基于歐姆龍CP1H的橋式抓斗天車控制系統(tǒng)

1 引言

　　中鋁青海公司炭素廠原料庫現(xiàn)有4臺上世紀(jì)80年代中期生產(chǎn)的橋式抓斗天車(沈陽冶金機(jī)械廠)，其承擔(dān)著我廠每年20多萬噸散裝物料的裝卸和轉(zhuǎn)運(yùn)等工作。抓斗天車是炭素原料石油焦和瀝青等散裝料裝卸、運(yùn)送的專用設(shè)備，這4臺天車電氣控制采用繼電器-接觸器控制，串電阻能耗多級調(diào)速，其控制水平低。另外，原料庫貯存著大量粉裝物料，其廠房內(nèi)碳粉塵多，環(huán)境惡劣，電器故障率高，嚴(yán)重影響著炭素原料輸送作業(yè)，且每年維修費(fèi)用很高。為解決這種被動局面，我們采用plc、變頻器等電氣產(chǎn)品對整車電氣系統(tǒng)進(jìn)行了改造。經(jīng)過2年實(shí)際應(yīng)用，其結(jié)果證明其改造效果十分成功，徹底解決了抓斗天車原來電器故障頻繁、器件易被燒的問題，天車控制技術(shù)得到大幅提高，天車工作效率提高25%以上(原來每班連續(xù)作業(yè)7小時才能完成的任務(wù)，現(xiàn)在只用5小時左右就能完成)；其次采用先進(jìn)的控制技術(shù)和驅(qū)動技術(shù)，使天車運(yùn)行更加節(jié)能，高效，安全，可靠。

2 系統(tǒng)設(shè)計與主要配置

　　2.1 電器控制柜

　　由于炭素原料庫內(nèi)炭粉塵多、環(huán)境較為惡劣，為更好的提高plc、變頻器等電器器件的工作穩(wěn)定性、延長使用壽命和降低其設(shè)備故障，其plc、 變頻器等電器器件均安裝在密閉的控制柜中。

　　2.2主控制器plc及 hmi的選型

　　由于目前電器產(chǎn)品十分繁雜，在天車改造方案確定后，通過項目論證中，技術(shù)人員普遍認(rèn)為選用歐姆龍產(chǎn)品比較理想，由于歐姆龍的電子產(chǎn)品已在我廠應(yīng)用十分廣泛，其質(zhì)量高、耐用，其產(chǎn)品貨源充足、中文資料豐富、備品備件方便，技術(shù)服務(wù)方便、國內(nèi)維修便利等特點(diǎn)。尤其是在炭素企業(yè)，其要求控制產(chǎn)品要有很高的抗躁性和耐用性。例如，像歐姆龍生產(chǎn)的plc——c200h、c40p已用了20余年，目前仍然正常工作，其日常維護(hù)工作很少，且工作十分穩(wěn)定。另外，歐姆龍的plc編程方式簡單、方便、一線維修人員十分熟悉、了解。此外，cp1h系列plc具有快速的處理器，執(zhí)行基本指令只需0.1μs；最大支持320點(diǎn)開關(guān)量；4入2出模擬量功能，分辯率為1/12000；標(biāo)準(zhǔn)搭載4軸高速計數(shù)器功能(單相100khz/相位50khz)和4軸100khz高速脈沖輸出；標(biāo)準(zhǔn)usb端口；串行通訊端口可自由選擇(rs-232c和rs-485)；支持hostlink、nt link、 compobus/s、 devicenet、 profibus-dp、controllerlink、ethernet、協(xié)議宏、modbus-rtu等多種通訊方式及串行plc連接功能；支持cpm和cj1系列plc的擴(kuò)展單元。其天車主控制plc選用cp1h—x40dt—d；擴(kuò)展模塊cpm1a—40edt。

　　nt20s是歐姆龍公司為小型控制系統(tǒng)設(shè)計的中型顯示器，是一個簡單實(shí)用的終端機(jī)。nt20s分辯率為256×128點(diǎn)，最大畫面數(shù)達(dá)500幅；nt20s有內(nèi)存、開關(guān)自檢，通信和其他條件狀態(tài)設(shè)定確認(rèn)，簡單通信確認(rèn)等維護(hù)功能；還擁有不反光熒幕，可以調(diào)換背光燈來延長使用時間；即使在惡劣環(huán)境下也能運(yùn)作。

　　2.3 變頻器選擇

　　抓斗天車一般工作在頻繁啟動、制動和重載狀態(tài)；同時，拖動控制變頻器首先要滿足生產(chǎn)工藝條件為前提，又要耐用、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能。通過對我廠實(shí)際使用的多種變頻器性價分析，結(jié)合本系統(tǒng)控制功能的要求，選擇ctv28系列(施耐德生產(chǎn))的變頻器較為適宜，此系列變頻器價低質(zhì)優(yōu)、抗燥耐用，易實(shí)現(xiàn)模擬量控制等特點(diǎn)，也適合炭素惡劣環(huán)境使用。其改造費(fèi)用低。其天車改造配用的變頻器參數(shù)如下：

