495HR電鏟AFE非硬件故障的診斷與檢修工藝

張巴圖

（神華準格爾能源有限責任公司生產技術部，內蒙古自治區鄂爾多斯市，010300）

1 概述

中國神華能源股份有限公司哈爾烏素露天煤礦從2007年開始，陸續從美國比賽洛斯公司引進6臺495HR 電鏟。495HR 電鏟是國內外露天采礦行業使用最廣泛的挖掘機，用于大型露天煤礦巖石剝離和煤炭挖掘，它采用了西門子公司生產的SIBAS控制系統。該控制系統集成化程度高，運行穩定、安全和可靠。功率部分采用AFE （Active Front End）整流／回饋單元，由于采用可使其網側電流及功率因數均可控的PWM 整流器，它可四象限運行，因此功率部分少了一套再生回饋單元，它位于電源進線側，所以被稱為前端。其主動的含義在于，與傳統的二級管或可控制硅整流技術相比，主動前端不再是被動地將交流轉變成直流，而是具備了很多主動的控制功能。它不僅能消除高次諧波，提高功率因數，而且不受電網波動的影響，但在運行過程中AFE整流／回饋單元出現的非功率單元頻繁出現了AFE 故障，影響設備的正常運行，對生產造成一定的影響。

（1）AFE。AFE 是前端有源技術，當功率因數=1 時可以有效改善外網質量，可運行在四象限，抑制諧波。給供電線路無功補償，在再生發電時不需要另裝一套整流系統。

（2）SIBAS。SIBAS為西門子火車自動化控制系統，德國西門子公司首先把它用在電鏟和吊斗鏟上，是目前電鏟上使用的最先進的自動化系統之一。應用在與PLC 協調控制提升、推壓、回轉、行走部分和整流部分，SIBAS與HMI協調提供測試點和用戶參數，SIBAS提供電源部分的保護。

（3）IGBT。IGBT 是495HR 電鏟采用的智能模塊，它具有強大的自診斷和保護功能。IGBT 智能模塊雙-輸入1.5kVs是一個空氣冷卻的2相模塊。以下的配置可以有選擇地進行調節：2 相、2個制動控制器或者單相、1個制動控制器 （局部指定制動控制器／模塊上的相位可以自由地選擇），通過外部控制的插腳上的電橋進行指派。除了4 個IGBT，還有一個方形的電控裝置 （QST）4 個高壓區 （HST）和2個溫度測檢器 （帶有2個電線接頭的Pt-100）。IGBT 的2個溫度測檢器和飽和監督允許過負荷或對動力側進行短路保護，方形的電控裝置 （QST）保證在模塊短路 （HSTs 和QST）時，有2s的過載保護。

2 AFE故障原因分析

2.1 高壓真空接觸器啟動過程中以及設備運行當中出現的控制環節故障

當預充電達到1250V 時，高壓真空接觸器不吸合的故障主要是由K13繼電器、PLC 節點7的第6塊數字輸出卡 （UP104）、高壓真空接觸器的電源啟動單元CR1以及它們之間的連接環節出現的故障引起的。快速地診斷出哪個環節出現問題是提高檢修質量的關鍵。

首先應該先檢查中間環節CR1 是否吸合，如果吸合，那么問題出在它的下一個環節高壓真空接觸器的電源啟動單元；如果不吸合，那么問題出在它本身或它的上一個環節：UP104是否有電或者K13繼電器是否吸合。如果PLC 節點7的第6塊數字輸出卡 （UP104）的Q16.4 沒有輸出，那么檢查CR1的邏輯圖以及通過PLC 在線實時監控，檢測K13常開點接觸是否良好。

如果K13常開點接觸良好，那么下一步就應該檢查一下K05、K06和K073個繼電器接觸是否良好。檢查K05和K06兩個繼電器時不能盲目的亂查，要根據現場實際情況和具體現象進行有真對性的排查，盲目的亂查的結果是加大檢修時間，減少出動率。

K05、K06和K07三個繼電器的線圈電源分別取自于UP23、UP28和UP19，UP19經過UPCB開關后，一條線路串接一個真空接觸器的常開點后變為UP23，一條線路串接兩個正常停機按鈕BEB1和BEB2后變為UP28，另一條線路串接4個E-STOP緊急停機按鈕后變為UP19，UP23接到K05線圈上，UP28接到K06線圈上，UP19接到K07線圈上。

K05、K06和K07三個繼電器斷電或接觸不良的現象是不同的，K05 繼電器斷電或接觸不良DPC可以吸合，而K06和K07兩個繼電器斷電或接觸不良時DPC 不能吸合。根據不同的現象，分析如下：

