長(zhǎng)臂滾筒采煤機(jī)電控系統(tǒng)分析

摘要：長(zhǎng)臂采煤機(jī)是綜采工作面的核心設(shè)備，技術(shù)密度高，是工作面高產(chǎn)高效的重要保障，但我國目前高產(chǎn)高效礦井主要依賴進(jìn)口采煤機(jī)。神東煤炭集團(tuán)、中煤等大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)為保證礦井高產(chǎn)高效，不得不采購價(jià)格是國產(chǎn)同型號(hào)4-6倍的進(jìn)口采煤機(jī)，對(duì)我國采煤機(jī)技術(shù)發(fā)展造成巨大威脅。采煤機(jī)電控系統(tǒng)是采煤機(jī)的心臟，電控系統(tǒng)的的穩(wěn)定性直接影響采煤機(jī)的生產(chǎn)能力，進(jìn)口采煤機(jī)電控系統(tǒng)主要有什么特點(diǎn)呢？筆者結(jié)合十余年對(duì)就久益采煤機(jī)的檢修經(jīng)歷，從采煤機(jī)的保護(hù)功能、電控箱布局、電氣備件選型、傳感器配置、接線方式、組態(tài)界面、數(shù)據(jù)上傳等方面對(duì)久益采煤機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時(shí)也對(duì)國產(chǎn)高端、高性能采煤機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出一些建議。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī);久益;電控系統(tǒng)

引言

采煤機(jī)電控系統(tǒng)的保護(hù)功能設(shè)計(jì)、電氣件選型、人機(jī)交互設(shè)計(jì)、技術(shù)資料等對(duì)采煤機(jī)的性能、運(yùn)行穩(wěn)定性、使用維護(hù)等至關(guān)重要。本文對(duì)久益采煤機(jī)的保護(hù)功能、電控布局、硬件選型等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析，希望能對(duì)國產(chǎn)高端、高性能的采煤機(jī)設(shè)計(jì)起到拋磚引玉的作用。

1 久益采煤機(jī)電控系統(tǒng)介紹

1.1電控系統(tǒng)保護(hù)功能

久益采煤機(jī)有齊全的過流、漏電、過載、等保護(hù)。牽引變壓器、控制變壓器、變頻器逆變單元設(shè)計(jì)熔斷器。各回路均有三相電流互感器，實(shí)現(xiàn)過載、相位不平很等檢測(cè)。電控系統(tǒng)有瓦斯超限、啟動(dòng)預(yù)警、遙控器墜落停機(jī)、遙控器配對(duì)識(shí)別、運(yùn)輸機(jī)閉鎖、急停拉線開關(guān)、急停繼電器、開關(guān)機(jī)械閉鎖等保護(hù)，詳細(xì)如下：

1.2電控箱結(jié)構(gòu)及布局特點(diǎn)

久益采煤機(jī)各機(jī)型電控箱尺寸隨采高增加，電控箱內(nèi)部空間逐漸增大。電控箱設(shè)計(jì)均為一個(gè)腔體，有三個(gè)蓋板。內(nèi)部控制板使用螺栓固定，組裝完成后形成高壓、控制、本安三個(gè)腔體。電控箱內(nèi)部一旦出現(xiàn)短路接地或相間短路往往導(dǎo)致大量備件損壞，造成較大損失。

電控系統(tǒng)電氣備件根據(jù)功能安裝在多個(gè)控制板上，控制板使用螺栓固定，只有少部分組件拆解、安裝難度大。現(xiàn)場(chǎng)檢修難度相對(duì)較小，且各控制板預(yù)留了較長(zhǎng)的電纜束線，更利于現(xiàn)場(chǎng)檢修。

采煤機(jī)電源電纜引入均采用電纜連接器引入電控箱，較電纜引入裝置少量接線腔及穿墻端子，節(jié)省電控箱安裝空間，安裝、拆解相對(duì)簡(jiǎn)單。各電機(jī)電纜使用電纜引入裝置未經(jīng)過接線腔直接進(jìn)入電控箱，與MA要求沖突，不符合我國MA要求。

