基于欧姆龙CP1H的桥式抓斗天车控制系统

1 引言

　　中铝青海公司炭素厂原料库现有4台上世纪80年代中期生产的桥式抓斗天车(沈阳冶金机械厂)，其承担着我厂每年20多万吨散装物料的装卸和转运等工作。抓斗天车是炭素原料石油焦和沥青等散装料装卸、运送的专用设备，这4台天车电气控制采用继电器-接触器控制，串电阻能耗多级调速，其控制水平低。另外，原料库贮存着大量粉装物料，其厂房内碳粉尘多，环境恶劣，电器故障率高，严重影响着炭素原料输送作业，且每年维修费用很高。为解决这种被动局面，我们采用plc、变频器等电气产品对整车电气系统进行了改造。经过2年实际应用，其结果证明其改造效果十分成功，彻底解决了抓斗天车原来电器故障频繁、器件易被烧的问题，天车控制技术得到大幅提高，天车工作效率提高25%以上(原来每班连续作业7小时才能完成的任务，现在只用5小时左右就能完成)；其次采用先进的控制技术和驱动技术，使天车运行更加节能，高效，安全，可靠。

2 系统设计与主要配置

　　2.1 电器控制柜

　　由于炭素原料库内炭粉尘多、环境较为恶劣，为更好的提高plc、变频器等电器器件的工作稳定性、延长使用寿命和降低其设备故障，其plc、 变频器等电器器件均安装在密闭的控制柜中。

　　2.2主控制器plc及 hmi的选型

　　由于目前电器产品十分繁杂，在天车改造方案确定后，通过项目论证中，技术人员普遍认为选用欧姆龙产品比较理想，由于欧姆龙的电子产品已在我厂应用十分广泛，其质量高、耐用，其产品货源充足、中文资料丰富、备品备件方便，技术服务方便、国内维修便利等特点。尤其是在炭素企业，其要求控制产品要有很高的抗躁性和耐用性。例如，像欧姆龙生产的plc——c200h、c40p已用了20余年，目前仍然正常工作，其日常维护工作很少，且工作十分稳定。另外，欧姆龙的plc编程方式简单、方便、一线维修人员十分熟悉、了解。此外，cp1h系列plc具有快速的处理器，执行基本指令只需0.1μs；最大支持320点开关量；4入2出模拟量功能，分辩率为1/12000；标准搭载4轴高速计数器功能(单相100khz/相位50khz)和4轴100khz高速脉冲输出；标准usb端口；串行通讯端口可自由选择(rs-232c和rs-485)；支持hostlink、nt link、 compobus/s、 devicenet、 profibus-dp、controllerlink、ethernet、协议宏、modbus-rtu等多种通讯方式及串行plc连接功能；支持cpm和cj1系列plc的扩展单元。其天车主控制plc选用cp1h—x40dt—d；扩展模块cpm1a—40edt。

　　nt20s是欧姆龙公司为小型控制系统设计的中型显示器，是一个简单实用的终端机。nt20s分辩率为256×128点，最大画面数达500幅；nt20s有内存、开关自检，通信和其他条件状态设定确认，简单通信确认等维护功能；还拥有不反光荧幕，可以调换背光灯来延长使用时间；即使在恶劣环境下也能运作。

　　2.3 变频器选择

　　抓斗天车一般工作在频繁启动、制动和重载状态；同时，拖动控制变频器首先要满足生产工艺条件为前提，又要耐用、经济、节能。通过对我厂实际使用的多种变频器性价分析，结合本系统控制功能的要求，选择ctv28系列(施耐德生产)的变频器较为适宜，此系列变频器价低质优、抗燥耐用，易实现模拟量控制等特点，也适合炭素恶劣环境使用。其改造费用低。其天车改造配用的变频器参数如下：

　　(1) 大车变频器选用ctv-28hd41 n4 30kw 20hp 62a 380v50hz 1台。

　　(2)小车变频器选用ctv-28hd12 n4 7.5kw 10hp 17a 380v 50hz 1台。

　　(3)提升变频器选用ctv-28hd41 n4 30kw 20hp 62a 380v 50hz 1台。

　　(4)闭合变频器选用ctv-28hd38 n4 28kw 20hp 54a 380v 50hz 1台。

　　2.4 保留绕线电机

　　为充分利用原有设备的电器备件，降低改造费用，并考虑设备的实际拖动要求，原来采用的绕线式异步电机技术性能完全满足变频调速改造要求。另外，绕线式异步电机具有启动电流平稳、冲击小、调速稳定、动态性好等特点。在抓斗天车变频改造中，我们继续使用了原本的旧电机，由于原料库为室内工作场地，其环境温度通常较低(夏季最高不超过怕19℃)；又天车工作流动性大、非连续方式，故其普通绕线式电机采用变频控制后，不会出现温度过高现象。其电机技术参数如下：

(1) 大车电机：
yzr—160l-6 11kw 2台；
(2) 小车电机：
yzr—132m2- 6 5.5kw 1台；
(3) 提升电机：
yzr—250m1- 6 22kw 1台；
(4) 闭合电机：
yzr—250m1- 6 22kw 1台。

