貴冶85t包子吊電氣控制系統(tǒng)改造可行性分析

胡 濤

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

貴冶熔煉車間科尼85t包子吊為科尼公司2006年生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用，機(jī)上電控元件及控制線路已漸趨老化，隨著使用年限的增加，電氣元件性能下降，可靠性也有所降低，電氣系統(tǒng)故障日益頻繁使得工人的維修量及日常維修費(fèi)用逐漸增加，且部分電氣元件已經(jīng)停止生產(chǎn)，科尼變頻器配件采購(gòu)困難、費(fèi)用高昂，西門子400PLC面臨淘汰，產(chǎn)品升級(jí)空間不足。電氣房柜內(nèi)線纜凌亂，線號(hào)已經(jīng)模糊不清，查線維修非常困難。變頻器柜內(nèi)安裝板松散，在機(jī)器運(yùn)行中晃動(dòng)強(qiáng)烈。綜合全機(jī)工況及該機(jī)生產(chǎn)使用情況，建議將現(xiàn)有的電氣控制系統(tǒng)整理更新，為盡量縮短現(xiàn)場(chǎng)工期，考慮控制柜整體更換。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用港迪公司HF500起重專用變頻器，控制系統(tǒng)采用西門子最新型S7-1500系列PLC，主機(jī)外部結(jié)構(gòu)不變，外部驅(qū)動(dòng)部件與檢測(cè)元件全部保留利舊。

2 改造總體思路

新控制系統(tǒng)保持科尼行車控制理念不變，電控設(shè)計(jì)為四大機(jī)構(gòu)冗余系統(tǒng)。主起升機(jī)構(gòu)為雙變頻器驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)，正常工作為兩臺(tái)主起升電機(jī)同步工作，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可由任意一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)任意一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行（單臺(tái)變頻器帶單臺(tái)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，主起升機(jī)構(gòu)降速運(yùn)行）。副起升電機(jī)與主起升電機(jī)同步工作。小車機(jī)構(gòu)為兩臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)4臺(tái)電機(jī)，采取一拖二的控制方式。正常工作情況，四臺(tái)小車電機(jī)同步工作，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可由任意一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)任意一組電機(jī)運(yùn)行（單臺(tái)變頻器帶一組電機(jī)運(yùn)行時(shí)，降速運(yùn)行）。大車增加港迪變頻器后，大車也為冗余系統(tǒng)，采用一拖四的控制方式。任何一臺(tái)變頻器均可驅(qū)動(dòng)大車運(yùn)行。

2.1 整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)［1］由港迪HF500傳動(dòng)系統(tǒng)替換原科尼變頻器，設(shè)計(jì)選型和提供整套新驅(qū)動(dòng)單元系統(tǒng)，并安裝成柜，包括硬件和軟件。

（1）拆除電氣房?jī)?nèi)所有控制柜，包括：主起升1/小車1柜、主起升2/小車2柜、副起升柜、大車柜、開(kāi)關(guān)柜、接線柜、電源柜、PLC柜。原柜內(nèi)的超負(fù)荷儀表保留。電氣房空調(diào)系統(tǒng)保留。2018年改造的大車柜（原電磁鐵）保留。

（2）安裝重新制作的電控柜，因?yàn)橥獠侩娎|利舊，新電控柜按照原成柜方案，包括：主起升1/小車1柜、主起升2/小車2柜、副起升柜、大車柜、開(kāi)關(guān)柜、接線柜、電源柜、PLC柜。

（3）重新接線，接線檢查可靠，線號(hào)應(yīng)與原理圖線號(hào)一致。外部電纜標(biāo)注原電纜的線號(hào)，方便現(xiàn)場(chǎng)查線接線。柜間電纜更新。

（4）變頻器參數(shù)設(shè)置(加減速設(shè)定與原設(shè)定一致)，進(jìn)行空載、重載運(yùn)行測(cè)試。

（5）更換司機(jī)室內(nèi)的聯(lián)動(dòng)臺(tái)，主令控制器采用S+B公司帶編碼器手柄實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)無(wú)極調(diào)速，在司機(jī)室設(shè)置PLC遠(yuǎn)程分站箱，安裝新故障監(jiān)控系統(tǒng)（觸摸屏，電氣房及司機(jī)室各一臺(tái)）。

（6）更換各機(jī)構(gòu)制動(dòng)電阻。電阻電纜利舊。

（7）取消原電磁系統(tǒng)及手電門操作方式，新系統(tǒng)無(wú)電磁系統(tǒng)及手電門。

（8） 其他的外部元件、儀器儀表、外部電纜保留。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

整機(jī)PLC控制系統(tǒng)由港迪公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)選型、提供整套新PLC系統(tǒng)，包括硬件、軟件和整機(jī)控制程序的編寫調(diào)試。

（1）整機(jī)PLC系統(tǒng)模塊的更換：

①電氣房主PLC模塊及本地IO模塊組，IO模塊底板留有2個(gè)擴(kuò)展冗余槽，司機(jī)室配置有PLC遠(yuǎn)程站；

②完整可靠的PLC系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)，包括PLC與本地IO模塊的通訊，PLC與遠(yuǎn)程站的通訊，PLC與傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的通訊。

