基于WK10B电铲的电气传动及控制系统改造研究

基于WK10B电铲的电气传动及控制系统改造研究
何涛
【摘要】通过对直流调速型WK10B电铲结构和电气传动系统进行分析,研究了采用"上位人机界面+PLC现场总线+AFE变频传动"组成的三级控制系统取代传统的G-M直流调速机组和模拟控制系统,提出了电铲的交流变频改造方案.
【期刊名称】《露天采矿技术》
【年(卷),期】2016(031)006
【总页数】4页(P73-75,79)
【关键词】电铲改造;变频调速系统;AFE控制技术
【作者】何涛
【作者单位】神华北电胜利能源有限公司,内蒙古锡林浩特 026000
【正文语种】中文
【中图分类】TD422.4
引用格式：何涛.基于WK10B电铲的电气传动及控制系统改造研究［J］.露天采矿技术，2016，31（6）：73-75.
电铲是露天煤矿采用的主要挖掘设备，用于土层、岩层以及煤炭的挖掘，并实现装卸。

据统计，大型露天矿80%以上剥离和采煤是由电铲完成的，电铲具有挖掘力大、生产效率高、适应性强、作业安全及生产成本低等优点。

同时单斗-卡车开采工艺为目前国内各露天矿的主导工艺，因此，电铲对露天矿生产规模、生产进度以及经济效益有着直接影响。

早期生产的WK10B型电铲采用直流调速技术和模拟控
制电路，不仅能耗高，设备故障率高，同时生产效率低、功率因数低，保护功能单一且不具备故障诊断功能，故障维修难度大，轻则影响生产效率，严重的还可能造成停产影响企业的经济效益。

1.1 电铲主要结构
电铲的基本操作分为4种运动，分别为提升、回转、推压和行走。

其中前3种运
动用于挖掘作业而第4种运动用于移动。

电铲的机械部分包括：铲斗、斗杆、起
重臂与推压机构、开斗机构、提升机构、回转机构、回转平台、中央枢轴、行走机构、履带装置、润滑系统及润滑室等主要部分。

提升机构的作用是通过斗杆的伸缩运动驱动铲斗进行物料的挖掘作业，利用提升钢丝绳的往复运动来控制斗杆的伸缩，从而控制铲斗做上下挖掘运动。

推压机构采用刚性推压机构，即齿轮-齿条式推压，斗杆由单台电机驱动，用来实现推压和回抽作业。

回转机构由2套独立的回转传
动装置组成，为了实现同步运行，2套机构采用并联结构。

为了平衡载荷，在回转大齿圈前后两端的平台上分别布置2套回转传动机构，回转传动装置包括回转电
动机、回转减速机、制动器装置和回转立轴组件等。

由于电铲自身较重，为了实现平稳行走，电铲采用2台独立电动机分别驱动，为了实现电铲的转弯功能，2台电动机由2个主令控制器分别控制，可以实现同时运行，或者1台运行，1台停止，用来实现转弯功能。

1.2 存在的技术问题
直流调速型WK10B电铲采用G-M直流调速系统，由交流电动机拖动直流发电机
G实现变流，由发电机G给需要调速的直流电动机M供电，采用磁性触发器控制发电机励磁绕组从而调节发电机G的励磁电流if，就可以改变其输出电压U，从
而调节电动机的转速［1］。

发电机-电动机组直流调速系统如图1。

直流调速型WK10B电铲采用磁性触发器控制的可控硅励磁直流发电机—直流电
动机控制模式，这种技术虽然具有技术成熟优点，但由于采用了电磁原件磁性触发
器，其控制性能存在一定的先天缺陷，具体表现为：
1）系统动态响应速度慢。

由于放大装置采用电磁元件，动态特性差，而电铲是由多个复杂系统组成的，电磁元件的固定时间常数无法满足不同系统对动态特性的要求，动态特性差。

2）电机运行性能差。

从控制系统的构成看，由磁性触发器组成的调节系统与电压调节和电流调节共用一个环，在电流环启动过程中主导作用不能充分体现，故挖掘特性不理想，电机的最大启动力矩维持的时间不够长，电机后劲不足，转速降比较大，难以保证电铲长时间最大出力，甚至会影响电机寿命。

