細(xì)論鋼廠行車自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造

何明陽(yáng)

摘 要：行車作為物料搬運(yùn)機(jī)械，應(yīng)用十分廣泛，鋼廠物料搬運(yùn)尤其依賴行車。對(duì)鋼廠中行車的應(yīng)用及控制系統(tǒng)進(jìn)行研究分析后，利用 PLC 在行車的運(yùn)行控制系統(tǒng)中對(duì)繼電接觸器的代替，以及變頻器對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高工作效率，取得預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器（PLC） 變頻器 行車

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）006-039-02

1 前言

行車作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的地位。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)行車制造廠和使用部門在設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷改造，推動(dòng)了行車的技術(shù)進(jìn)步，但在實(shí)際使用中，結(jié)構(gòu)開裂仍然時(shí)有發(fā)生，究其原因是頻繁的超負(fù)荷作業(yè)及過大的機(jī)械振動(dòng)沖擊所引起的機(jī)械疲勞。因此，除了機(jī)械上改進(jìn)設(shè)計(jì)外，改善交流電氣傳動(dòng)，減少起制動(dòng)沖擊，也是一個(gè)很重要的方面。由于傳統(tǒng)行車的電控系統(tǒng)采用交流繞線式轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，致使機(jī)械沖擊頻繁，振動(dòng)劇烈，因此電氣控制上應(yīng)采用PLC及平滑的無級(jí)調(diào)速是解決問題的有效手段。

2 改造前設(shè)備現(xiàn)狀

一煉鋼行車主鉤起重15t、副鉤3t，現(xiàn)因該設(shè)備使故障率較高對(duì)其進(jìn)行電氣改造，行車機(jī)械配置：

主鉤：起重量：15t；電機(jī)型號(hào)：YZR315M-10，63 KW；

副鉤：起重量：3t；電機(jī)型號(hào)：YZR250M-10，30 KW；

大車：電機(jī)型號(hào)：YZR180M-8，7.5KW兩臺(tái)；

小車：電機(jī)型號(hào)：YZR160M2-6，3.7KW。

3 存在的問題

傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)主要采用交流繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速，繼電-接觸器控制，這種控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)有：

（1）由于起重設(shè)備工作環(huán)境相對(duì)差，工作任務(wù)繁重，電動(dòng)機(jī)及所串電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生。

（2）繼電-接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高。

（3）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，機(jī)械特性軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。所串電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低。

4 改造需求

采用行車控制上使用成熟且先進(jìn)、穩(wěn)定、可靠的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，能延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)小，啟動(dòng)調(diào)速平穩(wěn)且啟動(dòng)力矩大。

采用PLC集中控制，可根據(jù)工藝及時(shí)調(diào)整控制方式，布線精簡(jiǎn)，維護(hù)方便。

采用文本顯示器，能實(shí)時(shí)監(jiān)控行車運(yùn)行狀態(tài)及故障指示，便于迅速檢修及排除故障。

該系統(tǒng)備件通用性強(qiáng)， 不需儲(chǔ)存特殊備件。

5 改造方案

根據(jù)上述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際情況及改造需求，本方案采用技術(shù)先進(jìn)可靠的西門子PLC作為主控制器，ABB變頻器作為主提升、大小車的無擾節(jié)能調(diào)試控制單元，同時(shí)在操作室配備西門子文本顯示單元實(shí)時(shí)顯示行車運(yùn)行狀態(tài)和故障信息。圖1為行車改造示意圖。

圖1 行車改造示意圖

說明：圖中控制柜布置西門子PLC控制器和主提升、大小車變頻控制器；電阻柜放置應(yīng)急旁路時(shí)主提升、大小車的電阻；操作室操縱臺(tái)為對(duì)主提升、大小車、電磁鐵控制；監(jiān)視屏箱為操作室操作員對(duì)行車狀態(tài)及故障檢測(cè)的信息指示屏。

圖2 行車的PLC控制系統(tǒng)

說明：行車的PLC控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)主提升、大小車的控制，限速保護(hù)，行走限位開關(guān)等。

主提升電機(jī)的采用變頻控制及應(yīng)急旁路控制，正常情況下由變頻器控制主提升電機(jī)的升降功能，應(yīng)急情況下由旁路接觸器控制主提升電機(jī)的升降。

