卷纜車自動(dòng)收放纜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘洪濤，王曦昉

（遼寧瀚石機(jī)械制造有限公司，遼寧 阜新 123000）

露天礦用大型機(jī)電設(shè)備如電鏟等需要遠(yuǎn)距離供電提供電能使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)工作，在有限的露天礦場(chǎng)地內(nèi)，電鏟需要使用直徑60 mm 的電纜連接電源與電鏟，電鏟工作挖掘作業(yè)需要不斷的前進(jìn)轉(zhuǎn)彎等移動(dòng)場(chǎng)地作業(yè)，電纜就要跟隨電鏟設(shè)備不斷移動(dòng)。電纜專用于高壓電遠(yuǎn)距離傳輸線路，價(jià)格昂貴，工作過程中對(duì)電纜的保護(hù)特別重要，不但要避免漏電等安全事故的發(fā)生，還能降低電纜的損耗率，提高更換周期，節(jié)約成本。

卷纜車不但可以攜帶電纜到達(dá)指定地點(diǎn)工作，而且防止電鏟設(shè)備工作過程中軋壞電纜或者拖行電纜移動(dòng)對(duì)電纜產(chǎn)生損壞。電鏟移動(dòng)工作過程中卷纜車跟隨移動(dòng)，卷纜車與電鏟之間線路一直架空移動(dòng)，不會(huì)對(duì)電纜產(chǎn)生損壞。針對(duì)特定礦區(qū)，電鏟行走工作距離動(dòng)力電源最大300 m，卷纜車卷纜最大長(zhǎng)度300 m 可供電鏟工作生產(chǎn)時(shí)移動(dòng)使用，工作過程中卷纜車不斷前進(jìn)，卷纜滾筒跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)放纜，收纜時(shí)卷纜車后退，卷纜滾筒滾動(dòng)將電纜依次排列整齊纏繞至卷纜滾筒上，以便跟隨電鏟生產(chǎn)移動(dòng)或者攜帶電纜轉(zhuǎn)移場(chǎng)地[1]。

1 卷纜車主要結(jié)構(gòu)及卷纜系統(tǒng)邏輯關(guān)系

1.1 卷纜車主要結(jié)構(gòu)

1）卷纜滾筒。卷纜滾筒將直徑60 mm，長(zhǎng)度300 m的電纜纏繞至滾筒上。滾筒直徑1 300 mm，長(zhǎng)1 500 mm，每層電纜纏繞25 圈，總7 層。滾筒兩側(cè)擋板最大直徑2 300 mm，中心使用空心軸加兩側(cè)圓錐滾子軸承與滾筒臂連接，集電環(huán)位于滾筒內(nèi)與空心軸中間，電纜輸出端從空心軸伸出，集電環(huán)在滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)使電纜可靠連接。滾筒由變頻三相異步電動(dòng)機(jī)加減速機(jī)提供動(dòng)力旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行電纜的收放作業(yè)[2]。

2）排線裝置。卷纜滾筒滾動(dòng)卷電纜過程中需要用排線裝置使電纜緊密整齊的纏繞在滾筒上，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)排線器按照順序從左到右，再?gòu)挠业阶蟮耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，排線裝置使用往復(fù)絲桿，在絲桿轉(zhuǎn)向不變的情況下排線座可沿著往復(fù)絲桿來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，卷纜滾筒沿者同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)排線裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸也沿著1 個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要頻繁變更轉(zhuǎn)動(dòng)方向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。絲桿直徑60 mm，螺距60 mm，每轉(zhuǎn)動(dòng)1 周排線座行走60 mm，排線座與絲杠通過滾珠連接，運(yùn)行輕松平穩(wěn)，排線座由座腳與座體組成，座體由上下左右4 個(gè)滾筒組成，電纜可沿者座體收放移動(dòng)，對(duì)電纜外皮起到保護(hù)作用[3]。

