摘 要：本文結(jié)合中國鋁業(yè)某分公司熱電廠煤場抓斗天車改造項(xiàng)目情況，介紹了抓斗天車控制系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)及存在問題，詳細(xì)闡述了變頻調(diào)速系統(tǒng)在抓斗天車改造上的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)抓斗天車存在的一些問題，達(dá)到了降低操作難度、平穩(wěn)運(yùn)行、減少故障和降耗節(jié)能的目的。 關(guān)鍵詞：抓斗天車，變頻器，主從控制，光纖通訊 Abstract: In this paper,a branch of China Aluminum Thermal Power Plant Coal Yard Grab Crane reconstruction project,the introduction of the grab crane control system operating characteristics and problems in detail inverter system in the grab crane on the application of transformation to solve the traditional grab crane some of the problems exist, to reduce the difficulty of the operation, smooth running, reducing breakdowns and energy saving purposes. Key words: crane，inverter，master/follower control，fibre optic cable transmission 1 引言 　　中國鋁業(yè)某分公司熱電廠煤場有四臺(tái)5噸抓斗天車，每天負(fù)責(zé)為熱電廠裝卸、輸送二千多噸發(fā)電用煤，抓斗天車作為熱電廠生產(chǎn)原料裝卸、堆放過程中不可缺少的工程機(jī)械，對(duì)其工作效率、工作性能要求很高，但由于工作環(huán)境的影響和其傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的限制，在實(shí)際工作中存在著很多問題。本文分析了煤場抓斗天車存在的問題，提出變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改造方案，并通過實(shí)踐證明該方案安全可靠，提高了工作效率。 2 煤場抓斗天車存在的問題 　　煤場抓斗天車為雙梁橋式結(jié)構(gòu)，滿斗抓煤量為2.5噸，其電氣傳動(dòng)系統(tǒng)包括15kW大車電機(jī)兩臺(tái)，2.2kW小車電機(jī)一臺(tái)，30kW抓斗開閉電機(jī)一臺(tái)，30kW抓斗提升電機(jī)一臺(tái)，均為繞線型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，采用轉(zhuǎn)子串電阻實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速運(yùn)行。通過考察，煤場抓斗天車存在如下問題： 　　1） 熱電廠煤場工作環(huán)境比較惡劣，高溫潮濕，漂浮的煤粉容易沾聚在柜體和柜內(nèi)電氣元器件的表面，造成柜內(nèi)溫度過高和電氣短路等故障。 　　2） 大車電機(jī)、小車電機(jī)、升降電機(jī)、開閉電機(jī)都是靠在轉(zhuǎn)子回路中串接電阻進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速是通過交流接觸器的分合完成對(duì)轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻的切換，從而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在調(diào)速時(shí)切換電流大，電機(jī)、接觸器、電阻器故障率高，使用壽命短，且轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速是一種有級(jí)調(diào)速方式，對(duì)天車機(jī)械傳動(dòng)部分沖擊較大，設(shè)備檢修維護(hù)費(fèi)用高，檢修停車時(shí)間長，影響了熱電廠的正常生產(chǎn)。 　　3） 轉(zhuǎn)子回路中所串接電阻器為純耗能元件，在運(yùn)行中電阻器長期處于發(fā)熱狀態(tài)，耗費(fèi)大量電能，以犧牲能源的方式來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，效率較低。 　　4） 在抓斗天車沉抓啟升的過程中，抓斗升降、開閉電動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)受力不均勻的情況，需要天車操作員靠經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)動(dòng)調(diào)整抓斗升降及抓斗開閉鋼絲繩的松緊度，并掌握抓斗升降電機(jī)投入運(yùn)行的時(shí)機(jī)，否則，如果抓斗開閉電機(jī)的鋼絲繩太松，易造成抓斗料斗漏料;如果抓斗升降電機(jī)的鋼絲繩太松，則抓斗開閉電機(jī)單獨(dú)受力過載，容易引起電機(jī)損壞或鋼絲繩斷裂。此過程要求天車操作員具有較長的操作經(jīng)驗(yàn)和較高的操作技巧，而且需要天車操作員精神集中，勞動(dòng)強(qiáng)度大。 　　