贵冶85t包子吊电气控制系统改造可行性分析

胡 涛

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

贵冶熔炼车间科尼85t包子吊为科尼公司2006年生产，经过长时间的使用，机上电控元件及控制线路已渐趋老化，随着使用年限的增加，电气元件性能下降，可靠性也有所降低，电气系统故障日益频繁使得工人的维修量及日常维修费用逐渐增加，且部分电气元件已经停止生产，科尼变频器配件采购困难、费用高昂，西门子400PLC面临淘汰，产品升级空间不足。电气房柜内线缆凌乱，线号已经模糊不清，查线维修非常困难。变频器柜内安装板松散，在机器运行中晃动强烈。综合全机工况及该机生产使用情况，建议将现有的电气控制系统整理更新，为尽量缩短现场工期，考虑控制柜整体更换。驱动系统采用港迪公司HF500起重专用变频器，控制系统采用西门子最新型S7-1500系列PLC，主机外部结构不变，外部驱动部件与检测元件全部保留利旧。

2 改造总体思路

新控制系统保持科尼行车控制理念不变，电控设计为四大机构冗余系统。主起升机构为双变频器驱动双电机，正常工作为两台主起升电机同步工作，当出现故障时，可由任意一台变频器驱动任意一台电机运行（单台变频器带单台电机运行时，主起升机构降速运行）。副起升电机与主起升电机同步工作。小车机构为两台变频器驱动4台电机，采取一拖二的控制方式。正常工作情况，四台小车电机同步工作，当出现故障时，可由任意一台变频器驱动任意一组电机运行（单台变频器带一组电机运行时，降速运行）。大车增加港迪变频器后，大车也为冗余系统，采用一拖四的控制方式。任何一台变频器均可驱动大车运行。

2.1 整机传动系统

整机传动系统［1］由港迪HF500传动系统替换原科尼变频器，设计选型和提供整套新驱动单元系统，并安装成柜，包括硬件和软件。

（1）拆除电气房内所有控制柜，包括：主起升1/小车1柜、主起升2/小车2柜、副起升柜、大车柜、开关柜、接线柜、电源柜、PLC柜。原柜内的超负荷仪表保留。电气房空调系统保留。2018年改造的大车柜（原电磁铁）保留。

（2）安装重新制作的电控柜，因为外部电缆利旧，新电控柜按照原成柜方案，包括：主起升1/小车1柜、主起升2/小车2柜、副起升柜、大车柜、开关柜、接线柜、电源柜、PLC柜。

（3）重新接线，接线检查可靠，线号应与原理图线号一致。外部电缆标注原电缆的线号，方便现场查线接线。柜间电缆更新。

（4）变频器参数设置(加减速设定与原设定一致)，进行空载、重载运行测试。

（5）更换司机室内的联动台，主令控制器采用S+B公司带编码器手柄实现各机构无极调速，在司机室设置PLC远程分站箱，安装新故障监控系统（触摸屏，电气房及司机室各一台）。

（6）更换各机构制动电阻。电阻电缆利旧。

（7）取消原电磁系统及手电门操作方式，新系统无电磁系统及手电门。

（8） 其他的外部元件、仪器仪表、外部电缆保留。

2.2 PLC控制系统

整机PLC控制系统由港迪公司负责设计选型、提供整套新PLC系统，包括硬件、软件和整机控制程序的编写调试。

（1）整机PLC系统模块的更换：

①电气房主PLC模块及本地IO模块组，IO模块底板留有2个扩展冗余槽，司机室配置有PLC远程站；

②完整可靠的PLC系统通讯网络，包括PLC与本地IO模块的通讯，PLC与远程站的通讯，PLC与传动驱动器的通讯。

（2）提供完整的PLC控制系统的配置图。

（3）各控制线、通讯线接线可靠。

（4）完成最后的PLC系统自身系统的调试、整机控制程序的调试。

（5）增加中文故障监控系统。

司机室布置图如图1，电气房布置图如图2。

图1 司机室布置图

图2 电气房布置图

3 改造电气控制系统技术说明

变频器选用港迪公司HF500起重专用变频器［2］，PLC选用西门子公司S7-1500系列产品，变频器与PLC之间采用profibus-DP总线通讯方式，主要低压元器件采用施耐德电气公司产品，系统配备了全中文故障监控系统。

港迪公司HF500起重专用变频器，速度、转矩控制性能良好，技术比较先进。整机采用PLC控制，不仅降低了故障发生率，还提高了运行稳定性。通过工控机中的故障监控系统监控其运行情况，可以对发生的故障详细记录，帮助点检及维修人员快速发现故障并修复。

详细说明如下：

（1）供电电源为AC380V,50Hz三相四线制,由行车滑线受电器引入，通过电力电缆接入电源控制柜，再经柜内总断路器、总隔离开关、总接触器至各运行机构。

（2）主要设备电源见表1。

表1 关键参数技术指标

（3）主要设备功率见表2。

表2 各机构设备功率及数量

总断路器设置在电源屏中,具有过压, 过流,欠压等各种保护功能。工作电源是从断路器下端至接触器出线端引出, 接至每个控制变频器电源, 向控制变频器主回路供电。操作盘柜上设有急停按钮，在遇到紧急情况下用来切断工作电源。