3）壓線裝置。壓線裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軸心位于卷纜滾筒右上方，壓線臂長(zhǎng)600 mm，以軸心旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，壓線棍直徑60 mm，壓線臂通過彈簧拉力使壓線滾一直緊貼著電纜滾動(dòng)。壓線裝置的主要作用是通過壓線臂的角度反饋給控制器計(jì)算出電纜纏繞層數(shù)，可以用于臨界值報(bào)警，同時(shí)不同的卷纜層數(shù)會(huì)改變卷纜的每周長(zhǎng)度，卷纜車定速行走時(shí)每層卷纜對(duì)應(yīng)不同的滾筒轉(zhuǎn)速才能使卷纜長(zhǎng)度與行走距離同步，實(shí)現(xiàn)行走收放電纜同步工作，計(jì)算出不同的電纜層數(shù)可以通過控制器自動(dòng)控制收放電纜的長(zhǎng)度與行走的距離一致，以實(shí)現(xiàn)行走與收放電纜一鍵自動(dòng)工作的過程[4]。

4）行走部。行走部采用履帶式行走，具有接地比壓低，礦區(qū)行走時(shí)不會(huì)壓陷路面出現(xiàn)行走困難等情況，牽引力大，深翻負(fù)重作業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯，通過性和爬坡能力超強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)力部分由變頻三相異步電動(dòng)機(jī)加減速機(jī)加制動(dòng)器的形式組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不會(huì)受到冬天低溫等影響，動(dòng)力反應(yīng)快，行走及時(shí)可靠[5]。

1.2 卷纜系統(tǒng)邏輯關(guān)系

卷纜滾筒收放電纜時(shí)需要將電纜1 圈1 圈1 層1 層的緊密排列的纏繞起來，電纜直徑60 mm，卷纜滾筒每轉(zhuǎn)動(dòng)1 周電纜纏繞移動(dòng)距離60 mm，往復(fù)絲桿螺距60 mm，只要絲桿轉(zhuǎn)速與卷纜滾筒同步旋轉(zhuǎn)，即可將電纜緊密整齊的排列纏繞在滾筒上，往復(fù)絲桿在旋轉(zhuǎn)方向不變的情況下可使排線器來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，絲桿旋轉(zhuǎn)方向與卷纜滾筒轉(zhuǎn)向一直保持一致即可完成收放電纜的工作。由于每層電纜纏繞的直徑不同，卷纜滾筒勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)收放電纜的速度每層發(fā)生變化，卷纜車勻速行走時(shí)卷纜滾筒對(duì)每層電纜對(duì)應(yīng)相應(yīng)的不同轉(zhuǎn)速時(shí)才能使收放電纜速度與行走同步，控制器需要計(jì)算出電纜卷纜的層數(shù)控制卷纜的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)收放電纜與行走的距離一致，層數(shù)通過壓線裝置角度傳感器反饋控制器后計(jì)算卷纜層數(shù)，考慮精度問題，每層對(duì)應(yīng)的壓線角度控制偏差±2°，以補(bǔ)償壓線臂角度偏差引起層數(shù)計(jì)算錯(cuò)誤，當(dāng)計(jì)算出第0 層或超過第7 層時(shí)控制器將自動(dòng)報(bào)警，并停止?jié)L筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)防止損壞電纜產(chǎn)生事故。

卷纜車變速行走，計(jì)算出滾筒轉(zhuǎn)速與行走速度的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)卷纜車行走時(shí)自動(dòng)收放電纜的工作。以卷纜車行走速度10 m/min 計(jì)算出每層卷纜對(duì)應(yīng)的卷纜滾筒的轉(zhuǎn)速，計(jì)算出這些數(shù)值后可以計(jì)算它們之間的邏輯關(guān)系，通過控制器處理后，卷纜車不同移動(dòng)速度行走時(shí)，卷纜滾筒將以不同的對(duì)應(yīng)速度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行卷纜工作，實(shí)現(xiàn)卷纜車行走時(shí)一鍵自動(dòng)化收放電纜的工作。當(dāng)不需要卷纜滾筒根據(jù)行走自動(dòng)收放電纜時(shí)可以將按鈕調(diào)制分離狀態(tài)，行走和卷纜可單獨(dú)控制。卷纜系統(tǒng)邏輯關(guān)系見表1。

表1 卷纜系統(tǒng)邏輯關(guān)系表

2 控制系統(tǒng)電氣部分

2.1 變頻調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)