1.3電氣備件選型

久益采煤機(jī)電氣備件多為定制備件集成化高，占用空間小，便于布局，如智能互感器，其集成電機(jī)三相電流、電機(jī)溫度檢測(cè)和電機(jī)接觸器控制，將所有檢測(cè)信號(hào)通過Interbus總線傳輸給中央控制器CCU，使用一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的控制及所有的保護(hù)，集成化高、提交小，便于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)。

電控系統(tǒng)采用多回路、多種通訊方式，如采煤機(jī)中央控制器CCU，通訊協(xié)議支持Ethernet、RS-485 、RS-422、RS232、CANBus、Interbus、USB1.0，而且每種接口數(shù)量均大于1個(gè)。通訊回路在出現(xiàn)故障時(shí)，故障范圍小，便于現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)。

帶程序備件程序存儲(chǔ)在可拆裝的存儲(chǔ)介質(zhì)內(nèi)，如中央控制器程序存儲(chǔ)在工業(yè)U盤內(nèi)，顯示計(jì)算機(jī)程序存儲(chǔ)在工業(yè)CF卡內(nèi)。當(dāng)損壞更換時(shí)將原程序盤、程序卡連接上啟動(dòng)設(shè)備加載后即可運(yùn)行，當(dāng)程序更新或損壞時(shí)使用新的程序卡在現(xiàn)場(chǎng)加載即可運(yùn)行。將程序與硬件分離設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相同硬件在不同設(shè)備使用時(shí)完全互換，同時(shí)避免現(xiàn)場(chǎng)使用計(jì)算機(jī)刷程序等復(fù)雜程序。及利于備件儲(chǔ)備又利于設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)故障處理。

帶通訊協(xié)議模塊均設(shè)計(jì)有多個(gè)指示燈的備件，如內(nèi)部數(shù)字量/模擬量輸入輸出模塊RIO，其設(shè)計(jì)有6個(gè)指示燈，可顯示5種通訊狀態(tài)和電纜完好情況，通過查看故障指示燈可快速、準(zhǔn)確的確定采煤機(jī)電控系統(tǒng)故障原因。

1.4傳感器配置

電控系統(tǒng)所有傳感器信號(hào)使用防護(hù)等級(jí)為IP67的快速插頭電纜接入控箱外的2個(gè)GIO模塊內(nèi)，以通訊方式傳輸?shù)娇刂破?，接線少，故障率低，但破損后必須更換。

久益采煤機(jī)有左右搖臂溫度、液壓油溫度、液壓油油位、瓦斯、機(jī)身角度、速度、復(fù)位、搖臂角度、電纜拖架限位、水流壓力等15個(gè)左右，液壓系統(tǒng)無壓力傳感器，當(dāng)齒輪泵反轉(zhuǎn)時(shí)設(shè)備不能保護(hù)，傳感器數(shù)量總體較少，限制設(shè)備智能化較多，但傳感器數(shù)量少設(shè)備故障率低。

1.5接線方式

久益采煤機(jī)電控內(nèi)部控制線使用成型電纜束線，功能模塊之間用快速插頭和端子排連接。使用快速插頭接線快速、簡(jiǎn)單、可靠，使用接線端子排，便于故障排查，但故障率高。模塊之間通訊束線預(yù)留長(zhǎng)度大，便于現(xiàn)場(chǎng)故障排查。

使用電纜束線接線方式，可單獨(dú)加工電纜束線，如在電控箱組裝前完成釘板圖（電纜束線加工圖）并制作、檢測(cè)，直接安裝電纜束線可有效避免現(xiàn)場(chǎng)制作出現(xiàn)的各種問題，電控系統(tǒng)穩(wěn)定性可大幅提升，減少設(shè)備故障率。

