貴冶85t包子吊電氣控制系統(tǒng)改造可行性分析

胡 濤

（江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

貴冶熔煉車間科尼85t包子吊為科尼公司2006年生產(chǎn)，經(jīng)過長時間的使用，機上電控元件及控制線路已漸趨老化，隨著使用年限的增加，電氣元件性能下降，可靠性也有所降低，電氣系統(tǒng)故障日益頻繁使得工人的維修量及日常維修費用逐漸增加，且部分電氣元件已經(jīng)停止生產(chǎn)，科尼變頻器配件采購困難、費用高昂，西門子400PLC面臨淘汰，產(chǎn)品升級空間不足。電氣房柜內(nèi)線纜凌亂，線號已經(jīng)模糊不清，查線維修非常困難。變頻器柜內(nèi)安裝板松散，在機器運行中晃動強烈。綜合全機工況及該機生產(chǎn)使用情況，建議將現(xiàn)有的電氣控制系統(tǒng)整理更新，為盡量縮短現(xiàn)場工期，考慮控制柜整體更換。驅(qū)動系統(tǒng)采用港迪公司HF500起重專用變頻器，控制系統(tǒng)采用西門子最新型S7-1500系列PLC，主機外部結(jié)構(gòu)不變，外部驅(qū)動部件與檢測元件全部保留利舊。

2 改造總體思路

新控制系統(tǒng)保持科尼行車控制理念不變，電控設(shè)計為四大機構(gòu)冗余系統(tǒng)。主起升機構(gòu)為雙變頻器驅(qū)動雙電機，正常工作為兩臺主起升電機同步工作，當出現(xiàn)故障時，可由任意一臺變頻器驅(qū)動任意一臺電機運行（單臺變頻器帶單臺電機運行時，主起升機構(gòu)降速運行）。副起升電機與主起升電機同步工作。小車機構(gòu)為兩臺變頻器驅(qū)動4臺電機，采取一拖二的控制方式。正常工作情況，四臺小車電機同步工作，當出現(xiàn)故障時，可由任意一臺變頻器驅(qū)動任意一組電機運行（單臺變頻器帶一組電機運行時，降速運行）。大車增加港迪變頻器后，大車也為冗余系統(tǒng)，采用一拖四的控制方式。任何一臺變頻器均可驅(qū)動大車運行。

2.1 整機傳動系統(tǒng)

整機傳動系統(tǒng)［1］由港迪HF500傳動系統(tǒng)替換原科尼變頻器，設(shè)計選型和提供整套新驅(qū)動單元系統(tǒng)，并安裝成柜，包括硬件和軟件。

（1）拆除電氣房內(nèi)所有控制柜，包括：主起升1/小車1柜、主起升2/小車2柜、副起升柜、大車柜、開關(guān)柜、接線柜、電源柜、PLC柜。原柜內(nèi)的超負荷儀表保留。電氣房空調(diào)系統(tǒng)保留。2018年改造的大車柜（原電磁鐵）保留。

（2）安裝重新制作的電控柜，因為外部電纜利舊，新電控柜按照原成柜方案，包括：主起升1/小車1柜、主起升2/小車2柜、副起升柜、大車柜、開關(guān)柜、接線柜、電源柜、PLC柜。

（3）重新接線，接線檢查可靠，線號應與原理圖線號一致。外部電纜標注原電纜的線號，方便現(xiàn)場查線接線。柜間電纜更新。

（4）變頻器參數(shù)設(shè)置(加減速設(shè)定與原設(shè)定一致)，進行空載、重載運行測試。

（5）更換司機室內(nèi)的聯(lián)動臺，主令控制器采用S+B公司帶編碼器手柄實現(xiàn)各機構(gòu)無極調(diào)速，在司機室設(shè)置PLC遠程分站箱，安裝新故障監(jiān)控系統(tǒng)（觸摸屏，電氣房及司機室各一臺）。

（6）更換各機構(gòu)制動電阻。電阻電纜利舊。

（7）取消原電磁系統(tǒng)及手電門操作方式，新系統(tǒng)無電磁系統(tǒng)及手電門。

（8） 其他的外部元件、儀器儀表、外部電纜保留。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

整機PLC控制系統(tǒng)由港迪公司負責設(shè)計選型、提供整套新PLC系統(tǒng)，包括硬件、軟件和整機控制程序的編寫調(diào)試。

（1）整機PLC系統(tǒng)模塊的更換：

①電氣房主PLC模塊及本地IO模塊組，IO模塊底板留有2個擴展冗余槽，司機室配置有PLC遠程站；

②完整可靠的PLC系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)，包括PLC與本地IO模塊的通訊，PLC與遠程站的通訊，PLC與傳動驅(qū)動器的通訊。

