关键词：斗轮堆取料机，PLC，软起动，变频器，无线通讯
1 引言
绥中发电有限责任公司储煤场为条形煤场，采用斗轮堆取料机进行堆煤（铁路或港口来煤）和取煤作业。一期工程安装二台俄制узр-1200/1500型斗轮堆取料机，即：堆料出力1200吨/小时，取料出力1500吨/小时。
斗轮堆取料机的动力电源供应是通过电缆卷筒引导6KV电缆到大车尾车平台上，分别通过动力变压器（6KV/0.4KV）向各部分的电动机供电，通过控制变压器（6KV/0.23KV）向控制系统及照明系统供电；使用多芯柔性电缆通过控制电缆卷筒，实现斗轮堆取料机与煤场输送皮带实现堆料联锁，并向集中控制室发送堆、取料工况信号。
斗轮机的电控系统主要是由悬臂皮带减速机驱动电机（鼠笼式异步电动机，75KW）的控制、轮斗的减速机驱动电机（鼠笼式异步电动机，75KW）的控制、悬臂俯仰油泵电机（鼠笼式异步电动机，15KW）及液压站电磁阀的控制、回转机构减速机驱动电机（鼠笼式异步电动机，2×11KW）及制动器的控制、行走机构驱动电机（鼠笼式异步电动机，4×11KW）及制动器的控制、动力电缆卷筒驱动电机（绕线式异步电动机， 11KW）及制动器的控制及控制电缆卷筒驱动电机（绕线式异步电动机， 11KW）及制动器的控制等六方面组成。
原电控系统在运行一段时间后出现了很多问题：
（1）因为斗轮机工艺的需要，其电控系统是由6面控制柜，270多个继电器组成，故障点多，处理缺陷耗时较长，维护工作量极大。
（2）在控制室与配电室之间直接联系电缆数量大，因为斗轮机悬臂需要经常俯仰和回转，这些电缆在斗轮机中间旋转部分的电缆室内要经常做往复运动，电缆损坏周期短，更换数量较大。
（3）悬臂皮带及轮斗电动机的起动装置元器件老化，抗干扰能力差，一些对电动机的基本保护不能正常工作，且调整不方便，造成电动机起动时电流比较大，对机械设备造成冲击，尤其是对直接铲煤的轮斗冲击最为明显。
（4）动力电缆及控制电缆卷筒在卷取电缆的时候，采用绕线式电动机转子串电阻的方法来调整转速，在放电缆的时候采用电缆时，将绕线式电动机的转子回路开路，让电缆直接拽着卷筒运转，这个拉力对电缆损害很大；同时电缆卷筒转动与行走经常不同步，也易造成电缆被拉断，发生接地、短路事故，影响了动力电源的供应，影响斗轮堆取料机与煤场皮带的联锁。在机组正式商业运行的3年中，分别对动力电缆进行3次更换，控制电缆2次更换，最后在走车的时候，安排一名运行人员专职看护电缆，这样做不仅危及运行人员的人身安全，而且增加了人工成本；造成了直接经济损失。
绥电公司一期工程装机容量为1600MW，满负荷运行日燃煤约1.5万吨，煤场最低存煤警戒线为13万吨；因为斗轮堆取料机故障频发，导致输煤系统重要设备失去备用时间较长，维护费用偏高，其电控系统的现状已经不能满足日常生产的需要。因此，为了满足绥电机组大负荷运行，提高经济效益，必须对绥电的斗轮机电控系统及主要电动机的起动方式进行现代化改造。
2 改造方案的确定
由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行的长期连续性，本着最高性能价格比的原则，经过考察论证，我们选用了具有现场分布式I/O结构的SIEMENS公司S7-300可编程序逻辑控制器（PLC）作为斗轮机电控系统的核心设备；保留原回转及行走机构的日本HITACHI J300变频器，对行走控制方式进行优化；将悬臂皮带及轮斗电动机改造为使用美国AB公司150-A180NBDB-8L4型软起动器软起动的方式，并增加旁路系统，提高可靠性；将控制电缆卷筒取消，更改为点对点无线数字通信系统；为了降低机械成本费用，保留原来的动力卷筒机械结构，而是采用通用变频器的力矩控制方式，保证动力电缆卷筒平稳、可靠的运行。