（1）第一種現象。由于真空接觸器DPC 的一個常開點串接在K05 繼電器的線圈上，只有在DPC吸合后，K05 得電吸合。K05 的常開點接通后，把PLC 節點7電源板得24VDC 電源送入SIBAS的二進制輸入卡-G139 中，把真空接觸器DPC閉合的信息傳遞給SIBAS。

如果在啟機的過程中，K05失電或其常開點接觸不好，使得在DPC閉合后SIBAS沒有收到DPC閉合的信息，AFE在DPC閉合后的200μs延遲后沒有被觸發，DPC 打開后，CHOPPER 得到一個2000μs的單脈沖觸發信號，以使DC BUS母線電壓徹底放盡。設備終止運行，邏輯圖中會有不完全程序故障，不完全程序燈亮。如果在運行中出現K05失電或其常開點接觸不好，SIBAS 收到DPC打開的信息，調用程序G73，程序G73在延遲5s，DC BUS 電壓依然大于50 VDC 后，再調用程序G74，程序G74 會發出一個2000μs 的單脈沖，CHOPPER 得到一個2000μs的單脈沖觸發信號，以使DC BUS母線電壓徹底放盡。設備終止運行，邏輯圖中會有不完全程序故障，不完全程序燈亮。SIBAS MONITOR 會 報 出DC221 故 障 （DPC OPENED WITH AFES RELEASED）。

（2）第二種現象。因為兩個正常停機按鈕BEB1和BEB2是通過給K06繼電器的線圈供電通過其常開點把節點7電源板的24VDC送到SIBAS機架二進制輸入卡-G139中的。

如果在啟動高壓真空接觸器時，BEB 線路正常且PLC也正常，只是K06繼電器線圈斷電或常開點接觸不良，SIBAS的中央處理器ZR 接收到的是正常停機信號致使K13繼電器線圈不得電，K06還可引起K13顫動 （當K06常開點斷開后SIBAS馬上收到正常停機命令，SIBAS 馬上發出命令，讓-G147的b24點失電，K13打開，在完成這個過程后，程序中的RS 觸發器被復位，-G147 的b24點重新得電，K13 閉合，這樣周而復始運行，使得K13不間斷地顫動）。按下系統運行按鈕SRB后，雖然PLC準備完畢并且接收到的是啟機信號，K13 繼電器的常開觸點之間送有120 VAC（UP104），預充電電路投入工作，并使DC BUS電壓達到50VDC時，SIBAS會檢測到預充電給DC BUS充電已經達到50VDC，這時當滿足BEB 斷線、AFE 被阻塞和DPC 打開3 個條件時，ZR 處理器會調用G28 程序塊，G28 程序塊馬上調用G73程序塊，當G73程序塊探測到DC BUS 電壓達到50VDC 以上時，經過5s的延時后調用G74程序塊，G74程序塊發出觸發CHOPPER 的命令，正是這個5s的延時使得預充電給DC BUS充電能達到1000～1250 VDC，然后CHOPPER 放電使DC BUS電壓降到50V 以下。這時，即使預充電給DC BUS 充電可能達到1000～1250 VDC，而SIBAS的中央處理器ZR 得到是正常停機命令，SIBAS的二進制輸出卡-G147的b24點快速得電和失電，K13繼電器快速顫動，使得CR1不得電，高壓真空接觸器不吸合。當DC BUS 電壓下降到50VDC以下時，CHOPPER 停止工作，這時PLC以及SIBAS MONITOR 都報有AFE 故障，AFE故障信息會觸發一個RS觸發器置位，該觸發器給PLC一個反饋信息，使預充電回路停止工作，只有按下SIBAS柜門上的復位按鈕后這個RS 觸發器才能復位。

如果設備在運行中出現K06 失電，SIBAS 接收到一個正常停機命令，這時各部系統全部停止運動。在SIBAS檢測到各部電機速度小于2.5Hz且AFE 已被阻塞，這時K13失電和DPC 打開后調用G28程序塊，G28 程序塊再調用G73 程序塊，G73程序塊探測到DC BUS電壓達到50VDC以上時，經過5s的延時后調用G74程序塊，G74程序塊發出觸發CHOPPER 的命令，使DC BUS電壓迅速地降到50V 以下，PLC 以及SIBAS MONITOR 都報有AFE 故障，AFE 故障信息會觸發一個RS觸發器置位，該觸發器給PLC 一個反饋信息，使預充電回路停止工作，只有按下SIBAS柜門上的復位按鈕后這個RS觸發器才能復位。