　　(1) 大車變頻器選用ctv-28hd41 n4 30kw 20hp 62a 380v50hz 1臺。

　　(2)小車變頻器選用ctv-28hd12 n4 7.5kw 10hp 17a 380v 50hz 1臺。

　　(3)提升變頻器選用ctv-28hd41 n4 30kw 20hp 62a 380v 50hz 1臺。

　　(4)閉合變頻器選用ctv-28hd38 n4 28kw 20hp 54a 380v 50hz 1臺。

　　2.4 保留繞線電機(jī)

　　為充分利用原有設(shè)備的電器備件，降低改造費(fèi)用，并考慮設(shè)備的實(shí)際拖動要求，原來采用的繞線式異步電機(jī)技術(shù)性能完全滿足變頻調(diào)速改造要求。另外，繞線式異步電機(jī)具有啟動電流平穩(wěn)、沖擊小、調(diào)速穩(wěn)定、動態(tài)性好等特點(diǎn)。在抓斗天車變頻改造中，我們繼續(xù)使用了原本的舊電機(jī)，由于原料庫為室內(nèi)工作場地，其環(huán)境溫度通常較低(夏季最高不超過怕19℃)；又天車工作流動性大、非連續(xù)方式，故其普通繞線式電機(jī)采用變頻控制后，不會出現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象。其電機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：

(1) 大車電機(jī)：
yzr—160l-6 11kw 2臺；
(2) 小車電機(jī)：
yzr—132m2- 6 5.5kw 1臺；
(3) 提升電機(jī)：
yzr—250m1- 6 22kw 1臺；
(4) 閉合電機(jī)：
yzr—250m1- 6 22kw 1臺。

　　2.5 其它電器產(chǎn)品選型

　　根據(jù)多年的實(shí)際維修統(tǒng)計，歐姆龍生產(chǎn)的各類開關(guān)(如感應(yīng)式、光電式、超聲波式等系列)，其十分耐用(有的連續(xù)使用20多年后，還仍然工作穩(wěn)定、準(zhǔn)確；過去采購的備件，目前庫存很多)。因此，一線技術(shù)人員普遍極為信任歐姆龍電器產(chǎn)品的質(zhì)量，建議抓斗天車改造電器件選用歐姆龍產(chǎn)品較為適合、經(jīng)濟(jì)。如e3z——d8(24dcv，omron)接近限位開關(guān)十分適合移動設(shè)備和惡劣環(huán)境條件下工作的天車類設(shè)備使用，其動作距離最大可達(dá)到32cm、動作靈敏、準(zhǔn)確，工作電壓低，質(zhì)量高，抗躁。如我廠陽極組裝托盤反轉(zhuǎn)機(jī)、澆鑄機(jī)、懸鏈輸送機(jī)、普通天車等設(shè)備均使用這類限位開關(guān)，其通常工作于長期連續(xù)通電狀態(tài)，近20多年來，除了幾次認(rèn)為機(jī)械撞壞外，很少發(fā)生燒壞、動作失效、新能老化等異?，F(xiàn)象。

　　天車大、小車駕駛操作器選用沈陽一家電器公司生產(chǎn)的天車專用模擬控制方式的聯(lián)動控制臺，其具有模擬信號輸出和常規(guī)換向輸出功能，其模擬量信號變化能與操作手柄轉(zhuǎn)動的角度大小正比例輸出，與老式的凸輪控制器操作反腐蝕十分相似。

3 項目實(shí)現(xiàn)

　　3.1 原理設(shè)計

　　經(jīng)過綜合分析與調(diào)查，決定對原料庫4臺抓斗天車實(shí)施plc和變頻調(diào)速技術(shù)改造。采用模擬信號聯(lián)動控制臺實(shí)現(xiàn)大、小車無級調(diào)速；提升采用5級調(diào)速；閉合采用2級調(diào)速的控制策略；大小車行走、提升、倉門、平臺口安全防護(hù)等保護(hù)裝置，均采用非接觸感應(yīng)式開關(guān)或光電式行程開關(guān)；天車安全防護(hù)、邏輯聯(lián)鎖等措施均采用plc程序?qū)崿F(xiàn)；天車運(yùn)行、狀態(tài)等相關(guān)信息進(jìn)行在線顯示、記錄和存貯等功能。

　　系統(tǒng)上電后，在無故障反饋情況下，司機(jī)室駕駛員通過操作控制臺給出運(yùn)行指令，plc按照一定的指令邏輯關(guān)系，控制變頻器以一定的速度工作；天車運(yùn)行全程故障監(jiān)視，輕故障聲光提示，重故障緊急停機(jī)。運(yùn)行數(shù)據(jù)及歷史記錄通過rs485串行通訊接口傳送到觸摸屏用于監(jiān)視，以便于駕駛員對運(yùn)行狀況能準(zhǔn)確的把握，同時也便于工作人員維護(hù)。

