基于PLC控制的變頻式水纜卷盤關鍵技術

周月才

河北港口集團港口機械有限公司

1 引言

國內北方港口散貨移動設備的機上環保除塵用水大部分以地面水槽做水源,利用固定在單機上的吸水泵取水,通過管道將水送到除塵水箱,供單機除塵用水。冬季水槽凍冰無法給單機供水,對環保除塵造成很大影響。為解決以上問題,將橡膠柔性水纜纏繞在卷盤上,水纜一端與地面換向處的供水管路相連,另一端與機上除塵水箱相連,利用保溫伴熱和機電控制方案使水纜內水溫保持在0℃以上,可保障全年不間斷給移動單機供水(見圖1)。

1.上水閥 2.加熱罐 3.流量計 4.循環泵 5.水纜圖1 水纜連接圖

目前,使用較廣泛的水纜卷盤為磁滯聯軸器式卷盤,主要由電動機、磁滯式聯軸器、行星減速箱、主減速箱、卷盤等組成。磁滯式聯軸器為同步差速機構,利用磁力耦合原理保證卷盤在收纜和放纜時速度始終與單機行走同步。磁滯聯軸器式卷盤由電動機將動力傳至磁滯聯軸器,經行星減速箱、主減速箱二級變速后,將放大的轉矩傳至卷盤。卷盤工作時,電動機始終向收纜方向旋轉,當單機從中間換向點向遠離方向運動時,通過對水纜拖拽克服磁滯聯軸器上的磁場扭矩,使磁滯聯軸器內部永久磁鋼與感應盤之間磁場產生滑差,將卷盤上的水纜放下。由于磁力耦合的作用,放纜過程中水纜始終處于張緊狀態[1-2]。當單機向中間換向點運動時,卷盤向設定的卷取方向旋轉而收纜。

磁滯聯軸器式卷盤在運行過程中存在以下問題:①在單機啟動的瞬間,卷盤系統很難響應,水纜的跟隨效果較差,容易對水纜造成傷害;②當單機收攬時,磁滯聯軸器提供的收攬速度跟不上單機的行走速度而發生松纜故障;③卷盤全程收纜時轉矩不可調,放纜運行時需要克服與收攬時一樣的轉矩,水纜上的張力很大;④在換向點處要讓收攬運行的卷盤瞬間反向運轉變為放纜運行,克服電機轉矩的張力全部作用到水纜上,容易造成水纜損壞;⑤調節收纜轉矩工序復雜,且需定期調整,費時費力。

為了解決磁滯聯軸器式卷盤存在的問題,開發了PLC變頻式卷盤,實現水纜卷取和放纜。

2 基于PLC變頻控制的水纜卷盤

2.1 PLC變頻控制系統組成

變頻式卷盤由PLC、變頻器、變頻電機、減速箱、電機編碼器、行走編碼器、行走編碼器減速箱、卷盤組成,控制原理圖見圖2。

圖2 變頻器控制原理圖

單機行走過程中,變頻式卷盤動力系統采用變頻器控制,用轉矩控制方式驅動一臺帶增量式編碼器的變頻電機,通過減速箱向卷盤提供動力。行走編碼器用來記錄卷盤從中間換向點開始放出的水纜長度數值,通過聯軸節與行走編碼器減速箱相連。行走編碼器減速箱通過鏈條與卷盤旋轉軸相連,對行走編碼器進行多級減速,確保單機行走整個行程而行走編碼器不超過其量程。行走編碼器類型為單圈絕對值型,讀數變化連續準確。

2.2 PLC變頻控制工作原理

在單機行走過程中,水纜卷盤需要跟隨單機行走,因而在運行過程中會形成2種動作,即收纜動作與放纜動作。在整個單機行走路程中水纜卷盤的半徑在路程中間位置上處于最大值,所以卷盤的換向點設置在單機行走路程的中間位置。

卷盤收攬與放纜過程中的水纜采用恒張力控制,卷盤收攬時,卷盤上水纜增多、卷徑變大,電機驅動卷盤的轉矩逐漸增大;卷盤放攬時卷盤上水纜減少、卷徑變小,卷盤克服電機的轉矩逐漸減小。設備在換向點處水纜卷盤半徑最大為rmax,在行走極限處水纜卷盤半徑最小為rmin。根據轉矩計算公式:

T=F×r

(1)

式中,T為轉矩;F為力;r為轉矩半徑。當水纜張力F不變,換向點處卷盤轉矩最大為Tmax,在行走極限處水纜卷盤轉矩最小為Tmin,轉矩變化量為Tmax-Tmin=T0。將T0分成行走編碼器最大讀數的等份,計算出行走編碼器每變化一個值所對應的轉矩值,卷盤收攬時根據行走距離來增加編碼器值所對應的轉矩值。

根據此力學數學模型,利用PLC模擬量模塊將轉矩數據傳送給變頻器,在電機軸上輸出合適的轉矩,保證大機在收纜時任意位置下水纜的張力恒定不變。在卷盤放纜時,利用PLC模擬量模塊將一個極小的轉矩數據傳送給變頻器,在電機軸上輸出很小的轉矩,此轉矩只用來確保在卷盤放纜時水纜不會自由脫落。在實際調試過程中,根據現場試驗結果,確定最優的水纜張力,確保卷盤工作過程中水纜均勻的排布在卷盤上,實現穩定地卷取和放卷水纜,有效地防止水纜過度拉伸,延長水纜的使用壽命,能夠實時自適應大機行走的控制要求。

3 結語

在某港口的裝船機安裝此驅動技術的水纜卷盤,1年多來水纜卷盤運行良好,未出現水纜松纜、水纜過張力等異常情況。經過2個冬季的嚴寒天氣,在極端低溫-21℃時,PLC變頻式卷盤依然運行穩定。此驅動方式卷盤結構簡單,便于維護,首次調試正常后無需再定期調試,維護量小,維護費用低,易損件大大減少,在散貨移動單機設備上具有推廣應用價值。