低壓轉運平車電氣控制系統優化設計改進*

王嘉偉, 王玉成

(甘肅酒鋼集團 西部重工股份有限公司,甘肅 嘉峪關 735100)

0 引 言

電動轉運平車廣泛應用于冶金制造、風電制造、石油化工和機械加工等行業中。轉運平車一般采用380 V直接供電、36 V低壓軌道升壓380 V供電、直流供電及現場補償的驅動電源供電方式。目前各個企業普遍采用的是380 V電纜拖拽或者電纜卷筒直接供電方式。

通過調研發現,當前在線使用的轉運平車存在的主要問題有:制造廠家不一、備件選型不一。并且絕大多數企業使用的轉運平車都是以下三種模式:①380 V電纜拖拽直接供電;②電纜卷筒供電;③低壓軌道36 V供電,逆變380 V交流驅動電機供電。這三種供電方式投入成本較大,故障率較高。隨著工作節奏的日趨頻繁,在線使用的轉運平車存在的問題也日益突顯出來,它已不能完全滿足生產的需求。因此,轉運平車的電氣升級改造迫在眉睫。

筆者對50 t轉運平車低壓48 V蓄電池供電控制系統進行設計改造,并經過現場的實際使用和驗證,實現了低壓轉運平車的無級調速、遠程無線操控、自動定點停車。此設計解決了以往使用的轉運平車的設計缺陷,提高了轉運平車的使用壽命,在降低制造和維護成本上具有重要意義。

1 存在的問題及解決措施

以某公司在線使用的轉運平車為例進行分析,此轉運平車存在的主要問題如下。

(1) 380 V直接驅動供電的轉運平車在作業時,操作人員需要對電纜進行拖拽,若操作不當則會拉斷電纜,存在很大的安全隱患,需要維修人員經常包扎電纜或者更換新的電纜。

(2) 電纜卷筒供電,平車運行時電纜與地面時常有摩擦,卷筒容易損壞,需要經常維修卷筒。

(3) 低壓36 V軌道供電、逆變380 V驅動電機運行的平車需要安裝補償器給軌道補償電壓,此控制系統復雜,并且制造和維護成本都非常高,對維修人員的技能水平要求較高。

(4) 生產廠家制作的轉運平車控制系統各式各樣,備件規格和結構不同,存在備件沒有互換性,備件種類多、庫存量大的問題。

(5) 目前使用的轉運平車不能實現定點定位控制和停車,全部靠人工操作。這對操作者操作技能要求較高,在某些冶煉、澆鑄等區域需要精準定位停車時,很難實現。

2 直流48 V蓄電池低壓充電式轉運平車定點控制優點

蓄電池供電轉運平車是由蓄電池提供電源。蓄電池安裝在平車內部,電源經過電氣控制系統給直流牽引電機提供動力,實現平車啟動、停止、前進、后退、變速等功能。和其他結構的平車相比較,蓄電池轉運平車驅動方式的最大優點是可以脫離線纜的束縛,能在彎道、道岔上行駛,運轉間隔不受約束。并且蓄電池轉運平車可以遠程遙控操作,使用時更加方便,適用于較長時間運行的軌道運輸控制系統。該控制系統有如下特點。

(1) 選用無級調速電氣控制,標配無線遙控裝置和全自動智能充電系統。

(2) 蓄電池選用高性能牽引用蓄電池,大電流放電工況下仍保持較長工作時間。

(3) 與其他驅動方式的平車相比較,軌跡鋪設要求精度不高、成本低廉。

(4) 適用于任意載重量,能在彎道、道岔上行駛,運轉間隔不受約束。

(5) 定點定位遠程控制系統適用于冶煉、澆鑄等危險性較高、需要精準定位停車的場合。

(6) 直流有刷電機因存在集電環炭刷結構而在電機運行時易產生火花,特別是在高速時將產生嚴重的環火,進而產生無線電干擾。因此需要定期更換炭刷。由于更換炭刷的需要,電機只能采用開啟式防護形式,電機冷卻要進入電機內部,電機不宜適用于易燃易爆、有灰塵、泥濘、露天、潮濕場合。另外,有刷直流電機的運行效率低、使用電池容量大,電機體積大,防爆難度大,目前逐步淡出市場。

(7) 無刷直流電動平車電機啟動轉矩大(可達額定時的2～3倍)、啟動電流小(轉矩相同時啟動電流只有異步機的1/3)、無碳刷結構、體積小、動力大、效率高、無級調速、防護性能好、性價比高,可以延長電機的壽命,可顯著提高蓄電池的蓄駛里程,降低整車重量、降低造價。在選型時可以按正常運行時的功率選擇電機,不需要功率儲備,較好地解決了“大馬拉小車”的問題,可使電池容量減小,節省設備的投入費用,提高系統的運行效能。直流無刷電機是脈沖式用電,符合電池放電特性,不需要電池瞬間輸出大電流,防止電池瞬間虧電。與有刷直流電機或交流變頻電機相比,直流無刷電機一次充電可多跑10%～15%的里程,可使鉛酸電池使用壽命提高20%。無刷電機采用插入式稀土磁鋼,特別適合有顛簸、反復啟動、高速、大力矩起動、正反轉運行的需要。永磁無刷直流電機轉子具有強磁場,在滑行和制動狀態時發電效果好,不需要吸收電池電量勵磁(有刷直流電機或交流電機需要),能量回饋效果好,電制動效果好。電動平車電機采用進口含油高速軸承,免維護、可靠性高,可延長電機壽命[1]。

