智能化卷缆装置_变频电缆卷筒

口的设备管理工作起到指导性作用。

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肖汉斌:430063,武汉市武昌区和平大道1040号
收稿日期:2006-07-24
智能化卷缆装置)))变频电缆卷筒
常开电气有限公司顾文溢杨俊超
常州基腾电气有限公司李进琳姚茂平
摘要:结合起重机械对电缆卷筒的性能要求,着重介绍变频电缆卷筒的工作原理和控制方法。

针对目前国际上采用变频方法控制的电缆卷筒,提出了新颖的、高集成度的控制思路,研制出性能优越的新型变频电缆卷筒,在实际应用中取得了良好的效果。

关键词:智能化;变频;电缆卷筒;内置PLC
Inte lligent C ab le D ru m Equip m ent-Frequency C onversion Pow er Cable Drum
Changzhou E lectric Sw itch Ltd1GuW enyi YanÄJunchao
Changzhou JI TE NG E l e ctricity Ltd1L i Ji n li n YaoM aopinÄAbstract:T h i s paper m a i nly i ntroduces the pri nc i p l e and contro lli ng m ethod for the frequency conversion cab le drum i n consi derati on of t he requ irement o f crane to the cable dru m s'pe rf o r m ance1A ccordi ng to the dru m s con tro ll ed by frequency conversi on m ethod i n the wor l d,a k i nd o f ne w and i ntegrated contro lling cab le dru m w ith h i gh qua lity of frequen-cy conve rsion techno l ogy is developed and it has used in practice1
K ey w ords:intelligence;frequency conversi on;pow er cab l e dru m;i nsi de PLC
1电缆卷筒的发展
从固定电站向起重机械提供电能的主要形式有3种:悬挂电缆供电、滑触线供电和电缆卷筒供电。

悬挂电缆供电方式适用于传输电流小、传输距离短的应用环境;滑触线供电方式适用于传输电流小、接触可靠性要求低的应用环境;在起重机械大型化的今天,设备的用电容量不断加大,电缆更粗、距离更长,因此电缆卷筒比其他供电装置有越来越多的优势。

随着新科技成果的应用和结构的不断改进,电缆卷筒成为起重机械中最普遍、最受欢迎的供电装置。

国内电缆卷筒按卷绕控制方式可分成4代产品:
早期的电缆卷筒采用滑轮组,在电缆的一端用重锤式配重块,始终给电缆卷盘提供拉力,随着电缆长度的增长,重锤式配重块需要非线性地快速增加,在有些设备上已无法安装。

采用力矩电机提供动力的第2代电缆卷筒,省去了配重块的麻烦,简化了机械结构,但力矩电机在速度变化时无法提供恒定的力矩,且堵转运行时发热量大,在环境温度高的条件下,不适合长期运行。

第3代电缆卷筒是常开电气有限公司开发的磁滞式电缆卷筒,它采用了磁性连轴器和多台电机同时运行的办法,克服了力矩不恒定的缺点。

通过磁性块,使电机与卷盘之间的连接转矩近似恒定;同时通过磁性块间隙的调整,可以使电机工作在额定功率范围内,避免电机由于堵转或过载而损坏。

它是普通电缆卷绕的理想产品,目前成为港口大型起重机械的首选。

近年来,随着起重机械需要行走的距离更远,以致卷盘的内层到外层的卷绕半径相差3倍甚至更
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Po rt Operati on20071N o11(Ser i a l N o1171)
大,它的恒定力矩输出对电缆提出了更高的抗拉力要求。

因为在满足外层电缆卷取力要求的条件下,由于磁性连轴器的卷绕力矩近似恒定,因此内层电缆要承受的张力会比外层大3倍以上,对于内嵌光纤的高压电缆或承载张力小的电缆,容易造成损坏。

采用变频控制方式的电缆卷筒能保持电缆张力的恒定,这就是最近问世的第4代产品)))变频式电缆卷筒。

2变频式电缆卷筒结构
根据多年制造电缆卷筒的经验和长期对变频技术的探索和实践,我们开发了机电一体化产品)))高集成度变频电缆卷筒,其机械结构见图1。

图1变频电缆卷筒机械结构
它采用了卷盘型结构,电缆可以多层叠绕,适合于上下安装空间大的应用环境。

随后开发的卷筒型结构适用于横向空间较大的应用环境。

由于采用了变频控制技术,增加了相应的电气检测单元和智能化控制系统,所以从根本上改善了卷绕电缆的性能。

它主要由交流变频控制的驱动控制箱、集成了制动器和光电编码器的变频电动机、减速箱、集电器箱、卷绕电缆的卷盘和凸轮限位等部件构成。

1)电缆卷盘它是存放电缆的容器,有卷盘型和卷筒型2种,它的转动直接驱动电缆收放。

在设计中不仅考虑电缆卷盘的强度,还充分兼顾了电缆卷盘的惯量。

对于直径3m以上的卷盘,采用拼装式结构,不仅重量减轻,而且灵活性强、运输方便,可以在现场根据电缆直径调整卷盘开距,同时采用了热浸锌表面处理工艺,解决了油漆卷筒无法达到的防腐性能。

2)集电器箱采用标准的结构形式,组合灵活。

按集电环传导的电压分为高压箱体(10kV级)和低压箱体(380V级)2类,按集电环传导的电流分为单环630A、400A、63A的动力环和单环10A 的信号环等多种规格,外壳结构可以选用普通钢板材料或不锈钢材料。

3)减速箱根据收缆速度不同,可以选用不同的速比。

4)电气控制箱电气控制部分非常简单,但功能齐全。

整套系统安装在电缆卷筒控制箱内。

不仅具有控制变频电动机运行的功能,而且能从电缆卷筒外围检测装置收集信号,根据电缆卷筒
的运行环境进行智能判别,向电动机、制
动器等发出正确的命令,实时与整机控制
系统联络,控制信号可以立即使电缆卷筒
运行。

