潘洪濤，黨海霞

（遼寧瀚石機(jī)械制造有限公司，遼寧 阜新 123000）

露天礦用大型機(jī)電設(shè)備如電鏟等需要遠(yuǎn)距離供電提供電能使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)工作，電鏟在露天礦場(chǎng)地內(nèi)移動(dòng)時(shí)與供電電源距離不斷變化，卷纜車(chē)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(dòng)時(shí)卷纜車(chē)跟隨同步移動(dòng)，后方滾筒滾動(dòng)釋放或者纏繞電纜同時(shí)為前方電鏟供電，使電鏟移動(dòng)時(shí)保護(hù)電纜，防止損壞發(fā)生安全事故。通常卷纜車(chē)跟隨前方電鏟移動(dòng)為人工操作，卷纜車(chē)操作工手動(dòng)控制操作面板上的按鈕控制卷纜車(chē)前進(jìn)后退，保持卷纜車(chē)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(qiáng)度大，誤操作或者操作不當(dāng)損壞電纜，研究使用自動(dòng)控制的方式使卷纜車(chē)自動(dòng)跟隨前方電鏟移動(dòng)，使之一直保持規(guī)定的安全距離，操作工只需要負(fù)責(zé)監(jiān)控工作。

自動(dòng)跟車(chē)系統(tǒng)的實(shí)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(jī)械與控制相結(jié)合的方式，使用鋼絲繩連接傳感器，通過(guò)PLC 控制卷纜車(chē)自動(dòng)跟隨前方電鏟移動(dòng)，控制方式簡(jiǎn)單方便，安全可靠[1]。

1 自動(dòng)跟車(chē)系統(tǒng)的原理

1.1 鋼絲繩連接傳感器的方式

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

圖1 自動(dòng)跟車(chē)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(diǎn)，在大型露天礦山內(nèi)長(zhǎng)期使用時(shí)不生銹，使用壽命長(zhǎng)。

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(zhǎng)期穩(wěn)定性好，中航應(yīng)變片性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，使用40Cr 合金鋼材質(zhì)，抗機(jī)械疲勞性強(qiáng)，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(hù)設(shè)備等，可搭配顯示儀表、變送器、無(wú)線(xiàn)接收器使用，傳感器屬于成熟產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)多年的改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)定輸出，信號(hào)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，做工精細(xì)，采用先進(jìn)的打磨技術(shù)，設(shè)計(jì)平整，2 個(gè)板環(huán)孔徑安裝簡(jiǎn)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(diǎn)輸出±1%FS，供橋電壓10 VDC，零點(diǎn)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(guò)載150%FS。

3）彈簧拉伸裝置?？紤]前方電鏟行走后卷纜車(chē)遲延誤差動(dòng)作，設(shè)計(jì)彈簧拉伸裝置，保護(hù)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(shè)計(jì)采用壓縮彈簧的方式，具有性能可靠，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，彈簧設(shè)計(jì)自由長(zhǎng)度1 m，壓力1 t 時(shí)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(qiáng)化處理采用立定處理，拋丸強(qiáng)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(jí)精度制造。外筒采用直徑為114 mm，厚4 mm 的無(wú)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(dòng)跟車(chē)系統(tǒng)的原理

