周劲松++夏广宇

[摘 要]翻车机是中国火力发电厂燃料系统中常见的一种大型机械，其生产的安全稳定关系到电厂燃料运输的安全。文章对FZ2-A型翻车机电气自动化系统的薄弱环节进行了剖析，对技术升级改造项目的研究方向及实施内容进行了论述。主要内容包括了拨车机编码器技术升级改造、电磁式制动器技术提升改造、磁感应类传感器的应用、变频器维护等研究成果。文章对同类翻车机电气自动化系统的技术升级有一定的借鉴意义。

[关键词]翻车机电气自动化；输煤系统技术提升；电磁制动器；总线编码器

中图分类号：U416.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0399-02

0 引言

翻车机是用来翻卸火车车皮的一种大型机械设备，其中FZ2-A型双车翻车机在我国火力发电领域有着广泛的应用，其电气自动化系统随着使用年限的增加会暴露很多问题和缺陷，给安全生产带来隐患。本文作者长期从事电厂的翻车机的电气维护和电气设计工作，经过多年的经验积累，对FZ2-A型翻车机电气自动化系统技术缺陷的消除和技术提升进行了深入的研究，下面将对相关内容进行论述。

1 翻车机电气自动化系统的简介与常见故障研究分析

1.1 翻车机电气自动化系统简介

FZ2-A型翻车机电气自动化系统控制模式采用PLC分布式控制，PLC品牌选用为施耐德电气旗下最高端的Quantum系列，主机架CPU为67160冗余热备方案。翻车机操作方式分为上位机全自动操作和现场分布式操作两种模式，上位机和PLC通讯方式采用工业以太网（冗余）协议，PLC远程站和主站通讯采用RIO远程网络（冗余）方案。翻车机的电气自动化系统控制方案在广泛的采用冗余热备的设计，来确保可靠性和安全性。控制系统网络图见图1。

驱动方式上，翻车机系统采用的是变频电机驱动和液压驱动两种方式。翻车机本体翻转和拨车机走行采用变频控制，变频器采用的是ABB 公司ACS800型变频器，电机驱动控制模式为直接转矩控制。翻车机本体压车装置、靠车装置以及拨车机的大臂起升机构、钩销机构采用液压驱动。拨车机上驱动装置的制动器为电磁式制动器。

翻车机系统的位置传感器采用了如下几种类型：

（1） 本体液压驱动的机构、拨车机液压驱动机构、翻车机本体和拨车机重要位置的检测采用金属感应式接近开关。

（2） 拨车机走行位置采用增量式编码器记录走行位置作为二次保护。

（3） 翻车机本体及拨车机部分位置上采用红外线探测传感器来检测车皮。

（4） 翻车机本体采用专用机械式主令控制器来检测重要的翻转角度。

1.2 翻车机电气自动化系统常见技术缺陷与维护难点研究分析。

通过对3年来的翻车机电气自动化系统维护工作进行总结和梳理， 已经对其他电厂同类型翻车机的走访，作者总结了以下翻车机常见的技术缺陷和维护难点重点进行了研究分析。

1.2.1 原厂配置的增量型编码器非常容易受干扰，导致上传数据不准确。

拨车机原厂标配的用来检测拨车机位置的编码器为增量型编码器，其工作原理是拨车机走行通过机械传动带动编码器旋转，编码器在旋转的过程中通过A+，A-，B+，B-四个通道发出脉冲信号。PLC上使用140EHC10500高速计数模块来对脉冲信号进行计算处理。这种方案的缺点是脉冲信号的阀值电压只有DC24V，而编码器到PLC所使用的电缆为多芯屏蔽电缆，安装位置靠近拨车机的动力变频电缆。运行一段时间后，随着编码器电缆屏蔽性能的下降，拨车机变频电机运行所产生的高频脉冲会对编码器信号产生非常大的冲击感应电压。导致高速计数模块上传数据不准确，拨车机无法自动运行，影响安全可靠性。

1.2.2 拨车机电磁制动器维护不方便。

拨车机走行驱动装置标配的制动器为电磁式制动器，其工作原理是通过电磁铁的得电和失电来控制机械制动器的打开和关闭。通过近3年对该型号制动器的维护研究，发现改制动器维护维护保养非常不方便，原因如下：

（1）该制动器的机械结构较为精密，容易沾染煤粉，不适合使用在翻车机现场高粉尘使用环境。煤粉增多后会导致制动器机械结构改变，导致制动器打开不到位，需要经常清理煤粉。

