控制，生成相應的驅動脈沖控制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，其所產生的總的諧波畸變不足1%，并使得功率因數接近于1。

3 SIBAS和PLC控制網絡

3.1 控制器

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

PLC控制器是在繼電器控制系統的基礎上開發出來的，已經發展成為一種可提供諸多功能的成熟控制器，不僅能實現繼電器的邏輯控制、順序控制，同時還具有模擬量信號處理與控制、網絡通訊、故障自診斷障等功能。這些使得PLC在工業控制領域中得到了廣泛的應用。

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兩大控制網絡，完成所有的控制功能。

3.2 控制網絡構成

SIBAS和PLC兩大控制網絡如圖3所示，SIBAS控制網絡的作用是對提升、回拉、旋轉和行走電機進行驅動控制，其由7個獨立運行的SIBAS控制系統組成，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控制系統之間通過工業以太網通訊。

PLC控制網絡的作用是對潤滑、冷卻、制動等系統進行過程控制，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個電源監測模塊，通訊協議采用了Profibus-DP通訊協議，共組成了3個DP網絡，完成對整個吊斗鏟電氣系統的信號采集與集散控制。PLC控制網絡通過CP 443-1 Advanced 模塊掛接在工業以太網上，從而實現與SIBAS控制網絡及人機交互界面之間的大量數據交換。

兩大控制網絡的信號采集相互獨立，數據交換主要通過網絡完成，但關鍵信號的交換增加了通過數據線直接連接到另一控制網路的輸入接口模塊上，此外還設置了機械電氣雙重互鎖，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絡相互互鎖、共同控制的方式，最大程度地確保對電氣系統的可靠控制。

3.3 控制功能

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

運行：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，電機的鼓風機自動啟動，手動開啟液壓閘瓦或氣動閘瓦，吊斗鏟即進入運行模式，通過左右兩手柄來控制提升、回拉和旋轉或行走。

停止：系統設置了手動及自動停機功能。手動停機設置了正常停機、緊急停機和停勵磁3個按鈕。自動停機分為延遲停機和緊急停機兩種模式，兩種模式下又細分成為系統、提升、回拉、旋轉、行走5種延遲和緊急停機模式，各種模式下執行其相應的保護措施。

4 人機交互界面

吊斗鏟內設置四臺人機界面：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置在操作室內，供吊斗鏟的操作人員使用，WINCC界面和SIBAS界面設置在控制室內，供維護人員使用。四臺人機界面通過工業以太網通訊完成與SIBAS和PLC控制器的數據交換。

4.1 操作界面

操作界面采用了西門子的OP觸摸面板，放置在司機操作臺的左側，用于提升和回拉鋼絲繩長度校核和顯示操作模式、運行基本狀態及重要故障報警，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、掌握系統的運行狀態信息和查詢系統的故障。

4.2 計量界面

計量系統對日常生產的統計至關重要，是掌握每日挖掘量及對操作人員工作考核的重要依據。其由PLC和計量軟件共同完成，計量界面，由VB軟件開發，運行在操作臺左側的觸摸式工控機上，PLC負責實時監控吊斗鏟運行信息，監測工作周期、單斗挖掘量等，通過工業以太網將這些數據傳送給計量系統，由計量系統統計總產量及各種需要的相關產量信息，并可按操作人員、班次或時間段生成相應的產量報表。

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，為實現準確地計量和工作周期狀態監測，引入了提升/回拉鋼絲繩長度、提升/回拉力矩、旋轉速度來綜合判斷工作周期狀態，并由提升力矩計算出裝載量。實踐證明，計量系統在正常挖掘模式下誤差率為+/- 4%。

4.3 WINCC界面

WINCC界面運行在控制室內的一臺工控機上，該工控機并裝有PLC控制軟件，使用和維護人員可通過WINCC界面查看設備具體信息和故障，專業工程師可通過PLC控制軟件對PLC軟件進行調試與修改。

WINCC界面是整個系統的最主要的人機交互界面，集成了吊斗鏟的所有運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、位置等相關參數及控制、傳感元件的運行狀態，圖3也是WINCC界面中的控制系統圖，點擊相應的站圖標即可查看該站所采集的所有信號信息。

4.4 SIBAS界面

SIBAS界面運行在控制室內的另一臺工控機上，供SIBAS操作及狀態查詢用，通過SIBAS Monitor軟件可修改SIBAS參數和對SIBAS進行實時狀態和歷史故障查詢。

5 故障診斷系統

吊斗鏟結構復雜，涵蓋了機械、液壓、電氣、傳感，自動控制等諸多領域，各子系統數十個，其控制電氣接線圖就達上千張，這些子系統又相互聯系、相互依賴，這就使得設備故障診斷難度增大。此外吊斗鏟進行的是在野外長時間不間斷地作業，任務比較繁重，現場工作環境惡劣、多變，使得在運行過程中未知的故障不可避免發生，出現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重要的。如何幫助生產一線的工人和技術人員快速準確地查找出故障源是故障診斷系統的重要使命。吊斗鏟設計了一個功能強大的故障診斷系統，幫助維護人員排查故障。

5.1 控制邏輯診斷

在WINCC界面中設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，如電機控制，將其溫度等控制允許條件以一個個框圖形式并聯或串聯到電機運行框圖上，當一個條件不滿足時，紅色顯示，滿足時綠色顯示，如電機控制發生故障，其維護人員可以十分清晰得從該電機的控制邏輯界面上看出問題出在哪個環節。

5.2 故障查詢及分析

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

此外，在WINCC界面還設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

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

為解決此問題，設計了一套高速信號采集系統，選用了微秒級采集速度的IBA PDA信號采集模塊，安裝在兩個工控機的柜體內，信號插口鑲在柜體門表面上，結合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高速、不間斷地采集，為查找到真正的故障源提供依據。

5.4 遠程故障診斷系統

雖然設計了一個較為完善的故障診斷系統，但當較嚴重和復雜的故障出現或是現場技術人員無法解決時，為解決故障，就需要得到相關專家的幫助，電話溝通往往描述不清真正故障，將相關專家迅速地請到現場也是不太現實的，遠程故障診斷系統正為解決此問題而設計，克服了地域和時間的限制。

吊斗鏟內的工業以太網通過安置在吊斗鏟頂部的無線發射、接收器掛接在露天礦的局域網上。局域網內訪問，可通過PCanywhere軟件直接對吊斗鏟內工業以太網任一站點進行訪問；局域網外訪問，則通過思科VPN登錄軟件，互聯網連接到露天礦的局部網內，然后就可以通過PCanywhere軟件對吊斗鏟內工業以太網任一站點進行訪問，從而實現基于互聯網的遠程故障診斷。

結語

2008年底神華準能公司正式驗收接收該吊斗鏟，吊斗鏟滿負荷24小時不間斷運行已五年有余，實踐證明，在效率與節能方面大大超越了傳統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，減少了運輸費用，極大地降低了生產成本，單臺吊斗鏟的剝離工作量與傳統工藝下的4臺395BI型電鏟配合34臺154T卡車的剝離工作量相當；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的擴采量相抵，其基建工程量基本為零；勞動效率高，各項指標均優于電鏟-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的電控系統等領先技術，極大地降低了其維護和使用費用，年節約成本1.9億元以上，勞動生產率增加38.12噸/工，年實際生產原煤超過2000萬噸，每年因增產給企業帶來的經濟效益約在2億元以上。其成功應用對中國乃至世界露天采礦技術的發展，具有重要的現實意義和理論價值。

參考文獻

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