（2）提供完整的PLC控制系統(tǒng)的配置圖。

（3）各控制線、通訊線接線可靠。

（4）完成最后的PLC系統(tǒng)自身系統(tǒng)的調(diào)試、整機(jī)控制程序的調(diào)試。

（5）增加中文故障監(jiān)控系統(tǒng)。

司機(jī)室布置圖如圖1，電氣房布置圖如圖2。

圖1 司機(jī)室布置圖

圖2 電氣房布置圖

3 改造電氣控制系統(tǒng)技術(shù)說(shuō)明

變頻器選用港迪公司HF500起重專用變頻器［2］，PLC選用西門子公司S7-1500系列產(chǎn)品，變頻器與PLC之間采用profibus-DP總線通訊方式，主要低壓元器件采用施耐德電氣公司產(chǎn)品，系統(tǒng)配備了全中文故障監(jiān)控系統(tǒng)。

港迪公司HF500起重專用變頻器，速度、轉(zhuǎn)矩控制性能良好，技術(shù)比較先進(jìn)。整機(jī)采用PLC控制，不僅降低了故障發(fā)生率，還提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。通過(guò)工控機(jī)中的故障監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控其運(yùn)行情況，可以對(duì)發(fā)生的故障詳細(xì)記錄，幫助點(diǎn)檢及維修人員快速發(fā)現(xiàn)故障并修復(fù)。

詳細(xì)說(shuō)明如下：

（1）供電電源為AC380V,50Hz三相四線制,由行車滑線受電器引入，通過(guò)電力電纜接入電源控制柜，再經(jīng)柜內(nèi)總斷路器、總隔離開(kāi)關(guān)、總接觸器至各運(yùn)行機(jī)構(gòu)。

（2）主要設(shè)備電源見(jiàn)表1。

表1 關(guān)鍵參數(shù)技術(shù)指標(biāo)

（3）主要設(shè)備功率見(jiàn)表2。

表2 各機(jī)構(gòu)設(shè)備功率及數(shù)量

總斷路器設(shè)置在電源屏中,具有過(guò)壓, 過(guò)流,欠壓等各種保護(hù)功能。工作電源是從斷路器下端至接觸器出線端引出, 接至每個(gè)控制變頻器電源, 向控制變頻器主回路供電。操作盤柜上設(shè)有急停按鈕，在遇到緊急情況下用來(lái)切斷工作電源。

變頻器控制及信號(hào)電源為交流220V, 單獨(dú)設(shè)置了單相隔離變壓器。同時(shí)給各控制回路，PLC電源、超負(fù)載限制器等提供電源［3］。

（4）主起升機(jī)構(gòu)。

主起升［4］為2臺(tái)相同的55kW變頻電機(jī)，單電機(jī)電流約為110A。兩臺(tái)主起升機(jī)構(gòu)各選用一臺(tái)港迪公司HF500-090-04 （重過(guò)載工況電流160A,功率75kW）變頻器驅(qū)動(dòng)。變頻器上分別帶有通訊接口和軸編碼器接口模塊。它采用了閉環(huán)矢量控制模式。該系統(tǒng)具有良好的調(diào)速硬度及低頻轉(zhuǎn)矩特性。在工頻50Hz以下可以保持恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速模式。起升機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制的速度反饋采用增量式脈沖編碼器，該編碼器安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的尾部。PLC與變頻器直接通訊方式采用profibus-DP通訊，PLC可以實(shí)時(shí)讀取變頻器的數(shù)據(jù)，并通訊輸入給PLC的主令控制器信號(hào)控制變頻器的頻率、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速狀態(tài)［5］。

該系統(tǒng)同時(shí)支持機(jī)械和電氣兩種制動(dòng)。一般在停機(jī)時(shí)采用電氣制動(dòng)方式，它可以提供可控制、平滑的制動(dòng)性能。而電氣制動(dòng)方式分別有兩種：正常斜坡電氣制動(dòng)、快速電氣制動(dòng)。在電機(jī)降到零速之后先采用電氣制動(dòng)，后立即施加機(jī)械制動(dòng)。起升機(jī)構(gòu)配置一般都配有液壓制動(dòng)器，在起升卷筒一側(cè)也配置有安全制動(dòng)器［6］。

每個(gè)主起升機(jī)構(gòu)都裝有上升及下降的減速、終點(diǎn)、極限6個(gè)保護(hù)限位，起升卷筒上裝有4個(gè)防跳槽限位。在起升卷筒的尾部還裝有測(cè)試編碼器用于失速保護(hù)［7］。

行車控制電氣保護(hù)分別有有過(guò)電流保護(hù)、短路、過(guò)負(fù)載保護(hù)、 欠壓及零位保護(hù)。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障信號(hào)時(shí), 必須通過(guò)操作臺(tái)上的故障復(fù)位按鈕進(jìn)行復(fù)位。

