WK-20電鏟電氣系統升級改造研究

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電鏟電氣系統升級改造的背景

本公司使用的WK-20電鏟變頻調速系統采用西門子6SE70裝置。西門子6SE70系列產品配件現已停產，在未來可能出現配件無法供應的情況，影響設備正常運行，另外變頻器使用年限過長，內部電氣元件老化嚴重，電氣故障頻繁。為保證設備穩定運行，將原系統升級為S120變頻器和西門子S7-1500PLC控制系統，S120變頻調速系統已投入市場多年，反應良好，變頻調速系統升級后能保證設備穩定運行。基于此，本公司根據用戶電鏟情況，有針對性地設計《WK-20電鏟變頻系統升級技術方案》。

2 WK-20電鏟電氣系統升級改造方案

WK-20變頻調速系統升級改造后，控制系統由“人機界面+PLC系統+變頻調速”三部分組成。PLC接收司機室控制信號，通過PROFINET工業以太網總線實現對變頻裝置、輔助控制柜等從站的控制。

變頻調速系統升級采用西門子S120變頻器調速柜，柜體采用特殊結構的加強型設計，底部增設防震底座，提高電氣設備使用壽命。

本方案提供的多傳動系統是高性能且具有明確定義功能和接口的全數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，能達到控制交流電機的完美極限。具體方案設計如下。

2.1 利舊設備

為節約資源并使舊設備達到最大化的利用，經綜合考慮分析后，確定高壓柜、主變壓器、輔助變壓器、切換柜等設備依然沿用舊設備。

2.2 變頻調速系統

整套變頻調速多傳系統更新為西門子S120系列產品，有源整流裝置+各機構逆變單元完成電能→機械能和機械能→電能的雙向傳輸，提升下放和回轉制動時分別將重力勢能和動能轉換為電能回饋電網，節能環保。

行走機構可與提升機構共用逆變器，通過切換柜進行切換；也可新增逆變器獨立驅動，但要考慮電氣室安裝尺寸是否夠用（獨立驅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系統的防震底座，控制單元選用CU320-2PN。

2.3 高低壓集電環

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

2.4 PLC系統

電鏟正在使用的S7-300型PLC控制系統已經停產，該方案將西門子S7-300型PLC控制系統整體升級為西門子S7-1500型PLC控制系統。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。

系統預留遠程通訊接口，滿足將來智慧礦山遠程監控、遠程操作的需求。當電鏟工作面有網絡覆蓋時，系統可更方便地連接網絡，實現遠程數據傳輸，為將來系統擴展做好準備。

2.5 操作臺、聯動臺

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，電纜視現場實際情況部分更換。

2.10 線槽

根據S120變頻柜出線孔位置調整線槽。

2.11 制動電阻

更換，制動電阻與S120變頻系統匹配。

2.12 電機編碼器

更換，將原系統2通道編碼器更換為4通道編碼器。

2.13 電氣室通風管道

更換和優化WK-20電氣室風道，電氣室壁增開進風孔，從而減小風阻，增大通風量，同時改善排風。

2.14 開斗驅動機構

將開斗驅動系統由原來的轉子串電阻調速改造為變頻調速，新增變頻控制柜，更換開斗電機和減速機。

3 WK-20電鏟升級后優勢

WK-20電鏟電氣系統通過升級改造在可靠性、維修成本、上位監控軟件、整機出動率及備件供應等方面表現出明顯優勢，具體見表1所示。

表1 WK-20電鏟電氣系統升級后的優勢

4 結論

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

（2）整套電控系統采用目前最新設計的抗震減震底座，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)的使用環境。

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

（4）設計制作的變頻柜，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，通過這些功能的應用，提高電鏟的安全性，提高設備的出動率。