姑山礦抓斗自動標準化控制降低設備損壞率研究

曹 軍 梁朝杰 劉 杰 范亮亮

（安徽馬鋼礦業資源集團姑山礦業有限公司）

近年來，隨著我國社會經濟及工業科技的迅速發展，工業自動化技術已成為現代工業生產的重要手段，不僅提高了生產效率，還降低了工人勞動強度，解決了現階段自動化、無人化的一大難題。基于此，針對抓斗自動標準化控制及設備損壞率過高的問題進行研究，以加強自動化技術與工業生產的迅速融合。

最早開始全自動抓斗系統的測試和實施的是歐洲的鋼鐵企業，后來韓國浦項也開始研發和實施。2002年第1臺無人值守抓斗研發成功并在浦項制鐵投產，后經升級改造，浦項ICT與Satec在浦項制鐵的浦項和光陽2個生產公司共226臺抓斗實施了自動化，基本覆蓋了浦項制鐵的全部工廠。在國內，2007年抓斗自動化系統在寶鋼的產品庫區和中間庫區首次投入使用，寶鋼1 730 mm冷軋投入5臺無人抓斗，寶鋼運輸部投入4臺無人抓斗，隨后在武鋼、太鋼、唐鋼等鋼鐵企業也投入了無人抓斗系統。

散料抓斗無人化控制系統包括點云數據的采集與處理模塊、任務自動生成模塊、抓斗任務協同調度等相關模塊。結合無線數傳、位置檢測、三維成像、負載防浪擺、安全保護等技術，實現抓斗的自動控制、散料的自動堆取以及料場的數字化管理。在降低人員安全風險以及生產成本的基礎上，提高了料場作業效率，實現了庫區的智能化管理，大大降低了設備的損壞率及生產成本。

1 手動操作抓斗損壞原因

對馬鋼姑山礦的2臺QZ10t型及2臺QZ20t型橋式抓斗起重機的故障率進行了統計研究。根據研究結果，對損壞率較高的電動機損壞與鋼絲繩損壞的原因進行了分析，并就這些原因進行分析，提出了具體的解決方案。

1.1 電機損壞原因分析

（1）電機頻繁啟動，負荷增高。抓斗在長度分別為72 m及126 m的2個庫區的生產過程中，電機頻繁的啟停，在很短的時間內啟動次數過多將造成電機發熱，熱量積累過多、過快，來不及散發。頻繁的啟動會導致凸輪開關觸頭損壞，有時也會發生一相觸頭燒斷的情況，造成電機單相運行而燒壞電機。抓斗每天需要進行大量的搬運工作，由于繞線式電機的調速是通過電氣驅動系統中的主要控制元件交流接觸器并通過繼電器來接入的，容易燒壞觸頭及線圈。異步電機的轉速可用下式表示為

式中，n為異步電動機的轉速，r/min；f為定子的電源頻率，Hz；s為電動機的轉速滑差率；p為電機的極對數。由公式可知，改變電機速度有改變極對數調速、改變轉差率調速、變頻調速3種方法。在以上3種方法中，目前多應用于起重機調速的方法為改變轉差率調速，這種調速方式可通過轉子串電阻、定子調壓調速等實現，其中轉子串電阻調速方式在起重機的應用上更為常見。轉子串電阻調速方式是通過繞線電機轉子部分串金屬電阻來消耗能量的，以串聯不同阻值的電阻其消耗的能量也不相同的原理來達到調速的效果；但這種方法在低速區時穩定性不能滿足現場的生產條件，在重載下降的過程中，非常容易出現溜鉤的現象，這就需要第三方的制動來保證下降時進行拖拽避免重載時溜鉤。這種第三方的制動方式常有能耗制動，渦流制動等。由于抓斗重載采取了第三方的制動方式，導致電機的沖擊會比較大，在單相制動過程中對電機注入了直流電流和不平衡電流，抓斗在頻繁使用時這些因素會使電機溫度過高，長時間處于高溫的環境中將影響電機的絕緣壽命，并加速電機老化。由于制動的沖擊力使振動加劇，在電機的機械平穩方面，加速了機械疲勞過程，從而導致電機的故障率較高。

