美國久益采煤機通用輸入輸出模塊的工作原理及故障分析

喬永軍?喬俊喜?孫麗霞

摘要：文章結合筆者多年的大修及電氣故障處理經驗，總結了久益采煤機GIO模塊的結構與功能，介紹了該模塊的工作原理及故障分析，此模塊集中控制了采煤機所有的外部傳感器，是電控系統的核心部件之一。目前，中國神華神東煤炭集團已大量使用該機型。

關鍵詞：久益采煤機；JNA FACEBOSS系統；GIO模塊；電控系統；光耦故障

中圖分類號：TD672 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）15-0009-02

隨著高產高效礦井增多，采煤機控制技術也在日新月異的發展，外設（傳感器等）的增加勢必給設備故障診斷帶來諸多不便。作為用來傳送信息、信號的控制電纜有著舉足輕重的位置，特別在高危行業尤為重要。筆者在井下排查JOY采煤機電氣故障時曾遇到很多由于電纜（GIO及其他外部電纜）擠、壓、劃損導致采煤機無法正常運行的故障。

1 GIO模塊的結構與功能

采煤機的外部輸入/輸出傳感器采用模塊化的設計，占用空間小、擴展性好、可串接4個擴展單元、采用RS485通訊、傳輸距離遠、外殼采用IP55防護等級易于惡劣環境中使用。GIO的輸入/輸出端口是完全可配置的，便于每個傳感器和每個模塊的電纜布線。GIO用于傳感器連接的是一體化的可插拔COM8連接器。每個GIO能監測多達12個本安傳感器（帶傳感器電源）。

GIO頂部有兩個指示燈可以顯示工作狀態及故障狀態，上部為電源和故障指示燈，當不亮時表示沒電源，綠色為正常狀態，紅色為電源故障，紅閃是GIO故障。下部為數據發送和接收指示燈。紅綠交替閃爍時為正常狀態（綠-發送數據，紅-接收數據）。若通訊故障狀態時，該指示燈為紅或綠或者不亮。所以在GIO故障時，通過指示燈顯示可以簡單判斷故障的范圍，再結合屏幕上的顯示能準確地判斷出故障點，減小了排查故障時間，縮小停機時間。

2 GIO模塊工作原理

GIO網絡是一個本安電路，用于監控采煤機上的每個本安傳感器的輸入/輸出。本安傳感器輸入/輸出信號都是經GIO進行數模轉換到光耦OC2與CCU進行通訊，同時CCU將GIO傳來的本安傳感器的信息傳遞給顯示計算機用于顯示各傳感器的狀態。CCU一直在監視GIO運行狀態及數據傳輸，若CCU未監測到GIO的運行狀態或CCU發出的指令給GIO后未給CCU一個反饋，那么CCU就認為GIO故障或/和GIO通訊故障。同時顯示計算機給出相應的故障狀態。如果JNA Face Boss系統在通道（DI數字輸入）檢測到電壓，相對的狀態塊將變綠。如果JNA Face Boss系統發出輸出（DO數字輸出）指令，相對的狀態塊將變綠。如果沒有輸入或輸出，其相應的狀態塊將變黑。灰色的狀態塊不會高亮顯示，因為它們沒有相對應的功能。

屏幕顯示監測左側D齒輪、左側SIRSA復位、左側油位、左側油溫、左側搖臂溫度、左側截割滾筒水流量和左側截割滾筒水壓的通道是否有輸入信號。屏幕有時也顯示實際的儀表讀數和RTD輸入信號的模擬值。如圖1和圖2所示：

每個GIO模塊位于電控箱外，電源為12Vdc電源，通過3300V/110V本安變壓器（ISCT）給本安電源IPS1提供110Vac，本安電源IPS1把110Vac轉變成12Vdc，用于光電耦合和左右多路輸入/輸出模塊GIO的供電，然后，這些部件給傳感器、流量開關、壓力開關、溫度開關提供本安電源。光耦通過RS-485 Modbus協議把這些部件的輸入信號傳輸給CCU。

