王蘭志

摘 要：文章對(duì)定位車行走變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的研究，能夠保證定位車精確、穩(wěn)定的進(jìn)行牽車作業(yè)，改造中采用的“AFE整流回饋裝置+逆變器+PLC+HMI人機(jī)界面+傳感器”的控制方式使定位車系統(tǒng)最終滿足要求工況下的調(diào)速要求，同時(shí)減少對(duì)定位車減速機(jī)和行走驅(qū)動(dòng)裝置的沖擊和損壞，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命；通過(guò)對(duì)定位車大臂俯仰速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的研究，引入了比例閥技術(shù)，通過(guò)和PLC技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)定位車大臂起落速度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，減少了大臂起落時(shí)對(duì)定位車本體平衡的影響，節(jié)約了大臂起落的反應(yīng)時(shí)間。

關(guān)鍵詞：定位車；變頻調(diào)速；比例閥

1 定位車行走變頻調(diào)速的主要特點(diǎn)

定位車行走變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要用于牽引煤炭列車和礦石列車等，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要結(jié)合以下特點(diǎn)進(jìn)行。

（1）負(fù)載變化性

定位車行走變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是用于牽引整列裝滿煤炭或礦石的火車，由于所裝載的貨物品質(zhì)不同，以煤炭為例，分為數(shù)十種，其密度各不盡相同，分布在0.5～1.80g/m?之間。而且煤炭裝車條件也不同，分為人工裝車和機(jī)械設(shè)備裝車，因此裝載量差別較大。按每節(jié)車廂裝載62t煤炭為例，整列車偏差最大可達(dá)180t左右。同時(shí)火車車廂還有多種型號(hào)，如C61、C62、C64、C70、C80等，自重和裝載量各不相同，因此定位車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在一定的難度[1]。

（2）容錯(cuò)性

在定位車牽引火車時(shí)，如果出現(xiàn)故障，如提銷缸漏油、鉤銷接近開(kāi)關(guān)信號(hào)故障、變頻器故障或設(shè)備突然停電等，定位車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)能根據(jù)定位車狀態(tài)、AFE整流回饋裝置工作情況和逆變器運(yùn)行的狀態(tài)、電網(wǎng)電壓狀況以及定位車牽引火車車廂的負(fù)載變化等情況自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)保護(hù)動(dòng)作，從而根本保證了定位車在牽引火車過(guò)程中的安全性。在故障發(fā)生時(shí)定位車驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)如果進(jìn)入專門的故障處理程序，通過(guò)停止自動(dòng)作業(yè)運(yùn)行和斷開(kāi)相關(guān)設(shè)備動(dòng)力電源，從而確保定在緊急或故障情況作業(yè)下的定位車仍能正常工作。

（3）可擴(kuò)充性

定位車行走變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的電氣控制柜，應(yīng)該具有與集中手動(dòng)、自動(dòng)控制和就地控制等相關(guān)功能模塊的數(shù)據(jù)通訊交換接口，能夠與PLC和上位機(jī)相連，實(shí)時(shí)傳送定位車行走速度的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)定位車行走及行走速度的顯示和監(jiān)控，并對(duì)行走過(guò)程中的故障進(jìn)行及時(shí)反饋和報(bào)警。

（4）延長(zhǎng)設(shè)備的使用年限

定位車設(shè)備體積大、質(zhì)量重，運(yùn)行環(huán)境粉塵大、濕度大，而且定位車采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)行走，這對(duì)定位車行走速度和行走位置精度要求很高。定位車行走變頻調(diào)速控制系統(tǒng)能減少因定位車在行走作業(yè)過(guò)程的可控性差而導(dǎo)致定位車本體設(shè)備振動(dòng)大、故障率高、維修頻繁等一系列問(wèn)題，延長(zhǎng)了定位車的工作次數(shù)和工作年限。

