基于歐姆龍CP1H的橋式抓斗天車(chē)控制系統

1 引言

　　中鋁青海公司炭素廠(chǎng)原料庫現有4臺上世紀80年代中期生產(chǎn)的橋式抓斗天車(chē)(沈陽(yáng)冶金機械廠(chǎng))，其承擔著(zhù)我廠(chǎng)每年20多萬(wàn)噸散裝物料的裝卸和轉運等工作。抓斗天車(chē)是炭素原料石油焦和瀝青等散裝料裝卸、運送的專(zhuān)用設備，這4臺天車(chē)電氣控制采用繼電器-接觸器控制，串電阻能耗多級調速，其控制水平低。另外，原料庫貯存著(zhù)大量粉裝物料，其廠(chǎng)房?jì)忍挤蹓m多，環(huán)境惡劣，電器故障率高，嚴重影響著(zhù)炭素原料輸送作業(yè)，且每年維修費用很高。為解決這種被動(dòng)局面，我們采用plc、變頻器等電氣產(chǎn)品對整車(chē)電氣系統進(jìn)行了改造。經(jīng)過(guò)2年實(shí)際應用，其結果證明其改造效果十分成功，徹底解決了抓斗天車(chē)原來(lái)電器故障頻繁、器件易被燒的問(wèn)題，天車(chē)控制技術(shù)得到大幅提高，天車(chē)工作效率提高25%以上(原來(lái)每班連續作業(yè)7小時(shí)才能完成的任務(wù)，現在只用5小時(shí)左右就能完成)；其次采用先進(jìn)的控制技術(shù)和驅動(dòng)技術(shù)，使天車(chē)運行更加節能，高效，安全，可靠。

2 系統設計與主要配置

　　2.1 電器控制柜

　　由于炭素原料庫內炭粉塵多、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定性、延長(cháng)使用壽命和降低其設備故障，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(chē)改造方案確定后，通過(guò)項目論證中，技術(shù)人員普遍認為選用歐姆龍產(chǎn)品比較理想，由于歐姆龍的電子產(chǎn)品已在我廠(chǎng)應用十分廣泛，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，其日常維護工作很少，且工作十分穩定。另外，歐姆龍的plc編程方式簡(jiǎn)單、方便、一線(xiàn)維修人員十分熟悉、了解。此外，cp1h系列plc具有快速的處理器，執行基本指令只需0.1μs；最大支持320點(diǎn)開(kāi)關(guān)量；4入2出模擬量功能，分辯率為1/12000；標準搭載4軸高速計數器功能(單相100khz/相位50khz)和4軸100khz高速脈沖輸出；標準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的擴展單元。其天車(chē)主控制plc選用cp1h—x40dt—d；擴展模塊cpm1a—40edt。

　　nt20s是歐姆龍公司為小型控制系統設計的中型顯示器，是一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的終端機。nt20s分辯率為256×128點(diǎn)，最大畫(huà)面數達500幅；nt20s有內存、開(kāi)關(guān)自檢，通信和其他條件狀態(tài)設定確認，簡(jiǎn)單通信確認等維護功能；還擁有不反光熒幕，可以調換背光燈來(lái)延長(cháng)使用時(shí)間；即使在惡劣環(huán)境下也能運作。

　　2.3 變頻器選擇

　　抓斗天車(chē)一般工作在頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和重載狀態(tài)；同時(shí)，拖動(dòng)控制變頻器首先要滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝條件為前提，又要耐用、經(jīng)濟、節能。通過(guò)對我廠(chǎng)實(shí)際使用的多種變頻器性?xún)r(jià)分析，結合本系統控制功能的要求，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(jià)低質(zhì)優(yōu)、抗燥耐用，易實(shí)現模擬量控制等特點(diǎn)，也適合炭素惡劣環(huán)境使用。其改造費用低。其天車(chē)改造配用的變頻器參數如下：

