变频器与PLC在桥式抓斗控制中的应用

1 引言 广东省云浮发电厂5T桥式抓斗是由操作台、运行机构和桥架组成的。运行机构是由三个基本独立的拖动系统组成： 大车拖动系统。拖动整台桥式抓斗顺着车间做“横向”运动（以操作者的坐向为准），大车的行走由2台11kW绕线电机牵引。 小车拖动系统。拖动抓斗顺着桥架作“纵向”运动。小车的行走由1台3.7kW的绕线电机牵引。 抓斗吊拖动系统。拖动抓斗作吊起、放下的上下运动及抓斗的放开、闭合运动。抓斗的升降绳和开闭绳各由1套卷扬机构操纵，卷扬机构的驱动电机为2台30kW绕线电机。 抓斗的所有电机都采用转子串电阻的方法启动和调速。在抓斗的使用过程中存在以下问题： （1）由于采用转子串电阻的方法调速，机械振动大，行车不稳定，定位困难，抓斗摆动严重，容易造成机械设备的损坏。转速随负荷变化，调速效果差，所串电阻因长期发热而使电能消耗较大，效率较低。 （2）抓斗的电机采用绕线电机，经常发生碳刷磨损严重、电机及转子绕线过热，造成维护量大。另外，操作员在抓斗定位时，经常打反车，使电机产生过载现象，影响电机的使用寿命。 （3）由于抓取搬运工作的距离较近，电机处于频繁启动及变速状态，控制电机的时间继电器和交流接触器处于频繁动作状态，电气元件容易损坏。 （4）在抓取原煤后提升时，难以保证升降绳与开闭绳均匀受力，严重影响钢丝绳的使用寿命。 交流变频器调速已广泛应用到许多领域，而PLC可以实现输入、输出信号的数字化，利用编程能实现多种功能，由二者配合构成的数字控制系统，可大大改善原有的控制系统的功能，也可以解决桥式抓斗故障率高的问题。 2 改造方案 2.1 采用PLC进行系统控制 将抓斗外围电控设备输入信号接入PLC的I/O模块，同时根据抓斗实际工况对PLC进行合理编程。控制原理图如图1所示。 图1 桥式抓斗控制原理框图 （1）PLC具有闭锁启动功能，司机在启动设备前必须把主令控制器全部切至零位和桥抓的进出门的门限开关到位，才能接通主电源。操作主令开关上有状态指示灯，通过指示灯的闪烁频率来显示各种故障状态。 （2）抓斗提升和开闭操作有钢丝绳高限位保护，大车、小车有行程开关保护，各个设备的保护动作只影响设备本身的动作。 （3）所有的变频器的故障信号都接入PLC，大车的两个变频器中有一个有故障信号，大车就不能动作。其它的变频器出现故障只影响设备本身的动作。 （4）抓斗提升与下降、闭合和开启以及小车前行和后退、大车左行和右行有操作互锁。 （5）大车、小车速度的档位切换，可实现平稳切换。 （6）禁止司机利用打反车来对大车和小车进行定位。 （7）实现提升绳和开闭绳的自动追速功能。 2.2 电机的改造  用变频器调速替代原有的串电阻调速方式,电机可改为鼠笼电机,取消原有串电阻调速的外围电路的时间继电器与交流接触器。大车的两台电机用11kW的鼠笼电机，小车的电机用3.7kW鼠笼电机，开闭和升降电机都用30kW的鼠笼电机。 2.3 变频器的应用 变频器启动电机为软启动，同时大车的两台行走电机可通过变频器将两台电机传动做电气的联锁互动，可将其在电气控制上设计成主从控制,从而使大车运行振动减小，运行平稳，定位准确，在开闭和升降的控制变频器的程序里设置。当变频器的输出力矩达到设定值时，机械抱闸方可打开。另外，在抓斗运行的过程中，开闭变频器或升降变频器出现故障，机械抱闸会抱死，抓斗不会溜钩；在桥抓的总电源停电时，机械抱闸也会抱死。 2.4 电气制动 液压抱闸系统在改造时将与变频器进行电气联锁。即只有变频器有大转矩输出时，液压抱闸才能松开。当变频器没有转矩输出时，液压抱闸合闸，锁死机械装置。