卷纜車自動收放纜系統設計

潘洪濤，王曦昉

（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工作，在有限的露天礦場地內，電鏟需要使用直徑60 mm 的電纜連接電源與電鏟，電鏟工作挖掘作業需要不斷的前進轉彎等移動場地作業，電纜就要跟隨電鏟設備不斷移動。電纜專用于高壓電遠距離傳輸線路，價格昂貴，工作過程中對電纜的保護特別重要，不但要避免漏電等安全事故的發生，還能降低電纜的損耗率，提高更換周期，節約成本。

卷纜車不但可以攜帶電纜到達指定地點工作，而且防止電鏟設備工作過程中軋壞電纜或者拖行電纜移動對電纜產生損壞。電鏟移動工作過程中卷纜車跟隨移動，卷纜車與電鏟之間線路一直架空移動，不會對電纜產生損壞。針對特定礦區，電鏟行走工作距離動力電源最大300 m，卷纜車卷纜最大長度300 m 可供電鏟工作生產時移動使用，工作過程中卷纜車不斷前進，卷纜滾筒跟隨轉動自動放纜，收纜時卷纜車后退，卷纜滾筒滾動將電纜依次排列整齊纏繞至卷纜滾筒上，以便跟隨電鏟生產移動或者攜帶電纜轉移場地[1]。

1 卷纜車主要結構及卷纜系統邏輯關系

1.1 卷纜車主要結構

1）卷纜滾筒。卷纜滾筒將直徑60 mm，長度300 m的電纜纏繞至滾筒上。滾筒直徑1 300 mm，長1 500 mm，每層電纜纏繞25 圈，總7 層。滾筒兩側擋板最大直徑2 300 mm，中心使用空心軸加兩側圓錐滾子軸承與滾筒臂連接，集電環位于滾筒內與空心軸中間，電纜輸出端從空心軸伸出，集電環在滾筒旋轉時使電纜可靠連接。滾筒由變頻三相異步電動機加減速機提供動力旋轉，進行電纜的收放作業[2]。

2）排線裝置。卷纜滾筒滾動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，滾筒轉動時排線器按照順序從左到右，再從右到左的往復運動，排線裝置使用往復絲桿，在絲桿轉向不變的情況下排線座可沿著往復絲桿來回往復運動，卷纜滾筒沿者同一方向轉動時排線裝置的轉動軸也沿著1 個方向轉動，不需要頻繁變更轉動方向，結構簡單，性能可靠。絲桿直徑60 mm，螺距60 mm，每轉動1 周排線座行走60 mm，排線座與絲杠通過滾珠連接，運行輕松平穩，排線座由座腳與座體組成，座體由上下左右4 個滾筒組成，電纜可沿者座體收放移動，對電纜外皮起到保護作用[3]。

3）壓線裝置。壓線裝置轉動軸心位于卷纜滾筒右上方，壓線臂長600 mm，以軸心旋轉擺動，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。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算出電纜纏繞層數，可以用于臨界值報警，同時不同的卷纜層數會改變卷纜的每周長度，卷纜車定速行走時每層卷纜對應不同的滾筒轉速才能使卷纜長度與行走距離同步，實現行走收放電纜同步工作，計算出不同的電纜層數可以通過控制器自動控制收放電纜的長度與行走的距離一致，以實現行走與收放電纜一鍵自動工作的過程[4]。

4）行走部。行走部采用履帶式行走，具有接地比壓低，礦區行走時不會壓陷路面出現行走困難等情況，牽引力大，深翻負重作業優勢明顯，通過性和爬坡能力超強等優點。動力部分由變頻三相異步電動機加減速機加制動器的形式組成，結構簡單，不會受到冬天低溫等影響，動力反應快，行走及時可靠[5]。

1.2 卷纜系統邏輯關系

卷纜滾筒收放電纜時需要將電纜1 圈1 圈1 層1 層的緊密排列的纏繞起來，電纜直徑60 mm，卷纜滾筒每轉動1 周電纜纏繞移動距離60 mm，往復絲桿螺距60 mm，只要絲桿轉速與卷纜滾筒同步旋轉，即可將電纜緊密整齊的排列纏繞在滾筒上，往復絲桿在旋轉方向不變的情況下可使排線器來回往復運動，絲桿旋轉方向與卷纜滾筒轉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，卷纜滾筒勻速旋轉時收放電纜的速度每層發生變化，卷纜車勻速行走時卷纜滾筒對每層電纜對應相應的不同轉速時才能使收放電纜速度與行走同步，控制器需要計算出電纜卷纜的層數控制卷纜的轉速實現收放電纜與行走的距離一致，層數通過壓線裝置角度傳感器反饋控制器后計算卷纜層數，考慮精度問題，每層對應的壓線角度控制偏差±2°，以補償壓線臂角度偏差引起層數計算錯誤，當計算出第0 層或超過第7 層時控制器將自動報警，并停止滾筒繼續旋轉防止損壞電纜產生事故。

