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 摘  要：介紹變頻器在半山發電有限公司2號裝卸橋控制改造中的應用情況，對系統的組成、變頻器參數設置及PLC軟件設計作了詳細闡述。
    關鍵詞：裝卸橋  變頻器  PLC  應用

0 引言
    杭州半山發電有限公司2號裝卸橋是電廠鐵路卸煤、煤山上煤的關鍵設備。該裝卸橋起重量5t，跨度40 m，設計平均出力為160 t／h。小車和抓斗機構采用轉子串電阻調速，大車機構采用頻敏變阻器調速。工作特點是起動、制動頻繁，停位基本靠反接制動。運行機構是大慣量系統，起動、制動時帶來的動載荷不容忽視，裝卸橋在運行時的電氣和機械沖擊都很大，直接影響到各機構部件、鋼結構及電氣元件的使用壽命，增加了設備維護工作量，也給安全運行埋下了事故隱患，因此，有必要對原有調速控制系統進行技術改造。改造的基本要求是起動、制動平穩，抓斗升降與開閉機構能協調運作。

1 變頻器的調速特性
    變頻調速在控制性能、節能、可靠性方面具有突出的優點，近年來由于技術的發展及價格的降低，使其在起重機這一特殊的領域也得到了成功的應用。同時，由于可編程控制器技術的融入，使其調速控制性能更加優越。
　　2號裝卸橋的負載是恒轉矩負載，起、制動頻繁，抓斗機構的負載特性在Ⅰ、Ⅲ 、Ⅳ象限，小車機構的負載特性在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限。經過比較，采用ABB公司生產的ACS600系列變頻器。ACS600系列變頻器是采用直接轉矩(DTC)控制的變頻器。它與矢量型變頻器比較具有以下特點：
　　(1)從零速開始，不使用電機軸上的脈沖編碼器反饋就可以實現電機速度和轉矩的精確控制，靜態速度控制精度可以達到0．1%～0．5%，它可以滿足絕大多數工業控制應用場合，簡化控制系統。
　　(2)開環轉矩階躍上升時間小于5 ms，而矢量型變頻器開環轉矩階躍上升時間卻大于100 ms，在這一點上，ACS600變頻器的優點是明顯的。 　　
    (3)變頻器內部建有自適應電機模型，通過電機的初始化使每臺電機的靜態和動態參數都被儲存在變頻器的CPU中，從而實現對電機的精確控制。
　　(4)具有極好的起動轉矩輸出性能，最大起動轉矩可以達到300%的額定轉矩。
　　(5)帶有滿足各種不同控制需要的軟件，它使得用戶的使用和維護更加方便，系統更加安全可靠。
2 控制系統的改造
2.1 變頻調速控制系統的構成
    小車機構有兩臺電動機，設置兩臺變頻器分別驅動，由一套PLC可編程控制器進行管理；抓斗機構設有兩臺變頻器分別驅動升降電機和開閉電機，由另一套PLC可編程控制器進行管理。小車和抓斗機構均配有電阻箱對電機實現制動。因大車機構起制動不頻繁，工況較好，這次不列入技術改造范圍內，只是將主令控制器信號進入PLC管理，目的是為了避免大車電機的反接制動。
　　主令控制器的信號送入PLC，由PLC進行編碼處理，處理后產生正／反各三檔速度信號指令給變頻器，這時變頻器運行在給定的速度上；當主令控制器發出停止信號后，變頻器立刻進入制動狀態，這時制動電阻箱開始工作，電機在設定的時間內停車。PLC還對機構限位、機械抱閘及故障信號進行處理，當系統發生故障時，可以發出聲光報警信號。控制系統的構成見圖1。
                
                
                
