PLC 變頻式電纜卷盤在斗輪取料機(jī)中的應(yīng)用探索

麻進(jìn)云

（秦皇島港股份有限公司第七港務(wù)分公司，河北 秦皇島 066000）

秦皇島港是我國(guó)重要的能源輸出港，作為我國(guó)“北煤南運(yùn)”大通道的主樞紐港，公司擔(dān)負(fù)著東南沿海電煤船運(yùn)以及對(duì)外煤炭出口貿(mào)易的主要任務(wù)，年輸出煤炭占全國(guó)沿海港口下水煤炭總量的一半以上。斗輪取料機(jī)作為煤堆場(chǎng)重要的取運(yùn)設(shè)備，其設(shè)備完好率直接關(guān)系到煤炭輸運(yùn)量的問(wèn)題。目前，我公司港煤四期擴(kuò)容工程共有斗輪式取料機(jī)4 臺(tái)，其中，R8-1、R9-1、R9-2 取料機(jī)投產(chǎn)至今已投產(chǎn)使用14 年，面臨設(shè)備老化、技術(shù)陳舊且故障頻發(fā)的局面。2018 年，共停產(chǎn)檢修20 余次，其中，因電纜卷筒系統(tǒng)故障停機(jī)5 次。因此，針對(duì)斗輪取料機(jī)行走卷纜系統(tǒng)改造，進(jìn)行技術(shù)升級(jí)已成為我公司保障完成煤炭吞吐量任務(wù)中亟待解決的問(wèn)題。

1 目前的技術(shù)方案及典型故障分析

斗輪機(jī)用電纜卷筒主要技術(shù)形式有以下幾種：力矩電機(jī)式、磁滯式、變頻傳動(dòng)式等。目前，我公司煤四期擴(kuò)容斗輪取料機(jī)原有行走卷纜系統(tǒng)采用德國(guó)CAVOTEC 公司所生產(chǎn)的電纜卷筒。其主要結(jié)構(gòu)由電機(jī)、扭矩單元、卷筒、滑環(huán)箱、旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)、導(dǎo)纜器、光纖旋轉(zhuǎn)接頭、地面接線箱及動(dòng)力電纜等構(gòu)成，如圖1所示。該系統(tǒng)具有以下基本特征：（1）扭矩單元、馬達(dá)、滑環(huán)箱組裝比較緊湊，空間占用較小。（2）輸出扭矩根據(jù)工作或負(fù)載要求可調(diào)。（3）自動(dòng)剎車功能讓卷筒斷電時(shí)停止卷繞。（4）整個(gè)系統(tǒng)零部件較少，容易互換。（5）由傳統(tǒng)的鼠籠式法蘭安裝馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)

圖1 CAVOTEC 電纜卷筒機(jī)構(gòu)示意圖

該卷纜系統(tǒng)的扭矩單元是一套自鎖蝸輪減速系統(tǒng)，它具有減速比較大、結(jié)構(gòu)緊湊、力矩恒定等優(yōu)勢(shì)。但在生產(chǎn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，該型技術(shù)方案中扭矩單元輸出力矩比較固定，無(wú)法根據(jù)卷筒上排纜數(shù)量進(jìn)行所需力矩的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，極易造成取料機(jī)在行走過(guò)程中電纜受力不均，產(chǎn)生電纜受損現(xiàn)象。此外，由于該套扭矩單元對(duì)內(nèi)部油品要求較高，當(dāng)油品發(fā)生變質(zhì)時(shí)，很容易導(dǎo)致輸出力矩變小、卷筒工作時(shí)異常振動(dòng)等問(wèn)題。扭矩單元內(nèi)部摩擦盤使用過(guò)程中也存在不同程度的磨損，當(dāng)摩擦盤磨損到一定程度后，卷筒同樣會(huì)出現(xiàn)力矩不均、振動(dòng)異常的故障。

該卷筒采用水平多層排纜方式，卷纜過(guò)程中須保證導(dǎo)纜器定位準(zhǔn)確，鏈輪傳動(dòng)存在多邊形效應(yīng)（即運(yùn)動(dòng)不均勻性），長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生傳動(dòng)積累誤差，造成導(dǎo)纜器定位不準(zhǔn)確、卷筒排纜出現(xiàn)無(wú)序情況，同時(shí)，由于取料機(jī)作業(yè)環(huán)境較為惡劣，鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)中不可避免地會(huì)進(jìn)入煤塵等雜質(zhì)，導(dǎo)致鏈條及軸承磨損加劇，壽命縮減，造成鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)卡滯、卡死現(xiàn)象，對(duì)卷筒正確排纜造成不利影響。同時(shí)，由于擴(kuò)容堆取線長(zhǎng)度約為1000m，為保證取料機(jī)能夠正常使用，動(dòng)力電纜長(zhǎng)度需550 米以上，但在動(dòng)力電纜安裝過(guò)程中，存在整根電纜“擰勁”的情況，極易導(dǎo)致卷筒在卷纜過(guò)程中，電纜由于本身存在扭矩而發(fā)生側(cè)向滾動(dòng)，造成卷筒上電纜之間的間距排布不勻，由于水平多層排纜形式，卷筒在排纜過(guò)程中容易發(fā)生疊纜情況，繼而導(dǎo)致電纜放炮等嚴(yán)重故障，嚴(yán)重影響取料機(jī)正常作業(yè)。

