【文章內容簡介】 懸臂皮帶機驅動裝置由驅動滾筒、減速機、液力耦合器、制動器、電動機組成，交流電動機驅動功率為1臺110kW。一直以來斗輪驅動裝置采用減速機、交流電動機組成。本此設計采用液壓馬達形式驅動斗輪機構，馬達電機驅動功率為1臺110kW通過調整壓力值來調整斗輪速度，且可以返回液壓馬達系統(tǒng)運行反饋模擬量信號，判斷斗輪的切削受力情況，從而來調整半自動取料時的回轉速度，來保證取料過程中設備運行的穩(wěn)定和取料的恒定。 本章小結 本章主要圍繞斗輪取料機的機械結構展開描述，主要介紹了取料機的各個結構組成，并完成了主要設備的選型和傳動機構的設計。首先給出了取料機整機設備的主要參數(shù)，另外針對取料機的機械結構特性，逐次分步展開，完成進一步結構設計，設計包括回轉電機、行走電機、俯仰、皮帶和斗輪的傳動機構設計。本章的寫作目的是對懸臂式斗輪取料機機械結構的初步確定，以及傳動機構的整體設計。本章主要為以后的具體電氣控制路做鋪墊。11 第4章 斗輪取料機硬件電路的設計 第4章 斗輪取料機硬件電路的設計本次設計為斗輪取料機提供了6000V電源[12]，機上設有高壓控制柜和高壓變壓器，為各機構控制等輔助系統(tǒng)提供低壓電源，其配電電路圖如圖41所示。 圖41 配電電路圖本次設計的電氣室包括針對取料機結構特點的各個控制柜，配電柜以及受電柜。1號配電柜如圖42所示，2號配電柜的接線圖如圖43所示，750kw受電柜如圖44所示。兩個受電柜為6000V/400V變壓器。如圖44所示，該受電柜的主要功能是使變壓器輸出400V交流低壓動力電源并進行初次分配，分為五路，分別通過空氣斷路器進行分斷和保護。第一路為3相動力供電線路，通過電壓互感器和電流互感器進行電壓電流指示；第二路通過變壓器進行電壓轉換，主要為行程開關、電磁閥線圈供電；第三路為備用三相電源；第四路主要為PLC控制柜供電。其他電路圖中均有詳細標注，在此不再贅述。 圖42 1號配電柜接線圖 圖43 2號配電柜接線圖 圖44 750KW受電柜接線圖圖45 20KW受電柜接線圖對于設備走行機構，由于屬于平移機構，且在正常作業(yè)和調車的工況下需要不同的速度，考慮到變頻技術的逐漸普及，這里采用變頻器一拖多驅動方案，來實現(xiàn)不同工況下對不同速度的要求，從而保證設備的運行平穩(wěn)，調試簡單方便。由于走行機構對動態(tài)性能要求不高，且斗輪堆取料機跨距小，調速方式采用V/F控制，無轉速反饋的開環(huán)控制。走行電機配強冷風機，用來保證電機在低頻工作時良好的散熱和電機的絕緣特性[13]。本設備采用一臺變頻拖動16臺電機，其走行控制原理電路圖如圖46所示。圖46 行走變頻控制柜接線圖 對于懸臂旋轉機構，由于設備的特點要求取料過程中恒料量取料，保證作業(yè)效率，因此回轉機構需要采用調速方式，控制在懸臂不同角度旋轉時料流的恒定，驅動采用一拖二的交流變頻調速方式V/F調速控制原理[14]。回轉控制原理電路圖如圖47所示。 根據(jù)前面介紹對于俯仰機構的驅動方式選擇，液壓驅動型式的應用要優(yōu)于鋼絲繩結構形式，液壓系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，設備維護量小。液壓系統(tǒng)中油缸的上仰、下俯動作，通過PLC輸出20ma模擬量斜坡信號來控制比例放大閥的開口大小,從而控制液壓系統(tǒng)壓力的大小，油缸的伸出和縮回平穩(wěn)可靠。圖47 回轉變頻控制柜接線圖俯仰液壓控制設計,對于液壓式俯仰，采用液壓缸變幅，具有體積小，結構簡單，維修量小、工作可靠等優(yōu)點，現(xiàn)在被廣泛采用[15]。