（2）提供完整的PLC控制系統(tǒng)的配置圖。

（3）各控制線、通訊線接線可靠。

（4）完成最后的PLC系統(tǒng)自身系統(tǒng)的調(diào)試、整機控制程序的調(diào)試。

（5）增加中文故障監(jiān)控系統(tǒng)。

司機室布置圖如圖1，電氣房布置圖如圖2。

圖1 司機室布置圖

圖2 電氣房布置圖

3 改造電氣控制系統(tǒng)技術(shù)說明

變頻器選用港迪公司HF500起重專用變頻器［2］，PLC選用西門子公司S7-1500系列產(chǎn)品，變頻器與PLC之間采用profibus-DP總線通訊方式，主要低壓元器件采用施耐德電氣公司產(chǎn)品，系統(tǒng)配備了全中文故障監(jiān)控系統(tǒng)。

港迪公司HF500起重專用變頻器，速度、轉(zhuǎn)矩控制性能良好，技術(shù)比較先進。整機采用PLC控制，不僅降低了故障發(fā)生率，還提高了運行穩(wěn)定性。通過工控機中的故障監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控其運行情況，可以對發(fā)生的故障詳細記錄，幫助點檢及維修人員快速發(fā)現(xiàn)故障并修復。

詳細說明如下：

（1）供電電源為AC380V,50Hz三相四線制,由行車滑線受電器引入，通過電力電纜接入電源控制柜，再經(jīng)柜內(nèi)總斷路器、總隔離開關(guān)、總接觸器至各運行機構(gòu)。

（2）主要設(shè)備電源見表1。

表1 關(guān)鍵參數(shù)技術(shù)指標

（3）主要設(shè)備功率見表2。

表2 各機構(gòu)設(shè)備功率及數(shù)量

總斷路器設(shè)置在電源屏中,具有過壓, 過流,欠壓等各種保護功能。工作電源是從斷路器下端至接觸器出線端引出, 接至每個控制變頻器電源, 向控制變頻器主回路供電。操作盤柜上設(shè)有急停按鈕，在遇到緊急情況下用來切斷工作電源。

變頻器控制及信號電源為交流220V, 單獨設(shè)置了單相隔離變壓器。同時給各控制回路，PLC電源、超負載限制器等提供電源［3］。

（4）主起升機構(gòu)。

主起升［4］為2臺相同的55kW變頻電機，單電機電流約為110A。兩臺主起升機構(gòu)各選用一臺港迪公司HF500-090-04 （重過載工況電流160A,功率75kW）變頻器驅(qū)動。變頻器上分別帶有通訊接口和軸編碼器接口模塊。它采用了閉環(huán)矢量控制模式。該系統(tǒng)具有良好的調(diào)速硬度及低頻轉(zhuǎn)矩特性。在工頻50Hz以下可以保持恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速模式。起升機構(gòu)閉環(huán)控制的速度反饋采用增量式脈沖編碼器，該編碼器安裝在驅(qū)動電機的尾部。PLC與變頻器直接通訊方式采用profibus-DP通訊，PLC可以實時讀取變頻器的數(shù)據(jù)，并通訊輸入給PLC的主令控制器信號控制變頻器的頻率、電動機的轉(zhuǎn)速狀態(tài)［5］。

該系統(tǒng)同時支持機械和電氣兩種制動。一般在停機時采用電氣制動方式，它可以提供可控制、平滑的制動性能。而電氣制動方式分別有兩種：正常斜坡電氣制動、快速電氣制動。在電機降到零速之后先采用電氣制動，后立即施加機械制動。起升機構(gòu)配置一般都配有液壓制動器，在起升卷筒一側(cè)也配置有安全制動器［6］。

每個主起升機構(gòu)都裝有上升及下降的減速、終點、極限6個保護限位，起升卷筒上裝有4個防跳槽限位。在起升卷筒的尾部還裝有測試編碼器用于失速保護［7］。

行車控制電氣保護分別有有過電流保護、短路、過負載保護、 欠壓及零位保護。當變頻器出現(xiàn)故障信號時, 必須通過操作臺上的故障復位按鈕進行復位。

超負荷保護：當行車吊鉤吊重量達95% 額定負荷時，會發(fā)聲光預警信號，當達到105%額定負荷時，開關(guān)信號動作，作起升機構(gòu)聯(lián)鎖，斷開上升工作，只能下放冰銅包子，同時發(fā)出報警信號［8］。

