1 引言
某廠抓礦行車采用繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串接頻敏電阻器進(jìn)行啟動和調(diào)速，這種繼電器-接觸器控制方式在實(shí)際運(yùn)行中存在著以下問題:
(1) 行車工作環(huán)境惡劣，工作任務(wù)繁重，電動機(jī)所串頻敏電阻器燒損、斷裂和接地故障時有發(fā)生，造成電動機(jī)頻繁燒損;
(2) 由于機(jī)體震動及導(dǎo)電性粉塵環(huán)境，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的可靠性差、故障率高、維護(hù)困難、維護(hù)費(fèi)用高、檢修工人疲于維護(hù);
(3) 轉(zhuǎn)子串頻敏電阻器調(diào)速，機(jī)械特性軟，負(fù)載變化時，運(yùn)行不平穩(wěn)，且運(yùn)行中頻敏電阻器長期發(fā)熱，電能浪費(fèi)嚴(yán)重;
(4) 各接觸器在大電流狀態(tài)下頻繁分?jǐn)?、吸合，造成電網(wǎng)高次諧波污染嚴(yán)重，電網(wǎng)功率因數(shù)低。
于是該廠采用了PLC代替了繼電器-接觸器控制，將變頻器代替電動機(jī)轉(zhuǎn)子串頻敏電阻器的調(diào)速方式，改造后，運(yùn)行效果顯著，解決了以上問題。

2 PLC控制的行車變頻拖動系統(tǒng)組成
2.1 系統(tǒng)組成
行車的大車、小車、抓斗提升、抓斗開閉電機(jī)都需獨(dú)立運(yùn)行，大車有兩臺電機(jī)同時驅(qū)動，小車、抓斗提升、抓斗開閉各為一臺電機(jī)驅(qū)動，整個系統(tǒng)有5臺電機(jī)。為了保證各部分安全運(yùn)行互不影響，采用了4臺變頻器拖動，并用4臺PLC分別加以控制，系統(tǒng)組成如圖1所示:

圖1 PLC控制變頻拖動系統(tǒng)組成

PLC接收主令控制器的速度控制信號，該信號為數(shù)字量控制信號，信號電平為AC220V。這些信號包括:主令控制器發(fā)出的正、反轉(zhuǎn)信號、電機(jī)過熱保護(hù)信號、安全限位信號及啟動、急停、復(fù)位、零鎖等信號，全部信號采用匯點(diǎn)式輸入。PLC針對這些信號完成系統(tǒng)的邏輯控制功能，并向變頻器發(fā)出起、停、正、反轉(zhuǎn)及調(diào)速等控制信號，使電動機(jī)處于所需的工作狀態(tài)。
變頻器接收PLC提供的控制信號，并按設(shè)定向電機(jī)輸出可變頻、變壓的電源，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。操作人員按實(shí)際需要通過主令控制器向PLC發(fā)出各種控制信號。
提升電機(jī)在下放重物時，電機(jī)反轉(zhuǎn)，由于重力加速度的原因，電機(jī)處于再生制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并存儲在電壓型變頻器的濾波電容器的兩端，使直流電壓不斷上升，甚至能夠擊穿電器絕緣，當(dāng)電壓上升到設(shè)定值時，接入泄能電阻來消耗直流電路的這部分能量，保證變頻器安全運(yùn)行。
2.2 變頻器與PLC通信
系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬量或開關(guān)量方式控制變頻器。系統(tǒng)中，小車及提升變頻器通過選件模塊連接至Profibus-DP總線上，綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性及穩(wěn)定性，系統(tǒng)選用PPC-3作為數(shù)據(jù)傳輸格式，波特率選擇387.5kbps。采用總線結(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，具體表現(xiàn)如下:
(1) 布線簡單
只需1根兩芯的屏蔽雙絞線，而采用別的方式至少要4根電纜，從而減少了維護(hù)工作。
(2) 給定穩(wěn)定
避免了因信號的漂移、電磁干擾等諸多因素而引起模擬量給定抖動，因此系統(tǒng)速度給定更加可靠。
(3) 速度連續(xù)
相對于采用開關(guān)量作為速度給定的系統(tǒng)，速度給定由離散量變成了連續(xù)量，使得變頻器可以接受來自ＰＬＣ的速度微調(diào)指令，以實(shí)現(xiàn)抬吊作業(yè)平衡。
2.3 備用應(yīng)急系統(tǒng)
當(dāng)總線干纜或總線上某點(diǎn)出現(xiàn)損壞時，有可能使系統(tǒng)無法正常工作。因此，系統(tǒng)中設(shè)有一套備用的系統(tǒng)，以防止緊急情況下總線不能正常使用，但又不能停止作業(yè)的工況。變頻器設(shè)有兩套控制方式，一套采用總線通信，用于正常控制;一套采用開關(guān)量控制，用于應(yīng)急狀況。通過PLC切換兩套參數(shù)，兩套參數(shù)在手柄檔位的速度給定上完全一致，因此從使用角度感覺不出兩套參數(shù)的切換。
2.4 同步與糾偏
行車在抓斗提升抬吊作業(yè)時，系統(tǒng)進(jìn)入自動糾偏模式，以保證吊鉤在抬吊時鋼絲位置同步。由于機(jī)械安裝時磨擦阻轉(zhuǎn)矩，機(jī)械抱閘的調(diào)整不可能完全一致，因此系統(tǒng)不采用動態(tài)實(shí)時糾偏，而采用一種折衷方案，其工作原理為:首先，系統(tǒng)在ＰＬＣ中設(shè)置2個閾值，閾值1用于啟動吊鉤的自動糾偏，閾值2用于結(jié)束自動糾偏;其次，ＰＬＣ讀入安裝在起升卷筒上編碼器的數(shù)據(jù)并實(shí)時計算起升高度;再次，ＰＬＣ比較所讀入的2個起升高度，當(dāng)2個高度之差大于閾值1時，ＰＬＣ將一個微小的速度偏差量疊加在由手柄確定的基準(zhǔn)速度上，當(dāng)兩個高度之差小于閾值2時，取消該偏差量，通過慣性進(jìn)一步減少起升高差;比較后，ＰＬＣ將計算合成后的速度值能過Profibus-DP下載至變頻器中，作為抓斗提升電機(jī)的速度給定。
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3 PLC軟硬件設(shè)計及應(yīng)用
3.1 PLC的硬件設(shè)計
行車大車、小車、抓斗提升、抓斗開閉電機(jī)分別由不同的PLC控制，大車、小車、提升、開閉電機(jī)都運(yùn)行在電動工作狀態(tài)，變頻器及PLC的控制結(jié)構(gòu)及軟、硬件實(shí)現(xiàn)基本相同。提升電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有電動、反接制動、再生制動等狀態(tài)，變頻器及PLC之間的控制結(jié)構(gòu)較大車、小車復(fù)雜。以提升電機(jī)為例，其PLC的I/O接線如圖2所示，變頻器接線圖如圖3所示。
3.2 車的工作過程

