礦用卷纜車自動跟車系統(tǒng)

潘洪濤，黨海霞

（遼寧瀚石機械制造有限公司，遼寧 阜新 123000）

露天礦用大型機電設備如電鏟等需要遠距離供電提供電能使設備運轉(zhuǎn)工作，電鏟在露天礦場地內(nèi)移動時與供電電源距離不斷變化，卷纜車用于連接電鏟與供電電源，后方滾筒纏繞電纜，前方電纜接頭與電鏟連接，電鏟移動時卷纜車跟隨同步移動，后方滾筒滾動釋放或者纏繞電纜同時為前方電鏟供電，使電鏟移動時保護電纜，防止損壞發(fā)生安全事故。通常卷纜車跟隨前方電鏟移動為人工操作，卷纜車操作工手動控制操作面板上的按鈕控制卷纜車前進后退，保持卷纜車與電鏟之間的電纜不被拉伸損壞或者電鏟壓到電纜損壞發(fā)生安全事故，為了解決人工操作強度大，誤操作或者操作不當損壞電纜，研究使用自動控制的方式使卷纜車自動跟隨前方電鏟移動，使之一直保持規(guī)定的安全距離，操作工只需要負責監(jiān)控工作。

自動跟車系統(tǒng)的實現(xiàn)有多種方式，如GPS 定位跟蹤，距離傳感器控制跟蹤等，本系統(tǒng)研究使用機械與控制相結(jié)合的方式，使用鋼絲繩連接傳感器，通過PLC 控制卷纜車自動跟隨前方電鏟移動，控制方式簡單方便，安全可靠[1]。

1 自動跟車系統(tǒng)的原理

1.1 鋼絲繩連接傳感器的方式

自動跟車系統(tǒng)連接原理圖如圖1。卷纜車與電鏟之間通過鋼絲繩、拉力傳感器、彈簧拉伸裝置組成，卷纜車上有2 根鋼絲繩拉點，拉出鋼絲繩與卷纜車成45°拉出，在中心點連接，每根鋼絲繩上連接1個板環(huán)式拉力傳感器，2 根鋼絲繩的交點連接1 根鋼絲繩與前方電鏟連接[2]，鋼絲繩中間連接1 個彈簧拉伸裝置。

圖1 自動跟車系統(tǒng)連接原理圖

1）鋼絲繩。鋼絲繩選用規(guī)格7×19，直徑10 mm的304 不銹鋼材質(zhì)，參考質(zhì)量每100 m 38.1 kg，載物安全質(zhì)量1 772.8 kg，最大載重5 318.4 kg。304 不銹鋼材質(zhì)具有耐腐蝕，防銹等優(yōu)點，在大型露天礦山內(nèi)長期使用時不生銹，使用壽命長。

2）板環(huán)式拉力傳感器。板環(huán)式拉力傳感器選用NTJL-7 高精度拉力傳感器，額定拉力值2 t，該傳感器具有精度高，長期穩(wěn)定性好，中航應變片性能可靠等優(yōu)點，使用40Cr 合金鋼材質(zhì)，抗機械疲勞性強，可雙向承載，安裝方便，廣泛用于各種吊鉤秤、港口、碼頭、起重超載保護設備等，可搭配顯示儀表、變送器、無線接收器使用，傳感器屬于成熟產(chǎn)品，經(jīng)過多年的改進經(jīng)驗，穩(wěn)定輸出，信號穩(wěn)定，抗干擾能力強，做工精細，采用先進的打磨技術(shù)，設計平整，2 個板環(huán)孔徑安裝簡便，可配卸扣使用，量程20～2 000 kN，工作溫度-20～+65 ℃，綜合精度（0.03%～0.05%）FS，靈敏度2.0 mV/V，蠕變±0.02%FS/30 min，零點輸出±1%FS，供橋電壓10 VDC，零點溫度影響±0.02%FS/10 ℃，輸出溫度影響±0.02%FS/10 ℃，輸入阻抗（380±10）Ω，輸出阻抗（350±3）Ω，絕緣電阻大于5 000 MΩ，安全過載150%FS。

