细论钢厂行车自动控制系统的改造

何明阳

摘 要：行车作为物料搬运机械，应用十分广泛，钢厂物料搬运尤其依赖行车。对钢厂中行车的应用及控制系统进行研究分析后，利用 PLC 在行车的运行控制系统中对继电接触器的代替，以及变频器对调速系统进行改造，提高工作效率，取得预期效果。

关键词：可编程逻辑控制器（PLC） 变频器 行车

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-039-02

1 前言

行车作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位。经过几十年的发展，我国行车制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了行车的技术进步，但在实际使用中，结构开裂仍然时有发生，究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。因此，除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。由于传统行车的电控系统采用交流绕线式转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，因此电气控制上应采用PLC及平滑的无级调速是解决问题的有效手段。

2 改造前设备现状

一炼钢行车主钩起重15t、副钩3t，现因该设备使故障率较高对其进行电气改造，行车机械配置：

主钩：起重量：15t；电机型号：YZR315M-10，63 KW；

副钩：起重量：3t；电机型号：YZR250M-10，30 KW；

大车：电机型号：YZR180M-8，7.5KW两台；

小车：电机型号：YZR160M2-6，3.7KW。

3 存在的问题

传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕线式电机转子串电阻的方法进行启动和调速，继电-接触器控制，这种控制系统的主要缺点有：

（1）由于起重设备工作环境相对差，工作任务繁重，电动机及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。

（2）继电-接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高。

（3）转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。

4 改造需求

采用行车控制上使用成熟且先进、稳定、可靠的变频调速控制系统，能延长电机使用寿命，对电网波动小，启动调速平稳且启动力矩大。

采用PLC集中控制，可根据工艺及时调整控制方式，布线精简，维护方便。

采用文本显示器，能实时监控行车运行状态及故障指示，便于迅速检修及排除故障。

该系统备件通用性强， 不需储存特殊备件。

5 改造方案

根据上述现场设备实际情况及改造需求，本方案采用技术先进可靠的西门子PLC作为主控制器，ABB变频器作为主提升、大小车的无扰节能调试控制单元，同时在操作室配备西门子文本显示单元实时显示行车运行状态和故障信息。图1为行车改造示意图。

图1 行车改造示意图

说明：图中控制柜布置西门子PLC控制器和主提升、大小车变频控制器；电阻柜放置应急旁路时主提升、大小车的电阻；操作室操纵台为对主提升、大小车、电磁铁控制；监视屏箱为操作室操作员对行车状态及故障检测的信息指示屏。

图2 行车的PLC控制系统

说明：行车的PLC控制系统主要负责主提升、大小车的控制，限速保护，行走限位开关等。

主提升电机的采用变频控制及应急旁路控制，正常情况下由变频器控制主提升电机的升降功能，应急情况下由旁路接触器控制主提升电机的升降。

大车行走采用变频控制及应急旁路控制，正常情况下由变频器控制大车电机的行走功能，应急情况下由旁路接触器控制大车电机的行走。

小车行走采用变频控制及应急旁路控制，正常情况下由变频器控制小车电机的行走功能，应急情况下由旁路接触器控制小车电机的行走。

6 改造措施说明

本方案以系统运行安全可靠、器件配置经济、操作简单实用为原则，对原有行车进行改造，具体的安全保障及设备器件改造方案如下：

增加主钩、大车、小车行走进行变频器。带应急旁路，电阻器配套不锈钢电阻，平衡切除。使用操纵杆（操纵杆四个方向都为三档），操纵杆每移动到一个档位，都送出一个开关信号（干接点）到S7-200的PLC系统，PLC根据不同的输入档位来控制大车或小车的运行速度或方向。操纵杆分左操纵杆和右操纵杆；左操纵杆有前后三档控制主提升的升降，按照操作手柄的前进或后退控制提升机逐级提速下降或上升，左右档控制电磁铁，手柄的中间位置为停止档。右操纵杆分左右三档和前后三档，左右三档分别为大车左右行走三档速度，前后三档为小车前进后退三档速度，中间位置为大车和小车的停止位。

为了提高该行车系统的人机交互性，在驾驶室内便于驾驶人员观察的地方安装一台西门子的文本显示器，可以更直观的了解行车运行情况及故障情况。当行车运行异常或出现故障时，文本显示器通过文字的方式来提醒操作人员和维护人员进行故障判断，减少了维护人员查找故障时间或系统带故障运行。

