基于歐姆龍CP1H的橋式抓斗天車控制系統

1 引言

　　中鋁青海公司炭素廠原料庫現有4臺上世紀80年代中期生產的橋式抓斗天車(沈陽冶金機械廠)，其承擔著我廠每年20多萬噸散裝物料的裝卸和轉運等工作。抓斗天車是炭素原料石油焦和瀝青等散裝料裝卸、運送的專用設備，這4臺天車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，原料庫貯存著大量粉裝物料，其廠房內碳粉塵多，環境惡劣，電器故障率高，嚴重影響著炭素原料輸送作業，且每年維修費用很高。為解決這種被動局面，我們采用plc、變頻器等電氣產品對整車電氣系統進行了改造。經過2年實際應用，其結果證明其改造效果十分成功，徹底解決了抓斗天車原來電器故障頻繁、器件易被燒的問題，天車控制技術得到大幅提高，天車工作效率提高25%以上(原來每班連續作業7小時才能完成的任務，現在只用5小時左右就能完成)；其次采用先進的控制技術和驅動技術，使天車運行更加節能，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

　　由于目前電器產品十分繁雜，在天車改造方案確定后，通過項目論證中，技術人員普遍認為選用歐姆龍產品比較理想，由于歐姆龍的電子產品已在我廠應用十分廣泛，其質量高、耐用，其產品貨源充足、中文資料豐富、備品備件方便，技術服務方便、國內維修便利等特點。尤其是在炭素企業，其要求控制產品要有很高的抗躁性和耐用性。例如，像歐姆龍生產的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編程方式簡單、方便、一線維修人員十分熟悉、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點開關量；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，是一個簡單實用的終端機。nt20s分辯率為256×128點，最大畫面數達500幅；nt20s有內存、開關自檢，通信和其他條件狀態設定確認，簡單通信確認等維護功能；還擁有不反光熒幕，可以調換背光燈來延長使用時間；即使在惡劣環境下也能運作。

　　2.3 變頻器選擇

　　抓斗天車一般工作在頻繁啟動、制動和重載狀態；同時，拖動控制變頻器首先要滿足生產工藝條件為前提，又要耐用、經濟、節能。通過對我廠實際使用的多種變頻器性價分析，結合本系統控制功能的要求，選擇ctv28系列(施耐德生產)的變頻器較為適宜，此系列變頻器價低質優、抗燥耐用，易實現模擬量控制等特點，也適合炭素惡劣環境使用。其改造費用低。其天車改造配用的變頻器參數如下：

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

　　(2)小車變頻器選用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，并考慮設備的實際拖動要求，原來采用的繞線式異步電機技術性能完全滿足變頻調速改造要求。另外，繞線式異步電機具有啟動電流平穩、沖擊小、調速穩定、動態性好等特點。在抓斗天車變頻改造中，我們繼續使用了原本的舊電機，由于原料庫為室內工作場地，其環境溫度通常較低(夏季最高不超過怕19℃)；又天車工作流動性大、非連續方式，故其普通繞線式電機采用變頻控制后，不會出現溫度過高現象。其電機技術參數如下：

(1) 大車電機：
yzr—160l-6 11kw 2臺；
(2) 小車電機：
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 其它電器產品選型

　　根據多年的實際維修統計，歐姆龍生產的各類開關(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；過去采購的備件，目前庫存很多)。因此，一線技術人員普遍極為信任歐姆龍電器產品的質量，建議抓斗天車改造電器件選用歐姆龍產品較為適合、經濟。如e3z——d8(24dcv，omron)接近限位開關十分適合移動設備和惡劣環境條件下工作的天車類設備使用，其動作距離最大可達到32cm、動作靈敏、準確，工作電壓低，質量高，抗躁。如我廠陽極組裝托盤反轉機、澆鑄機、懸鏈輸送機、普通天車等設備均使用這類限位開關，其通常工作于長期連續通電狀態，近20多年來，除了幾次認為機械撞壞外，很少發生燒壞、動作失效、新能老化等異常現象。

　　天車大、小車駕駛操作器選用沈陽一家電器公司生產的天車專用模擬控制方式的聯動控制臺，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 項目實現

　　3.1 原理設計

　　經過綜合分析與調查，決定對原料庫4臺抓斗天車實施plc和變頻調速技術改造。采用模擬信號聯動控制臺實現大、小車無級調速；提升采用5級調速；閉合采用2級調速的控制策略；大小車行走、提升、倉門、平臺口安全防護等保護裝置，均采用非接觸感應式開關或光電式行程開關；天車安全防護、邏輯聯鎖等措施均采用plc程序實現；天車運行、狀態等相關信息進行在線顯示、記錄和存貯等功能。

　　系統上電后，在無故障反饋情況下，司機室駕駛員通過操作控制臺給出運行指令，plc按照一定的指令邏輯關系，控制變頻器以一定的速度工作；天車運行全程故障監視，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，同時也便于工作人員維護。

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

圖1 抓斗天車配置與控制系統原理圖

圖2 plc與大、小車操作控制臺接線圖

圖3 plc與提升、閉合操作控制臺接線圖

圖4 plc與天車保護裝置接線圖

圖5 大車、小車變頻調速系統接線圖

圖6 抓斗提升、閉合變頻調速系統接線圖

3.2 項目評估

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

　　(1)電氣控制采用plc控制技術，使硬件結構接線簡單，簡化控制設備、聯鎖可靠、便于維修、方便調試、降低故障，以提高天車的作業效率。該系統保護功能及檔位邏輯控制由plc來精確實現，提高了整套系統的準確檔次，實現了可靠性高、保護措施全面、控制靈敏等電氣控制系統要求的特點。

　　(2)實現了抓斗天車的微動和超低速運行，使大、小車定位更準確，方便駕駛人員的操作，天車工作效率得到顯著提高。其次，提高了天車的控制技術性能，大幅減少了天車配線，解決了天車頻繁發生故障問題，維修成本大幅降低。

　　(3)采用變頻調速技術對大、小車的行走速度，使得調速平滑、定位準確、接線簡單、調速性能可靠；超低速控制調速的設計，使天車真正實現了微動控制功能，對實現天車抓料、卸料和運料等作業十分有利。

　　(4)變頻控制電機的起動、調速、換向和制動功能，使天車控制、運行更加平穩、安全、可靠。解決了過去大車、小車滑行距離長、抓料過程中頻繁撞壞料倉的問題。

　　(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境、高粉塵對電器元氣件的影響。天車電器方面故障降至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。如過熱、過載、過流、過壓、缺相、接地等，從而避免設備在不正常狀態下天車長時間運行，使拖動電機得到及時保護。

　　(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、維修人員及時了解和排除故障。

　　(8)經濟效益顯著。每臺天車改造費用為32萬元，改造前由于天車電器故障高，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12～14萬元/臺；改造后年均維修費用降為2.5～2.8萬元/臺。單臺天車改造投資可在3年內收回。

4 結束語

　　用用plc、變頻器等器件對我廠炭素原料庫4臺抓斗天車電氣控制系統改造后，天車設備控制水平顯著提高，大車拖動系統改進后，實現了大車啟動平穩、制動準確、可靠，解決了原來抱閘機械制動不平衡，出現的大車扭動現象。主大、小車拖動系統改進后，實現了超低速控制的要求，提高了橋式抓斗天車抓料作業準確性效率。plc技術的成功應用，使操作控制方便，保護功能完善，互鎖功能可靠和方便天車維修工作；歐姆龍plc、變頻器等電子產品的完美結合與應用，充分證明了其自動化產品高質量、高性能。