Журнал "Горные машины и автоматизация", № 4, 2002, стр. 31-36
Электропривод и автоматизация очистных комбайнов (современное состояние, проблемы и пути их разрешения)
Г.И. Бабокин, д-р техн. наук, проф., Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева; В.И. Щуцкий, д-р техн. наук, проф., МГГУ
Основная цель реформирования угольной промышленности - достижение экономической
эффективности угольных шахт - может быть достигнута в том числе на основе их оснащения
высокопроизводительными средствами комплексной механизации, обеспечивающими стабильную
нагрузку на очистной забой на уровне 2...3 млн. т угля в год, что в настоящее время в
два-три раза превышает лучшие достижения отечественного производства.
Как показывает опыт зарубежных угледобывающих стран, высокие нагрузки на очистной
забой угольных шахт достигаются применением надежного высокоэнерговооруженного и
автоматизированного оборудования: очистных комбайнов, стругов, ленточных и скребковых
конвейеров и вспомогательного оборудования.
Повышение производительности и надежности горных машин и установок в значительной
степени определяется их электроприводом и системами автоматизации.
В связи с изложенным важно проанализировать положение в этой области, а также
разработать рекомендации по развитию привода и систем автоматизации.
В настоящей статье рассмотрен электропривод и системы автоматизации очистных
комбайнов.
Электропривод (ЭП) очистных комбайнов (ОК) включает привод исполнительного
органа (резания) и привод перемещения (подачи) комбайна, которые взаимодействуют
в процессе резания угля, привод дробилки и вспомогательный гидропривод для;
подъема шнеков и др.
Привод резания ОК, как правило, включает два асинхронных двигателя (АД) с
короткозамкнутым ротором, каждый из которых приводит в движение свой исполнительный
орган - шнек. Установленная мощность привода резания отечественных ОК равна
300...500 кВт, зарубежных ОК - 400... 1100кВт.
Жесткая кинематическая связь между двумя шнеками применена только в комбайнах
КGЕ-360 и 1ГШ68 для тонких пластов. В этом случае жесткая связь позволяет перераспределить
мощность между двигателями, и имеется возможность подавать на один шнек полную мощность
двух АД. Такая ситуация возможна только тогда, когда вынимаемая мощность пласта практически
равна диаметру шнека. Однако большинство ОК, предназначенных для малой, средней и большой
вынимаемой мощности пласта, имеют индивидуальные встроенные привод шнеков которые
кинематически связаны. В этом случае существует нагружение АД резания неравномерно,
а уровень резания неравномерности определяется соотношением вынимаемых шнеками пачек
пласта. Нагрузка АД отстающего шнека при выемке угля составляет 0,2...0,8 от нагрузки
АД опережающего шнека. В связи с этим актуальна разработка технических средств,
обеспечивающих выравнивание электрических нагрузок АД резания.
Анализ структур привода механизма подачи очистных комбайнов, выпускаемых основными
зарубежными производителями: "Айкгофф", "Фамур", "Лонг-Эйрдокс" и другими западными
фирмами показал, что они ориентируются на два приводных блока, каждый из которых
работает на свою приводную звездочку. Вышеупомянутые фирмы в приводных блоках в
последние годы применяют следующие системы: гидравлические (комбайны КGS-245 и др.
фирмы "Фамур"); электропривод с электромагнитной муфтой (комбайны КGЕ-600N 128р и
др. фирмы "Фамур", комбайн SL 300 фирмы "Айкгофф"); тиристорный электропривод
постоянного тока (комбайн SL 300); преобразователь частоты - АД с короткозамкнутым
ротором (ПЧ-АД) (комбайн КЗЕ700 и др. фирмы "Фамур", 5Ь 300, 8Ь 500. Разновидностью
привода с электромагнитной муфтой является привод с электромагнитным тормозом
(комбайн КSЕ 444С фирмы "Фамур").
В развитии привода механизма подачи ОК. имеется тенденция вытеснения
гидравлического привода электрическим (постоянного и переменного тока), привода
постоянного тока и с электромагнитной муфтой - частотным приводом переменного тока.
Это хорошо видно на примере развития привода механизма подачи комбайнов SL 300,
SL 500. Фирма "Айкгофф" практически последние 5 лет не производит комбайны с
гидравлической системой подачи. С 1994г. комбайны оборудуются приводами постоянного
тока и с магнитной муфтой, а. с тенденция развития привода обусловлена необходимостью
получать все более высокие тяговые усилия (до 800 кН) и скорости подачи (до 20... 30 м/мин),
обеспечивая одновременно более полное использование возрастающей мощности привода резания.
