橋式抓斗起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)

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摘要：改造水泥生料調(diào)配站設(shè)計(jì)中，多采用橋式抓斗起重機(jī)（簡(jiǎn)稱“橋抓”）把各種輔材抓到各自的小倉，“橋抓”中各電動(dòng)機(jī)使用凸輪操作控制接觸器及變阻器的方式，問題很多，大大影響了正常生產(chǎn)。筆者根據(jù)變頻器、PLC廣泛使用所表現(xiàn)出的優(yōu)良性能，并考察某廠小型橋式起重機(jī)改造的方法，對(duì)我公司5000t/d生產(chǎn)線生料調(diào)配站的16t大型橋式抓斗起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

關(guān)鍵詞：橋式；抓斗起重機(jī)；電氣；控制系統(tǒng) 1原控制方式存在的問題1.1“橋抓”的結(jié)構(gòu)組成“橋抓”結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：大車及行走機(jī)構(gòu)（15kW×2）、小車及行走機(jī)構(gòu)（7.5kW）、抓斗起升機(jī)構(gòu)(90kW)及抓斗開合機(jī)構(gòu)(90kW)。其中，大車及小車機(jī)構(gòu)屬于平移機(jī)構(gòu)，主要帶動(dòng)起升機(jī)構(gòu)及物料進(jìn)行平移行走，抓斗起升機(jī)構(gòu)主要是拖動(dòng)物料上下運(yùn)動(dòng)，而抓斗開合機(jī)構(gòu)主要作用是抓取及釋放物料。 1.2傳統(tǒng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)該“橋抓”電氣拖動(dòng)系統(tǒng)采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接電阻調(diào)速方式，是起重機(jī)械中最常見的調(diào)速方法。該方法在使用中存在以下問題：1）設(shè)備故障率高：因工作環(huán)境差，粉塵、腐蝕性氣體極易對(duì)電動(dòng)機(jī)滑環(huán)、碳刷及接觸器等造成不良影響，加之電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻繁，電流及機(jī)械沖擊大，因此日平均故障率可高達(dá)數(shù)次。2）控制線路復(fù)雜：電動(dòng)機(jī)調(diào)速級(jí)數(shù)越多，需要接入的接觸器與變阻器就越多，這使得控制線路十分龐大復(fù)雜，故障點(diǎn)多。3）功率損耗大：轉(zhuǎn)子回路串入電阻后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差變大，機(jī)械特性變“軟”，以熱能形式釋放的電動(dòng)機(jī)損耗功率增多。4）機(jī)械方面：由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻繁，電流及機(jī)械沖擊大，造成橋抓鋼絲繩經(jīng)常斷裂。主梁及導(dǎo)軌振幅增大，設(shè)備人員極其不安全。5）調(diào)速范圍窄：由于調(diào)速范圍小，從而造成速度穩(wěn)定性差，無法長(zhǎng)時(shí)間低速下放重物。 1.3實(shí)際生產(chǎn)中存在的問題生料調(diào)配站中的“橋抓”在運(yùn)行過程中負(fù)載的變化十分復(fù)雜，在拖動(dòng)過程中對(duì)轉(zhuǎn)矩要求高，特別要求調(diào)速系統(tǒng)在低速包括零速時(shí)應(yīng)能輸出較大轉(zhuǎn)矩（>150%額定力矩），動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能承受四象限力矩的變化。尤其是抓斗的卷揚(yáng)和開閉電動(dòng)機(jī)在使用過程中反復(fù)承受無數(shù)次的倒順轉(zhuǎn)操作，經(jīng)常受強(qiáng)電流、大力矩沖擊，對(duì)電動(dòng)機(jī)和機(jī)械部件損傷較為嚴(yán)重，故障率高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。由于我公司原電氣系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)橋式起重機(jī)的使用率只有30%左右，使用過程中由于元器件種類多、數(shù)量多、操作頻繁，使得電氣機(jī)械故障增加，有時(shí)一天維修多達(dá)20次，所以經(jīng)常存在由于輔材的斷料而導(dǎo)致停磨的事故，嚴(yán)重的還可能造成停窯。 2改造方案變頻器以其優(yōu)越的軟啟動(dòng)及調(diào)速平穩(wěn)性能與完善的保護(hù)功能，可為“橋抓”的傳動(dòng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供有利條件，因此采用PLC控制的變頻器控制方案對(duì)“橋抓”控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。 2.1控制系統(tǒng)功能要求本系統(tǒng)控制核心主要采用PLC來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制，主要功能如下：1）各個(gè)機(jī)構(gòu)的啟/?？刂萍岸喽嗡倏刂?。2）對(duì)抱閘及散熱風(fēng)機(jī)控制來保證各機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)更為合理的進(jìn)行工作。3）系統(tǒng)安全連鎖控制。①行車上各個(gè)進(jìn)出口的門以及操作室的門在打開狀態(tài)下，禁止操作；②各操作手柄未處于零位置時(shí)，上電禁止工作（即零位保護(hù)）；③主起和開合變頻器中任意一臺(tái)變頻器報(bào)故障時(shí)，兩臺(tái)變頻器均立即停止輸出，同時(shí)抱閘動(dòng)作；④任何時(shí)刻斷電，系統(tǒng)將立即停止，抱閘動(dòng)作。PLC故障時(shí)，各操作命令無效（PLC無輸出），這時(shí)，抱閘閉合，行車處于安全停止?fàn)顟B(tài)。緊急事故時(shí)，司機(jī)可按“急停”按鈕，切斷控制電源，使抱閘閉合。4）系統(tǒng)報(bào)警及限位保護(hù)。