（2）司機操作方法不當。在生產過程中，抓斗的擋位一般設置為4個檔次，司機為了加快生產節奏，會將各機構的零位直接打至最高位。這種不當的操作方式，增加了電機的啟動電流，導致電機定子發熱快，且很容易燒損凸輪控制器的主觸頭。

（3）工作環境惡劣。由于庫區料種皆為粉塵狀，生產過程中廠區內的粉塵較大，轉子回路串接的銅電阻常常因為灰塵而燒壞。在抓斗工作的過程中，由于抓斗軌道不平，抓斗運行速度比較大的情況下，設備震動導致轉子回路串接的銅電阻斷裂，因而設備故障率較高。

1.2 鋼絲繩損壞原因分析

鋼絲繩是起重機上應用最廣泛的繞性物件，它把電動機的旋轉運動轉換為吊勾的升降運動，在該過程中承擔全部的起升載荷。鋼絲繩具有卷繞性好、承載能力大的優點，作用于起重機中的起升以及開閉機構中，對于重載過程中沖擊載荷的承受能力較強，卷繞于滾筒過程中平穩、無噪音。在抓斗的使用過程中，鋼絲繩作為消耗品，損耗頻率過高的原因:①抓斗工在操作過程中操作不規范造成磨損；②開閉和起升的鋼絲繩在抓斗起升或下降時不同步，從而導致鋼絲繩受力不均造成磨損。

（1）人工操作不規范造成鋼絲繩磨損。在新操作工操作階段，由于新人對抓斗操作不熟練，造成鋼絲繩損耗較大。因為料區不是平鋪而是有斜坡的，新抓斗工在抓取料種時，抓斗會傾斜抓料。因此在操作時，由于繩子下放的長度不適合，會讓抓斗與繩子碰撞，在外力下的碰撞運動會使鋼絲繩的局部表面結構發生外力磨損，這種具有變形性的局部磨損因為鋼絲局部被外力擠壓而容易發生局部變形。其中，螺紋鋼絲的局部橫斷面磨損是從擠壓點中心處向兩旁局部延伸顯露出來的翅形。雖然從鋼絲繩的整體外觀來看，鋼絲繩的橫斷面變化不大，但是當鋼絲繩在局部被外力擠壓時，其表面材料已經完全硬化，極易導致鋼筋斷裂或抓斗邊緣磨損，故而增加鋼絲繩的損壞率。

（2）鋼絲繩不同步造成磨損。在抓斗升降時會出現起升的繩子與開閉的繩子升降速度不同的現象，這時抓斗的所有質量都由開閉的繩子或起升的繩子承擔。通常來說，鋼絲繩是將轉動卷筒或轉動滑輪時全部的運動負載直接壓在了整個鋼絲繩的一側，各個細鋼絲的固定長度和運動曲率半徑不可能達到完全相同。同時，由于鋼絲繩彎曲，鋼絲繩內部的各個細小的鋼絲很可能相互間同時產生一種摩擦力且相互作用，此時就會產生摩擦從而發生滑移，處于鋼絲繩股與股之間的相互接觸應力也隨之增大，使得處于相鄰股與股間的各個細鋼絲繩同時產生一種類似局部性的摩擦和深凹。當其在反復的應力循環下進行拉伸彎曲時，在較淺的螺紋凹處會因為拉伸產生的內部應力集中而被應力打到導致折斷，造成內部的嚴重磨損。原來由起升繩和開閉繩共同承擔的負荷只在一側承擔，故而會增大鋼絲繩的內部磨損，導致鋼絲繩使用壽命減少，從而增加鋼絲繩的損壞。

2 抓斗自動標準化控制

針對手動操作抓斗故障率較高的情況，姑山礦業有限公司對4臺抓斗進行改造升級，擬將原普通電機改為變頻電機，并將PLC控制應用到抓斗控制系統中。改造后主要功能包括變頻器控制電機的啟停、正反轉，精確控制抱閘，對主卷變頻器速度控制與轉矩控制方式進行切換控制（實現2種方式控制），實現系統的安全連鎖功能。

