PLC＆變頻器在行車控制系統(tǒng)使用中典型故障研究

柏承東

摘要：本文主要介紹了PLC&變頻器控制的行車系統(tǒng)，結(jié)合實際使用中的經(jīng)驗，闡述分析了其優(yōu)缺點和生產(chǎn)中遇到的問題，并提出了有效的整改措施。

關(guān)鍵詞：PLC;變頻器;行車控制系統(tǒng);故障

1? PLC&變頻器控制行車原理

機電是行車電氣傳動系統(tǒng)的主要組成部件，主要分為提升電機、大車電機和小車電機等三種。傳統(tǒng)意義上的行車控制系統(tǒng)一般是通過調(diào)整轉(zhuǎn)子所串電阻的大小從而實現(xiàn)電機的啟動與速度調(diào)節(jié)。在電機運行過程中，由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)操作頻率較高，易產(chǎn)生較大沖擊電流，導致行車振動大;系統(tǒng)中的接觸器、碳刷等部件易出現(xiàn)磨損、冒火、故障等現(xiàn)象;因頻繁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子所串電子的大小，電阻易發(fā)生接觸不良、能耗過大等問題，電機調(diào)速不靈敏;同時傳統(tǒng)行車控制系統(tǒng)因故障頻率高，使得其維修難度較大，費用較高。為了有效地降低行車控制系統(tǒng)的故障率，需從根源上改變電機的啟動與調(diào)速手段。通過引入變頻調(diào)速器，利用變頻器靈敏、便捷的調(diào)速手段、完善保護功能等多方面優(yōu)勢能夠在很大程度上彌補傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺陷。以下將對PLC&變頻器控制系統(tǒng)行車進行詳細闡述。

PLC&變頻器控制行車原理框圖如圖1所示。

PLC&變頻器控制行車在操作上保持和傳統(tǒng)一致，將聯(lián)動控制臺設(shè)置在駕駛室中，并通過聯(lián)動控制臺實現(xiàn)對電機的啟動及調(diào)速，當聯(lián)動控制臺傳輸出的檔位信息及時反饋至PLC時，可通過輸出的數(shù)字量正反向啟動或停止變頻器和制動系統(tǒng)，通過輸出4～20ma模擬量來控制電機的轉(zhuǎn)速。行車變頻控制后，增加了電機的電流反饋，不僅實現(xiàn)了閉環(huán)控制，更有利于起升與開閉的速度配合以及出力均衡，能在很大程度上避免因單根鋼絲繩超出極限抗拉承載力而出現(xiàn)斷裂的情況。

2? 運行中典型故障分析

2.1 變頻器過壓、過流報警，制動電阻燒毀

行車抓斗在下降過程中或減速過程中，電機為反向轉(zhuǎn)動，由轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的力矩表現(xiàn)為正向輸出，電機通過運行而激發(fā)的再生電能按照一定的路徑反向傳輸至變頻器，進一步利用變頻器的直流回路釋放出去，若因再生電能無法進行有效的釋放將導致變頻器的直流回路出現(xiàn)過壓、過流現(xiàn)象，所以制動單元以及制動電阻作為變頻器至關(guān)重要的部分，需安裝于行車控制系統(tǒng)中。同時，在電機運行過程中，變頻器的速度調(diào)節(jié)所需的反應(yīng)時間在符合實際生產(chǎn)需要的同時應(yīng)盡量放長，這樣有利于制動電阻對再生電能的釋放，能降低制動電阻的發(fā)熱量，延長使用壽命。

2.2 24V電源零電位漂移故障

在行車控制系統(tǒng)工作過程中，通常將變頻器以及PLC作為24V電源。雖然這兩種設(shè)備自身都具備可獨立工作的24V電源，然而因行車控制系統(tǒng)內(nèi)電路設(shè)置復雜，為了防止電源不足的情況，額外設(shè)置了24V的電源設(shè)備。行車控制系統(tǒng)中共有3個24V電源，若在運行過程中電源間存在電位不等、零電位等問題，將會進一步導致行車出現(xiàn)各類故障。以下將闡述幾種故障情況及原因分析。

故障一：如圖2所示為單獨配備24V電源的變頻器和PLC工作示意圖。當系統(tǒng)連接電源后，如果沒有給變頻器輸入任何速度調(diào)節(jié)信息，則顯示器會反饋按20ma的調(diào)速信號設(shè)定模擬值，那么行車在通電啟動后將會以20ma的速度進行高速運轉(zhuǎn)，不能再調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速度。進行原因分析時，不僅對變頻器AI輸入模塊進行了校核，輸入電阻及相應(yīng)的信號電纜均確認絕緣正常;而且在替換了PLC的AO模塊或拆除了4～20ma信號電纜的其中一根電纜線之后，上述的問題仍然反復出現(xiàn)。由此可知，4～20ma信號不是從PLC傳送出去的。對PLC的AO模塊進行了檢查之后發(fā)現(xiàn)單獨配備的電源負端對地電壓大約為-24V，這就造成一根信號電纜的兩端存在將近24V的電位差，也正是這一電位差導致了變頻器AI口內(nèi)部有20ma的電流流過。