1.1 定位車行走變頻調(diào)速方案選擇

定位車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容是利用變頻調(diào)速控制單元控制六臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，以使定位車能夠按設(shè)定的速度要求進(jìn)行平穩(wěn)的牽車作業(yè)。根據(jù)定位車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)牽車能力及作業(yè)效率等設(shè)計(jì)要求，結(jié)合定位車工作運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)工況條，采用“AFE整流回饋裝置+逆變器+PLC+HMI人機(jī)界面+傳感器”的方式。

AFE主動(dòng)前端又名整流回饋裝置，其英文名譯自"Active Front End"。普通的交-直-交式變頻器前端通常采用固定三相橋式二極管整流的方式，將電網(wǎng)提供的三相交流電源轉(zhuǎn)換成為直流電源，該直流電源再通過(guò)大容量的電解電容平滑濾波后供給IGBT組成的三相橋式逆變器，逆變成頻率和電壓同步調(diào)節(jié)的交流電壓，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在不同的頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)。由于普通變頻器使用的是橋式整流，所以能量?jī)H能從電網(wǎng)流向變頻器母線，無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量雙向?qū)?，同時(shí)由于全橋整流的限制性，導(dǎo)致變頻器的功率因數(shù)不夠高，同時(shí)輸入的諧波電流有相對(duì)較大，從而造成對(duì)電網(wǎng)的影響。變頻器的功率越大，給電網(wǎng)帶來(lái)干擾的也就越大。在實(shí)際工作中，一般采取在較大功率的變頻器輸入端與母線上配置輸入電抗器和直流電抗器的方法，來(lái)降低變頻器的干擾諧波，同時(shí)也使變頻器的功率因數(shù)得到提升。

AFE主動(dòng)前端的出現(xiàn)則較好的解決了上述問(wèn)題。AFE主動(dòng)前端也采用IGBT來(lái)結(jié)成的橋式結(jié)構(gòu)。因?yàn)锳FE主動(dòng)前端未采用固定橋式二極管整流方法，在整流還是在回饋模式下運(yùn)行時(shí)，都是通過(guò)IGBT開(kāi)關(guān)狀態(tài)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能，所以在使用AFE主動(dòng)前端狀態(tài)下，變頻器的電流諧波很少，減小了對(duì)電網(wǎng)的影響。相應(yīng)地，變頻器使用了主動(dòng)前端后，因?yàn)榍岸四芰渴请p向?qū)ǖ模钥梢詰?yīng)用于各種需要電機(jī)四象限運(yùn)行的場(chǎng)合中，包括各種電梯、起重機(jī)，以及各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合。

1.2 定位車行走變頻調(diào)速的主電路設(shè)計(jì)

定位車采用德國(guó)西門子的整流單元（Active Frond End）、逆變器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同時(shí)采用德國(guó)西門子SIEMENS公司的380V電機(jī)控制中心（MCC）并帶有電機(jī)保護(hù)的各種控制盤。

定位車行走系統(tǒng)由六臺(tái)變頻調(diào)速交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用AFE（Active Frond End）主動(dòng)前端將進(jìn)線380V三相交流電轉(zhuǎn)換成630V直流電，其下口有兩臺(tái)110kW逆變器，采用共直流母線的方式驅(qū)動(dòng)每臺(tái)功率為110kW電機(jī)運(yùn)行，通過(guò)SIMOLINK電氣同步控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)逆變器之間的同步運(yùn)行。

1.3 定位車變頻器與PLC接口

定位車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的目的是為了實(shí)現(xiàn)六臺(tái)交流異步電動(dòng)機(jī)的同步運(yùn)行。由操作人員采取就地手動(dòng)、集中手動(dòng)和自動(dòng)方式來(lái)控制AFE整流回饋裝置和逆變器的工作狀態(tài)（如啟/停運(yùn)行等）、電動(dòng)機(jī)的接觸器的動(dòng)作，以及各種檢測(cè)裝置和停止或報(bào)警信號(hào)的輸入等。

