王嘉偉, 王玉成

(甘肅酒鋼集團(tuán) 西部重工股份有限公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

電動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)平車廣泛應(yīng)用于冶金制造、風(fēng)電制造、石油化工和機(jī)械加工等行業(yè)中。轉(zhuǎn)運(yùn)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(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)償?shù)尿?qū)動(dòng)電源供電方式。目前各個(gè)企業(yè)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(diào)研發(fā)現(xiàn),當(dāng)前在線使用的轉(zhuǎn)運(yùn)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(shù)企業(yè)使用的轉(zhuǎn)運(yùn)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(qū)動(dòng)電機(jī)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(jié)奏的日趨頻繁,在線使用的轉(zhuǎn)運(yùn)平車存在的問題也日益突顯出來,它已不能完全滿足生產(chǎn)的需求。因此,轉(zhuǎn)運(yùn)平車的電氣升級(jí)改造迫在眉睫。

筆者對(duì)50 t轉(zhuǎn)運(yùn)平車低壓48 V蓄電池供電控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造,并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用和驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了低壓轉(zhuǎn)運(yùn)平車的無級(jí)調(diào)速、遠(yuǎn)程無線操控、自動(dòng)定點(diǎn)停車。此設(shè)計(jì)解決了以往使用的轉(zhuǎn)運(yùn)平車的設(shè)計(jì)缺陷,提高了轉(zhuǎn)運(yùn)平車的使用壽命,在降低制造和維護(hù)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(zhuǎn)運(yùn)平車為例進(jìn)行分析,此轉(zhuǎn)運(yùn)平車存在的主要問題如下。

(1) 380 V直接驅(qū)動(dòng)供電的轉(zhuǎn)運(yùn)平車在作業(yè)時(shí),操作人員需要對(duì)電纜進(jìn)行拖拽,若操作不當(dāng)則會(huì)拉斷電纜,存在很大的安全隱患,需要維修人員經(jīng)常包扎電纜或者更換新的電纜。

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

(3) 低壓36 V軌道供電、逆變380 V驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的平車需要安裝補(bǔ)償器給軌道補(bǔ)償電壓,此控制系統(tǒng)復(fù)雜,并且制造和維護(hù)成本都非常高,對(duì)維修人員的技能水平要求較高。

(4) 生產(chǎn)廠家制作的轉(zhuǎn)運(yùn)平車控制系統(tǒng)各式各樣,備件規(guī)格和結(jié)構(gòu)不同,存在備件沒有互換性,備件種類多、庫(kù)存量大的問題。

(5) 目前使用的轉(zhuǎn)運(yùn)平車不能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定位控制和停車,全部靠人工操作。這對(duì)操作者操作技能要求較高,在某些冶煉、澆鑄等區(qū)域需要精準(zhǔn)定位停車時(shí),很難實(shí)現(xiàn)。

2 直流48 V蓄電池低壓充電式轉(zhuǎn)運(yùn)平車定點(diǎn)控制優(yōu)點(diǎn)

蓄電池供電轉(zhuǎn)運(yùn)平車是由蓄電池提供電源。蓄電池安裝在平車內(nèi)部,電源經(jīng)過電氣控制系統(tǒng)給直流牽引電機(jī)提供動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)平車啟動(dòng)、停止、前進(jìn)、后退、變速等功能。和其他結(jié)構(gòu)的平車相比較,蓄電池轉(zhuǎn)運(yùn)平車驅(qū)動(dòng)方式的最大優(yōu)點(diǎn)是可以脫離線纜的束縛,能在彎道、道岔上行駛,運(yùn)轉(zhuǎn)間隔不受約束。并且蓄電池轉(zhuǎn)運(yùn)平車可以遠(yuǎn)程遙控操作,使用時(shí)更加方便,適用于較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的軌道運(yùn)輸控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)。

(1) 選用無級(jí)調(diào)速電氣控制,標(biāo)配無線遙控裝置和全自動(dòng)智能充電系統(tǒng)。

(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(zhǎng)工作時(shí)間。

(3) 與其他驅(qū)動(dòng)方式的平車相比較,軌跡鋪設(shè)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(yùn)轉(zhuǎn)間隔不受約束。

(5) 定點(diǎn)定位遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)適用于冶煉、澆鑄等危險(xiǎn)性較高、需要精準(zhǔn)定位停車的場(chǎng)合。

(6) 直流有刷電機(jī)因存在集電環(huán)炭刷結(jié)構(gòu)而在電機(jī)運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生火花,特別是在高速時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)火,進(jìn)而產(chǎn)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(jī)只能采用開啟式防護(hù)形式,電機(jī)冷卻要進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部,電機(jī)不宜適用于易燃易爆、有灰塵、泥濘、露天、潮濕場(chǎng)合。另外,有刷直流電機(jī)的運(yùn)行效率低、使用電池容量大,電機(jī)體積大,防爆難度大,目前逐步淡出市場(chǎng)。

(7) 無刷直流電動(dòng)平車電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大(可達(dá)額定時(shí)的2～3倍)、啟動(dòng)電流小(轉(zhuǎn)矩相同時(shí)啟動(dòng)電流只有異步機(jī)的1/3)、無碳刷結(jié)構(gòu)、體積小、動(dòng)力大、效率高、無級(jí)調(diào)速、防護(hù)性能好、性價(jià)比高,可以延長(zhǎng)電機(jī)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(jià)。在選型時(shí)可以按正常運(yùn)行時(shí)的功率選擇電機(jī),不需要功率儲(chǔ)備,較好地解決了“大馬拉小車”的問題,可使電池容量減小,節(jié)省設(shè)備的投入費(fèi)用,提高系統(tǒng)的運(yùn)行效能。直流無刷電機(jī)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(jī)或交流變頻電機(jī)相比,直流無刷電機(jī)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(jī)采用插入式稀土磁鋼,特別適合有顛簸、反復(fù)啟動(dòng)、高速、大力矩起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的需要。永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子具有強(qiáng)磁場(chǎng),在滑行和制動(dòng)狀態(tài)時(shí)發(fā)電效果好,不需要吸收電池電量勵(lì)磁(有刷直流電機(jī)或交流電機(jī)需要),能量回饋效果好,電制動(dòng)效果好。電動(dòng)平車電機(jī)采用進(jìn)口含油高速軸承,免維護(hù)、可靠性高,可延長(zhǎng)電機(jī)壽命[1]。

通過以上對(duì)比,低壓轉(zhuǎn)運(yùn)平車選用直流永磁無刷電機(jī)是合理的。

3 低壓轉(zhuǎn)運(yùn)平車電氣控制優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)

以50 t 380 V直接驅(qū)動(dòng)供電轉(zhuǎn)運(yùn)平車為例,對(duì)以上存在的問題進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn),升級(jí)改造控制系統(tǒng)需要達(dá)到的目的和控制要求如下。

(1) 通過自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)定位停車及自動(dòng)停車。

(2) 遠(yuǎn)程安裝操作臺(tái),通過觸摸屏遠(yuǎn)程發(fā)射無線信號(hào),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)平車的任意控制。

(3) 電動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)平車前后加裝雷達(dá)控制,遇到人員可以自動(dòng)停車。

(4) 電控柜上加裝電池電量顯示表,遠(yuǎn)程信號(hào)可以發(fā)射到觸摸屏上并被接收,技術(shù)人員可以隨時(shí)查看蓄電池電量情況。

(5) 轉(zhuǎn)運(yùn)平車現(xiàn)場(chǎng)加裝無線遙控控制,按鍵數(shù)量選用16鍵,5點(diǎn)定位,需要16種運(yùn)行情況,電壓等級(jí)選用DC24 V的安全電壓,可以實(shí)現(xiàn)本地遙控操作,極大地方便技術(shù)人員了解本地轉(zhuǎn)運(yùn)工件的情況。

最終設(shè)計(jì)的低壓轉(zhuǎn)運(yùn)平車電氣系統(tǒng)的主要備件參數(shù)如表1所列。

表1 低壓轉(zhuǎn)運(yùn)平車電氣系統(tǒng)主要備件參數(shù)

4 轉(zhuǎn)運(yùn)平車電氣控制優(yōu)化改進(jìn)措施

(1) 將原有50 t 380 V直接雙驅(qū)動(dòng)的兩臺(tái)5 kW電機(jī)減速器全部拆除,選取型號(hào)為L(zhǎng)ZZ112B5-48V3.0-1500型直流永磁無刷制動(dòng)三合一電機(jī)2臺(tái)作為驅(qū)動(dòng)的主電機(jī),驅(qū)動(dòng)器選用LZMC-48V/3.0 kW型無刷電機(jī)控制器2臺(tái)作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器,蓄電池選用4塊NPG12-100Ah型組成48 V串聯(lián)系統(tǒng),將蓄電池安裝到平車艙內(nèi)。

(2) 平車側(cè)面安裝電器控制箱,箱內(nèi)配套兩臺(tái)無刷電機(jī)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(diào)速控制旋鈕等。

(3) 平車前后各安裝一臺(tái)雷達(dá),當(dāng)遇到人員或者障礙物時(shí)可自動(dòng)停車,車體安裝一個(gè)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(tái)聲光報(bào)警器,它可跟隨車運(yùn)行,起到運(yùn)行警示作用。

(5) 現(xiàn)場(chǎng)操作安裝一臺(tái)無線遙控器,用于操控平車的運(yùn)行、停止等功能。

(6) 車體下方一側(cè)安裝一個(gè)光電感應(yīng)開關(guān),并且在軌道邊安裝用于定點(diǎn)停車的定位塊,兩套原件配套運(yùn)行,對(duì)平車的定位定點(diǎn)控制起到關(guān)鍵作用。

(7) 遠(yuǎn)程安裝無線控制操作臺(tái),可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制。自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程觸摸屏,它可無線操控發(fā)射信號(hào),并將信號(hào)遠(yuǎn)程發(fā)射給接收系統(tǒng),接收系統(tǒng)采用PLC無線器接收來實(shí)現(xiàn)主要模型的自動(dòng)控制。觸摸屏上可實(shí)現(xiàn)所有功能的集中控制以及所有參數(shù)的集中顯示[2],觸摸屏顯示內(nèi)容如表2所列。

表2 觸摸屏顯示功能

4.1 轉(zhuǎn)運(yùn)平車電氣控制局部圖紙及控制程序

圖1、2分別為轉(zhuǎn)運(yùn)平車的局部電氣原理圖及直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器局部設(shè)計(jì)圖。

圖1 低壓轉(zhuǎn)運(yùn)平車局部控制原理圖

圖2 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器局部設(shè)計(jì)圖

4.2 PLC程序控制的編程及電源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器選型

此次低壓轉(zhuǎn)運(yùn)平車的電氣升級(jí)改造采用的是觸摸屏與PLC無線遠(yuǎn)程通訊遠(yuǎn)程控制,采用RS485通訊協(xié)議,通過無線發(fā)射器和接收器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制,并且在PLC程序里增加了大量的保護(hù)功能,如雷達(dá)遇人停車,定點(diǎn)定位停車、運(yùn)行中隨操作工的生產(chǎn)要求任意運(yùn)行,終端減速停車等功能,保證了轉(zhuǎn)運(yùn)平車在作業(yè)工程中按照生產(chǎn)要求正常工作[3]。

在作業(yè)過程中,由于生產(chǎn)的需要,低壓轉(zhuǎn)運(yùn)平車需要隨時(shí)變換平車的運(yùn)行速度。平車運(yùn)行前進(jìn)、后退的速度可通過旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié),操作者只需旋轉(zhuǎn)旋鈕,就能達(dá)到加工工藝要求,操作非常簡(jiǎn)單高效。在遠(yuǎn)程操作上,觸摸屏上設(shè)置了速度輸入框,在觸摸屏上輸入平車運(yùn)行的速度,就可以使平車在作業(yè)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(lián)48 V供電,保證每天連續(xù)不間斷工作8 h的作業(yè)能力。充電樁選用指紋式平車專用充電器,充電平穩(wěn)效率高,充電4 h即可充滿電量,并且充滿電量后自動(dòng)斷電,保證了電池的使用壽命。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇YPD系列的驅(qū)動(dòng)器,相對(duì)于原來YPC系列的驅(qū)動(dòng)器,YPD系列體積非常小,重量輕,并且采用的是矢量控制技術(shù),可以提供卓越的直流永磁無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制性能,大幅度提升產(chǎn)品的過流能力和可靠性[4]。

5 應(yīng)用效果及總結(jié)

按照上述電氣系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)措施,某公司已經(jīng)自行制作了2臺(tái)(套)低壓充電式轉(zhuǎn)運(yùn)平車,并且升級(jí)改造了3臺(tái)380 V拖拽電纜供電的轉(zhuǎn)運(yùn)平車,1臺(tái)卷筒供電的轉(zhuǎn)運(yùn)平車,現(xiàn)場(chǎng)使用非常高效便捷。此次低壓充電式轉(zhuǎn)運(yùn)平車對(duì)遠(yuǎn)程控制和定點(diǎn)精準(zhǔn)停車系統(tǒng)進(jìn)行了電氣控制設(shè)計(jì)制造,保障了生產(chǎn)系統(tǒng)的良好運(yùn)行,并且實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)化安全。與原來在線使用的轉(zhuǎn)運(yùn)平車相比,所設(shè)計(jì)的平車具有操作簡(jiǎn)便、檢修維護(hù)方便、安全可靠、備件庫(kù)存低等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)此次制作和改造的成本比外部采購(gòu)降低了35%左右。目前6臺(tái)(套)低壓充電式遠(yuǎn)程定點(diǎn)控制轉(zhuǎn)運(yùn)平車已全部投入使用,運(yùn)行平穩(wěn)順利,效果良好。