卷纜車變速行走，計算出滾筒轉速與行走速度的邏輯關系，實現卷纜車行走時自動收放電纜的工作。以卷纜車行走速度10 m/min 計算出每層卷纜對應的卷纜滾筒的轉速，計算出這些數值后可以計算它們之間的邏輯關系，通過控制器處理后，卷纜車不同移動速度行走時，卷纜滾筒將以不同的對應速度旋轉進行卷纜工作，實現卷纜車行走時一鍵自動化收放電纜的工作。當不需要卷纜滾筒根據行走自動收放電纜時可以將按鈕調制分離狀態，行走和卷纜可單獨控制。卷纜系統邏輯關系見表1。

表1 卷纜系統邏輯關系表

2 控制系統電氣部分

2.1 變頻調速電機控制系統

1）行走部三相異步變頻電機變頻器。采用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、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。應用變頻技術與微電子技術，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，不必改造機械和驅動系統，提高機械功能率。該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，可根據負載特性自動調節載波頻率，輸入頻率分辨率數字設定0.01 Hz，控制方式V/F 控制，啟動轉矩P型機130%，調速范圍1∶50，穩速精度±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%～100.0%，點動頻率范圍0 Hz～最大頻率，點動加減速時間0～300.00 s。簡易PLC 多段速運行，通過內置PLC 或控制端子實現最多8 段速運行，內置PID，可方便實現閉環過程控制系統，具有自動電壓調整功能，當電網電壓變化時，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，轉速跟蹤再啟動功能，能夠順利啟動正在高速旋轉的電機，瞬時停電連續運行的功能，即使電網有短時間停電，也能保證無故障連續運行[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變頻器。采用3G3JV型號變頻器，電壓380 V，具體功能與上述三相異步變頻電機變頻器相同。

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4～20 mA，精度3‰。MCJS 系列角度傳感器通過感應安裝在傳感器轉軸一端的永久性磁鐵的平行磁場強度，測量出傳感器轉軸的絕對角度位置，測量角度范圍根據用戶需求可在0°～360°范圍內設定，輸出信號包括電流輸出、電壓輸出多種類型，具有反向保護，該系列角度傳感器8～28 V 的電源供電，具有反向保護功能。采用非接觸測量角度的方式使傳感器的耐用性取決于傳感器軸承，該型號角度傳感器使用優質軸承，保證了傳感器長期可靠使用。該特點使其成為替代接觸式角度傳感器，如導電塑料的絕佳產品。該系列角度傳感器具有較小的測量誤差±0.3°和較小的信號溫漂±60 μA，反向保護40 V，防護等級IP66。

2.3 控制器

根據輸入及輸出點數與控制方式，同時考慮后期加入新功能改造等問題，控制系統選擇FX2N-48MR，控制器控制規模48 點，內置8 K 容量的RAM存儲器，最大可以擴展到16 K，CPU 運算處理速度0.08 ms/基本指令，在FX2N 系列右側可連接輸入輸出擴展模塊和特殊功能模塊。FX2N 系列是PLCFX家族中的一個系列，有高速處理及可擴展大量滿足單個需要的特殊功能模塊，靈活和控制能力強，有功能很強的數字指令集，通過通信擴展板或特殊適配器可實現多種通信和數據鏈接，繼電器輸入24 點輸出24 點，該控制器具有系統配置靈活，編程簡單，高速的性能等特點[8]。

擴展模塊選用FX2N-2AD 和FX2N-4DA 2 種模塊，可用于2 點的模擬量輸入和4 點的模擬量輸出，輸入與輸出為4～20 mA 信號，其分辨率電流為1/1 000，電流值20 μA，總體精度1%，轉換速度6～15 ms，使模擬量輸出控制電機轉速。該模塊數字與模擬轉換特性可以調節，每個模塊占用8 個I/O 點，它們可被分配為輸入或輸出，使用FROM/TO 指令與PLC 進行數據傳輸[9]。

3 PLC 控制系統

1）I/O 分配表。根據設計要求及需要的輸入輸出點數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場信息交換，只有每個I/O 點代表不同的意思，才能區別不同現場情況，故要做點數分配。PLC 可編程控制器輸入與輸出繼電器對應元器件與作用，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。為了及時發現和消除程序中的錯誤，減少系統現場調試的工作量，確保系統在各種正常和異常情況時都能作出正確的響應，需要進行離線測試，即不將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，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 結語

設計了卷纜車自動收放纜系統，通過PLC 控制系統使電纜跟隨卷纜車自動行走進行自動收放電纜的工作，卷纜車跟隨電鏟等帶電設備移動作業，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