JOY 12CM15-10D連采機(jī)國產(chǎn)化電控改造系統(tǒng)分析

韓 雷

(神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

神東煤炭集團(tuán)自1999年引進(jìn)旺格維利采煤法在短臂柱式開采技術(shù)上創(chuàng)造了諸多記錄，在連采機(jī)采煤工藝上形成了成熟的施工標(biāo)準(zhǔn)。近20 a來，隨著現(xiàn)有連采機(jī)使用周期的延長和國內(nèi)煤礦采掘設(shè)備電氣自動化水平的提高，再者國內(nèi)國際環(huán)境的變化使得進(jìn)口配件周期和價格存在諸多不穩(wěn)定因素，因此，擺脫進(jìn)口元器件的壟斷和依賴、推行連采機(jī)電控系統(tǒng)改造勢在必行。

神東煤炭集團(tuán)會同國內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)交流，在不影響連采機(jī)整機(jī)基本功能和防爆性能的前提下，確定在原有JOY 12CM15-10D型連采機(jī)上實施電氣控制的升級換代，符合煤礦生產(chǎn)需要，滿足當(dāng)前煤礦行業(yè)所倡導(dǎo)的數(shù)字化、自動化、信息化和智能化的要求。

1 電控系統(tǒng)改造方案

1.1 國產(chǎn)化電控系統(tǒng)組成

國產(chǎn)化連采機(jī)電控系統(tǒng)(以下簡稱“國產(chǎn)化電控系統(tǒng)”)保留了原有6個電控箱體：斷路器箱、JNA箱和VDU箱、操作箱、截割箱、牽引箱，僅對各箱體內(nèi)全部電氣件進(jìn)行升級替換。

斷路器箱是1140V進(jìn)線電纜連接器接入的位置，其內(nèi)部包含一臺斷路器和腳踏開關(guān)控制按鈕。JNA箱作為整個控制和監(jiān)控的“大腦”，其內(nèi)部主要包含當(dāng)前新興的“軟PLC”技術(shù)CPU單元、電氣自動化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的組態(tài)屏和基于802.11 b/g/n的2.4 GHz頻段無線AP等。VDU箱是面向司機(jī)室的“窗口”，其內(nèi)部主要包含開發(fā)簡便的多功能串口屏、信號轉(zhuǎn)換模塊和開關(guān)電源模塊等。操作箱位于司機(jī)所處位置左側(cè)，方便煤機(jī)司機(jī)手動模式下操控連采機(jī)，其內(nèi)部主要包含PLC總線耦合分站單元、電磁閥控制組件和操作旋鈕等。截割箱是截割電機(jī)和裝運電機(jī)控制、監(jiān)測、保護(hù)和主回路所在，其內(nèi)部主要包含PLC總線耦合分站單元、截割斷路器、接觸器、漏電檢測單元、電量采集單元、溫度采集單元、電流互感器、阻容吸收和相序保護(hù)器等元器件。牽引箱是牽引電機(jī)、泵電機(jī)和風(fēng)機(jī)控制、監(jiān)測、保護(hù)和主回路所在，其內(nèi)部主要包含PLC總線耦合分站單元、牽引變頻器、牽引斷路器、控制變壓器、照明綜保單元、接觸器、漏電檢測單元、電量采集單元、溫度采集單元、電流互感器、阻容吸收等元器件。

連采機(jī)電控箱體外圍適當(dāng)位置安裝前后燈、聲光報警器、遙控接收站、防爆攝像儀和瓦斯探測儀，在膠帶機(jī)機(jī)頭位置和沿電纜布線槽適當(dāng)位置處分別放置一臺2.4 G無線綜合接入器。考慮到原有的防爆直流牽引電機(jī)與其他型號JOY連采機(jī)(如12CM15-10B型)的交流牽引電機(jī)在后期使用、維護(hù)過程中不能互換，國產(chǎn)化電控系統(tǒng)使用防爆交流牽引電機(jī)，并運用當(dāng)前成熟可靠的變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行控制。

1.2 國產(chǎn)化電控系統(tǒng)電氣原理

國產(chǎn)化電控系統(tǒng)充分運用現(xiàn)階段主流的控制、通訊和保護(hù)技術(shù)，并在最大限度內(nèi)減少整個系統(tǒng)各箱體、外圍元器件間線纜和線芯數(shù)量，保障實際運用過程中整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。

