一、引言
1、運(yùn)行機(jī)構(gòu)是由三個(gè)基本獨(dú)立的拖動(dòng)系統(tǒng)組成：
大車拖動(dòng)系統(tǒng)。拖動(dòng)整臺(tái)橋式抓斗順著車間做“橫向”運(yùn)動(dòng)，大車的行走由2臺(tái)11kW繞線電機(jī)牽引。
小車拖動(dòng)系統(tǒng)。拖動(dòng)抓斗順著橋架作“縱向”運(yùn)動(dòng)。小車的行走由1臺(tái)3.7kW的繞線電機(jī)牽引。
抓斗吊拖動(dòng)系統(tǒng)。拖動(dòng)抓斗作吊起、放下的上下運(yùn)動(dòng)及抓斗的放開、閉合運(yùn)動(dòng)。抓斗的升降繩和開閉繩各由1套卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)操縱，卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為2臺(tái)30kW繞線電機(jī)。
2、抓斗的所有電機(jī)都采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動(dòng)和調(diào)速。在抓斗的使用過程中存在以下問題：
（1）由于采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法調(diào)速，機(jī)械振動(dòng)大，行車不穩(wěn)定，定位困難，抓斗擺動(dòng)嚴(yán)重，容易造成機(jī)械設(shè)備的損壞。轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷變化，調(diào)速效果差，所串電阻因長(zhǎng)期發(fā)熱而使電能消耗較大，效率較低。
（2）抓斗的電機(jī)采用繞線電機(jī)，經(jīng)常發(fā)生碳刷磨損嚴(yán)重、電機(jī)及轉(zhuǎn)子繞線過熱，造成維護(hù)量大。另外，操作員在抓斗定位時(shí)，經(jīng)常打反車，使電機(jī)產(chǎn)生過載現(xiàn)象，影響電機(jī)的使用壽命。
（3）由于抓取搬運(yùn)工作的距離較近，電機(jī)處于頻繁啟動(dòng)及變速狀態(tài)，控制電機(jī)的時(shí)間繼電器和交流接觸器處于頻繁動(dòng)作狀態(tài)，電氣元件容易損壞。
（4）在抓取原煤后提升時(shí)，難以保證升降繩與開閉繩均勻受力，嚴(yán)重影響鋼絲繩的使用壽命。
二、改造方案
1、采用PLC進(jìn)行系統(tǒng)控制
將抓斗外圍電控設(shè)備輸入信號(hào)接入PLC的I/O模塊，同時(shí)根據(jù)抓斗實(shí)際工況對(duì)PLC進(jìn)行合理編程。控制原理圖如圖1所示。
（1）PLC具有閉鎖啟動(dòng)功能，司機(jī)在啟動(dòng)設(shè)備前必須把主令控制器全部切至零位和橋抓的進(jìn)出門的門限開關(guān)到位，才能接通主電源。操作主令開關(guān)上有狀態(tài)指示燈，通過指示燈的閃爍頻率來顯示各種故障狀態(tài)。
（2）抓斗提升和開閉操作有鋼絲繩高限位保護(hù)，大車、小車有行程開關(guān)保護(hù)，各個(gè)設(shè)備的保護(hù)動(dòng)作只影響設(shè)備本身的動(dòng)作。
（3）所有的變頻器的故障信號(hào)都接入PLC，大車的兩個(gè)變頻器中有一個(gè)有故障信號(hào)，大車就不能動(dòng)作。其它的變頻器出現(xiàn)故障只影響設(shè)備本身的動(dòng)作。
（4）抓斗提升與下降、閉合和開啟以及小車前行和后退、大車左行和右行有操作互鎖。
（5）大車、小車速度的檔位切換，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換。
（6）禁止司機(jī)利用打反車來對(duì)大車和小車進(jìn)行定位。
（7）實(shí)現(xiàn)提升繩和開閉繩的自動(dòng)追速功能。
2、電機(jī)的改造
用變頻器調(diào)速替代原有的串電阻調(diào)速方式,電機(jī)可改為鼠籠電機(jī),取消原有串電阻調(diào)速的外圍電路的時(shí)間繼電器與交流接觸器。大車的兩臺(tái)電機(jī)用11kW的鼠籠電機(jī)，小車的電機(jī)用3.7kW鼠籠電機(jī)，開閉和升降電機(jī)都用30kW的鼠籠電機(jī)。
3、變頻器的應(yīng)用
