翻车机驱动和电气控制系统升级改造

刘文磊

摘要：本文是对国投曹妃甸港口有限公司翻车机系统故障进行统计分析，为了解决翻车机系统存在的问题，对翻车机驱动变频器和电气控制系统进行升级改造。

关键词：翻车机;变频器;控制系统

一、设备基本情况

国投曹妃甸港口有限公司起步翻车机是当下最大也是最先进的翻车机系统，此翻车机系统是四翻式O型翻车机，由两个独立的两翻翻车机组成，通过严密的电气控制实现两组翻车机同步运行，在作业时，可以一次性翻卸四节车皮，两组翻车机也可以单独翻卸。这套翻车机系统从投产到现在已运行了12年，整个翻车机系统处于一个故障频发的阶段。

二、翻车机驱动系统升级

（一）翻车机驱动硬件升级

本次升级使用的西门子S120系列变频器取代原有Simovert Master Drive系列变频器。

1）逆变单元选型

所选型号 6SL3320-1TE33-8AA3 x 4直流母线额定输入DC 510 - 720 V

名义额定功率（400V，50Hz） 200 KW

输出电压 380 VAC

额定电流 380 A

重载基准负载电流 555 A

过载能力    150%， 60 sec.

根据翻车电机参数， 配置逆变器的计算过程如下：翻车电机型号为： 1LG4 316-4AA60-Z， 数量4台

电机数据如下：

额定功率： 160 kW，额定电压：380V，额定电流：285 A，

额定转速：1486rpm， 额定频率：50Hz，功率因数：0.86，效率：93.8%

从电机数据可得：

电机功率160 kW， 在380 V 50Hz时的额定电流为285 A.

据要求折算实际单个电机的电流。计算过程如下：电机过载 1.8倍电流持续时间：5 s

Imax = 285 x 1.8 ≈ 513 A

额定总静负载功率计算总静负载电流（100%负载）IN-motor = PN-motro x 1000 / （√3 x UN x cos φx eff ）= 160 x 1000 / （1.732 x 380 x 0.938 x 0.86 ） ≈ 293 A