俯仰機構采用液壓驅動，在回轉平臺設置俯仰液壓站。油泵電機采用直接啟動方式。在液壓站內還設有油位、壓力、濾油器堵塞、溫度等檢測并參與控制。執(zhí)行元件采用液壓閥比例控制技術，來控制俯仰的上仰和下俯管路液壓油路系統(tǒng)壓力，來決定油缸運行的快慢[15]。懸臂皮帶機構采用電機，液力耦合器，減速機的驅動型式，因此可以采用簡單的直接啟動的方式來控制皮帶機系統(tǒng)。由于皮帶機運行速度快，所以運行啟動前需要增加啟動預警告，警告5秒后皮帶機啟動，且在沿線增設應急拉繩開關安全保護。由于設備具有取料作業(yè)，因此皮帶機為雙向運行。本項目設備從采用液壓馬達形式驅動斗輪機構方案。通過調整壓力值很方便的調整斗輪速度，且可以返回液壓馬達系統(tǒng)運行反饋模擬量信號，判斷斗輪的切削受力情況，從而來調整半自動取料時的回轉速度，來保證取料過程中設備運行的穩(wěn)定和取料的恒定。液壓馬達工作原理：液壓馬達習慣上是指輸出旋轉運動的，將液壓泵提供的液壓能轉變?yōu)闄C械能的能量轉換裝置。液壓馬達按其結構類型來分可以分為齒輪式、葉片式、柱塞式和其它型式。按液壓馬達的額定轉速分為高速和低速兩大類。額定轉速高于500r/min的屬于高速液壓馬達,額定轉速低于500r/min的屬于低速液壓馬達。高速液壓馬達的基本型式有齒輪式、螺桿式、葉片式和軸向柱塞式等[16]。它們的主要特點是轉速較高、轉動慣量小，便于啟動和制動，調節(jié)，調速及換向，靈敏度高。通常高速液壓馬達輸出轉矩不大所以又稱為高速小轉矩液壓馬達。低速液壓馬達的基本型式是徑向柱塞式，此外在軸向柱塞式、葉片式和齒輪式中也有低速的結構型式，低速液壓馬達的主要特點是排量大、體積大轉速低，因此可直接與工作機構連接，不需要減速裝置，使傳動機構大為簡化，通常低速液壓馬達輸出轉矩較大，所以又稱為低速大轉矩液壓馬達。對于斗輪機構采用低速大轉矩液壓馬達驅動形式，比傳統(tǒng)的電機減速機驅動方式更安全可靠。其控制方式可以通過調整液壓流量調整斗輪轉速，且可以將馬達系統(tǒng)的壓力模擬量信號返回到控制系統(tǒng)，供系統(tǒng)監(jiān)測使用以及參與控制使用。 PLC控制系統(tǒng)設計斗輪堆取料機采用國際品牌的工業(yè)PLC，結合網絡及性能的選擇等因素，選擇美國ROCKWELL公司產品ControlLogix系列PLC,來完成此項目的優(yōu)化控制系統(tǒng)開發(fā)設計。ControlLogix平臺主要特點如下：①所有模塊均可帶電插拔；②用戶通過軟件刷新即可實現(xiàn)包括處理器在內的各種模塊的升級；③由于其網絡采用統(tǒng)一的CIP協(xié)議，該協(xié)議實現(xiàn)了對實時控制數(shù)據(jù)和非實時監(jiān)視。④組態(tài)數(shù)據(jù)的區(qū)別對待，保證了工業(yè)控制的實時性和確定性，其網絡功能強大，實現(xiàn)了不同網絡間數(shù)據(jù)的完全透明，可以無縫連接，一網到底；⑤功能強大的Logix處理器:處理器具有高速程序及數(shù)據(jù)處理能力，；單個處理器最多支持128000開關量或4000模擬；用戶無需更換處理器，通過替換更大容量的內存即可擴充系統(tǒng)處理能力；本身提供電池后備，從機架取出處理器后仍可保持數(shù)據(jù)不丟失；IEC11311全面支持；實時多任務系統(tǒng)內核：多達32個任務，包括:1個連續(xù)任務以及31個周期任務；有15個優(yōu)先級可選以保證重要任務優(yōu)先。