2.1 無人化智能抓斗應用系統的組成

無人化抓斗應用系統主要由PLC控制系統、火車識別控制系統、無人控制抓斗系統、安全防護系統、庫區監控系統以及HMI人機交互界面組成。PLC控制系統負責控制抓斗各個機構的指令動作，火車識別系統負責識別火車的車皮信息并用于料種裝車質量計算，過程控制計算機系統負責發送作業指令給抓斗，安全防護系統主要用于庫區內工作生產的安全保障，庫區監控系統用于監控庫區內所有抓斗生產的工作狀態，HMI人機交互界面用于抓斗狀態監控以及作業任務的下發，該系統由以太網通訊串接。姑山礦業有限公司工業網絡見圖1。

2.1.1 PLC控制系統

PLC控制系統［1］可編程邏輯控制器是20世紀60年代美國推出的，它取代了傳統的繼電器控制方式，是專為工業生產設計的一種數字運算操作的電子裝置。采用可編程的存儲器，以存儲執行邏輯運算，順序控制，定時，計數與運算等面向用戶的指令，它以數字或模擬式輸入、輸出2種輸入、輸出方式控制各種類型的機械或生產過程。用戶通過編制的控制程序表達生產的工藝。姑山礦業有限公司抓斗控制系統主要由中控PLC以及庫區抓斗PLC控制系統組成，其控制系統見圖2。

PLC控制系統分為中控PLC以及庫區抓斗本體PLC。中控PLC采用CPU1516系列，其具有高水平的系統性能，能夠快速處理信號，極大地縮短響應時間。為加強控制能力，原件采用設計有高速背板總線且具有高波特率和高效傳輸協議的S7-1516西門子PLC，其點到點反應時間不到500 us，位指令的運算時間最快可在10 ns之內（因CPU而異）。中控PLC系統主要用于L2指令接受以及中控操作臺信號控制，且中控PLC分北庫PLC遠程IO子站與南庫PLC遠程IO子站，這2個子站的功能是將南庫及北庫的無人化信號接收到中控PLC。中控PLC還作為安全PLC，主管整個系統的安全庫區控制，作為安全PLC，SIMATIC S7-1516西門子PLC集成了故障安全功能。為實現故障安全自動化，用戶配置了F型（故障安全型）控制器，對標準和故障安全程序使用同樣的工程設計和操作理念。用戶在定義、修改安全參數的時候可借助安全管理編輯器，為無人化系統安全控制增加了保障。

庫區抓斗本體PLC采用的是CPU1511系列，庫區內共有4臺抓斗，每臺抓斗都配有1臺PLC。該PLC的主要功能是對抓斗的各個機構進行控制與信號檢測。每臺抓斗都設有1個子站，子站設置在駕駛室內，方便操作人員利用駕駛室手柄控制抓斗運行。

2.1.2 火車識別控制系統

隨著經濟及物流行業的飛速發展，鐵路貨運的應用也隨之日益廣泛，但在實際的鐵路貨運中常常出現貨物丟失、貨票不符等情況，這就存在理賠的糾紛，同時需要投入大量人力物力，不但給鐵路部門及工作人員造成損失，也給用戶自身帶來了諸多不便。

為了徹底改變這一現狀，利用目前我國高速鐵路自身的智能互聯網絡貨物管理信息系統的技術特點，引入了RFID掃描技術，在每一件裝運貨物上都分別貼上了一種智能掃描標簽，在貨物裝車前就通過智能掃描機將每件貨物運送信息實時傳遞到鐵路車站貨物管理信息系統，便于車站管理者及時核對每件貨物實際運送的相關單據信息是否真實，并且系統可同時保證每件貨物的實際運送信息數據與實際車站的運送信息是否相符。將客戶裝卸貨物的相關信息安全借助于移動互聯網提供給客戶進行查詢，可有效保障客戶在裝卸貨物時的安全，逐步提高鐵路物流運輸服務的技術質量和管理水平。火車識別系統見圖3。