（5）小車運行機構(gòu)。

小車為4臺15 kW變頻電機，單臺電機電流約為31A。選用兩臺港迪公司HF500-045-04 (重過載工況電流79A,功率37kW）分別驅(qū)動兩臺小車電機。小車機構(gòu)采用閉環(huán)控制，不僅可以提高控制精度，而且有足夠的調(diào)速硬度、低頻轉(zhuǎn)矩特性。系統(tǒng)通過控制器信號輸入至PLC、再控制變頻器的輸出頻率及驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速［8］。

小車運行機構(gòu)設(shè)有減速限位和終點限位，作為小車前進和后退的保護開關(guān)。小車運行的電氣保護分別有過電流保護、短路、過負載保護, 欠壓等保護［9］；當變頻器出現(xiàn)故障信號時, 必須通過操作臺上的故障復位按鈕進行復位。

（6）大車運行機構(gòu)。

大車為4臺30 kW變頻電機，單臺電機電流約為62A。選用一臺港迪公司HF500-160-04 (重過載工況電流270A,功率132kW）驅(qū)動4臺大車電機，另2018年更換的港迪公司的另一臺變頻器做為冗余設(shè)計，大車機構(gòu)也是選用閉環(huán)控制模式［10］。在大車行進方向上，分別設(shè)置向左、向右大車預減速限位、終點限位，并在兩輛行車大車之間和大車與庫房大車軌道終點之間相距設(shè)置有防撞限位。

（7）聯(lián)動臺。

聯(lián)動臺置于司機室內(nèi)，用來控制整個起重機的各種運行狀態(tài)。整個聯(lián)動臺布置保留原先操作習慣，增加改造后必要的指示燈按鈕。

右聯(lián)動臺安裝主、副起升機構(gòu)主令控制器，并設(shè)有緊急停止開關(guān)、運行機構(gòu)動力電源啟動按鈕開關(guān)和停止按鈕開關(guān)、主起升選擇開關(guān)、防搖開關(guān)、照明開關(guān)。聯(lián)動臺對應開關(guān)、按鈕設(shè)有金屬文字標簽牌，正確指示其功能。

（8）照明、維修系統(tǒng)。

本機照明及維修系統(tǒng)利舊。投光燈操作設(shè)置在聯(lián)動臺上。在司機室、主梁上等處設(shè)置維修插座AC250V、16A，AC250V、10A等多種規(guī)格。

（9）PLC系統(tǒng)。

85t行車控制系統(tǒng)選用了西門子S7-1500系列，具有模塊化結(jié)構(gòu)，及時發(fā)送和接收I/O數(shù)據(jù)。表 3 85t行車控制系統(tǒng)PLC模塊型號明細

項目 PLC模塊 模塊型號 數(shù)量1 CPU 6ES75131AL020AB0 1 2 通訊模塊 6GK75425FX000XE0 1 3 數(shù)字量輸入模塊 6ES75211BH100AA0 4 4 數(shù)字量輸出模塊 6ES75225HH000AB0 3

（10）故障監(jiān)控系統(tǒng)。

故障監(jiān)控系統(tǒng)由PLC、觸摸屏組成工控機，可以實現(xiàn)信息共享及數(shù)據(jù)傳輸。采用用實時顯示故障的位置、信息及一般處理的辦法。它可以用于監(jiān)控各變頻器及驅(qū)動電機運行、停止的狀態(tài),變頻器運行參數(shù)，比如轉(zhuǎn)速、電流等。工控機故障觸摸屏分別裝在電氣控制室PLC柜門上及司機室聯(lián)動臺，方便點檢及操作人員及時的查看85t行車的狀態(tài)及故障報警信息。

4 可行性結(jié)論

本次改造方案主要是著重考慮冶金起重設(shè)備運行的穩(wěn)定性、安全性以及便捷性，在85t行車操作方面跟以前相比將更加簡潔、方便，在控制精度也更加精準。既可以使85t行車發(fā)揮最大的效能，也可以有效提升85t包子吊起重設(shè)備性能，降低設(shè)備故障率，降低維護成本，滿足工藝生產(chǎn)要求。