俞 敏
(江西銅業(yè)集團有限公司 德興銅礦,江西 德興 334224)
目前國內(nèi)外大型礦用自卸卡車應(yīng)用領(lǐng)域擴大極快,電動輪自卸卡車市場份額絕大部分掌握在國外廠家手中,近10年以來陸續(xù)有國內(nèi)的重型裝備制造企業(yè)加入到大型礦用自卸卡車的制造行業(yè)中,但控制系統(tǒng)及主要總成件使用進口,附加值低的同時無自主知識產(chǎn)權(quán),屬于低端合作組裝階段。筆者從事進口電動輪礦用自卸卡車電氣維護工作,對控制系統(tǒng)的應(yīng)用及維護有一定的專業(yè)能力,應(yīng)用中對控制系統(tǒng)提出了一些改進方案并用于實踐,因此提出了礦用自卸卡車模塊化設(shè)計的想法。
國內(nèi)重型裝備制造企業(yè)在引進國外設(shè)備的同時,對其設(shè)計理念、新型材料、控制理論進行消化吸收,并形成了一定程度上的國產(chǎn)化開發(fā),目前中冶(京誠)湘潭重裝設(shè)備有限公司開發(fā)的MCC系列電動輪自卸卡車在結(jié)構(gòu)件、前后橋設(shè)計、液壓控制、整車布局上取得了比較好的效果。
但是,國內(nèi)礦用電動輪自卸卡車的制造只是圍繞在核心控制組件周邊進行配套系統(tǒng)的國產(chǎn)化開發(fā)應(yīng)用,沒有實現(xiàn)整體的控制系統(tǒng)國產(chǎn)化。本文從實現(xiàn)礦用卡車運行操作、動力傳動控制、輔助功能控制、故障報警、運行數(shù)據(jù)/故障數(shù)據(jù)保存及下載方面討論了一個總體的構(gòu)成,把這些功能通過模塊化設(shè)計方法綜合在一起,各功能模塊通過數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)通訊,并實現(xiàn)在顯示終端進行參數(shù)設(shè)置、故障查詢、故障復(fù)位、實時數(shù)據(jù)查看功能。
電動輪自卸卡車控制系統(tǒng)多數(shù)采用美國通用電氣公司產(chǎn)品,其從1963年開始生產(chǎn)的采用直流電動機驅(qū)動的電氣控制系統(tǒng),之后廣泛應(yīng)用于世界各地的大型露天礦山的重型卡車上,電氣控制系統(tǒng)也在應(yīng)用中逐步升級,歷經(jīng)了繼電器邏輯、固態(tài)邏輯、微處理器邏輯到目前的交流調(diào)速系統(tǒng)。
電動輪自卸卡車采用交—直—直傳動。柴油發(fā)動機(康明斯或MTU發(fā)動機,2050HP@1900RAM)通過減震飛輪為直接耦合的交流發(fā)電機提供驅(qū)動扭矩,牽引電動機采用內(nèi)置減速齒輪系、鉗式制動器結(jié)構(gòu)。
發(fā)電機輸出分三部分:基波繞組為三相交流輸出經(jīng)三相全橋整流后為二臺串聯(lián)的牽引電動機電樞提供直流電源;一組三次諧波繞組為單相交流輸出經(jīng)單相橋式半控整流為牽引電動機提供磁場電源;另一組三次諧波繞組為單相交流輸出經(jīng)單相橋式半控整流為發(fā)電機自身提供磁場電源。
卡車二臺串聯(lián)的驅(qū)動電動機采用控制磁場電流方向?qū)崿F(xiàn)卡車運行方向的控制。
礦用自卸卡車電控系統(tǒng)的控制功能分兩部分,一是傳動控制,一是輔助功能控制。動力傳動控制的核心是靜態(tài)勵磁控制系統(tǒng),包含牽引時牽引基準(zhǔn)、功率基準(zhǔn);制動時的制動基準(zhǔn);車輛運行方向改變的控制;卡車速度信號的接收及速度事件的控制等等。美國通用電氣的早期I型靜態(tài)勵磁控制系統(tǒng)是由勵磁盤FL191作用的,通過各種接觸器、繼電器的控制來實現(xiàn)對自卸卡車在牽引工況及制動工況時主發(fā)電機和電動機的勵磁電流進行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。