圖2 PLC系統(tǒng)的I/O接線圖

圖3 變頻器接線圖

當(dāng)行車的駕駛室及橫梁攔桿的門關(guān)好后，1#、2#安全開關(guān)的常閉接點(diǎn)打開，急停開關(guān)斷開，主令控制器置于零位，此時才能按下啟動按鈕，接通電源。當(dāng)主令控制器置于上升檔位，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)速度檔位，控制變頻器輸出不同的電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)抓斗提升電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)主令控制器置于下降3擋且滿負(fù)荷時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，此時電機(jī)處于反接制動狀態(tài)。當(dāng)主令控制器置于下降2擋且負(fù)荷較重時，為強(qiáng)制下降階段，電機(jī)反轉(zhuǎn)，在重力加速度的作用下，電機(jī)進(jìn)入再生制動狀態(tài)。另外，當(dāng)電機(jī)由穩(wěn)定高速向低速換檔極快時，電機(jī)也會進(jìn)入再生制動狀態(tài)。當(dāng)主令控制器置于下降1擋時，電機(jī)反轉(zhuǎn)，處于電動狀態(tài)。運(yùn)行中，不論何種原因電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，為防止重物急速下降，保留了原來的三相液壓制動器。
在緊急狀態(tài)下，可按下急停按鈕，一方面機(jī)械制動器動作，另一方面，將變頻器緊急停機(jī)控制端EMS接通，變頻器停止工作。當(dāng)抓斗提升電機(jī)因故障跳閘，熱繼電器動作，電機(jī)過載等動作，在故障排除后，可按下復(fù)位按鈕，接通變頻器復(fù)位控制端RST，使變頻器恢復(fù)到運(yùn)行狀態(tài)。
3.3 PLC的軟件設(shè)計
選用FXON系列PLC，采用摸塊式編程，具體模塊如下:
(1) 高度換算功能塊。用于將格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成起升高度及起升高度偏差調(diào)整;
(2) 變頻器開關(guān)量控制功能塊。用于大車、小車及抓斗起升變頻器起動、停止和速度給定的開關(guān)量控制;
(3) 變頻器的通信控制功能塊。用于大車、小車、提升電機(jī)變頻器的啟動、停止、速度給定。還用于變頻器的控制字與狀態(tài)字的讀取。圖4為大車的軟件控制流程圖，小車、提升電機(jī)、開閉電機(jī)的軟件流程圖和大車的相似。
3.4 安全保護(hù)措施
(1) 配電部分:除設(shè)有缺相、過流、短路等保護(hù)外，還在行車兩側(cè)端梁及平臺處設(shè)置2只安全開關(guān)，只有開關(guān)均閉合時，才允許行車運(yùn)行。在行車上還設(shè)有登機(jī)請求及應(yīng)答按鈕，用于行車工作中其它工作人員的安全登機(jī)。
(2) 變頻器部分:選用的ACS600系列變頻器具有電機(jī)過載、缺相、接地、過流、直流母線過壓等保護(hù)，抓斗提升電機(jī)及小車變頻器當(dāng)切換至總線控制方式時具有通信故障監(jiān)視功能。
(3) 行程開關(guān)保護(hù):各機(jī)構(gòu)均設(shè)有行程限位保護(hù)。單動工況時，小車及抓斗提升限位開關(guān)各自獨(dú)立;聯(lián)動工況時，小車1后限位及小車2前限位作為聯(lián)動工況允許條件，小車1前限位及小車2后限位做為小車限位，起升1及起升2只要有一個限位動作，則視為起升限位。
(4) 其它保護(hù):所有機(jī)構(gòu)均有零位保護(hù)、過流保護(hù)。抓斗提升機(jī)構(gòu)還有超載保護(hù)及超速保護(hù)。當(dāng)超速開關(guān)動作時，斷開變頻器主接觸器電源。

4 結(jié)束語
PLC控制的變頻拖動系統(tǒng)應(yīng)用到行車，各電機(jī)各檔速度、加速時間、制動時間都可根據(jù)實(shí)際工況條件設(shè)定，而且十分方便。從運(yùn)行結(jié)果來看，負(fù)載變化時，電機(jī)速度運(yùn)行平穩(wěn)。設(shè)備的故障率大幅度降低，電機(jī)燒毀明顯減少，同時減少了到電網(wǎng)高次諧波的影響。設(shè)備檢修時排除故障的速度明顯加快，設(shè)備維護(hù)量大大減少。
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