1、连续装卸机械形成了搬运机械的一大类别，斗轮堆取料机是散货料场专用堆取设备。斗轮堆取料机主要用于散料的堆存、挖取和均料。它既可以通过旋转的斗轮在储料场进行取料运走，又可以将来料经斗臂架带式输送机反向运行而将物料堆存到料场，属于连续高效的堆取合一的装卸设备。斗轮取料机工作效率高，可节省大量劳动力、改善劳动条件，因此被国内外广泛采用。随着国民经济现代化事业的迅速发展，对斗轮取料机的需求逐渐加大，这种大型设备越来越显示出了它的优越性。国家加大对港口、钢厂、电厂等重要企业的经济投入。如今科学技术飞速发展、全面合理的采用新的控制技术，将会提高堆取料机的自动化技术含量，解决设备的不稳定运行等因素，同时改善操
2、作人员的工作强度，提高设备的使用效率。1.1.3课题研究的背景及意义国内斗轮取料机的发展在近五六年里十分迅速，尤其受国民经济固定资产投资加速的影响，国内的需求量增长比较大，是近十几年来所少有的，主要表现在港口、电厂、钢铁企业的煤炭和铁矿石的料场增长迅速，能源、原材料工业的发展也给斗轮取料机产业的发展创造了十分良好的市场环境。市场需求的增加，发展了国内制造企业对斗轮取料机研发和常新的信心，特别是一些大型取料机的改造和研发，提高了国内企业自行设计制造大型设备的能力。国内斗轮取料机无论在产量上还是质量上都有了非常大的提高，近五年新增斗轮机的总和几乎达到之前所制造的斗轮机数量的总和。针对，现今国内对煤
3、港斗轮取料机的需求加大，自动化程度要求加强，本设计运用当今先进技术设备，本着优化设计的原则，对斗轮机的电气控制系统进行综合设计，提高系统性能，降低人工和维护成本，对促进国内港口机械的发展有重要意义。1.2 本课题研究的主要内容本文以悬臂式斗轮取料机生产过程为背景，阐述各机构优化的驱动控制方式，对其电气控制系统进行全面设计。主要包括斗轮取料机的工作原理，采用总线网络技术，配置合理的控制方案，开发设计斗轮堆取料机更加完善、优化的控制系统来提高该设备的稳定性和可靠性，从而节约了人工成本和维护成本，增强设备实用性。本设计的内容包括取料机的行走回转变幅系统设计、斗轮回转驱动控制系统设计、取料机的状态检测
4、与保护等，涉及到PLC编程、触摸屏监控、变频器驱动调速1、现状总线通讯等技术2。论文设计流程为：（1）分析斗轮取料机的取料工艺；（2）取料机配电系统设计；（3）取料机控制系统设计与编程；（4）取料机控制系统监控界面开发。第2章 悬臂式斗轮取料机2.1 斗轮取料机概述煤港斗轮取料机选用悬臂式，为轨式装卸机械。整机主要由回转系统、行走系统、俯仰机构、斗轮机构、悬臂皮带机构和电气控制系统组成。在煤港，生产工艺主要分为运输，经由翻车、堆料工序卸料，再由取料机完成取料作业，经皮带机、装船机实现装船工序。在整个过程中，取料机是极为重要的工作环节。2.2斗轮取料机生产工艺 斗轮堆取料机能能把贮料场的物料按一
5、定的取料工艺取走，运送到用料场所，即完成取料作业3。 实际的运行过程中，斗轮堆取料机是散料输送系统的始端或末端。斗轮堆取料机最常用的工艺流程有：翻车机卸车带式输送机系统斗轮堆取料机堆料到料场；斗轮堆取料机取料带式输送机系统 电厂配煤仓；翻车机卸车带式输送机系统 斗轮堆取料机堆料到料场；斗轮堆取料机取料带式输送机系统一装船机装船；卸船机卸船带式输送机系统斗轮堆取料机堆料到料场；斗轮堆取料机取料带式输送机系统装火车系统装车。进行取料作业时，启动斗轮机构使斗轮转动，轮斗便切入料堆挖取物料，靠自重使物料从斗内落到固定料槽上，进而滑到悬臂皮带机构上，然后经中心料斗送入地面带式输送机上。取料作业要求，斗轮