控制上：JNA箱的CPU單元(以下簡稱為“CPU”)通過和操作箱、截割箱、牽引箱內(nèi)的各PLC總線耦合分站單元間的CANOPEN通訊網(wǎng)絡(luò)，組成整個系統(tǒng)的“中樞”，實現(xiàn)所有檢測、控制和運算。各PLC總線耦合分站單元就近連接本箱體開關(guān)量和模擬量輸入輸出信號，并通過CANOPEN通訊與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)這些信號“間接”接入CPU中，其余箱體的開關(guān)量和模擬量信號，直接接入CPU中。控制網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 電控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)

通訊上：CPU與本箱體內(nèi)的組態(tài)屏通過基于TCP/IP協(xié)議的ADS通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將整機(jī)運行狀態(tài)實時顯示出來，組態(tài)屏畫面有不同的操作權(quán)限，在參數(shù)配置和屏蔽設(shè)置時根據(jù)不同需求對應(yīng)不同的權(quán)限密碼，同時通過U盤即時存儲運行數(shù)據(jù)，需要時將U盤插入電腦中，可直接通過Excel讀取歷史數(shù)據(jù)。VDU箱內(nèi)的串口屏經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換模塊，將串口信號轉(zhuǎn)化為CAN信號與CPU進(jìn)行通訊，直觀便捷的為司機(jī)顯示當(dāng)前運行狀態(tài)，并在連采機(jī)后退時在畫面上切換至后向攝像儀，避免煤機(jī)司機(jī)因視覺盲角出現(xiàn)誤操作。CPU與截割箱、牽引箱內(nèi)的電量采集模塊和RTD模塊通過基于RS485總線的MODBUS-RTU通訊即時讀取除牽引回路外的電流、系統(tǒng)電壓、各電機(jī)溫度，CPU根據(jù)這些實時數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)運行狀態(tài)。CPU 與牽引變頻器之間通過MODBUS-RTU通訊即時讀取牽引回路參數(shù)、變頻器狀態(tài)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)控制牽引回路運行狀態(tài)。外圍的遙控接收站、聲光報警器與CPU通過CAN通訊實現(xiàn)遙控操作時光標(biāo)移動、電機(jī)和電磁閥啟停，以及遙控/手動模式時電機(jī)啟動的語音預(yù)警。通訊網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 電控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)

保護(hù)上：國產(chǎn)化電控系統(tǒng)對每個動力回路都做了相應(yīng)的保護(hù)檢測，過流保護(hù)、短路保護(hù)、溫度保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、缺相保護(hù)、接觸器粘連保護(hù)、相序保護(hù)、供水壓保護(hù)、油溫油位保護(hù)等，其中漏電保護(hù)采用煤礦行業(yè)常用的附加直流電源方法，牽引回路變頻控制還有針對變頻器自身的IGBT過溫保護(hù)、接地保護(hù)等。

2 改造前后電控系統(tǒng)對比

改造前后的JOY12CM15-10D電控系統(tǒng)均能適應(yīng)煤礦井下連采機(jī)高負(fù)荷運轉(zhuǎn)，完成月定進(jìn)尺任務(wù)量，但在電氣性能上有了很大提升，具體體現(xiàn)在以下方面。

2.1 系統(tǒng)兼容性對比

改造前連采機(jī)使用美國通用電氣的GE-FANUC 90-20系列控制器，雖然功能很強(qiáng)大，但作為傳統(tǒng)型PLC控制系統(tǒng)，指令集相對固定、開發(fā)環(huán)境限制較多，且在算法運用中有天然的劣勢。改造后的連采機(jī)控制系統(tǒng)使用新興的“軟PLC”，完全符合IEC61131-3編程標(biāo)準(zhǔn)，除了使用自身的TwinCAT軟件編程以外，還可以使用與很多PLC廠商兼容的CoDeSys軟件進(jìn)行編程，為程序開發(fā)提供了便利。另外，改造后的控制系統(tǒng)兼容更多其他廠商的通訊協(xié)議，并預(yù)留有更快速的以太網(wǎng)協(xié)議：EtherCAT，為以后煤炭信息化水平的提高保留更多的開發(fā)空間。