（2）每台制动器都需要配备单独的电气控制箱，其内部的电路板在震动时容易损坏。

（3）该制动器调节比较复杂，需要专业人员在现场经常调节。

（4）该制动器备件采购比较复杂，需要从国外进口。

1.2.3 翻车机压车梁信号检测方式存在安全隐患

翻车机的压车梁的作用是在翻车机翻转时给火车车皮一个机械支撑，其动作靠液压油缸驱动。翻车机的控制系统根据压车油缸上安装的压力传感器的压力值增加到设定的阀值来判断压车梁是否压实。这种检测方式只是通过压力值的大小来检测，并不是压住车皮之后才有信号发出，而是只要一有压车动作，液压缸内部的油压就会触发压力传感器，如果压车梁在动作过程中机械机构发生了卡阻，压力值上去了，而实际上压车梁并没有压上车。作者所在单位的翻车机在生产过程曾经出现过压车梁没有动作，但是检测信号已经显示车皮压实的情况。所以作者认为这个检测方式存在安全隐患，不是十分可靠。

1.2.4 翻车机本体检测传感器有待改进

翻车机本体的侧面安装了一些电感应接近开关，用来检测翻车机的翻转角度。翻转过程中，这些接近开关在接近导磁性金属时会发出信号，这样就可以将角度信号传送给PLC。经过试验，这些开关的检测有效距离为30mm。问题是，翻车机在翻卸过程中本体会来回窜动，这就造成了在某些时候，开关和检测金属之间的距离会超过30mm，根据现场实际测量，最大蹿动量达50mm。这样现有传感器的检测方式就不能保证角度信号的可靠性，检测方式有待改进。

1.2.5 变频器维护检修时间较长

翻车机本体设备启动转矩大，翻转过程中因为散料下落，负载动态变化大，所以对电机控制和变频器的控制要求较高。翻车机本体使用的变频器为ABB公司 ACS800系列变频器，该变频器使用DTC（直接转矩控制）方式来控制电机，是一种比较先进的变频器。在翻车机运行的两年时间内，由于本体电机反馈编码器损坏等原因，出现变频器内部参数和实际不一致，影响了翻车机的翻卸。根据变频器的使用要求，在变频器参数初始化调试的过程中，必须对电机进行动态旋转辨识。在辨识前需要机务人员脱离开电机的机械连接。辨识完成后，需要再恢复连接，增加变频器了检修的时间。

2 翻车机电气自动化系统的技术提升与改造

2.1 PROFIBUS-DP总线型编码器的应用

2.1.1编码器类型的选择

为了克服增量型编码器抗干扰能力弱的缺点，作者对位置反馈用的各种类型的编码器进行了研究，最终决定使用PROFIBUS-DP总线型编码器作为技术提升与改造的应用方向，理由如下：

（1） 绝对值编码器和增量型编码器编码方式不同，绝对值编码器的位置是由输出代码的读数来确定的，在测量范围内每个位置的读数是唯一的。因此，当电源断开或码盘移位时，绝对值编码器不会丢失实际位置。

（2） 使用PROFIBUS-DP总线通讯的方式，编码器和PLC之间传输速率可以从9.6Kb/s到12Mb/s，抗干扰能力强。

（3） 传输总线电缆使用两芯双绞屏蔽电缆，线芯比较细，比较柔软，适用与拨车机托令电缆的移动场合应用。其软电缆为西门子原厂制造，抗干扰、抗弯折的性能参数非常好。

2.1.2 技术升级改造内容

（1） 网络升级改造。在PLC主机架上增加PTQ-PDPMV1网络模块，该模块用于拓展PROFIBUS-DP网络，使CPU能够通过与编码器进行总线通讯。由于编码器至电气室的电缆距离较长，还需要在中间位置增加一个中继信号放大器，使信号传输更加稳定。地面电缆采用紫色专用电缆，机上托令电缆采用绿色的软电缆，接线的时候要按颜色区分A、B通道。

（2）软件设置与编程。使用ProSoft Configuration Builder 软件来配置Profibus-DP网络，需要设置网络参数、编码器的地址、旋转码率等参数。参数设置完成后，将配置文件下载到PDP模块中。然后使用Unity编程软件来对翻车机的控制程序进行重新编写，新增段DP_encoder，编程语言选择LAD。在DP_encoder中编写编码器数值读取的程序，是编码器与原来的增量编码器保持一致。

2.2 压车梁装置的改造

由于原有的压车检测方式不能有效的检测压车梁的动作状态，必须增加压车梁动作的检测装置。方案就是在压力梁的上增加接近开关，在压车状态时，接近开关发出压车到位的信号，此信号作为翻车机翻车的二次保护条件，没有到位就不能翻车。由于FZ2-A型翻车机共有8个压车梁，所以一共需要8个接近开关。在改造过程中，经过反复的试验，终于确定了合理的安装位置。

