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摘要：长臂采煤机是综采工作面的核心设备，技术密度高，是工作面高产高效的重要保障，但我国目前高产高效矿井主要依赖进口采煤机。神东煤炭集团、中煤等大型煤炭生產企业为保证矿井高产高效，不得不采购价格是国产同型号4-6倍的进口采煤机，对我国采煤机技术发展造成巨大威胁。采煤机电控系统是采煤机的心脏，电控系统的的稳定性直接影响采煤机的生产能力，进口采煤机电控系统主要有什么特点呢？笔者结合十余年对就久益采煤机的检修经历，从采煤机的保护功能、电控箱布局、电气备件选型、传感器配置、接线方式、组态界面、数据上传等方面对久益采煤机电控系统进行了详细的分析，同时也对国产高端、高性能采煤机电控系统设计提出一些建议。
关键词：采煤机;久益;电控系统
引言
采煤机电控系统的保护功能设计、电气件选型、人机交互设计、技术资料等对采煤机的性能、运行稳定性、使用维护等至关重要。本文对久益采煤机的保护功能、电控布局、硬件选型等方面进行了详细的分析，希望能对国产高端、高性能的采煤机设计起到抛砖引玉的作用。
1 久益采煤机电控系统介绍
1.1电控系统保护功能
久益采煤机有齐全的过流、漏电、过载、等保护。牵引变压器、控制变压器、变频器逆变单元设计熔断器。各回路均有三相电流互感器，实现过载、相位不平很等检测。电控系统有瓦斯超限、启动预警、遥控器坠落停机、遥控器配对识别、运输机闭锁、急停拉线开关、急停继电器、开关机械闭锁等保护，详细如下：
1.2电控箱结构及布局特点
久益采煤机各机型电控箱尺寸随采高增加，电控箱内部空间逐渐增大。电控箱设计均为一个腔体，有三个盖板。内部控制板使用螺栓固定，组装完成后形成高压、控制、本安三个腔体。电控箱内部一旦出现短路接地或相间短路往往导致大量备件损坏，造成较大损失。
电控系统电气备件根据功能安装在多个控制板上，控制板使用螺栓固定，只有少部分组件拆解、安装难度大。现场检修难度相对较小，且各控制板预留了较长的电缆束线，更利于现场检修。
采煤机电源电缆引入均采用电缆连接器引入电控箱，较电缆引入装置少量接线腔及穿墙端子，节省电控箱安装空间，安装、拆解相对简单。各电机电缆使用电缆引入装置未经过接线腔直接进入电控箱，与MA要求冲突，不符合我国MA要求。
1.3电气备件选型
久益采煤机电气备件多为定制备件集成化高，占用空间小，便于布局，如智能互感器，其集成电机三相电流、电机温度检测和电机接触器控制，将所有检测信号通过Interbus总线传输给中央控制器CCU，使用一个模块实现了电机的控制及所有的保护，集成化高、提交小，便于设备现场检修维护。
电控系统采用多回路、多种通讯方式，如采煤机中央控制器CCU，通讯协议支持Ethernet、RS-485 、RS-422、RS232、CANBus、Interbus、USB1.0，而且每种接口数量均大于1个。通讯回路在出现故障时，故障范围小，便于现场检修维护。
带程序备件程序存储在可拆装的存储介质内，如中央控制器程序存储在工业U盘内，显示计算机程序存储在工业CF卡内。当损坏更换时将原程序盘、程序卡连接上启动设备加载后即可运行，当程序更新或损坏时使用新的程序卡在现场加载即可运行。将程序与硬件分离设计实现相同硬件在不同设备使用时完全互换，同时避免现场使用计算机刷程序等复杂程序。及利于备件储备又利于设备出现问题时故障处理。
带通讯协议模块均设计有多个指示灯的备件，如内部数字量/模拟量输入输出模块RIO，其设计有6个指示灯，可显示5种通讯状态和电缆完好情况，通过查看故障指示灯可快速、准确的确定采煤机电控系统故障原因。
1.4传感器配置
电控系统所有传感器信号使用防护等级为IP67的快速插头电缆接入控箱外的2个GIO模块内，以通讯方式传输到控制器，接线少，故障率低，但破损后必须更换。
久益采煤机有左右摇臂温度、液压油温度、液压油油位、瓦斯、机身角度、速度、复位、摇臂角度、电缆拖架限位、水流压力等15个左右，液压系统无压力传感器，当齿轮泵反转时设备不能保护，传感器数量总体较少，限制设备智能化较多，但传感器数量少设备故障率低。
1.5接线方式
久益采煤机电控内部控制线使用成型电缆束线，功能模块之间用快速插头和端子排连接。使用快速插头接线快速、简单、可靠，使用接线端子排，便于故障排查，但故障率高。模块之间通讯束线预留长度大，便于现场故障排查。
使用电缆束线接线方式，可单独加工电缆束线，如在电控箱组装前完成钉板图（电缆束线加工图）并制作、检测，直接安装电缆束线可有效避免现场制作出现的各种问题，电控系统稳定性可大幅提升，减少设备故障率。
1.6 遥控器