大車行走采用變頻控制及應(yīng)急旁路控制，正常情況下由變頻器控制大車電機(jī)的行走功能，應(yīng)急情況下由旁路接觸器控制大車電機(jī)的行走。

小車行走采用變頻控制及應(yīng)急旁路控制，正常情況下由變頻器控制小車電機(jī)的行走功能，應(yīng)急情況下由旁路接觸器控制小車電機(jī)的行走。

6 改造措施說明

本方案以系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠、器件配置經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)單實(shí)用為原則，對(duì)原有行車進(jìn)行改造，具體的安全保障及設(shè)備器件改造方案如下：

增加主鉤、大車、小車行走進(jìn)行變頻器。帶應(yīng)急旁路，電阻器配套不銹鋼電阻，平衡切除。使用操縱桿（操縱桿四個(gè)方向都為三檔），操縱桿每移動(dòng)到一個(gè)檔位，都送出一個(gè)開關(guān)信號(hào)（干接點(diǎn)）到S7-200的PLC系統(tǒng)，PLC根據(jù)不同的輸入檔位來控制大車或小車的運(yùn)行速度或方向。操縱桿分左操縱桿和右操縱桿；左操縱桿有前后三檔控制主提升的升降，按照操作手柄的前進(jìn)或后退控制提升機(jī)逐級(jí)提速下降或上升，左右檔控制電磁鐵，手柄的中間位置為停止檔。右操縱桿分左右三檔和前后三檔，左右三檔分別為大車左右行走三檔速度，前后三檔為小車前進(jìn)后退三檔速度，中間位置為大車和小車的停止位。

為了提高該行車系統(tǒng)的人機(jī)交互性，在駕駛室內(nèi)便于駕駛?cè)藛T觀察的地方安裝一臺(tái)西門子的文本顯示器，可以更直觀的了解行車運(yùn)行情況及故障情況。當(dāng)行車運(yùn)行異?；虺霈F(xiàn)故障時(shí)，文本顯示器通過文字的方式來提醒操作人員和維護(hù)人員進(jìn)行故障判斷，減少了維護(hù)人員查找故障時(shí)間或系統(tǒng)帶故障運(yùn)行。

由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，為了提高電氣設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，控制柜體采用全密封方式設(shè)計(jì)，電纜進(jìn)出線采用下進(jìn)線，進(jìn)線采用電纜鎖頭對(duì)進(jìn)出向電纜進(jìn)行密封，使柜體防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP43以上?？紤]到行車設(shè)備需要維護(hù)時(shí)，維護(hù)人員需頻繁對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行電源分合閘操作，在配電柜門上安裝總電源斷路器的操作手柄，維護(hù)人員不必打開柜門便可對(duì)系統(tǒng)送電或斷電，可減少由于頻繁打開柜門而導(dǎo)致太多灰塵進(jìn)入配電柜內(nèi)；在檢修柜內(nèi)器件時(shí)，只有在斷路器斷開的情況下才能打開柜門，防止柜內(nèi)帶電檢修或檢修完成后，檢修人員忘記關(guān)上柜門而離開了現(xiàn)場(chǎng)，因?yàn)橹挥嘘P(guān)上柜門后才能合上斷路器為行車送電運(yùn)行。

為了提高行車操作的合理性，在駕駛室的操縱臺(tái)上配有類似于機(jī)車啟動(dòng)的電源啟動(dòng)鑰匙開關(guān)，當(dāng)鑰匙拔出取走后，非專業(yè)人員將不能啟動(dòng)行車電源，保證了行車操作的專業(yè)性。

在行車橋架兩端焊接大車左右限位的行程開關(guān)，開關(guān)采用機(jī)械動(dòng)作開關(guān)的常閉點(diǎn)，然后在行車軌道兩端極限位置處各焊接一個(gè)斜面檔板，當(dāng)行車導(dǎo)軌方向行走到左端或右端的極限位置時(shí)，行程開關(guān)觸碰到限位擋板后動(dòng)作使大車停止，防止大車左右行走超出限位后造成機(jī)械碰撞。