由于现场环境比较恶劣，为了提高电气设备运行稳定性和延长设备的使用寿命，控制柜体采用全密封方式设计，电缆进出线采用下进线，进线采用电缆锁头对进出向电缆进行密封，使柜体防护等级达到IP43以上。考虑到行车设备需要维护时，维护人员需频繁对控制系统进行电源分合闸操作，在配电柜门上安装总电源断路器的操作手柄，维护人员不必打开柜门便可对系统送电或断电，可减少由于频繁打开柜门而导致太多灰尘进入配电柜内；在检修柜内器件时，只有在断路器断开的情况下才能打开柜门，防止柜内带电检修或检修完成后，检修人员忘记关上柜门而离开了现场，因为只有关上柜门后才能合上断路器为行车送电运行。

为了提高行车操作的合理性，在驾驶室的操纵台上配有类似于机车启动的电源启动钥匙开关，当钥匙拔出取走后，非专业人员将不能启动行车电源，保证了行车操作的专业性。

在行车桥架两端焊接大车左右限位的行程开关，开关采用机械动作开关的常闭点，然后在行车轨道两端极限位置处各焊接一个斜面档板，当行车导轨方向行走到左端或右端的极限位置时，行程开关触碰到限位挡板后动作使大车停止，防止大车左右行走超出限位后造成机械碰撞。

在行车小车桥架两端焊接小车前后限位的行程开关，开关采用机械动作开关的常闭点，然后在行车小车桥架轨道两端极限位置处各焊接一个斜面档板，当行车小车桥架导轨方向行走到前左端或后端的极限位置时，行程开关触碰到限位挡板后动作使小车停止，防止小车前后行走超出限位后造成机械碰撞。

为了保证提升机安全运行，防止由于电气控制上的失控而造成提升物体超速下落，在提升机的电机上安装限速开关，当提升电机失控或受外界重物牵引导致电机转速超过1000转/分时，提升机限速开关动作并发出报警信号，PLC停止提升电机的运行状态，同时提升电机制动器抱闸，防止电机超速或物体掉落带来的危险。

在提升机提升重物时，提升高度是不能超出钢绳的提升上限，如果由于操作人员操作失误或上升控制失控，到达上限后未能及时停止提升，提升卷扬机将继续对钢绳收卷，而钢绳下端的抓斗受机械卡住停止上升，在这种情况下很有可能将钢绳拉断造成抓斗及提升重物下落。为提高生产安全保障，在卷扬机末端安装钢绳收绳限位开关，限位开关是根据钢绳卷筒的变比一般为80：1，当抓斗和重物提升到上限位时，设定好的收绳限位开关动作，提升机停止提升，提升电机制动器抱闸，防止提升机继续提升造成的安全事故。

在行车桥架上两端的检修门上各安装一个限位开关，防止行车有相关人员在行车桥架上对行车检修或维护时，驾驶人员在不知情的情况下对行车进行操作。如果行车桥架上有人在工作，桥架两端的门打开，此时大车电机、小车电机和提升机将不能运行，同时制动器处于抱死状态。

在驾驶室的门上安装限位开关作为行车可驾驶操作的前提条件，用于防止由于操作员不遵守操作规程或粗心大意造成安全事故。例如防止驾驶员进行工作交接时，一个驾驶员准备上下驾驶室而另一个驾驶员在操作大车，容易对正在上下驾驶室的人员造成伤害，或者驾驶室的门没有关好也可能造成安全事故。如果驾驶室门限位开关动作，行车将停止运行，大车电机的制动器将自动抱闸，为驾驶人员提供安全保障。

为保证系统操作的有序性和可靠性，所有主回路的接触器继电器都通过PLC的DO点输出控制，这样可完全杜绝操作人员违章操作或误操作。主回路中采用正反转接触器实现电机换向，实际操作中操作者为了对吊件准确定位，频繁采用反接制动（俗称打反车），切换电流大，接触器和电机工作状态恶劣，设备检修维护费用非常高。

7 效益分析

变频改造后因变频节约电费计算：每天行车运行于变频实际约15小时，变频器节电为40%即：节约电费=0.5元/KW·h？30KW？5小时？00？0%=117000元。

8 行车改造实际测试结果

通过测量行车改造前后电度表读数来计算节能效果，如表1。