495HR电铲AFE非硬件故障的诊断与检修工艺

张巴图

（神华准格尔能源有限责任公司生产技术部，内蒙古自治区鄂尔多斯市，010300）

1 概述

中国神华能源股份有限公司哈尔乌素露天煤矿从2007年开始，陆续从美国比赛洛斯公司引进6台495HR 电铲。495HR 电铲是国内外露天采矿行业使用最广泛的挖掘机，用于大型露天煤矿岩石剥离和煤炭挖掘，它采用了西门子公司生产的SIBAS控制系统。该控制系统集成化程度高，运行稳定、安全和可靠。功率部分采用AFE （Active Front End）整流／回馈单元，由于采用可使其网侧电流及功率因数均可控的PWM 整流器，它可四象限运行，因此功率部分少了一套再生回馈单元，它位于电源进线侧，所以被称为前端。其主动的含义在于，与传统的二级管或可控制硅整流技术相比，主动前端不再是被动地将交流转变成直流，而是具备了很多主动的控制功能。它不仅能消除高次谐波，提高功率因数，而且不受电网波动的影响，但在运行过程中AFE整流／回馈单元出现的非功率单元频繁出现了AFE 故障，影响设备的正常运行，对生产造成一定的影响。

（1）AFE。AFE 是前端有源技术，当功率因数=1 时可以有效改善外网质量，可运行在四象限，抑制谐波。给供电线路无功补偿，在再生发电时不需要另装一套整流系统。

（2）SIBAS。SIBAS为西门子火车自动化控制系统，德国西门子公司首先把它用在电铲和吊斗铲上，是目前电铲上使用的最先进的自动化系统之一。应用在与PLC 协调控制提升、推压、回转、行走部分和整流部分，SIBAS与HMI协调提供测试点和用户参数，SIBAS提供电源部分的保护。

（3）IGBT。IGBT 是495HR 电铲采用的智能模块，它具有强大的自诊断和保护功能。IGBT 智能模块双-输入1.5kVs是一个空气冷却的2相模块。以下的配置可以有选择地进行调节：2 相、2个制动控制器或者单相、1个制动控制器 （局部指定制动控制器／模块上的相位可以自由地选择），通过外部控制的插脚上的电桥进行指派。除了4 个IGBT，还有一个方形的电控装置 （QST）4 个高压区 （HST）和2个温度测检器 （带有2个电线接头的Pt-100）。IGBT 的2个温度测检器和饱和监督允许过负荷或对动力侧进行短路保护，方形的电控装置 （QST）保证在模块短路 （HSTs 和QST）时，有2s的过载保护。

2 AFE故障原因分析

2.1 高压真空接触器启动过程中以及设备运行当中出现的控制环节故障

当预充电达到1250V 时，高压真空接触器不吸合的故障主要是由K13继电器、PLC 节点7的第6块数字输出卡 （UP104）、高压真空接触器的电源启动单元CR1以及它们之间的连接环节出现的故障引起的。快速地诊断出哪个环节出现问题是提高检修质量的关键。

首先应该先检查中间环节CR1 是否吸合，如果吸合，那么问题出在它的下一个环节高压真空接触器的电源启动单元；如果不吸合，那么问题出在它本身或它的上一个环节：UP104是否有电或者K13继电器是否吸合。如果PLC 节点7的第6块数字输出卡 （UP104）的Q16.4 没有输出，那么检查CR1的逻辑图以及通过PLC 在线实时监控，检测K13常开点接触是否良好。

如果K13常开点接触良好，那么下一步就应该检查一下K05、K06和K073个继电器接触是否良好。检查K05和K06两个继电器时不能盲目的乱查，要根据现场实际情况和具体现象进行有真对性的排查，盲目的乱查的结果是加大检修时间，减少出动率。

K05、K06和K07三个继电器的线圈电源分别取自于UP23、UP28和UP19，UP19经过UPCB开关后，一条线路串接一个真空接触器的常开点后变为UP23，一条线路串接两个正常停机按钮BEB1和BEB2后变为UP28，另一条线路串接4个E-STOP紧急停机按钮后变为UP19，UP23接到K05线圈上，UP28接到K06线圈上，UP19接到K07线圈上。