近年來(lái)，R9-1 取料機(jī)在堆取線13 場(chǎng)7 垛以西進(jìn)行作業(yè)時(shí)，行走卷纜系統(tǒng)可以正常工作，但在行程較遠(yuǎn)的堆垛以東作業(yè)時(shí)，電纜卷筒表面的電纜已剩下不多，由于卷筒機(jī)構(gòu)自身的缺陷的存在，電纜在卷筒上將無(wú)序的進(jìn)行排布最終導(dǎo)致卷筒疊纜，此時(shí)，為了避免電纜出現(xiàn)更加嚴(yán)重的后果，需要人為干預(yù)并配合R9-1 取料機(jī)抵達(dá)13 場(chǎng)1 垛西重新進(jìn)行卷筒布纜。目前，港口生產(chǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻，取料機(jī)配煤計(jì)劃日漸增多，但鑒于R9-1 取料機(jī)行走卷纜系統(tǒng)存在的問(wèn)題，無(wú)法進(jìn)行13 場(chǎng)8/9/10垛的配煤作業(yè)，給生產(chǎn)帶來(lái)很大不便。

2 變頻式電纜卷盤技術(shù)方案及特點(diǎn)

PLC 變頻電纜卷盤系統(tǒng)主要由變頻電機(jī)、減速箱、卷盤、電控柜、旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)、導(dǎo)纜器、光纖旋轉(zhuǎn)接頭、地面接線箱及動(dòng)力電纜構(gòu)成，如圖2 所示。該系統(tǒng)是一種智能化的張力控制裝置，它通過(guò)內(nèi)部PLC 的信息處理，使電纜在卷繞過(guò)程中處于恒定的張力，避免了以往力矩恒定控制時(shí)張力變化對(duì)電纜造成的損傷。

圖2 PLC 變頻電纜卷盤機(jī)構(gòu)示意圖

PLC 變頻電纜卷盤采用變頻電機(jī)與齒輪減速箱為卷筒驅(qū)動(dòng)單元替代原卷筒蝸輪機(jī)構(gòu)的扭矩單元，通過(guò)安裝在電機(jī)上的編碼器來(lái)反饋電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速以便變頻器更加精確地控制電機(jī)的輸出力矩，安裝在電機(jī)上的制動(dòng)器用來(lái)進(jìn)行電纜卷盤的制動(dòng)，從而防止電纜滑落或松弛，極大地改善了原有卷筒扭矩單元依靠固定力矩控制卷纜對(duì)電纜造成的損傷，同時(shí)，也徹底避免了原有扭矩單元因其機(jī)械結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的電纜卷筒故障。

PLC 變頻電纜卷盤采用軸向單排形式的卷盤替代原有卷筒水平多層排纜方式，同時(shí)，采用固定式導(dǎo)纜器替代原有卷筒水平移動(dòng)式導(dǎo)纜器。考慮到卷盤直徑問(wèn)題，使用扁電纜替代原有圓電纜大幅度減小卷盤直徑，也避免了電纜安裝期間存在的自身擰勁的情況，從根本上杜絕原卷筒電纜出現(xiàn)無(wú)序排纜的情況。

新電纜卷盤的控制系統(tǒng)由PLC+變頻器組成。PLC負(fù)責(zé)收集現(xiàn)場(chǎng)反饋的各個(gè)參數(shù)并進(jìn)行處理后給變頻器輸出，通過(guò)改變變頻器的輸出來(lái)達(dá)到電纜恒張力的效果。電纜卷盤具有一套獨(dú)立完整的控制系統(tǒng)，和主機(jī)的PLC之間只有少量的數(shù)據(jù)交換，這樣既保證了電纜卷筒安全高效的運(yùn)行又減輕了主機(jī)PLC 的負(fù)擔(dān)，有利于整個(gè)取料機(jī)的安全運(yùn)行。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

通過(guò)對(duì)行走電纜卷筒系統(tǒng)改造，目前，我公司R9-1 取料機(jī)電纜卷筒運(yùn)行一切正常，改造至今未發(fā)生一起因電纜卷筒故障而停機(jī)，而且無(wú)法在13 場(chǎng)7 垛以東作業(yè)的問(wèn)題也迎刃而解，有效地保障了公司的正常生產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

PLC 變頻電纜卷盤不同于磁滯式、力矩電機(jī)式等傳統(tǒng)意義上的電纜卷筒，并且突破了傳統(tǒng)電纜卷筒的設(shè)計(jì)瓶頸，完全不受電纜的規(guī)格、卷繞長(zhǎng)度、移動(dòng)設(shè)備運(yùn)行速度及安裝高度等常規(guī)的限制。電纜卷筒的變頻器在閉環(huán)矢量（有速度傳感器矢量控制）下，選擇開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式，并通過(guò)厚度積分計(jì)算電纜卷盤的實(shí)際卷徑，準(zhǔn)確控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而保證電纜在卷盤上卷繞時(shí)，根據(jù)卷繞半徑變化而自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩調(diào)整（線性變化），保證電纜張力恒定，很大程度上保護(hù)了電纜。