При этом необходимо увеличение установленной мощности привода подачи до 2x80, 2x90 кВт.
Реализация такой мощности при ограниченных по высоте габаритах конструкции привода
достижима только в приводе переменного тока системы ПЧ-АД, когда используется
простой в эксплуатации, надежный, не требующий постоянного ухода АД с размерами
в 2,0 - 2,5 раза ниже, чем двигатель постоянного тока при одной и той же мощности.
Максимально достигнутая мощность привода подачи постоянного тока комбайна "Айкгофф"
составляла 2x54 кВт, с электромагнитной муфтой - 2x55 кВт, привода системы ПЧ-АД -
до 2x80 кВт.
При работе в наклонных (до 35°) лавах при спуске комбайна наиболее тяжелым
режимом является торможение. В этом случае наиболее простое техническое решение
для привода подачи ОК имеет система ПЧ-АД, в которой реализуется рекуперативный
режим торможения, сопровождаемый преобразованием механической энергии в
электрическую с рекуперацией в сеть.
Основные приводы механизмов подачи выпускаемых отечественных комбайнов -
привод с электромагнитной муфтой скольжения, используемой в режиме торможения при
максимальной мощности 2x45 кВт (комбайны К-85, К-500), и привод постоянного тока
комбайна 1КШЭУ мощностью 2x27 кВт (часовой режим). Система ПЧ-АД для механизмов
подачи находится в стадии испытаний и проектирования. Максимальная мощность
отечественной системы ПЧ-АД - 2x45 кВт.
Важным фактором при исполнении системы ПЧ-АД для механизма подачи является
место расположения преобразователя (ПЧ): на штреке (комбайны КGЕ-750, SL 300, SL 500)
или встроенным в электроблок ОК (комбайн EL 600 "Лонг-Эйрдокс"). Встроенный ПЧ на
комбайне позволяет уменьшить стоимость изготовления механизма подачи за счет снижения
ресурсов и трудозатрат в сравнении с расположенной на штреке преобразовательной станцией
с ПЧ, а также сократить на отдельный экземпляр количество силовых кабелей, соединяющих
аппаратуру на штреке и электроблок комбайна. Поэтому для ОК, вынимающих мощность пласта
более 2,0 м, рекомендуется применять частотно-регулируемый электропривод, встроенный в
электроблок комбайна. Это возможно с использованием для силовой схемы ПЧ IGВТ-транзисторов,
а также микропроцессорного управления системой ПЧ-АД. В этом случае габариты
преобразователя позволяют разместить его на комбайне.
Основные ведущие производители комбайнов могут поставлять по желанию заказчика
любую из вышеназванных систем привода механизма подачи комбайна. Это обусловлено тем,
что при эксплуатации комбайнов на конкретной шахте создается инфраструктура обслуживания,
ремонта оборудования определенного типа, а обслуживающий персонал приобретает навыки
его применения, что благоприятно сказывается на коэффициенте готовности оборудования.
Применение нового привода всегда требует дополнительных затрат на сервисное обслуживание
и переподготовку персонала, что оправдано при существенном повышении производительности ОК.
Электропривод ОК включает также нерегулируемый АД дробилки мощностью до 90…120 кВт
и АД гидронасоса гидросистемы ОК мощностью до 30 кВт.
Система управления ОК выполняется с использованием микроконтроллеров,
располагаемых на комбайне или штрековом оборудовании. В последнем случае связь
между ними обеспечивается по жилам управления силового кабеля.
Система управления комбайна выполняет следующие функции: дискретное включение
и выключение оборудования комбайна в заданной последовательности с необходимыми
блокировками и защитами; ручное и автоматическое регулирование скорости подачи
комбайна; автоматическое управление положением шнеков с учетом мощности и
гипсометрии пласта; управление крепью комплекса; диагностику комбайна; отображение
информации о режимах работы комбайна и его систем; передачу ее на штрековый контроллер
(пулы управления) и далее на центральную ЭВМ на поверхности шахты.
Важно отметить, что современная система управления комбайна имеет значительно
увеличенный набор выполняемых функций, повышенную глубину обработки информации о
работе комбайна и увязана с системой управления предприятия.
