劉文磊

摘要：本文是對(duì)國(guó)投曹妃甸港口有限公司翻車機(jī)系統(tǒng)故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為了解決翻車機(jī)系統(tǒng)存在的問題，對(duì)翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器和電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

關(guān)鍵詞：翻車機(jī);變頻器;控制系統(tǒng)

一、設(shè)備基本情況

國(guó)投曹妃甸港口有限公司起步翻車機(jī)是當(dāng)下最大也是最先進(jìn)的翻車機(jī)系統(tǒng)，此翻車機(jī)系統(tǒng)是四翻式O型翻車機(jī)，由兩個(gè)獨(dú)立的兩翻翻車機(jī)組成，通過嚴(yán)密的電氣控制實(shí)現(xiàn)兩組翻車機(jī)同步運(yùn)行，在作業(yè)時(shí)，可以一次性翻卸四節(jié)車皮，兩組翻車機(jī)也可以單獨(dú)翻卸。這套翻車機(jī)系統(tǒng)從投產(chǎn)到現(xiàn)在已運(yùn)行了12年，整個(gè)翻車機(jī)系統(tǒng)處于一個(gè)故障頻發(fā)的階段。

二、翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)

（一）翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件升級(jí)

本次升級(jí)使用的西門子S120系列變頻器取代原有Simovert Master Drive系列變頻器。

1）逆變單元選型

所選型號(hào) 6SL3320-1TE33-8AA3 x 4直流母線額定輸入DC 510 - 720 V

名義額定功率（400V，50Hz） 200 KW

輸出電壓 380 VAC

額定電流 380 A

重載基準(zhǔn)負(fù)載電流 555 A

過載能力 ? ?150%， 60 sec.

根據(jù)翻車電機(jī)參數(shù)， 配置逆變器的計(jì)算過程如下：翻車電機(jī)型號(hào)為： 1LG4 316-4AA60-Z， 數(shù)量4臺(tái)

電機(jī)數(shù)據(jù)如下：

額定功率： 160 kW，額定電壓：380V，額定電流：285 A，

額定轉(zhuǎn)速：1486rpm， 額定頻率：50Hz，功率因數(shù)：0.86，效率：93.8%

從電機(jī)數(shù)據(jù)可得：

電機(jī)功率160 kW， 在380 V 50Hz時(shí)的額定電流為285 A.

據(jù)要求折算實(shí)際單個(gè)電機(jī)的電流。計(jì)算過程如下：電機(jī)過載 1.8倍電流持續(xù)時(shí)間：5 s

Imax = 285 x 1.8 ≈ 513 A

額定總靜負(fù)載功率計(jì)算總靜負(fù)載電流（100%負(fù)載）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

得出以下逆變器選型依據(jù)：

電機(jī)靜負(fù)載電流 293 A

電機(jī)負(fù)載最大電流 513 A

依據(jù)以上數(shù)據(jù)選配的逆變器型號(hào)為：

6SL3320-1TE33-8AA3 x 4

比較逆變器的能力和負(fù)載：

額定電流 INA = 380 A > 靜負(fù)載電流（100%負(fù)載）IN-motor = 293 A

1.5倍持續(xù)60秒過載電流 370 x 1.5 = 555 A > 負(fù)載最大電流 513 A

結(jié)論：上述所選的單個(gè)逆變器可以滿足起升單個(gè)負(fù)載的要求。

2）整流單元選型

型號(hào)： 6SL3330-7TE33-8AA3 （235 kW）

數(shù)量 4

額定輸入 3AC，380V – 480V

名義額定功率（400V，50Hz） 235 kW

額定電流 380 A

最大電流 570 A

翻車機(jī)電機(jī)額定功率： P = 160 kW

逆變單元額定功率： P = 200 kW

整流單元等效功率： P = 200 kW

等效進(jìn)線電流： I = P x 1000 / （√3 x UN x cos φ）

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

翻車電動(dòng)機(jī)峰值功率：

Pmotor-peak = 160 x 1.8 = 288 kW

整流單元短時(shí)最大功率為：

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

整流進(jìn)線電壓400 V時(shí)，整流單元所需最大電流為：Imax = Pmax * 1000 / （√3 * 400） = 462 A

得出以下整個(gè)整流單元選型依據(jù)：

整個(gè)整流單元等效進(jìn)線電流 300 A

整個(gè)整流單元負(fù)載最大電流 462 A

整個(gè)整流單元所需的等效功率 200 kW

依據(jù)以上數(shù)據(jù)選配的整流型號(hào)為：

6SL3330-7TE33-8AA3 x 4

比較整個(gè)整流單元的能力和負(fù)載：

ALM額定進(jìn)線電流IN =380 A>等效進(jìn)線電流 300 A

ALM最大電流Imax = 570 A > 負(fù)載最大電流 462 A

ALM額定功率PN = 235 kW > 等效功率 200 kW

結(jié)論： 上述所選的ALM整流裝置滿足工藝要求

3） S120系列高性能變頻器擁有一整套功能完備的變頻柜體。主要包含以下幾個(gè)部分：

進(jìn)線單元（LCM）： 進(jìn)線單元是帶有主回路熔斷開關(guān)或主回路斷路器的網(wǎng)側(cè)進(jìn)線裝置，用于工廠電網(wǎng)和整流單元之間的連接。