3）彈簧拉伸裝置?？紤]前方電鏟行走后卷纜車遲延誤差動作，設計彈簧拉伸裝置，保護鋼絲繩不被拉伸損壞，彈簧拉伸裝置由前耳座、拉板、外筒、中心軸、彈簧、擋板、后耳座等組成，設計采用壓縮彈簧的方式，具有性能可靠，壽命長等優(yōu)點，彈簧設計自由長度1 m，壓力1 t 時壓縮距離500 mm，彈性系數(shù)200 N/cm，彈簧外徑為100 mm，彈簧鋼絲直徑為14.62 mm，端部結(jié)構(gòu)形式并緊磨平，旋向右旋，總?cè)?shù)185.6 圈，有效圈數(shù)183.6 圈，強化處理采用立定處理，拋丸強度0.3～0.45 A，表面覆蓋率大于90%，表面處理采用清洗上防銹漆，制造技術(shù)按照GB/T 1 239.2 二級精度制造。外筒采用直徑為114 mm，厚4 mm 的無縫鋼管，兩側(cè)采用擋板連接，中心軸直徑為30 mm，軸另一側(cè)與擋板連接，用于拉伸彈簧，鋼絲繩連接兩側(cè)耳座，彈簧拉伸裝置起到伸縮的作用[3]。

1.2 自動跟車系統(tǒng)的原理

自動跟車系統(tǒng)采用鋼絲繩連接的板環(huán)式拉力傳感器檢測拉伸力，反饋到PLC 可編程控制器，由PLC 可編程控制器輸出控制行走部行走，行走部由兩側(cè)變頻調(diào)速電機分別驅(qū)動履帶行走，變頻電機速度由變頻器控制，由于考慮卷纜車可跟隨前方電鏟直線行走和轉(zhuǎn)彎，每個履帶式行走部由1 個拉力傳感器反饋信號單獨控制，前方電鏟直線行走時2 個拉力傳感器受力一樣，對應的兩側(cè)行走部行走速度一致保持直線行走，當前方電鏟轉(zhuǎn)彎行走后2 個拉力傳感器受力1 個大1 個小，這樣受力大的拉力傳感器對應的行走部速度快，受力小的拉力傳感器對應的行走部速度慢，起到了轉(zhuǎn)彎的作用，當轉(zhuǎn)到直線行走時兩側(cè)拉力傳感器受力一樣時又保持直線行走，這樣不斷地變化控制，使得卷纜車一直保持規(guī)定的距離跟隨前方電鏟行走，拉力傳感器檢測到拉力信號后反饋PLC 控制器再由控制器控制行走部行走過程會產(chǎn)生延遲誤差，誤差的期間彈簧拉伸裝置拉伸變形，保證鋼絲繩不被拉伸損壞，當拉力傳感器拉力值大于規(guī)定的數(shù)值時報警器報警，提醒操作工注意，前方電鏟倒車時，拉力傳感器檢測拉力小于規(guī)定值時，卷纜車兩側(cè)行走部以規(guī)定的速度同速后退，使得前方電鏟前進后退都保持在規(guī)定的距離，場地受限或者自動控制無法滿足需求時，操作工切換到手動操作模式，人工控制卷纜車前進后退，手動操作模式時，拉力傳感器大于規(guī)定數(shù)值時，報警器報警，同時自動進入保護模式自動跟進前方電鏟行走保證鋼絲繩不被拉伸損壞[4]。

正常工作時卷纜車行走切換到自動模式，當前方電鏟起步直線行走時彈簧拉伸裝置拉伸10 mm時，根據(jù)計算得鋼絲繩拉力200 kg，通過圖1 進行受力分析可知2 個拉力傳感器各受拉力140 kg，拉力傳感器將模擬信號傳輸至PLC 可編程控制器，此時PLC 控制器發(fā)出模擬信號控制對應履帶行走部行走，行走速度5 m/min，彈簧拉伸裝置拉伸20 mm 時拉力值為400 kg，2 個拉力傳感器各受拉力280 kg，此時PLC 控制履帶行走速度10 m/min，當彈簧拉伸裝置拉伸30 mm 時拉力值600 kg，此時報警器報警同時卷纜車以最大的行走速度行走。拉力傳感器拉力值為10～100 kg 時卷纜車以對應的分區(qū)段速度逐漸加速后退，傳感器拉力值100～200 kg 時行走部停止。前方電鏟轉(zhuǎn)彎時，2 個拉力傳感器受力將發(fā)生變化，遠離電鏟一側(cè)的拉力傳感器拉力值變大，離近一側(cè)的拉力傳感器拉力值減小，通過PLC 控制器輸出控制卷纜車兩側(cè)的行走部速度不一樣實現(xiàn)跟隨轉(zhuǎn)彎行走。當切換到手動模式時，人工控制卷纜車前進使鋼絲繩松弛時，此時拉力傳感器拉力值雖然小于100 kg，但是卷纜車不會進行后退，當鋼絲繩拉力值大于600 kg 時控制器控制揚聲器發(fā)出警報并強制進入保護模式，此時卷纜車以最大速度前進，當小于100 kg 時又恢復手動模式[5]。

