ABB PLC和传动在电气控制新技术在门机上的应用

摘要： 　　针对门式起重机的相关设备的老化情况，分析了起重机的运行特性，提出起重机的一种先进的改造方案，提高了设备的运行效率和稳定性。 关键词： 　　门式起重机  变频器 可编程控制器 一、前言 　　广州港西基港务公司主要从事煤炭的装卸业务，公司的卸船作业主要依赖两台桥吊和四台门机设备，装卸机械设备状态的好坏，直接影响到公司卸船作业效率。2号带斗门机（SU2）电控是1985年引进日本日立公司的设备，起升、开闭、变幅机构采用绕线转子异步电机转子串电阻调速，这种调速方法的缺点是调速电阻发热严重，导致环境温度迅速上升，综合性能指标差，效率低；异步电机有集电环和电刷，要求定期维护。再加上大量继电器、接触器的使用，导致故障频繁，维护量大。电气制动采用涡流电机制动，动态性能差而且耗能高。可编程控制器采用日立八十年代的产品，只能处理简单的开关量，扫描时间长，导致机械作业效率低。为此决定对该设备进行全面升级改造，传动上升级为变频调速，控制上升级成现在较先进的PLC 。 电控新技术在门机上应用后，与原系统相比可带来以下效益。 1） 电动机机械特性变硬，定位精确，可以提高卸船效率。 2） 运行平稳，起、制动平缓，运行中加、减速时对整机的冲击减小，安全性提高，延长了机械的使用寿命。 3） 拆除涡流制动装置，电气制动由变频器实现，降低了能耗同时也减少了维护量。 4） 机械制动在电机速度接近零速时投入，所以机械刹车的制动片寿命大大延长，维护费用下降。 5） 将原来的绕线转子异步电机的调速电阻拆除；短接集电环把绕线转子异步电机当作鼠笼电机使用，节约了更换电机的成本。 6） 交流接触器大量减少，电机实现无级调速；避免了因接触器触头频繁动作而烧毁以及由此引起的电机损坏故障。 7） 结合功能强大的PLC以及变频器自身的保护、检测、故障报警等功能，可大幅提高电控系统的稳定性。 8） 原PLC备件厂家已经停产，只能按照图纸另请厂家定制，成本高昂。升级后PLC价格合理，备件充足，降低了设备风险。 二、带斗门机的运行特点 1） 门机在起动时应具有大的起动转矩，通常超过额定转矩的150%。 2） 当抓斗下降时，电机将处于再生发电状态，其能量要向电源侧回馈。 3） 起升、开闭机构在抓斗满载突然打开和由空载挖煤时负载会急剧变化。 4） 由于机械制动的存在，电气制动与机械制动之间存在切换，切换不能平滑完成，时有坠斗现象。 5） 变幅机构的变幅巴杆嘴在35米处和9米处准确停止，在8米处紧急停止。 6） 起升、开闭、变幅机构的调速通过触点式手柄完成调速电阻切换，切换时电机电流突变，冲击较大。 三、改造后的构成 　　根据门机的运行特点，同时为了满足门机高起动转矩、低速满转矩、快速的转矩上升时间和抱闸顺序控制功能的要求，我们选择了ABB的ACS600系列直接转矩控制变频器，相应地为了与变频器匹配选择ABB的AC80（Advant controller）PLC，用PLC和变频器组成一个多传动控制系统。结构简单、紧凑，占用空间小、维护方便。系统结构如图一。

图一  系统构成NDBU-85—总线适配器  TSU—晶闸管供电单元

1、 AC80可编程控制器 　　AC80（Advance controller）是专为传动设计的高性能PLC，负责整个设备的逻辑控制、开关量处理、数据通讯等。能通过DRIVEBUS（传动总线）控制各个传动机构。 2、 NDBU-85总线适配器 　　将来自AC80的传动控制指令按照要求发给相应传动点，并将每个传动点的状态信息通过光缆反馈给AC80。 3、 ACS600 TSU（晶闸管供电单元） 　　如图二所示，晶闸管供电单元的主要元件是两个六脉波晶闸管桥。正桥将三相交流电转换成直流电，然后通过中间的直流环节将电能输送给传动部分（逆变器）。无论何时需要将多余的电机制动能量反馈回给电网时反桥就会将直流电转换成交流电。

