陳星緯

(內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤礦業(yè)分公司，內(nèi)蒙古 白云鄂博 014080)

0 引言

WK系列礦用挖掘機在國內(nèi)各大露天礦山得到廣泛應(yīng)用，是單斗-汽車開采工藝系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備[1]。采用ABB公司ACS800變頻系統(tǒng)的挖掘機因變頻柜的功率單元采用一體式模塊化設(shè)計，使其在惡劣的工況條件下體現(xiàn)出了較強的穩(wěn)定性。其中，提升機構(gòu)采用主從電機DTC直接轉(zhuǎn)矩控制方式，見圖1。其速度閉環(huán)控制原理保證了作業(yè)效率的提升，見圖2。脈沖編碼器作為電機速度反饋的重要原件，其使用過程中普遍存在“7301”故障。通過現(xiàn)場維修保養(yǎng)的實際經(jīng)驗，對典型的編碼器故障進行總結(jié)分析，同時提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制電流-扭矩關(guān)系

圖2 速度控制系統(tǒng)框圖

1 編碼器故障介紹

ACS800系列變頻器發(fā)生編碼器故障后會在逆變機構(gòu)控制面板報出“7301 ENCODER ALM/FLT”故障代碼，常出現(xiàn)機構(gòu)逆變器跳車的現(xiàn)象，影響作業(yè)效率。提升機機構(gòu)發(fā)生該故障，嚴重時可能導(dǎo)致溜車，造成提升鋼絲繩攪亂或者鏟斗砸車等事故，威脅人身和設(shè)備安全。通過多年的經(jīng)驗總結(jié)，編碼器故障的發(fā)生受多方面因素影響，查找故障耗時較長。

ABB固件手冊對該故障的解釋為ENCODER FLT(7301)脈沖編碼器和脈沖編碼器接口模塊之間的通訊，或模塊和傳動單元之間的通訊出現(xiàn)故障?？赡艿脑蚴请娎|松動、通信超時、脈沖編碼器不完整、脈沖編碼器模塊不完整或者是內(nèi)部計算速度和實際測量速度之間相差太大。

手冊中對該故障原因的描述比較模糊，只是方向性的解釋，對日常實際的故障排查指導(dǎo)意義不足，見表1。

表1 ABB固件手冊指導(dǎo)的檢查方法

2 編碼器工作原理及安裝方法

2.1 工作原理及作用

脈沖編碼器是一種光學(xué)式位置檢測元件，編碼盤直接裝在電機的旋轉(zhuǎn)軸上，以測出軸的旋轉(zhuǎn)角度位置和速度變化，其輸出信號為電脈沖[2]，是一種常用的角位移傳感器，同時也可作速度檢測裝置。以WK系列挖掘機提升機構(gòu)為例，增量式脈沖編碼器在控制系統(tǒng)中可以保證電機精準的力矩控制，提升作業(yè)效率。在提升主令控制器零位時可實現(xiàn)提升電機非抱閘狀態(tài)維持鏟斗任意位置停留，即“握持控制”。編碼器與變頻器RTAC-01模塊通過信號線纜相連，采集計算速度信號參與控制。兩個輸出通道(通常標記有1和2或A和B)的相位差為90 ℃，當(dāng)傳動單位正傳時，相位超前的輸出通道應(yīng)連接于RTAC的輸入通道A，相位滯后的通道連接于輸入端B，信號通道見圖3。

圖3 編碼器信號通道

2.2 安裝及接線方法

原設(shè)計采用單端接地的方式，見圖4。電機側(cè)編碼器外殼不與電機外殼在一起。電纜屏蔽層應(yīng)該在ACS800逆變器RTAC模塊側(cè)接地，逆變器柜內(nèi)及編碼器內(nèi)端子排接線必須牢固，且線纜無虛接、斷股、斷路等異常情況。電纜長度選擇合理，依據(jù)脈沖數(shù)進行選擇，避免電纜過長導(dǎo)致功率消耗，影響信號穩(wěn)定。信號線纜避免與動力電纜混布同一線纜槽架，防止電磁干擾[3]。電纜選用截面積0.5～1.0 mm2的4×(2+1)具有獨立屏蔽層和公用屏蔽成的雙絞線，見圖6。