变频器控制及信号电源为交流220V, 单独设置了单相隔离变压器。同时给各控制回路，PLC电源、超负载限制器等提供电源［3］。

（4）主起升机构。

主起升［4］为2台相同的55kW变频电机，单电机电流约为110A。两台主起升机构各选用一台港迪公司HF500-090-04 （重过载工况电流160A,功率75kW）变频器驱动。变频器上分别带有通讯接口和轴编码器接口模块。它采用了闭环矢量控制模式。该系统具有良好的调速硬度及低频转矩特性。在工频50Hz以下可以保持恒转矩调速模式。起升机构闭环控制的速度反馈采用增量式脉冲编码器，该编码器安装在驱动电机的尾部。PLC与变频器直接通讯方式采用profibus-DP通讯，PLC可以实时读取变频器的数据，并通讯输入给PLC的主令控制器信号控制变频器的频率、电动机的转速状态［5］。

该系统同时支持机械和电气两种制动。一般在停机时采用电气制动方式，它可以提供可控制、平滑的制动性能。而电气制动方式分别有两种：正常斜坡电气制动、快速电气制动。在电机降到零速之后先采用电气制动，后立即施加机械制动。起升机构配置一般都配有液压制动器，在起升卷筒一侧也配置有安全制动器［6］。

每个主起升机构都装有上升及下降的减速、终点、极限6个保护限位，起升卷筒上装有4个防跳槽限位。在起升卷筒的尾部还装有测试编码器用于失速保护［7］。

行车控制电气保护分别有有过电流保护、短路、过负载保护、 欠压及零位保护。当变频器出现故障信号时, 必须通过操作台上的故障复位按钮进行复位。

超负荷保护：当行车吊钩吊重量达95% 额定负荷时，会发声光预警信号，当达到105%额定负荷时，开关信号动作，作起升机构联锁，断开上升工作，只能下放冰铜包子，同时发出报警信号［8］。

（5）小车运行机构。

小车为4台15 kW变频电机，单台电机电流约为31A。选用两台港迪公司HF500-045-04 (重过载工况电流79A,功率37kW）分别驱动两台小车电机。小车机构采用闭环控制，不仅可以提高控制精度，而且有足够的调速硬度、低频转矩特性。系统通过控制器信号输入至PLC、再控制变频器的输出频率及驱动电机的转速［8］。

小车运行机构设有减速限位和终点限位，作为小车前进和后退的保护开关。小车运行的电气保护分别有过电流保护、短路、过负载保护, 欠压等保护［9］；当变频器出现故障信号时, 必须通过操作台上的故障复位按钮进行复位。

（6）大车运行机构。

大车为4台30 kW变频电机，单台电机电流约为62A。选用一台港迪公司HF500-160-04 (重过载工况电流270A,功率132kW）驱动4台大车电机，另2018年更换的港迪公司的另一台变频器做为冗余设计，大车机构也是选用闭环控制模式［10］。在大车行进方向上，分别设置向左、向右大车预减速限位、终点限位，并在两辆行车大车之间和大车与库房大车轨道终点之间相距设置有防撞限位。

（7）联动台。

联动台置于司机室内，用来控制整个起重机的各种运行状态。整个联动台布置保留原先操作习惯，增加改造后必要的指示灯按钮。

右联动台安装主、副起升机构主令控制器，并设有紧急停止开关、运行机构动力电源启动按钮开关和停止按钮开关、主起升选择开关、防摇开关、照明开关。联动台对应开关、按钮设有金属文字标签牌，正确指示其功能。

（8）照明、维修系统。

本机照明及维修系统利旧。投光灯操作设置在联动台上。在司机室、主梁上等处设置维修插座AC250V、16A，AC250V、10A等多种规格。

（9）PLC系统。

85t行车控制系统选用了西门子S7-1500系列，具有模块化结构，及时发送和接收I/O数据。表 3 85t行车控制系统PLC模块型号明细

项目 PLC模块 模块型号 数量1 CPU 6ES75131AL020AB0 1 2 通讯模块 6GK75425FX000XE0 1 3 数字量输入模块 6ES75211BH100AA0 4 4 数字量输出模块 6ES75225HH000AB0 3

（10）故障监控系统。

故障监控系统由PLC、触摸屏组成工控机，可以实现信息共享及数据传输。采用用实时显示故障的位置、信息及一般处理的办法。它可以用于监控各变频器及驱动电机运行、停止的状态,变频器运行参数，比如转速、电流等。工控机故障触摸屏分别装在电气控制室PLC柜门上及司机室联动台，方便点检及操作人员及时的查看85t行车的状态及故障报警信息。

4 可行性结论

本次改造方案主要是着重考虑冶金起重设备运行的稳定性、安全性以及便捷性，在85t行车操作方面跟以前相比将更加简洁、方便，在控制精度也更加精准。既可以使85t行车发挥最大的效能，也可以有效提升85t包子吊起重设备性能，降低设备故障率，降低维护成本，满足工艺生产要求。