2.1.3 無人化抓斗控制系統

無人化抓斗控制系統主要用于抓斗抓取任務的規劃以及抓斗生產任務指令的下發。庫區內每臺抓斗上都裝有3臺激光掃描儀，激光三維掃描儀突破了單點測量的方法，其掃描效率特別高，能看到非常清晰的庫區模型。它在進行物體表面掃描時，可探測出三維數據，經過相應處理，高效地復原出庫區的立體表面示意圖，使整個庫區模型化，便于后序操作

通過安裝在抓斗上的激光掃描儀進行料堆三維數據采集，形成三維圖形，計算料堆位置及料堆高度和堆寬，并規劃抓取，將存放點和大小車移動路徑策略提供給料場布庫模塊。當需要裝車作業時，計算抓斗抓取點和抓取路徑規劃，實現自動裝車作業。

2.1.4 安全防護系統

無人化抓斗的安全防護系統主要由抓斗的急停、各個機構之間的防撞、無人化抓斗庫區的安全管理構成。抓斗的急停主要用于緊急情況下觸碰急停按鈕觸發，抓斗各個機構間的防撞保證了設備使用期間的安全與損壞率的減少，無人化抓斗庫區安全管理則保證了抓斗生產期間人員的安全。

抓斗在發生重大故障時觸發急停系統，其直接斷開抓斗的總接觸器，確保抓斗各個機構不再有任何走行信號產生。抓斗的急停按鈕設置在抓斗的駕駛室內以及中控的操作臺上，兩者互為冗余，確保在緊急情況下抓斗的停止位安全。

抓斗各機構間的防碰撞，不僅可以保障作業人員的人身安全，更能防止設備的損壞。對大車的防碰撞有4種保護措施:①通過格雷母線讀取數值，其對抓斗的防撞位置做限制值，確保抓斗安全距離；②通過模擬量激光測距儀讀取兩抓斗距離以及抓斗到庫邊的距離，規定抓斗的安全距離，并加以限制；③通過數字量激光測距，其對抓斗的防撞極限距離測試后，規定好防撞的安全距離，并在軟件中做減速保護；④大車左右都安裝有防撞臂，做最后的硬件保護。對小車的防碰撞有4種保護措施:①通過格雷母線讀取數值，其對抓斗的防撞位置做限制值，確保抓斗安全距離；②通過模擬量激光測距儀讀取小車到兩側的距離，規定抓斗的安全距離，并加以限制；③通過行走小車前進方向兩端的減速限位器以及停止限位器做最后的軟件保護；④小車兩頭均安裝有防撞機械保護裝置做最后的硬件保護。對于抓斗的起升機構和開閉機構做2種保護措施:①抓斗起升和開閉機構的減速與停止的硬限位；②利用編碼器讀取抓斗的開閉和起升機構的開度值和高度值，并對其加以限制。這些保護機構最大限度地防止了各種意外情況的發生，對設備的保護具有重要意義。

無人抓斗的庫區管理系統是將庫區進行封閉式管理，在庫區內設置有安全門，在按下請求開門的按鈕后方可開門。安全門旁邊設置有語音對講系統，可與中控進行語音對講，作為第2道防護，確保人員進入廠區的安全。

2.1.5 庫區監控系統

遠程監控是建立在現代的計算機技術、通信技術、控制技術以及圖形技術上的一種新的應用。該研究的庫區監控系統可用于監控庫區內所有抓斗的生產工作狀態，并且將實時畫面傳到中控，顯示在IVM-4200電視墻上，可方便快捷地監控庫區的生產狀態及庫區的堆料情況，更好的協助生產人員進行判斷。實時監控畫面見圖4。

2.1.6 HMI人機交互界面組成

人機界面產品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數據存貯單元等。根據實際需求，將畫面登錄系統分為2種權限，分別為管理員登陸及抓斗工登錄，不同的人員登錄具有不同的操作權限。一般而言，畫面具有以下功能:實時的資料趨勢顯示把擷取的資料立即顯示在屏幕上；自動記錄資料并將資料儲存至數據庫中，以便日后查看；歷史資料趨勢顯示把數據庫中的資料作可視化呈現；報表的產生與打印能把資料轉換成報表格式并打印出來；圖形接口控制操作者能夠透過圖形接口直接控制機臺等裝置；警報的產生與記錄使用者可定義一些警報產生的條件。WINCC畫面見圖5。