II型靜態(tài)勵磁控制系統(tǒng)是由勵磁盤FL191作用的,通過各種接觸器、繼電器和邏輯盤FL236的控制來實現(xiàn)對自卸卡車在牽引工況及制動工況時主發(fā)電機和電動機的勵磁電流進行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。III型系統(tǒng)則是由計算機管理的、通過對各種接觸器、繼電器的控制來實現(xiàn)對自卸卡車在牽引工況及制動工況時對主發(fā)電機和電動機的勵磁電流進行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。
III型系統(tǒng)各種基準(zhǔn)的建立固化在卡車微處理器程序當(dāng)中,外部功能組件與II型卡車相同,對勵磁控制系統(tǒng)輸入的外部信號、輸出的控制信號基本相同。
2.2.1 動力傳動控制
自卸卡車的傳動控制分牽引時發(fā)電機的恒功率控制及動態(tài)電氣制動時驅(qū)動電動機的勵磁控制二部分。
在牽引工況下,為了主發(fā)電機的輸出功率與發(fā)動機相匹配,使發(fā)動機獲得恒功率調(diào)節(jié),勵磁控制系統(tǒng)首先要根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速建立一個發(fā)動機的功率基準(zhǔn)函數(shù)(功率基準(zhǔn)板件),然后送到(功率誤差板件)與該工況實測的發(fā)電機電壓和電流的乘積(即實功率信號)進行比較,得到發(fā)電機功率誤差信號送給靜態(tài)勵磁器的SCR觸發(fā)控制環(huán)節(jié),對主發(fā)電機的勵磁進行閉環(huán)調(diào)節(jié),使其輸出功率時刻與發(fā)動機相匹配,使發(fā)動機的功率得到充分利用。
在制動工況下,為保證電動機有足夠的制動力矩使卡車減速,通過控制發(fā)動機工作在一定的轉(zhuǎn)速下,發(fā)電機的制動功率基準(zhǔn)是通過功率基準(zhǔn)誤差板件的電位計(設(shè)定)到一個固定電位,模擬發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號提供建立電氣制動工況下的發(fā)電機磁場基準(zhǔn),送到功率誤差板件與電動機磁場電流反饋信號進行比較,產(chǎn)生制動工況下的磁場誤差信號控制靜態(tài)勵磁器的SCR控制觸發(fā)環(huán)節(jié),對馬達的勵磁進行閉環(huán)調(diào)節(jié),保證制動工況的制動電流。圖1為主發(fā)電機勵磁控制框圖。
圖1 主發(fā)電機磁場勵磁控制框圖
2.2.2 輔助功能控制
自卸卡車的輔助功能控制為低壓邏輯控制系統(tǒng),用于對動力牽引、動力制動等工況進行邏輯控制,實現(xiàn)安全保護、信號報警等功能。是自卸卡車電氣控制系統(tǒng)的必要組成部分。
隨著國內(nèi)微型計算機、大規(guī)模集成電路、新型電力電子器件和傳感器的開發(fā)、自動控制理論[3]、計算機輔助設(shè)計、診斷技術(shù)及數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的深入發(fā)展,筆者認(rèn)為國內(nèi)重型裝備企業(yè)已經(jīng)具備設(shè)計制造與國外生產(chǎn)廠家相當(dāng)?shù)拇笮碗妭鲃幼孕犊ㄜ嚹芰ΑMㄟ^對通用電氣公司自卸卡車控制系統(tǒng)的消化吸收,筆者將自卸卡車控制系統(tǒng)歸入了動力傳動、勵磁控制[2]、卡車監(jiān)控、輔助功能4個模塊進行實現(xiàn)的闡述。期望能夠?qū)ψ孕犊ㄜ囃耆珖a(chǎn)化提供一點借鑒。
