JOY連采機和梭車電氣元件測試臺的研制

張蒙達,常彥鵬,李 凱

(國能神東煤炭集團有限責任公司,陜西 榆林 719315)

0 引言

JOY連采機和梭車電控系統為進口系統,系統結構及功能復雜,隨著設備服役年限的增長,各類電氣元件故障率逐步攀升[1-3]。同時,進口元件采購與到貨困難,且國產電氣元件開發成熟度低,缺少相應的檢測設備和手段,這些因素導致在電控系統維修時存在很多阻礙。

神東煤炭設備維修中心一廠一部是進口JOY連采機和梭車維修的主力,承擔著連采機與梭車大修的任務。在大修時,需將整套電控系統拆解后對所有元器件進行測試、篩選、更換后再重新組裝,經調試、運行和驗收等步驟合格再出廠服役。受進口元器件供貨周期、國內檢測水平的影響,在維修過程中一般復用原進口舊件或者使用國產替代件對損壞的元器件進行維修,但舊件、國產元件的質量以及與電控系統整體的兼容性仍需進一步驗證。在實際生產與運行過程中,若電控系統發生故障,只能對電控箱等部件進行應急維修并在整機調試時隨機檢測,這種方式無法檢測出系統所有的故障,只能等系統出現故障后再維修[4-6]。這種維修、檢測模式不僅會導致設備停工從而影響企業正常生產,同時還會再增加設備維修成本與礦井事故賠償費用。據統計,僅2020年設備調試與質保內返工維修次數已達115次、更換電氣元件35件,返工率達8%,由此額外支出的元件更換及人工成本達70多萬元。由此可見,提前對電氣元件進行故障檢測、測試,提升電控系統運行穩定性十分必要。

1 測試臺設計目標及要求

為解決電氣元件在組裝前不能進行測試的問題,重新設計、制造電氣元件測試臺,搭建連采機和梭車的電氣通訊及控制回路以用于元件的單一或聯合測試,進而提高整機組裝后的系統運行穩定性和可靠性,降低設備投產后電氣故障頻率。測試臺要求能夠模擬連采機和梭車實際工作環境,可對連采機和梭車的所有電氣元件進行性能測試(包括關鍵元件的聯合測試);測試結果能通過顯示器或指示燈來顯示,便于操作人員迅速識別并處理故障信息;此外,測試臺供電電壓應避免使用高壓電源,同時需預留元件安裝、拆卸的作業空間。

2 測試臺的設計與搭建

2.1 電氣系統優化

通過對2種設備的元件種類及數量進行分析,發現除通用型控制元件外,還有25種可共用元器件(占總需檢測元件比例約36%),這部分元件的測試線路可整合在一起,連采機剩余30種、梭車剩余11種,電氣元件的測試線路需要單獨設計測試線路。由于連采機與梭車的電氣系統主控制程序不同,如果對2種設備的關鍵電氣元件分別搭建測試環境,會造成資源的浪費,若集成在一個測試臺,實現難度較大。為滿足上述檢測需求,將變頻器測試回路、外部輔助控制回路等進行重新整合優化,采用一路AC380V供電,經T2變壓器降壓至AC110V后分兩路電源分別給連采機測試回路和梭車測試回路供電。優化后電氣系統如圖1所示,與優化前對比,優化后不僅系統更加簡單,同時節省了制造費用。

圖1 優化設計后的測試臺電氣系統示意Fig.1 Electrical system of test platform after optimization design

連采機測試區AC110V通過電源模塊PS1為設備提供DC24V電源,主要給程序功能模塊供電,另一路DC12V為角度傳感器提供電源。通訊及控制回路使用原機適用的變頻器、中央處理器及RIO模塊、智能傳感器、數字輸入輸出模塊、顯示裝置及Interbus通訊和Canbus通訊形成整個控制系統,來模擬連采機的所有控制功能。測試時,使用外接遙控器(原機)控制整個系統,模擬相關功能件的啟、停動作。

梭車測試區AC110V通過電源模塊PS1為設備提供DC24V電源,主要給程序功能模塊供電,另一路DC12V為電流環供電。通訊及控制回路使用原機適用的變頻器、中央處理器及綜合保護器、顯示裝置和具有診斷功能的Canbus通訊網絡來形成整個控制系統,同樣模擬梭車的所有控制功能。測試時,通過旋轉開關控制整個系統,和模擬相關功能件的啟、停動作。

所有測試信息通過顯示器所顯示的內容或指示燈的點亮和熄滅,來判斷受測試元件功能的好壞。將多個受測元件同時接入測試臺上的接口,通過調節測試電壓來模擬過載、增加測試時間模擬井下作業,觀察不同回路指示燈的狀態,來測試它們之間互相影響的程度或可靠性,將有潛在質量隱患的元件檢出,實現元件之間的互檢,最終達到電氣元件單檢或同時檢測的目標。