K05、K06和K07三个继电器断电或接触不良的现象是不同的，K05 继电器断电或接触不良DPC可以吸合，而K06和K07两个继电器断电或接触不良时DPC 不能吸合。根据不同的现象，分析如下：

（1）第一种现象。由于真空接触器DPC 的一个常开点串接在K05 继电器的线圈上，只有在DPC吸合后，K05 得电吸合。K05 的常开点接通后，把PLC 节点7电源板得24VDC 电源送入SIBAS的二进制输入卡-G139 中，把真空接触器DPC闭合的信息传递给SIBAS。

如果在启机的过程中，K05失电或其常开点接触不好，使得在DPC闭合后SIBAS没有收到DPC闭合的信息，AFE在DPC闭合后的200μs延迟后没有被触发，DPC 打开后，CHOPPER 得到一个2000μs的单脉冲触发信号，以使DC BUS母线电压彻底放尽。设备终止运行，逻辑图中会有不完全程序故障，不完全程序灯亮。如果在运行中出现K05失电或其常开点接触不好，SIBAS 收到DPC打开的信息，调用程序G73，程序G73在延迟5s，DC BUS 电压依然大于50 VDC 后，再调用程序G74，程序G74 会发出一个2000μs 的单脉冲，CHOPPER 得到一个2000μs的单脉冲触发信号，以使DC BUS母线电压彻底放尽。设备终止运行，逻辑图中会有不完全程序故障，不完全程序灯亮。SIBAS MONITOR 会 报 出DC221 故 障 （DPC OPENED WITH AFES RELEASED）。

（2）第二种现象。因为两个正常停机按钮BEB1和BEB2是通过给K06继电器的线圈供电通过其常开点把节点7电源板的24VDC送到SIBAS机架二进制输入卡-G139中的。

如果在启动高压真空接触器时，BEB 线路正常且PLC也正常，只是K06继电器线圈断电或常开点接触不良，SIBAS的中央处理器ZR 接收到的是正常停机信号致使K13继电器线圈不得电，K06还可引起K13颤动 （当K06常开点断开后SIBAS马上收到正常停机命令，SIBAS 马上发出命令，让-G147的b24点失电，K13打开，在完成这个过程后，程序中的RS 触发器被复位，-G147 的b24点重新得电，K13 闭合，这样周而复始运行，使得K13不间断地颤动）。按下系统运行按钮SRB后，虽然PLC准备完毕并且接收到的是启机信号，K13 继电器的常开触点之间送有120 VAC（UP104），预充电电路投入工作，并使DC BUS电压达到50VDC时，SIBAS会检测到预充电给DC BUS充电已经达到50VDC，这时当满足BEB 断线、AFE 被阻塞和DPC 打开3 个条件时，ZR 处理器会调用G28 程序块，G28 程序块马上调用G73程序块，当G73程序块探测到DC BUS 电压达到50VDC 以上时，经过5s的延时后调用G74程序块，G74程序块发出触发CHOPPER 的命令，正是这个5s的延时使得预充电给DC BUS充电能达到1000～1250 VDC，然后CHOPPER 放电使DC BUS电压降到50V 以下。这时，即使预充电给DC BUS 充电可能达到1000～1250 VDC，而SIBAS的中央处理器ZR 得到是正常停机命令，SIBAS的二进制输出卡-G147的b24点快速得电和失电，K13继电器快速颤动，使得CR1不得电，高压真空接触器不吸合。当DC BUS 电压下降到50VDC以下时，CHOPPER 停止工作，这时PLC以及SIBAS MONITOR 都报有AFE 故障，AFE故障信息会触发一个RS触发器置位，该触发器给PLC一个反馈信息，使预充电回路停止工作，只有按下SIBAS柜门上的复位按钮后这个RS 触发器才能复位。

如果设备在运行中出现K06 失电，SIBAS 接收到一个正常停机命令，这时各部系统全部停止运动。在SIBAS检测到各部电机速度小于2.5Hz且AFE 已被阻塞，这时K13失电和DPC 打开后调用G28程序块，G28 程序块再调用G73 程序块，G73程序块探测到DC BUS电压达到50VDC以上时，经过5s的延时后调用G74程序块，G74程序块发出触发CHOPPER 的命令，使DC BUS电压迅速地降到50V 以下，PLC 以及SIBAS MONITOR 都报有AFE 故障，AFE 故障信息会触发一个RS触发器置位，该触发器给PLC 一个反馈信息，使预充电回路停止工作，只有按下SIBAS柜门上的复位按钮后这个RS触发器才能复位。