Подсистема дискретного включения и выключения оборудования комбайна
обеспечивает пуск и остановку комбайна и конвейера лавы, изменение положения шнеков
комбайна и погрузочных шнеков, изменение положения комбайна относительно конвейера,
включение и отключение стоя-ночного тормоза, включение и отключение двигателей
дробилки и т.д., а также введение блокировок от превышения норм концентрации метана,
снижения сопротивления изоляции и др. Управление комбайном осуществляется с пультов,
расположенных непосредственно в передней и задней частях комбайна, и переносного
пульта по радиоканалу.
Особенностью современного дискретного управления комбайном является
микропроцессорное управление, при котором все логические операции и блокировки
реализуются программным методом, а связь между силовыми коммутирующими элементами
и микропроцессором осуществляется с помощью бесконтактных ключей с гальванической
развязкой.
Подсистема автоматического управления скоростью подачи комбайна обеспечивает
поддержание номинальной мощности асинхронных двигателя резания комбайна посредством
изменения скорости его подачи, регулирование которой осуществляется по наиболее
загруженному двигателю. При увеличении нагрузки (токов) электродвигателей резания
выше номинальных значений темп снижения скорости подачи зависит от кратности
превышения. Если она значительна, например 1,8 номинальной мощности, то скорость
подачи быстро снижается до нуля либо кратковременно может обеспечить движение
комбайна в обратную сторону с последующим движением в прежнем направлении, но
со снижением максимальной скорости и уменьшением темпа нарастания скорости подачи.
Подсистемы автоматического управления по гипсометрии и мощности пласта,
применяемые в ряде зарубежных комбайнов, в основном работают по заданной программе,
которая записывается в память контроллера управления после контрольной выемки
полосы угля машинистом комбайна. В последующем программа периодически корректируется.
Применение таких систем позволяет решать задачи сохранения постоянной высоты
призабойного пространства, вынимать уголь с минимальной присечкой породы,
улучшать процесс крепления кровли. В то же время в США фирмой "Шошон" внедрена
система управления комбайном, в основу которой заложен датчик информации,
различающий границу "уголь-порода" и основанный на измерении естественной
радиации угля и пород. Однако, как показывает опыт эксплуатации, указанный
датчик едва ли может работать в разнообразных условиях угольных шахт в Европе
и России из-за многообразия пород, залегающих в почве и кровле пласта на
границе "уголь-порода".
Проблема определения границы "уголь-порода", несомненно, имеет важное значение,
особенно для ОК, вынимающих тонкие и средней мощности пласты, так как в этом случае
скорость перемещения по лаве машиниста комбайна, регулирующего положение шнеков
относительно почвы пласта, является условием, ограничивающим производительность
комбайна.
Отечественные очистные комбайны и крепи не имеют систем автоматического вождения
по гипсометрии и мощности пласта.
Высокопроизводительные добычные участки за рубежом оснащены системами
электрогидравлического управления механизированной крепью, в которых используется
режим синхронизации передвижения секций крепи с перемещением комбайна. В этом
случае по сигналу датчиков инфракрасного излучения, расположенных по концам
корпуса комбайна, осуществляется автоматическая выдвижка секций крепи, что,
несомненно, повышает скорость крепления кровли и в ряде горно-геологических
условий шахт позволяет снять ограничения скорости подачи комбайна по скорости
крепления кровли. Отечественной промышленностью также выпускаются системы
электрогидравлического управления механизированными крепями обеспечивающие
выше указанные функции.
Повышение надежности и коэффициента готовности ОК достигается применением
мощной системы диагностики оборудования комбайна. Система диагностики включает
датчики, контролирующие до 30 параметров режимов работы и состояния узлов комбайна:
потребляемый ток, температуру подшипников и статоров всех электродвигателей;
давление в гидравлических цепях системы управления и тормозов; давление воды
орошения; температуру масла редукторов. Кроме того, контролируются отказы цепей
питания электрогидрораспределителей, цепей управления контакторами. Вся информация
обрабатывается контроллером, установленным в блоке управления комбайна. Основные
контролируемые параметры отражаются на буквенно-цифровом дисплее и системой точечных
индикаторов, установленных на центральном пульте управления ОК. Новейшие технологии
диагностирования позволяют при помощи анализа вибрации механического оборудования,
а также колебаний токов электродвигателей распознать накапливающиеся повреждения
оборудования еще до аварии и заблаговременно запланировать мероприятия по их ремонту.
Это обеспечивает сокращение простоев оборудования и снижение потерь добычи угля.
К сожалению, отечественные очистные комбайны практически не имеют систем
диагностирования его оборудования и регистрации режимов работы комбайна.
Автоматизация зарубежных комбайнов связана с шахтной системой передачи данных.