6、堆取料机在取料时以回转为主的分层取料。其过程是取上部第一层几个走行进尺与回转几个单程第二层第三层第N层返回第一层几个走行进尺与回转单程。如此反复达到连续取料的目的。在取料时料堆的形状仍然保持是规则的料堆形状。机上皮带机双向运行，回转机构和走行机构采用连续调速功能。俯仰机构采用液压油缸形式。2.3斗轮取料机的工作原理 取料机的供电方式采用6000V电压通过扁电缆上机，通过机上控制室安装6KV/0.4KV降压变压器降低后经传动控制系统输送给各个电机。取料机电缆收放装置由电缆卷盘、力矩电机、摆线针轮式减速机、电磁制动器等组成。这种形式的电缆卷筒主要以力矩电动机来驱动。收揽时，力矩电机运行于电动状态；
7、收揽时，电机处于制动状态，依靠大车行走将电缆从卷筒拉出。 大车行走机构设有12太交流电动机，由变频器驱动，每台电机设置独立的制动器，变频器与中控室的控制手柄之间有连接，用于实现前进后退快换挡。取料机的回转机构由回转支撑和驱动装置组成，作业任务是完成臂架左右旋转。回转调速方式为无极调速。该系统的回转由两台电机驱动，并分别带有回转制动器。取料机的皮带设置在旋臂上用以输送物料并带有皮带制动器，由一台电机驱动；悬臂俯仰机构由液压系统驱动控制，液压俯仰油泵由电机驱动，俯仰范围设有行程开关加以限制。斗轮机够的设置包括斗轮及其驱动。斗轮选用无格式结构，即铲斗没有斗底，靠自重滑落。斗轮机构由液压马达驱动。 表
8、21斗轮取料机主要装置功能序号名称驱动方式功能1走行机构变频驱动完成大车沿轨道方向运行功能2回转机构完成悬臂斗轮机构水平方向移动3斗轮机构液压驱动完成将物料从料场取出功能4俯仰机构带液力耦合器完成悬臂斗轮机构垂直方向移动5悬臂皮带机构液压马达驱动由斗轮从料场取料转送到地面2.4 电气控制系统概述斗轮取料机电气控制系统以可编程控制器（PLC）为核心4，通过无线数传系统，实现PLC与中控室的无线通讯。在驾驶室设有触摸屏，对取料机工作状态进行监视。电气柜配有进线柜、配电柜、变频柜和控制柜5。悬臂回转驱动系统通过变频系统实现调速。大车行走变频驱动系统设有12台行走电机，通过柜内电器元件实现过在等各种保
9、护。PLC系统利用梯形图编程，附加中文注释，控制动作包括斗轮机构控制系统、取料悬臂皮带驱动控制系统、高压卷缆控制系统、大车行走和制动控制系统、悬臂回转和俯仰控制系统以及上位机和司机是操作系统6。2.5 本章小结本章主要围绕悬臂式斗轮取料机的整体结构展开描述，主要介绍了取料机的各个结构组成，生产工艺方面主要介绍了取料机的具体取料作业过程，另外针对取料机的工作原理进行深入分析，最后对取料机的整个电气控制系统进行综合描述。本章的写作目的是对悬臂式斗轮取料机进行总体上的把握。 第3章 斗轮取料机机械结构设计3.1 设备基本参数设计 在本次设计中，对斗轮取料机的主要机械结构做了设备选型和参数设计。基于斗
10、轮取料机所在的煤港料场布局和项目能力，现提供合理的设备基本参数。设备型号为QL3000.45斗轮取料机，根据参数，设计各个机械传动机构，以满足设备功能需要7。斗轮机构的液压马达驱动系统为132kW交流电机，是取料工作的重要机构。悬臂带式输送机用来输送物料。回转机构方面，为保证臂架在任意位置都能使铲斗装满，回转速度要求在0.010.02转/分的范围内按一定规律实现自动无极调速，回转电机的参数为：功率22kW，电流56A，转速1150转/分，励磁电压120VDC，励磁电流4.3A8。其中取料机主要电气设备的选择见表31，取料机的基本参数设计见表32所示。表31取料机主要电气设备项目容量（KVA）数
11、量（台）行走电机1112回转电机22取料皮带电机132俯仰液压油泵电机30马达主电机6卷缆电机5.57行走制动器8回转制动器表32 取料机基本技术参数参数最大/额定取料能力3200/3000t/h回转半径45m回转角度-110 +110大车行走机构允许最大轮压250kN供电方式电缆卷筒供电电压6000V供电频率50Hz3.2 斗轮取料机传动机构设计3.2.1回转电机传动机构设计由于斗轮取料机在取料作业时，设备的工艺要求回转机构能够满足不同速度工作，因此经过长期以来技术发展，从早期的频敏电阻方式到直流调速方式，逐渐成熟，虽然直流调速很完美，但是由于直流电机的本身运行过程中碳刷易产生火化，电机易损