變頻器啟動(dòng)電機(jī)為軟啟動(dòng)，同時(shí)大車的兩臺(tái)行走電機(jī)可通過變頻器將兩臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)做電氣的聯(lián)鎖互動(dòng)，可將其在電氣控制上設(shè)計(jì)成主從控制,從而使大車運(yùn)行振動(dòng)減小，運(yùn)行平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，在開閉和升降的控制變頻器的程序里設(shè)置。當(dāng)變頻器的輸出力矩達(dá)到設(shè)定值時(shí)，機(jī)械抱閘方可打開。另外，在抓斗運(yùn)行的過程中，開閉變頻器或升降變頻器出現(xiàn)故障，機(jī)械抱閘會(huì)抱死，抓斗不會(huì)溜鉤；在橋抓的總電源停電時(shí)，機(jī)械抱閘也會(huì)抱死。
4、電氣制動(dòng)與能耗制動(dòng)相結(jié)合
液壓抱閘系統(tǒng)在改造時(shí)將與變頻器進(jìn)行電氣聯(lián)鎖。即只有變頻器有大轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)，液壓抱閘才能松開。當(dāng)變頻器沒有轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)，液壓抱閘合閘，鎖死機(jī)械裝置。所使用的變頻器在電機(jī)制動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電機(jī)處于再發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，變頻器就需能耗制動(dòng)耗散這部份能量。利用設(shè)置在直流回路中的能耗制動(dòng)組件吸收電機(jī)的再生電能的方式稱為能耗制動(dòng)。能耗制動(dòng)組件由制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元兩部分組成。通過設(shè)置制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元來進(jìn)行制動(dòng)控制，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的再生電能將通過和逆變管所并聯(lián)的二極管全波整流后反饋到中間直流電路，這一過程將產(chǎn)生泵升電壓，當(dāng)此電壓超過門限值，制動(dòng)單元就會(huì)被激活，把多余的電能通過制動(dòng)電阻快速得到釋放，保證了在短時(shí)間內(nèi)快速減速或停車。這里選用上海晶犀電器有限公司生產(chǎn)的RBC系列制動(dòng)電阻和QBU系列制動(dòng)單元，制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元按實(shí)際工控合理配置，既保證了電機(jī)短時(shí)間內(nèi)快速減速或停車，又保護(hù)了變頻器不受再生電能的危害，還保證了電源網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)運(yùn)行。
三、系統(tǒng)配置及選型
1、變頻器的選擇
（1）變頻器容量的選定
變頻器容量的選定一般要滿足表1所列的要求。
式中：PM —負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)軸輸出，kVA；
VN —額定輸出電壓V；
IN —額定輸出電流A；
η —電機(jī)效率（約0.85）；
k —電流波形補(bǔ)償系數(shù)（約1.05～1.1）；
cosφ—電機(jī)的功率因素。
選用的變頻器的容量要比電機(jī)的額定容量大一檔。
（2） 提升和開閉變頻器選用專門用于起重的變頻器
�。�3） 過載能力為額定電流的150%，持續(xù)60s
根據(jù)表1選用的ABB變頻器如表2所示：
2、PLC的選擇
（1）基于橋式抓斗工作環(huán)境粉塵多以及在運(yùn)行過程中振動(dòng)大，PLC的防護(hù)等級(jí)要高，一般達(dá)到IP67;
（2）有數(shù)字量輸入通道和模擬量輸入通道。模擬量輸入通道用于對(duì)電流信號(hào)的處理,選用西門子的LOGO230R。
3、制動(dòng)電阻容量的選擇
制動(dòng)電阻用于將電動(dòng)機(jī)的再生電能轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉。
（1）制動(dòng)電阻RB的阻值
一般情況下，RB的大小要使制動(dòng)電流不超過變頻器額定電流的一半為宜，即：
RB≥2UD/IN （1）
UD—變頻器的直流回路電壓V;
IN—變頻器的額定電流A;
（2）制動(dòng)電阻的功率PB
PB≥UD2/RB （2）
