中國鋁業(yè)某分公司熱電廠煤場有四臺5噸抓斗天車，每天負責為熱電廠裝卸、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械，對其工作效率、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，提出變頻調速控制系統(tǒng)改造方案，并通過實踐證明該方案安全可靠，提高了工作效率。
一、煤場抓斗天車存在的問題
煤場抓斗天車為雙梁橋式結構，滿斗抓煤量為2.5噸，其電氣傳動系統(tǒng)包括15kW大車電機兩臺，2.2kW小車電機一臺，30kW抓斗開閉電機一臺，30kW抓斗提升電機一臺，均為繞線型轉子異步電機，采用轉子串電阻實現(xiàn)有級調速運行。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、小車電機、升降電機、開閉電機都是靠在轉子回路中串接電阻進行調速運行。轉子串電阻調速是通過交流接觸器的分合完成對轉子串聯(lián)電阻的切換，從而調整電機的轉速，在調速時切換電流大，電機、接觸器、電阻器故障率高，使用壽命短，且轉子串電阻調速是一種有級調速方式，對天車機械傳動部分沖擊較大，設備檢修維護費用高，檢修停車時間長，影響了熱電廠的正常生產(chǎn)。
3、轉子回路中所串接電阻器為純耗能元件，在運行中電阻器長期處于發(fā)熱狀態(tài)，耗費大量電能，以犧牲能源的方式來實現(xiàn)調速，效率較低。
4、在抓斗天車沉抓啟升的過程中，抓斗升降、開閉電動機容易出現(xiàn)受力不均勻的情況，需要天車操作員靠經(jīng)驗點動調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投入運行的時機，否則，如果抓斗開閉電機的鋼絲繩太松，易造成抓斗料斗漏料;如果抓斗升降電機的鋼絲繩太松，則抓斗開閉電機單獨受力過載，容易引起電機損壞或鋼絲繩斷裂。此過程要求天車操作員具有較長的操作經(jīng)驗和較高的操作技巧，而且需要天車操作員精神集中，勞動強度大。
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間內(nèi)完成沉抓啟升過程，達到抓斗升降、開閉電機受力均勻狀態(tài)。
二、改造目標
針對煤場抓斗天車存在的問題，確立煤場抓斗天車改造目標是：
1、改造前后抓斗行車的操作方式和習慣要保持一致。
2、改造后應提高抓斗天車的工作效率和自動化程度。
3、改造后應能降低天車操作員的勞動強度，減少該崗位對操作經(jīng)驗的依賴。
4、系統(tǒng)可靠性高，故障少,維護保養(yǎng)費用低。
5、節(jié)能降耗。
三、變頻調速控制系統(tǒng)改造方案
隨著計算機控制技術、交流調速技術和電力電子技術的發(fā)展，變頻器、PLC等器件在天車改造中積累了成熟的經(jīng)驗。為實現(xiàn)抓斗天車的改造目標，提高抓斗天車的工作效率和工作性能，我司采用變頻調速控制系統(tǒng)對原有抓斗天車控制系統(tǒng)進行改造，從根本上解決上述問題。
變頻調速控制系統(tǒng)主要是由變頻器，PLC，雙手柄聯(lián)動控制臺組成，PLC采集手柄控制器信號，經(jīng)過程序進行邏輯判斷，依據(jù)判斷結果調節(jié)變頻器的輸出，來控制驅動電機的方向、轉速和力矩，取代原來的傳統(tǒng)繞線型轉子串電阻調速驅動系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如下圖所示：
1、變頻調速控制系統(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，并在變頻柜側加裝工業(yè)空調解決散熱問題，在煤場惡劣的工作環(huán)境中，實現(xiàn)了防潮、防塵、散熱目的。
1.2原抓斗天車上五臺電機作轉子短接處理，則將電機滑環(huán)拉出，轉子中心點直接短接，全部取消了原控制系統(tǒng)中轉子串接電阻回路中的電纜、電阻器及相關的切換接觸器。
