李小平 李振林
中煤平朔集团有限公司 山西省朔州市 036000
摘要: 730E卡车数字化应用人机界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。人机界面不只是单纯的显示和控制而是帮助使用者更简单、更正确、更迅速的安全操作设备,了解设备性能也能使设备发挥最大的效能并延长使用周期。
关键词: 730E卡车 接触器 IGBT 人机接口 监控软件
一、730E卡车接触器故障
730E卡车使用的发动机为Komatsu SSA16V159，四冲程16缸，StatexⅢ驱动系统。
主要技术参数：[730E]
外形尺寸：12.8m×7.5m×6.3m
最大功率：2030马力[1492kW]
额定载重：186t
空车质量：138t
车箱容积：111m3
最大车速56km/h
730E卡车系列于1996年的推出2001年在安家岭露天矿投入使用，20年弹指一挥间高效服务于矿山建设。随着使用年限的增加，元件严重老化，工作性可靠性能显著下降，由于当时技术限制所带来的缺陷也愈加明显，制约设备高效运行，730E卡车接触器由于其控制的电路存在感性负载，因为电感的电流不会突变，开关断开瞬间，电磁能量需要靠断点产生自感高压来击穿空气维持电流，从而产生电弧，通过电弧的热能来释放能量，自感产生的高压大小由磁场的变化率决定的。所以负载的磁场能量越大，电弧就会越大。交流接触器触头间产生的电弧在电流过零时能自然熄灭，而直流电弧不存在这个自然过零点，只能靠拉长电弧和冷却电弧来灭弧。因此在同样的电气参数下，熄灭直流电弧比熄灭交流电弧要困难，直流灭弧装置一般比交流灭弧装置复杂。730E卡车接触器故障如下:
1、吸不上或吸力不足即触头已闭合而铁心尚未完全吸合故障
(1)．电源电压过低或波动太大
(2)．操作回路电源容量不足或发生断线、配线错误及控制触头接触不良
(3)．线圈断线或烧毁、机械可动部分被卡住、转轴生锈或歪斜
2、不释放或释放缓慢故障
(1)．触头弹簧压力过小
(2)．触头熔焊
(3)．机械可动部分被卡住，转轴生锈或歪斜
(4)．反力弹簧损坏
(5)．铁心极面有油污或尘埃粘着
(6)．E形铁心，当寿命终了时，因去磁气隙消失，剩磁增大，使铁心不释放
3、线圈过热或烧损故障
(1)．电源电压过高或过低
(2)．线圈额定电压与实际使用条件不符
(3)．线圈制造不良或由于机械损伤、绝缘损坏等
(4)．使用环境条件差，如空气潮湿、含有腐蚀性气体或环境温度过高
4、触头熔焊故障
(1)．操作回路电压过低
(2)．负载侧短路
(3)．触头弹簧压力过小
(4)．触头表面有金属颗粒突起或异物
(5)．机械上卡住，致使吸合过程中有停滞现象，触头停顿在刚接触的位置上
5、触头过热或灼伤故障
(1)．触头弹簧压力过小
(2)．触头上有油污或表面高低不平，有金属颗粒突起
(3)．环境温度过高或使用在密闭的控制箱中
(4)．工作电流过大，触头的断开容量不够
(5)．触头分离行程过小
730E卡车接触器如图2主要有5个(P1、RP1、RP2、MF、GF、),牵引逻辑接触器吸合顺序(P1、MF、GF、GFR) ；能耗制动逻辑接触器吸合顺序(RP1RP2、MF、GF、GFR) 。新型直流接触器以实现接触器无弧分断的功能，能实现无弧分断的电力电子器件IGBT模块、DC／DC器件等应用于直流接触器的主回路和控制回路。实现了无弧分断，避免了接触器触头受电弧烧蚀的影响，显著提高了接触器的电气寿命，无需频繁更换接触器触头，取消了传统接触器的灭弧机构；无弧分断，能够具有防火、防爆、绿色、安全、环保节能。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管，是一个三端器件，它拥有栅极G、集电极c和发射极E。IGBT的等效电路及符合如图1所示，IGBT由栅极正负电压来控制。当加上正栅极电压时，管子导通；当加上负栅极电压时，管子关断。IGBT具有和双极型电力晶体管类似的伏安特性，随着控制电压UGE的增加，特性曲线上移。开关电源中的IGBT通过UGE电平的变化，使其在饱和与截止两种状态交替工作。
.png)
IGBT是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，为世界公认的电力电子第三次技术革命的代表性产品，具有高频率、高电压、大电流，易于开关等优良性能，被业界誉为功率变流装置的“CPU”。是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
.png)
二、730E卡车数字化应用
730E 卡车监控软件GE OHV STATEX III 监控软件：监测和控制卡车的运行状态，记录卡车运行中的故障编码，并记录当时的故障数据（见表 1）；故障帧就是一副静止的画面，连续的帧就形成变化的数据，我们通常说帧数，简单地说，就是在1秒钟时间里传输的图片的帧数，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次，通常用fps(Frames Per Second)表示。每一帧都是静止的图象，快速连续地显示帧便形成了运动的假象。高的帧率可以得到更流畅、更准确的数据处理。每秒钟帧数 (fps) 愈多，所显示的数据就会愈流畅。730E 卡车没有实时数据记录, 历史数据回看,数据图形分析功能。730E卡车数字化应用人机接口不仅可以提升了设备生产效率，保障人员和设备安全而且大大降低了生产成本和工作人员的劳动强度，该系统将在矿山数字化建设发挥着重要的作用，同时满足卡调系统对采装运输设备数据的采集有助于分析矿山生产过程、优化矿山生产计划、挖掘生产潜力、追查事故原因、统计查询历史数据。