動力傳動控制包含牽引控制和電氣制動控制二部分,其公共部分為發(fā)電機、電動機的磁場控制,區(qū)別在于電氣制動改變制動電阻連接的方式進而控制制動電流。
目前,國內(nèi)大功率IGBT管的發(fā)展已經(jīng)能夠滿足自卸電傳動卡車擴大制動無觸點開關(guān)的應(yīng)用,在整個動力傳動控制中擴大制動的電流和電壓最高,而發(fā)電機勵磁、電動機勵磁、電樞控制采用IGBT控制更容易實現(xiàn)。使用IBGT替代傳統(tǒng)的接觸器可以解決自卸卡車在礦區(qū)運行產(chǎn)生的震動對接觸器異常跳動帶來的維護成本增加及檢修工作量的增加,替代需解決IGBT高頻開關(guān)電源及本身工作產(chǎn)生熱量的散熱問題及與控制系統(tǒng)驅(qū)動信號、反饋信號的電平轉(zhuǎn)換問題。
3.1.1 動力牽引控制部分
動力牽引控制屬于低壓邏輯控制。要完成牽引工況在控制系統(tǒng)中有關(guān)元件、繼電器、接觸器必須按一定的邏輯次序動作。
一般控制過程描述為:駕駛員啟動卡車發(fā)動機后,各部報警、顯示正常,通過駕駛室選擇器開關(guān)選擇前進或后退使向前或向后電磁閥動作,踩下油門踏板產(chǎn)生牽引開關(guān)信號完成牽引指令[4]。發(fā)電機和電動機勵磁器的脈沖控制組件得到工作電源為可控硅觸發(fā)做好了準(zhǔn)備;發(fā)電機磁場受到勵磁后建立發(fā)電機電壓。釋放過程需通過延時控制牽引接觸器和電動機磁場接觸器延時斷開,使接觸器不帶負(fù)荷斷電,減少電弧對觸頭的燒蝕。
3.1.2 動態(tài)能耗制動控制部分
卡車在慣性行駛時,駕駛員使用電氣制動踏板或卡車進入超速自動控制狀況時,由控制邏輯使電動機進入它勵發(fā)電機運行狀態(tài),將卡車的慣性機械能轉(zhuǎn)換為電能通過制動電阻產(chǎn)生制動電流(與牽引工況電樞電流方向相反)使電動機電樞發(fā)生反向制動轉(zhuǎn)矩,減低卡車運行速度。
一般控制過程描述為:卡車運行過程中踩下電氣制動踏板,產(chǎn)生電氣制動信號(或系統(tǒng)速度控制投入自動進入電氣制動工況);電氣制動踏板電位計信號產(chǎn)生制動基準(zhǔn)的同時發(fā)動機轉(zhuǎn)速進入電氣制動設(shè)置的高怠速,使發(fā)電機和電動機勵磁器的脈沖控制組件得到工作電源為可控硅觸發(fā)做好了準(zhǔn)備,當(dāng)電氣制動接觸器通電吸合后,電動機磁場接觸器及發(fā)電機磁場接觸器相繼吸合,為發(fā)電機發(fā)電做好準(zhǔn)備,在發(fā)電機勵磁接觸器吸合后使發(fā)電機功率基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換到電氣制動設(shè)置的基準(zhǔn)、使發(fā)電機電瓶升壓接觸器吸合,發(fā)電機開始發(fā)電,卡車進入電氣制動工況。
勵磁控制是電氣控制的核心,它的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性決定了自卸卡車驅(qū)動性能[5]。勵磁控制模塊設(shè)計所要解決四方面問題,一是基準(zhǔn)建立參數(shù)的確定、二是反饋調(diào)節(jié)方式、三是輸出調(diào)節(jié)對象、四是同步信號采集。最終目標(biāo)是使主發(fā)電機的外特性在一定工作區(qū)域內(nèi)獲得恒功率調(diào)節(jié)(屬于恒值調(diào)節(jié)范疇);使驅(qū)動電動機在各種工況下獲得最佳勵磁。
自卸卡車勵磁控制電源采用三繞組交流發(fā)電機提供電源,具有結(jié)構(gòu)緊湊和故障發(fā)生率低等優(yōu)點。勵磁電流調(diào)節(jié)采用單相半控整流電路,最大勵磁電流不超過400A。
在主發(fā)電機和電動機磁場繞組設(shè)并聯(lián)的壓敏電阻,用于當(dāng)發(fā)電機磁場或電動機磁場接觸器斷開回路時釋放自感尖峰電壓。