1.6 遙控器

遙控器有兩種，分別為單向遙控器和雙向遙控器。單向遙控器用于早期生產(chǎn)的采煤機(jī)，每臺(tái)采煤機(jī)使用2種2件。雙向遙控器用于最新機(jī)型，每臺(tái)使用1種2件。

兩種遙控器相比單向遙控器體積小、重量輕，操作輕松方便，但是無顯示屏、左右不通用、電池不能更換。雙向遙控器每臺(tái)采煤機(jī)使用2件，有顯示屏可顯示煤機(jī)參數(shù)、電池可更換，有失重保護(hù)，左右互換，但是體積大、重量大（約1.4㎏）。

1.7 變頻器

采煤機(jī)變頻器設(shè)計(jì)均為一個(gè)整流、兩個(gè)逆變單元，兩象限設(shè)計(jì)，散入依靠電控箱冷卻水道及自身冷卻風(fēng)扇。早期變頻器使用電流環(huán)通訊，新變頻器使用CAN總線通訊。輸入電壓為575V，調(diào)頻范圍為0-120Hz，牽引電機(jī)工頻為90Hz。

變頻器參數(shù)由中央控制器寫入，更換變頻器或牽引電機(jī)后不需要做電機(jī)識(shí)別。變頻器不做任何參數(shù)設(shè)置可左右互換，新版本變頻器可完全兼容舊版本變頻器。

1.8 組態(tài)界面

采煤機(jī)顯示計(jì)算機(jī)組態(tài)界面是人機(jī)交互的橋梁，組態(tài)界面的內(nèi)容直接影響到人機(jī)交互的效果。久益采煤機(jī)組態(tài)界面包含控制器狀態(tài)、遙控器狀態(tài)、各電機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)等50多幅組態(tài)界面（不包含參數(shù)設(shè)置屏），可查看各電機(jī)啟動(dòng)邏輯、控制狀態(tài)、牽引控制狀態(tài)、傳感器輸入輸出狀態(tài)等。尤其是在電機(jī)啟動(dòng)邏輯圖內(nèi)將各信號(hào)反饋點(diǎn)也添加在組態(tài)界面內(nèi)，將內(nèi)部關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)動(dòng)作狀態(tài)虛擬而又真實(shí)的反饋給使用者。人機(jī)交互界面大量的信息反饋有利于設(shè)備的使用維護(hù)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)根據(jù)界面反饋信息可以快速、準(zhǔn)確的確定設(shè)備故障。

1.9 數(shù)據(jù)上傳

久益采煤機(jī)數(shù)據(jù)上傳采用3.3kV電纜動(dòng)力載波和光纖傳輸兩種方式。

動(dòng)力載波數(shù)據(jù)傳輸不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，實(shí)際應(yīng)用中受限較多。

光纖傳輸采用單獨(dú)光纖，隨采用軍工級(jí)

1.10 技術(shù)資料

采煤機(jī)接線圖原理圖共8-10頁，線號(hào)、電纜走向標(biāo)識(shí)清楚，便于現(xiàn)場(chǎng)查閱;接線圖內(nèi)電氣符號(hào)與電控箱內(nèi)電氣件安裝位置基本一致，便于查看;線號(hào)標(biāo)識(shí)采用等電位標(biāo)注法，便于查閱。

LinkOne（圖紙查看軟件）圖冊(cè)有接線圖、原理圖、三維組裝圖、 技術(shù)服務(wù)手冊(cè)（含介紹、顯示界面、維護(hù)、遙控器、電氣原理等詳細(xì)技術(shù)資料）等技術(shù)資料便于客戶使用。

1.11 電氣附件

線號(hào)：控制線線號(hào)采用彩色EC數(shù)碼管，不同數(shù)字有不同的顏色，長(zhǎng)時(shí)間使用功能不會(huì)出現(xiàn)掉色，易區(qū)分，便于現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)。

