无齿轮传动吊斗铲电控系统设计

摘 要：抛掷爆破加吊斗铲倒堆工艺是露天煤矿最先进的开采工艺，吊斗铲是该工艺的核心设备，神华在国内率先采用该工艺，并引进了世界第一台无齿轮传动吊斗铲，本文旨在介绍该吊斗铲的电气组成、AFE整流、SIBAS/PLC控制网络、人机界面（HMI）及故障远程诊断系统。

关键词：吊斗铲；AFE；SIBAS；PLC

中图分类号：TD613 文献标识码：A

概述

抛掷爆破加吊斗铲倒堆工艺是一种技术先进和经济性较明显的露天采掘工艺，其生产能力远超过传统的电铲加卡车的作业工艺，因其生产效率高、使用成本低、技术先进可靠等优势，在美国、加拿大、澳大利亚等发达国家得到较为广泛的应用。

该工艺的核心设备吊斗铲是一种复杂的超大型机电液一体化设备，是全球众多露天采矿作业中采用的主要挖掘工具，也是当今建造的最大单斗挖掘设备，神华准能黑岱沟露天矿引进的世界第一台无齿轮传动S8750-65迈步式吊斗铲于2007年下坑作业，标志着抛掷爆破加吊斗铲倒堆作业工艺在国内的首次成功应用，掀开了中国露天采掘业的全新一页。该吊斗铲重4900多吨，单铲挖掘量90m3，最大挖掘深度71m，作业半径100m，其机械和液压部分由比塞洛斯公司（Bucyrus）设计，电气部分由西门子公司（SIEMENS）设计。

1 吊斗铲电气组成

吊斗铲的电气部分主要包括提升电机、回拉电机、旋转电机、行走电机、液压站、空压机、润滑系统、水冷站、主/辅/低压变压器、中压柜、电抗器、操作站及通风系统等。其总体布置图如图1所示。

提升和回拉电机为7.768MW的九绕组同步电机，是吊斗铲剥离爆破后煤层上部岩土的动力源。电机与滚筒采用直联方式，由于无减速器，这就要求在超低频率下恒力矩调速。其制动方式为液压制动，每台大电机配备了8台用于冷却的鼓风机和1个用于加热的加热系统。传感器方面配有绝对式编码器用于确定滚筒位置和增量式编码器用于测量速度，此外还配有温度、气隙等传感器。旋转电机为1136kW的交流同步电机，共配置6台同等型号的旋转电机分别分布在旋转盘圆周两侧，可360度旋转，利用吊斗铲的大尺寸斗臂实现将倒堆剥离的岩土直接排放至采空区。行走电机为884kW的交流同步电机，于吊斗铲两侧分别配置2台，利用凸轮结构实现吊斗铲的迈步式定速行走。旋转和行走电机的制动方式为气压制动。所有电机驱动均采用基于IGBT的交-直-交变频驱动方式。

液压站为提升和回拉滚筒的盘式制动器提供动力源，空压机为旋转和行走的制动机构提供动力源，润滑系统为机械传动部件提供润滑油，水冷站为AFE和逆变器的IGBT冷却用。

吊斗铲内总共配备6台变压器，其中3台8000kVA容量的22kV/900V的主变压器、2台1500kVA容量的22kV/380V的辅助变压器及1台30kVA容量的400V/120-220V/110V的低压变压器。主变压器采用油冷方式，为提升、回拉、行走和旋转共12台同步电机供电；辅助变压器为鼓风机、冷却电机、液压站电机及低压变压器等供电；低压变压器为照明、控制系统等供电。

2 AFE整流

吊斗铲用于矿岩捣堆的野外工作，工作条件复杂多变、载荷极不均匀，大的冲击载荷不可避免地时常出现，有时甚至会造成提升和回拉电机的堵转。这些复杂的情况均对吊斗铲的电气传动部分提出了相当高的要求：要求其电气传动部分有足够大的有用功率，机械特性好；要求其调速性能卓越，动态响应迅速，并可四象限运行；要求系统电气制动性能好；要求系统可稳定、可靠地长时间不间断运行，并维护保养简单方便等。