5)变频电动机为了使结构紧凑,提
高系统的集成度,在选用电机时,除了要
求合适的变频控制特性外,在结构上还要
求具有I P55的防护等级,以适合户外环
境,同时尽可能地将附件集成为一体,便
于维修,因此电机尾部装有风冷装置、可
以手动释放的制动器和用于实现闭环控
制和位置检测的高精度脉冲编码器。

3变频电缆卷筒的工作原理和控制
方法
变频电缆卷筒控制器是由变频器、PLC、变频电动机等自动化控制元件组成的电气控制系统,它使电缆在收放过程中受到的张力保持恒定。

从电缆卷筒的演变中可以知道,实现这一功能,只有使控制系统具有智能判别功能,能够随时检测电缆受力半径并改变控制力矩,才能真正达到理想的卷绕效果,克服电缆承受的过张力冲击。

电缆卷筒的控制系统在整机中是一个非常小的部分。

使控制方法尽量简单是我们开发的目标。

本产品的最简单的控制方法仅需要1个信号(左行或右行命令),变频卷筒控制器就可以根据当时的位置判别收放缆的工况,输出合适的控制转矩,使卷筒可靠地运转。

当然为了与中控系统有简单的电气联锁,还提供了卷筒控制系统是否有故障、是否过张力、电缆卷筒是否已空等信号。

当出现故障时会立即通知中控停止行走。

待故障排除后还可以由中控
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港口装卸2007年第1期(总第171期)
的复位信号重新启动它的运行。

为了适应高端用户的需要,还提供了用于诊断故障的通讯接口。

变频电缆卷筒的卓越性能主要由电气控制部分来实现,在系统设计中,针对卷筒机械惯量大、半径变化范围宽,以及加速度的影响,需要进行大量的数学计算,采用了32位单片机的内置PLC硬件,使数据处理速度快,响应时间短,满足了随时调整系统运行状态、达到稳定控制电缆张力的要求。

图2是典型的起重机电控系统与变频电缆卷筒的信号传输示意图。

通常起重机总控系统与变频卷筒之间的连线为三相380V的电源线、控制信号线(左行、右行、复位)和状态反馈线(故障、卷盘空、卷盘满)。

图2变频电缆卷筒工作原理变频电缆卷筒的其他信号(如编码器、制动器、电阻、过张力等)全部集成在变频电缆卷筒控制系统内,主系统设计时不必考虑,因此,变频电缆卷筒控制与磁滞电机等方式的控制线路一样,简单方便,但性能却有了根本的改善。

4变频电缆卷筒的特点
与磁滞式电缆卷筒相比,变频电缆卷筒可以随着电缆缠绕半径的变化,输出一个相应变化的转矩;同时它也能测出收缆与放缆的区别,及时调整输出转矩,使电缆所受的张力基本不变。

该变频电缆卷筒采取了新的提高集成度的设计,与国外名牌制造商的产品相比,在电控系统上有很大的改进:
(1)国外的产品采用变频器和独立的PLC组成控制系统,PLC与变频器之间采用现场总线进行通讯,外围需要专用电源等设施,系统非常繁杂,故障率高,而且控制精度受通讯速度和PLC运算速度的限制。

本系统中采用了内置PLC技术,使变频器与PLC之间实现无缝连接,PLC可以直接使用变频器内的全部数据,不需要通过通讯或其他方式的传输,减少了数据获取时间,提高了系统的运算效率。

(2)国外的产品采用电位器进行卷绕半径检测,其寿命和精度无法与采用脉冲编码器的变频电缆相比,可靠性差。

(3)国外产品体积大,一般在室内安装。

本产品体积小巧,可以装在室内,也可以直接安装在电缆卷筒附近。

(4)变频电缆卷筒还提供防电缆拉断保护,在电缆可能在电缆槽中被卡死而无法卷取的情况下,能够向起重机驾驶员发出警告提示,并停机。

为了系统调试、维修和故障检测方便,在控制箱中加入了本地/远地选择、本地控制、本
地复位等数个控制按钮。

变频式电缆卷
筒经过初始设定和调试后,即可长时间
无需维修地可靠运行。

由于采用了先进
的技术,本系统不仅可以通过电脑用软
件方便地进行编程,并可根据不同的工况
修正各项参数,还提供了网络通讯接口,
可以通过Profibus、I nterbus等进行通讯,
如果有需要的话,驾驶员甚至可以在驾驶
室通过人机界面完全监控电缆卷筒的运
行情况。

变频电缆卷筒的内部控制由内置PLC程序实现。

这些程序不仅含有逻辑控制的联锁,还有内部状态检测和位置计算、力矩命令等。

这些程序经开发完成后作为标准软件下载在每台变频电缆卷筒中,用户不必改动。

如果用户有特殊的工况要求,可以通过编程器在线修改,并可以监视软件的运行。

5结语
电缆卷筒的应用越来越广泛,需求量近年来增长迅猛,油价上涨后,燃油RTG改为供电RTG的试验日趋成熟,将会有许多RTG采用电缆卷筒供电。

起重设备在召唤高质量的电缆卷绕装置。

高集成度的变频电缆卷筒将为市场提供更多更理想的选择。

由于国外变频电缆卷筒价格昂贵,仅局限在高档设备上使用。

近年来本公司已为港口提供的20多套变频电缆卷筒产品,以它稳定、可靠、紧凑的特点,平民化地走向市场。

顾文溢:213002,江苏省常州市常新路142号
收稿日期:2006-10-25
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Po rt Operati on20071N o11(Ser i a l N o1171)。