圖4 單端接地接線方式

圖5 線纜長度選擇

圖6 屏蔽層制作

3 運行數(shù)據(jù)分析

WK系列挖掘機(簡稱電鏟)除提升機構(gòu)電機裝有速度脈沖編碼器外，根據(jù)型號不同在行走、回轉(zhuǎn)機構(gòu)電機也裝有編碼器。其中提升機構(gòu)編碼器故障發(fā)生較為頻繁且具有代表性，典型故障分析主要以提升機構(gòu)為例進行論述。某露天鐵礦所使用的WK-20電鏟曾多次發(fā)生“7301”故障導(dǎo)致提升溜車，對安全運行影響較大。為此，技術(shù)人員從信號干擾和參數(shù)配置兩個方面開展運行數(shù)據(jù)積累和分析。利用DriveWindow對各項數(shù)據(jù)曲線進行在線監(jiān)測分析和參數(shù)配置查看，情況如下。

3.1 直接錄取數(shù)據(jù)曲線

前期錄曲線都采用直接錄的方式來觀察速度、電流變化，采樣間隔0.1 s，而這0.1 s內(nèi)是否有干擾造成速度的尖峰脈沖就觀測不到，而且這種錄曲線的方式不能確定故障點發(fā)生在那個時刻。在多次錄曲線后發(fā)現(xiàn)報“7301”故障時的速度基本是在160～210 rpm或-210～-160 rpm轉(zhuǎn)速這個范圍區(qū)間，均是在速度減小的時候發(fā)生故障，見圖7～9。

圖7 直接數(shù)據(jù)曲線1

圖8 直接數(shù)據(jù)曲線2

圖9 直接數(shù)據(jù)曲線3

3.2 帶故障觸發(fā)錄取數(shù)據(jù)曲線

采用帶故障觸發(fā)的Datalogger來錄曲線(這是軟件精確錄曲線的一種方法)，采樣周期1 ms，可監(jiān)控到極短時間出現(xiàn)的速度尖峰脈沖。在編碼器未做處理前的曲線，見圖10(豎線所在時刻故障產(chǎn)生，觸發(fā)Datalogger)?？梢钥吹焦收嫌|發(fā)時刻實際速度有很明顯的尖峰脈沖波動，與計算值偏差有220 rpm，前兩個脈沖波動也是干擾產(chǎn)生，可能這個擾動沒達到故障觸發(fā)的條件，最后一次擾動造成過大的轉(zhuǎn)速差就報出7301故障。這種尖脈沖表現(xiàn)在一般的曲線是有許多毛刺，見圖11。

圖10 故障數(shù)據(jù)曲線1

圖11 故障數(shù)據(jù)曲線2

通過多次數(shù)據(jù)分析對比，造成速度尖峰脈沖的原因應(yīng)該是受到電磁干擾，對故障電鏟的回路檢查發(fā)現(xiàn)編碼器屏蔽層“豬尾巴”已經(jīng)接地不牢靠，故重新對編碼器屏蔽接地進行處理，同時將編碼器接線電纜從動力電纜槽抽出，從柜子外面走線。在幾小時的監(jiān)控下，實際速度很好的跟隨，曲線整個過程沒有毛刺一樣的尖峰脈沖。觀察的曲線結(jié)果和上圖類似，無毛刺，見圖12。

圖12 屏蔽處理后數(shù)據(jù)曲線

3.3 固件參數(shù)配置分析

雖然通過數(shù)據(jù)曲線監(jiān)測和分析得知信號干擾是導(dǎo)致編碼器故障的主要原因，但是溜車現(xiàn)象發(fā)生的原因尚未明確。為此，技術(shù)人員將固件參數(shù)配置作為主要分析方向。ABB變頻器系統(tǒng)固件參數(shù)共有100組，其中第50組參數(shù)為速度測量的控制參數(shù)，用于配置給定、通道、反饋值、脈沖數(shù)、故障方式、極限值、延時等重要參數(shù)。

