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案例頻道1 引言
起重機(jī)在工礦企業(yè)有著廣泛應(yīng)用，主要用來實(shí)現(xiàn)物體的升降和轉(zhuǎn)運(yùn)。氧化鋁行業(yè)配送部包裝車間的橋式起重機(jī)，一臺設(shè)備每天進(jìn)、出氧化鋁鋁粉量達(dá)2000多噸，使用頻繁，工作量巨大，而且環(huán)境惡劣(有堿性腐蝕粉塵)。橋式起重機(jī)能否正常工作直接影響包裝車間生產(chǎn)效率和任務(wù)的完成，甚至關(guān)系到人身、設(shè)備的安全。
2 問題的提出
我廠配送部包裝車間原使用的橋式起重機(jī)的拖動系統(tǒng)采用繞線式交流異步電動機(jī)，轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入多級外接電阻來分級調(diào)速，采用凸輪控制器、繼電器－接觸器控制，這種調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)簡單，但是存在諸多缺點(diǎn):
(1) 繞線型轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速機(jī)械特性軟，調(diào)速性能差;
(2) 串電阻調(diào)速是一種有級調(diào)速方式，通過接觸器的分合完成對轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻的切換，從而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在進(jìn)行電阻切換時會對電網(wǎng)及天車的機(jī)械部分帶來不可避免的沖擊;
(3) 主回路中采用正反轉(zhuǎn)接觸器實(shí)現(xiàn)電機(jī)換向，實(shí)際操作中操作者為了調(diào)整橋式起重機(jī)的工作狀態(tài)，頻繁采用反接制動(俗稱打反車)，切換電流大，接觸器和電機(jī)工作狀態(tài)惡劣，設(shè)備檢修維護(hù)費(fèi)用非常高;
(4) 起重機(jī)起動、調(diào)速時轉(zhuǎn)子所串電阻為純耗能元件，浪費(fèi)大量電能。另外，由于調(diào)速電阻的限制，調(diào)速范圍窄，起動轉(zhuǎn)矩小，延長了起動時間，影響生產(chǎn)效率;
(5) 系統(tǒng)抱閘是在運(yùn)動狀態(tài)下進(jìn)行的，對制動器損壞很大，閘皮磨損嚴(yán)重。
針對實(shí)際生產(chǎn)中存在的問題，決定對包裝車間橋式起重機(jī)實(shí)施由新型聯(lián)動控制臺、PLC和高性能變頻調(diào)速裝置組成的整體技術(shù)改造解決方案。
3 系統(tǒng)改造方案的實(shí)施
3.1 系統(tǒng)的配置
包裝車間橋式起重機(jī)的電氣傳動系統(tǒng)有大車電動機(jī)7.5kW×2臺，小車電動機(jī)2.2kW×1臺，卷揚(yáng)電動機(jī)15kW×1臺。實(shí)施的技術(shù)改造方案采用3臺變頻器控制4臺電機(jī)，其中卷揚(yáng)電動機(jī)和小車電動機(jī)分別用一臺ACS800-01-0040-3和ACS800-01-0005-3變頻器驅(qū)動，大車兩臺電動機(jī)則用一臺ACS800-01-0030-3變頻器驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行，每臺變頻器配置了能耗制動組件，實(shí)現(xiàn)位置勢能和制動能量的消耗。系統(tǒng)配置了Siemens S7-200小型可編程序控制器構(gòu)成整個控制系統(tǒng)的中心，配置新型聯(lián)動控制臺替換原有凸輪控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行操作。系統(tǒng)配置圖如圖1所示:
圖1 系統(tǒng)配置圖
起重機(jī)的電氣傳動控制系統(tǒng)主要由ABB ACS800系列變頻器、西門子PLC控制系統(tǒng)和聯(lián)動操作臺組成，通過PLC控制系統(tǒng)處理聯(lián)動操作臺的速度給定信號，調(diào)節(jié)變頻器的輸出相序和頻率來控制驅(qū)動電機(jī)的方向和轉(zhuǎn)速，取代原來的傳統(tǒng)繞線型轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)。其中大小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，卷揚(yáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖2 大車、小車變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖3 卷揚(yáng)變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.2控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