3 GIO模塊的故障診斷及分析

3.1 GIO模塊內部處理器損壞

故障現象：啟動先導開關，給久益采煤機送電，啟動完成后，屏幕顯示GIO與CCU失去通訊，觀察左右GIO上的指示燈電源指示燈為紅色，信號燈不亮。初步判斷GIO模塊損壞。

故障診斷：閉鎖采煤機電源，打開采煤機本安腔門板，重新上電，光耦非本安側及本安側的電源指示燈顯示正常，本安側發送指示燈（TX）滅，屏幕顯示左GIO與右GIO通訊線為紅色，JNA FaceBoss系統在正常工作時監視GIO內部的電源、通訊及所帶傳感器等的狀態，從CCU發射的信號到GIO后以輸入的方式未反饋給CCU，CCU通過運算在屏幕上顯示為通訊故障。說明故障現在GIO內部，更換GIO后，重新上電，通訊正常。

3.2 與GIO模塊相連的光耦故障

故障現象：久益采煤機上電后，經一段時間的延時進入主態界面，CCU與GIO相連的通訊線為紅色。觀察左右GIO上的電源指示燈顯示紅燈閃爍，信號燈為紅色閃爍不亮。初步判斷光耦或/和GIO損壞。

診斷故障：閉鎖采煤機電源，打開采煤機本安腔門板，重新上電，光耦非本安側及本安側的電源指示燈顯示正常，非本安側故障指示燈亮，更換光耦模塊，重新上電，屏幕顯示通訊正常，GIO畫面的各輸入輸出通道顯示正常。而有時24V電源PS1輸出不穩或損壞，也可以導致CCU與光耦以及GIO的通訊中斷。

3.3 通訊電纜接地

故障現象：啟動先導開關，給久益采煤機送電，啟動完成后，屏幕顯示GIO通訊故障，觀察左右GIO上的電源及通訊指示燈都不亮，初步判斷電源故障。

故障診斷：閉鎖采煤機電源，打開采煤機本安腔門板，重新上電，用萬用表測本安電源IPS1的一次側有控制電源110V，測量輸出端無直流12V，更換一個完好電源后，故障依然存在。后單獨給本安電源IPS1提供110V輸出12V正常。由于與之相連的GIO已通過測試。用萬用表歐姆檔測試GIO控制電纜每顆線與地的電阻，其中有一顆與地的電阻為零，判斷可能為GIO或/和控制電纜有接地現象，經逐一排查，是電纜拖拽開關接線端子接觸到外殼。通訊電纜的接地可以將你誤導為ISP1電源故障，其實質是電纜的接地直接拉低了ISP1直流12V輸出。有時電纜接地故障可導致兩個GIO與CCU通訊同時中斷，這時就要將兩個GIO分離開來逐一排查縮小故障范圍。

通過以上分析可以得出以下結論：從指示燈、顯示計算機的狀態并不能夠準確快速排除故障。從常見的故障現象來看導致電氣運行不穩定的主要原因是GIO及其附件分布在采煤機的不同的部件上，易受水、物體的擠壓。導致外部傳感器電纜絕緣下降，GIO電源長期在過電流下工作而不易被排除，繼而損壞GIO及光耦影響采煤機的整體運行。根據我對此類故障的分析，故障的導火索是電纜的強度及如何在絕緣下降能報警并被發現，為此在每傳感器加裝漏電開關，設定不同的漏電值，當電纜被擠壓絕緣下降到設定值時，漏電脫扣器迅速跳閘，漏電指示燈得電，從而快速發現是那個傳感器上的故障杜絕了故障的擴大，此改進在久益LWS658采煤機進行測試，故障率大大降低。

作者簡介：喬永軍（1984—），男，山西柳林人，中國神華神東煤炭集團設備維修中心電氣技術員，助理工程師，研究方向：美國久益采煤機電控系統。