HMI是Human Machine Interface 的缩写，"人机接口"，也叫人机界面。人机界面(又称用户界面或使用者界面)是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介， 它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。连接可连接编程序控制器(PLC)、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元(如触摸屏、键盘、鼠标等)写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组
.png)
成。人机界面硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等，其中处理器的性能决定了HMI 产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于 HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件(如JB-HMI画面组态软件)。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作"工程文件"，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的"工程文件"下载到HMI的处理器中运行。人机界面产品的接口能力越来越强。除了传统的串行(RS232、RS422/RS485)通讯接口外，有些人机界面产品已具有网口、并口、USB口等数据接口，它们就可与具有网口、并口、USB口等接口的工业控制设备相连接，来实现设备的人机的交互。
.png)
人机结合面是人机系统中的中心一环节，主要由安全工程学的分支学科安全人机工程学去研究和提出解决的依据，并过安全工程设备工程学，安全管理工程学以及安全系统工程学去研究具体的解决方法手段措施安全人机学。它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。人机界面的基本作用可以实时的数据趋势显示——可以把设备运行实时数据实时显示在屏幕上，画面中以值输出的方式外，还可以以曲线的形式显示。数据记录储存——自动将设备运行数据储存于HMI储存器如(图3)，以便日后查看。历史数据趋势显示——把HMI储存器历史数据资料作可视化曲线呈现如(图4)。报表的产生与发送——能把生产资料转换成报表的格式，如设备运行时间，燃油使用情况，设备单班工作量，设备运行故障状态数据等通过HMI发送卡调系统平台。图形接口控制——操作者能够通过图形接口直接控制设备各个数字IO输出通道强制执行。警报的产生与记录——使用者可以定义一些设备运行状态警报产生的条件和警报级别。数字化是当今科技发展的前沿产业，这种技术正在慢慢渗透并改变着我们生活的方方面面。对于采矿行业来说，要走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型化工业道路，数字化、信息化是其发展的必然趋势。实现数字化矿山建设，综合考虑生产、经营、管理、环境、资源、安全和效益等各种因素，使矿山规划管理具有更高的效率、更多的信息量、更高的分析能力和准确性，从而提高矿山生产和管理的时效性、有效性、资源优化配置水平，促进矿山的可持续性发展，达到提高整体效益、市场竞争力和适应能力的目的。
综述:由于计算机硬件成本的降低，HMI产品将全部是彩色显示屏，屏的寿命也将更长。随着数字电路和计算机技术的发展，未来的人机界面产品在功能将越来越丰富由于其在体积和价格上的优势，随着其功能的进一步增强(如增加IO功能)，将在机械设备的人机交互应用中得到广泛应用。
参考文献:
1)DUMP TRUCK Pingshuo Anjialing Surface Coal Mine No.CNCDC-98-001
2)OHV DRIVE SYSTEMS GE手册
3)李华德 电力拖动控制系统［M］ 电子工业出版社
4)王孝武 现代控制理论基础［M］ 机械工业出版社
5)宋年秀 刘超 怎样检测汽车传感器［M］ 中国电力出版社
6)张宗根 黄庆元 微机原理与应用［M］ 陕西师范大学出版社
7)刘元安. 宽带无线接入和无线局域网［M］ 北京邮电大学出版社
8)邹 生，何新华. 物流信息化与物联网建设［M］ 电子工业出版社
作者简介：李小平(1983-)，山西朔州人，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，本科，主要从事煤矿设备管理、设备运行考核、设备材料计划管理、职业健康管理兼安全体系管理工作 .