Информация о режиме работы комбайна через последовательный интерфейс с комбайнового
контроллера по жилам управления силового кабеля поступает на штрековый контроллер и
затем по стационарной сети передачи информации (обычно это линии связи) поступает на
ЭВМ управления шахтным оборудованием. где информация о режиме работы машины
регистрируется и сохраняется. При этом с поверхности шахты после анализа режимов
работы комбайна можно изменять параметры управления комбайном, программу работы
машины, не вскрывая аппаратуру управления комбайном. Такая структура управления
значительно повышает оперативность и профессионализм управления комбайном, позволяя
использовать оперативную информацию о состоянии оборудования и его неиспользованных
резервах.
Рисунок 1 - Функциональная схема системы микропроцессорного управления очистным комбайном
На рисунке 1 представлена типовая функциональная схема микропроцессорного
управления ОК. Схема включает три контроллера МК1…МКЗ, связанных системной
магистралью, блок коммутации (БК), преобразователь энергии привода подачи ОК (П),
бесконтактные оптронные ключи (БОК), шинные терминалы ШТ1, ШТ2, искробезопасную
лавную магистраль (ИЛМ), блок управления лавный (БУЛ), искробезопасную шахтную
магистраль (ИШМ), центральную ЭВМ на поверхности шахты.
Центральный контроллер МК1 выполняет роль ведущего для ведомых МК2, МКЗ.
Контроллеры объединены системной магистралью. Основные функции, выполняемые МК1,
- это включение и выключение оборудования ОК (дискретная автоматика), регулирование
скорости комбайна в зависимости от нагрузки электродвигателей резания, управление
шнеками комбайна в профиле пласта. Включение силовых элементов ОК осуществляется
через бесконтактные ключи БОК контакторами блока коммутации БК. Таким образом
подается напряжение на электродвигатели резания и подачи, включаются дробилка,
тормоз, гидравлический насос, домкраты шнеков и комбайна.
Контроллер МК2 осуществляет управление силовым преобразователем (СП) двигателей
подачи по командам задания с центрального контроллера МК1. Силовой преобразователь
представляет собой управляемый выпрямитель для привода постоянного тока или
преобразователь частоты для асинхронного привода. Контроллер МК2 реализует заданный
закон управления координатами привода подачи (момент - частота вращения) в режиме
пуска, изменения нагрузки, стопорения исполнительного органа привода подачи,
обеспечивает внутреннюю защиту регулируемого привода подачи от перегрузок, коротких
замыканий и все необходимые блокировки. Наладка привода подачи, изменение программы
его работы и уставок регуляторов осуществляется с пульта управления ПУ2.
Всережимные параметры привода подачи, причина отказов его элементов индицируются
на дисплее МК2 и могут быть вызваны на дисплей контроллера МК1.
Контроллер МКЗ осуществляет диагностику оборудования комбайна путем непрерывного
опроса датчиков, измеряющих температуру различных узлов, силу тока электродвигателей,
давление в гидросистеме, анализирует полученные данные и сопоставляет их с заданными
уставками. В случае превышения указанными параметрами определенных пределов контроллер
МКЗ выдает сигнал через магистраль контроллеру МК1 на отключение комбайна. В МК3
осуществляется регистрация и анализ режимов работы комбайна с целью последующей
их оптимизации.
Отдельные данные по режимам работы комбайна могут передаваться через шинные
терминалы ШТ1, ШТ2 по искробезопасной лавной магистрали ИЛМ, организуемой по жилам
управления силового кабеля комбайна, на БУЛ, располагаемом на штреке. Далее
информация может передаваться по искробезопасной шахтной магистрали (ИШМ) на
центральную ЭВМ. На контроллер МК1 в обратном порядке через ИШМ, БУЛ, ШТ2, ИЛМ
и ШТ1 по системной магистрали могут передаваться команды управления и изменения
режима работы комбайна.
Местное управление комбайном осуществляется с пультов ПУ1.А и ПУ1.Б,
расположенных на комбайне, дистанционное управление - с пульта радиоуправления
ПРУ. Сигнал с пульта радиоуправления принимается радиоприемным устройством РПУ.
Контроллер МК1 имеет дисплей для индикации параметров режима работы комбайна,
которые вызываются с местных пультов управления ПУ1 .А, ПУ1.Б. В случае неисправности
узлов комбайна индикация на дисплее осуществляется автоматически.
Анализ зарубежных и отечественных систем электропривода и автоматизации ОК
позволяет рекомендовать следующие направления их развития, предусматривающие: