卷缆车自动收放缆系统设计

潘洪涛，王曦昉

（辽宁瀚石机械制造有限公司，辽宁 阜新 123000）

露天矿用大型机电设备如电铲等需要远距离供电提供电能使设备运转工作，在有限的露天矿场地内，电铲需要使用直径60 mm 的电缆连接电源与电铲，电铲工作挖掘作业需要不断的前进转弯等移动场地作业，电缆就要跟随电铲设备不断移动。电缆专用于高压电远距离传输线路，价格昂贵，工作过程中对电缆的保护特别重要，不但要避免漏电等安全事故的发生，还能降低电缆的损耗率，提高更换周期，节约成本。

卷缆车不但可以携带电缆到达指定地点工作，而且防止电铲设备工作过程中轧坏电缆或者拖行电缆移动对电缆产生损坏。电铲移动工作过程中卷缆车跟随移动，卷缆车与电铲之间线路一直架空移动，不会对电缆产生损坏。针对特定矿区，电铲行走工作距离动力电源最大300 m，卷缆车卷缆最大长度300 m 可供电铲工作生产时移动使用，工作过程中卷缆车不断前进，卷缆滚筒跟随转动自动放缆，收缆时卷缆车后退，卷缆滚筒滚动将电缆依次排列整齐缠绕至卷缆滚筒上，以便跟随电铲生产移动或者携带电缆转移场地[1]。

1 卷缆车主要结构及卷缆系统逻辑关系

1.1 卷缆车主要结构

1）卷缆滚筒。卷缆滚筒将直径60 mm，长度300 m的电缆缠绕至滚筒上。滚筒直径1 300 mm，长1 500 mm，每层电缆缠绕25 圈，总7 层。滚筒两侧挡板最大直径2 300 mm，中心使用空心轴加两侧圆锥滚子轴承与滚筒臂连接，集电环位于滚筒内与空心轴中间，电缆输出端从空心轴伸出，集电环在滚筒旋转时使电缆可靠连接。滚筒由变频三相异步电动机加减速机提供动力旋转，进行电缆的收放作业[2]。

2）排线装置。卷缆滚筒滚动卷电缆过程中需要用排线装置使电缆紧密整齐的缠绕在滚筒上，滚筒转动时排线器按照顺序从左到右，再从右到左的往复运动，排线装置使用往复丝杆，在丝杆转向不变的情况下排线座可沿着往复丝杆来回往复运动，卷缆滚筒沿者同一方向转动时排线装置的转动轴也沿着1 个方向转动，不需要频繁变更转动方向，结构简单，性能可靠。丝杆直径60 mm，螺距60 mm，每转动1 周排线座行走60 mm，排线座与丝杠通过滚珠连接，运行轻松平稳，排线座由座脚与座体组成，座体由上下左右4 个滚筒组成，电缆可沿者座体收放移动，对电缆外皮起到保护作用[3]。

3）压线装置。压线装置转动轴心位于卷缆滚筒右上方，压线臂长600 mm，以轴心旋转摆动，压线棍直径60 mm，压线臂通过弹簧拉力使压线滚一直紧贴着电缆滚动。压线装置的主要作用是通过压线臂的角度反馈给控制器计算出电缆缠绕层数，可以用于临界值报警，同时不同的卷缆层数会改变卷缆的每周长度，卷缆车定速行走时每层卷缆对应不同的滚筒转速才能使卷缆长度与行走距离同步，实现行走收放电缆同步工作，计算出不同的电缆层数可以通过控制器自动控制收放电缆的长度与行走的距离一致，以实现行走与收放电缆一键自动工作的过程[4]。

4）行走部。行走部采用履带式行走，具有接地比压低，矿区行走时不会压陷路面出现行走困难等情况，牵引力大，深翻负重作业优势明显，通过性和爬坡能力超强等优点。动力部分由变频三相异步电动机加减速机加制动器的形式组成，结构简单，不会受到冬天低温等影响，动力反应快，行走及时可靠[5]。

1.2 卷缆系统逻辑关系

卷缆滚筒收放电缆时需要将电缆1 圈1 圈1 层1 层的紧密排列的缠绕起来，电缆直径60 mm，卷缆滚筒每转动1 周电缆缠绕移动距离60 mm，往复丝杆螺距60 mm，只要丝杆转速与卷缆滚筒同步旋转，即可将电缆紧密整齐的排列缠绕在滚筒上，往复丝杆在旋转方向不变的情况下可使排线器来回往复运动，丝杆旋转方向与卷缆滚筒转向一直保持一致即可完成收放电缆的工作。由于每层电缆缠绕的直径不同，卷缆滚筒匀速旋转时收放电缆的速度每层发生变化，卷缆车匀速行走时卷缆滚筒对每层电缆对应相应的不同转速时才能使收放电缆速度与行走同步，控制器需要计算出电缆卷缆的层数控制卷缆的转速实现收放电缆与行走的距离一致，层数通过压线装置角度传感器反馈控制器后计算卷缆层数，考虑精度问题，每层对应的压线角度控制偏差±2°，以补偿压线臂角度偏差引起层数计算错误，当计算出第0 层或超过第7 层时控制器将自动报警，并停止滚筒继续旋转防止损坏电缆产生事故。

卷缆车变速行走，计算出滚筒转速与行走速度的逻辑关系，实现卷缆车行走时自动收放电缆的工作。以卷缆车行走速度10 m/min 计算出每层卷缆对应的卷缆滚筒的转速，计算出这些数值后可以计算它们之间的逻辑关系，通过控制器处理后，卷缆车不同移动速度行走时，卷缆滚筒将以不同的对应速度旋转进行卷缆工作，实现卷缆车行走时一键自动化收放电缆的工作。当不需要卷缆滚筒根据行走自动收放电缆时可以将按钮调制分离状态，行走和卷缆可单独控制。卷缆系统逻辑关系见表1。

表1 卷缆系统逻辑关系表

2 控制系统电气部分

2.1 变频调速电机控制系统

1）行走部三相异步变频电机变频器。采用3G3JV型号变频器，电压380 V，变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。应用变频技术与微电子技术，改变电机工作频率，从而起到降低功耗，减少损耗，延长设备使用寿命等作用。使用变频器对电机有很多好处，容易维护笼型感应电动机，并且可直接使用原有感应电动机，不必改造机械和驱动系统，提高机械功能率。该变频器具有电流保护、电压保护、高温保护、过载保护、缺相保护、功率模块保护6 大保护功能，IGBT 核心模板线路板采用专用保护漆，防尘、防污耐碱，让变频器性能更加稳定，使用寿命更长。外壳具有多孔散热，更好的保护变频器和电器，面板全新升级，简单明了，一键运行，一键停止，人性化设计，面板可外接。变频器最高频率500 Hz，载波频率1～16 kHz，可根据负载特性自动调节载波频率，输入频率分辨率数字设定0.01 Hz，控制方式V/F 控制，启动转矩P型机130%，调速范围1∶50，稳速精度±1%，过载能力G 型机150%额定电流60 s，P 型机130%额定电流60 s，直接制动频率0 Hz～最大频率，制动时间0～36.0 s，制动动作电流值0%～100.0%，点动频率范围0 Hz～最大频率，点动加减速时间0～300.00 s。简易PLC 多段速运行，通过内置PLC 或控制端子实现最多8 段速运行，内置PID，可方便实现闭环过程控制系统，具有自动电压调整功能，当电网电压变化时，能自动保持输出电压恒定，有过流失速控制，对运行期间电流自动限制，防止频率过流跳闸，有快速限流功能，最大限度减小过电流故障，保护变频器正常运行，转速跟踪再启动功能，能够顺利启动正在高速旋转的电机，瞬时停电连续运行的功能，即使电网有短时间停电，也能保证无故障连续运行[6]。变频器与PLC 接线图如图1。

图1 变频器与PLC 接线图

2）卷缆滚筒三相异步变频电机变频器。采用3G3JV型号变频器，电压380 V，具体功能与上述三相异步变频电机变频器相同。

2.2 角度传感器

角度传感器选用MCJS-38BC 型高精度角度传感器[7]，量程范围0°～90°，电流信号4～20 mA，精度3‰。MCJS 系列角度传感器通过感应安装在传感器转轴一端的永久性磁铁的平行磁场强度，测量出传感器转轴的绝对角度位置，测量角度范围根据用户需求可在0°～360°范围内设定，输出信号包括电流输出、电压输出多种类型，具有反向保护，该系列角度传感器8～28 V 的电源供电，具有反向保护功能。采用非接触测量角度的方式使传感器的耐用性取决于传感器轴承，该型号角度传感器使用优质轴承，保证了传感器长期可靠使用。该特点使其成为替代接触式角度传感器，如导电塑料的绝佳产品。该系列角度传感器具有较小的测量误差±0.3°和较小的信号温漂±60 μA，反向保护40 V，防护等级IP66。

2.3 控制器

根据输入及输出点数与控制方式，同时考虑后期加入新功能改造等问题，控制系统选择FX2N-48MR，控制器控制规模48 点，内置8 K 容量的RAM存储器，最大可以扩展到16 K，CPU 运算处理速度0.08 ms/基本指令，在FX2N 系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块。FX2N 系列是PLCFX家族中的一个系列，有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块，灵活和控制能力强，有功能很强的数字指令集，通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接，继电器输入24 点输出24 点，该控制器具有系统配置灵活，编程简单，高速的性能等特点[8]。

扩展模块选用FX2N-2AD 和FX2N-4DA 2 种模块，可用于2 点的模拟量输入和4 点的模拟量输出，输入与输出为4～20 mA 信号，其分辨率电流为1/1 000，电流值20 μA，总体精度1%，转换速度6～15 ms，使模拟量输出控制电机转速。该模块数字与模拟转换特性可以调节，每个模块占用8 个I/O 点，它们可被分配为输入或输出，使用FROM/TO 指令与PLC 进行数据传输[9]。

3 PLC 控制系统

1）I/O 分配表。根据设计要求及需要的输入输出点数和各电气元件的功能，设计I/O 分配表，PLC 完成设定任务，是通过这些输入输出点来与现场信息交换，只有每个I/O 点代表不同的意思，才能区别不同现场情况，故要做点数分配。PLC 可编程控制器输入与输出继电器对应元器件与作用，输入继电器分配表见表2 和输出断电器分配表见表3。

2）PLC 外部接线图。PLC 的外部接线主要有工作电源线、接地线、输入端接线和输出端接线，PLC外部接线图如图2。

表2 输入继电器分配表

图2 PLC 外部接线图

3）PLC 梯形图。使用GX Developer 软件设计PLC 梯形图，将所编写的梯形图程序进行编译，通过上下位机的连接电缆把程序下载到PLC 中。为了及时发现和消除程序中的错误，减少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常和异常情况时都能作出正确的响应，需要进行离线测试，即不将PLC 的输出接到设备上，在电脑上模拟测试。按照控制要求在指定输入端输入信号，观察输出指示灯的状态，若输出不符合要求，则查找原因，并排除之后重新测试，测试合格后再将PLC 连接到设备上[10]。

4 结语

设计了卷缆车自动收放缆系统，通过PLC 控制系统使电缆跟随卷缆车自动行走进行自动收放电缆的工作，卷缆车跟随电铲等带电设备移动作业，有效防止了电缆拖拽等引起的电缆损坏。

表3 输出断电器分配表