從固件手冊給出的速度控制方式可以看出，如果將50.05設(shè)為fault，由于提升機構(gòu)帶encoder(編碼器)，可以看出最終選擇的速度是實際編碼器測量的速度。此時的控制精度完全取決于編碼器的精度。根據(jù)手冊P83關(guān)于速度測量故障的說明可以知道，估計速度與實際速度之間有20%的誤差時會報出“7301”，說明這個速度超差范圍是固定不可調(diào)的。能將速度差穩(wěn)定在20%的誤差范圍完全是依賴編碼器的實際效果。但是從控制板到編碼器模塊，再到編碼器，在編碼器本身精度不高的情況下可能的原因除了可能的硬件和通訊故障。

如果將50.05設(shè)為alarm，當(dāng)編碼器無故障時仍然是選擇的實際速度，一旦估計速度與測量速度偏差高于1%時就會直接報出ENCODER ERROR，從而傳動開始采用估計速度而不是實際速度。其實只是用估計速度來代替實際速度來完成速度的反饋過程。但是估計速度完全是由電機模型計算所得，一方面是計算的估計速度與實際速度有偏差，不能與實際速度同步，維持時間短。另一方面ABB的電機模型在低速段不太好，這都會導(dǎo)致一旦傳動采用估計速度后會很快起不到調(diào)節(jié)作用，速度反饋過程崩潰，就會出現(xiàn)實際速度與給定差別過大，直接溜車，這也是提升機構(gòu)溜車的主要原因。

50.05在ABB系統(tǒng)默認是alarm，可能是為了避免編碼器設(shè)為fault后停機故障太頻繁。但是從上面分析知道設(shè)為alarm后就存在這個溜車的隱患。所以現(xiàn)場建議一般按fault處理，將線接好，屏蔽做好?，F(xiàn)場這樣處理后故障比以前少，但是仍然報警，調(diào)整了PI參數(shù)后，運行良好。

其實就整個速度控制的過程來看，處理50.05的取值、編碼器線、屏蔽等都只是速度控制的前端信號處理，圖13中的“to speed control”就是將這些信號傳給速度控制器的(見固件手冊P235)。而調(diào)節(jié)速度控制器的PI值，同樣也是在優(yōu)化這個過程。

圖13 速度控制字框圖

另外，對于速度控制器的調(diào)節(jié)，目前只是調(diào)整了PI參數(shù)，但是由于實際速度控制過程屬于滯后有余差的速度反饋，PID調(diào)節(jié)效果可能更好，可以在PI的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)微分系數(shù)，加強系統(tǒng)的預(yù)判能力，速度控制時序見圖14。

圖14 速度控制時序

4 故障歸納分析

通過大量數(shù)據(jù)分析可知屏蔽接地和參數(shù)配置是影響脈沖編碼器測速環(huán)節(jié)穩(wěn)定運行的重要因素，但在長期的實踐經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)仍有許多因素會造成“7301”故障的發(fā)生。為此，筆者將故障進行梳理歸納總結(jié)，方便從事該行業(yè)的技術(shù)人員明確故障排查方向、處理方法。

4.1 速度偏差

內(nèi)部速度和實際測量速度之間相差太大，即編碼器實際測量的速度與變頻器模型計算的內(nèi)部(估計)速度出現(xiàn)偏差(以下簡稱速度偏差)。除屏蔽接地因素導(dǎo)致受到電磁干擾外，機械、電氣及其它因素也會引起速度偏差。

機械結(jié)構(gòu)原因：主從電機均通過撓性聯(lián)軸器與提升減速箱一級減速齒輪連接，主機采用速度控制，從機使用轉(zhuǎn)矩控制。當(dāng)主機出現(xiàn)聯(lián)軸器斷或一級齒輪打齒問題無法正常傳遞電機轉(zhuǎn)矩時，電機失速出現(xiàn)速度偏差。