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

　　(2)小車(chē)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(xiàn)電機

　　為充分利用原有設備的電器備件，降低改造費用，并考慮設備的實(shí)際拖動(dòng)要求，原來(lái)采用的繞線(xiàn)式異步電機技術(shù)性能完全滿(mǎn)足變頻調速改造要求。另外，繞線(xiàn)式異步電機具有啟動(dòng)電流平穩、沖擊小、調速穩定、動(dòng)態(tài)性好等特點(diǎn)。在抓斗天車(chē)變頻改造中，我們繼續使用了原本的舊電機，由于原料庫為室內工作場(chǎng)地，其環(huán)境溫度通常較低(夏季最高不超過(guò)怕19℃)；又天車(chē)工作流動(dòng)性大、非連續方式，故其普通繞線(xiàn)式電機采用變頻控制后，不會(huì )出現溫度過(guò)高現象。其電機技術(shù)參數如下：

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

　　2.5 其它電器產(chǎn)品選型

　　根據多年的實(shí)際維修統計，歐姆龍生產(chǎn)的各類(lèi)開(kāi)關(guān)(如感應式、光電式、超聲波式等系列)，其十分耐用(有的連續使用20多年后，還仍然工作穩定、準確；過(guò)去采購的備件，目前庫存很多)。因此，一線(xiàn)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(chē)改造電器件選用歐姆龍產(chǎn)品較為適合、經(jīng)濟。如e3z——d8(24dcv，omron)接近限位開(kāi)關(guān)十分適合移動(dòng)設備和惡劣環(huán)境條件下工作的天車(chē)類(lèi)設備使用，其動(dòng)作距離最大可達到32cm、動(dòng)作靈敏、準確，工作電壓低，質(zhì)量高，抗躁。如我廠(chǎng)陽(yáng)極組裝托盤(pán)反轉機、澆鑄機、懸鏈輸送機、普通天車(chē)等設備均使用這類(lèi)限位開(kāi)關(guān)，其通常工作于長(cháng)期連續通電狀態(tài)，近20多年來(lái)，除了幾次認為機械撞壞外，很少發(fā)生燒壞、動(dòng)作失效、新能老化等異?，F象。

　　天車(chē)大、小車(chē)駕駛操作器選用沈陽(yáng)一家電器公司生產(chǎn)的天車(chē)專(zhuān)用模擬控制方式的聯(lián)動(dòng)控制臺，其具有模擬信號輸出和常規換向輸出功能，其模擬量信號變化能與操作手柄轉動(dòng)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

　　3.1 原理設計

　　經(jīng)過(guò)綜合分析與調查，決定對原料庫4臺抓斗天車(chē)實(shí)施plc和變頻調速技術(shù)改造。采用模擬信號聯(lián)動(dòng)控制臺實(shí)現大、小車(chē)無(wú)級調速；提升采用5級調速；閉合采用2級調速的控制策略；大小車(chē)行走、提升、倉門(mén)、平臺口安全防護等保護裝置，均采用非接觸感應式開(kāi)關(guān)或光電式行程開(kāi)關(guān)；天車(chē)安全防護、邏輯聯(lián)鎖等措施均采用plc程序實(shí)現；天車(chē)運行、狀態(tài)等相關(guān)信息進(jìn)行在線(xiàn)顯示、記錄和存貯等功能。

　　系統上電后，在無(wú)故障反饋情況下，司機室駕駛員通過(guò)操作控制臺給出運行指令，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(chē)運行全程故障監視，輕故障聲光提示，重故障緊急停機。運行數據及歷史記錄通過(guò)rs485串行通訊接口傳送到觸摸屏用于監視，以便于駕駛員對運行狀況能準確的把握，同時(shí)也便于工作人員維護。