1.12 其他特點(diǎn)

電控箱蓋板預(yù)留小蓋板，打開后有USB接口，用于安裝程序盤和數(shù)據(jù)盤，下載設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和跟新采煤機(jī)程序時(shí)，打開小蓋板即可進(jìn)行操作。

2 國產(chǎn)高端、高性能采煤機(jī)設(shè)計(jì)方向

高端、高性能采煤機(jī)能滿足高產(chǎn)高效的千萬噸礦井，設(shè)備設(shè)計(jì)、制造與全球領(lǐng)先的采掘設(shè)備對(duì)標(biāo)，采掘性能做到持平甚至超越。高端、高性能采煤機(jī)應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

1）設(shè)備性能高端：采煤機(jī)采掘性能按照千萬噸礦井需求設(shè)計(jì)，以采高4.5m左右采煤機(jī)為例，采煤機(jī)截深應(yīng)達(dá)到850㎜，最大牽引力速度能達(dá)到16m/min甚至更高。

2）設(shè)備保護(hù)齊全：應(yīng)有過流、漏電、過載保護(hù);應(yīng)有瓦斯超限、啟動(dòng)預(yù)警、遙控器墜落停機(jī)、遙控器配對(duì)識(shí)別、運(yùn)輸機(jī)閉鎖、急停拉線開關(guān)、急停繼電器、開關(guān)機(jī)械閉鎖等保護(hù)，詳見1.1電控系統(tǒng)保護(hù)功能。

3）設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定：光有高端的性能、齊全的保護(hù)并不能滿足使用要求，高端、高性能的采煤機(jī)還需要有穩(wěn)定的性能?？拐?、耐高溫的硬件選型;合理、齊全的保護(hù)邏輯及參數(shù);合理的布局;控制線的選型、布局;施工工藝的要求。等等從硬件的選型、安裝、到程序的編寫無以不與設(shè)備的穩(wěn)定性息息相關(guān)。

4）設(shè)備智能化高：高端高性能的采煤機(jī)還需有超高的智能化水平，煤層界面探測(cè)、設(shè)備可靠性分析、油樣在線監(jiān)測(cè)、震動(dòng)檢測(cè)、慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用、可視化開采、視覺識(shí)別、自動(dòng)化操作等等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。

3結(jié)束語

2019年9月，由神東煤炭集團(tuán)和西安煤礦機(jī)械有限公司合作開發(fā)的MG1100/3030-GWD 8.8m超大采高采煤機(jī)在神東上灣煤礦投入試用，投產(chǎn)以來單日單產(chǎn)最高達(dá)6.02萬噸，創(chuàng)造了單日生產(chǎn)原煤的新紀(jì)錄，設(shè)備的采掘性能、穩(wěn)定性、可靠性與進(jìn)口采煤機(jī)相差無幾。這標(biāo)志著也國產(chǎn)高端、高性能采煤機(jī)自主研發(fā)創(chuàng)新又向前邁了一步。

煤機(jī)電控系統(tǒng)的硬件選型、內(nèi)部布局、安裝方式、保護(hù)功能、人機(jī)界面等與采煤機(jī)的采掘性能、運(yùn)行的穩(wěn)定性、維護(hù)量等息息相關(guān)，通過對(duì)久益采煤機(jī)電控系統(tǒng)特點(diǎn)的分析及國產(chǎn)高端、高性能設(shè)計(jì)方向的觀點(diǎn)希望能為國產(chǎn)高端、高性能采煤機(jī)設(shè)計(jì)起到拋轉(zhuǎn)引玉的作用。

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作者簡(jiǎn)介：趙光瑞 （1984.11-），男，籍貫：陜西神木，2007年7月畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)控制專業(yè)，學(xué)歷：?？?，現(xiàn)任國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司高端設(shè)備研發(fā)中心電氣技術(shù)部經(jīng)理。