(1) 原4臺交流繞線異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子中心點(diǎn)直接短接，所有轉(zhuǎn)子回路的電纜、電阻器、頻敏變阻器及接觸器全部取消。
(2) 在行車上裝3個不銹鋼控制柜，防護(hù)等級為IP54。卷揚(yáng)變頻控制柜一個，大、小車變頻＋PLC控制柜一個，制動電阻柜一個，不銹鋼柜實(shí)現(xiàn)了防腐、防潮、防塵目的，以適應(yīng)氧化鋁行業(yè)有腐蝕性粉塵的惡劣工作環(huán)境的要求。
(3) 變頻器選用ABB ACS800系列高性能變頻器，控制卷揚(yáng)電機(jī)的變頻器系統(tǒng)軟件采用提升機(jī)應(yīng)用宏，控制大、小車電機(jī)的變頻器系統(tǒng)軟件選用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用宏。
(4) PLC選用SIEMENS S7－200系列，控制手柄向PLC發(fā)出的開、停、快、慢、提升、下放等指令，相應(yīng)的PLC發(fā)出指令控制變頻器的正反轉(zhuǎn)和各種速度，以達(dá)到橋式起重機(jī)的最佳控制狀態(tài)。
(5) 變頻器產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩時，電機(jī)從負(fù)載接受機(jī)械能，將它變?yōu)殡娔芩腿胱冾l器，導(dǎo)致直流電壓升高，此時變頻器必須處理這部分能量，否則由于直流回路的電容被過充電，過壓保護(hù)動作將使其運(yùn)轉(zhuǎn)停止，所以在變頻器直流回路中設(shè)置制動單元和制動電阻，將吊車在下降制動過程中釋放出的能量消耗在制動電阻上。
(6) PLC根據(jù)控制程序、輸入控制信號及提升、下放等指令，完成吊車的各種工況的協(xié)調(diào)和控制。
(7) 聯(lián)動控制臺有二個，多檔速度控制。
卷揚(yáng)聯(lián)動控制臺:卷揚(yáng)獨(dú)立控制單手柄操作，具有提升快、中、慢三檔速度，下放快、中、慢三檔速度，以及停車等項(xiàng)功能。
大、小車聯(lián)動控制臺:大、小車共用一個手柄操作，為全方位操作手柄，可以同時控制大、小車，也均具有快、中、慢及停車控制等項(xiàng)功能。
3.3系統(tǒng)故障保護(hù)和故障診斷主要特點(diǎn)
變頻器具備對電機(jī)和變頻器本身的完善保護(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)下長時間運(yùn)行，保護(hù)設(shè)備不至于損壞。
故障信息除可以準(zhǔn)確地指示故障點(diǎn)以外，還顯示導(dǎo)致故障的原因及排除故障的措施，極大地方便了維護(hù)人員排除故障。
運(yùn)行中發(fā)生故障停止運(yùn)轉(zhuǎn)后復(fù)位操作也很簡單，只要在排除故障后按下故障復(fù)位就可以。
4 改造后控制系統(tǒng)達(dá)到的實(shí)際效果
(1) 采用變頻調(diào)速改造后，實(shí)現(xiàn)了平滑調(diào)速，且效率極高，與原有串電阻調(diào)速方式比較，起動更平穩(wěn)、定位更準(zhǔn)確;
(2) 系統(tǒng)由控制手柄來控制變頻器的輸出，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，操作方便，調(diào)速范圍寬，可任意設(shè)置運(yùn)行速度;
(3) 系統(tǒng)中選用了ABB變頻器及專用提升機(jī)應(yīng)用宏，實(shí)現(xiàn)了變頻器在零速時的滿轉(zhuǎn)矩輸出(最高可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的300%)和內(nèi)部集成的抱閘邏輯控制，提高了系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性;
(4) 卷揚(yáng)、大小車起動、制動、加速、減速等過程更平穩(wěn)快速，定位更準(zhǔn)確，節(jié)能效果明顯，根據(jù)測試節(jié)電率可達(dá)35%;
(5) 控制回路簡單，實(shí)現(xiàn)了軟啟、軟停，對齒輪、電機(jī)無沖擊，故障率低，易于維護(hù)，大大減少維護(hù)費(fèi)用;
(6) 由于系統(tǒng)留有進(jìn)一步功能擴(kuò)展的接口，今后可根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)展無線遙控、現(xiàn)場總線通訊等功能;
(7) 從改造后投運(yùn)的1＃包裝車間的2臺橋式起重機(jī)的狀況來看，很好的解決了電機(jī)的起動、停止時的沖擊電流，加上變頻器對電機(jī)的完善保護(hù)功能，極大的提高了行車的可靠性和安全性，延長了使用壽命。
5 結(jié)束語
本系統(tǒng)自投運(yùn)以來，達(dá)到了改造的預(yù)期目的，運(yùn)行良好，調(diào)速性能優(yōu)異、起動停止平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確、安全可靠、操作簡單、節(jié)能顯著、裝置體積小，在同行業(yè)有著廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號