2 控制系統(tǒng)電氣部分

2.1 變頻調(diào)速電機控制系統(tǒng)

左右履帶行走分別采用1 臺3G3JV 型號變頻器，電壓380 V，變頻器主要由整流、濾波、逆變、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。應用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，改變電機工作頻率，從而起到降低功耗，減少損耗，延長設備使用壽命等作用。使用變頻器對電機有很多好處，容易維護籠型感應電動機，并且可直接使用原有感應電動機，不必改造機械和驅(qū)動系統(tǒng)，提高機械功能率。

變頻器具有電流保護、電壓保護、高溫保護、過載保護、缺相保護、功率模塊保護6 大保護功能，IGBT 核心模板線路板采用專用保護漆，防塵、防污耐堿，讓變頻器性能更加穩(wěn)定，使用壽命更長。外殼具有多孔散熱，更好的保護變頻器和電器，面板全新升級，簡單明了，一鍵運行，一鍵停止，人性化設計，面板可外接。變頻器最高頻率500 Hz，載波頻率1～16 kHz，根據(jù)負載特性自動調(diào)節(jié)載波頻率，輸入頻率分辨率數(shù)字設定0.01 Hz，控制方式V/F 控制，啟動轉(zhuǎn)矩P 型機130%，調(diào)速范圍1：50，穩(wěn)速精度±1%，過載能力G 型機150%額定電流60 s，P 型機130%額定電流60 s，直接制動頻率0 Hz～最大頻率，制動時間0～36.0 s，制動動作電流值0～100%，點動頻率范圍0 Hz～最大頻率，點動加減速時間0～300 s。簡易PLC 多段速運行，通過內(nèi)置PLC 或控制端子實現(xiàn)最多8 段速運行，內(nèi)置PID，可方便實現(xiàn)閉環(huán)過程控制系統(tǒng)，具有自動電壓調(diào)整功能，當電網(wǎng)電壓變化時，能自動保持輸出電壓恒定，有過流失速控制，對運行期間電流自動限制，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，保護變頻器正常運行，轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動功能，能夠順利啟動正在高速旋轉(zhuǎn)的電機，瞬時停電連續(xù)運行的功能，即使電網(wǎng)有短時間停電，也能保證無故障連續(xù)運行[6]。變頻器與PLC 接線圖如圖2。

圖2 變頻器與PLC 接線圖

2.2 變送器

拉力傳感器配合變送器使用，選用TBK1-24-V2 型變送器，變送器具有放大信號的功能，適合信號遠距離傳輸，可輸出4～20 mA、0～5 V、0～10 V 等電壓電流信號，可連接PLC 使用。該型號變送器除具有普通變送器的特點，還可以降低變頻器等產(chǎn)生的諧波干擾，具有良好的電磁耐受性（EMS），額定輸入±20 mV，額定輸出0～10 V，精度≤±0.1%FS，供電電壓10（12）～36 VDC，工作溫度-20～70 ℃，防護等級IP65，外形尺寸158 mm×100 mm×65 mm。

