一、引言
1、運行機(jī)構(gòu)是由三個基本獨立的拖動系統(tǒng)組成：
大車拖動系統(tǒng)。拖動整臺橋式抓斗順著車間做“橫向”運動，大車的行走由2臺11kW繞線電機(jī)牽引。
小車拖動系統(tǒng)。拖動抓斗順著橋架作“縱向”運動。小車的行走由1臺3.7kW的繞線電機(jī)牽引。
抓斗吊拖動系統(tǒng)。拖動抓斗作吊起、放下的上下運動及抓斗的放開、閉合運動。抓斗的升降繩和開閉繩各由1套卷揚機(jī)構(gòu)操縱，卷揚機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)為2臺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)械振動大，行車不穩(wěn)定，定位困難，抓斗擺動嚴(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，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）由于抓取搬運工作的距離較近，電機(jī)處于頻繁啟動及變速狀態(tài)，控制電機(jī)的時間繼電器和交流接觸器處于頻繁動作狀態(tài)，電氣元件容易損壞。
（4）在抓取原煤后提升時，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)備輸入信號接入PLC的I/O模塊，同時根據(jù)抓斗實際工況對PLC進(jìn)行合理編程。控制原理圖如圖1所示。
（1）PLC具有閉鎖啟動功能，司機(jī)在啟動設(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)，各個設(shè)備的保護(hù)動作只影響設(shè)備本身的動作。
（3）所有的變頻器的故障信號都接入PLC，大車的兩個變頻器中有一個有故障信號，大車就不能動作。其它的變頻器出現(xiàn)故障只影響設(shè)備本身的動作。
（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，可實現(xiàn)平穩(wěn)切換。
（6）禁止司機(jī)利用打反車來對大車和小車進(jìn)行定位。
（7）實現(xiàn)提升繩和開閉繩的自動追速功能。
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)速的外圍電路的時間繼電器與交流接觸器。大車的兩臺電機(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
變頻器啟動電機(jī)為軟啟動，同時大車的兩臺行走電機(jī)可通過變頻器將兩臺電機(jī)傳動做電氣的聯(lián)鎖互動，可將其在電氣控制上設(shè)計成主從控制,從而使大車運行振動減小，運行平穩(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，機(jī)械抱閘方可打開。另外，在抓斗運行的過程中，開閉變頻器或升降變頻器出現(xiàn)故障，機(jī)械抱閘會抱死，抓斗不會溜鉤；在橋抓的總電源停電時，機(jī)械抱閘也會抱死。
4、電氣制動與能耗制動相結(jié)合
液壓抱閘系統(tǒng)在改造時將與變頻器進(jìn)行電氣聯(lián)鎖。即只有變頻器有大轉(zhuǎn)矩輸出時，液壓抱閘才能松開。當(dāng)變頻器沒有轉(zhuǎn)矩輸出時，液壓抱閘合閘，鎖死機(jī)械裝置。所使用的變頻器在電機(jī)制動時，會出現(xiàn)電機(jī)處于再發(fā)電運行狀態(tài)，變頻器就需能耗制動耗散這部份能量。利用設(shè)置在直流回路中的能耗制動組件吸收電機(jī)的再生電能的方式稱為能耗制動。能耗制動組件由制動電阻和制動單元兩部分組成。通過設(shè)置制動電阻和制動單元來進(jìn)行制動控制，當(dāng)電機(jī)制動時，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，制動單元就會被激活，把多余的電能通過制動電阻快速得到釋放，保證了在短時間內(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系列制動電阻和QBU系列制動單元，制動電阻和制動單元按實際工控合理配置，既保證了電機(jī)短時間內(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)境粉塵多以及在運行過程中振動大，PLC的防護(hù)等級要高，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電流信號的處理,選用西門子的LOGO230R。
3、制動電阻容量的選擇
制動電阻用于將電動機(jī)的再生電能轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉。
（1）制動電阻RB的阻值
一般情況下，RB的大小要使制動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）制動電阻的功率PB
PB≥UD2/RB （2）
（3）制動電阻的選取
根據(jù)式（1）和（2），選擇的制動電阻如下所示：
每臺提升、開閉變頻器配置RBC-20KW-13.6Ω制動電阻和QBU-4055制動單元。
每臺大車變頻器配置RBX-10KW-16Ω制動電阻和QBU-4045制動單元。
小車變頻器配置RBG-780W-75Ω制動電阻，制動單元已經(jīng)內(nèi)置無需外加。
（4）制動電機(jī)的阻值及其容量，也可以選擇廠家提供的變頻器制動電阻的選型。關(guān)于變頻器制動電阻的選型我們可以參考上海晶犀電器有限公司的制動電阻選型表。該選型表對無過載、輕載、重載以及超重載的工況都做了詳細(xì)的制動電阻選取，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)場測試，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)時要考慮的問題
（1）橋抓司機(jī)在卸煤時，為了趕快完成任務(wù)，經(jīng)常利用打反車來對小車和大車實行定位，這種做法會縮短大、小車控制電機(jī)的壽命和加大傳動機(jī)械的磨損。為了杜絕橋抓司機(jī)的這種做法，在PLC編程時，在大、小車的操作指令中加入0.2s的延時，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****輸出力矩的20%時，機(jī)械抱閘才能打開。
（3）自動追速功能。抓斗在抓取物料后提升時，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間里與開閉鋼絲繩一起受力。為達(dá)到這個要求，在PLC程序里設(shè)計一段小程序，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，模擬量比較模塊就發(fā)出信號“1”，如果這時提升、閉合信號存在，PLC發(fā)出提升750r/min的信號到提升變頻器，而開閉變頻器得到的信號是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，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)簡化，可靠性大為提高。
（4）節(jié)能效果好。繞線電機(jī)在低速運行時，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)的制動能力明顯提高。采用了電氣制動與能耗制動相結(jié)合的制動方式，既保證了電機(jī)短時間內(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)運行，制動效果好。
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