通過以上對比,低壓轉運平車選用直流永磁無刷電機是合理的。

3 低壓轉運平車電氣控制優化設計改進

以50 t 380 V直接驅動供電轉運平車為例,對以上存在的問題進行設計優化改進,升級改造控制系統需要達到的目的和控制要求如下。

(1) 通過自動控制實現現場定點定位停車及自動停車。

(2) 遠程安裝操作臺,通過觸摸屏遠程發射無線信號,實現轉運平車的任意控制。

(3) 電動轉運平車前后加裝雷達控制,遇到人員可以自動停車。

(4) 電控柜上加裝電池電量顯示表,遠程信號可以發射到觸摸屏上并被接收,技術人員可以隨時查看蓄電池電量情況。

(5) 轉運平車現場加裝無線遙控控制,按鍵數量選用16鍵,5點定位,需要16種運行情況,電壓等級選用DC24 V的安全電壓,可以實現本地遙控操作,極大地方便技術人員了解本地轉運工件的情況。

最終設計的低壓轉運平車電氣系統的主要備件參數如表1所列。

表1 低壓轉運平車電氣系統主要備件參數

4 轉運平車電氣控制優化改進措施

(1) 將原有50 t 380 V直接雙驅動的兩臺5 kW電機減速器全部拆除,選取型號為LZZ112B5-48V3.0-1500型直流永磁無刷制動三合一電機2臺作為驅動的主電機,驅動器選用LZMC-48V/3.0 kW型無刷電機控制器2臺作為電機的驅動控制器,蓄電池選用4塊NPG12-100Ah型組成48 V串聯系統,將蓄電池安裝到平車艙內。

(2) 平車側面安裝電器控制箱,箱內配套兩臺無刷電機控制器、PLC控制器、無線通訊接收器、總電源斷路器、接觸器等元器件、無極調速控制旋鈕等。

(3) 平車前后各安裝一臺雷達,當遇到人員或者障礙物時可自動停車,車體安裝一個蓄電池電量顯示器,用于顯示電量和缺電告警。

(4) 平車安裝一臺聲光報警器,它可跟隨車運行,起到運行警示作用。

(5) 現場操作安裝一臺無線遙控器,用于操控平車的運行、停止等功能。

(6) 車體下方一側安裝一個光電感應開關,并且在軌道邊安裝用于定點停車的定位塊,兩套原件配套運行,對平車的定位定點控制起到關鍵作用。

(7) 遠程安裝無線控制操作臺,可實現自動化遠程控制。自動化控制系統采用遠程觸摸屏,它可無線操控發射信號,并將信號遠程發射給接收系統,接收系統采用PLC無線器接收來實現主要模型的自動控制。觸摸屏上可實現所有功能的集中控制以及所有參數的集中顯示[2],觸摸屏顯示內容如表2所列。

表2 觸摸屏顯示功能

4.1 轉運平車電氣控制局部圖紙及控制程序

圖1、2分別為轉運平車的局部電氣原理圖及直流無刷電機驅動器局部設計圖。

圖1 低壓轉運平車局部控制原理圖

圖2 直流無刷電機驅動器局部設計圖

4.2 PLC程序控制的編程及電源系統、驅動器選型

此次低壓轉運平車的電氣升級改造采用的是觸摸屏與PLC無線遠程通訊遠程控制,采用RS485通訊協議,通過無線發射器和接收器實現遠程無線控制,并且在PLC程序里增加了大量的保護功能,如雷達遇人停車,定點定位停車、運行中隨操作工的生產要求任意運行,終端減速停車等功能,保證了轉運平車在作業工程中按照生產要求正常工作[3]。

在作業過程中,由于生產的需要,低壓轉運平車需要隨時變換平車的運行速度。平車運行前進、后退的速度可通過旋鈕進行調節,操作者只需旋轉旋鈕,就能達到加工工藝要求,操作非常簡單高效。在遠程操作上,觸摸屏上設置了速度輸入框,在觸摸屏上輸入平車運行的速度,就可以使平車在作業中按照速度要求工作,高效便捷。

供電電源蓄電池選用的是100 Ah的12 V電池4塊,組成串聯48 V供電,保證每天連續不間斷工作8 h的作業能力。充電樁選用指紋式平車專用充電器,充電平穩效率高,充電4 h即可充滿電量,并且充滿電量后自動斷電,保證了電池的使用壽命。

電機驅動器選擇YPD系列的驅動器,相對于原來YPC系列的驅動器,YPD系列體積非常小,重量輕,并且采用的是矢量控制技術,可以提供卓越的直流永磁無刷電機驅動控制性能,大幅度提升產品的過流能力和可靠性[4]。

5 應用效果及總結

按照上述電氣系統優化改進措施,某公司已經自行制作了2臺(套)低壓充電式轉運平車,并且升級改造了3臺380 V拖拽電纜供電的轉運平車,1臺卷筒供電的轉運平車,現場使用非常高效便捷。此次低壓充電式轉運平車對遠程控制和定點精準停車系統進行了電氣控制設計制造,保障了生產系統的良好運行,并且實現了本質化安全。與原來在線使用的轉運平車相比,所設計的平車具有操作簡便、檢修維護方便、安全可靠、備件庫存低等優點,同時此次制作和改造的成本比外部采購降低了35%左右。目前6臺(套)低壓充電式遠程定點控制轉運平車已全部投入使用,運行平穩順利,效果良好。