2010.No.4①當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或制動(dòng)單元出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，停止本機(jī)構(gòu)的一切動(dòng)作，且抱閘立即閉合，散熱風(fēng)機(jī)延時(shí)斷電；②各機(jī)構(gòu)操作至限位時(shí)，限位開關(guān)將保護(hù)動(dòng)作、變頻器停止輸出，以保證人身及設(shè)備安全。 2.2電控系統(tǒng)配置按“橋抓”的功能要求及機(jī)電設(shè)備的型號(hào)規(guī)格進(jìn)行電控系統(tǒng)的配置。該“橋抓”電控系統(tǒng)配置見表1。以抓斗起升電動(dòng)機(jī)為例，其控制原理見圖1。 2.3改造后的控制系統(tǒng)特性分析1）變頻系統(tǒng)與常規(guī)電氣控制方案相比,省去了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的大功率電阻、加速接觸器和電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)交流接觸器,降低維護(hù)量90%以上，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)壽命。2）采用多段速調(diào)速控制，操作方式與原有的一致。但變頻控制方式下的“橋抓”多段速調(diào)速控制更安全、精確和有效。3）變頻控制方式下，電氣制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合，制動(dòng)平穩(wěn)可靠。保護(hù)負(fù)載不受損傷，且減少了部件及結(jié)構(gòu)的磨損和機(jī)械應(yīng)力。采用矢量控制閉環(huán)方式，0Hz時(shí)起升電動(dòng)機(jī)也能以額定轉(zhuǎn)矩輸出，實(shí)現(xiàn)零速抱閘，可以全速受控，減少抱閘閉合時(shí)的振動(dòng)及抱閘磨損。4）加減速平滑，使振動(dòng)和沖擊變小，同時(shí)減小了負(fù)載的晃動(dòng)，提高了安全性能。無需采用機(jī)械變速裝置，利用變頻調(diào)速50Hz以上恒功率調(diào)速方式即可將空鉤及輕載工況的起升速度提高一倍，類似于直流電機(jī)的弱磁升速方式，可大大提高生產(chǎn)率。電控系統(tǒng)配置5）電動(dòng)機(jī)加減速時(shí)間可調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)、軟停止，速度變化平滑，運(yùn)行平穩(wěn)，低速性能穩(wěn)定，啟動(dòng)電流小。最大不超過電動(dòng)機(jī)額定電流的150%，頻繁啟動(dòng)和停止時(shí)，電動(dòng)機(jī)熱耗減小，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)壽命。對(duì)電網(wǎng)容量的影響也大大減少。抓斗起升電動(dòng)機(jī)控制原理序號(hào)名稱規(guī)格型號(hào)廠家數(shù)量備注1變頻器110kW施耐德2升降、開閉2變頻器37kW施耐德1一拖二（大車）3變頻器15kW施耐德1小車4制動(dòng)單元CDBR－4110B標(biāo)配25制動(dòng)單元CDBR－4045B標(biāo)配16制動(dòng)電阻25kW/6.3Ω標(biāo)配27制動(dòng)電阻9.6kW/16Ω標(biāo)配18制動(dòng)電阻3kW/40Ω標(biāo)配19 PLC S7-200 SIEMENS 1套10低壓電器配套及輔料ABB若干11系統(tǒng)集成柜內(nèi)裝配國標(biāo)若干12柜體1 600×1 000×600國標(biāo)213柜體1 600×800×600國標(biāo)114系統(tǒng)總價(jià)160000元系統(tǒng)配套1夏捷:橋式抓斗起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)改造-65-6）能滿足起升機(jī)構(gòu)對(duì)調(diào)速硬度、低頻轉(zhuǎn)矩特性及四象限運(yùn)行的要求;可以長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行;能有效的防止重載空中溜鉤現(xiàn)象。通過觀察儀可以觀察到其公認(rèn)的低速力矩特性：矢量控制從零速開始輸出150%高力矩運(yùn)行，可使起重機(jī)在低速下平穩(wěn)啟動(dòng)。在重負(fù)荷時(shí)，起重機(jī)也能在各檔速度下平滑運(yùn)行，在空中停止并重新啟動(dòng)上升或下降時(shí)無溜鉤現(xiàn)象。7）變頻器的“危險(xiǎn)速度段設(shè)置”可使電動(dòng)機(jī)避免在某一速度或某一速度范圍內(nèi)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)通過危險(xiǎn)速度范圍時(shí)按照加速或減速積分曲線進(jìn)行加速或減速。3改造后的使用效果1）啟動(dòng)平滑，對(duì)電網(wǎng)、電動(dòng)機(jī)及機(jī)械設(shè)備無沖擊力，充分保證了電氣、機(jī)械的安全運(yùn)行。2）加減速特性實(shí)現(xiàn)了斜坡特性，抓斗在上下左右的過程中來回?cái)[動(dòng)的現(xiàn)象減少，保證了人身及設(shè)備的安全。3）故障率大大減少，也不再出現(xiàn)啟動(dòng)、加減速過快過猛而造成的鋼絲繩斷裂、抓斗墜落以及大小車跑出軌道現(xiàn)象。4）節(jié)能降耗及經(jīng)濟(jì)效益明顯。設(shè)備故障率減少節(jié)省維修費(fèi)用；提高了設(shè)備的運(yùn)行率，保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。改造前后“橋抓”各電動(dòng)機(jī)的耗電數(shù)據(jù)見表2。表2改造前后的耗電數(shù)據(jù)對(duì)比A2007年5月改造后，經(jīng)統(tǒng)計(jì)可節(jié)省電費(fèi)約9 000元/月（有效運(yùn)行時(shí)間12h/d），電氣機(jī)械維護(hù)費(fèi)用可節(jié)省11000元/月，8個(gè)月可收回改造成本。提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，有效解決了因“橋抓”故障造成供料不足影響生產(chǎn)的瓶頸問題。 參考文獻(xiàn)： [1]張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.