5） 熱電廠煤場煤堆頂部與抓斗天車的垂直距離較短，需要抓斗天車能在較短時(shí)間內(nèi)完成沉抓啟升過程，達(dá)到抓斗升降、開閉電機(jī)受力均勻狀態(tài)。 3 改造目標(biāo) 　　針對(duì)煤場抓斗天車存在的問題，確立煤場抓斗天車改造目標(biāo)是： 　　1） 改造前后抓斗行車的操作方式和習(xí)慣要保持一致。 　　2） 改造后應(yīng)提高抓斗天車的工作效率和自動(dòng)化程度。 　　3） 改造后應(yīng)能降低天車操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少該崗位對(duì)操作經(jīng)驗(yàn)的依賴。 　　4） 系統(tǒng)可靠性高，故障少,維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用低。 　　5） 節(jié)能降耗。 4 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改造方案 　　隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器、PLC等器件在天車改造中積累了成熟的經(jīng)驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)抓斗天車的改造目標(biāo)，提高抓斗天車的工作效率和工作性能，我司采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)對(duì)原有抓斗天車控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，從根本上解決上述問題。 　　變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要是由變頻器，PLC，雙手柄聯(lián)動(dòng)控制臺(tái)組成，PLC采集手柄控制器信號(hào)，經(jīng)過程序進(jìn)行邏輯判斷，依據(jù)判斷結(jié)果調(diào)節(jié)變頻器的輸出，來控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方向、轉(zhuǎn)速和力矩，取代原來的傳統(tǒng)繞線型轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如下圖所示： [align=center] 圖1、大小車電氣傳動(dòng)框圖[/align] 　　4.1變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改造方案主要內(nèi)容 　　1） 重新安裝變頻控制柜、制動(dòng)電阻柜、PLC柜，其中，變頻控制柜、PLC柜柜體作全密封處理，并在變頻柜側(cè)加裝工業(yè)空調(diào)解決散熱問題，在煤場惡劣的工作環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了防潮、防塵、散熱目的。 　　2） 原抓斗天車上五臺(tái)電機(jī)作轉(zhuǎn)子短接處理，則將電機(jī)滑環(huán)拉出，轉(zhuǎn)子中心點(diǎn)直接短接，全部取消了原控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子串接電阻回路中的電纜、電阻器及相關(guān)的切換接觸器。 　　3） 變頻器選用ABB的ACS800系列變頻器，該系列變頻器具有直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，具有抱閘控制和主從控制功能，其中，小車變頻器、抓斗升降變頻器、抓斗開閉變頻器控制各自對(duì)應(yīng)的一臺(tái)電機(jī)，大車變頻器控制對(duì)應(yīng)的兩臺(tái)大車電機(jī)。PLC選用SIEMENS的S7-200系列控制器，PLC具有掃描響應(yīng)速度快，編程控制靈活，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。 [align=center] 圖2、抓斗提升及抓斗開閉電氣傳動(dòng)框圖[/align] 　　4） 當(dāng)大車、小車減速和快速停車時(shí)，抓斗升降、開閉電機(jī)勻速下降時(shí)，抓斗升降、開閉電機(jī)減速和快速停車時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，變頻器配置了制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻消耗多余的能量，達(dá)到快速減速、精確控制和準(zhǔn)確停車的目的。 　　5） 依照抓斗天車的操作習(xí)慣，配備了升降、開閉雙手柄聯(lián)動(dòng)控制臺(tái)和大車、小車聯(lián)動(dòng)控制臺(tái)，其中升降與開閉為兩個(gè)獨(dú)立控制手柄控制器，可聯(lián)動(dòng)操作，具有快升、慢升、停止、慢降、快降五檔位;大車、小車為共有全方位操作手柄，可以同時(shí)控制大、小車作前后左右運(yùn)動(dòng)，也具有快、慢、停止、慢、快五檔位。 　　