1）行走部三相異步變頻電機(jī)變頻器。采用3G3JV型號(hào)變頻器，電壓380 V，變頻器主要由整流、濾波、逆變、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，改變電機(jī)工作頻率，從而起到降低功耗，減少損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等作用。使用變頻器對(duì)電機(jī)有很多好處，容易維護(hù)籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，并且可直接使用原有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，不必改造機(jī)械和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提高機(jī)械功能率。該變頻器具有電流保護(hù)、電壓保護(hù)、高溫保護(hù)、過載保護(hù)、缺相保護(hù)、功率模塊保護(hù)6 大保護(hù)功能，IGBT 核心模板線路板采用專用保護(hù)漆，防塵、防污耐堿，讓變頻器性能更加穩(wěn)定，使用壽命更長(zhǎng)。外殼具有多孔散熱，更好的保護(hù)變頻器和電器，面板全新升級(jí)，簡(jiǎn)單明了，一鍵運(yùn)行，一鍵停止，人性化設(shè)計(jì)，面板可外接。變頻器最高頻率500 Hz，載波頻率1～16 kHz，可根據(jù)負(fù)載特性自動(dòng)調(diào)節(jié)載波頻率，輸入頻率分辨率數(shù)字設(shè)定0.01 Hz，控制方式V/F 控制，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩P型機(jī)130%，調(diào)速范圍1∶50，穩(wěn)速精度±1%，過載能力G 型機(jī)150%額定電流60 s，P 型機(jī)130%額定電流60 s，直接制動(dòng)頻率0 Hz～最大頻率，制動(dòng)時(shí)間0～36.0 s，制動(dòng)動(dòng)作電流值0%～100.0%，點(diǎn)動(dòng)頻率范圍0 Hz～最大頻率，點(diǎn)動(dòng)加減速時(shí)間0～300.00 s。簡(jiǎn)易PLC 多段速運(yùn)行，通過內(nèi)置PLC 或控制端子實(shí)現(xiàn)最多8 段速運(yùn)行，內(nèi)置PID，可方便實(shí)現(xiàn)閉環(huán)過程控制系統(tǒng)，具有自動(dòng)電壓調(diào)整功能，當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時(shí)，能自動(dòng)保持輸出電壓恒定，有過流失速控制，對(duì)運(yùn)行期間電流自動(dòng)限制，防止頻率過流跳閘，有快速限流功能，最大限度減小過電流故障，保護(hù)變頻器正常運(yùn)行，轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動(dòng)功能，能夠順利啟動(dòng)正在高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，瞬時(shí)停電連續(xù)運(yùn)行的功能，即使電網(wǎng)有短時(shí)間停電，也能保證無故障連續(xù)運(yùn)行[6]。變頻器與PLC 接線圖如圖1。

圖1 變頻器與PLC 接線圖

2）卷纜滾筒三相異步變頻電機(jī)變頻器。采用3G3JV型號(hào)變頻器，電壓380 V，具體功能與上述三相異步變頻電機(jī)變頻器相同。

2.2 角度傳感器

角度傳感器選用MCJS-38BC 型高精度角度傳感器[7]，量程范圍0°～90°，電流信號(hào)4～20 mA，精度3‰。MCJS 系列角度傳感器通過感應(yīng)安裝在傳感器轉(zhuǎn)軸一端的永久性磁鐵的平行磁場(chǎng)強(qiáng)度，測(cè)量出傳感器轉(zhuǎn)軸的絕對(duì)角度位置，測(cè)量角度范圍根據(jù)用戶需求可在0°～360°范圍內(nèi)設(shè)定，輸出信號(hào)包括電流輸出、電壓輸出多種類型，具有反向保護(hù)，該系列角度傳感器8～28 V 的電源供電，具有反向保護(hù)功能。采用非接觸測(cè)量角度的方式使傳感器的耐用性取決于傳感器軸承，該型號(hào)角度傳感器使用優(yōu)質(zhì)軸承，保證了傳感器長(zhǎng)期可靠使用。該特點(diǎn)使其成為替代接觸式角度傳感器，如導(dǎo)電塑料的絕佳產(chǎn)品。該系列角度傳感器具有較小的測(cè)量誤差±0.3°和較小的信號(hào)溫漂±60 μA，反向保護(hù)40 V，防護(hù)等級(jí)IP66。