3 控制系统的组成
（1）PLC控制系统的硬件配置
从工艺要求、I/O点数、扫描速度、自诊断功能等方面考虑，选用了SIEMENS公司的S7-300PLC，CPU选型为315-2DP。在配电室设计了一个主控制站，主要是采集车下设备的输入信号（如继电器辅助触点、传感器）和发出指令控制配电室内执行元件（中间继电器、指示灯）；在控制室设计了远程机柜，内有PLC系统的2个远程I/O子站，主要是采集车上的设备输入信号（如按钮、传感器）和发出指令等等。在主站与从站之间采用一根屏蔽双绞线，利用PROFIBUS总线结构进行通信（见图一），这样一来，除了一些必要的接线，车上和车下的联系使用的电缆数目不到原来的2/3，大大减少了维护工作量，提高了设备的可靠性。
S7300-PLC的程序编制使用SIEMENS公司提供的STEP 7组态软件进行，采用LD梯形图编程，便于电气维护人员理解和学习。并且在CPU上预留了编程器通讯接口，通过编程电缆，连接好编程器，可以快速对故障进行诊断，大大加快缺陷处理速度，同时在工艺发生变化的时候，可以很快的进行程序更改，而不必花大力气进行电气控制回路的改造。
（2）无线数字电台
无线数字电台是用于需要实时处理应用的数据的遥测无线设备，它使用为微处理机控制和数字信号（DSP）处理技术，即使在很恶劣的条件下也能提供可靠的服务。针对输煤系统的环境状况及输煤运行人员大量使用对讲机的实际情况，我们选用了使用可靠，免维护的美国MDS数字电台。每一台斗轮机都需要一套点对点无线通讯系统，每套系统由2个电台组成，一台连接到安装在斗轮机配电室的PLC，作为无线通讯从站，另一台连到远程站PLC，作为无线通讯的主站（见图二），该从站并且与输煤程控系统的子站PLC进行数据交换，完成斗轮机与煤场皮带堆料联锁及斗轮机在集控室的操作员站画面上的工作状态显示。
MDS数字电台质量可靠，保证了联锁信号的稳定性，加强了集控室对煤场的监视；同时，取消的电动机及制动器还可以再利用作为动力电缆卷筒的驱动部分的专用备品。
无线数字通讯系统的使用，保证了联锁信号的稳定性，减轻了运行人员和检修人员的劳动强度，节省了大量控制电缆的更换费用，经济效益十分明显。
4 电动机起动方式的优化
（1）悬臂皮带及轮斗电动机的软启动起动
悬臂皮带及轮斗的电动机，安装在斗轮机的金属架构上，在悬皮和轮斗电动机启动时，则会出现很大启动电流，并由此产生强烈的机械冲击。而利用软起动装置，起动时间，起动电压等参数可调，可以使其输出电压按一定规律上升，使被控电动机的电压逐渐平滑的升到全电压，起动电流上升平滑上升至设定值，从而满足起动转矩的要求，保证起成功。
根据悬臂皮带和轮斗的负载的性质：静止负载比较大，一旦起动后，电动机的阻力矩反会减少；针对这中负载性质，在实际起动中，加了一个短时的高电压（UK，其值和时间是可以设定的），通常将这种软起动方式称为的电压突跳起动方式，（见图三）。
采用软启动器，起动特性曲线好，使电动机和其附属机构无冲击，平稳加速，使供电线路和整个传动系统承受最小的可能冲击。为了提高设备的可靠性，对于这两台设备的软启动装置又加装了由交流接触器构成的旁路系统，在电机正常启动后，切除软启动装置的运行，由旁路接触器继续保持电机的运转；旁路装置还可以在软启动装置需要维修的时候，在一定时间内，用来直接启动这两台设备，提高了设备的可靠性。
（2）行走及回转的变频控制优化