基于以上的要求，S8750-65吊斗铲采用了基于AFE的交-直-交变频驱动方式：其整流部分采用了AFE整流，将交流电转换为直流电，此外并可将多余的能量100%的回馈给电网；逆变部分采用了电压型逆变器，运行时，将直流电逆变为交流电，电气制动时，逆变器将制动能量回馈到直流母线上，可供其它逆变器工作使用，从而充分地利用了其制动能量。

AFE （主动前端Active Front End），采用了IGBT 功率元件，位于电源进线侧，如图2所示。S8750-65吊斗铲共采用了24个AFE整流单元，将900伏交流电转变成1800伏直流电，直流电又通过24个逆变器将直流电转变成所需频率的交流电，从而变频驱动提升、回拉、旋转和行走电机，AFE主动的含义在于，与二级管和可控制硅整流等传统技术相比，AFE不是被动地将交流转变成直流，而是采用了基于PWM控制技术的主动控制，由输入电压空间矢量定向来直接计算空间电压矢量的作用时间和位置，如图2所示，利用SIBAS控制器的SIP单元实现对空间矢量的全数字控制，生成相应的驱动脉冲控制IGBT的通断，使整流器输入电流接近正弦波，并且电流和电压同相位，从而消除大部分电流谐波，其所产生的总的谐波畸变不足1%，并使得功率因数接近于1。

3 SIBAS和PLC控制网络

3.1 控制器

SIBAS控制器是西门子公司最初为列车驱动而专门设计的，采用了军用规格元器件、多重高速处理器、专用的软硬件、串口及各种I/O模块框架内连接，造就了其卓越的控制性能，现被广泛应用到露天矿的大型机械设备驱动控制领域，如电驱动卡车、电铲和吊斗铲等。

PLC控制器是在继电器控制系统的基础上开发出来的，已经发展成为一种可提供诸多功能的成熟控制器，不仅能实现继电器的逻辑控制、顺序控制，同时还具有模拟量信号处理与控制、网络通讯、故障自诊断障等功能。这些使得PLC在工业控制领域中得到了广泛的应用。

吊斗铲的控制器选用西门子的SIBAS和PLC控制器，组成了吊斗铲的SIBAS和PLC两大控制网络，完成所有的控制功能。

3.2 控制网络构成

SIBAS和PLC两大控制网络如图3所示，SIBAS控制网络的作用是对提升、回拉、旋转和行走电机进行驱动控制，其由7个独立运行的SIBAS控制系统组成，分别采集电源电压和电流信号，完成对AFE整流单元和逆变单元的控制，SIBAS控制系统之间通过工业以太网通讯。

PLC控制网络的作用是对润滑、冷却、制动等系统进行过程控制，其控制主站为2个西门子的S7-400 CPU416-2DP，控制分站为24个ET200站、4个轴编码器和1个电源监测模块，通讯协议采用了Profibus-DP通讯协议，共组成了3个DP网络，完成对整个吊斗铲电气系统的信号采集与集散控制。PLC控制网络通过CP 443-1 Advanced 模块挂接在工业以太网上，从而实现与SIBAS控制网络及人机交互界面之间的大量数据交换。

两大控制网络的信号采集相互独立，数据交换主要通过网络完成，但关键信号的交换增加了通过数据线直接连接到另一控制网路的输入接口模块上，此外还设置了机械电气双重互锁，防止误差信号。在控制逻辑上，一些主要电气的控制采用了两大控制网络相互互锁、共同控制的方式，最大程度地确保对电气系统的可靠控制。

3.3 控制功能

启动：吊斗铲设置了系统启动按钮，采用顺序自动启动方式，依次合提升/回拉高速回路开关，启动冷却系统、预充电、主变压器回路接入、直流母线、通风系统、控制柜冷却系统，步骤启动就绪后方可启动下一步程序。

