摘要：改造水泥生料调配站设计中，多采用桥式抓斗起重机（简称“桥抓”）把各种辅材抓到各自的小仓，“桥抓”中各电动机使用凸轮操作控制接触器及变阻器的方式，问题很多，大大影响了正常生产。笔者根据变频器、PLC广泛使用所表现出的优良性能，并考察某厂小型桥式起重机改造的方法，对我公司5000t/d生产线生料调配站的16t大型桥式抓斗起重机电气控制系统进行了改造。
关键词：桥式；抓斗起重机；电气；控制系统
1原控制方式存在的问题1.1“桥抓”的结构组成“桥抓”结构主要由4部分组成：大车及行走机构（15kW×2）、小车及行走机构（7.5kW）、抓斗起升机构(90kW)及抓斗开合机构(90kW)。其中，大车及小车机构属于平移机构，主要带动起升机构及物料进行平移行走，抓斗起升机构主要是拖动物料上下运动，而抓斗开合机构主要作用是抓取及释放物料。
1.2传统电力拖动系统的缺点该“桥抓”电气拖动系统采用绕线式异步电动机转子回路串接电阻调速方式，是起重机械中最常见的调速方法。该方法在使用中存在以下问题：1）设备故障率高：因工作环境差，粉尘、腐蚀性气体极易对电动机滑环、碳刷及接触器等造成不良影响，加之电动机启动频繁，电流及机械冲击大，因此日平均故障率可高达数次。2）控制线路复杂：电动机调速级数越多，需要接入的接触器与变阻器就越多，这使得控制线路十分庞大复杂，故障点多。3）功率损耗大：转子回路串入电阻后，电动机转差变大，机械特性变“软”，以热能形式释放的电动机损耗功率增多。4）机械方面：由于电动机启动频繁，电流及机械冲击大，造成桥抓钢丝绳经常断裂。主梁及导轨振幅增大，设备人员极其不安全。5）调速范围窄：由于调速范围小，从而造成速度稳定性差，无法长时间低速下放重物。
1.3实际生产中存在的问题生料调配站中的“桥抓”在运行过程中负载的变化十分复杂，在拖动过程中对转矩要求高，特别要求调速系统在低速包括零速时应能输出较大转矩（>150%额定力矩），动态响应快，能承受四象限力矩的变化。尤其是抓斗的卷扬和开闭电动机在使用过程中反复承受无数次的倒顺转操作，经常受强电流、大力矩冲击，对电动机和机械部件损伤较为严重，故障率高，严重影响生产。由于我公司原电气系统控制设计桥式起重机的使用率只有30%左右，使用过程中由于元器件种类多、数量多、操作频繁，使得电气机械故障增加，有时一天维修多达20次，所以经常存在由于辅材的断料而导致停磨的事故，严重的还可能造成停窑。
2改造方案变频器以其优越的软启动及调速平稳性能与完善的保护功能，可为“桥抓”的传动系统可靠运行提供有利条件，因此采用PLC控制的变频器控制方案对“桥抓”控制系统进行改造。
2.1控制系统功能要求本系统控制核心主要采用PLC来实现整个系统的逻辑控制，主要功能如下：1）各个机构的启/停控制及多段速控制。2）对抱闸及散热风机控制来保证各机构电动机更为合理的进行工作。3）系统安全连锁控制。①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；②各操作手柄未处于零位置时，上电禁止工作（即零位保护）；③主起和开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，同时抱闸动作；④任何时刻断电，系统将立即停止，抱闸动作。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。紧急事故时，司机可按“急停”按钮，切断控制电源，使抱闸闭合。4）系统报警及限位保护。2010.No.4①当变频器出现故障或制动单元出现报警时，停止本机构的一切动作，且抱闸立即闭合，散热风机延时断电；②各机构操作至限位时，限位开关将保护动作、变频器停止输出，以保证人身及设备安全。
2.2电控系统配置按“桥抓”的功能要求及机电设备的型号规格进行电控系统的配置。该“桥抓”电控系统配置见表1。以抓斗起升电动机为例，其控制原理见图1。
2.3改造后的控制系统特性分析1）变频系统与常规电气控制方案相比,省去了电动机转子侧的大功率电阻、加速接触器和电动机正反转交流接触器,降低维护量90%以上，延长电动机寿命。2）采用多段速调速控制，操作方式与原有的一致。但变频控制方式下的“桥抓”多段速调速控制更安全、精确和有效。3）变频控制方式下，电气制动与机械制动相结合，制动平稳可靠。保护负载不受损伤，且减少了部件及结构的磨损和机械应力。采用矢量控制闭环方式，0Hz时起升电动机也能以额定转矩输出，实现零速抱闸，可以全速受控，减少抱闸闭合时的振动及抱闸磨损。4）加减速平滑，使振动和冲击变小，同时减小了负载的晃动，提高了安全性能。无需采用机械变速装置，利用变频调速50Hz以上恒功率调速方式即可将空钩及轻载工况的起升速度提高一倍，类似于直流电机的弱磁升速方式，可大大提高生产率。电控系统配置5）电动机加减速时间可调整，可实现系统的软启动、软停止，速度变化平滑，运行平稳，低速性能稳定，启动电流小。最大不超过电动机额定电流的150%，频繁启动和停止时，电动机热耗减小，延长电动机寿命。对电网容量的影响也大大减少。抓斗起升电动机控制原理序号名称规格型号厂家数量备注1变频器110kW施耐德2升降、开闭2变频器37kW施耐德1一拖二（大车）3变频器15kW施耐德1小车4制动单元CDBR－4110B标配25制动单元CDBR－4045B标配16制动电阻25kW/6.3Ω标配27制动电阻9.6kW/16Ω标配18制动电阻3kW/40Ω标配19 PLC S7-200 SIEMENS 1套10低压电器配套及辅料ABB若干11系统集成柜内装配国标若干12柜体1 600×1 000×600国标213柜体1 600×800×600国标114系统总价160000元系统配套1夏捷:桥式抓斗起重机电气控制系统改造-65-6）能满足起升机构对调速硬度、低频转矩特性及四象限运行的要求;可以长时间低速运行;能有效的防止重载空中溜钩现象。通过观察仪可以观察到其公认的低速力矩特性：矢量控制从零速开始输出150%高力矩运行，可使起重机在低速下平稳启动。在重负荷时，起重机也能在各档速度下平滑运行，在空中停止并重新启动上升或下降时无溜钩现象。7）变频器的“危险速度段设置”可使电动机避免在某一速度或某一速度范围内运行，电动机通过危险速度范围时按照加速或减速积分曲线进行加速或减速。3改造后的使用效果1）启动平滑，对电网、电动机及机械设备无冲击力，充分保证了电气、机械的安全运行。2）加减速特性实现了斜坡特性，抓斗在上下左右的过程中来回摆动的现象减少，保证了人身及设备的安全。3）故障率大大减少，也不再出现启动、加减速过快过猛而造成的钢丝绳断裂、抓斗坠落以及大小车跑出轨道现象。4）节能降耗及经济效益明显。设备故障率减少节省维修费用；提高了设备的运行率，保证了生产的正常运行，经济效益显著提高。改造前后“桥抓”各电动机的耗电数据见表2。表2改造前后的耗电数据对比A2007年5月改造后，经统计可节省电费约9 000元/月（有效运行时间12h/d），电气机械维护费用可节省11000元/月，8个月可收回改造成本。提高了设备运转率，有效解决了因“桥抓”故障造成供料不足影响生产的瓶颈问题。
参考文献：
[1]张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.