　　2.5 其它电器产品选型

　　根据多年的实际维修统计，欧姆龙生产的各类开关(如感应式、光电式、超声波式等系列)，其十分耐用(有的连续使用20多年后，还仍然工作稳定、准确；过去采购的备件，目前库存很多)。因此，一线技术人员普遍极为信任欧姆龙电器产品的质量，建议抓斗天车改造电器件选用欧姆龙产品较为适合、经济。如e3z——d8(24dcv，omron)接近限位开关十分适合移动设备和恶劣环境条件下工作的天车类设备使用，其动作距离最大可达到32cm、动作灵敏、准确，工作电压低，质量高，抗躁。如我厂阳极组装托盘反转机、浇铸机、悬链输送机、普通天车等设备均使用这类限位开关，其通常工作于长期连续通电状态，近20多年来，除了几次认为机械撞坏外，很少发生烧坏、动作失效、新能老化等异常现象。

　　天车大、小车驾驶操作器选用沈阳一家电器公司生产的天车专用模拟控制方式的联动控制台，其具有模拟信号输出和常规换向输出功能，其模拟量信号变化能与操作手柄转动的角度大小正比例输出，与老式的凸轮控制器操作反腐蚀十分相似。

3 项目实现

　　3.1 原理设计

　　经过综合分析与调查，决定对原料库4台抓斗天车实施plc和变频调速技术改造。采用模拟信号联动控制台实现大、小车无级调速；提升采用5级调速；闭合采用2级调速的控制策略；大小车行走、提升、仓门、平台口安全防护等保护装置，均采用非接触感应式开关或光电式行程开关；天车安全防护、逻辑联锁等措施均采用plc程序实现；天车运行、状态等相关信息进行在线显示、记录和存贮等功能。

　　系统上电后，在无故障反馈情况下，司机室驾驶员通过操作控制台给出运行指令，plc按照一定的指令逻辑关系，控制变频器以一定的速度工作；天车运行全程故障监视，轻故障声光提示，重故障紧急停机。运行数据及历史记录通过rs485串行通讯接口传送到触摸屏用于监视，以便于驾驶员对运行状况能准确的把握，同时也便于工作人员维护。

　　桥式抓斗天车总系统控制原理如图1所示；天车plc部分控制接线原理如图2～图4所示；大小车变频控制接线原理如图5所示；提升、闭合变频控制接线原理如图6所示。

图1 抓斗天车配置与控制系统原理图

图2 plc与大、小车操作控制台接线图

图3 plc与提升、闭合操作控制台接线图

图4 plc与天车保护装置接线图

图5 大车、小车变频调速系统接线图

图6 抓斗提升、闭合变频调速系统接线图

　　3.2 项目评估

　　改造完成后，通过2年的实践运行结果证明，其系统控制和变频调速效果十分理想，达到了改造目的。其效果和特点如下：

　　(1)电气控制采用plc控制技术，使硬件结构接线简单，简化控制设备、联锁可靠、便于维修、方便调试、降低故障，以提高天车的作业效率。该系统保护功能及档位逻辑控制由plc来精确实现，提高了整套系统的准确档次，实现了可靠性高、保护措施全面、控制灵敏等电气控制系统要求的特点。

　　(2)实现了抓斗天车的微动和超低速运行，使大、小车定位更准确，方便驾驶人员的操作，天车工作效率得到显著提高。其次，提高了天车的控制技术性能，大幅减少了天车配线，解决了天车频繁发生故障问题，维修成本大幅降低。

　　(3)采用变频调速技术对大、小车的行走速度，使得调速平滑、定位准确、接线简单、调速性能可靠；超低速控制调速的设计，使天车真正实现了微动控制功能，对实现天车抓料、卸料和运料等作业十分有利。

　　(4)变频控制电机的起动、调速、换向和制动功能，使天车控制、运行更加平稳、安全、可靠。解决了过去大车、小车滑行距离长、抓料过程中频繁撞坏料仓的问题。

　　(5)所有电器控制柜均采用密封性良好的密闭柜，解决了原料库恶劣环境、高粉尘对电器元气件的影响。天车电器方面故障降至2—4次/台·月(改造前平均为28—36次/台月)。

　　(6)完善变的频器保护功能。如过热、过载、过流、过压、缺相、接地等，从而避免设备在不正常状态下天车长时间运行，使拖动电机得到及时保护。

　　(7) 故障、异常信息可准确、迅速地指示在显示器上，极大地方便了操作、维修人员及时了解和排除故障。

　　(8)经济效益显著。每台天车改造费用为32万元，改造前由于天车电器故障高，备件损坏率高，每年维修备件消耗费用(包括维护材料费用)一般在12～14万元/台；改造后年均维修费用降为2.5～2.8万元/台。单台天车改造投资可在3年内收回。

4 结束语

　　用用plc、变频器等器件对我厂炭素原料库4台抓斗天车电气控制系统改造后，天车设备控制水平显著提高，大车拖动系统改进后，实现了大车启动平稳、制动准确、可靠，解决了原来抱闸机械制动不平衡，出现的大车扭动现象。主大、小车拖动系统改进后，实现了超低速控制的要求，提高了桥式抓斗天车抓料作业准确性效率。plc技术的成功应用，使操作控制方便，保护功能完善，互锁功能可靠和方便天车维修工作；欧姆龙plc、变频器等电子产品的完美结合与应用，充分证明了其自动化产品高质量、高性能。