遥控器有两种，分别为单向遥控器和双向遥控器。单向遥控器用于早期生产的采煤机，每台采煤机使用2种2件。双向遥控器用于最新机型，每台使用1种2件。
两种遥控器相比单向遥控器体积小、重量轻，操作轻松方便，但是无显示屏、左右不通用、电池不能更换。双向遥控器每台采煤机使用2件，有显示屏可显示煤机参数、电池可更换，有失重保护，左右互换，但是体积大、重量大（约1.4㎏）。
1.7 变频器
采煤机变频器设计均为一个整流、两个逆变单元，两象限设计，散入依靠电控箱冷却水道及自身冷却风扇。早期变频器使用电流环通讯，新变频器使用CAN总线通讯。输入电压为575V，调频范围为0-120Hz，牵引电机工频为90Hz。
变频器参数由中央控制器写入，更换变频器或牵引电机后不需要做电机识别。变频器不做任何参数设置可左右互换，新版本变频器可完全兼容旧版本变频器。
1.8 组态界面 采煤机显示计算机组态界面是人机交互的桥梁，组态界面的内容直接影响到人机交互的效果。久益采煤机组态界面包含控制器状态、遥控器状态、各电机启动状态等50多幅组态界面（不包含参数设置屏），可查看各电机启动逻辑、控制状态、牵引控制状态、传感器输入输出状态等。尤其是在电机启动逻辑图内将各信号反馈点也添加在组态界面内，将内部关键节点动作状态虚拟而又真实的反馈给使用者。人机交互界面大量的信息反馈有利于设备的使用维护，当设备出现故障时根据界面反馈信息可以快速、准确的确定设备故障。
1.9 数据上传
久益采煤机数据上传采用3.3kV电缆动力载波和光纤传输两种方式。
动力载波数据传输不能实现远距离传输，实际应用中受限较多。
光纤传输采用单独光纤，随采用军工级
1.10 技术资料
采煤机接线图原理图共8-10页，线号、电缆走向标识清楚，便于现场查阅;接线图内电气符号与电控箱内电气件安装位置基本一致，便于查看;线号标识采用等电位标注法，便于查阅。
LinkOne（图纸查看软件）图册有接线图、原理图、三维组装图、 技术服务手册（含介绍、显示界面、维护、遥控器、电气原理等详細技术资料）等技术资料便于客户使用。
1.11 电气附件
线号：控制线线号采用彩色EC数码管，不同数字有不同的颜色，长时间使用功能不会出现掉色，易区分，便于现场检修维护。
1.12 其他特点
电控箱盖板预留小盖板，打开后有USB接口，用于安装程序盘和数据盘，下载设备运行数据和跟新采煤机程序时，打开小盖板即可进行操作。
2 国产高端、高性能采煤机设计方向
高端、高性能采煤机能满足高产高效的千万吨矿井，设备设计、制造与全球领先的采掘设备对标，采掘性能做到持平甚至超越。高端、高性能采煤机应做到以下几点：
1）设备性能高端：采煤机采掘性能按照千万吨矿井需求设计，以采高4.5m左右采煤机为例，采煤机截深应达到850㎜，最大牵引力速度能达到16m/min甚至更高。
2）设备保护齐全：应有过流、漏电、过载保护;应有瓦斯超限、启动预警、遥控器坠落停机、遥控器配对识别、运输机闭锁、急停拉线开关、急停继电器、开关机械闭锁等保护，详见1.1电控系统保护功能。
3）设备运行稳定：光有高端的性能、齐全的保护并不能满足使用要求，高端、高性能的采煤机还需要有稳定的性能。抗震、耐高温的硬件选型;合理、齐全的保护逻辑及参数;合理的布局;控制线的选型、布局;施工工艺的要求。等等从硬件的选型、安装、到程序的编写无以不与设备的稳定性息息相关。
4）设备智能化高：高端高性能的采煤机还需有超高的智能化水平，煤层界面探测、设备可靠性分析、油样在线监测、震动检测、惯导系统应用、可视化开采、视觉识别、自动化操作等等先进技术的应用。
3结束语
2019年9月，由神东煤炭集团和西安煤矿机械有限公司合作开发的MG1100/3030-GWD 8.8m超大采高采煤机在神东上湾煤矿投入试用，投产以来单日单产最高达6.02万吨，创造了单日生产原煤的新纪录，设备的采掘性能、稳定性、可靠性与进口采煤机相差无几。这标志着也国产高端、高性能采煤机自主研发创新又向前迈了一步。
煤机电控系统的硬件选型、内部布局、安装方式、保护功能、人机界面等与采煤机的采掘性能、运行的稳定性、维护量等息息相关，通过对久益采煤机电控系统特点的分析及国产高端、高性能设计方向的观点希望能为国产高端、高性能采煤机设计起到抛转引玉的作用。
参考文献：
[1]《久益采煤机技术-JNA FaceBoss 演示》
[2]《久益采煤机技术-电气回路》
[3] JOY 7LS7型长臂采煤机电控系统的研究[J]. 李彬，张煜东，朱雪丹. 煤矿机电. 2016（01）
[4]杨于林，李彬，刘志明.Eickhoff SL1000型电牵引采煤机电控系统的研究[J].煤矿电，2017（02）：46-49.