行走及回转变频器原来设计为可以在0-50Hz范围内调整速度。通过实际观察，发现行走频繁调整速度在我公司输煤运行方式中实际意义不大，并且频繁大范围的调整行走速度，使电缆卷筒和行走之间的同步情况变的不可预知，容易拉断电缆；如果将行走电机制动器调整过紧，在行走停止瞬间又会引起整个机体的震动；因此，根据运行状况和实际需要将变频器的调速范围变窄，为20-30Hz。同样的原因，为了防止回转速度过快造成悬臂撞击机械止挡器，为了防止取料时造成轮斗与煤堆过度撞击而使轮斗电机过载，根据实际运行状况需要，将回转速度限制在0-20Hz范围内平滑调整。电动机的实际转速被大幅降低后，电动机的同轴冷却风扇散热能力不如以前，但该设备安装在室外，自然通风条件比较好，在加上不需要连续长时间运行，电动机的温升一直符合规定，所以在低速条件仍然可以使用原来的电动机，无需更换成专用的变频电机，节省了部分造价。
（3）动力电缆卷筒电动机的变频器力矩控制
动力电缆卷筒电机为绕线式电动机，在本次改造中，为了节约资金，将电动机的转子部分短路，使其相当于鼠笼式电动机，使用LG IV5变频器加矢量编码器闭环控制，保证动力电缆卷筒在调速的过程中，保持恒定的力矩，提高电机的传动的质量；所谓矢量控制就是磁场与力矩互不干涉，按指令进行力矩控制方式；使用编码器，能够分别独立的控制磁场电流和力矩电流，因而实现了在极低转速时的平滑运动和高力矩高精度的速度、力矩控制。同时为了保护6KV动力电缆，在卷筒电动机的联轴器处，加装了电机轴转动检测传感器，如果在大车行走3秒后，还未检测到电缆卷筒驱动电机轴转动的信号，将停止大车的行走，并在控制室发出预告信号；在加上电缆配重处的电缆拉紧保护，全面构成了动力电缆的保护系统，以保证动力电缆的正常卷取。
5 改造小结
（1）#2斗轮机先于#1斗轮机的改造，控制电缆改造成无线通讯后，使用正常，但就在#1斗轮机无线通讯系统改造完并投入试运行的时候，出现了#2斗轮机通讯不正常，联锁信号不稳定现象；通过分析和专业软件诊断，原来是两台斗轮机的电台的通讯参数设定一致而造成通讯互相干扰，重新设置#1斗轮机的通讯参数后，问题得到解决。
（2）动力电缆卷筒变频改造时，为了节约费用，使用的是原来的旧的电动机，需要在电机转子轴末端加装支架并安装一个编码器；现场施工的方法是使用手枪电钻在转子轴末端开盲孔，这样一来，因加工工艺造成编码器与电机轴之间的连接同轴度高于标准值，使编码器发出的脉冲信号不正常，造成动力电缆卷筒变频器丢转停运，并出现“编码器故障”提示信息；解决的办法是更换了高质量的编码器专用的联轴器，尽量改善了同轴度，这种因施工工艺造成的问题在今后类似 的改造中应多加注意。
（3）不足之处：从长远看来，应该在控制室远程机柜柜门上加装可触屏监控系统。主要用来做一些故障诊断，指导运行人员在异常情况下的运行操作；同时对斗轮堆取料机设备进行寿命管理，记录主要电动机的累积运转时间，主要接触器动作次数等，甚至对主要电动机的历史电流进行追忆，这些工艺在程序上很容易实现，有了这些设计，可加强对主要设备的故障诊断，提高缺陷处理速度，更对输煤系统重要设备实现点检定修有十分重要的指导意义。
6 结束语
绥电公司的两台斗轮堆取料机电控系统自改造投运以来，性能比较稳定，能够满足输煤系统的接、卸煤任务，能够适应绥电双机大负荷运行的燃煤要求，保证了正常的生产，为运行人员操作提供了方便，减轻了检修维护人员的工作量，是现代控制技术的在电厂输煤系统的一次有效应用。
参考文献：
1、《变频器的应用与维护》 冯垛生 华南理工大学出版社
2、S7-300 PLC用户手册 西门子公司
3、AB 软起动器用户手册 AB公司