2.3 控制器

控制器選用FX3U 第3 代微型PLC 可編程控制器，具備優(yōu)越的速度、容量、性能、功能的新型高性能機，大幅度強化了行業(yè)最高水平的高速處理及定位等內(nèi)置功能，控制規(guī)模16～256 點（基本單元：16/32/48/64/80/128 點），基本功能最大支持384 點的輸入輸出點數(shù)，程序內(nèi)存內(nèi)置了64K 的RAM 內(nèi)存，此外可以通過使用存儲器盒，將程序內(nèi)存變?yōu)榭扉W存儲器，運算指令除了浮點數(shù)、字符串處理指令以外，還具備了定坐標指令等豐富的指令，內(nèi)置RUN/STOP 開關(guān)，可以通過內(nèi)置開關(guān)進行操作，此外也可以從通用的輸入端子或外圍設備上發(fā)出RUN/STOP的指令，支持RUN 中寫入，通過計算機用的編程軟件，可以在可編程控制器RUN 時更改程序，內(nèi)置時鐘功能，可以執(zhí)行時間的控制。具備基本單元的輸入輸出高速處理功能，包括基本單元的輸入端子，高速輸入特殊適配器（FX3U-4HSX-ADP）的輸入端子，脈沖捕捉功能無需編寫復雜的程序，就可以獲取ON 寬度或是OFF 寬度較窄的信號，輸入中斷功能（帶延遲功能）通過ON 寬度，或是OFF 寬度最小5 μm（X000～X005）的外部信號可以優(yōu)先處理中斷子程序（還具備了定時器中斷、高度計數(shù)器中斷功能），脈沖輸出功能使用基本單元（晶體管輸出型）的輸出端子時，3 軸可同時輸出最高為100 kHz 的脈沖（開集電極輸出Y000、Y001、Y002），如果使用2 臺高速輸出特殊適配器FX3U-2HSY-ADP，4 軸可同時輸出最高為200 kHz 的脈沖（差動線性驅(qū)動輸出），可使用各種指令，方便地編寫程序，同時具備豐富的定位指令DSZR、ABS、DRVI、DRVA、PLSV、DVIT、TBL，通信網(wǎng)絡功能可以連接支持各種通信功能的功能擴展板，以及特殊適配器、特殊功能模塊，模擬量功能連接支持各種模擬量功能的特殊適配器和特殊功能模塊。根據(jù)設計要求及需要的輸入輸出點數(shù)，選用FX3U-32MR 型控制器[7]。

擴展模塊選用FX3U-4AD 和FX3U-4DA 各1臺連接在FX3U 可編程控制器上，是獲得4 通道的電壓/電流數(shù)據(jù)的模擬量特殊功能模塊，F(xiàn)X3U 可編程控制器上最多可連接8 臺，可以對各通道指定電壓輸入輸出、電流輸入輸出，A/D 轉(zhuǎn)換值保存在4AD的緩沖存儲區(qū)（BFM）中，通過數(shù)字濾波器的設定，可以讀取穩(wěn)定的A/D 轉(zhuǎn)換值，各通道中，最多可以存儲1 700 次A/D 轉(zhuǎn)換值的歷史記錄，F(xiàn)X3U-4AD 電源PLC 內(nèi)部供電5 VDC、110 mA，外部供電24 VDC、90 mA，模擬量電壓輸入0～10 VDC，分辨率電壓0.32 mV，綜合精度±0.3%～±1.0%，占用點數(shù)8點，F(xiàn)X3U-4DA 與FX3U-4AD 參數(shù)基本相同[8]。

3 PLC 控制系統(tǒng)

3.1 I/O 分配表

根據(jù)設計要求及需要的輸入輸出點數(shù)和各電氣元件的功能，設計I/O 分配表，PLC 完成設定任務，是通過這些輸入輸出點來與現(xiàn)場信息交換。I/O 分配表見表1。

表1 I/O 分配表

3.2 PLC 外部接線圖

根據(jù)I/O 分配表及選擇的PLC 控制器型號設計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，根據(jù)各輸入輸出點的作用及設計要求設計PLC 外部接線圖[9]，PLC 外部接線圖如圖3。

圖3 PLC 外部接線圖

3.3 PLC 梯形圖

使用GX Works2 軟件設計PLC 梯形圖，將所編寫的梯形圖程序進行編譯，通過上下位機的連接電纜把程序下載到PLC 中。剛編好的程序容易出現(xiàn)缺陷或錯誤，為了及時發(fā)現(xiàn)和消除程序中的錯誤，減少系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試的工作量，確保系統(tǒng)在各種正常和異常情況時都能做出正確的響應，需要進行離線測試，既不將PLC 的輸出接到設備上，在電腦上模擬測試。按照控制要求在指定輸入端輸入信號，觀察輸出指示燈的狀態(tài)，若輸出不符合要求，則查找原因，并排除之后重新測試，測試合格后再將PLC 連接到設備上[10]。

4 結(jié)語

礦用卷纜車自動跟車系統(tǒng)采用機電一體化設計理念，將機械與微電子技術(shù)有機結(jié)合，通過實現(xiàn)PLC控制器控制卷纜車自動跟隨前方車輛行走；控制系統(tǒng)簡單實用，采用機械與控制結(jié)合的方式安全可靠，降低了人工操作強度，同時避免人工操作失誤或者操作不當進而產(chǎn)生安全事故。礦用卷纜車自動跟車系統(tǒng)解決了目前比較普遍的人工操作礦用機械設備行走的問題，將自動行走提升了一個高度，使礦山智能化安全生產(chǎn)得到了進一步發(fā)展。