（3）第三種現象。4個E-STOP 緊急停機按鈕也是通過給K06繼電器的線圈供電，并通過其常開點把節點7 電源板的24VDC 送到SIBAS機架二進制輸入卡-G139中的。

如果在啟動高壓真空接觸器時，POEB 線路正常且PLC也正常，只是K07兩個繼電器線圈斷電或常開點接觸不良，SIBAS的中央處理器ZR 接收到的是緊急停機信號致使K13繼電器線圈不得電，按下系統運行按鈕SRB后，雖然PLC 準備完畢并且接收到的是啟機信號，K13繼電器的常開觸點之間送有120 VAC （UP104），預充電電路投入工作，并使DC BUS 電壓達到50 VDC 時，SIBAS會檢測到預充電給DC BUS充電已經達到50VDC，這時不需要任何條件ZR 處理器會馬上調用G28程序塊，G28程序塊馬上調用G73 程序塊，當G73程序塊探測到DC BUS電壓達到50VDC 以上時，經過5s的延時后調用G74程序塊，G74程序塊發出觸發CHOPPER 的命令，正是這個5s的延時使得預充電給DC BUS 充電可能達到1000～1250 VDC，然后CHOPPER 放電使DC BUS電壓降到50V 以下。這時，即使預充電給DC BUS充電能達到1000～1250 VDC，而SIBAS 的中央處理器ZR 得到是緊急停機命令，SIBAS的二進制輸出卡-G147的b24點不得電，K13繼電器不吸合使得CR1不得電，高壓真空接觸器不吸合。當DC BUS電壓下降到50 VDC 以下時，CHOPPER 停止工作，這 時PLC 以 及SIBAS MONITOR 都 不 報AFE故障。

由于K07 失電的整個過程PLC 以及SIBAS MONITOR 都不報AFE故障，不存在被置位所以也不用復位。當DC BUS 電壓降到0 V 時，PLC的鎖存系統運行按鈕依然有效，使得預充電回路重新投入工作，當SIBAS檢測到DC BUS電壓升到50VDC以上時SIBAS會發出一道延時5s的觸發CHOPPER 的命令，使DC BUS電壓降到0V。這樣周而復始地充電放電，一直到預充電開關跳閘為止。

如果設備在運行中出現K07 失電，SIBAS 接收到一個緊急停機命令，這時各部系統全部停止運動。SIBAS直接使K13失電，當DPC 打開后馬上調用G28程序塊，G28程序塊再調用G73程序塊，G73程序塊探測到DC BUS電壓達到50VDC以上時，經過5s的延時后調用G74程序塊，G74程序塊發出觸發CHOPPER 的命令，使DC BUS電壓迅速地降到50 V 以下，SIBAS MONITOR 報有AFE故障，AFE 故障信息會觸發一個RS 觸發器置位，該觸發器給PLC 一個反饋信息，使預充電回路停止工作，只有按下SIBAS柜門上的復位按鈕后這個RS觸發器才能復位。

2.2 由SIBAS系統的程序引起的錯誤

引起ZR 軟件故障、SIP 軟件故障、欠電壓故障、脈沖觸發故障以及時間片溢出故障有可能是ZR 處理器、SIP 處理器、I／O 卡 （L059）或是處理器的程序引起的。需裝載單塊處理器的程序在裝載ZR 處理器的程序時需要設置IP地址，SIP處理器不需要設置IP 地址。如果裝載完處理器的程序后故障沒有被解決，那么在考慮I／O 卡 （L059）或處理器。

3 AFE故障的解決辦法

3.1 高壓真空接觸器啟動過程中以及設備運行當中出現的控制環節故障的解決辦法

需使用SIBAS OBSERVER 軟件進行處理類似的故障，與使用傳統測量工具處理相比，observer觀察器據有快速和實時的現場監控和記錄。具體使用observer的步驟為：打開SIBAS Monitor 監控器，在下拉菜單Applic中選擇observer，單擊observer去掉Lines to File的對號，然后回車，這是出現8個信道的選擇，分別寫入要監控的信號代碼回車，然后出現一個小對話框，選擇T1，回車。開始監控這8個信號，選擇＜Ctyl＞加＜C＞停止observer。