[5]国外进口煤机电气控制技术研究.李彬; 黄克军; 韩磊; 李涛; 李鹏.煤炭绿色开发地质保障技术研究——陕西省煤炭学会学术年会（2019）暨第三届“绿色勘查科技论坛”论文集2019
[6]采煤机电控系统硬件总体设计.刘波.机械管理开发.2018-03-31
[7]电牵引采煤机电控系统的总体设计.赵炎.机械管理开发.2017-12-31
[8]采煤机电控系统模块化设计分析.赵云雷.中小企业管理与科技（下旬刊）2017-03-25
[9]采煤机整体式电控箱箱体改进设计.徐少青; 李庆亮.煤矿机电2016-12-12
[10]采煤机电气系统硬件选型问题的分析.刘志明、任朋飞; 刘俊锋.煤矿机电2016-10-12
[11]薄煤层采煤机电控系统设计.韩志勇;陈仲库;刘扶今;李立辉;孔德宁.煤矿安全 2012-04-10
[12] 采煤机电控系统模块化设计.程千里; 梁鸿雁; 朱勇钢.能源技术与管理2011-12-28
作者简介：赵光瑞 （1984.11-），男，籍贯：陕西神木，2007年7月毕业于西北工业大学自动控制专业，学历：专科，现任国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司高端设备研发中心电气技术部经理。
关键词：采煤机;久益;电控系统
引言
采煤机电控系统的保护功能设计、电气件选型、人机交互设计、技术资料等对采煤机的性能、运行稳定性、使用维护等至关重要。本文对久益采煤机的保护功能、电控布局、硬件选型等方面进行了详细的分析，希望能对国产高端、高性能的采煤机设计起到抛砖引玉的作用。
1 久益采煤机电控系统介绍
1.1电控系统保护功能
久益采煤机有齐全的过流、漏电、过载、等保护。牵引变压器、控制变压器、变频器逆变单元设计熔断器。各回路均有三相电流互感器，实现过载、相位不平很等检测。电控系统有瓦斯超限、启动预警、遥控器坠落停机、遥控器配对识别、运输机闭锁、急停拉线开关、急停继电器、开关机械闭锁等保护，详细如下：
1.2电控箱结构及布局特点
久益采煤机各机型电控箱尺寸随采高增加，电控箱内部空间逐渐增大。电控箱设计均为一个腔体，有三个盖板。内部控制板使用螺栓固定，组装完成后形成高压、控制、本安三个腔体。电控箱内部一旦出现短路接地或相间短路往往导致大量备件损坏，造成较大损失。
电控系统电气备件根据功能安装在多个控制板上，控制板使用螺栓固定，只有少部分组件拆解、安装难度大。现场检修难度相对较小，且各控制板预留了较长的电缆束线，更利于现场检修。
采煤机电源电缆引入均采用电缆连接器引入电控箱，较电缆引入装置少量接线腔及穿墙端子，节省电控箱安装空间，安装、拆解相对简单。各电机电缆使用电缆引入装置未经过接线腔直接进入电控箱，与MA要求冲突，不符合我国MA要求。
1.3电气备件选型
久益采煤机电气备件多为定制备件集成化高，占用空间小，便于布局，如智能互感器，其集成电机三相电流、电机温度检测和电机接触器控制，将所有检测信号通过Interbus总线传输给中央控制器CCU，使用一个模块实现了电机的控制及所有的保护，集成化高、提交小，便于设备现场检修维护。
电控系统采用多回路、多种通讯方式，如采煤机中央控制器CCU，通讯协议支持Ethernet、RS-485 、RS-422、RS232、CANBus、Interbus、USB1.0，而且每种接口数量均大于1个。通讯回路在出现故障时，故障范围小，便于现场检修维护。
带程序备件程序存储在可拆装的存储介质内，如中央控制器程序存储在工业U盘内，显示计算机程序存储在工业CF卡内。当损坏更换时将原程序盘、程序卡连接上启动设备加载后即可运行，当程序更新或损坏时使用新的程序卡在现场加载即可运行。将程序与硬件分离设计实现相同硬件在不同设备使用时完全互换，同时避免现场使用计算机刷程序等复杂程序。及利于备件储备又利于设备出现问题时故障处理。