运行：启动完成后，操作台选择操作行走或挖掘操作模式，点击启动励磁按钮，电机的鼓风机自动启动，手动开启液压闸瓦或气动闸瓦，吊斗铲即进入运行模式，通过左右两手柄来控制提升、回拉和旋转或行走。

停止：系统设置了手动及自动停机功能。手动停机设置了正常停机、紧急停机和停励磁3个按钮。自动停机分为延迟停机和紧急停机两种模式，两种模式下又细分成为系统、提升、回拉、旋转、行走5种延迟和紧急停机模式，各种模式下执行其相应的保护措施。

4 人机交互界面

吊斗铲内设置四台人机界面：操作界面、计量界面、WINCC界面和SIBAS界面。其中操作界面和计量界面设置在操作室内，供吊斗铲的操作人员使用，WINCC界面和SIBAS界面设置在控制室内，供维护人员使用。四台人机界面通过工业以太网通讯完成与SIBAS和PLC控制器的数据交换。

4.1 操作界面

操作界面采用了西门子的OP触摸面板，放置在司机操作台的左侧，用于提升和回拉钢丝绳长度校核和显示操作模式、运行基本状态及重要故障报警，吊斗铲操作人员可以方便地通过该界面完成对提升和回拉钢丝绳的长度校核、掌握系统的运行状态信息和查询系统的故障。

4.2 计量界面

计量系统对日常生产的统计至关重要，是掌握每日挖掘量及对操作人员工作考核的重要依据。其由PLC和计量软件共同完成，计量界面，由VB软件开发，运行在操作台左侧的触摸式工控机上，PLC负责实时监控吊斗铲运行信息，监测工作周期、单斗挖掘量等，通过工业以太网将这些数据传送给计量系统，由计量系统统计总产量及各种需要的相关产量信息，并可按操作人员、班次或时间段生成相应的产量报表。

吊斗铲不同于电铲，其铲斗为柔性连接，由提升、回拉的钢丝绳牵引而工作，这为其工作的计量带来了困难，为实现准确地计量和工作周期状态监测，引入了提升/回拉钢丝绳长度、提升/回拉力矩、旋转速度来综合判断工作周期状态，并由提升力矩计算出装载量。实践证明，计量系统在正常挖掘模式下误差率为+/- 4%。

4.3 WINCC界面

WINCC界面运行在控制室内的一台工控机上，该工控机并装有PLC控制软件，使用和维护人员可通过WINCC界面查看设备具体信息和故障，专业工程师可通过PLC控制软件对PLC软件进行调试与修改。

WINCC界面是整个系统的最主要的人机交互界面，集成了吊斗铲的所有运行信息和过程控制逻辑，包括了吊斗铲各组成部分的电压、电流、温度、位置等相关参数及控制、传感元件的运行状态，图3也是WINCC界面中的控制系统图，点击相应的站图标即可查看该站所采集的所有信号信息。

4.4 SIBAS界面

SIBAS界面运行在控制室内的另一台工控机上，供SIBAS操作及状态查询用，通过SIBAS Monitor软件可修改SIBAS参数和对SIBAS进行实时状态和历史故障查询。

5 故障诊断系统

吊斗铲结构复杂，涵盖了机械、液压、电气、传感，自动控制等诸多领域，各子系统数十个，其控制电气接线图就达上千张，这些子系统又相互联系、相互依赖，这就使得设备故障诊断难度增大。此外吊斗铲进行的是在野外长时间不间断地作业，任务比较繁重，现场工作环境恶劣、多变，使得在运行过程中未知的故障不可避免发生，出现故障时能否快速诊断故障并找出真正故障源，对于煤矿来说是至关重要的。如何帮助生产一线的工人和技术人员快速准确地查找出故障源是故障诊断系统的重要使命。吊斗铲设计了一个功能强大的故障诊断系统，帮助维护人员排查故障。