自動(dòng)跟車(chē)系統(tǒng)采用鋼絲繩連接的板環(huán)式拉力傳感器檢測(cè)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(jī)分別驅(qū)動(dòng)履帶行走，變頻電機(jī)速度由變頻器控制，由于考慮卷纜車(chē)可跟隨前方電鏟直線(xiàn)行走和轉(zhuǎn)彎，每個(gè)履帶式行走部由1 個(gè)拉力傳感器反饋信號(hào)單獨(dú)控制，前方電鏟直線(xiàn)行走時(shí)2 個(gè)拉力傳感器受力一樣，對(duì)應(yīng)的兩側(cè)行走部行走速度一致保持直線(xiàn)行走，當(dāng)前方電鏟轉(zhuǎn)彎行走后2 個(gè)拉力傳感器受力1 個(gè)大1 個(gè)小，這樣受力大的拉力傳感器對(duì)應(yīng)的行走部速度快，受力小的拉力傳感器對(duì)應(yīng)的行走部速度慢，起到了轉(zhuǎn)彎的作用，當(dāng)轉(zhuǎn)到直線(xiàn)行走時(shí)兩側(cè)拉力傳感器受力一樣時(shí)又保持直線(xiàn)行走，這樣不斷地變化控制，使得卷纜車(chē)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(cè)到拉力信號(hào)后反饋PLC 控制器再由控制器控制行走部行走過(guò)程會(huì)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(dāng)拉力傳感器拉力值大于規(guī)定的數(shù)值時(shí)報(bào)警器報(bào)警，提醒操作工注意，前方電鏟倒車(chē)時(shí)，拉力傳感器檢測(cè)拉力小于規(guī)定值時(shí)，卷纜車(chē)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(jìn)后退都保持在規(guī)定的距離，場(chǎng)地受限或者自動(dòng)控制無(wú)法滿(mǎn)足需求時(shí)，操作工切換到手動(dòng)操作模式，人工控制卷纜車(chē)前進(jìn)后退，手動(dòng)操作模式時(shí)，拉力傳感器大于規(guī)定數(shù)值時(shí)，報(bào)警器報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)模式自動(dòng)跟進(jìn)前方電鏟行走保證鋼絲繩不被拉伸損壞[4]。

正常工作時(shí)卷纜車(chē)行走切換到自動(dòng)模式，當(dāng)前方電鏟起步直線(xiàn)行走時(shí)彈簧拉伸裝置拉伸10 mm時(shí)，根據(jù)計(jì)算得鋼絲繩拉力200 kg，通過(guò)圖1 進(jìn)行受力分析可知2 個(gè)拉力傳感器各受拉力140 kg，拉力傳感器將模擬信號(hào)傳輸至PLC 可編程控制器，此時(shí)PLC 控制器發(fā)出模擬信號(hào)控制對(duì)應(yīng)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(shí)拉力值為400 kg，2 個(gè)拉力傳感器各受拉力280 kg，此時(shí)PLC 控制履帶行走速度10 m/min，當(dāng)彈簧拉伸裝置拉伸30 mm 時(shí)拉力值600 kg，此時(shí)報(bào)警器報(bào)警同時(shí)卷纜車(chē)以最大的行走速度行走。拉力傳感器拉力值為10～100 kg 時(shí)卷纜車(chē)以對(duì)應(yīng)的分區(qū)段速度逐漸加速后退，傳感器拉力值100～200 kg 時(shí)行走部停止。前方電鏟轉(zhuǎn)彎時(shí)，2 個(gè)拉力傳感器受力將發(fā)生變化，遠(yuǎn)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(guò)PLC 控制器輸出控制卷纜車(chē)兩側(cè)的行走部速度不一樣實(shí)現(xiàn)跟隨轉(zhuǎn)彎行走。當(dāng)切換到手動(dòng)模式時(shí)，人工控制卷纜車(chē)前進(jìn)使鋼絲繩松弛時(shí)，此時(shí)拉力傳感器拉力值雖然小于100 kg，但是卷纜車(chē)不會(huì)進(jìn)行后退，當(dāng)鋼絲繩拉力值大于600 kg 時(shí)控制器控制揚(yáng)聲器發(fā)出警報(bào)并強(qiáng)制進(jìn)入保護(hù)模式，此時(shí)卷纜車(chē)以最大速度前進(jìn)，當(dāng)小于100 kg 時(shí)又恢復(fù)手動(dòng)模式[5]。

2 控制系統(tǒng)電氣部分

2.1 變頻調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)