2.3 ABB-DriveWindow软件的应用

针对ABB变频器维护不方便的问题，作者通过对ACS800变频器深入的研究，逐步确定了使用软件维护PC 程序Drive Window来维护变频器的新思路。

2.3.1 DriveWindow的组成和功能。

DriveWindow是ABB公司创建的应用于ACS800系列传动系统诊断工具，主要用于调试和维护系统，应用DDCS通讯协议进行通讯，可以运行于Windows操作系统下。DriveWindow维护工具的主要硬件配置有：

笔记本电脑、RUSB-02 USB/DDCS 适配器、RDCO-01光纤网络适配器、DDCS 连接电缆（光纤）、DriveWindow正版盒装软件光盘。

2.3.2使用DriveWindow软件备份翻车机参数。

（1） 打开DriveWindow软件，检测到硬件已经连接后，需要设置OPC服务器的类型，这里选择ABB.SMP。

（2） 连接成功后，DriveWindow自动检测到ACS800 0400_3SR变频器，并在左上角的功能区进行提示。

（3） 在ACS800 0400_3SR上点击鼠标右键，选择参数下载，在随后弹出的对话框中填写“翻车机变频参数”，并保存到电脑中合适的位置。

（4） 参数上传过程中左下角会显示Uploading...；

（5） 左下角显示Ready表示参数备份已经成功；

（6） 当变频器参数出现异常，需要恢复时，将已经备份的“翻车机变频参数.dwp”下载到变频器中即可。

2.4 电磁式机械制动器的改造

作者联合翻车机机务维检人员和机械设计工程师，对电磁式机械制动器的制动结构和性能参数深入进行了研究，制定了使用国产标准制动器来替代进口电磁制动器的技改方案。使用国产制动器有如下优点：

（1）制动器设备及备件容易采购，由于是国标产品，生产厂家很多，价格低廉。

（2）调试、维护比较方便，不需要专业人员现场指导。

（3）不需要额外的电控箱单独供电。

（4）运行安全稳定，不需要经常维护。

2.5 磁感应式接近开关的使用

经过现场测量，翻车机本体的机械窜动量超过30MM，这已经超出了金属感应开关的有效使用范围。因为翻车机本体的蹿动量不会改变，所以本次升级改造研究的重点就放在如何加大感应距离上。通过对各种检测开关的研究，最终确定了使用磁感应接近开关的改造方案。磁感应开关与金属类电感开关不同，其只有在磁场强度达到一定强度才处于动作状态。磁感应开关的感应距离可以达到60mm以上，在翻车机发生窜动时，仍然能保证感应开关可以动作。根据其工作原理，通过在翻车机本体需要感应的位置安装永磁铁的方式，就可以克服原有设计的缺点，实现了技术提升。

3 技术提升成果在生产过程的校验

FZ2-A型翻车机技术提升改进的项目自2015年5月15日起实施，至6月5日结束，施工总共用时20个天。项目实施后，随着机组并网发电，用煤量增加。至本文截稿时，翻车机已经持续生产运行超过750个小时。在运行过着中，翻车机压车梁压车次数达11250次，拨车机机械制动器开闭次数为22500次；

拨车机持续走行超过1012500米；PROFIBUS-DP总线绝对值编码已经旋转超过2784375圈。在夏季南方用电高峰期这段时间，翻车机共翻卸火车车皮24000余节，翻卸发电用煤1680000吨。在这段生产过程中，翻车机仅作日常维护即可，无重大故障停机。在技术提升的关键环节通过检修日常检查和重点观察抽检，没有质量问题。按平均工作用时计算，翻车机的电气平均故障率由15.3%下降到6.7%，经过生产过程的校验，本次FZ2-A型翻车机技术提升改进效果良好。

4 结束语

FZ2-A型翻车机电气自动化技术提升项目的实施后，保证了火力发电厂燃料系统输煤生产的安全，提高了生产效率，降低了维护周期。本次研究成果经过生产检验，效果良好，等到了厂内各级领导、运行系统、维检系统的一致好评，希望能对同行起到借鉴意义。

参考文献

[1] 葛海滨.电厂电气设备检修方法分析[J].中国机械，2015，9：195-196.

[2] ABB公司，ACS800标准应用程序 7.x固件手册（版本F）[M]，2004，43-44.

作者简介

周劲松（1969—），男，江苏徐州人， 电气工程师，维修电工高级技师，现任职于国华徐州发电有限公司，学士学位，从事燃料电气检修管理工作。

夏广宇（1980—），男，年7月生，辽宁大连人， 电气工程师，现任职于大连华锐重工集团有限公司，学士学位，从事电气及自动化系统设计工作。