整改措施：24V電源負端對地電壓為-24V，最典型的故障為電源正端接地，對24V電源仔細檢查后排除了正端接地的可能性。可以初步斷定是24V電源內(nèi)部問題，翻看24V電源手冊得知，負端對地電位漂移時可以把負端直接接地，從而把24V電源負端電位拉回零位，按照手冊中提供的辦法實施后，一切正常。需要注意的是：24V電源負端接地前一定要確認24V電源正端未接地，否則將造成24V電源正負端短路，電源瞬間燒毀。

故障二：PLC的不同輸入點信號顯示燈經(jīng)常會出現(xiàn)突然整體熄滅，又突然恢復的情況。該類情況同樣是涉及24V電源設(shè)備的問題，PLC不同輸入點之間的電壓大小都是24V，PLC自身也具備電壓為24V中間繼電器，能夠保證不同輸入點信號顯示燈的正常工作。如果24V電源的正端和M端之間的電位差不超過24V，那么PLC自身具備的中間繼電器就無法保證不同輸入點信號顯示燈的正常工作，使得信號燈突然整體熄滅，信號丟失。經(jīng)過對PLC檢查后發(fā)現(xiàn)，其不同輸入點之間的電位差不穩(wěn)定，且24V電源的正端和M端并非為同一電源，M端引自PLC自帶24V電源，而24V正端引自外供24V電源，當任何一個24V電源波動時都會影響到電位差小于24V，詳見圖3。

整改措施：把M端改接到外供24V電源，使得24V正端與M端來自同一個電源，這樣即使24V電源的電位波動時，其電位差還是會穩(wěn)定在24V的，經(jīng)過上述處理后故障現(xiàn)象消除。

2.3 行車主電源質(zhì)量差引起變頻器內(nèi)部短路

故障現(xiàn)象：行車運行一段時間后變頻器短路故障頻發(fā)，變頻器短路后修復成本很高，新變頻器更換后送電不久又會發(fā)生短路。此問題反饋到了行車制造廠家，廠家給出的解釋是行車供電電源質(zhì)量差，需要安裝電源濾波器，經(jīng)檢測行車主電源的質(zhì)量后發(fā)現(xiàn)明顯諧波現(xiàn)象。進一步確認是否是由于電源質(zhì)量差而導致變頻器短路故障率高，提前在易發(fā)生變頻器短路的行車上配備了一臺電源濾波器，一段時間后發(fā)現(xiàn)，變頻器內(nèi)部短路現(xiàn)象明顯減少，因此為了避免變頻器內(nèi)部短路問題的出現(xiàn)，目前行車均配備了濾波器。

2.3.1 變頻器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置過高，導致行車運行出現(xiàn)故障

故障一：行車在空載的情況下能夠正常進行升降，而負載后在上升過程中出現(xiàn)劇烈抖動現(xiàn)象，并且上升緩慢，嚴重時抓斗無法上升，反而在抓斗的反作用力下，自由落體下降。行車抓斗正常工作中屬于重載啟動，而變頻器零起升速至額定轉(zhuǎn)矩輸出需要一個過程，這就有可能導致行車重載啟動開始階段因轉(zhuǎn)矩不足而抓頭無法提升。ABB變頻器第26組參數(shù)是MOTORCONTROL（電機控制），該組參數(shù)中的26.03和26.04定義了電機零速時變頻器供給電機的附加電壓值和頻率，當行車扭矩要求大且DTC控制無法符合要求時，這項功能可以有效地解決該問題。然而，不可以通過一味的設(shè)高26.03和26.04參數(shù)的方式來提高轉(zhuǎn)矩大小，那樣容易導致變頻器在啟動過程中發(fā)生過流故障。

故障二：行車空載行走時力矩不足，啟動時抖動嚴重。此類故障一般初步都會懷疑大車行走報閘未松開或故障，但是檢查報閘控制回路及機械部分均正常。檢查變頻器參數(shù)時發(fā)現(xiàn)，大車電機額定轉(zhuǎn)速970r/min被錯誤的設(shè)定為1480r/min，更正參數(shù)后一切正常。行車使用的變頻器為恒轉(zhuǎn)矩控制變頻器，即當行車承受的外荷載不變的情況下，功率P和角速度Ω保持不變，那么變頻器輸出的轉(zhuǎn)矩也基本保持不變，輸出的轉(zhuǎn)矩大小取決于功率P和角速度Ω的大小。因變頻器的功率P=T*Ω，若功率不變的情況下，一味地增大角速度Ω，將會使得轉(zhuǎn)矩T值過小，即大車啟動時因角速度過大導致轉(zhuǎn)矩不滿足要求。