定位車變頻調(diào)速PLC控制系統(tǒng)的輸入/輸出端口為：

（1）數(shù)字量輸入端口

PLC數(shù)字量輸入端口包括：變頻器的模式選擇開(kāi)關(guān)、電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)選擇按鈕、變頻器速度選擇按鈕、AFE整流回饋裝置和逆變器狀態(tài)反饋信號(hào)、準(zhǔn)備啟動(dòng)、零速反饋、通用故障、預(yù)充電完成、直流母線預(yù)充電和運(yùn)行狀態(tài)反饋等。

（2）數(shù)字量輸入端口

PLC數(shù)字量輸入端口包括：AFE整流回饋裝置和逆變器啟動(dòng)/停止選擇開(kāi)關(guān)、遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)、使能開(kāi)關(guān)、重新啟動(dòng)設(shè)置、急停開(kāi)關(guān)、正反轉(zhuǎn)控制和預(yù)充電選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種方式實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)中強(qiáng)電和弱電之間的隔離，保護(hù)了PLC系統(tǒng)，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)和設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

（3）模擬量輸出端口

PLC的模擬量輸出端口包括電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，是以電壓信號(hào)±10V進(jìn)行傳遞；對(duì)逆變器的速度調(diào)整控制是以電流信號(hào)4～20mA進(jìn)行傳遞設(shè)定的[2]。

1.4 定位車行走變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)

1.4.1 定位車行走變頻調(diào)速系統(tǒng)組成

定位車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的組成包括：AFE整流回饋裝置、逆變器、電動(dòng)機(jī)、增量測(cè)速編碼器、行走距離絕對(duì)值測(cè)量編碼器、Controllogix5000 PLC控制器、上位機(jī)、觸摸屏以及其他用于定位車狀態(tài)監(jiān)測(cè)、保護(hù)的電氣元器件，如行走超速開(kāi)關(guān)、行走限位開(kāi)關(guān)等。

（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由六臺(tái)電動(dòng)機(jī)組成，用于定位車的驅(qū)動(dòng)，根據(jù)實(shí)際工況的需求，調(diào)整不同的行走速度，以保證能平穩(wěn)牽引火車。

（2）信號(hào)檢測(cè)

①速度信號(hào)：它是檢測(cè)定位車在行走時(shí)的速度，是定位車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的主要信號(hào)。該信號(hào)是模擬輸入信號(hào)，通過(guò)羅克韋爾的柔性Flex I/O模塊，讀入到Controllogix5000 PLC控制器當(dāng)中。

②距離信號(hào)：它是檢測(cè)定位車的行走位置，是定位車Controllogix5000 PLC控制器進(jìn)行行走距離設(shè)定的重要參數(shù)依據(jù)。該信號(hào)是模擬量信號(hào)，傳送到羅克韋爾的柔性Flex I/O模塊，讀入Controllogix5000 PLC控制器當(dāng)中。

③報(bào)警信號(hào)：它反映定位車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，例如定位車過(guò)速信號(hào)，檢測(cè)定位車行走是否有過(guò)速情況；變頻器AFE整流回饋裝置的狀態(tài)和逆變器工作狀態(tài)是否正常等，該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量。

定位車是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)對(duì)其行走距離的精確測(cè)量。首先，通過(guò)布置在定位車上的絕對(duì)值編碼器測(cè)量實(shí)際運(yùn)行位置的數(shù)值以及布置在定位車電機(jī)上的增量編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)值；然后將實(shí)時(shí)采集到的速度位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅_克韋爾PLC系統(tǒng)中，最后通過(guò)PLC程序內(nèi)的相關(guān)速度控制程序、位置比較程序及速度給定程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)SIEMENS變頻器的控制，通過(guò)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制（CUVC）的SIEMENS變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)定位車行走速度和位置精確控制。

定位車行走變頻調(diào)速系統(tǒng)中的逆變器之間通過(guò)SIMOLINK進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 SIMOLINK 是以光纖為傳媒的數(shù)字型串行傳輸協(xié)議。SIMOLINK 驅(qū)動(dòng)連接發(fā)展為單個(gè)MASTERDRIVES MC/VC 裝置之間或MASTERDRIVES MC/VC 裝置與上位機(jī)系統(tǒng)之間在共同系統(tǒng)時(shí)鐘下所有連接站的同步，迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)據(jù)周期傳輸。

