PLC 变频式电缆卷盘在斗轮取料机中的应用探索

麻进云

（秦皇岛港股份有限公司第七港务分公司，河北 秦皇岛 066000）

秦皇岛港是我国重要的能源输出港，作为我国“北煤南运”大通道的主枢纽港，公司担负着东南沿海电煤船运以及对外煤炭出口贸易的主要任务，年输出煤炭占全国沿海港口下水煤炭总量的一半以上。斗轮取料机作为煤堆场重要的取运设备，其设备完好率直接关系到煤炭输运量的问题。目前，我公司港煤四期扩容工程共有斗轮式取料机4 台，其中，R8-1、R9-1、R9-2 取料机投产至今已投产使用14 年，面临设备老化、技术陈旧且故障频发的局面。2018 年，共停产检修20 余次，其中，因电缆卷筒系统故障停机5 次。因此，针对斗轮取料机行走卷缆系统改造，进行技术升级已成为我公司保障完成煤炭吞吐量任务中亟待解决的问题。

1 目前的技术方案及典型故障分析

斗轮机用电缆卷筒主要技术形式有以下几种：力矩电机式、磁滞式、变频传动式等。目前，我公司煤四期扩容斗轮取料机原有行走卷缆系统采用德国CAVOTEC 公司所生产的电缆卷筒。其主要结构由电机、扭矩单元、卷筒、滑环箱、旋转限位开关、导缆器、光纤旋转接头、地面接线箱及动力电缆等构成，如图1所示。该系统具有以下基本特征：（1）扭矩单元、马达、滑环箱组装比较紧凑，空间占用较小。（2）输出扭矩根据工作或负载要求可调。（3）自动刹车功能让卷筒断电时停止卷绕。（4）整个系统零部件较少，容易互换。（5）由传统的鼠笼式法兰安装马达进行驱动

图1 CAVOTEC 电缆卷筒机构示意图

该卷缆系统的扭矩单元是一套自锁蜗轮减速系统，它具有减速比较大、结构紧凑、力矩恒定等优势。但在生产过程中，我们发现，该型技术方案中扭矩单元输出力矩比较固定，无法根据卷筒上排缆数量进行所需力矩的实时调节，极易造成取料机在行走过程中电缆受力不均，产生电缆受损现象。此外，由于该套扭矩单元对内部油品要求较高，当油品发生变质时，很容易导致输出力矩变小、卷筒工作时异常振动等问题。扭矩单元内部摩擦盘使用过程中也存在不同程度的磨损，当摩擦盘磨损到一定程度后，卷筒同样会出现力矩不均、振动异常的故障。

该卷筒采用水平多层排缆方式，卷缆过程中须保证导缆器定位准确，链轮传动存在多边形效应（即运动不均匀性），长期使用会产生传动积累误差，造成导缆器定位不准确、卷筒排缆出现无序情况，同时，由于取料机作业环境较为恶劣，链轮传动系统中不可避免地会进入煤尘等杂质，导致链条及轴承磨损加剧，寿命缩减，造成链轮传动系统出现卡滞、卡死现象，对卷筒正确排缆造成不利影响。同时，由于扩容堆取线长度约为1000m，为保证取料机能够正常使用，动力电缆长度需550 米以上，但在动力电缆安装过程中，存在整根电缆“拧劲”的情况，极易导致卷筒在卷缆过程中，电缆由于本身存在扭矩而发生侧向滚动，造成卷筒上电缆之间的间距排布不匀，由于水平多层排缆形式，卷筒在排缆过程中容易发生叠缆情况，继而导致电缆放炮等严重故障，严重影响取料机正常作业。

近年来，R9-1 取料机在堆取线13 场7 垛以西进行作业时，行走卷缆系统可以正常工作，但在行程较远的堆垛以东作业时，电缆卷筒表面的电缆已剩下不多，由于卷筒机构自身的缺陷的存在，电缆在卷筒上将无序的进行排布最终导致卷筒叠缆，此时，为了避免电缆出现更加严重的后果，需要人为干预并配合R9-1 取料机抵达13 场1 垛西重新进行卷筒布缆。目前，港口生产形势严峻，取料机配煤计划日渐增多，但鉴于R9-1 取料机行走卷缆系统存在的问题，无法进行13 场8/9/10垛的配煤作业，给生产带来很大不便。

2 变频式电缆卷盘技术方案及特点

PLC 变频电缆卷盘系统主要由变频电机、减速箱、卷盘、电控柜、旋转限位开关、导缆器、光纤旋转接头、地面接线箱及动力电缆构成，如图2 所示。该系统是一种智能化的张力控制装置，它通过内部PLC 的信息处理，使电缆在卷绕过程中处于恒定的张力，避免了以往力矩恒定控制时张力变化对电缆造成的损伤。

图2 PLC 变频电缆卷盘机构示意图

PLC 变频电缆卷盘采用变频电机与齿轮减速箱为卷筒驱动单元替代原卷筒蜗轮机构的扭矩单元，通过安装在电机上的编码器来反馈电机实时转速以便变频器更加精确地控制电机的输出力矩，安装在电机上的制动器用来进行电缆卷盘的制动，从而防止电缆滑落或松弛，极大地改善了原有卷筒扭矩单元依靠固定力矩控制卷缆对电缆造成的损伤，同时，也彻底避免了原有扭矩单元因其机械结构失效导致的电缆卷筒故障。

PLC 变频电缆卷盘采用轴向单排形式的卷盘替代原有卷筒水平多层排缆方式，同时，采用固定式导缆器替代原有卷筒水平移动式导缆器。考虑到卷盘直径问题，使用扁电缆替代原有圆电缆大幅度减小卷盘直径，也避免了电缆安装期间存在的自身拧劲的情况，从根本上杜绝原卷筒电缆出现无序排缆的情况。

新电缆卷盘的控制系统由PLC+变频器组成。PLC负责收集现场反馈的各个参数并进行处理后给变频器输出，通过改变变频器的输出来达到电缆恒张力的效果。电缆卷盘具有一套独立完整的控制系统，和主机的PLC之间只有少量的数据交换，这样既保证了电缆卷筒安全高效的运行又减轻了主机PLC 的负担，有利于整个取料机的安全运行。

3 实际应用效果

通过对行走电缆卷筒系统改造，目前，我公司R9-1 取料机电缆卷筒运行一切正常，改造至今未发生一起因电缆卷筒故障而停机，而且无法在13 场7 垛以东作业的问题也迎刃而解，有效地保障了公司的正常生产。

4 结语

PLC 变频电缆卷盘不同于磁滞式、力矩电机式等传统意义上的电缆卷筒，并且突破了传统电缆卷筒的设计瓶颈，完全不受电缆的规格、卷绕长度、移动设备运行速度及安装高度等常规的限制。电缆卷筒的变频器在闭环矢量（有速度传感器矢量控制）下，选择开环转矩控制模式，并通过厚度积分计算电缆卷盘的实际卷径，准确控制电机的输出转矩，从而保证电缆在卷盘上卷绕时，根据卷绕半径变化而自动进行转矩调整（线性变化），保证电缆张力恒定，很大程度上保护了电缆。