3）工作效率低。

对于提升装置，常常需要针对提起和下放工况的不同实现不同的特性，而磁性触发器不能满足这样的要求，提升装置工作效率低。

4）故障率高。

从组成结构上看，采用直流调速系统的电铲调节器件比较多，且分布集中立体布局，维修和调试困难，故障率高。

此外，G-M直流电动机机组占地面积大，在电铲有限的空间内，给日常维修造成诸多不便，并且维修费用高。

由于技术比较陈旧落后，机电能量转换效率低，日常维修保养困难，挖掘特性饱满系数差，单班产量低，生产效率低下；继电器控制系统不具备故障诊断功能，对维修人员的维修技术和经验有比较高的要求。

WK10B电铲改造方案的电气传动系统采用交流变频调速系统，硬件选用西门子6SE70型变频器，变频传动使用能量再生式公用直流母线变频调速方案。

西门子6SE70变频器采用了AFE技术，2套AFE整流回馈柜采取并联方式运行，电铲的主变压器二次侧3AC 690V电源直接接至AFE整流回馈柜内，2套并联后的直流输出母线作为公用直流母线，为提升/行走、回转、推压机构逆变器提供直流电源［2］。

各运行机构逆变器连接在公用的直流母线上，形成AFE整流回馈公用直流母线变频调速系统。

由于6SE70变频器采用了IGBT功率元件，输入为交流输出为直流，并且位于电
源的进线侧，称之为前端。

与传统的二极管或可控硅整流技术比较，主动前端不仅仅是将交流变成直流，而且还具备了很多主动功能，不仅可以消除高次谐波，提高设备的功率因数，还不受电网波动的影响，具有非常卓越的动态特性［3］。

电气传动系统如图2。

普通的双向晶闸管也能够实现4象限回馈运行功能，但不能补偿进线电源电压波动。

由于AFE采用了自换相技术，与普通的双向晶闸管对比，节省了反馈电能的
逆变桥，不但能够实现四象限运行，而且主电路的结构更加简单。

AFE能够实现
在能量回馈时，电源电压波动而回馈能量保持不变，AFE由于具有电流限制功能，利用IGBT的快速开关通断，不会造成电压豁口，避免了换相失败［4］。

AFE还
采用了进线电流控制技术，依据设定值控制功率因数，使变频器具有较高的功率因数，无需配置无功补偿装置。

WK10B电铲改造方案的电气控制系统采用西门子S7-300系列产品，作为电铲控制系统的核心，PLC用来实现逻辑控制和数据处理功能，控制系统采用PROFIBUS-DP现场总线通讯网络，AFE整流回馈单元、提升、回转、推压等逆变器、远端控制器（ET200）分别挂接在PROFIBUS-DP总线上，构成分布式的控
制网络。

PLC的CPU通过PROFIBUS-DP现场总线通讯网络获取司机室操作命令、各机构逆变器及AFE整流回馈单元的运行状态和故障信息。

通过开关量及计数输
入模块获取配电与辅助回路运行状态与故障信息、安全保护与行程限位信息等，经逻辑与数据运算后，通过相同的路径对整个电气系统进行控制，实现对各机构变频电动机转矩与速度的精确控制［5］。

电气控制系统如图3。

CPU中央处理单元作为控制系统的核心，具有PROFIBUS-DP和MPI两个接口，扩展功能强大，能够实现分布式I/O的建立；数字量输入模块用来实现开关量信
号的采集；数字量输出模块采用继电器输出，实现电气系统的自动控制；模拟量输入模块用于模拟信号的采集；SM338模块采集提升、推压限位编码器所测的提升、
推压行程信息，用来实现提升、推压机构的限位保护。

电铲控制系统的通讯采用PROFIBUS-DP现场总线，PROFIBUS-DP是高速通讯总线，专为分布式连接的系统而设计，采用双绞线，波特率从9.6 kbps到12 Mbps。

通过将远程ET200挂
接在PROFIBUS-DP总线上来形成分布式控制网络，远程ET200在电铲上的应用，可以减少控制柜与控制柜之间的走线，同时也大大降低了故障率。

