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[摘 要]本文对旧系统存在的不足及对PLC和变频器在两台抓斗天车上的应用介绍，分析了变频器的控制特性，提出了变频器直接转距控制及抓斗支持在抓斗天车交流变频调速系统应用中的可行性。
[关键词]抓斗天车 PLC 变频器 控制
中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-178-01
一、引言
由于交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱动的通用机械产品大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有和直流调速系统相媲美的高性能调速指标，它可以采用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机进行调速，并且变频调速系统的效率比传统的交流调速系统要高，其控制线路简单，维护工作量小，运行可靠性较传统的交、直流调速系统有较大的提高。所以，交流变频调速技术应用于通用机械产品是今后通用机械产品调速技术发展的主流。
二、旧控制系统存在的不足
我公司2台5T桥式抓斗天车日平均利用率达到12～14小时，每天抓煤量达到1000吨左右，如果在抓斗升降、开闭、大车、小车运行的采用传统转子串接电阻的调速方式。在使用中通常会存在以下问题，严重影响着我厂生产的安全、连续、稳定地运行，主要体现为：
1）抓斗升降、开闭机械限位开关容易损坏，且限位开关位置不易调整，经常造成电动机烧坏或使钢丝绳被拉断；
2）由于绕线式异步电机调速是通过系统中的主要控制元件--交流接触器来接入和切出电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在大电流下，非常容易烧坏触头。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因煤粉、煤气腐蚀及设备振动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率高，维修量大。小车、大车的运转也存在同样的问题；
3）抓斗操作为双手柄联动台操作，为实现合适的抓斗工况，在实际操作中经常需要电动操作或打反车，由于其控制大电流接触器，极易造成电气元件损坏；
4）在抓斗沉抓启升瞬间，升降、开闭电机受力不均匀，开闭电动机单独受力，电机易过载损坏，钢丝绳易断裂；
三、基本控制原理
主控系统采用可编程序控制器PLC实现整个天车的控制。采用可编程PLC控制技术和位置传感技术，以程序控制取代继电器--接触器控制，交流电动机调速方式从转子串电阻调速方式改为采用变频调速方式，进而实现了抓斗的自动化控制。抓斗升降、开闭滚筒旋转位移量的检测由旋转轴角编码器及PLC 的高速计数模块来完成。将各种限位开关、功能转换开关、抓斗联动台、大车小车联动台直接接入PLC 的输入模块，通过PLC输出模块来控制抓斗升降变频器、开闭变频器、大车变频器、小车变频器以及支持制动器，开闭制动器、大车制动器、小车制动器等。系统控制方框图如下图所示。
抓斗天车控制系统方框图
四、系统设备选型
1、交流变频器：
动力厂抓斗天车的工作环境极其恶劣，变频器的选型必须综合考虑其应用环境，选择日本安川公司生产的变频器，采用DTC直接力矩控制技术，满足抓斗天车控制需要。考虑一定的控制余度来选择：
1）、CIMR-G7A4037变频器，（30KW，恒转矩负载，IP20防护等级，电路采用涂层保护，外置制动单元；）作为抓斗支持变频器；
2）、CIMR-G7A4037变频器，（30KW，恒转矩负载，IP20防护等级，电路采用涂层保护，外置制动单元；）作为抓斗开闭变频器；
3）、CIMR-F7B4018变频器，（7.5KW，恒转矩负载，IP20防护等级，电路采用涂层保护，内置制动单元；）作为两台大车行走变频器，用一台变频器控制两台大车行走电机，可保证大车行走的稳定性；
4）、CIMR-F7B43P7变频器，（2.2KW，恒转矩负载，IP20防护等级，电路采用涂层保护，内置制动单元；）作为小车行走变频器；
2、PLC控制器
日本欧姆龙公司C200H系列可编程控制器，是目前世界应用最广，技术较为先进的控制装置，它采用模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展，它具有强大的计数、定时、比较等功能。另外，C200H系列PLC还具有高电磁兼容性和强抗振动、抗冲击性，其使用环境温度可从-250C到+600C，选用这种系列的PLC对抓斗天车进行改造，天车工作的可靠性是能够得到保证的。
PLC系统配置设计如下：
主机架 C200HW-BC081-V1 1 8槽