發(fā)電機勵磁控制的基準(zhǔn)依據(jù)牽引工況和電氣制動工況時發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號建立基準(zhǔn)函數(shù),反饋量為發(fā)電機電壓與電流的積,控制對象為發(fā)電機磁場單相半控橋式整流可控硅觸發(fā)角度,同步信號采集[1]點設(shè)置在發(fā)電機勵磁電源輸入端。
牽引工況時依據(jù)兩臺電動機電樞電流值高的建立控制電動機磁場電流的基準(zhǔn),制動工況依據(jù)卡車速度、制動踏板位置及電樞電流(制動工況為制動電流)三個量建立控制電動機磁場電流的基準(zhǔn)。
反饋量為電動機勵磁電流,控制對象為電動機磁場單相半控整流可控硅觸發(fā)角度,同步信號采集點設(shè)置在電動機勵磁電源輸入端。
表1 勵磁控制模塊輸入輸出信號
監(jiān)控模塊設(shè)計的核心在于監(jiān)控軟件的開發(fā),由于軟件數(shù)據(jù)接口涉及多方的程序開發(fā),所以要保證程序接口的高健壯性及高容錯性,提供強大的錯誤處理機制。監(jiān)控接口設(shè)計所要實現(xiàn)的功能為實現(xiàn)各功能模塊與卡車監(jiān)控模塊和電氣控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的采集與實時傳輸。接口電路中設(shè)置信號狀態(tài)存儲器,等待卡車監(jiān)控系統(tǒng)掃描讀取、或來自電氣控制系統(tǒng)的指令改變狀態(tài)存儲器相應(yīng)位置的值,驅(qū)動執(zhí)行元件動作。
存儲器連續(xù)存儲記錄主要的卡車運行數(shù)據(jù),如果有故障發(fā)生,系統(tǒng)自動按如下規(guī)則抓拍下相應(yīng)的故障信息數(shù)據(jù):故障發(fā)生之前、之中和之后的數(shù)據(jù)信息。抓拍的間隔可以由監(jiān)控程序設(shè)定,每一楨的持續(xù)時間也可以改變。故障數(shù)據(jù)提故障診斷的各種數(shù)據(jù):降低排除故障的時間、降低卡車停車時間和利用率的損失、得到故障信息的記錄。
發(fā)動機一般都配置了自身的控制軟件及監(jiān)控系統(tǒng),在卡車的監(jiān)控模塊設(shè)計中只要解決與發(fā)動機監(jiān)控程序的通訊接口及顯示界面設(shè)計就可以完成發(fā)動機運行中維護、故障處理等相關(guān)問題。
由程序設(shè)定的數(shù)據(jù)端口,要能夠?qū)崿F(xiàn)各功能模塊數(shù)據(jù)的交換和驅(qū)動信號的傳輸。監(jiān)控顯示終端要能夠完成一般的監(jiān)控數(shù)據(jù)查看,調(diào)整顯示信息,一般參數(shù)的設(shè)置。
監(jiān)控模塊設(shè)計的保護系統(tǒng)分為預(yù)防性保護和故障性保護兩種。預(yù)防性保護電路使卡車在正常運行時不發(fā)生或少發(fā)生故障,如保護驅(qū)動電動機電樞接觸器觸頭的延時保護功能,吸收發(fā)電機三相輸出浪涌電壓的阻容保護功能。故障性保護是當(dāng)卡車運行中出現(xiàn)故障并引發(fā)有關(guān)參數(shù)不正常時,通過有關(guān)保護電路去控制邏輯電路,切斷驅(qū)動,防止故障發(fā)生或擴大。如故障檢測、接地保護、發(fā)電機第三繞組保護、驅(qū)動電動機保護、電動機溫度保護等等。
監(jiān)控模塊中對數(shù)字量輸入部分要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路,消除卡車各系統(tǒng)(各種接觸器、繼電器、開關(guān)等)的電磁干擾噪音進入模塊,保證穩(wěn)定性。
