重庆正宏自动化控制工程公司 秦玉忠、赵良政/重钢烧结厂 廖龙祥、丁彤宇/EMERSON网络能源有限公司 唐爱民
一、前言
行车是工业现场常用装备，用来实现货物在三维空间中的转运。其中水平面两个方向的运动分别由大、小车完成，称为行走系统；垂直方向的运动则由起升机构负责。大多数的行车通过钓钩与被运物体相连，当被运物体为粉状时，则需要通过抓料斗，这就是抓斗行车。该类行车在提升部分一般均配置两台电机，专门负责升降运动的电机称为主卷电机，另一台称为闭合电机，除了负责抓斗的打开和闭合（丢料和抓料）外，还将配合主卷电机一起出力进行升降运动。
重钢烧结厂现有抓斗行车均为串级调速加继电器/接触器控制方式，故障率高，维护费用及时间均很大，给生产造成不良影响，为此需对其技术改造，而采用变频调速技术是解决上述问题的关键，现以其3#行车技术改造为例介绍有关情况。
二、 电气系统配置
图一：提升/抓斗部分系统改造原理图
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·行车系统机械参数 载重量（含抓斗自重）： 20吨 起升高度：25.6米 跨度：31.5米
大车电机： 2* 15KW 小车电机：7.5KW
主卷电机： 90KW 闭合电机：90KW
·行走系统改造配置
大、小车分别选用EMERSON 公司EV2000-4T0300G和EV2000-4T0011G各一台，分别配置15kw、30kw制动组件各一套，以消耗停车时返回变频器的能量。由于较为简单，本文不详细描述。
·主卷/闭合变频器
对于提升所需变频器，必须选用高性能矢量控制变频器，这里选用了艾默生TD3000-4T1320G两台，分别控制主卷电机和闭合电机，考虑到系统的长期使用以及可能出现的超载情况，在变频器选型方面我们相对电机功率放大2档。由于抓斗上升和下降是由主卷电机和闭合电机共同出力完成，而且在抓料操作时，为了尽可能多抓料，必须使用“点动降”使主卷钢绳保持松弛，因此，当抓料完成时，主卷钢绳是松弛的。若两台变频器都为速度控制方式，则不能解决主卷钢绳和闭合钢绳的受力平衡问题，容易导致闭合电机、闭合变频器、闭合钢绳过载，因此要解决好上述问题，主卷变频器必须支持速度/转矩控制在线切换功能，而且闭合电机用变频器必须有转矩输出功能，两者通过逻辑有效配合方可完成。
·速度反馈（编码器）
为了更好的实现空中起车和转矩控制功能，本次改造选用配套编码器，型号为E80H型，线数512P/R，编码器与电机轴的连接采用轴套式安装，这种配置可以充分利用TD3000 变频器 0速200%的力矩以及内置的零伺服功能，确保消除启/停时的“溜钩”现象。
·制动单元和制动电阻
抓斗下降过程中，电机处于发电状态，再生能量将导致变频器的直流母线电压上升到危险电压，因此制动组件是必须选配的。经验表明，制动组件配置容量应该相对于变频器容量适当放大，具体情况与行车起升高度、制动单元的最大制动使用率、电机和变频器的配置余量以及制动电阻散热条件等环境因素有关。由于抓斗下降是可能持续较长时间的过程，我们选用的TD3000配套制动组件，该制动组件具备100%ED的制动能力。
·PLC
本系统中选用了PLC来实现整个系统的逻辑控制，主要功能如下：
1.变频器启/停控制；
2.控制抱闸，保证电机轴停止时抱闸才抱住，既不提前，也不延后；
3.主卷变频器控制方式切换（速度控制/力矩控制）。
4.系统安全连锁功能
a)行车上各个进出口的门以及操作室的门在打开状态下，禁止操作。
b)大、小车轨道两端设限位开关限制车体超越。
c)冲顶限位。
d)各操作手柄未处于零位置时，上电被禁止。
e)主卷和闭合变频器中任意一台变频器报故障时，两台变频器均立即停止输出（自由停车），同时抱闸合闸。
f)任何时刻断电，系统将立即停止，抱闸合闸。PLC故障时，各操作命令无效（PLC无输出），这时，抱闸闭合，行车处于安全停止状态。但不排除PLC误输出松闸信号，虽然这种概率极小，一旦出现这种情况，司机可按“急停”按钮，切断控制电源，使抱闸闭合。
系统原理图见图一。
三、参数设置
主卷和闭合用变频器参数如下：
3#抓斗行车变频器主要参数表 |
主卷 | | 闭合 |
参数号 | 设定值 | 说明 | | 参数号 | 设定值 | 说明 |
F0.02 | 1 | 闭环矢量 | | F0.02 | 1 | 闭环矢量 |
F0.04 | 40 | 运行频率 | | F0.04 | 40 | 运行频率 |
F0.05 | 1 | 端子控制 | | F0.05 | 1 | 端子控制 |
F0.08 | 42.5 | 上限频率 | | F0.08 | 42.5 | 上限频率 |
F0.10 | 2 | 加速时间(秒) | | F0.10 | 2 | 加速时间(秒) |