12、坏，维护费用高，且电机设计功率受限制。本此设计采用变频驱动电机，回转速度采用0.040.13rpm调整物料流量，且保证恒定料量自动作业需要，保证作业流程所需。取料机的回转系统包括齿轮齿盘机械传动部分、两台22KW的交流电机，并用一台45KW的变频器采用一拖二的方式驱动两台交流电机。回转平台座在回转轴承上，采用机械传动，回转机构设置两套回转驱动装置，对称布置在回转平台上，每台驱动装置电动机设有安全联轴器，可以保护电机、减速机及钢结构，当超载时安全联轴器打滑。交流电动机的转速是由电动机的同步速度和转子的转差率决定的，其中，转速n和频率f成正比，即改变f便可以改变n。变频器用的是电力半导体器件的通断
13、作用将工频电源的变换成另一电能控制装置。变频器一般由整流、中间直流环节、逆变和控制、制动等部分组成。其中整流环节采用三相桥式不可控整流器件，逆变环节采用IGBT三相桥式逆变器，输出的是PWM波形，中间直流部分为滤波、直流储能和缓冲无功功率。在本次设计中，回转变频驱动选用ABB的ACS800系列变频器9，该变频器的核心技术是直接转矩控制。交流电机的同步转速表达式为：n=60f（1-s）/p式中：n异步电动机的转速； f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。3.2.2行走电机传动机构设计行走机构设计应确保驱动机构的同步，使电机载荷均匀，行走平稳，无冲击，不啃轨。应有防止斗轮机在暴风
14、中滑移的有效措施，设置夹轨器、清轨器、二级行程限位开关、终端缓冲阻进器、锚定装置等，并配有行走灯光、音响信号。应设有位置编码器，并在一定位置设有位置校正装置。驱动台车应与夹轨器、锚定装置相联锁10，以便行走驱动装置动作前，夹轨器能自动松开。当断电时，夹轨能可靠制动10。本机根据当地环境条件，斗轮堆取料机的工作风速为20m/s风速仪必须与夹轨装置联锁。当风速超过20m/s时自动风速仪能预先报警，自动夹轨器必须能承受35m/s的风速。锚定装置必须能承受55m/s的风速，堆取料机能在25m/s风速时逆风行驶到锚定位置，并设有防风系缆设施，可在锚定位置系缆固定斗轮机。行走速度6m/min30m/min
15、走行驱动设计为12台5.5kW电机驱动。行走机构的驱动方式为：变频器、交流电机和电机保护器组合控制的方案速度调节为平滑的无极调速，运行方式为向前和向后，设定取料机的行走速度范围为9-30m/min 具体驱动过程是：当给PLC发出指令后，PLC控制变频器，此时变频器从输入端子接到运行指令，根据输入状态和预先设定的参数，由内部闭环电子线路控制逆变器，同时利用脉宽调制方法产生所要求的频率幅值和相序的电压源，驱动电机运行。3.2.3俯仰传动机构设计一直以来均采用机械钢丝绳俯仰形式，使用双钢丝绳相互独立工作的方式，此种驱动控制方式，对设备运行平稳性较差，有明显的跳跃式启动，晃动较大。且对大吨位，长臂长的
16、堆取料机的俯仰机构驱动设计要求高、难度大。此种俯仰形式设备维护量大，运行不平稳。本此设计悬臂俯仰采用液压油缸驱动，设置液压站，采用双油缸工作，两油缸同步工作。设置斗轮中心俯仰角度为+6.5-10。驱动油泵功率设计为1台30Kw11。3.2.4皮带传动机构设计悬臂皮带机驱动装置由驱动滚筒、减速机、液力耦合器、制动器、电动机组成，交流电动机驱动功率为1台110kW。3.2.5斗轮传动机构设计一直以来斗轮驱动装置采用减速机、交流电动机组成。本此设计采用液压马达形式驱动斗轮机构，马达电机驱动功率为1台110kW通过调整压力值来调整斗轮速度，且可以返回液压马达系统运行反馈模拟量信号，判断斗轮的切削受力情