超負(fù)荷保護(hù)：當(dāng)行車吊鉤吊重量達(dá)95% 額定負(fù)荷時(shí)，會(huì)發(fā)聲光預(yù)警信號(hào)，當(dāng)達(dá)到105%額定負(fù)荷時(shí)，開(kāi)關(guān)信號(hào)動(dòng)作，作起升機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖，斷開(kāi)上升工作，只能下放冰銅包子，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)［8］。

（5）小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。

小車為4臺(tái)15 kW變頻電機(jī)，單臺(tái)電機(jī)電流約為31A。選用兩臺(tái)港迪公司HF500-045-04 (重過(guò)載工況電流79A,功率37kW）分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)小車電機(jī)。小車機(jī)構(gòu)采用閉環(huán)控制，不僅可以提高控制精度，而且有足夠的調(diào)速硬度、低頻轉(zhuǎn)矩特性。系統(tǒng)通過(guò)控制器信號(hào)輸入至PLC、再控制變頻器的輸出頻率及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速［8］。

小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)有減速限位和終點(diǎn)限位，作為小車前進(jìn)和后退的保護(hù)開(kāi)關(guān)。小車運(yùn)行的電氣保護(hù)分別有過(guò)電流保護(hù)、短路、過(guò)負(fù)載保護(hù), 欠壓等保護(hù)［9］；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障信號(hào)時(shí), 必須通過(guò)操作臺(tái)上的故障復(fù)位按鈕進(jìn)行復(fù)位。

（6）大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。

大車為4臺(tái)30 kW變頻電機(jī)，單臺(tái)電機(jī)電流約為62A。選用一臺(tái)港迪公司HF500-160-04 (重過(guò)載工況電流270A,功率132kW）驅(qū)動(dòng)4臺(tái)大車電機(jī)，另2018年更換的港迪公司的另一臺(tái)變頻器做為冗余設(shè)計(jì)，大車機(jī)構(gòu)也是選用閉環(huán)控制模式［10］。在大車行進(jìn)方向上，分別設(shè)置向左、向右大車預(yù)減速限位、終點(diǎn)限位，并在兩輛行車大車之間和大車與庫(kù)房大車軌道終點(diǎn)之間相距設(shè)置有防撞限位。

（7）聯(lián)動(dòng)臺(tái)。

聯(lián)動(dòng)臺(tái)置于司機(jī)室內(nèi)，用來(lái)控制整個(gè)起重機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)聯(lián)動(dòng)臺(tái)布置保留原先操作習(xí)慣，增加改造后必要的指示燈按鈕。

右聯(lián)動(dòng)臺(tái)安裝主、副起升機(jī)構(gòu)主令控制器，并設(shè)有緊急停止開(kāi)關(guān)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力電源啟動(dòng)按鈕開(kāi)關(guān)和停止按鈕開(kāi)關(guān)、主起升選擇開(kāi)關(guān)、防搖開(kāi)關(guān)、照明開(kāi)關(guān)。聯(lián)動(dòng)臺(tái)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)、按鈕設(shè)有金屬文字標(biāo)簽牌，正確指示其功能。

（8）照明、維修系統(tǒng)。

本機(jī)照明及維修系統(tǒng)利舊。投光燈操作設(shè)置在聯(lián)動(dòng)臺(tái)上。在司機(jī)室、主梁上等處設(shè)置維修插座AC250V、16A，AC250V、10A等多種規(guī)格。

（9）PLC系統(tǒng)。

85t行車控制系統(tǒng)選用了西門子S7-1500系列，具有模塊化結(jié)構(gòu)，及時(shí)發(fā)送和接收I/O數(shù)據(jù)。表 3 85t行車控制系統(tǒng)PLC模塊型號(hào)明細(xì)

項(xiàng)目 PLC模塊 模塊型號(hào) 數(shù)量1 CPU 6ES75131AL020AB0 1 2 通訊模塊 6GK75425FX000XE0 1 3 數(shù)字量輸入模塊 6ES75211BH100AA0 4 4 數(shù)字量輸出模塊 6ES75225HH000AB0 3

（10）故障監(jiān)控系統(tǒng)。

故障監(jiān)控系統(tǒng)由PLC、觸摸屏組成工控機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)信息共享及數(shù)據(jù)傳輸。采用用實(shí)時(shí)顯示故障的位置、信息及一般處理的辦法。它可以用于監(jiān)控各變頻器及驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行、停止的狀態(tài),變頻器運(yùn)行參數(shù)，比如轉(zhuǎn)速、電流等。工控機(jī)故障觸摸屏分別裝在電氣控制室PLC柜門上及司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)，方便點(diǎn)檢及操作人員及時(shí)的查看85t行車的狀態(tài)及故障報(bào)警信息。

4 可行性結(jié)論

本次改造方案主要是著重考慮冶金起重設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性以及便捷性，在85t行車操作方面跟以前相比將更加簡(jiǎn)潔、方便，在控制精度也更加精準(zhǔn)。既可以使85t行車發(fā)揮最大的效能，也可以有效提升85t包子吊起重設(shè)備性能，降低設(shè)備故障率，降低維護(hù)成本，滿足工藝生產(chǎn)要求。