在设计控制系统前，根据要实现的控制功能的任务需要，估算控制系统需要的输入和输出点的个数，故PLC的点位分配在PLC控制系统中至关重要。

PLC的I/O地址分配时，应按照一定的规律进行，为了便于程序编写和修改，在分配I/O地址时，尽可能把功能相同或相近的设备地址设计在相邻的位置［6］。

按照以上原则对PLC的点位进行配置，实现了辅变接地、相序保护、空压机热保护等保护功能
和梯子限位、通风机运行、油泵运行等状态监测。

4.1 电铲启动顺序
1）启动操作台电源按钮，PLC启动，启动真空接触器，提升减速机润滑、回转减速机润滑自动启动。

2）启动AFE主回路，两套AFE同时启动，并联运行。

3）选择提升模式，松开提升/行走机构的抱闸，提升逆变器（两台）同时启动，
电机有零位握持电流，启动电动机强制风冷通风机，打开盘式制动器，提升机构运行，提升机构采用速度控制，主令回零，机构的速度减速后回零，在零位只有握持电流，可以维持铲斗停在任何位置。

4）选择提升模式，松开推压机构抱闸，启动推压逆变器，电动机有握持电流，启动电动机强制风冷通风机，打开盘式制动器，推压机构运行，推压机构为速度控制，主令回零，机构的速度减速后回零。

5）松开回转机构的抱闸，回转逆变器启动，回转抱闸打开，回转机构工作；回转机构为力矩控制，速度限幅，主令回零，加速（制动）力矩为零。

4.2 电铲停机顺序
1）各机构主令控制器回到零位，电铲的各机械系统处于静止状态。

2）关闭各机构的抱闸，抱闸抱死后，电动机强迫通风机延时5 min停止工作。

3）关闭AFE主回路。

4）延时2 s关闭真空接触器。

4.3 故障停机分类
1）立即停机
立即停机时故障指示灯声光报警，抱闸立即关闭，各运行机构停止运行，此时关闭所有机构的抱闸。

马上查找故障发生的原因，等彻底排除故障后，按下故障复位按钮，再按照电气系统的启动步骤正常启动即可。

2）延时停机故障
延时停机故障发生时，故障指示灯声光报警，电铲仍然可以继续工作50 s，确保完成一个工作循环，等一个工作循环完成后，应立即停机，查找故障发生的原因并排除故障。

WinCC flexible是德国西门子公司工业全集成自动化的子产品，是一款面向机器的自动化概念的HMI（Human Machine Interface）软件，它的作用是组态用户界面，实现对设备实时运行状态的监控，在设备运行中还可以通过用户界面修改运行参数。

HMI是连接PLC、变频器、仪表等的工业控制设备。

通过用户界面显示屏，可以通过输入工作参数或命令实现人与设备的信息交互，HMI在自动化体系中处于承上启下的重要作用，通过与现场总线相连接，完成生产设备的逻辑控制管理，并且可以为集控室管理人员提供相应的数据和画面。

通过采用“上位人机界面+PLC现场总线+AFE变频传动”组成的三级控制系统取代了传统的G-M直流调速系统，提高了电铲的整机控制水平和调速性能，通过采用S7 300 PLC代替继电器控制，实现了整机的时序逻辑控制，通过6SE70变频
调速系统取代直流调速系统，提高了电铲的工作效率和可靠性，也提高了电铲的功率因数，不需要增设无功补偿
装置且对无电网无污染，同时节约电耗20%左右。

通过电铲上位机监控系统，可
以实现对各种信号进行综合显示、监控，实现运行状态监控与故障诊断，提高了电铲的信息化、数字化水平水平，便于电铲的故障维修，具有良好的经济效益和社会效益。

参考文献：
［1］郝春辉，牛犇，张勇军，等.2800XP电铲电气控制系统数字化改造设计［J］.冶金自动化，2015，39（3）：56-61.
［2］于德君.矿用电铲电气传动系统对比与实用性分析［J］.科技创新与应用，2012（7）：77-78.
［3］孟晓芳，李策，王钰.西门子系列变频器及其工程应用［M］.北京：机械工
业出版社，2008.
［4］苗根蝉.WK系列大型矿用挖掘机的电气调速和控制系统［J］.露天采矿技术，2012（4）：34-38.
［5］潘丽珍.矿用挖掘机电气控制和监控系统［J］.机械管理开发，2015，146（4）：20-22.
［6］张运刚，宋小春，郭武强.西门子S7 300/400PLC技术与应用［M］，北京：人民邮电出版社，2007.。