电源单元 C200HW-PA204 1 24V/5A
CPU单元 C200H-CPU11-E 1 SLC504/28K指令
DI单元 C200H-IA222 4 AC220V/16点
DO单元 C200H-OC225 3 DC24V/16点
特殊单元 C200H-MAD01 1 1路编码器输入
3、联动操作台：
采用了QT101型联动操作台，控制精确，操作简便。抓斗操作方式设计为单手柄联动台操作，有手动、自动两种方式可供选择。手动方式仅在復位调整和检修时使用，支持、开闭电机只能单独慢档操作。自动方式在正常运行时使用，支持、开闭电机在 PLC控制系统协调下同时工作。小车大车联动台仍采用单手柄操作，具有前进快、慢档、后退快、慢档及停车等项功能。
装置的复位调整是指对抓斗的工作基准（位置、偏差校正等）进行初始化的操作。当装置第一次使用，或抓斗天车停用时间超过一周或者滚筒非正常转动后，均需进行复位调整。运行中发生了抓斗工作失调的情况，也应进行复位调整。复位操作也很简单，只须将抓斗提到任一基准位置，按一下复位按键就可以了。
4.控制软件
系统软件采用日本欧姆龙公司梯形图语言来编程完成，主要控制技术关键是对位能负载抓斗的升降、开闭电动机位移量检测的旋转轴角编码器动态偏差值的实时校正技术和抓斗沉抓、自动起升及钢丝绳受力状态自动调整等功能的实现。
五、采用变频调速效果
抓斗天车采用变频很好地解决了主/闭钢丝绳受力平衡问题，软启软停方式大大降低了起制动时的冲击电流，再加上变频器本身具有完善灵敏保护功能，减少了设备损坏率，极大地提高了行车运行的稳定性，大幅度降低了抓斗天车的故障率。根据资料有关数据统计：
1）、钢丝绳消耗仅为改造前的20%，总维护成本为改造前的5-10%；
2）、电机损坏现象下降，改造前为平均1台/年，改造两年后没有电机损坏；
3）、故障率也大大下降，改造前平均每月故障次数为20次，现在为3次；
4）、其它低压电器及机械设备的寿命也大大提高；
六、结束语
本文详细分析了变频器的控制特性，提出了变频器直接转距控制及抓斗支持在抓斗天车交流变频调速系统应用中的可行性，给出了变频器及其周边设备的选型原则，经过四年多的实际运行证明，本文推荐的抓斗天车变频调速系统，不但线路大为简化，而且各项调速性能达到设计要求，再加上变频器完善的故障诊断和显示功能，使整个调速系统的可靠性、可维修性得到大幅度提高。PLC技术和变频器在抓斗天车上的应用是可行的。
参考文献：
[1] 安川变频器G7说明书 安川电机（日本）有限公司2004年12月版
[2] 欧姆龙公司《自动化系统C200H 使用手册》 2005年12月版
[关键词]抓斗天车 PLC 变频器 控制
中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-178-01
一、引言
由于交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱动的通用机械产品大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有和直流调速系统相媲美的高性能调速指标，它可以采用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机进行调速，并且变频调速系统的效率比传统的交流调速系统要高，其控制线路简单，维护工作量小，运行可靠性较传统的交、直流调速系统有较大的提高。所以，交流变频调速技术应用于通用机械产品是今后通用机械产品调速技术发展的主流。
二、旧控制系统存在的不足
我公司2台5T桥式抓斗天车日平均利用率达到12～14小时，每天抓煤量达到1000吨左右，如果在抓斗升降、开闭、大车、小车运行的采用传统转子串接电阻的调速方式。在使用中通常会存在以下问题，严重影响着我厂生产的安全、连续、稳定地运行，主要体现为：
1）抓斗升降、开闭机械限位开关容易损坏，且限位开关位置不易调整，经常造成电动机烧坏或使钢丝绳被拉断；
2）由于绕线式异步电机调速是通过系统中的主要控制元件--交流接触器来接入和切出电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在大电流下，非常容易烧坏触头。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因煤粉、煤气腐蚀及设备振动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率高，维修量大。小车、大车的运转也存在同样的问题；
3）抓斗操作为双手柄联动台操作，为实现合适的抓斗工况，在实际操作中经常需要电动操作或打反车，由于其控制大电流接触器，极易造成电气元件损坏；
4）在抓斗沉抓启升瞬间，升降、开闭电机受力不均匀，开闭电动机单独受力，电机易过载损坏，钢丝绳易断裂；
三、基本控制原理
