2300XP电铲电控系统的国产化数字化改造

张小良,张自麟,葛永红

(1.江西铜业集团公司德兴铜矿,江西德兴 334224; 2.江西铜业集团公司德兴铜矿材料设备部,江西贵溪 335424)

2300XP电铲电控系统的国产化数字化改造

张小良1,张自麟1,葛永红2

(1.江西铜业集团公司德兴铜矿,江西德兴 334224; 2.江西铜业集团公司德兴铜矿材料设备部,江西贵溪 335424)

本文针对2300XP电铲电控系统原设计中存在的问题进行分析,阐述了德兴铜矿电铲国产化数字化电控系统成功改造的实例及引发的思考。

2300XP电铲;电控系统;国产化数字化改造;思考

1 引言

2300XP型挖掘机(以下简称电铲)是江西铜业集团公司德兴铜矿的核心采矿设备,在上世纪八十年代末从美国P&H公司引进,价格昂贵,铲斗容积为16.8m3。电铲动力来源为电力,通过电铲上电气传动系统完成电铲的行走、提升、回转和推压作业,整个电铲供电容量大于1.5MVA,单台传动系统最大直流工作电流达1800A。电铲工作环境恶劣,振动和粉尘大,对系统可靠性的要求很高;受当时技术水平的限制,该型号电铲在设计上存在许多不完善的地方,随着运行时间的增加,暴露出的技术问题愈发凸显。本文针对原设计中存在的问题进行分析,阐述了采用全数字控制进行国产化改造的方案和实际应用效果以及带来的意义。

2 原电控系统的组成及不足

2.1 原电控系统组成

电铲电气及控制系统从功能模块分类,可以分为电气配电系统、直流调速传动系统、辅助系统、谐波抑制及无功补偿系统、逻辑控制系统及人机接口系统六个部分,其功能关系如图1所示。

图1 2300XP型电铲电气控制系统示意框图

2.2 系统存在的问题

(1)可靠性差。电铲原系统采用模拟器件构成,插接板的数量多达40块,插接板与插接板之间、插接板与外部的接线复杂,抗干扰能力差;而且模拟器件参数漂移,易导致插接板失效或误动作,以上都将会降低电控系统的可靠性。特别是电铲处于振动和粉尘大的环境工作,在投入使用了较长时间以后,电气系统故障率增高,严重影响电铲的使用效率。

(2)控制系统简单。电铲原系统的逻辑控制功能,包括工作模式转换、不同调速机构协调控制以及故障停机等顺序控制功能完全由分立的继电器搭成,对应执行部件位于主控柜的后部,控制线路烦琐,整定复杂,逻辑控制功能少,保护功能单一。当存在故障时,仅从人机界面指示灯很难快速查找到故障点,排查故障难度大。

(3)维修成本高。系统可靠性低,故障率高,排查故障难度大,系统维护和升级一直采用国外的备件,备件供应周期长且价格昂贵,增加了储备资金占用和设备的运行成本。

3 系统改造实践

3.1 改造方案设想

基于以上分析,2300XP型电铲原电控系统设计要求已难以满足德兴铜矿生产的需要。如何提高电气控制系统的可靠性,降低设备维护费用,提高电铲的使用效率,寻求一种安全连续、稳定可靠的电气控制系统成了当务之急。

数字化控制系统是目前世界上最先进的集散系统,元器件集成度高,数字调速故障率低,光纤通信简洁。美国PH公司为代表的大型采掘设备生产商在斗容量20立以上的大型挖掘机上最先采用了全数字可控硅直流供电调速系统[1]。2008年,经江铜集团德兴铜矿、材料设备公司、科研院所经过反复的技术研讨,并征得股份公司生产和计划部门的同意,确定了在8#电铲采用数字化控制系统改造电铲原模拟控制系统的方案。

3.2 改造方案内容

当前科学技术突飞猛进,PLC技术为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用[2]。因此,改造方案采用全数字直流调速系统,无功补偿及系统逻辑控制采用PLC集成控制,电气柜之间采用现场总线和以太网连接来提高信号传输可靠性,加装人机界面综合显示计算机,增加系统故障在线监测和保护功能。

与原电控系统相比,改造方案进行了以下设计: (1)仍然采用直流调速传动系统,保留原主功率配电部分,修改辅助配电部分;

(2)更换变流柜功率组件、触发组件,开发对应的国产化专用组件;

(3)重新设计RPC柜触发组件,替换原有触发组件;

(4)重新设计调速传动控制系统,电枢控制和励磁控制采用数字化控制器替换原有模拟控制线路,核心控制器采用西门子6RA70系列控器,对外围接口进行修改开发;

(5)重新设计RPC柜TSC投切控制线路,自行研制数字化投切同步及脉冲触发电路;

(6)增加RPC柜数字化远程控制箱,增加辅助柜数字化远程控制箱,增加驾驶室数字化远程控制箱;

(7)增加驾驶室系统运行状态综合显示电脑;

(8)整体去掉原主控柜,重新设计主控柜,包含系统控制PLC、数字化调速控制器、触摸屏上位调试电脑、系统控制电源综合管理(包括UPS掉电保护)、不同电气柜的现场总线通信以及到驾驶室的以太网通信控制。