2.3.2 行車的變頻器主電源由于多次斷電或電源負載溫度過高導致故障頻發(fā)

根據(jù)ABB變頻器的操作說明可知，由于ABB變頻器關(guān)于自身直流電容組的充電次數(shù)有額定要求，不可通過分合其主電源斷路器的方式實現(xiàn)電機的啟動及調(diào)速。當行車在工作過程中出現(xiàn)了問題后，操作員不及時聯(lián)系技術(shù)人員維修檢查，直接通過切斷系統(tǒng)電源再重啟的方式讓行車恢復工作，這樣反復多次的突然斷電會在極大程度上降低變頻器的使用壽命，提高故障率，因此需要對操作員進行足夠的崗前培訓。變頻器內(nèi)部配備有溫度報警器，當行車在高溫環(huán)境下工作室，變頻器報警系統(tǒng)會多次報警，為了降低變頻器的故障率，應(yīng)控制變頻器的溫度環(huán)境在-15～50℃，主要原因如下：第一，由于材料相關(guān)技術(shù)參數(shù)還無法滿足規(guī)范設(shè)計標準，導致變頻器材料的精確度具備一定的局限性;第二，變頻器的生產(chǎn)模具等參數(shù)暫時無法符合制造工業(yè)的相關(guān)要求，造成其內(nèi)部的壓力容易在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)明顯變形;第三，因壓力容器的各部件之間存在尺寸偏差，使得其在組裝過程中容易出現(xiàn)明顯變形。

3? 改善壓力容器制造質(zhì)量的有效措施

3.1 提高對壓力容器材料及質(zhì)量控制的重視程度

為了有效地提高壓力容器的質(zhì)量，必須在方案設(shè)計階段給予足夠的重視，方案設(shè)計階段的壓力容器質(zhì)量好壞直接決定了壓力容器的制造質(zhì)量的好壞與否。在方案設(shè)計階段，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)專業(yè)規(guī)范設(shè)計要求對壓力容器的生產(chǎn)制造進行全面、深入的研究分析;結(jié)合制造工藝的豐富經(jīng)驗，進一步保證壓力容器的設(shè)計質(zhì)量。設(shè)計人員不僅要對壓力容器的各個部件材料進行深入、全面的研究，還應(yīng)該針對壓力容器的組裝過程及工作條件進行充分、綜合的假設(shè)分析與探討，盡可能地使制造生產(chǎn)出來的壓力容器滿足設(shè)計、工作要求，進而改善壓力容易的制造質(zhì)量。

3.2 加強對壓力容器變形的嚴格控制

為了能夠有效地加強對壓力容器變形的嚴格控制，主要有以下幾種方式：①加強對壓力容器的設(shè)計人員、生產(chǎn)技術(shù)人員的專業(yè)知識培訓，嚴格把控材料的各項技術(shù)參數(shù)，保證壓力容器的材料及質(zhì)量符合設(shè)計、規(guī)范要求;②在壓力容器的制造生產(chǎn)全過程中，需要嚴格依據(jù)規(guī)范要求及操作標準開展生產(chǎn)動作，確保生產(chǎn)模具符合制造工業(yè)的相關(guān)要求，嚴格控制模具在制造過程中的結(jié)構(gòu)變化大小，進一步減少壓力容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形量;③盡可能降低壓力容器各部件之間的尺寸偏差，在組裝過程中可通過適當?shù)闹谓档蛪毫θ萜鞯耐獠拷Y(jié)構(gòu)變形量和組裝變形。

4? 結(jié)論

綜上所述，為了能夠?qū)毫θ萜鞯陌踩阅芴峁娪辛Φ谋Ｕ?，對壓力容器的制造質(zhì)量進行嚴格控制是至關(guān)重要且刻不容緩的。在壓力容器的設(shè)計階段，需提高對壓力容器材料及質(zhì)量控制的重視程度，確保設(shè)計方案的合理性與科學性;在制造過程中，應(yīng)加強技術(shù)人員的專業(yè)知識培訓、提高人員的綜合素質(zhì)，嚴格控制材料的規(guī)格和大小;在組裝過程中，嚴格控制壓力容器內(nèi)部、外部結(jié)構(gòu)的變形量，降低組裝誤差，進一步滿足壓力容器的設(shè)計與使用要求。同時，科學的材料及合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)合先進的焊接技術(shù)，能夠為壓力容器的制造質(zhì)量提供強有力的保障。

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