左右履帶行走分別采用1 臺(tái)3G3JV 型號(hào)變頻器，電壓380 V，變頻器主要由整流、濾波、逆變、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，改變電機(jī)工作頻率，從而起到降低功耗，減少損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等作用。使用變頻器對(duì)電機(jī)有很多好處，容易維護(hù)籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，并且可直接使用原有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，不必改造機(jī)械和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提高機(jī)械功能率。

變頻器具有電流保護(hù)、電壓保護(hù)、高溫保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、缺相保護(hù)、功率模塊保護(hù)6 大保護(hù)功能，IGBT 核心模板線(xiàn)路板采用專(zhuān)用保護(hù)漆，防塵、防污耐堿，讓變頻器性能更加穩(wěn)定，使用壽命更長(zhǎng)。外殼具有多孔散熱，更好的保護(hù)變頻器和電器，面板全新升級(jí)，簡(jiǎn)單明了，一鍵運(yùn)行，一鍵停止，人性化設(shè)計(jì)，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(fù)載特性自動(dòng)調(diào)節(jié)載波頻率，輸入頻率分辨率數(shù)字設(shè)定0.01 Hz，控制方式V/F 控制，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩P 型機(jī)130%，調(diào)速范圍1：50，穩(wěn)速精度±1%，過(guò)載能力G 型機(jī)150%額定電流60 s，P 型機(jī)130%額定電流60 s，直接制動(dòng)頻率0 Hz～最大頻率，制動(dòng)時(shí)間0～36.0 s，制動(dòng)動(dòng)作電流值0～100%，點(diǎn)動(dòng)頻率范圍0 Hz～最大頻率，點(diǎn)動(dòng)加減速時(shí)間0～300 s。簡(jiǎn)易PLC 多段速運(yùn)行，通過(guò)內(nèi)置PLC 或控制端子實(shí)現(xiàn)最多8 段速運(yùn)行，內(nèi)置PID，可方便實(shí)現(xiàn)閉環(huán)過(guò)程控制系統(tǒng)，具有自動(dòng)電壓調(diào)整功能，當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時(shí)，能自動(dòng)保持輸出電壓恒定，有過(guò)流失速控制，對(duì)運(yùn)行期間電流自動(dòng)限制，防止頻率過(guò)流跳閘，有快速限流功能，最大限度減小過(guò)電流故障，保護(hù)變頻器正常運(yùn)行，轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動(dòng)功能，能夠順利啟動(dòng)正在高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，瞬時(shí)停電連續(xù)運(yùn)行的功能，即使電網(wǎng)有短時(shí)間停電，也能保證無(wú)故障連續(xù)運(yùn)行[6]。變頻器與PLC 接線(xiàn)圖如圖2。

圖2 變頻器與PLC 接線(xiàn)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(hào)的功能，適合信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸，可輸出4～20 mA、0～5 V、0～10 V 等電壓電流信號(hào)，可連接PLC 使用。該型號(hào)變送器除具有普通變送器的特點(diǎn)，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(hù)等級(jí)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(jī)，大幅度強(qiáng)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(diǎn)（基本單元：16/32/48/64/80/128 點(diǎn)），基本功能最大支持384 點(diǎn)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，程序內(nèi)存內(nèi)置了64K 的RAM 內(nèi)存，此外可以通過(guò)使用存儲(chǔ)器盒，將程序內(nèi)存變?yōu)榭扉W存儲(chǔ)器，運(yùn)算指令除了浮點(diǎn)數(shù)、字符串處理指令以外，還具備了定坐標(biāo)指令等豐富的指令，內(nèi)置RUN/STOP 開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)內(nèi)置開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作，此外也可以從通用的輸入端子或外圍設(shè)備上發(fā)出RUN/STOP的指令，支持RUN 中寫(xiě)入，通過(guò)計(jì)算機(jī)用的編程軟件，可以在可編程控制器RUN 時(shí)更改程序，內(nèi)置時(shí)鐘功能，可以執(zhí)行時(shí)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(wú)需編寫(xiě)復(fù)雜的程序，就可以獲取ON 寬度或是OFF 寬度較窄的信號(hào)，輸入中斷功能（帶延遲功能）通過(guò)ON 寬度，或是OFF 寬度最小5 μm（X000～X005）的外部信號(hào)可以?xún)?yōu)先處理中斷子程序（還具備了定時(shí)器中斷、高度計(jì)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(shí)，3 軸可同時(shí)輸出最高為100 kHz 的脈沖（開(kāi)集電極輸出Y000、Y001、Y002），如果使用2 臺(tái)高速輸出特殊適配器FX3U-2HSY-ADP，4 軸可同時(shí)輸出最高為200 kHz 的脈沖（差動(dòng)線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)輸出），可使用各種指令，方便地編寫(xiě)程序，同時(shí)具備豐富的定位指令DSZR、ABS、DRVI、DRVA、PLSV、DVIT、TBL，通信網(wǎng)絡(luò)功能可以連接支持各種通信功能的功能擴(kuò)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(shè)計(jì)要求及需要的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，選用FX3U-32MR 型控制器[7]。