所使用的变频器在电机制动时，会出现电机处于再发电运行状态，变频器就需制动电阻耗散这部份能量，同时使电机的制动能力提高。 3 系统配置及选型 3.1 变频器的选择 （1） 变频器容量的选定 变频器容量的选定一般要满足表1所列的要求。 式中: PM —负载要求的电动机轴输出，kVA; VN —额定输出电压V; IN —额定输出电流A;  η —电机效率（约0.85）; k —电流波形补偿系数（约1.05～1.1）; —电机的功率因素。 选用的变频器的容量要比电机的额定容量大一档。 （2） 提升和开闭变频器选用专门用于起重的变频器 （3） 过载能力为额定电流的150%，持续60s 根据表1选用的ABB变频器如表2所示： 3.2 PLC的选择 （1）基于桥式抓斗工作环境粉尘多以及在运行过程中振动大，PLC的防护等级要高，一般达到IP67; （2）有数字量输入通道和模拟量输入通道。模拟量输入通道用于对电流信号的处理,选用西门子的LOGO230R。 3.3 制动电阻容量的选择 制动电阻用于将电动机的再生电能转换成热能而消耗掉。 （1）制动电阻RB的阻值 一般情况下，RB的大小要使制动电流不超过变频器额定电流的一半为宜，即 RB≥2UD/IN （1） UD—变频器的直流回路电压V; IN—变频器的额定电流A; （2）制动电阻的功率PB PB≥UD2/RB （2） （3）制动电阻的选取 根据式（1）和（2），选择的制动电阻如表3所示 备注：有两台大车变频器，每台变频器用两个电阻。提升、开闭和大车变频器的电阻使用并联的接法。 （4）制动电机的阻值及其容量，也可以选择厂家提供的与变频容量相匹配的放电部件。 4 PLC和变频器组态时要考虑的问题 （1）桥抓司机在卸煤时，为了赶快完成任务，经常利用打反车来对小车和大车实行定位，这种做法会缩短大、小车控制电机的寿命和加大传动机械的磨损。为了杜绝桥抓司机的这种做法，在PLC编程时，在大、小车的操作指令中加入0.2s的延时，这样就可以使打反车不起作用。 （2）抓斗开闭、升降防溜钩。利用变频器本身具有的功能通过合理的设置使其达到抓斗开闭、升降防溜钩的要求。 通过设定变频器的输出力矩达到最大输出力矩的20%（可以根据实际情况来设定）时，机械抱闸才能打开。 （3）自动追速功能。抓斗在抓取物料后提升时，往往只有开闭钢丝绳受力，容易使其损坏，这是要求提升钢丝绳在最快的时间里与开闭钢丝绳一起受力。为达到这个要求，在PLC程序里设计一段小程序，其原理如图2所示。 图2 追速功能原理图 当提升电机电流AI1小于开闭电机电流AI2的95%（这个值可根据现场的实际情况作适当的修改）时，模拟量比较模块就发出信号“1”，如果这时提升、闭合信号存在，PLC发出提升750r/min的信号到提升变频器，而开闭变频器得到的信号是700r/min，从而达到追速的作用。当提升与开闭电机的出力平衡时，提升电机的转速就切换回700r/min，与开闭电机的转速一样。 5 结束语 （1）由于用鼠笼电机取代了绕线电机，消除了电刷和滑环经常出的故障。 （2）采用变频调速后，电机可以在基本停住的情况下进行抱闸，闸皮的磨损情况将大为改善。 （3）控制系统的故障率低。原控制系统是由复杂的接触器、继电器系统进行控制，故障率高，采用PLC和变频器调速系统后，控制系统简化，可靠性大为提高。 （4）节能效果好。绕线电机在低速运行时，转子回路的外接电阻消耗大量的电能，采用变频调速系统后，可以节约外接电阻消耗的大量电能。 （5）调速质量明显提高。采用了变频调速系统后，调速精度可达1%，且调速平稳。 信息来源于：变频器世界