在行車小車橋架兩端焊接小車前后限位的行程開關(guān)，開關(guān)采用機(jī)械動(dòng)作開關(guān)的常閉點(diǎn)，然后在行車小車橋架軌道兩端極限位置處各焊接一個(gè)斜面檔板，當(dāng)行車小車橋架導(dǎo)軌方向行走到前左端或后端的極限位置時(shí)，行程開關(guān)觸碰到限位擋板后動(dòng)作使小車停止，防止小車前后行走超出限位后造成機(jī)械碰撞。

為了保證提升機(jī)安全運(yùn)行，防止由于電氣控制上的失控而造成提升物體超速下落，在提升機(jī)的電機(jī)上安裝限速開關(guān)，當(dāng)提升電機(jī)失控或受外界重物牽引導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速超過1000轉(zhuǎn)/分時(shí)，提升機(jī)限速開關(guān)動(dòng)作并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，PLC停止提升電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)提升電機(jī)制動(dòng)器抱閘，防止電機(jī)超速或物體掉落帶來的危險(xiǎn)。

在提升機(jī)提升重物時(shí)，提升高度是不能超出鋼繩的提升上限，如果由于操作人員操作失誤或上升控制失控，到達(dá)上限后未能及時(shí)停止提升，提升卷?yè)P(yáng)機(jī)將繼續(xù)對(duì)鋼繩收卷，而鋼繩下端的抓斗受機(jī)械卡住停止上升，在這種情況下很有可能將鋼繩拉斷造成抓斗及提升重物下落。為提高生產(chǎn)安全保障，在卷?yè)P(yáng)機(jī)末端安裝鋼繩收繩限位開關(guān)，限位開關(guān)是根據(jù)鋼繩卷筒的變比一般為80：1，當(dāng)抓斗和重物提升到上限位時(shí)，設(shè)定好的收繩限位開關(guān)動(dòng)作，提升機(jī)停止提升，提升電機(jī)制動(dòng)器抱閘，防止提升機(jī)繼續(xù)提升造成的安全事故。

在行車橋架上兩端的檢修門上各安裝一個(gè)限位開關(guān)，防止行車有相關(guān)人員在行車橋架上對(duì)行車檢修或維護(hù)時(shí)，駕駛?cè)藛T在不知情的情況下對(duì)行車進(jìn)行操作。如果行車橋架上有人在工作，橋架兩端的門打開，此時(shí)大車電機(jī)、小車電機(jī)和提升機(jī)將不能運(yùn)行，同時(shí)制動(dòng)器處于抱死狀態(tài)。

在駕駛室的門上安裝限位開關(guān)作為行車可駕駛操作的前提條件，用于防止由于操作員不遵守操作規(guī)程或粗心大意造成安全事故。例如防止駕駛員進(jìn)行工作交接時(shí)，一個(gè)駕駛員準(zhǔn)備上下駕駛室而另一個(gè)駕駛員在操作大車，容易對(duì)正在上下駕駛室的人員造成傷害，或者駕駛室的門沒有關(guān)好也可能造成安全事故。如果駕駛室門限位開關(guān)動(dòng)作，行車將停止運(yùn)行，大車電機(jī)的制動(dòng)器將自動(dòng)抱閘，為駕駛?cè)藛T提供安全保障。

為保證系統(tǒng)操作的有序性和可靠性，所有主回路的接觸器繼電器都通過PLC的DO點(diǎn)輸出控制，這樣可完全杜絕操作人員違章操作或誤操作。主回路中采用正反轉(zhuǎn)接觸器實(shí)現(xiàn)電機(jī)換向，實(shí)際操作中操作者為了對(duì)吊件準(zhǔn)確定位，頻繁采用反接制動(dòng)（俗稱打反車），切換電流大，接觸器和電機(jī)工作狀態(tài)惡劣，設(shè)備檢修維護(hù)費(fèi)用非常高。

7 效益分析

變頻改造后因變頻節(jié)約電費(fèi)計(jì)算：每天行車運(yùn)行于變頻實(shí)際約15小時(shí)，變頻器節(jié)電為40%即：節(jié)約電費(fèi)=0.5元/KW·h？30KW？5小時(shí)？00？0%=117000元。

8 行車改造實(shí)際測(cè)試結(jié)果

通過測(cè)量行車改造前后電度表讀數(shù)來計(jì)算節(jié)能效果，如表1。