17、况，从而来调整半自动取料时的回转速度，来保证取料过程中设备运行的稳定和取料的恒定。3.3 本章小结 本章主要围绕斗轮取料机的机械结构展开描述，主要介绍了取料机的各个结构组成，并完成了主要设备的选型和传动机构的设计。首先给出了取料机整机设备的主要参数，另外针对取料机的机械结构特性，逐次分步展开，完成进一步结构设计，设计包括回转电机、行走电机、俯仰、皮带和斗轮的传动机构设计。本章的写作目的是对悬臂式斗轮取料机机械结构的初步确定，以及传动机构的整体设计。本章主要为以后的具体电气控制路做铺垫。 第4章 斗轮取料机硬件电路的设计4.1斗轮取料机配电系统设计本次设计为斗轮取料机提供了6000V电源12，机
18、上设有高压控制柜和高压变压器，为各机构控制等辅助系统提供低压电源，其配电电路图如图4-1所示。 图4-1 配电电路图本次设计的电气室包括针对取料机结构特点的各个控制柜，配电柜以及受电柜。1号配电柜如图4-2所示，2号配电柜的接线图如图4-3所示，750kw受电柜如图4-4所示。两个受电柜为6000V/400V变压器。如图4-4所示，该受电柜的主要功能是使变压器输出400V交流低压动力电源并进行初次分配，分为五路，分别通过空气断路器进行分断和保护。第一路为3相动力供电线路，通过电压互感器和电流互感器进行电压电流指示；第二路通过变压器进行电压转换，主要为行程开关、电磁阀线圈供电；第三路为备用三相电
19、源；第四路主要为PLC控制柜供电。其他电路图中均有详细标注，在此不再赘述。 图4-2 1号配电柜接线图 图4-3 2号配电柜接线图 图4-4 750KW受电柜接线图图4-5 20KW受电柜接线图4.2斗轮取料机控制方案的设计4.2.1行走机构对于设备走行机构，由于属于平移机构，且在正常作业和调车的工况下需要不同的速度，考虑到变频技术的逐渐普及，这里采用变频器一拖多驱动方案，来实现不同工况下对不同速度的要求，从而保证设备的运行平稳，调试简单方便。由于走行机构对动态性能要求不高，且斗轮堆取料机跨距小，调速方式采用V/F控制，无转速反馈的开环控制。走行电机配强冷风机，用来保证电机在低频工作时良好的散
20、热和电机的绝缘特性13。本设备采用一台变频拖动16台电机，其走行控制原理电路图如图4-6所示。图4-6 行走变频控制柜接线图 4.2.2回转机构对于悬臂旋转机构，由于设备的特点要求取料过程中恒料量取料，保证作业效率，因此回转机构需要采用调速方式，控制在悬臂不同角度旋转时料流的恒定，驱动采用一拖二的交流变频调速方式V/F调速控制原理14。回转控制原理电路图如图4-7所示。4.2.3俯仰机构根据前面介绍对于俯仰机构的驱动方式选择，液压驱动型式的应用要优于钢丝绳结构形式，液压系统运行平稳可靠，设备维护量小。液压系统中油缸的上仰、下俯动作，通过PLC输出20ma模拟量斜坡信号来控制比例放大阀的开口大小
21、,从而控制液压系统压力的大小，油缸的伸出和缩回平稳可靠。图4-7 回转变频控制柜接线图俯仰液压控制设计,对于液压式俯仰，采用液压缸变幅，具有体积小，结构简单，维修量小、工作可靠等优点，现在被广泛采用15。俯仰机构采用液压驱动，在回转平台设置俯仰液压站。油泵电机采用直接启动方式。在液压站内还设有油位、压力、滤油器堵塞、温度等检测并参与控制。执行元件采用液压阀比例控制技术，来控制俯仰的上仰和下俯管路液压油路系统压力，来决定油缸运行的快慢15。4.2.4皮带机构悬臂皮带机构采用电机，液力耦合器，减速机的驱动型式，因此可以采用简单的直接启动的方式来控制皮带机系统。由于皮带机运行速度快，所以运行启动前需