每個任務中可編制32個主程序，并分別擁有單獨數(shù)據(jù)區(qū)[18]。因此根據(jù)設備需要CPU選擇1756—L55M13帶有非易失性內存。斗輪堆取料機的PLC控制原理配置圖如圖48 圖48 PLC配置圖本項目設備設計采用先進可靠的現(xiàn)場總線技術，實現(xiàn)多層網絡應用，本機的PLC與I/O分站及變頻器之間采用ControlNet網通訊，與檢測編碼器采用DeviceNet網絡通訊與遠程輸煤程控系統(tǒng)采用光纖EthereNet/IP網通訊，即根據(jù)三層網絡構架[19],分別有三個軟件：RSNetWorx for DeviceNet（用于設備網組態(tài)）、RSNetWorx for ControlNet（用于控制網組態(tài)）、RSNetWorx for EtherNet/（用于以太網組態(tài)）。具體設計網絡圖見圖49所示。 圖49 plc網絡圖（1）本系統(tǒng)采用EthereNet/IP網絡實現(xiàn)上層管理系統(tǒng)通訊，是基于以下三點因素：①數(shù)據(jù)傳輸速率高，提供足夠的帶寬。該網絡速度可達100Mbps可以大數(shù)據(jù)量傳輸。②調試和維護方面的考慮。調試方便可靠，便于與辦公網絡連接到一起，實現(xiàn)網絡的遠程管理功能?？刂葡到y(tǒng)和上位機可以組成完全意義的多服務器，多客戶機模式的實時監(jiān)控系統(tǒng)。③具有廣泛的技術支持。由于通用普遍，便于網絡使用維護。④本機上位管理上位機網絡及與中控系統(tǒng)通訊首選網絡，傳輸介質采用屏蔽雙絞線和光纖介質。（2）本系統(tǒng)采用ControlNet總線實現(xiàn)中問層各I/O分站、變頻器設備以及顯示操作終端通訊，是基于以下四點因素：①速度方面的考慮。ControlNet的數(shù)據(jù)傳輸率恒定不衰減5Mbps，與節(jié)點多少和離遠近無關。②調試和維護方面的考慮。調試過程中便于從網絡上任何節(jié)點都可以訪問到控制器和整個網絡，方便進行編程和系統(tǒng)故障排查。③系統(tǒng)的任務處理能力較強，為關鍵任務提供確定的、可重復的控制數(shù)據(jù)傳輸。④ControlNet網絡抗干擾能力強，介質冗余簡單方便。（3）本系統(tǒng)采用DeviceNet總線實現(xiàn)設備層傳感器等檢測設備通訊，是基于以下四點因素：①速度方面的考慮。檢測元件對數(shù)據(jù)傳輸速度要求并不嚴格，相對低的速率即可滿足應用。②性價比高。對于設備層網絡成本相對較低，且此類網絡元件也相對較低。③與PLC品牌的選擇一致，且支持此網絡應用。選用單圈絕對值總線型編碼器，代替早期數(shù)據(jù)線型編碼器，與PLC通訊傳輸數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準確性。P+F的DeviceNet產品DVS58系列?型號DVS58N一011AGROBN一0013。適合工業(yè)環(huán)境應用，防護等級IP65。網絡通訊速率可設置為125kBit/s，250kBit/s，500kBit/s。分別用于檢測走行機構行走距離、回轉機構的回轉角度以及俯仰機構的俯仰角度。作為總線型編碼器，可以減少不必要的故障和誤差，保證數(shù)據(jù)讀取的連續(xù)性。采用此方案性價比高，提高了技術含量，保證檢測精度。減少了配線和安裝工業(yè)自動化設備的成本和時間，以一根電纜互相連接和通訊，提高系統(tǒng)對監(jiān)測元件的診斷功能。在斗輪堆取料機各機構設置保護限位，參與設備控制系統(tǒng)運行，使其保障設備安全可靠的運行。