2.2 變頻器參數設定
2.2.1 變頻器初始化
　　安裝工作結束后，首先要進行常規的檢查，如機械抱閘、電氣控制回路等；然后將電機輸出聯軸器脫開，讓電機處于空載狀態。做好以上準備工作后給控制設備通電，用變頻器控制面板設定電機的基本參數，進入電機初始化，這時電機處于變速運行狀態，整個初始化過程大概需要3～5 min。初始化完畢，裝復電機聯軸器。
2.2.2 小車機構變頻器參數設定
　　小車機構的兩臺電機分別由兩臺變頻器來驅動，主要是調整兩臺變頻器速度間的同步問題。由于沒有安裝測速編碼器，速度誤差的累計會引起兩臺電機的不同步 。可利用變頻器的速度微調裝置來消除兩臺電機的速度誤差。經現場調試后，效果令人滿意。
　　小車機構變頻器設置正／反各三檔速度，采用順序控制（速度控制）和積分停車，速度為零后啟動機械抱閘。
2.2.3 抓斗機構變頻器參數設定
　　抓斗機構電機由兩臺變頻器分別驅動升降電機和開閉電機，采用力矩跟隨原則來解決兩臺電機間的力矩平衡問題。具體做法是：開閉機構采用順序控制（速度控制），而升降機構則采用力矩控制，升降機構的力矩始終跟隨開閉機構，以達到力矩平衡。在開閉機構為空載或輕載時，升降機構力矩不作跟隨，這時候，升降機構也改為了速度控制，這個速度／力矩控制切換信號是PLC進行兩電機力矩比較后發出的。
　　抓斗機構變頻器上升設置三檔速度，下降設置兩檔速度。開閉機構變頻器采用順序控制（速度控制）。升降機構變頻器采用速度／力矩控制進行控制。抓斗機構變頻器采用積分停車，速度為零后啟動機械抱閘。
2.3 PLC軟件調試
　　本系統采用西門子S7－200系列微型可編程控制器，S7－200可編程序控制器有兩種編程方法，即語句表和梯形圖。梯形圖比較直觀，編程、調試都很方便，但編程器價格高；用語句表編程速度慢，調試起來也較麻煩，但其編程器價格低。
　　PLC程序運行是從起始地址0000開始到最后一條地址（即END指令），做反復式巡回掃描，嚴格按梯形邏輯圖邏輯行順序和邏輯行邏輯元素的排列自上而下，從左到右逐字逐句處理程序。這樣，繼電器控制系統很難解決的結點競爭現象在這里就不會產生，從而保證了控制系統的可靠性。 　　
    力矩信號的檢測是用傳送語句MOVW及比較語句LDW≥來實現的。當開閉機構力矩大于設定值時，PLC輸出力矩跟隨信號，升降機構作力矩跟隨，使開閉機構和升降機構的力矩迅速得到平衡。當開閉機構力矩小于等于設定值時，PLC的力矩跟隨信號消失，這時升降機構與開閉機構一樣也按速度宏進行控制。值得注意的是這個力矩設定值應設為＞1／2變頻器額定轉矩，否則容易引起兩臺電機速度環的振蕩。
2.4 原有YZR電機的改造
　　為了利用原有的電機，現將電機的轉子回路短接后繼續使用。考慮到電機為反復短時工作制，多數情況為起動、短時額定參數運行、制動，低速檔通常只是一種很短暫的過渡狀態，因此風扇的散熱能力與改造前相當，而發熱量則由于起動電流的控制而少于改造前，因此不再加裝獨立冷卻風扇。
3 改造后的效果
    半山發電有限公司2號裝卸橋技改項目，小車和抓斗機構分別于2001年2～6月改造完畢先后投入運行，運行情況良好，至今沒發生過故障。
    (1)硬件線路得到簡化，主回路的接觸器全部取消，提高了系統的可靠性。
　　(2)變頻器所具有的短路、欠壓、過壓、過流、缺相及電機過熱等保護，有效地保護了電機的安全。
　　(3)由于使用了變頻器的軟啟動、勻加減速及防電機反接功能，大大減少了對設備和機械結構的沖擊，延長了設備、構件的使用壽命。 　　
    (4)變頻器的直接轉矩(DTC)控制保證了抓斗機構不發生溜鉤現象。
　　(5)變頻器的超速保護特性保證抓斗機構不會發生超速運行狀態。
　　(6)變頻器的力矩跟隨功能使得開閉機構、升降機構鋼絲繩的受力始終均勻，延長了鋼絲繩的使用壽命。
　　(7)由于變頻器內部建有自適應電機模型，從而實現了電機的精確控制，使得兩臺小車電機的運行保持高度同步。
　　(8)取消了原來用于調速的轉子電阻，減少了系統的能耗。
　　(9)大大地減少了設備的維護工作量。