駕駛操作室是卡車控制指令發(fā)出和卡車狀況反饋終端??ㄜ囘\行方向選擇及控制、加減速控制、舉升操作、燈光使用、儀表觀察等指令發(fā)出和卡車狀況觀察伴隨著卡車駕駛員操作的整個過程。
自卸卡車性能、操作感、運行效率與控制卡車相關(guān)的輔助功能有很大聯(lián)系,操控儀表及開關(guān)等裝置設(shè)計的簡潔可以減輕駕駛員的疲勞強度,有利于安全生產(chǎn)。
3.4.1 蓄電池及電源控制部分
卡車配置的蓄電池充電使用發(fā)動機驅(qū)動的自勵充電機提供,充電電壓可調(diào)。在駕駛室鑰匙開關(guān)接通后為控制系統(tǒng)提供電源,發(fā)動機運轉(zhuǎn)后充電機為蓄電池提供充電和為控制系統(tǒng)提供電源。
蓄電池及電源控制設(shè)計了24V直流電源經(jīng)震蕩電路、脈沖變壓器、正負(fù)調(diào)壓器產(chǎn)生正負(fù)電源輸出環(huán)節(jié),輸出電壓要能夠滿足控制系統(tǒng)各部分電源極性及電壓范圍要求。(一般有+5V、+15V、-15V、19V、24V)。直流調(diào)壓部分可由專業(yè)電源制造廠家完成,再整合到模塊中。
3.4.2 液壓系統(tǒng)控制模塊
液壓系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計要滿足轉(zhuǎn)向、制動、舉升的控制功能[6]。
操作員向方向盤施加轉(zhuǎn)向力驅(qū)動轉(zhuǎn)向控制閥,由此引導(dǎo)液壓油通過流量放大閥至轉(zhuǎn)向缸完成操作員預(yù)期的轉(zhuǎn)向操作。
制動有三種,長時間或熄火后的制動使用停車制動;裝載時使用輪制動;運行低速時或緊急情況時使用工作制動。停車制動使用控制開關(guān)實現(xiàn),輪制動使用控制開關(guān)或液壓感受閥控制,工作制動由踏板閥實現(xiàn)。制動的設(shè)計要求要滿足安全考慮:比如液壓制動的自動投入設(shè)計、停車制動投入條件的設(shè)計及正常運行過程中防止誤動作的連鎖設(shè)計。
舉升由操縱桿控制舉升先導(dǎo)閥通過舉升閥到舉升油缸的油路,完成舉升,在舉升先導(dǎo)油路受控于舉升限制電磁閥,常通狀態(tài),舉升到限定高度時關(guān)閉。
3.4.3 稱重系統(tǒng)模塊
自卸卡車稱重系統(tǒng)模塊所要實現(xiàn)的功能為測量、顯示、記錄卡車運輸循環(huán)的裝載量,系統(tǒng)通常包括控制器、測量顯示器、4個懸掛傳感器和1個傾斜儀、翻斗舉升開關(guān)信號、輪制動開關(guān)信號和卡車速度信號。
控制器為稱重系統(tǒng)核心部件,內(nèi)嵌了實現(xiàn)由懸掛傳感器檢測的壓力變化量模擬運算出的卡車裝載量程序,傾斜儀電位變化用于校正卡車水平變化對傳感器壓力影響的誤差。
3.4.4 燈光系統(tǒng)控制模塊
自卸卡車燈光系統(tǒng)設(shè)計因使用區(qū)域和用途不同有所差別,本文把燈光控制組合在模塊中,包含控制和輸出狀態(tài)顯示兩部分,外部燈光總成安裝位置要依據(jù)車型作相關(guān)調(diào)整。
控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及無故障運行周期對卡車運行效率有極大的影響,同時也維護成本的投入。自卸卡車在露天礦現(xiàn)場受潮濕空氣、灰塵、震動等因素影響,電氣控制系統(tǒng)故障是卡車故障的主要構(gòu)成因素,故障發(fā)生后的檢查處理受維修人員技術(shù)水平限制引發(fā)的停機時間無法把控,這制約了卡車?yán)寐实姆€(wěn)定,同時維修人員判斷的不準(zhǔn)確使故障重復(fù)發(fā)生和備件異常更換也造成了維護成本的增加。