2.2 無人化智能抓斗變頻控制系統

隨著電氣設備自動化控制要求的不斷提高及控制可靠性的逐漸完善，變頻器的應用越來越廣泛。由于變頻控制較傳統起重機控制方式具有顯而易見的巨大優勢，因此在工業用途中被起重機廣大用戶所接受并廣泛關注。早期由于技術不完善，在起重機上應用的變頻器大多只能用于大小車的行走機構，隨著變頻技術的不斷革新，在起升機構及開閉機構中的應用也逐漸增多。

直流調速系統具有較為優良的靜、動態性能，并且在控制上易于實現；但直流電機的結構復雜，制造所需的人力及時間成本很高，且對運行環境要求較高，電刷易于磨損，不易維護，這些缺點很大程度上限制了直流調速系統的應用。相比之下，交流電動機的結構更加簡單、堅固耐用、運行可靠、成本低、易維護，且適合于大容量調速和用于惡劣工作環境等。

2.3 變頻器對電動機的影響

（1）電動機效率和溫升問題。無論是什么形式的變頻器，在運行的過程中都會產生不同程度的諧波電壓和電流，這就造成電動機在非正弦電壓、電流的工作環境下運轉。根據資料顯示，以目前普遍使用的正弦波PWM型變頻器為例，其低次諧波基本為零，剩下的比載波頻率大一倍左右的高次諧波分量為2u+1（u為調制比）。高次諧波會導致電動機定子銅、轉子銅（鋁）、鐵、附加損耗等增多，最顯著的是轉子銅（鋁）。因為異步電動機是以接近于基波頻率所對應的同步轉速旋轉的，所以高次諧波電壓在切割轉子后就會產生很大的轉子損耗。此外，考慮到其他效應所產生的附加銅耗，這些損耗就會造成電動機額外發熱、效率下降、輸出功率減小。

（2）電機頻繁啟停，制動能力。使用變頻器供電，電機在非常低的頻率和電壓下可實現在無沖擊的方式下啟動，并利用變頻器供應的制動方法進行快速制動。

（3）和諧波電磁噪聲與震動。使用變頻器供電時，普通異步電動機會因電磁、機械、通風等引起震動和噪音而變得更為復雜。由于變頻電源中含有的各次時間諧波與電動機電磁部分的固有空間諧波相互干擾，就會形成各種電磁激勵。當電磁力波頻率與電機固有振動頻率相符或接近時，會產生共振現象，從而增加噪音。電動機轉速變化范圍大、工作頻次范圍廣，各種電磁力波頻次難以避免電動機各組件固有的震動頻次。

3 抓斗自動標準化控制系統對設備損壞率的有效控制措施

傳統的抓斗控制方式相對來說比較落后，保護功能也比較單一，一般情況下只具備過流與過載保護功能，其控制系統大多都是繼電器控制，系統的穩定性與可靠性較差。此外，傳統的控制系統對于電能消耗比較大，電能浪費現象較為嚴重。因此，對傳統老式抓斗調速系統進行變頻技術改造，對提高抓斗工作效率、減少電能消耗和設備維護工作以及現場安全防護具有重要意義。

3.1 變頻調速控制系統

通過改變動力電機的電源頻率從而實現速度調節，這是一種理想的高效率、高性能、低損耗的控制驅動手段。在抓斗使用變頻電機后，其電機的特性與普通電機相比具有較大的改變。變頻器［2］是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器通過改變電源的頻率實現改變電源電壓，根據電機的實際需要變頻器提供電機所需的電源、電壓，從而達到節能、調速的目的，另外，變頻器具有很多安全保護功能，如過流、過壓、過載保護等。

3.1.1 變頻調速系統的功能特性

變頻調速系統［3］控制電機對于需要電機頻繁正反轉的場合具有較高的適用性，具有較強的抗沖擊與過載能力，可以保持啟動時的轉矩輸出接近額定轉矩。作為抓斗控制核心，與各種傳感器（例如編碼器等）組合構成矢量閉環控制系統，具有閉環控制方式，可以滿足抓斗運行的各種要求。