擴(kuò)展模塊選用FX3U-4AD 和FX3U-4DA 各1臺(tái)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(tái)，可以對(duì)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(chǔ)區(qū)（BFM）中，通過(guò)數(shù)字濾波器的設(shè)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(chǔ)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(diǎn)數(shù)8點(diǎn)，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(shè)計(jì)要求及需要的輸入輸出點(diǎn)數(shù)和各電氣元件的功能，設(shè)計(jì)I/O 分配表，PLC 完成設(shè)定任務(wù)，是通過(guò)這些輸入輸出點(diǎn)來(lái)與現(xiàn)場(chǎng)信息交換。I/O 分配表見(jiàn)表1。

表1 I/O 分配表

3.2 PLC 外部接線(xiàn)圖

根據(jù)I/O 分配表及選擇的PLC 控制器型號(hào)設(shè)計(jì)PLC 外部接線(xiàn)圖，PLC 的外部接線(xiàn)主要有工作電源線(xiàn)、接地線(xiàn)、輸入端接線(xiàn)和輸出端接線(xiàn)，根據(jù)各輸入輸出點(diǎn)的作用及設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)PLC 外部接線(xiàn)圖[9]，PLC 外部接線(xiàn)圖如圖3。

圖3 PLC 外部接線(xiàn)圖

3.3 PLC 梯形圖

使用GX Works2 軟件設(shè)計(jì)PLC 梯形圖，將所編寫(xiě)的梯形圖程序進(jìn)行編譯，通過(guò)上下位機(jī)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(cuò)誤，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除程序中的錯(cuò)誤，減少系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作量，確保系統(tǒng)在各種正常和異常情況時(shí)都能做出正確的響應(yīng)，需要進(jìn)行離線(xiàn)測(cè)試，既不將PLC 的輸出接到設(shè)備上，在電腦上模擬測(cè)試。按照控制要求在指定輸入端輸入信號(hào)，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(cè)試，測(cè)試合格后再將PLC 連接到設(shè)備上[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

礦用卷纜車(chē)自動(dòng)跟車(chē)系統(tǒng)采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)理念，將機(jī)械與微電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)實(shí)現(xiàn)PLC控制器控制卷纜車(chē)自動(dòng)跟隨前方車(chē)輛行走；控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，采用機(jī)械與控制結(jié)合的方式安全可靠，降低了人工操作強(qiáng)度，同時(shí)避免人工操作失誤或者操作不當(dāng)進(jìn)而產(chǎn)生安全事故。礦用卷纜車(chē)自動(dòng)跟車(chē)系統(tǒng)解決了目前比較普遍的人工操作礦用機(jī)械設(shè)備行走的問(wèn)題，將自動(dòng)行走提升了一個(gè)高度，使礦山智能化安全生產(chǎn)得到了進(jìn)一步發(fā)展。