2.3 控制器

根據(jù)輸入及輸出點(diǎn)數(shù)與控制方式，同時(shí)考慮后期加入新功能改造等問題，控制系統(tǒng)選擇FX2N-48MR，控制器控制規(guī)模48 點(diǎn)，內(nèi)置8 K 容量的RAM存儲(chǔ)器，最大可以擴(kuò)展到16 K，CPU 運(yùn)算處理速度0.08 ms/基本指令，在FX2N 系列右側(cè)可連接輸入輸出擴(kuò)展模塊和特殊功能模塊。FX2N 系列是PLCFX家族中的一個(gè)系列，有高速處理及可擴(kuò)展大量滿足單個(gè)需要的特殊功能模塊，靈活和控制能力強(qiáng)，有功能很強(qiáng)的數(shù)字指令集，通過通信擴(kuò)展板或特殊適配器可實(shí)現(xiàn)多種通信和數(shù)據(jù)鏈接，繼電器輸入24 點(diǎn)輸出24 點(diǎn)，該控制器具有系統(tǒng)配置靈活，編程簡(jiǎn)單，高速的性能等特點(diǎn)[8]。

擴(kuò)展模塊選用FX2N-2AD 和FX2N-4DA 2 種模塊，可用于2 點(diǎn)的模擬量輸入和4 點(diǎn)的模擬量輸出，輸入與輸出為4～20 mA 信號(hào)，其分辨率電流為1/1 000，電流值20 μA，總體精度1%，轉(zhuǎn)換速度6～15 ms，使模擬量輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。該模塊數(shù)字與模擬轉(zhuǎn)換特性可以調(diào)節(jié)，每個(gè)模塊占用8 個(gè)I/O 點(diǎn)，它們可被分配為輸入或輸出，使用FROM/TO 指令與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[9]。

3 PLC 控制系統(tǒng)

1）I/O 分配表。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及需要的輸入輸出點(diǎn)數(shù)和各電氣元件的功能，設(shè)計(jì)I/O 分配表，PLC 完成設(shè)定任務(wù)，是通過這些輸入輸出點(diǎn)來與現(xiàn)場(chǎng)信息交換，只有每個(gè)I/O 點(diǎn)代表不同的意思，才能區(qū)別不同現(xiàn)場(chǎng)情況，故要做點(diǎn)數(shù)分配。PLC 可編程控制器輸入與輸出繼電器對(duì)應(yīng)元器件與作用，輸入繼電器分配表見表2 和輸出斷電器分配表見表3。

2）PLC 外部接線圖。PLC 的外部接線主要有工作電源線、接地線、輸入端接線和輸出端接線，PLC外部接線圖如圖2。

表2 輸入繼電器分配表

圖2 PLC 外部接線圖

3）PLC 梯形圖。使用GX Developer 軟件設(shè)計(jì)PLC 梯形圖，將所編寫的梯形圖程序進(jìn)行編譯，通過上下位機(jī)的連接電纜把程序下載到PLC 中。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除程序中的錯(cuò)誤，減少系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作量，確保系統(tǒng)在各種正常和異常情況時(shí)都能作出正確的響應(yīng)，需要進(jìn)行離線測(cè)試，即不將PLC 的輸出接到設(shè)備上，在電腦上模擬測(cè)試。按照控制要求在指定輸入端輸入信號(hào)，觀察輸出指示燈的狀態(tài)，若輸出不符合要求，則查找原因，并排除之后重新測(cè)試，測(cè)試合格后再將PLC 連接到設(shè)備上[10]。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了卷纜車自動(dòng)收放纜系統(tǒng)，通過PLC 控制系統(tǒng)使電纜跟隨卷纜車自動(dòng)行走進(jìn)行自動(dòng)收放電纜的工作，卷纜車跟隨電鏟等帶電設(shè)備移動(dòng)作業(yè)，有效防止了電纜拖拽等引起的電纜損壞。

表3 輸出斷電器分配表