22、要增加启动预警告，警告5秒后皮带机启动，且在沿线增设应急拉绳开关安全保护。由于设备具有取料作业，因此皮带机为双向运行。4.2.5斗轮机构本项目设备从采用液压马达形式驱动斗轮机构方案。通过调整压力值很方便的调整斗轮速度，且可以返回液压马达系统运行反馈模拟量信号，判断斗轮的切削受力情况，从而来调整半自动取料时的回转速度，来保证取料过程中设备运行的稳定和取料的恒定。液压马达工作原理：液压马达习惯上是指输出旋转运动的，将液压泵提供的液压能转变为机械能的能量转换装置。液压马达按其结构类型来分可以分为齿轮式、叶片式、柱塞式和其它型式。按液压马达的额定转速分为高速和低速两大类。额定转速高于500r/min的
23、属于高速液压马达,额定转速低于500r/min的属于低速液压马达。高速液压马达的基本型式有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等16。它们的主要特点是转速较高、转动惯量小，便于启动和制动，调节，调速及换向，灵敏度高。通常高速液压马达输出转矩不大所以又称为高速小转矩液压马达。低速液压马达的基本型式是径向柱塞式，此外在轴向柱塞式、叶片式和齿轮式中也有低速的结构型式，低速液压马达的主要特点是排量大、体积大转速低，因此可直接与工作机构连接，不需要减速装置，使传动机构大为简化，通常低速液压马达输出转矩较大，所以又称为低速大转矩液压马达。对于斗轮机构采用低速大转矩液压马达驱动形式，比传统的电机减速机驱动方式
24、更安全可靠。其控制方式可以通过调整液压流量调整斗轮转速，且可以将马达系统的压力模拟量信号返回到控制系统，供系统监测使用以及参与控制使用。4.3斗轮堆取料机PLC及网络系统设计4.3.1 PLC控制系统设计斗轮堆取料机采用国际品牌的工业PLC，结合网络及性能的选择等因素，选择美国ROCKWELL公司产品ControlLogix系列PLC,来完成此项目的优化控制系统开发设计。ControlLogix平台主要特点如下：所有模块均可带电插拔；用户通过软件刷新即可实现包括处理器在内的各种模块的升级；由于其网络采用统一的CIP协议，该协议实现了对实时控制数据和非实时监视;组态数据的区别对待，保证了工业控制
25、的实时性和确定性，其网络功能强大，实现了不同网络间数据的完全透明，可以无缝连接，一网到底；功能强大的Logix处理器:处理器具有高速程序及数据处理能力，1K指令仅需0.05毫秒；单个处理器最多支持128000开关量或4000模拟；用户无需更换处理器，通过替换更大容量的内存即可扩充系统处理能力；本身提供电池后备，从机架取出处理器后仍可保持数据不丢失；IEC1131-1全面支持；实时多任务系统内核：多达32个任务，包括:1个连续任务以及31个周期任务；有15个优先级可选以保证重要任务优先。每个任务中可编制32个主程序，并分别拥有单独数据区18。因此根据设备需要CPU选择1756L55M13带有非易
26、失性内存。斗轮堆取料机的PLC控制原理配置图如图4-8图4-8 PLC配置图4.3.2斗轮堆取料机网络系统设计本项目设备设计采用先进可靠的现场总线技术，实现多层网络应用，本机的PLC与I/O分站及变频器之间采用ControlNet网通讯，与检测编码器采用DeviceNet网络通讯与远程输煤程控系统采用光纤EthereNet/IP网通讯，即根据三层网络构架19,分别有三个软件：RSNetWorx for DeviceNet（用于设备网组态）、RSNetWorx for ControlNet（用于控制网组态）、RSNetWorx for EtherNet/（用于以太网组态）。具体设计网络图见图4-9所示。图4-9 plc网络图（1）本系统采用EthereNet/IP网络实现上层管理系统通讯，是基于以下三点因素：数据传输速率高，提供足够的带宽。该网络速度可达100Mbps可以大数据量传输。调试和