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矩控制技術，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應的一臺電機，大車變頻器控制對應的兩臺大車電機。PLC選用SIEMENS的S7-200系列控制器，PLC具有掃描響應速度快，編程控制靈活，抗干擾能力強的特點。
1.4當大車、小車減速和快速停車時，抓斗升降、開閉電機勻速下降時，抓斗升降、開閉電機減速和快速停車時，電機處于發(fā)電狀態(tài)，變頻器配置了制動單元和制動電阻消耗多余的能量，達到快速減速、精確控制和準確停車的目的。
1.5依照抓斗天車的操作習慣，配備了升降、開閉雙手柄聯(lián)動控制臺和大車、小車聯(lián)動控制臺，其中升降與開閉為兩個獨立控制手柄控制器，可聯(lián)動操作，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，可以同時控制大、小車作前后左右運動，也具有快、慢、停止、慢、快五檔位。
2、變頻調速控制系統(tǒng)的重點
抓斗天車的抓斗傳動系統(tǒng)由開閉機構、升降機構兩部分組成，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開關，在抓斗天車運行過程中，沉抓啟升過程是技術關鍵，也是操作難點，在沉抓啟升過程中，抓斗升降、開閉電機容易出現(xiàn)受力不均勻的情況，需要天車操作員靠經(jīng)驗點動調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投入運行的時機，如果抓斗開閉電機的鋼絲繩太松，易造成抓斗料斗漏料;如果抓斗升降電機的鋼絲繩太松，則開閉電動機單獨受力過載，容易引起電機損壞或鋼絲繩斷裂。
在變頻調速控制系統(tǒng)中，我們采用了ABB變頻器ACS800系列的主從控制功能結合PLC的程序設計解決了這個難題。
ABB變頻器ACS800系列的主從控制功能是一種負載分配應用，用于系統(tǒng)中運行多臺電機并且多臺電機通過各種介質耦合關聯(lián)，共同控制同一負載。在主從控制功能中，主機采用速度控制，從機可通過PLC指令選擇轉矩跟隨模式或速度跟隨模式，主從控制通訊協(xié)議采用ABB的分布式傳動通訊系統(tǒng)，通訊傳輸介質采用光纖，主從控制功能控制傳動之間的負載分配，主機通過光纖環(huán)網(wǎng)將命令信號和速度和力矩信息發(fā)送給從機，主機也可由從機讀取返回的狀態(tài)信息，從機通過光纖環(huán)網(wǎng)與主傳動通訊，通過內(nèi)置的主從應用宏自動實現(xiàn)與主傳動的速度/力矩跟蹤和力矩準確平均分配，由于通信是采用光纖環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)的，通訊速率可達到4Mbit/s，通訊周期為4ms，如此高的通信速度足以保證主從機之間的速度及力矩的一致性，具有極好的實時性、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和手動兩種模式，通過控制臺上的選擇開關進行選擇。
在自動模式下，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，抓斗升降變頻器由PLC通過數(shù)字輸入口指定為從機，同時通過數(shù)字輸入口指定為力矩跟隨模式，當天車操作員推動抓斗開閉手柄，使開閉變頻器控制開閉電機使斗體閉合時，PLC接受開閉變頻器信號，根據(jù)開閉電機力矩負荷情況自動發(fā)出指令控制抓斗升降變頻器投入運行，進入從機力矩跟隨模式，而不需要靠天車操作員憑經(jīng)驗來判斷抓斗升降電機投入運行的時機，抓斗升降變頻器根據(jù)主從力矩跟隨功能，控制抓斗升降電機首先提速進行高速追趕，讓抓斗升降的鋼絲繩拉緊，進入負載平均分配過程，抓斗升降和開閉鋼絲繩受力平均，使抓斗勻速上升，在自動模式下，沉抓啟升過程時間短、抓煤量穩(wěn)定而且運行平穩(wěn)沒有沖擊，既擺脫了對操作員經(jīng)驗的依賴，又降低了天車操作員的勞動強度，提高了工作質量。
當在特殊情況下，如需抓煤量較小時或靠近地面抓煤時，可通過控制臺上的選擇開關選擇手動模式，恢復普通操作方式，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。