3.5.1 提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性要素分析
提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性確保其設(shè)計性能的發(fā)揮有三個要素:一是,每階段的電氣保養(yǎng)執(zhí)行到位??ㄜ囯A段性保養(yǎng)項目是依據(jù)廠家推薦項目、現(xiàn)場作業(yè)條件、運行易發(fā)生故障點再依據(jù)發(fā)動機運行時間間隔制定的檢查、維護、緊固、清潔項目。按項目逐條進行并有復(fù)查記錄。二是,制定并進行周期性的檢測項目。電動機及發(fā)電機軸承測試、保護系統(tǒng)測試等項目的檢測,發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患及時處理避免發(fā)生停機事件。三是,運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析。故障事件、發(fā)動機運行數(shù)據(jù)、稱重數(shù)據(jù)的下載查看,依據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢擬定階段性維護措施。
3.5.2 控制系統(tǒng)多發(fā)故障分析及控制措施
自卸卡車受路況、懸掛、操作因素影響接觸器跳動故障較頻繁。730E采用了7級擴大制動接觸器控制制動電流,系統(tǒng)定義的60#故障描述了牽引工況時擴大制動接觸器在沒有吸合指令時存在吸合反饋信號。查看故障數(shù)據(jù)為單貞反饋信號,表明其吸合時間短。由于接觸器因外部因素異常吸合使?fàn)恳妱訖C兩端的電樞電壓經(jīng)跳動的接觸器串入了制動電阻箱使冷卻風(fēng)機承受高壓,造成絕緣擊穿故障,恢復(fù)周期長且維護成本高;有時對接觸器本身也造成大的損壞,往往使動觸頭部分報廢。預(yù)防此類故障從兩方面著手,一是操作駕駛員車速的控制,道路條件差時謹(jǐn)慎駕駛。二是對安裝擴大制動器總成的結(jié)構(gòu)緊固情況的檢查,接觸器回位彈簧張緊度的檢查。
礦用自卸卡車國產(chǎn)化開發(fā)的核心問題是控制系統(tǒng)的開發(fā),設(shè)計一個滿足運行工況要求、滿足故障數(shù)據(jù)存儲及查看的控制系統(tǒng)在目前國內(nèi)控制理論及應(yīng)用技術(shù)來說已經(jīng)難度不大,主要存在引進和開發(fā)間性價比的問題,希望本文對致力于國產(chǎn)控制系統(tǒng)開發(fā)提供一點建議。
本文概要介紹了貴冶智能工廠建設(shè)中三維智能化管控平臺的設(shè)計方法和構(gòu)建過程,通過項目建設(shè),探索了一種結(jié)合激光掃描儀和無人機傾斜攝影技術(shù)采集廠房內(nèi)外部實景數(shù)據(jù)的新穎技術(shù),用以實現(xiàn)高質(zhì)量的廠區(qū)三維實景復(fù)制,該技術(shù)同時為未來模型空間的擴建、維護提供了代價較低的解決方案;以三維實景模型為基礎(chǔ)開發(fā)的智能化管控平臺采用介入式技術(shù)融合多源實時信息,實現(xiàn)了二、三維數(shù)據(jù)信息的一體化和各虛擬場景的實時動態(tài)驅(qū)動。作為基礎(chǔ)平臺,進一步導(dǎo)入其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)后,結(jié)合多場景融合、大數(shù)據(jù)融合、云端應(yīng)用融合等技術(shù)手段,能夠同時支撐地理信息、業(yè)務(wù)辦公、地上/地下建筑規(guī)劃管理和輔助決策,以多元數(shù)據(jù)驅(qū)動三維載體,為數(shù)字化工廠提供血液,打造數(shù)字化工廠的大腦。