主控系统采用可编程序控制器PLC实现整个天车的控制。采用可编程PLC控制技术和位置传感技术，以程序控制取代继电器--接触器控制，交流电动机调速方式从转子串电阻调速方式改为采用变频调速方式，进而实现了抓斗的自动化控制。抓斗升降、开闭滚筒旋转位移量的检测由旋转轴角编码器及PLC 的高速计数模块来完成。将各种限位开关、功能转换开关、抓斗联动台、大车小车联动台直接接入PLC 的输入模块，通过PLC输出模块来控制抓斗升降变频器、开闭变频器、大车变频器、小车变频器以及支持制动器，开闭制动器、大车制动器、小车制动器等。系统控制方框图如下图所示。
抓斗天车控制系统方框图
四、系统设备选型
1、交流变频器：
动力厂抓斗天车的工作环境极其恶劣，变频器的选型必须综合考虑其应用环境，选择日本安川公司生产的变频器，采用DTC直接力矩控制技术，满足抓斗天车控制需要。考虑一定的控制余度来选择：
1）、CIMR-G7A4037变频器，（30KW，恒转矩负载，IP20防护等级，电路采用涂层保护，外置制动单元；）作为抓斗支持变频器；
2）、CIMR-G7A4037变频器，（30KW，恒转矩负载，IP20防护等级，电路采用涂层保护，外置制动单元；）作为抓斗开闭变频器；
3）、CIMR-F7B4018变频器，（7.5KW，恒转矩负载，IP20防护等级，电路采用涂层保护，内置制动单元；）作为两台大车行走变频器，用一台变频器控制两台大车行走电机，可保证大车行走的稳定性；
4）、CIMR-F7B43P7变频器，（2.2KW，恒转矩负载，IP20防护等级，电路采用涂层保护，内置制动单元；）作为小车行走变频器；
2、PLC控制器
日本欧姆龙公司C200H系列可编程控制器，是目前世界应用最广，技术较为先进的控制装置，它采用模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展，它具有强大的计数、定时、比较等功能。另外，C200H系列PLC还具有高电磁兼容性和强抗振动、抗冲击性，其使用环境温度可从-250C到+600C，选用这种系列的PLC对抓斗天车进行改造，天车工作的可靠性是能够得到保证的。
PLC系统配置设计如下：
主机架 C200HW-BC081-V1 1 8槽
电源单元 C200HW-PA204 1 24V/5A
CPU单元 C200H-CPU11-E 1 SLC504/28K指令
DI单元 C200H-IA222 4 AC220V/16点
DO单元 C200H-OC225 3 DC24V/16点
特殊单元 C200H-MAD01 1 1路编码器输入
3、联动操作台：
采用了QT101型联动操作台，控制精确，操作简便。抓斗操作方式设计为单手柄联动台操作，有手动、自动两种方式可供选择。手动方式仅在復位调整和检修时使用，支持、开闭电机只能单独慢档操作。自动方式在正常运行时使用，支持、开闭电机在 PLC控制系统协调下同时工作。小车大车联动台仍采用单手柄操作，具有前进快、慢档、后退快、慢档及停车等项功能。
装置的复位调整是指对抓斗的工作基准（位置、偏差校正等）进行初始化的操作。当装置第一次使用，或抓斗天车停用时间超过一周或者滚筒非正常转动后，均需进行复位调整。运行中发生了抓斗工作失调的情况，也应进行复位调整。复位操作也很简单，只须将抓斗提到任一基准位置，按一下复位按键就可以了。
4.控制软件
系统软件采用日本欧姆龙公司梯形图语言来编程完成，主要控制技术关键是对位能负载抓斗的升降、开闭电动机位移量检测的旋转轴角编码器动态偏差值的实时校正技术和抓斗沉抓、自动起升及钢丝绳受力状态自动调整等功能的实现。
五、采用变频调速效果
抓斗天车采用变频很好地解决了主/闭钢丝绳受力平衡问题，软启软停方式大大降低了起制动时的冲击电流，再加上变频器本身具有完善灵敏保护功能，减少了设备损坏率，极大地提高了行车运行的稳定性，大幅度降低了抓斗天车的故障率。根据资料有关数据统计：
1）、钢丝绳消耗仅为改造前的20%，总维护成本为改造前的5-10%；
2）、电机损坏现象下降，改造前为平均1台/年，改造两年后没有电机损坏；
3）、故障率也大大下降，改造前平均每月故障次数为20次，现在为3次；
4）、其它低压电器及机械设备的寿命也大大提高；
六、结束语
本文详细分析了变频器的控制特性，提出了变频器直接转距控制及抓斗支持在抓斗天车交流变频调速系统应用中的可行性，给出了变频器及其周边设备的选型原则，经过四年多的实际运行证明，本文推荐的抓斗天车变频调速系统，不但线路大为简化，而且各项调速性能达到设计要求，再加上变频器完善的故障诊断和显示功能，使整个调速系统的可靠性、可维修性得到大幅度提高。PLC技术和变频器在抓斗天车上的应用是可行的。
参考文献：
[1] 安川变频器G7说明书 安川电机（日本）有限公司2004年12月版
[2] 欧姆龙公司《自动化系统C200H 使用手册》 2005年12月版