带通讯协议模块均设计有多个指示灯的备件，如内部数字量/模拟量输入输出模块RIO，其设计有6个指示灯，可显示5种通讯状态和电缆完好情况，通过查看故障指示灯可快速、准确的确定采煤机电控系统故障原因。
1.4传感器配置
电控系统所有传感器信号使用防护等级为IP67的快速插头电缆接入控箱外的2个GIO模块内，以通讯方式传输到控制器，接线少，故障率低，但破损后必须更换。
久益采煤机有左右摇臂温度、液压油温度、液压油油位、瓦斯、机身角度、速度、复位、摇臂角度、电缆拖架限位、水流压力等15个左右，液压系统无压力传感器，当齿轮泵反转时设备不能保护，传感器数量总体较少，限制设备智能化较多，但传感器数量少设备故障率低。
1.5接线方式
久益采煤机电控内部控制线使用成型电缆束线，功能模块之间用快速插头和端子排连接。使用快速插头接线快速、简单、可靠，使用接线端子排，便于故障排查，但故障率高。模块之间通讯束线预留长度大，便于现场故障排查。
使用电缆束线接线方式，可单独加工电缆束线，如在电控箱组装前完成钉板图（电缆束线加工图）并制作、检测，直接安装电缆束线可有效避免现场制作出现的各种问题，电控系统稳定性可大幅提升，减少设备故障率。
1.6 遥控器
遥控器有两种，分别为单向遥控器和双向遥控器。单向遥控器用于早期生产的采煤机，每台采煤机使用2种2件。双向遥控器用于最新机型，每台使用1种2件。
两种遥控器相比单向遥控器体积小、重量轻，操作轻松方便，但是无显示屏、左右不通用、电池不能更换。双向遥控器每台采煤机使用2件，有显示屏可显示煤机参数、电池可更换，有失重保护，左右互换，但是体积大、重量大（约1.4㎏）。
1.7 变频器
采煤机变频器设计均为一个整流、两个逆变单元，两象限设计，散入依靠电控箱冷却水道及自身冷却风扇。早期变频器使用电流环通讯，新变频器使用CAN总线通讯。输入电压为575V，调频范围为0-120Hz，牵引电机工频为90Hz。
变频器参数由中央控制器写入，更换变频器或牵引电机后不需要做电机识别。变频器不做任何参数设置可左右互换，新版本变频器可完全兼容旧版本变频器。
1.8 组态界面 采煤机显示计算机组态界面是人机交互的桥梁，组态界面的内容直接影响到人机交互的效果。久益采煤机组态界面包含控制器状态、遥控器状态、各电机启动状态等50多幅组态界面（不包含参数设置屏），可查看各电机启动逻辑、控制状态、牵引控制状态、传感器输入输出状态等。尤其是在电机启动逻辑图内将各信号反馈点也添加在组态界面内，将内部关键节点动作状态虚拟而又真实的反馈给使用者。人机交互界面大量的信息反馈有利于设备的使用维护，当设备出现故障时根据界面反馈信息可以快速、准确的确定设备故障。
1.9 数据上传
久益采煤机数据上传采用3.3kV电缆动力载波和光纤传输两种方式。
动力载波数据传输不能实现远距离传输，实际应用中受限较多。
光纤传输采用单独光纤，随采用军工级
1.10 技术资料
采煤机接线图原理图共8-10页，线号、电缆走向标识清楚，便于现场查阅;接线图内电气符号与电控箱内电气件安装位置基本一致，便于查看;线号标识采用等电位标注法，便于查阅。
LinkOne（图纸查看软件）图册有接线图、原理图、三维组装图、 技术服务手册（含介绍、显示界面、维护、遥控器、电气原理等详細技术资料）等技术资料便于客户使用。
1.11 电气附件
线号：控制线线号采用彩色EC数码管，不同数字有不同的颜色，长时间使用功能不会出现掉色，易区分，便于现场检修维护。
1.12 其他特点