2.2 顯示方式優化

為監控系統運行狀態,顯示元件測試結果,需優化各檢測環節顯示方式。目前測試類設備常用的顯示方式有指示燈和工控顯示屏2種,針對其特點和顯示內容進行對比分析,結果見表1。

表1 顯示方式與需求難易程度對比

由表1可知,使用工控顯示屏實現各項顯示功能優勢明顯。但是,若采取工控顯示屏實現電源及信號指示,需要增加大量的傳感器,無形中增加了制造難度和成本,因此采用LED指示燈和工控顯示屏相結合的方式(電源及信號指示采用LED指示燈,控制流程、故障信息、測試數據及測試結果采用工控顯示屏)。

2.3 工作電壓的選擇

在滿足測試元件所需的電壓條件下,需保證操作人員的安全,使測試臺成為本質安全型設備。若采用高壓AC1140V作為供電電壓,能夠保證2種設備的電壓等級相同,但由于測試臺不進行電動機測試無需要使用該等級電壓,故不采納此方案。所測電氣元件的供電電源包括AC110V、DC24V、DC12V這3種電壓,經測試,使用低壓AC380V/220V作為供電電源進行變壓即可。進行變頻器測試時,進線電壓可采用AC1140V與AC380V,對系統進行調壓即可。因此,綜合考慮成本投入和現有生產條件,采用AC380V電壓等級作為測試臺的供電電源。

2.4 負載及控制信號形式設計

對于負載反饋設計,牽引負載能夠滿足測試變頻器的調速及通訊功能的前提下需盡量選擇小功率電機;接觸器負載需能夠模擬設備的啟停信號且能夠滿足大電流反饋。對于信號反饋而言,應能夠模擬設備上的操作手柄的同時還能模擬設備的常見故障狀態。

2.4.1 負載反饋

在進行變頻器測試時需測試其調速及通訊性能,需采用電動機進行測試,故采用AC380V/1.5kW電機作為牽引負載;對于接觸器的負載,本文選取了電機、LED燈泡、100W白熾燈進行對比。若接觸器選擇電動機作為負載,會造成測試臺體積、重量、功率增加,增大了能耗及安全風險,故不予采用。若采用LED燈泡作為負載,因其電流一般很小(10 mA左右),遠低于實際工況下電機的工作電流,不能滿足測試系統正常運行要求,故不予采用。若選擇100W白熾燈時,電流可達0.45 A,經過互感器放大后就能夠滿足系統要求的負載電流反饋值,因此選擇100W白熾燈作為反饋負載[7-9]。

2.4.2 信號反饋

設備的操作手柄通常有3個及以上的工作位置且具備自動回位功能。鈕子開關為2個工作位置,每個位置最大有2個通斷點。旋轉開關具備5到6個工作位置,每個位置有多個通斷點,能夠更好地模擬操作手柄[10-11]。但故障反饋信號通常為一個開關量,用鈕子開關即可實現,成本也相應較低,故采用鈕子開關作為反饋信號的開關控制。

2.5 測試臺的搭建

為達成減小測試臺體積,將電氣高低壓控制區域隔離,實現安全防護的要求,且保證內部布局統一、簡潔美觀的目標,經綜合考慮,測試臺外形尺寸為3.5 m×1.2 m×2 m,重1.5 t,移動和運輸較方便。此外,測試臺的電氣系統分隔成4個不同的區域,其分別為核心控制元件及通訊類元件(測試)區、動力回路元件及執行元件(測試)區、輔助控制回路(測試)區和顯示回路元件(測試)區。測試臺整體采用框架式、多層開放式結構,使用角鋼作為框架,鋪設鋼板隔層和防爆玻璃護罩進行防護。測試臺各區域布置示例及面板設計如圖2所示。

圖2 測試臺設計圖Fig.2 Design of test platform

3 測試臺效果驗證

測試臺搭建完成,對在修連采機和梭車的電氣元件進行單件和多件聯合測試(樣本選擇2021年9月至10月)。測試完成后的元器件進行組裝,通過對投產后返工率進行統計,相關數據見表2。

表2 返工率統計表

由表2可知,電氣元件經過測試檢驗后安裝至設備整機上,設備的返工率由8%降至2.40%,測試臺能夠有效降低返工率,很好地保障操作人員安全,其效果已達到預期要求。此外,測試臺能夠進行連采機和梭車電氣元件的單一測試或聯合測試,其檢測結果準確(故障件檢出率達100%)。經測算,每年可降低元件支出費用約45萬元,節省不必要的人工支出約32萬元/a,每年總計節約77萬元。

4 結論

(1)測試臺能夠完成連采機和梭車電氣元件的單一測試或聯合測試,可以滿足其設計要求且經濟效益顯著。

(2)測試臺提高了設備的大修質量和設備出廠后的運行穩定性,延長了大修周期,間接提高了企業的生產效率,綜合經濟效益良好。