2.2 維護(hù)成本、壽命對比

改造前連采機(jī)所使用的串勵直流牽引電機(jī)，啟動轉(zhuǎn)矩大且調(diào)速方便，但缺點也是顯而易見的：振動大、易堵轉(zhuǎn)、壽命短且制造工藝和成本相對高昂，在維護(hù)上也有很高的要求。改造后的交流異步牽引電機(jī)通過與采用DTC控制的四象限變頻器配合，能夠?qū)崿F(xiàn)牽引電機(jī)快速啟/制動，很好的調(diào)節(jié)左右履帶轉(zhuǎn)速同步。當(dāng)前變頻技術(shù)迅猛發(fā)展和交流異步電機(jī)成本低、易維護(hù)、壽命長的特點相結(jié)合，在連采機(jī)的實際運行中起到了很好的效果。改造過程中，僅僅需要更改牽引電機(jī)A、B齒輪等少量相關(guān)機(jī)械件。

2.3 顯示內(nèi)容對比

改造前連采機(jī)JNA箱畫面采用的是久益FACEBOSS顯示系統(tǒng)，VDU箱采用的文本顯示器僅能夠顯示英文版面的故障信息。改造后，JNA箱采用組態(tài)屏顯示系統(tǒng)，能夠?qū)崟r顯示連采機(jī)運行狀態(tài)、故障信息等相關(guān)信息，畫面內(nèi)容直觀，在維護(hù)過程中非常便利；VDU箱采用更大屏幕的串口屏，煤機(jī)司機(jī)能夠看到更多的連采機(jī)運行信息，在后退過程中，該屏幕實時顯示后置攝像頭畫面，使生產(chǎn)過程更安全。

2.4 遙控方式、傳送數(shù)據(jù)對比

改造前連采機(jī)遙控操作時，使用的是有線遙控器，并且電控系統(tǒng)沒有數(shù)據(jù)上傳功能。改造后遙控操作時則使用無線遙控器，遙控器頻段為穩(wěn)定的868 MHz，遙控器輕巧便利，同時具備光標(biāo)操作組態(tài)屏功能；電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳采用當(dāng)前WiFi主流的2.4 GHz頻段，由無線AP與無線綜合接入器組成服務(wù)器/客戶端的模式，電控系統(tǒng)中所有有以太網(wǎng)接口元器件在一個由礦上提供的局域網(wǎng)頻段內(nèi)，將PLC的實時數(shù)據(jù)傳到地面集控室內(nèi)，在集控室內(nèi)通過OPC通訊將數(shù)據(jù)顯示在地面集控畫面內(nèi)。

2.5 使用成本對比

改造前連采機(jī)電氣元器件成本高昂，改造后的電氣成本經(jīng)過統(tǒng)計約為改造前的60%左右，后續(xù)維護(hù)過程中備件使用成本還會進(jìn)一步降低。

3 國產(chǎn)化電控系統(tǒng)發(fā)展趨勢

國產(chǎn)化連采機(jī)電控系統(tǒng)是連掘工作面今后諸多設(shè)備國產(chǎn)化的“試驗田”，當(dāng)前連掘工作面很多設(shè)備依然采用原裝電控系統(tǒng)，久益的梭車、山特維克的掘錨機(jī)等設(shè)備也面臨類似連采機(jī)當(dāng)前的問題，經(jīng)過改造前后故障率的對比，國產(chǎn)化連采機(jī)電控系統(tǒng)故障率較之前有明顯的改善，另一方面反映在掘進(jìn)進(jìn)尺上每個月基本都能按照要求完成既定任務(wù)。積極貫徹“少投入、多產(chǎn)出、高效益、高效率”的高產(chǎn)高效建設(shè)目標(biāo)是國產(chǎn)化電控系統(tǒng)的有力支持，并為神東礦區(qū)在用連采機(jī)乃至連掘設(shè)備的循環(huán)、可持續(xù)利用提供了更多契機(jī)。

4 結(jié)語

JOY12CM 15-10國產(chǎn)化電控系統(tǒng)充分利用了電氣自動化領(lǐng)域諸多成熟的或是新興的技術(shù)，將CAN、RS485等現(xiàn)場總線、ADS、OPC和WiFi等以太網(wǎng)技術(shù)、交流變頻技術(shù)和無線遙控通信技術(shù)在國產(chǎn)化系統(tǒng)內(nèi)層次化、合理化的運用起來，使整個系統(tǒng)的信息化有了極大地提高。在采購、維護(hù)成本上的明顯降低，使電控系統(tǒng)的運行不再受制于人，也積極貫徹了改造的初衷。