變頻調速系統軟件功能強大，對于現場的各種工藝流程基本上都可以滿足；其全防護功能完善，對于現場的電機具備過壓、過流、欠壓、缺相保護功能；具備變頻過熱、電機過載保護功能；具備電動機失速保護、電動機欠載保護等功能；具有動態怠速制動的巨大優勢，可通過選擇采用外部連接制動電阻或使用內部制動電阻的制動斷續器，能夠有效自動控制、改變電動機運行狀態；其通訊采用國際標準化，可實現與微機的通訊以及遠程診斷，具備RS232接口，可實現遠程各類應用宏程序的下載安裝。

3.1.2 變頻電機與普通電機的區別及改進

（1）變頻電機可改善電機的效率和溫升，變頻電機［4］效率比普通電機高約10%，溫升小約20%，尤其對于矢量控制或直接轉矩控制的低頻區域。

（2）對于需要頻繁啟動、頻繁調速、頻繁制動的場合變頻電機優于普通電動機。

（3）變頻電機變頻驅動時，在電磁噪聲和振動方面較普通電動機噪音更低、電磁振動更小。

（4）由于變頻電機專為變頻器驅動設計，所以能承受較大的瞬時電壓，變頻電動機的絕緣強度高，尤其是在DTC控制模式下。

（5）變頻電動機采用獨立的軸流風機強迫通風，在低頻、直流制動和一些特殊應用場合下的散熱性能優于普通交流異步電動機。

（6）變頻電機可在其調速范圍內任意調速，且電機不會損壞。一般國產普通電機大部分只能在AC380V/50HZ的條件下運行，普通電機能降頻或升頻使用，但范圍不能太大，否則電機將會發熱甚至燒壞。

3.2 抓斗智能控制

3.2.1 抓斗智能控制深挖功能

抓斗的自動化控制改造實現了抓斗的深挖功能［5］，并可有效降低電機及鋼絲繩的磨損。利用自動標準化控制系統控制抓斗，采取力矩控制的方法解決開閉單獨機構受力而損壞設備的情況。首先，在攤料面的過程中，為避免起升鋼絲繩放置過多的情況發生，利用鋼絲繩的力矩自動判斷抓斗是否已經到達料面，根據支持鋼絲繩反饋的力矩，可及時結束繼續放繩的動作。在進行深挖的過程中，抓斗支持的控制方式由速度控制轉換為力矩控制，開閉閉合的過程中，采用分段給力矩的方法保證抓斗開始上升時處于繃緊狀態。在抓斗剛開始閉合抓料的過程中，給予百分之三十五的力矩，此時支持繩處于放置比較多的狀態，可起到快速收繩的作用，在抓斗閉合到百分之八十時，給予百分之二十的力矩，讓深挖繼續執行，在閉合至百分之二十時，給予百分之三十的力矩，讓繩子快速繃緊。在閉合完成時，將支持繩的力矩加到開閉機構的百分之八十，從而達到與開閉機構一同分擔力矩的目的，解決開閉單獨受力的情況，從而很好的保護鋼絲繩及相關機械結構。

3.2.2 抓斗智能控制四繩同步控制

抓斗智能控制四繩同步功能可很好地判斷開閉及起升電機的力矩及轉速情況，從而避免單一電機受力而損壞設備。在開閉電機及支持電機的內部均裝有編碼器，編碼器將信號或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號的形式。根據編碼器可以很方便地標定高度及抓斗的開度值，通過監控這些值可以很方便地觀察四繩是否處于同步狀態，從而有效降低鋼絲繩及電機的損壞率。

4 結語

（1）姑山礦對4臺手工操作抓斗采用PLC控制系統進行了自動化改造，實現了無人化、標準化作業，可24 h不間斷工作，提高了生產效率，節省了人力，有效降低了設備損壞率，達到了降本增效的目的。

（2）變頻電機的使用對于需要電機頻繁正反轉的現場具有較高的適用性，自動深挖功能及四繩平衡功能很好的分擔了起升機構及支持機構的力矩，減小了鋼絲繩及電機的損壞率，對優化生產效率具有重要意義。