得出以下逆變器选型依据：

电机静负载电流 293 A

电机负载最大电流 513 A

依据以上数据选配的逆变器型号为：

6SL3320-1TE33-8AA3 x 4

比较逆变器的能力和负载：

额定电流 INA = 380 A > 静负载电流（100%负载）IN-motor = 293 A

1.5倍持续60秒过载电流 370 x 1.5 = 555 A > 负载最大电流 513 A

结论：上述所选的单个逆变器可以满足起升单个负载的要求。

2）整流单元选型

型号： 6SL3330-7TE33-8AA3 （235 kW）

数量 4

额定输入 3AC，380V – 480V

名义额定功率（400V，50Hz） 235 kW

额定电流 380 A

最大电流 570 A

翻车机电机额定功率： P = 160 kW

逆变单元额定功率： P = 200 kW

整流单元等效功率： P = 200 kW

等效进线电流： I = P x 1000 / （√3 x UN x cos φ）

= 200 x 1000 / （1.732 x 400 x 0.96 ） ≈ 300 A

翻车电动机峰值功率：

Pmotor-peak = 160 x 1.8 = 288 kW

整流单元短时最大功率为：

Pmax = Pmotor-peak / （ ηmotor *ηinv ） = 288/（0.938 * 0.96） ≈ 320 kW

整流进线电压400 V时，整流单元所需最大电流为：Imax = Pmax * 1000 / （√3 * 400） = 462 A

得出以下整个整流单元选型依据：

整个整流单元等效进线电流 300 A

整个整流单元负载最大电流 462 A

整个整流单元所需的等效功率 200 kW

依据以上数据选配的整流型号为：

6SL3330-7TE33-8AA3 x 4

比较整个整流单元的能力和负载：

ALM额定进线电流IN =380 A>等效进线电流 300 A

ALM最大电流Imax = 570 A > 负载最大电流 462 A

ALM额定功率PN = 235 kW > 等效功率 200 kW

结论： 上述所选的ALM整流装置满足工艺要求

3） S120系列高性能变频器拥有一整套功能完备的变频柜体。主要包含以下几个部分：

进线单元（LCM）： 进线单元是带有主回路熔断开关或主回路断路器的网侧进线装置，用于工厂电网和整流单元之间的连接。

有源滤波单元（AIM）：有源滤波单元包含相关的电网净化滤波器和直流母线预充电电路。

有源整流单元（ALM）：有源整流单元既可以给直流母线供电，也可以将再生能量返回电网。

逆变单元（SMM）：逆变单元将直流电能转变成交流电能，驱动翻车机主体电机。

编码器单元（SMC30）：编码器单元采集电机尾部安装的测速脉冲编码器信号，并将转换后的信号传送给变频器控制单元。

控制单元（CU320-2 DP）：控制单元通过 ProfiBus DP 网络和PLC控制系统通信，PLC发送控制信号给变频器，变频器反馈装置和电机的状态信息给控制系统。

（二）上位机优化

将原有控制系统的SCADA升级为factory talk界面，在界面中增加下列功能：

1）通过图形来显示变频设备的运转状态：

在畫面上显示整个设备或部分传动参数，通过数据、条形图、颜色的变化等表现手法实时显示过程状态及过程值，通过点击画面上的设备，可以显示传动控制设备状态。

2）变频驱动运行趋势记录：

以图形和曲线来显示变频驱动的电流、电压、转速时间变化，并通过X-Y趋势图记录。

3）报警信息显示与记录：

对所发生的报警状况进行一览表显示，显示应包括报警时间、标记名称、内容、级别、报警设定值等，且在上位机上能复位。

4）逻辑监视：

在人机界面上，对PLC和变频器执行的控制逻辑状态进行监视。技术人员可以通过画面直观看到变频器当前运行逻辑状态。

三、翻车机电气系统改造

（一）电缆桥架和电缆选型及安装

为了提高电缆桥架稳定可靠，桥架选型材质为304 不锈钢，厚度不低于 2mm，全部桥架都安装盖板。桥架支架采用 150mm 热浸锌槽钢，U 型结构，支架布局合理间距不超 1.5 米;支架采用焊接方式固定在翻车机主体上，全部焊缝做刷漆防腐处理。桥架三通、四通、弯头等是成型产品;桥架表面光滑，合理布局横梁。桥架与桥架、桥架与支架直接采用不锈钢螺丝连接与固定。新电缆较原有电缆更耐用，性能更优。

（二）优化翻车机控制系统

由于现场环境恶劣，翻车机作业中的煤尘水雾严重影响检测装置的精度和可靠性。此次升级加装接近式清车器回位检测开关，接近式开关具有信号稳定，检测可靠的优点，避免机损事故的发生，有效避免此类机损事故带来的经济损失和大大提高了设备稳定性和作业效率。

（三）翻车机控制系统模块化设计

1）信号悬缆，分配单独线芯为24V DC电源和COM公共端。信号电缆剩余线芯全部为PLC信号输入点。

2）动力悬缆，每两个芯驱动一个电磁阀，没有用到的悬缆线芯也会设计有端子排接线，方便后期改造与维修。

3）全部端子排电源均采用专用端子短接片，保证每个端子只有一根线缆连接，降低故障率。

4）为全部电磁阀输出设置独立接地端子排，接线箱外壳和背板设计专用接线端子与接地电缆连接。

5）根据之前的地面控制箱的PLC信号规划，集中每根悬缆功能，端子功能设计采用模块化思路。

四、结语

翻车机驱动系统升级后，故障率明显降低，变频器参数直观显示在上位机，可以实时监控驱动状态。相比2020年下半年，翻车机设备完好率得到显著提高，没有出现清车器检测精准性问题引起机损事故，避免了由于机损事故引起的经济损失。