�。�3）制動(dòng)電阻的選取
根據(jù)式（1）和（2），選擇的制動(dòng)電阻如下所示：
每臺(tái)提升、開閉變頻器配置RBC-20KW-13.6Ω制動(dòng)電阻和QBU-4055制動(dòng)單元。
每臺(tái)大車變頻器配置RBX-10KW-16Ω制動(dòng)電阻和QBU-4045制動(dòng)單元。
小車變頻器配置RBG-780W-75Ω制動(dòng)電阻，制動(dòng)單元已經(jīng)內(nèi)置無需外加。
�。�4）制動(dòng)電機(jī)的阻值及其容量，也可以選擇廠家提供的變頻器制動(dòng)電阻的選型。關(guān)于變頻器制動(dòng)電阻的選型我們可以參考上海晶犀電器有限公司的制動(dòng)電阻選型表。該選型表對(duì)無過載、輕載、重載以及超重載的工況都做了詳細(xì)的制動(dòng)電阻選取，幾乎涵蓋了所有能碰到的工況，且該選型經(jīng)歷了眾多使用廠家的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，設(shè)備選型合理、安全可靠。參照該選型表你可以很直觀的選取你需要的產(chǎn)品，你也可以直接聯(lián)系上海晶犀電器有限公司本部為你提供解決方案。
四、PLC和變頻器組態(tài)時(shí)要考慮的問題
（1）橋抓司機(jī)在卸煤時(shí)，為了趕快完成任務(wù)，經(jīng)常利用打反車來對(duì)小車和大車實(shí)行定位，這種做法會(huì)縮短大、小車控制電機(jī)的壽命和加大傳動(dòng)機(jī)械的磨損。為了杜絕橋抓司機(jī)的這種做法，在PLC編程時(shí)，在大、小車的操作指令中加入0.2s的延時(shí)，這樣就可以使打反車不起作用。
（2）抓斗開閉、升降防溜鉤。利用變頻器本身具有的功能通過合理的設(shè)置使其達(dá)到抓斗開閉、升降防溜鉤的要求。通過設(shè)定變頻器的輸出力矩達(dá)到最大輸出力矩的20%時(shí)，機(jī)械抱閘才能打開。
（3）自動(dòng)追速功能。抓斗在抓取物料后提升時(shí)，往往只有開閉鋼絲繩受力，容易使其損壞，這是要求提升鋼絲繩在最快的時(shí)間里與開閉鋼絲繩一起受力。為達(dá)到這個(gè)要求，在PLC程序里設(shè)計(jì)一段小程序，其原理如圖2所示。
當(dāng)提升電機(jī)電流AI1小于開閉電機(jī)電流AI2的95%時(shí)，模擬量比較模塊就發(fā)出信號(hào)“1”，如果這時(shí)提升、閉合信號(hào)存在，PLC發(fā)出提升750r/min的信號(hào)到提升變頻器，而開閉變頻器得到的信號(hào)是700r/min，從而達(dá)到追速的作用。當(dāng)提升與開閉電機(jī)的出力平衡時(shí)，提升電機(jī)的轉(zhuǎn)速就切換回700r/min，與開閉電機(jī)的轉(zhuǎn)速一樣。
五、結(jié)束語
（1）由于用鼠籠電機(jī)取代了繞線電機(jī)，消除了電刷和滑環(huán)經(jīng)常出的故障。
（2）采用變頻調(diào)速后，電機(jī)可以在基本停住的情況下進(jìn)行抱閘，閘皮的磨損情況將大為改善。
（3）控制系統(tǒng)的故障率低。原控制系統(tǒng)是由復(fù)雜的接觸器、繼電器系統(tǒng)進(jìn)行控制，故障率高，采用PLC和變頻器調(diào)速系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化，可靠性大為提高。
（4）節(jié)能效果好。繞線電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的外接電阻消耗大量的電能，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，可以節(jié)約外接電阻消耗的大量電能。
（5）調(diào)速質(zhì)量明顯提高。采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，調(diào)速精度可達(dá)1%，且調(diào)速平穩(wěn)。
（6）電機(jī)的制動(dòng)能力明顯提高。采用了電氣制動(dòng)與能耗制動(dòng)相結(jié)合的制動(dòng)方式，既保證了電機(jī)短時(shí)間內(nèi)快速減速或停車，又保護(hù)了變頻器不受再生電能的危害，還保證了電源網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)運(yùn)行，制動(dòng)效果好。
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