翻車機驅動和電氣控制系統升級改造

劉文磊

摘要：本文是對國投曹妃甸港口有限公司翻車機系統故障進行統計分析，為了解決翻車機系統存在的問題，對翻車機驅動變頻器和電氣控制系統進行升級改造。

關鍵詞：翻車機;變頻器;控制系統

一、設備基本情況

國投曹妃甸港口有限公司起步翻車機是當下最大也是最先進的翻車機系統，此翻車機系統是四翻式O型翻車機，由兩個獨立的兩翻翻車機組成，通過嚴密的電氣控制實現兩組翻車機同步運行，在作業時，可以一次性翻卸四節車皮，兩組翻車機也可以單獨翻卸。這套翻車機系統從投產到現在已運行了12年，整個翻車機系統處于一個故障頻發的階段。

二、翻車機驅動系統升級

（一）翻車機驅動硬件升級

本次升級使用的西門子S120系列變頻器取代原有Simovert Master Drive系列變頻器。

1）逆變單元選型

所選型號 6SL3320-1TE33-8AA3 x 4直流母線額定輸入DC 510 - 720 V

名義額定功率（400V，50Hz） 200 KW

輸出電壓 380 VAC

額定電流 380 A

重載基準負載電流 555 A

過載能力 ? ?150%， 60 sec.

根據翻車電機參數， 配置逆變器的計算過程如下：翻車電機型號為： 1LG4 316-4AA60-Z， 數量4臺

電機數據如下：

額定功率： 160 kW，額定電壓：380V，額定電流：285 A，

額定轉速：1486rpm， 額定頻率：50Hz，功率因數：0.86，效率：93.8%

從電機數據可得：

電機功率160 kW， 在380 V 50Hz時的額定電流為285 A.

據要求折算實際單個電機的電流。計算過程如下：電機過載 1.8倍電流持續時間：5 s

Imax = 285 x 1.8 ≈ 513 A

額定總靜負載功率計算總靜負載電流（100%負載）IN-motor = PN-motro x 1000 / （√3 x UN x cos φx eff ）= 160 x 1000 / （1.732 x 380 x 0.938 x 0.86 ） ≈ 293 A