有源濾波單元（AIM）：有源濾波單元包含相關(guān)的電網(wǎng)凈化濾波器和直流母線預(yù)充電電路。

有源整流單元（ALM）：有源整流單元既可以給直流母線供電，也可以將再生能量返回電網(wǎng)。

逆變單元（SMM）：逆變單元將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能，驅(qū)動(dòng)翻車機(jī)主體電機(jī)。

編碼器單元（SMC30）：編碼器單元采集電機(jī)尾部安裝的測(cè)速脈沖編碼器信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳送給變頻器控制單元。

控制單元（CU320-2 DP）：控制單元通過 ProfiBus DP 網(wǎng)絡(luò)和PLC控制系統(tǒng)通信，PLC發(fā)送控制信號(hào)給變頻器，變頻器反饋裝置和電機(jī)的狀態(tài)信息給控制系統(tǒng)。

（二）上位機(jī)優(yōu)化

將原有控制系統(tǒng)的SCADA升級(jí)為factory talk界面，在界面中增加下列功能：

1）通過圖形來顯示變頻設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：

在畫面上顯示整個(gè)設(shè)備或部分傳動(dòng)參數(shù)，通過數(shù)據(jù)、條形圖、顏色的變化等表現(xiàn)手法實(shí)時(shí)顯示過程狀態(tài)及過程值，通過點(diǎn)擊畫面上的設(shè)備，可以顯示傳動(dòng)控制設(shè)備狀態(tài)。

2）變頻驅(qū)動(dòng)運(yùn)行趨勢(shì)記錄：

以圖形和曲線來顯示變頻驅(qū)動(dòng)的電流、電壓、轉(zhuǎn)速時(shí)間變化，并通過X-Y趨勢(shì)圖記錄。

3）報(bào)警信息顯示與記錄：

對(duì)所發(fā)生的報(bào)警狀況進(jìn)行一覽表顯示，顯示應(yīng)包括報(bào)警時(shí)間、標(biāo)記名稱、內(nèi)容、級(jí)別、報(bào)警設(shè)定值等，且在上位機(jī)上能復(fù)位。

4）邏輯監(jiān)視：

在人機(jī)界面上，對(duì)PLC和變頻器執(zhí)行的控制邏輯狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。技術(shù)人員可以通過畫面直觀看到變頻器當(dāng)前運(yùn)行邏輯狀態(tài)。

三、翻車機(jī)電氣系統(tǒng)改造

（一）電纜橋架和電纜選型及安裝

為了提高電纜橋架穩(wěn)定可靠，橋架選型材質(zhì)為304 不銹鋼，厚度不低于 2mm，全部橋架都安裝蓋板。橋架支架采用 150mm 熱浸鋅槽鋼，U 型結(jié)構(gòu)，支架布局合理間距不超 1.5 米;支架采用焊接方式固定在翻車機(jī)主體上，全部焊縫做刷漆防腐處理。橋架三通、四通、彎頭等是成型產(chǎn)品;橋架表面光滑，合理布局橫梁。橋架與橋架、橋架與支架直接采用不銹鋼螺絲連接與固定。新電纜較原有電纜更耐用，性能更優(yōu)。

（二）優(yōu)化翻車機(jī)控制系統(tǒng)

由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，翻車機(jī)作業(yè)中的煤塵水霧嚴(yán)重影響檢測(cè)裝置的精度和可靠性。此次升級(jí)加裝接近式清車器回位檢測(cè)開關(guān)，接近式開關(guān)具有信號(hào)穩(wěn)定，檢測(cè)可靠的優(yōu)點(diǎn)，避免機(jī)損事故的發(fā)生，有效避免此類機(jī)損事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失和大大提高了設(shè)備穩(wěn)定性和作業(yè)效率。

（三）翻車機(jī)控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

1）信號(hào)懸纜，分配單獨(dú)線芯為24V DC電源和COM公共端。信號(hào)電纜剩余線芯全部為PLC信號(hào)輸入點(diǎn)。

2）動(dòng)力懸纜，每?jī)蓚€(gè)芯驅(qū)動(dòng)一個(gè)電磁閥，沒有用到的懸纜線芯也會(huì)設(shè)計(jì)有端子排接線，方便后期改造與維修。

3）全部端子排電源均采用專用端子短接片，保證每個(gè)端子只有一根線纜連接，降低故障率。

4）為全部電磁閥輸出設(shè)置獨(dú)立接地端子排，接線箱外殼和背板設(shè)計(jì)專用接線端子與接地電纜連接。

5）根據(jù)之前的地面控制箱的PLC信號(hào)規(guī)劃，集中每根懸纜功能，端子功能設(shè)計(jì)采用模塊化思路。

四、結(jié)語

翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)后，故障率明顯降低，變頻器參數(shù)直觀顯示在上位機(jī)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。相比2020年下半年，翻車機(jī)設(shè)備完好率得到顯著提高，沒有出現(xiàn)清車器檢測(cè)精準(zhǔn)性問題引起機(jī)損事故，避免了由于機(jī)損事故引起的經(jīng)濟(jì)損失。