動力傳輸原因：提升、行走機構(gòu)電機共用一套逆變器，在使用不同機構(gòu)時需要進行切換，包括電機電纜的切換和變頻器控制參數(shù)的切換。當(dāng)電機切換接觸器某一相接觸不良時將導(dǎo)致電機缺相，電機無法啟動，處于左右擺動狀態(tài)，出現(xiàn)速度偏差。此外，動力電纜接地后可能會形成強電干擾，通過車體金屬結(jié)構(gòu)作用在編碼器信號線絕緣最薄弱的地方。

電機碼盤原因：脈沖編碼器的安裝與電機軸端碼盤有一定的間隙，不同型號的的間隙要求不同。當(dāng)電機軸承損壞導(dǎo)致電機軸偏心達到一定程度時，編碼器與碼盤摩擦互相損壞，編碼器無法準確測量速度，形成速度偏差。此外，電機軸端碼盤位置密封不嚴，過量的磁性塵土的進入也會影響速度測量精度。

PLC故障原因：某露天礦在排除所有可能的屏蔽接地原因后，依然在運行過程中出現(xiàn)無規(guī)律的“7301”故障。經(jīng)過長時間的跟車觀察發(fā)現(xiàn)，PLC控制器跳閘也會引起轉(zhuǎn)速偏差問題。這是由于PLC控制器因某個內(nèi)部故障跳閘后電機機械抱閘會自動抱死，進而保護機械機構(gòu)。抱閘瞬間(毫秒級)電機實際速度為零，與正常運行變頻器的內(nèi)部(估計)速度形成偏差。

4.2 通訊連接

RTAC模塊：露天礦場工況條件較差，粉塵易引起電路板散熱、接觸不良，縮短使用壽命。內(nèi)部電子元件損壞后無法轉(zhuǎn)換編碼器信號，導(dǎo)致通訊故障。尤其鐵礦的外界環(huán)境粉塵含鐵量較高，對電路板的影響較大，某露天鐵礦單臺電鏟RTAC模塊的年更換量有時高達3～4個。此外，節(jié)點ID選擇器(S1)選擇不當(dāng)也會造成無法通訊。

通訊連接線：通訊線纜接地、斷路將會直接導(dǎo)致編碼器與RTAC模塊的通訊信號丟失或斷開。

脈沖編碼器：內(nèi)部連接端子接觸不良或斷路及電子元件燒毀也會造成轉(zhuǎn)速信號無法傳輸。

5 預(yù)防措施

5.1 點檢維護

定期對編碼器通訊線路接地情況進行檢查，保證接地屏蔽良好；同時建議由單端接地改為雙端接地；定期對線路連接可靠性進行檢查，保證連接端子可靠連接；定期檢查編碼器連接線路絕緣情況(包括臨近動力電纜)；定期檢查切換接觸器觸頭，萬用表測量接觸阻值；定期對電機進行振動測試，確保電機軸承運行正常；定期檢查電機電纜各接線端子螺絲是否松動；定期對逆變柜及RTAC模塊進行除塵維護，有條件的可以使用專用電氣設(shè)備清洗液進行清理。定期對電機撓性聯(lián)軸器和一級減速齒輪進行檢查，保證機械連接可靠。

5.2 其它要求

更換編碼器后要按照說明書調(diào)整與碼盤的配合間隙并做好密封防塵；電機電纜各連接端子緊固時規(guī)范連接并達到力矩要求；在更換控制盤后及時下載、校對固件參數(shù)，不要輕易更改第50組的各項參數(shù)；保證電機機械抱閘良好，出現(xiàn)編碼器“7301”故障后可以有效制動，避免溜車事故；通訊連接電纜易磨損部位要加裝防磨護套或膠墊，保護外絕緣。

6 結(jié)語

WK系列挖掘機ACS800變頻器脈沖編碼器“7301”故障是一個較難排除的故障。該故障發(fā)生后對設(shè)備作業(yè)效率和人身、設(shè)備安全有較大的影響。為了避免或盡快排除編碼器故障，本文從基本原理和數(shù)據(jù)分析出發(fā)，分析歸納出排查方法和預(yù)防措施，可以幫助維修人員高效的處理故障?？偠灾?，抓住故障要點，落實預(yù)防措施，掌握數(shù)據(jù)分析，方可有效地降低故障率，保障設(shè)備穩(wěn)定運行。