4.2變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的重點(diǎn) 　　抓斗天車的抓斗傳動(dòng)系統(tǒng)由開閉機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)兩部分組成，通過鋼絲繩與各自的滾筒聯(lián)接，兩者之間沒有任何電氣聯(lián)鎖，也無法加裝合適的檢測(cè)開關(guān)，在抓斗天車運(yùn)行過程中，沉抓啟升過程是技術(shù)關(guān)鍵，也是操作難點(diǎn)，在沉抓啟升過程中，抓斗升降、開閉電機(jī)容易出現(xiàn)受力不均勻的情況，需要天車操作員靠經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)動(dòng)調(diào)整抓斗升降及抓斗開閉鋼絲繩的松緊度，并掌握抓斗提升電機(jī)投入運(yùn)行的時(shí)機(jī)，如果抓斗開閉電機(jī)的鋼絲繩太松，易造成抓斗料斗漏料;如果抓斗升降電機(jī)的鋼絲繩太松，則開閉電動(dòng)機(jī)單獨(dú)受力過載，容易引起電機(jī)損壞或鋼絲繩斷裂。 　　在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，我們采用了ABB變頻器ACS800系列的主從控制功能結(jié)合PLC的程序設(shè)計(jì)解決了這個(gè)難題。 　　ABB變頻器ACS800系列的主從控制功能是一種負(fù)載分配應(yīng)用，用于系統(tǒng)中運(yùn)行多臺(tái)電機(jī)并且多臺(tái)電機(jī)通過各種介質(zhì)耦合關(guān)聯(lián)，共同控制同一負(fù)載。在主從控制功能中，主機(jī)采用速度控制，從機(jī)可通過PLC指令選擇轉(zhuǎn)矩跟隨模式或速度跟隨模式，主從控制通訊協(xié)議采用ABB的分布式傳動(dòng)通訊系統(tǒng)，通訊傳輸介質(zhì)采用光纖，主從控制功能控制傳動(dòng)之間的負(fù)載分配，主機(jī)通過光纖環(huán)網(wǎng)將命令信號(hào)和速度和力矩信息發(fā)送給從機(jī)，主機(jī)也可由從機(jī)讀取返回的狀態(tài)信息，從機(jī)通過光纖環(huán)網(wǎng)與主傳動(dòng)通訊，通過內(nèi)置的主從應(yīng)用宏自動(dòng)實(shí)現(xiàn)與主傳動(dòng)的速度/力矩跟蹤和力矩準(zhǔn)確平均分配，由于通信是采用光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，通訊速率可達(dá)到4Mbit/s，通訊周期為4ms，如此高的通信速度足以保證主從機(jī)之間的速度及力矩的一致性，具有極好的實(shí)時(shí)性、可靠性和抗干擾能力。在PLC的程序編制中，我們把抓斗天車沉抓啟升過程定義了自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，通過控制臺(tái)上的選擇開關(guān)進(jìn)行選擇。 　　在自動(dòng)模式下，抓斗天車沉抓啟升過程中，抓斗開閉變頻器由PLC通過數(shù)字輸入口指定為主機(jī)，抓斗升降變頻器由PLC通過數(shù)字輸入口指定為從機(jī)，同時(shí)通過數(shù)字輸入口指定為力矩跟隨模式，當(dāng)天車操作員推動(dòng)抓斗開閉手柄，使開閉變頻器控制開閉電機(jī)使斗體閉合時(shí)，PLC接受開閉變頻器信號(hào)，根據(jù)開閉電機(jī)力矩負(fù)荷情況自動(dòng)發(fā)出指令控制抓斗升降變頻器投入運(yùn)行，進(jìn)入從機(jī)力矩跟隨模式，而不需要靠天車操作員憑經(jīng)驗(yàn)來判斷抓斗升降電機(jī)投入運(yùn)行的時(shí)機(jī)，抓斗升降變頻器根據(jù)主從力矩跟隨功能，控制抓斗升降電機(jī)首先提速進(jìn)行高速追趕，讓抓斗升降的鋼絲繩拉緊，進(jìn)入負(fù)載平均分配過程，抓斗升降和開閉鋼絲繩受力平均，使抓斗勻速上升，在自動(dòng)模式下，沉抓啟升過程時(shí)間短、抓煤量穩(wěn)定而且運(yùn)行平穩(wěn)沒有沖擊，既擺脫了對(duì)操作員經(jīng)驗(yàn)的依賴，又降低了天車操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作質(zhì)量。 　　當(dāng)在特殊情況下，如需抓煤量較小時(shí)或靠近地面抓煤時(shí)，可通過控制臺(tái)上的選擇開關(guān)選擇手動(dòng)模式，恢復(fù)普通操作方式，由天車操作員控制抓斗開閉和抓斗升降手柄完成沉抓啟升過程。 5 總結(jié)語 　　從中國鋁業(yè)某分公司熱電廠煤場抓斗天車進(jìn)行變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改造后的使用情況看，效果非常明顯，本次改造改善了抓斗天車的調(diào)速性能，增強(qiáng)了設(shè)備電氣保護(hù)功能，降低了對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊，減少了故障率，節(jié)省了檢修費(fèi)用和檢修時(shí)間，減少了能量消耗，提高了抓斗天車的自動(dòng)化程度和可操作性，最主要的是降低了天車操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了操作難度，減少了該崗位對(duì)操作經(jīng)驗(yàn)的依賴。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)自投運(yùn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠，得到了用戶的高度贊揚(yáng)。