中國(guó)鋁業(yè)某分公司熱電廠煤場(chǎng)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(chǎng)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。
一、煤場(chǎng)抓斗天車存在的問題
煤場(chǎng)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(chǎng)抓斗天車存在如下問題：
1、熱電廠煤場(chǎng)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(lái)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(zhǎng)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(chǎng)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)。
二、改造目標(biāo)
針對(duì)煤場(chǎng)抓斗天車存在的問題，確立煤場(chǎng)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。
三、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(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方向、轉(zhuǎn)速和力矩，取代原來(lái)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：
1、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改造方案主要內(nèi)容
1.1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(chǎng)惡劣的工作環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了防潮、防塵、散熱目的。
1.2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。
1.3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)。
1.4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。
1.5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。
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(wú)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(lái)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。
