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中國鋁業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、輸送二千多噸發電用煤，抓斗天車作為熱電廠生產原料裝卸、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，但由于工作環境的影響和其傳統電氣控制系統的限制，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、熱電廠煤場工作環境比較惡劣，高溫潮濕，漂浮的煤粉容易沾聚在柜體和柜內電氣元器件的表面，造成柜內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。

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熱狀態，耗費大量電能，以犧牲能源的方式來實現調速，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受力不均勻的情況，需要天車操作員靠經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完成沉抓啟升過程，達到抓斗升降、開閉電機受力均勻狀態。

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驗的依賴。

4、系統可靠性高，故障少,維護保養費用低。

5、節能降耗。

三、變頻調速控制系統改造方案

隨著計算機控制技術、交流調速技術和電力電子技術的發展，變頻器、PLC等器件在天車改造中積累了成熟的經驗。為實現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對原有抓斗天車控制系統進行改造，從根本上解決上述問題。

變頻調速控制系統主要是由變頻器，PLC，雙手柄聯動控制臺組成，PLC采集手柄控制器信號，經過程序進行邏輯判斷，依據判斷結果調節變頻器的輸出，來控制驅動電機的方向、轉速和力矩，取代原來的傳統繞線型轉子串電阻調速驅動系統。系統原理如下圖所示：

1、變頻調速控制系統改造方案主要內容

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空調解決散熱問題，在煤場惡劣的工作環境中，實現了防潮、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，則將電機滑環拉出，轉子中心點直接短接，全部取消了原控制系統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，電機處于發電狀態，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、開閉雙手柄聯動控制臺和大車、小車聯動控制臺，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、變頻調速控制系統的重點

抓斗天車的抓斗傳動系統由開閉機構、升降機構兩部分組成，通過鋼絲繩與各自的滾筒聯接，兩者之間沒有任何電氣聯鎖，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、開閉電機容易出現受力不均勻的情況，需要天車操作員靠經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，用于系統中運行多臺電機并且多臺電機通過各種介質耦合關聯，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，主從控制通訊協議采用ABB的分布式傳動通訊系統，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，主機通過光纖環網將命令信號和速度和力矩信息發送給從機，主機也可由從機讀取返回的狀態信息，從機通過光纖環網與主傳動通訊，通過內置的主從應用宏自動實現與主傳動的速度/力矩跟蹤和力矩準確平均分配，由于通信是采用光纖環網實現的，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通過數字輸入口指定為主機，抓斗升降變頻器由PLC通過數字輸入口指定為從機，同時通過數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，根據開閉電機力矩負荷情況自動發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、抓煤量穩定而且運行平穩沒有沖擊，既擺脫了對操作員經驗的依賴，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。