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

圖1 抓斗天車(chē)配置與控制系統原理圖

圖2 plc與大、小車(chē)操作控制臺接線(xiàn)圖

圖3 plc與提升、閉合操作控制臺接線(xiàn)圖

圖4 plc與天車(chē)保護裝置接線(xiàn)圖

圖5 大車(chē)、小車(chē)變頻調速系統接線(xiàn)圖

圖6 抓斗提升、閉合變頻調速系統接線(xiàn)圖

　　3.2 項目評估

　　改造完成后，通過(guò)2年的實(shí)踐運行結果證明，其系統控制和變頻調速效果十分理想，達到了改造目的。其效果和特點(diǎn)如下：

　　(1)電氣控制采用plc控制技術(shù)，使硬件結構接線(xiàn)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化控制設備、聯(lián)鎖可靠、便于維修、方便調試、降低故障，以提高天車(chē)的作業(yè)效率。該系統保護功能及檔位邏輯控制由plc來(lái)精確實(shí)現，提高了整套系統的準確檔次，實(shí)現了可靠性高、保護措施全面、控制靈敏等電氣控制系統要求的特點(diǎn)。

　　(2)實(shí)現了抓斗天車(chē)的微動(dòng)和超低速運行，使大、小車(chē)定位更準確，方便駕駛人員的操作，天車(chē)工作效率得到顯著(zhù)提高。其次，提高了天車(chē)的控制技術(shù)性能，大幅減少了天車(chē)配線(xiàn)，解決了天車(chē)頻繁發(fā)生故障問(wèn)題，維修成本大幅降低。

　　(3)采用變頻調速技術(shù)對大、小車(chē)的行走速度，使得調速平滑、定位準確、接線(xiàn)簡(jiǎn)單、調速性能可靠；超低速控制調速的設計，使天車(chē)真正實(shí)現了微動(dòng)控制功能，對實(shí)現天車(chē)抓料、卸料和運料等作業(yè)十分有利。

　　(4)變頻控制電機的起動(dòng)、調速、換向和制動(dòng)功能，使天車(chē)控制、運行更加平穩、安全、可靠。解決了過(guò)去大車(chē)、小車(chē)滑行距離長(cháng)、抓料過(guò)程中頻繁撞壞料倉的問(wèn)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、高粉塵對電器元氣件的影響。天車(chē)電器方面故障降至2—4次/臺·月(改造前平均為28—36次/臺月)。

　　(6)完善變的頻器保護功能。如過(guò)熱、過(guò)載、過(guò)流、過(guò)壓、缺相、接地等，從而避免設備在不正常狀態(tài)下天車(chē)長(cháng)時(shí)間運行，使拖動(dòng)電機得到及時(shí)保護。

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

　　(8)經(jīng)濟效益顯著(zhù)。每臺天車(chē)改造費用為32萬(wàn)元，改造前由于天車(chē)電器故障高，備件損壞率高，每年維修備件消耗費用(包括維護材料費用)一般在12～14萬(wàn)元/臺；改造后年均維修費用降為2.5～2.8萬(wàn)元/臺。單臺天車(chē)改造投資可在3年內收回。

4 結束語(yǔ)

　　用用plc、變頻器等器件對我廠(chǎng)炭素原料庫4臺抓斗天車(chē)電氣控制系統改造后，天車(chē)設備控制水平顯著(zhù)提高，大車(chē)拖動(dòng)系統改進(jìn)后，實(shí)現了大車(chē)啟動(dòng)平穩、制動(dòng)準確、可靠，解決了原來(lái)抱閘機械制動(dòng)不平衡，出現的大車(chē)扭動(dòng)現象。主大、小車(chē)拖動(dòng)系統改進(jìn)后，實(shí)現了超低速控制的要求，提高了橋式抓斗天車(chē)抓料作業(yè)準確性效率。plc技術(shù)的成功應用，使操作控制方便，保護功能完善，互鎖功能可靠和方便天車(chē)維修工作；歐姆龍plc、變頻器等電子產(chǎn)品的完美結合與應用，充分證明了其自動(dòng)化產(chǎn)品高質(zhì)量、高性能。