（3）第三种现象。4个E-STOP 紧急停机按钮也是通过给K06继电器的线圈供电，并通过其常开点把节点7 电源板的24VDC 送到SIBAS机架二进制输入卡-G139中的。

如果在启动高压真空接触器时，POEB 线路正常且PLC也正常，只是K07两个继电器线圈断电或常开点接触不良，SIBAS的中央处理器ZR 接收到的是紧急停机信号致使K13继电器线圈不得电，按下系统运行按钮SRB后，虽然PLC 准备完毕并且接收到的是启机信号，K13继电器的常开触点之间送有120 VAC （UP104），预充电电路投入工作，并使DC BUS 电压达到50 VDC 时，SIBAS会检测到预充电给DC BUS充电已经达到50VDC，这时不需要任何条件ZR 处理器会马上调用G28程序块，G28程序块马上调用G73 程序块，当G73程序块探测到DC BUS电压达到50VDC 以上时，经过5s的延时后调用G74程序块，G74程序块发出触发CHOPPER 的命令，正是这个5s的延时使得预充电给DC BUS 充电可能达到1000～1250 VDC，然后CHOPPER 放电使DC BUS电压降到50V 以下。这时，即使预充电给DC BUS充电能达到1000～1250 VDC，而SIBAS 的中央处理器ZR 得到是紧急停机命令，SIBAS的二进制输出卡-G147的b24点不得电，K13继电器不吸合使得CR1不得电，高压真空接触器不吸合。当DC BUS电压下降到50 VDC 以下时，CHOPPER 停止工作，这 时PLC 以 及SIBAS MONITOR 都 不 报AFE故障。

由于K07 失电的整个过程PLC 以及SIBAS MONITOR 都不报AFE故障，不存在被置位所以也不用复位。当DC BUS 电压降到0 V 时，PLC的锁存系统运行按钮依然有效，使得预充电回路重新投入工作，当SIBAS检测到DC BUS电压升到50VDC以上时SIBAS会发出一道延时5s的触发CHOPPER 的命令，使DC BUS电压降到0V。这样周而复始地充电放电，一直到预充电开关跳闸为止。

如果设备在运行中出现K07 失电，SIBAS 接收到一个紧急停机命令，这时各部系统全部停止运动。SIBAS直接使K13失电，当DPC 打开后马上调用G28程序块，G28程序块再调用G73程序块，G73程序块探测到DC BUS电压达到50VDC以上时，经过5s的延时后调用G74程序块，G74程序块发出触发CHOPPER 的命令，使DC BUS电压迅速地降到50 V 以下，SIBAS MONITOR 报有AFE故障，AFE 故障信息会触发一个RS 触发器置位，该触发器给PLC 一个反馈信息，使预充电回路停止工作，只有按下SIBAS柜门上的复位按钮后这个RS触发器才能复位。

2.2 由SIBAS系统的程序引起的错误

引起ZR 软件故障、SIP 软件故障、欠电压故障、脉冲触发故障以及时间片溢出故障有可能是ZR 处理器、SIP 处理器、I／O 卡 （L059）或是处理器的程序引起的。需装载单块处理器的程序在装载ZR 处理器的程序时需要设置IP地址，SIP处理器不需要设置IP 地址。如果装载完处理器的程序后故障没有被解决，那么在考虑I／O 卡 （L059）或处理器。

3 AFE故障的解决办法

3.1 高压真空接触器启动过程中以及设备运行当中出现的控制环节故障的解决办法

需使用SIBAS OBSERVER 软件进行处理类似的故障，与使用传统测量工具处理相比，observer观察器据有快速和实时的现场监控和记录。具体使用observer的步骤为：打开SIBAS Monitor 监控器，在下拉菜单Applic中选择observer，单击observer去掉Lines to File的对号，然后回车，这是出现8个信道的选择，分别写入要监控的信号代码回车，然后出现一个小对话框，选择T1，回车。开始监控这8个信号，选择＜Ctyl＞加＜C＞停止observer。