F0.11 | 2.5 | 减速时间(秒) | | F0.11 | 2.5 | 减速时间(秒) |
F1.01 | 90 | 额定功率(KW) | | F1.01 | 90 | 额定功率(KW) |
F1.02 | 380 | 额定电压(V) | | F1.02 | 380 | 额定电压(V) |
F1.03 | 183 | 额定电流(A) | | F1.03 | 183 | 额定电流(A) |
F1.05 | 585 | 额定转速(RPM) | | F1.05 | 585 | 额定转速(RPM) |
F1.11 | 0.048 | 定子电阻(Ω) | | F1.11 | 0.047 | 定子电阻(Ω) |
F1.12 | 7.6 | 定子电感(MH) | | F1.12 | 7.9 | 定子电感(MH) |
F1.13 | 0.029 | 转子电阻(Ω) | | F1.13 | 0.032 | 转子电阻(Ω) |
F1.14 | 7.6 | 转子电感(MH) | | F1.14 | 7.9 | 转子电感(MH) |
F1.15 | 7.3 | 互感(MH) | | F1.15 | 7.5 | 互感(MH) |
F1.16 | 90.7 | 空载电流(A) | | F1.16 | 88.2 | 空载电流(A) |
F3.00 | 1.5 | P1 | | F3.00 | 1.5 | P1 |
F3.01 | 1.5 | I1 | | F3.01 | 1 | I1 |
F3.02 | 2.5 | P2 | | F3.02 | 2.5 | P2 |
F3.03 | 0.5 | I2 | | F3.03 | 0.5 | I2 |
F3.07 | 160 | 电动转矩限定 | | F3.07 | 160 | 电动转矩限定 |
F3.08 | 160 | 制动转矩限定 | | F3.08 | 160 | 制动转矩限定 |
F5.05 | 32 | X5速度/转矩控制切换 | | F5.11 | 5 | PA/PC速度高于信号 |
F5.11 | 5 | PA/PC速度高于信号 | | F5.15 | 14 | FDT电平 |
F5.15 | 12 | FDT电平 | | F6.08 | 4 | AO1输出转矩指令电流 |
F6.03 | 0.012 | 模入滤波时间(S) | | F6.10 | -90 | AO1零偏 |
FA.03 | 1 | 风机一直运行 | | F6.11 | 1.8 | AO1增益 |
FB.00 | 512 | 编码器线数 | | FA.03 | 1 | 风机一直运行 |
FB.04 | 5 | 零速检测值(RPM) | | FB.00 | 512 | 编码器线数 |
FD.00 | 9 | 仅显示运行频率和电流 | | FB.04 | 5 | 零速检测值(RPM) |
| | | | FD.00 | 9 | 仅显示运行频率和电流 |
为保证提升的平稳性，合理选择加减速方式是非常必要的，实践证明选用S曲线启停方式非常适合提升，即：电机刚启动时以极低速度运行一段时间，其间加速度也较小，然后再以与加速时间相对应的加速度将电机速度提高，接近设定速度时再以较小加速度运行至设定值。减速过程与加速过程类似。这种方式可有效地减小电机启/停时的冲击电流。
四、总结
抓斗行车变频改造后，很好地解决了主/闭钢丝绳受力平衡问题，软启软停方式大大降低了起制动时的冲击电流，再加上变频器本身具有完善灵敏保护功能，极大地提高了行车运行的可靠性，延长了系统的使用寿命。以下为改造后的有关数据：（以一年前改造的三台行车为例）
·钢丝绳消耗仅为改造前的20%；
·电机从未烧坏，改造前为平均1台/月；
·其它低压电器及机械设备的寿命也得大大提高；
·总维护成本为改造前的10~15%；
·实际运行中，主卷和闭合电机二者的运行电流相差仅3A左右，出力均衡度极高，证明TD3000确实是优秀高性能矢量控制型变频器。
以下是新老系统的各项对比：
抓斗行车新老系统对比 |
项目 | 老系统 | 新系统 |
主要控制手段 | 串级调速，继电器-接触器硬件逻辑 | 变频调速，PLC软件逻辑 |
调速性能 | 有级，且调速范围小 | 无级 |
速度控制 | 开环，精度低 | 闭环，精度高 |
最低运行频率 | 较高频率 | 可到0Hz |
起/制动冲击电流 | 直接投高速档时，7Ie | 2Ie |
钢绳受力平衡功能 | 无 | 有，且精度非常高 |
控制元件可靠性 | 继电器-接触器，低 | PLC，高 |
控制元件寿命 | 继电器-接触器，低 | PLC，高 |
故障率 | 高 | 低 |
维护技术要求 | 高 | 低 |
维护成本 | 高 | 低 |
综合产能 | 低 | 高 |
