JOY 12CM15-10D連采機國產化電控改造系統分析

韓 雷

(神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

神東煤炭集團自1999年引進旺格維利采煤法在短臂柱式開采技術上創造了諸多記錄，在連采機采煤工藝上形成了成熟的施工標準。近20 a來，隨著現有連采機使用周期的延長和國內煤礦采掘設備電氣自動化水平的提高，再者國內國際環境的變化使得進口配件周期和價格存在諸多不穩定因素，因此，擺脫進口元器件的壟斷和依賴、推行連采機電控系統改造勢在必行。

神東煤炭集團會同國內多家科研機構進行技術交流，在不影響連采機整機基本功能和防爆性能的前提下，確定在原有JOY 12CM15-10D型連采機上實施電氣控制的升級換代，符合煤礦生產需要，滿足當前煤礦行業所倡導的數字化、自動化、信息化和智能化的要求。

1 電控系統改造方案

1.1 國產化電控系統組成

國產化連采機電控系統(以下簡稱“國產化電控系統”)保留了原有6個電控箱體：斷路器箱、JNA箱和VDU箱、操作箱、截割箱、牽引箱，僅對各箱體內全部電氣件進行升級替換。

斷路器箱是1140V進線電纜連接器接入的位置，其內部包含一臺斷路器和腳踏開關控制按鈕。JNA箱作為整個控制和監控的“大腦”，其內部主要包含當前新興的“軟PLC”技術CPU單元、電氣自動化領域廣泛應用的組態屏和基于802.11 b/g/n的2.4 GHz頻段無線AP等。VDU箱是面向司機室的“窗口”，其內部主要包含開發簡便的多功能串口屏、信號轉換模塊和開關電源模塊等。操作箱位于司機所處位置左側，方便煤機司機手動模式下操控連采機，其內部主要包含PLC總線耦合分站單元、電磁閥控制組件和操作旋鈕等。截割箱是截割電機和裝運電機控制、監測、保護和主回路所在，其內部主要包含PLC總線耦合分站單元、截割斷路器、接觸器、漏電檢測單元、電量采集單元、溫度采集單元、電流互感器、阻容吸收和相序保護器等元器件。牽引箱是牽引電機、泵電機和風機控制、監測、保護和主回路所在，其內部主要包含PLC總線耦合分站單元、牽引變頻器、牽引斷路器、控制變壓器、照明綜保單元、接觸器、漏電檢測單元、電量采集單元、溫度采集單元、電流互感器、阻容吸收等元器件。

連采機電控箱體外圍適當位置安裝前后燈、聲光報警器、遙控接收站、防爆攝像儀和瓦斯探測儀，在膠帶機機頭位置和沿電纜布線槽適當位置處分別放置一臺2.4 G無線綜合接入器。考慮到原有的防爆直流牽引電機與其他型號JOY連采機(如12CM15-10B型)的交流牽引電機在后期使用、維護過程中不能互換，國產化電控系統使用防爆交流牽引電機，并運用當前成熟可靠的變頻調速技術進行控制。

1.2 國產化電控系統電氣原理

國產化電控系統充分運用現階段主流的控制、通訊和保護技術，并在最大限度內減少整個系統各箱體、外圍元器件間線纜和線芯數量，保障實際運用過程中整個系統的穩定。

控制上：JNA箱的CPU單元(以下簡稱為“CPU”)通過和操作箱、截割箱、牽引箱內的各PLC總線耦合分站單元間的CANOPEN通訊網絡，組成整個系統的“中樞”，實現所有檢測、控制和運算。各PLC總線耦合分站單元就近連接本箱體開關量和模擬量輸入輸出信號，并通過CANOPEN通訊與CPU進行數據交互，實現這些信號“間接”接入CPU中，其余箱體的開關量和模擬量信號，直接接入CPU中。控制網絡如圖1所示。

圖1 電控系統控制網絡

通訊上：CPU與本箱體內的組態屏通過基于TCP/IP協議的ADS通訊進行數據交互，將整機運行狀態實時顯示出來，組態屏畫面有不同的操作權限，在參數配置和屏蔽設置時根據不同需求對應不同的權限密碼，同時通過U盤即時存儲運行數據，需要時將U盤插入電腦中，可直接通過Excel讀取歷史數據。VDU箱內的串口屏經過信號轉換模塊，將串口信號轉化為CAN信號與CPU進行通訊，直觀便捷的為司機顯示當前運行狀態，并在連采機后退時在畫面上切換至后向攝像儀，避免煤機司機因視覺盲角出現誤操作。CPU與截割箱、牽引箱內的電量采集模塊和RTD模塊通過基于RS485總線的MODBUS-RTU通訊即時讀取除牽引回路外的電流、系統電壓、各電機溫度，CPU根據這些實時數據控制系統運行狀態。CPU 與牽引變頻器之間通過MODBUS-RTU通訊即時讀取牽引回路參數、變頻器狀態，并根據這些數據控制牽引回路運行狀態。外圍的遙控接收站、聲光報警器與CPU通過CAN通訊實現遙控操作時光標移動、電機和電磁閥啟停，以及遙控/手動模式時電機啟動的語音預警。通訊網絡如圖2所示。