得出以下逆變器選型依據：

電機靜負載電流 293 A

電機負載最大電流 513 A

依據以上數據選配的逆變器型號為：

6SL3320-1TE33-8AA3 x 4

比較逆變器的能力和負載：

額定電流 INA = 380 A > 靜負載電流（100%負載）IN-motor = 293 A

1.5倍持續60秒過載電流 370 x 1.5 = 555 A > 負載最大電流 513 A

結論：上述所選的單個逆變器可以滿足起升單個負載的要求。

2）整流單元選型

型號： 6SL3330-7TE33-8AA3 （235 kW）

數量 4

額定輸入 3AC，380V – 480V

名義額定功率（400V，50Hz） 235 kW

額定電流 380 A

最大電流 570 A

翻車機電機額定功率： P = 160 kW

逆變單元額定功率： P = 200 kW

整流單元等效功率： P = 200 kW

等效進線電流： I = P x 1000 / （√3 x UN x cos φ）

= 200 x 1000 / （1.732 x 400 x 0.96 ） ≈ 300 A

翻車電動機峰值功率：

Pmotor-peak = 160 x 1.8 = 288 kW

整流單元短時最大功率為：

Pmax = Pmotor-peak / （ ηmotor *ηinv ） = 288/（0.938 * 0.96） ≈ 320 kW

整流進線電壓400 V時，整流單元所需最大電流為：Imax = Pmax * 1000 / （√3 * 400） = 462 A

得出以下整個整流單元選型依據：

整個整流單元等效進線電流 300 A

整個整流單元負載最大電流 462 A

整個整流單元所需的等效功率 200 kW

依據以上數據選配的整流型號為：

6SL3330-7TE33-8AA3 x 4

比較整個整流單元的能力和負載：

ALM額定進線電流IN =380 A>等效進線電流 300 A

ALM最大電流Imax = 570 A > 負載最大電流 462 A

ALM額定功率PN = 235 kW > 等效功率 200 kW

結論： 上述所選的ALM整流裝置滿足工藝要求

3） S120系列高性能變頻器擁有一整套功能完備的變頻柜體。主要包含以下幾個部分：

進線單元（LCM）： 進線單元是帶有主回路熔斷開關或主回路斷路器的網側進線裝置，用于工廠電網和整流單元之間的連接。

有源濾波單元（AIM）：有源濾波單元包含相關的電網凈化濾波器和直流母線預充電電路。

有源整流單元（ALM）：有源整流單元既可以給直流母線供電，也可以將再生能量返回電網。

逆變單元（SMM）：逆變單元將直流電能轉變成交流電能，驅動翻車機主體電機。

編碼器單元（SMC30）：編碼器單元采集電機尾部安裝的測速脈沖編碼器信號，并將轉換后的信號傳送給變頻器控制單元。

控制單元（CU320-2 DP）：控制單元通過 ProfiBus DP 網絡和PLC控制系統通信，PLC發送控制信號給變頻器，變頻器反饋裝置和電機的狀態信息給控制系統。

（二）上位機優化

將原有控制系統的SCADA升級為factory talk界面，在界面中增加下列功能：

1）通過圖形來顯示變頻設備的運轉狀態：

在畫面上顯示整個設備或部分傳動參數，通過數據、條形圖、顏色的變化等表現手法實時顯示過程狀態及過程值，通過點擊畫面上的設備，可以顯示傳動控制設備狀態。

2）變頻驅動運行趨勢記錄：

以圖形和曲線來顯示變頻驅動的電流、電壓、轉速時間變化，并通過X-Y趨勢圖記錄。

3）報警信息顯示與記錄：

對所發生的報警狀況進行一覽表顯示，顯示應包括報警時間、標記名稱、內容、級別、報警設定值等，且在上位機上能復位。

4）邏輯監視：

在人機界面上，對PLC和變頻器執行的控制邏輯狀態進行監視。技術人員可以通過畫面直觀看到變頻器當前運行邏輯狀態。

三、翻車機電氣系統改造

（一）電纜橋架和電纜選型及安裝

為了提高電纜橋架穩定可靠，橋架選型材質為304 不銹鋼，厚度不低于 2mm，全部橋架都安裝蓋板。橋架支架采用 150mm 熱浸鋅槽鋼，U 型結構，支架布局合理間距不超 1.5 米;支架采用焊接方式固定在翻車機主體上，全部焊縫做刷漆防腐處理。橋架三通、四通、彎頭等是成型產品;橋架表面光滑，合理布局橫梁。橋架與橋架、橋架與支架直接采用不銹鋼螺絲連接與固定。新電纜較原有電纜更耐用，性能更優。

（二）優化翻車機控制系統

由于現場環境惡劣，翻車機作業中的煤塵水霧嚴重影響檢測裝置的精度和可靠性。此次升級加裝接近式清車器回位檢測開關，接近式開關具有信號穩定，檢測可靠的優點，避免機損事故的發生，有效避免此類機損事故帶來的經濟損失和大大提高了設備穩定性和作業效率。

（三）翻車機控制系統模塊化設計

1）信號懸纜，分配單獨線芯為24V DC電源和COM公共端。信號電纜剩余線芯全部為PLC信號輸入點。

2）動力懸纜，每兩個芯驅動一個電磁閥，沒有用到的懸纜線芯也會設計有端子排接線，方便后期改造與維修。

3）全部端子排電源均采用專用端子短接片，保證每個端子只有一根線纜連接，降低故障率。

4）為全部電磁閥輸出設置獨立接地端子排，接線箱外殼和背板設計專用接線端子與接地電纜連接。

5）根據之前的地面控制箱的PLC信號規劃，集中每根懸纜功能，端子功能設計采用模塊化思路。

四、結語

翻車機驅動系統升級后，故障率明顯降低，變頻器參數直觀顯示在上位機，可以實時監控驅動狀態。相比2020年下半年，翻車機設備完好率得到顯著提高，沒有出現清車器檢測精準性問題引起機損事故，避免了由于機損事故引起的經濟損失。