3.2 由SIBAS系统的程序引起的错误的解决办法

装载各个处理器程序需要注意两个方面：一是在要装载程序的处理器上必须连接好跳线；二是每做完一步必须检查一下是否还在monitor模式下，打开SIBAS Monitor监控器，在下拉菜单Hard中选择Reset，单击Reset选择Monitor回车，进行Monitor复位，使得SIBAS Monitor监控器在Monitor状态下。

（1） 安 装 ZR 处 理 器 系 统 程 序 OSZR0200.LOC文件。在monitor模式下，把跳线插在要安装程序的ZR 处理器上。在下拉菜单Hard中选择Sys.flash单击，然后选择Program file，点击F1 打开浏览器，在备份文件夹中选择CDZR0200.LOC文件，然后点击OK 出来一个小对话框再单击OK，开始下载CDZR0200.LOC 文件。

（2）安装ZR 处理器用户程序SHOVEL.PGM文件。在monitor模式下，把跳线插在要安装程序的ZR 处理器上。在下拉菜单Hard 中选择User.flash单击，然后选择Program file，点击F1打开浏览器，在备份文件夹中选择SHOVEL.PGM文件，然后点击OK 开始下载SHOVEL.PGM 文件。

（3）从安装ZR 处理器程序转移到SIP数字信号处理器程序的安装。在monitor模式下，在下拉菜单Hardw 中选择DSP 单击，然后选择到那个SIP，回车。

（4）安装SIP 数字信号处理器系统程序OSSI0127.LOD 文件。在monitor模式下，把跳线插在要安装程序的SIP数字信号处理器上，在下拉菜单Hardw 中选择flash 单击，然后选择New OS File，点击F1打开浏览器，在备份文件夹中选择OSSI0127.LOD 文件，然后点击OK 开始下载OSSI0127.LOD 文件。

（5）安装SIP 数字信号处理器用户程序。在monitor模式下，把跳线插在要安装程序的SIP 数字信号处理器上，在下拉菜单Hardw 中选择flash单击，然后选择User Code File，点击F1 打开浏览器，在备份文件夹中选择所要安装的文件 （如果是推压SIP选择pwcrow14.PGM 文件、如果是提升SIP选择chihst02.PGM 文件、如果是回转SIP选择pwswing7.PGM、如果是AFE SIP 选择af＿0bq17.PGM 文件），然后点击OK 开始下载所要安装的文件。

（6）从控制SIP数字信号处理器转移到ZR 处理器程序的。在monitor 模式下，在下拉菜单Hardw 中 选 择ZR 单 击。

（7）如果还有安装其他SIP数字信号处理器的程序，那么重复 （3）、（4）、（5）和 （6）步骤。

（8）在下拉菜单Hardw 中选择Reset，单击Reset选择Normal回车，进行Normal复位，使得SIBAS Monitor监控器在Normal状态下。到此程序安装完毕。

需要注意的是，只有在重新装载ZR 处理器程序后，才需要设置IP 地址，必须做一次monitor复位：首先打开SIBAS Monitor 监控器，在下拉菜单Hardw 中选择Reset，单击Reset选择Monitor回车，进行Monitor复位，使得SIBAS Monitor监控器在Monitor状态下。在下拉菜单Hardw中选择flash 单击，然后选择Com.Driver，点击F1 打开浏览器， 在备份文件夹中选择CDZR0500.LOC文件，然后点击OK 开始下载。在下拉菜单Hardw 中选择flash 单击，然后选择Binary.File，点击F1打开浏览器，在备份文件夹中选择aeth.loc文件，然后点击OK 开始下载到ZR 处理器，它与ZR 的用户程序是一起的。其次在下拉菜单Hardw 中选择Reset，单击Reset选择Monitor回车，进行Monitor 复位，使得SIBAS Monitor 监控器在Monitor状态下。在下拉菜单Field中选择IP Address，在屏幕下方出现IP Address，单击回车，输入IP 地址192.168.0.3 （SIBAS地址），回车，输入子网掩码255.255.255.0，回车，因为495HR 电铲没有安装无线网，所以不用设置网关。然后在下拉菜单Hard中选择Reset，单击Reset选择Normal回车，进行Normal复位，使得SIBAS Monitor监控器在Normal状态下，即恢复在正常状态下。

［1］ 徐志平.395B电铲整流再生部分故障的检查及对策［J］.露天采矿技术，2013 （2）