圖2 電控系統通訊網絡

保護上：國產化電控系統對每個動力回路都做了相應的保護檢測，過流保護、短路保護、溫度保護、過壓保護、欠壓保護、缺相保護、接觸器粘連保護、相序保護、供水壓保護、油溫油位保護等，其中漏電保護采用煤礦行業常用的附加直流電源方法，牽引回路變頻控制還有針對變頻器自身的IGBT過溫保護、接地保護等。

2 改造前后電控系統對比

改造前后的JOY12CM15-10D電控系統均能適應煤礦井下連采機高負荷運轉，完成月定進尺任務量，但在電氣性能上有了很大提升，具體體現在以下方面。

2.1 系統兼容性對比

改造前連采機使用美國通用電氣的GE-FANUC 90-20系列控制器，雖然功能很強大，但作為傳統型PLC控制系統，指令集相對固定、開發環境限制較多，且在算法運用中有天然的劣勢。改造后的連采機控制系統使用新興的“軟PLC”，完全符合IEC61131-3編程標準，除了使用自身的TwinCAT軟件編程以外，還可以使用與很多PLC廠商兼容的CoDeSys軟件進行編程，為程序開發提供了便利。另外，改造后的控制系統兼容更多其他廠商的通訊協議，并預留有更快速的以太網協議：EtherCAT，為以后煤炭信息化水平的提高保留更多的開發空間。

2.2 維護成本、壽命對比

改造前連采機所使用的串勵直流牽引電機，啟動轉矩大且調速方便，但缺點也是顯而易見的：振動大、易堵轉、壽命短且制造工藝和成本相對高昂，在維護上也有很高的要求。改造后的交流異步牽引電機通過與采用DTC控制的四象限變頻器配合，能夠實現牽引電機快速啟/制動，很好的調節左右履帶轉速同步。當前變頻技術迅猛發展和交流異步電機成本低、易維護、壽命長的特點相結合，在連采機的實際運行中起到了很好的效果。改造過程中，僅僅需要更改牽引電機A、B齒輪等少量相關機械件。

2.3 顯示內容對比

改造前連采機JNA箱畫面采用的是久益FACEBOSS顯示系統，VDU箱采用的文本顯示器僅能夠顯示英文版面的故障信息。改造后，JNA箱采用組態屏顯示系統，能夠實時顯示連采機運行狀態、故障信息等相關信息，畫面內容直觀，在維護過程中非常便利；VDU箱采用更大屏幕的串口屏，煤機司機能夠看到更多的連采機運行信息，在后退過程中，該屏幕實時顯示后置攝像頭畫面，使生產過程更安全。

2.4 遙控方式、傳送數據對比

改造前連采機遙控操作時，使用的是有線遙控器，并且電控系統沒有數據上傳功能。改造后遙控操作時則使用無線遙控器，遙控器頻段為穩定的868 MHz，遙控器輕巧便利，同時具備光標操作組態屏功能；電控系統數據上傳采用當前WiFi主流的2.4 GHz頻段，由無線AP與無線綜合接入器組成服務器/客戶端的模式，電控系統中所有有以太網接口元器件在一個由礦上提供的局域網頻段內，將PLC的實時數據傳到地面集控室內，在集控室內通過OPC通訊將數據顯示在地面集控畫面內。

2.5 使用成本對比

改造前連采機電氣元器件成本高昂，改造后的電氣成本經過統計約為改造前的60%左右，后續維護過程中備件使用成本還會進一步降低。

3 國產化電控系統發展趨勢

國產化連采機電控系統是連掘工作面今后諸多設備國產化的“試驗田”，當前連掘工作面很多設備依然采用原裝電控系統，久益的梭車、山特維克的掘錨機等設備也面臨類似連采機當前的問題，經過改造前后故障率的對比，國產化連采機電控系統故障率較之前有明顯的改善，另一方面反映在掘進進尺上每個月基本都能按照要求完成既定任務。積極貫徹“少投入、多產出、高效益、高效率”的高產高效建設目標是國產化電控系統的有力支持，并為神東礦區在用連采機乃至連掘設備的循環、可持續利用提供了更多契機。

4 結語

JOY12CM 15-10國產化電控系統充分利用了電氣自動化領域諸多成熟的或是新興的技術，將CAN、RS485等現場總線、ADS、OPC和WiFi等以太網技術、交流變頻技術和無線遙控通信技術在國產化系統內層次化、合理化的運用起來，使整個系統的信息化有了極大地提高。在采購、維護成本上的明顯降低，使電控系統的運行不再受制于人，也積極貫徹了改造的初衷。