5.1 控制逻辑诊断

在WINCC界面中设计了一逻辑控制显示界面，将PLC中的所有重要控制逻辑都以框图的形式显示在该界面上，如电机控制，将其温度等控制允许条件以一个个框图形式并联或串联到电机运行框图上，当一个条件不满足时，红色显示，满足时绿色显示，如电机控制发生故障，其维护人员可以十分清晰得从该电机的控制逻辑界面上看出问题出在哪个环节。

5.2 故障查询及分析

WINCC界面设计了一个故障查询界面，可显示当前实时故障，并可对历史故障进行查询，每个故障都进行分门别类地编号，可以根据不同时间、不同类型、不同系统（如电机、冷却系统等）对故障进行分类查询及报表，这样更易于掌握设备运行故障情况。

此外，在WINCC界面还设计了一个故障分析界面，在界面中双击故障代码，就会显示出引起该故障的所有可能性。

5.3 PDA信号高速采集系统

有时故障发生只是瞬间，当技术人员前去查找故障原因的时，故障已经完全消除，信号一切正常，或者是一个故障的出现会衍生出许多其他故障，这些情况都会让维护者无从入手，逐一排查费时费力也很难找出真正的故障源。

为解决此问题，设计了一套高速信号采集系统，选用了微秒级采集速度的IBA PDA信号采集模块，安装在两个工控机的柜体内，信号插口镶在柜体门表面上，结合WINCC界面上的信号采集选择界面，对所有的吊斗铲电气信号连续高速、不间断地采集，为查找到真正的故障源提供依据。

5.4 远程故障诊断系统

虽然设计了一个较为完善的故障诊断系统，但当较严重和复杂的故障出现或是现场技术人员无法解决时，为解决故障，就需要得到相关专家的帮助，电话沟通往往描述不清真正故障，将相关专家迅速地请到现场也是不太现实的，远程故障诊断系统正为解决此问题而设计，克服了地域和时间的限制。

吊斗铲内的工业以太网通过安置在吊斗铲顶部的无线发射、接收器挂接在露天矿的局域网上。局域网内访问，可通过PCanywhere软件直接对吊斗铲内工业以太网任一站点进行访问；局域网外访问，则通过思科VPN登录软件，互联网连接到露天矿的局部网内，然后就可以通过PCanywhere软件对吊斗铲内工业以太网任一站点进行访问，从而实现基于互联网的远程故障诊断。

结语

2008年底神华准能公司正式验收接收该吊斗铲，吊斗铲满负荷24小时不间断运行已五年有余，实践证明，在效率与节能方面大大超越了传统的电铲加卡车的挖掘模式，与电铲-卡车工艺相比：降低了剥采比，以电耗代替了油耗，减少了运输费用，极大地降低了生产成本，单台吊斗铲的剥离工作量与传统工艺下的4台395BI型电铲配合34台154T卡车的剥离工作量相当；由于吊斗铲倒堆工艺的工作帮坡角变陡，煤台阶和岩石台阶需要并段形成的缓采量与沿二条区的扩采量相抵，其基建工程量基本为零；劳动效率高，各项指标均优于电铲-卡车工艺方案。

此外，由于采用无齿轮传动、AFE整流及基于SIBAS和PLC的电控系统等领先技术，极大地降低了其维护和使用费用，年节约成本1.9亿元以上，劳动生产率增加38.12吨/工，年实际生产原煤超过2000万吨，每年因增产给企业带来的经济效益约在2亿元以上。其成功应用对中国乃至世界露天采矿技术的发展，具有重要的现实意义和理论价值。

参考文献

[1]西门子公司吊斗铲内部设计资料.

[2]李新彪.AFE原理及其在8750—65吊斗铲的应用[J].黑龙江科技信息，2010（33）：56.

[3]宋杰，史志远，李白羽.无齿轮传动吊斗铲的电控系统概述[J].矿山机械，2010（13）：35-37.