3a:正桥3b:反桥L:中间电路电抗器 V11-V16:正桥晶闸管V21-V26:反桥晶闸管   Ud: 晶闸管供电单元直流电压  Uc:中间直流电路电压 图二  TSU主电路

4、 ACS600逆变器 　　逆变器将来自供电单元的直流根据AC80的控制指令转换成交流输出到电机。在抓斗下降过程中将电机制动产生的能量整流成直流送回直流母排回馈给供电单元。由于ACS600多传动系统采用先进的DTC(直接转矩控制)技术，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制，无需速度反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。 在变幅机构（图三）上为了保证控制精度，准确定位变幅距离，在原来凸轮限位的基础上加装了绝对值编码器和光电感应开关，保证该机构安全稳定运行。

图三  变幅机构图

四、改造及调试 1、拆除原来的电控系统中的PLC、调速电阻、涡流制动电机、接触器和中间继电器，将绕线异步电机转子集电环短接； 2、 除原来的触点式手柄更换成编码器信号输入的手柄； 3、 安装变幅机构的光电感应开关和编码器； 4、 安装PLC控制柜和变频器柜并铺设控制电缆； 5、 铺设动力电缆，完成动力回路的接线工作； 6、 检查控制回路、动力回路接线是否正确； 7、 系统上电并将编写好的程序写入PLC； 8、测试PLC的输入、输出信号并设置变频器参数； 9、对电机进行参数识别运行 ； 10、 调试变频器启停功能、调速功能并确定电动机转向; 11、 调试控制回路的连锁、保护功能; 12、 整机空载调试,正常后进行重载调试. 五、改造效果 　　我们经过现场实验方法分别检测SU2的变幅、起升、开闭的稳定性。抓斗额定负荷16吨，设定超负荷能力为120%，当负荷达到110%�16T时报警，达到118%�16T一档起升1.5秒停止起起升，抓斗超负荷保护实现准确数字化。在抓斗满负荷三档起升下降时能准确停止，无坠斗现象。抓斗、变幅加速减速平稳，基本实现无级调速。变幅鹤嘴准确停止在9米，到目前尚未发现一起因变幅冲8米造成的故障维修。

表1 故障统计表

　　抓斗是位能性负载，在下降制动过程中起升开闭电机处于发电状态，改造后实现能量回馈电网，节电效果明显。我们统计改造前和改造后的用电情况后发现改造后系统比原来系统省电30%。

表2  SU2用电情况对比统计表

　　改造前的系统需要每个季度更换一次主接触器和辅助接触器的触头,这些触头费用昂贵并且安装时消耗大量人力，维护花费达到30000元/月。改造后只需要对变频器定期清理维护，节省了维护成本。

表3  2002年第一季度成本节约统计表

　　由上表可以看出，系统改造后每个季度可以为公司节省成本12万多元，大大提高了我公司的经济效益。 六、结束语 　　此次改造将SU2起升、开闭、变幅三大机构创造性地提升为全变频调速,作为位能性负载,这种提升在港口机械上的应用是少见的。这次改造汲取了直流控制的精确和交流控制的结构简单，而且调速范围可连续无级调速。即使起升、开闭机构在开环控制下也有较高的精度，机构运行平稳，减少冲击，延长了金属结构寿命。比较彻底地改变这三大机构由于控制方式上的缺陷，引发故障率高，能耗高的技术难题，为我公司的其它三台门机的改造提供了很好的样本。 参考文献 1 ABB.ACS600固件手册.1999 2 ABB.AC80固件手册.2000 3 段苏振.交流变频调速在门式起重机中的应用.电气传动第一期.2005 4   张崇巍,李汉强.运动控制系统.武汉理工大学出版社.2002