（1）在走行機構前后兩側設置二級保護限位；（2）在回轉機構左右110度。設置二級保護限位；（3）在懸臂俯仰機構設置上仰和下俯二級保護限位；（4）液壓系統(tǒng)設置油位、油溫、油壓及油堵等液壓保護；（5）在懸臂皮帶和尾車皮帶機構設置拉繩、跑偏、皮帶打滑及撕裂等皮帶保護開關。 本章小結本章主要針對斗輪取料機的硬件電路結構進行具體設計，首先針對電氣柜的組成逐次展開描述，電氣柜包括進線柜、低壓配電柜、變頻器和PLC控制柜。其中，有500KW、20KW兩臺6000V/400V變壓器，9個控制柜，分別為1號配電柜、2號配電柜、500KW受電柜、20KW配電柜、PLC控制柜、回轉變頻柜、行走變頻柜、 斗輪機構控制柜、懸臂俯仰控制柜和皮帶機構控制柜，并針對各個結構完成了主要設備的選型設計。23 第5章 斗輪取料機調試程序設計第5章 斗輪取料機調試程序設計 程序編制軟件PLC編程軟件選用RSLogix5000。該軟件是美國AB公司開發(fā)的PLC編程軟件，為用戶提供了友好的訪問頁面，為用戶程序編寫提供了功能塊圖、梯形圖語言、指令表等多重編程語言[23]。它具有以下特點：（1）統(tǒng)一的項目查看；（2）靈活的梯形圖編輯器；（3）拖動時操作；（4）梯形圖查看選項；（5）定制數(shù)據(jù)監(jiān)視；（6）狀態(tài)文件分類顯示；（7）簡易的通訊配置；（8）強大的數(shù)據(jù)庫編輯器（9）查找與替換；（10）直觀的windows界面（11）項目校驗快捷更正錯誤等。取料機的取料作業(yè)工藝可分為層取料方式、法定點斜坡取料方式、旋轉分層取料方式、混合取料方式和連續(xù)行走取料方式等。本設計的取料作業(yè)方式為旋轉分層。為了滿足定量取料的目的，臂架的旋轉速度應按照取料角度θ的1/θ函數(shù)關系自動變速，當取料角度小時，旋轉速度應慢些，當取料角度大時，旋轉速度應該快些。同時旋轉范圍應取10176。~70176。最合適。根據(jù)設備的取料工藝，采用國際通用的簡單編程方式梯形圖語言，要求實現(xiàn)手動、半自動操作，保證連鎖保護可靠，報警故障檢測準確，完善。半自動操作的程序是在手動操作的基礎發(fā)展起來的，在保證手動操作的功能同時，盡量減少操作人員的工作強度和操作重復度。在每一層的操作上采用半自動自動運行，按照從中控室發(fā)來的信息，司機以手動方式進行行走、旋轉和提升等操作。將斗輪放到取料作業(yè)的起始點，然后HMI的操作屏上，設定點動次數(shù)和點動距離，調整設定好設備的工作狀態(tài)后，由操作人員按下啟動按鈕后，地面皮帶機起動后，機器就按PLC的半自動程序進行自動工作。初始操作和兩旋轉端角的設定由司機在第一次旋轉動作時進行。設定完畢后，旋轉運動依照上述預設定的旋轉角進行控制，換層操作以手動方式進行。在半自動操作中，司機可以改變設定值。在進行一個煤堆的操作時，僅需設置一次取料范圍，下一個循環(huán)值由PLC自動計算。斗輪機半自動作業(yè)時，設手動干預功能，在手動干預有效時，可以暫時中半自動堆、取料作業(yè)過程，根據(jù)需要調整大車、變幅、回轉等運行參數(shù)，當解除手動干預時，半自動程序自動恢復運行。對于半自動取料，要求在取料的過程中要保證料量恒定，因此需要編制半自動恒量取料控制算法程序，其簡單流程見圖。同時通過安裝在懸臂皮帶機上的皮帶秤反饋的料流信號來控制懸臂的旋轉速度，從而保證取料恒料量。 斗輪堆取料機的PLC控制程序通過梯形圖語言編寫，便于閱讀和理解。由于篇幅有限以下只做將各機構的程序做介紹說明。軟件的程序列表如圖51