3.3 改造后电气系统组成

包括研制替换或新增的部件,以及原有保留的主要电气部件,有以下几部分:

(1)高压开关柜;

(2)主变压器;

(3)抑制柜;

(4)RPC柜(谐波抑制与无功补偿柜);

(5)RPC柜远程控制箱;

(6)晶闸管变流柜;

(7)主回路切换柜;

(8)七台挖掘直流电动机;

(9)主控柜;

(10)辅助变压器;

(11)辅助风机、开斗电机、空气压缩机(简称空压机);

(12)辅助柜;

(13)润滑柜;

(14)驾驶室控制台(含驾驶室远程控制箱、驾驶室触摸屏)。

其系统组成结构如图2所示,其中深色部分为新方案中新增或替换原有设备而重新设计的设备。

图2 改造后电铲电气控制系统组成框图

3.4 改造后电气系统优点

(1)改造后的系统改用全数字直流调速系统,系统逻辑控制采用PLC集成控制,使得电流、转速控制更准确、更灵活[3],满足设备控制要求,特性优于原控制系统;

(2)替换了无功功率补偿系统检测单元及RPC柜的投切单元,提高了无功功率补偿的准确性,同时采用循环投切方式,延长了使用寿命;

(3)采用PLC集成控制后,电气柜之间采用现场总线和以太网进行通信和少量的线路进行信号传输,简化了线路,提高了信号传输可靠性;

(4)改造后的系统加装了友好的中文人机界面,不仅能对整个系统运行状态进行实时监控,还可根据报警消息进行快速诊断,帮助维护人员排除故障、提高维修效率。

(5)新系统去掉了价格昂贵的模拟电路板,分流保护板、压差保护板、晶闸管组件、阻容吸收电路等备件实现了国产化,变流柜内功率组件型号普遍通用,减少了部件种类,降低了备件库存。

4 改造后运行效果

2009年3 月研制出的国产化数字化控制系统首先应用于德兴铜矿8#2300XP电铲,连续一年多的稳定运行标志着电铲电控系统改造取得圆满成功。改造后的电气系统解决了原系统存在的问题,完全实现了电铲的行走、提升、回转和推压功能;并从根本上提高了电铲的可靠性、可操作性和可维护性,实现了系统国产化改造,有效降低了备件采购成本和设备维护成本。改造后的电气系统总体性能已经达到国外新一代型号2300XPA型电铲的水平,代表着国内同行业自控领域领先水平,该系统的成功应用,将产生巨大的经济效益和社会效益。

引进设备的许多关键备件制造难、购买难。

5 引发的思考

德兴铜矿是公司主干矿山,大多数生产设备是从国外引进的,这些进口设备在矿山生产中发挥着重要的作用,同样为确保矿山进口设备的稳定运行,需要花费大量的外汇去购买进口备件。引进设备的许多关键备件制造难、购买难[4],进口备件价格高且涨幅大,备件供应周期长且不稳定,存在备件供应难度大,采购成本高,储备资金占用大等不利因素。因此,如何尽快消化和吸收国内外先进设备和技术,实施进口设备备件国产化,有效降低设备运行成本,一直是德兴铜矿设备管理工作的一个重要课题。

近几年,公司大力推进国产化工作,积极倡导观念的转变,这是国内民族工业发展的必然趋势,也是矿山自主创新、有效降低采购成本、提高采购效率、保障供应和正常生产的迫切需要。8#2300XP电铲电控系统国产化数字化改造的成功运用,正是德兴铜矿积极稳妥推进设备备件国产化工作的一个缩影。随着国内技术装备水平和研发能力的不断提高,必将会给矿山进一步推进国产化工作带来更多的契机,江铜的备件国产化工作也将会取得新的更大成绩。

REFERENCES

[1] 高良广.露天采掘设备电控系统及其发展趋势.辽宁科技学院学报,2007,(2).

[2] 邹丹丹.浅析PLC的应用与发展.中国新技术新产品,2009,(14).

[3] 范建忠,刘爱琴,吴延伟.PLC在电气自动化中的应用现状与发展前景.科技资讯,2009,(32).

[4] 梁志华.进口设备维修与备件国产化的实践.中国设备工程, 2005,(05).

Alteration of 2300XP Electric Shovel Control System Domestic D igitalization

ZHANG Xiao-liang1,ZHANG Zhi-lin1,GE Yong-hong2
(1.Dexing CopperMine of JCC,Dexing,Jiangxi,334224; 2.Materials&EquipmentDept.,ofDexing CopperMine of JCC,Guixi,Jiangxi,335424)

Some problems existed in electrical control system of 2300XP electric shovel design is introduced,and the successful alteration example of electric shovel control system domestic digitalization and correlative consideration are stated in this article.

2300XP electric shovel;electric control system;alteration of domestic digitalization;consideration

T M921

:B

:1009-3842(2010)03-0082-03

2010-07-12

张小良(1974-),男,汉族,江西上饶人,机械工程师,研究方向为设备管理工作,E-mail:zxl1992@vip.sina.com