　　橋式抓斗天車總系統(tǒng)控制原理如圖1所示；天車plc部分控制接線原理如圖2～圖4所示；大小車變頻控制接線原理如圖5所示；提升、閉合變頻控制接線原理如圖6所示。

圖1 抓斗天車配置與控制系統(tǒng)原理圖

圖2 plc與大、小車操作控制臺接線圖

圖3 plc與提升、閉合操作控制臺接線圖

圖4 plc與天車保護(hù)裝置接線圖

圖5 大車、小車變頻調(diào)速系統(tǒng)接線圖

圖6 抓斗提升、閉合變頻調(diào)速系統(tǒng)接線圖

　　3.2 項目評估

　　改造完成后，通過2年的實(shí)踐運(yùn)行結(jié)果證明，其系統(tǒng)控制和變頻調(diào)速效果十分理想，達(dá)到了改造目的。其效果和特點(diǎn)如下：

　　(1)電氣控制采用plc控制技術(shù)，使硬件結(jié)構(gòu)接線簡單，簡化控制設(shè)備、聯(lián)鎖可靠、便于維修、方便調(diào)試、降低故障，以提高天車的作業(yè)效率。該系統(tǒng)保護(hù)功能及檔位邏輯控制由plc來精確實(shí)現(xiàn)，提高了整套系統(tǒng)的準(zhǔn)確檔次，實(shí)現(xiàn)了可靠性高、保護(hù)措施全面、控制靈敏等電氣控制系統(tǒng)要求的特點(diǎn)。

　　(2)實(shí)現(xiàn)了抓斗天車的微動和超低速運(yùn)行，使大、小車定位更準(zhǔn)確，方便駕駛?cè)藛T的操作，天車工作效率得到顯著提高。其次，提高了天車的控制技術(shù)性能，大幅減少了天車配線，解決了天車頻繁發(fā)生故障問題，維修成本大幅降低。

　　(3)采用變頻調(diào)速技術(shù)對大、小車的行走速度，使得調(diào)速平滑、定位準(zhǔn)確、接線簡單、調(diào)速性能可靠；超低速控制調(diào)速的設(shè)計，使天車真正實(shí)現(xiàn)了微動控制功能，對實(shí)現(xiàn)天車抓料、卸料和運(yùn)料等作業(yè)十分有利。

　　(4)變頻控制電機(jī)的起動、調(diào)速、換向和制動功能，使天車控制、運(yùn)行更加平穩(wěn)、安全、可靠。解決了過去大車、小車滑行距離長、抓料過程中頻繁撞壞料倉的問題。

　　(5)所有電器控制柜均采用密封性良好的密閉柜，解決了原料庫惡劣環(huán)境、高粉塵對電器元?dú)饧挠绊?。天車電器方面故障降?—4次/臺·月(改造前平均為28—36次/臺月)。

　　(6)完善變的頻器保護(hù)功能。如過熱、過載、過流、過壓、缺相、接地等，從而避免設(shè)備在不正常狀態(tài)下天車長時間運(yùn)行，使拖動電機(jī)得到及時保護(hù)。

　　(7) 故障、異常信息可準(zhǔn)確、迅速地指示在顯示器上，極大地方便了操作、維修人員及時了解和排除故障。

　　(8)經(jīng)濟(jì)效益顯著。每臺天車改造費(fèi)用為32萬元，改造前由于天車電器故障高，備件損壞率高，每年維修備件消耗費(fèi)用(包括維護(hù)材料費(fèi)用)一般在12～14萬元/臺；改造后年均維修費(fèi)用降為2.5～2.8萬元/臺。單臺天車改造投資可在3年內(nèi)收回。

4 結(jié)束語

　　用用plc、變頻器等器件對我廠炭素原料庫4臺抓斗天車電氣控制系統(tǒng)改造后，天車設(shè)備控制水平顯著提高，大車拖動系統(tǒng)改進(jìn)后，實(shí)現(xiàn)了大車啟動平穩(wěn)、制動準(zhǔn)確、可靠，解決了原來抱閘機(jī)械制動不平衡，出現(xiàn)的大車扭動現(xiàn)象。主大、小車拖動系統(tǒng)改進(jìn)后，實(shí)現(xiàn)了超低速控制的要求，提高了橋式抓斗天車抓料作業(yè)準(zhǔn)確性效率。plc技術(shù)的成功應(yīng)用，使操作控制方便，保護(hù)功能完善，互鎖功能可靠和方便天車維修工作；歐姆龍plc、變頻器等電子產(chǎn)品的完美結(jié)合與應(yīng)用，充分證明了其自動化產(chǎn)品高質(zhì)量、高性能。