3.2 由SIBAS系統的程序引起的錯誤的解決辦法

裝載各個處理器程序需要注意兩個方面：一是在要裝載程序的處理器上必須連接好跳線；二是每做完一步必須檢查一下是否還在monitor模式下，打開SIBAS Monitor監控器，在下拉菜單Hard中選擇Reset，單擊Reset選擇Monitor回車，進行Monitor復位，使得SIBAS Monitor監控器在Monitor狀態下。

（1） 安 裝 ZR 處 理 器 系 統 程 序 OSZR0200.LOC文件。在monitor模式下，把跳線插在要安裝程序的ZR 處理器上。在下拉菜單Hard中選擇Sys.flash單擊，然后選擇Program file，點擊F1 打開瀏覽器，在備份文件夾中選擇CDZR0200.LOC文件，然后點擊OK 出來一個小對話框再單擊OK，開始下載CDZR0200.LOC 文件。

（2）安裝ZR 處理器用戶程序SHOVEL.PGM文件。在monitor模式下，把跳線插在要安裝程序的ZR 處理器上。在下拉菜單Hard 中選擇User.flash單擊，然后選擇Program file，點擊F1打開瀏覽器，在備份文件夾中選擇SHOVEL.PGM文件，然后點擊OK 開始下載SHOVEL.PGM 文件。

（3）從安裝ZR 處理器程序轉移到SIP數字信號處理器程序的安裝。在monitor模式下，在下拉菜單Hardw 中選擇DSP 單擊，然后選擇到那個SIP，回車。

（4）安裝SIP 數字信號處理器系統程序OSSI0127.LOD 文件。在monitor模式下，把跳線插在要安裝程序的SIP數字信號處理器上，在下拉菜單Hardw 中選擇flash 單擊，然后選擇New OS File，點擊F1打開瀏覽器，在備份文件夾中選擇OSSI0127.LOD 文件，然后點擊OK 開始下載OSSI0127.LOD 文件。

（5）安裝SIP 數字信號處理器用戶程序。在monitor模式下，把跳線插在要安裝程序的SIP 數字信號處理器上，在下拉菜單Hardw 中選擇flash單擊，然后選擇User Code File，點擊F1 打開瀏覽器，在備份文件夾中選擇所要安裝的文件 （如果是推壓SIP選擇pwcrow14.PGM 文件、如果是提升SIP選擇chihst02.PGM 文件、如果是回轉SIP選擇pwswing7.PGM、如果是AFE SIP 選擇af＿0bq17.PGM 文件），然后點擊OK 開始下載所要安裝的文件。

（6）從控制SIP數字信號處理器轉移到ZR 處理器程序的。在monitor 模式下，在下拉菜單Hardw 中 選 擇ZR 單 擊。

（7）如果還有安裝其他SIP數字信號處理器的程序，那么重復 （3）、（4）、（5）和 （6）步驟。

（8）在下拉菜單Hardw 中選擇Reset，單擊Reset選擇Normal回車，進行Normal復位，使得SIBAS Monitor監控器在Normal狀態下。到此程序安裝完畢。

需要注意的是，只有在重新裝載ZR 處理器程序后，才需要設置IP 地址，必須做一次monitor復位：首先打開SIBAS Monitor 監控器，在下拉菜單Hardw 中選擇Reset，單擊Reset選擇Monitor回車，進行Monitor復位，使得SIBAS Monitor監控器在Monitor狀態下。在下拉菜單Hardw中選擇flash 單擊，然后選擇Com.Driver，點擊F1 打開瀏覽器， 在備份文件夾中選擇CDZR0500.LOC文件，然后點擊OK 開始下載。在下拉菜單Hardw 中選擇flash 單擊，然后選擇Binary.File，點擊F1打開瀏覽器，在備份文件夾中選擇aeth.loc文件，然后點擊OK 開始下載到ZR 處理器，它與ZR 的用戶程序是一起的。其次在下拉菜單Hardw 中選擇Reset，單擊Reset選擇Monitor回車，進行Monitor 復位，使得SIBAS Monitor 監控器在Monitor狀態下。在下拉菜單Field中選擇IP Address，在屏幕下方出現IP Address，單擊回車，輸入IP 地址192.168.0.3 （SIBAS地址），回車，輸入子網掩碼255.255.255.0，回車，因為495HR 電鏟沒有安裝無線網，所以不用設置網關。然后在下拉菜單Hard中選擇Reset，單擊Reset選擇Normal回車，進行Normal復位，使得SIBAS Monitor監控器在Normal狀態下，即恢復在正常狀態下。

［1］ 徐志平.395B電鏟整流再生部分故障的檢查及對策［J］.露天采礦技術，2013 （2）