电控箱盖板预留小盖板，打开后有USB接口，用于安装程序盘和数据盘，下载设备运行数据和跟新采煤机程序时，打开小盖板即可进行操作。
2 国产高端、高性能采煤机设计方向
高端、高性能采煤机能满足高产高效的千万吨矿井，设备设计、制造与全球领先的采掘设备对标，采掘性能做到持平甚至超越。高端、高性能采煤机应做到以下几点：
1）设备性能高端：采煤机采掘性能按照千万吨矿井需求设计，以采高4.5m左右采煤机为例，采煤机截深应达到850㎜，最大牵引力速度能达到16m/min甚至更高。
2）设备保护齐全：应有过流、漏电、过载保护;应有瓦斯超限、启动预警、遥控器坠落停机、遥控器配对识别、运输机闭锁、急停拉线开关、急停继电器、开关机械闭锁等保护，详见1.1电控系统保护功能。
3）设备运行稳定：光有高端的性能、齐全的保护并不能满足使用要求，高端、高性能的采煤机还需要有稳定的性能。抗震、耐高温的硬件选型;合理、齐全的保护逻辑及参数;合理的布局;控制线的选型、布局;施工工艺的要求。等等从硬件的选型、安装、到程序的编写无以不与设备的稳定性息息相关。
4）设备智能化高：高端高性能的采煤机还需有超高的智能化水平，煤层界面探测、设备可靠性分析、油样在线监测、震动检测、惯导系统应用、可视化开采、视觉识别、自动化操作等等先进技术的应用。
3结束语
2019年9月，由神东煤炭集团和西安煤矿机械有限公司合作开发的MG1100/3030-GWD 8.8m超大采高采煤机在神东上湾煤矿投入试用，投产以来单日单产最高达6.02万吨，创造了单日生产原煤的新纪录，设备的采掘性能、稳定性、可靠性与进口采煤机相差无几。这标志着也国产高端、高性能采煤机自主研发创新又向前迈了一步。
煤机电控系统的硬件选型、内部布局、安装方式、保护功能、人机界面等与采煤机的采掘性能、运行的稳定性、维护量等息息相关，通过对久益采煤机电控系统特点的分析及国产高端、高性能设计方向的观点希望能为国产高端、高性能采煤机设计起到抛转引玉的作用。
参考文献：
[1]《久益采煤机技术-JNA FaceBoss 演示》
[2]《久益采煤机技术-电气回路》
[3] JOY 7LS7型长臂采煤机电控系统的研究[J]. 李彬，张煜东，朱雪丹. 煤矿机电. 2016（01）
[4]杨于林，李彬，刘志明.Eickhoff SL1000型电牵引采煤机电控系统的研究[J].煤矿电，2017（02）：46-49.
[5]国外进口煤机电气控制技术研究.李彬; 黄克军; 韩磊; 李涛; 李鹏.煤炭绿色开发地质保障技术研究——陕西省煤炭学会学术年会（2019）暨第三届“绿色勘查科技论坛”论文集2019
[6]采煤机电控系统硬件总体设计.刘波.机械管理开发.2018-03-31
[7]电牵引采煤机电控系统的总体设计.赵炎.机械管理开发.2017-12-31
[8]采煤机电控系统模块化设计分析.赵云雷.中小企业管理与科技（下旬刊）2017-03-25
[9]采煤机整体式电控箱箱体改进设计.徐少青; 李庆亮.煤矿机电2016-12-12
[10]采煤机电气系统硬件选型问题的分析.刘志明、任朋飞; 刘俊锋.煤矿机电2016-10-12
[11]薄煤层采煤机电控系统设计.韩志勇;陈仲库;刘扶今;李立辉;孔德宁.煤矿安全 2012-04-10
[12] 采煤机电控系统模块化设计.程千里; 梁鸿雁; 朱勇钢.能源技术与管理2011-12-28
作者简介：赵光瑞 （1984.11-），男，籍贯：陕西神木，2007年7月毕业于西北工业大学自动控制专业，学历：专科，现任国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司高端设备研发中心电气技术部经理。