定位車行走變頻調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)AFE，主要作為一個(gè)整流/回饋單元，從結(jié)構(gòu)上分析，因?yàn)槭褂昧?IGBT 功率元件，所以AFE的作用和逆變器一樣，不一樣的是它的輸入為交流、輸出為直流。

主動(dòng)前端的工作原理可以概括如下：AFE整流裝置在電網(wǎng)中接收交流電壓，通過(guò)整流輸出直流電壓。AFE整流回饋裝置首先將工頻電網(wǎng)的交流電源整定為逆變器可用的直流電，然后由逆變器根據(jù)定位車變頻調(diào)速控制器發(fā)送的控制信號(hào)改變變頻調(diào)速的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。通過(guò)這樣的方法就相當(dāng)于把一臺(tái)三相異步電機(jī)當(dāng)作一臺(tái)直流電機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，通過(guò)這樣獲得的靜、動(dòng)態(tài)性能與直流調(diào)速系統(tǒng)幾乎完全相同。

1.4.2 定位車行走變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)過(guò)程

定位車行走變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)六臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行，由操作人員采取就地手動(dòng)、集中手動(dòng)和系統(tǒng)自動(dòng)控制等模式來(lái)控制逆變器的工作狀態(tài)以及AFE整流回饋裝置的啟停運(yùn)行，通過(guò)上位機(jī)、PV1000觸摸屏相關(guān)控制界面實(shí)現(xiàn)控制模式和行走速度的設(shè)置和調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)定位車行走速度的控制。

此系統(tǒng)是上位機(jī)、PV1000觸摸屏通過(guò)Rslinx控制系統(tǒng)組態(tài)軟件將其連接在控制網(wǎng)ControlNet上，定位車行走速度通過(guò)控制網(wǎng)ControlNet傳送到逆變器的輸入卡中，它們之間采用Simolink光纖同步控制傳輸方式來(lái)實(shí)現(xiàn)六臺(tái)逆變器之間的運(yùn)行。

2 定位車大臂起落速度調(diào)節(jié)

定位車采用的是閉環(huán)電子控制方式，而將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和輸出力，則需要通過(guò)比例閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。比例閥可用于有效地控制速度和加速度，使定位車大臂按控制器所設(shè)置的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。在很多情況下，定位車大臂液壓缸都需要快速運(yùn)動(dòng)，然后減到一個(gè)較低的速度、到達(dá)某一位置或最終位置。

定位車大臂是定位車完成調(diào)車作業(yè)的關(guān)鍵部件，大臂可向上抬起至與地面垂直，其抬臂動(dòng)作由大臂俯仰機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。大臂俯仰機(jī)構(gòu)由液壓缸、閥塊及液壓管路組成。為了提高定位車的作業(yè)效率，大臂的起落速度需要根據(jù)不同的車型進(jìn)行調(diào)整。要靈活地控制液壓油壓力、方向和流量，只有比例閥才能很好地達(dá)到這一效果。通過(guò)比例閥和電控系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)定位車大臂起落速度的實(shí)時(shí)控制。

2.1 比例閥控制原理

電液比例控制閥是根據(jù)輸入的電信號(hào)，對(duì)經(jīng)過(guò)閥的液壓油的壓力、流量等要素進(jìn)行控制的液壓控制閥。在比例閥閥體內(nèi)，如果電磁力大于彈簧力，則彈簧將被進(jìn)一步壓縮，直到重新達(dá)到力的平衡為止。隨著電流的增大，電磁力變得更大，彈簧繼續(xù)受到壓縮。而隨著電流的減小，則向相反的方向變化。

輸入信號(hào)是連續(xù)變化的電參數(shù)，經(jīng)過(guò)放大器作用后，傳送給比例電磁鐵。比例電磁鐵作為電氣和機(jī)械的中轉(zhuǎn)裝置，輸出與其感應(yīng)線圈電流成比例的拉力。此力作用于液壓閥閥芯，從而達(dá)到控制液壓油壓力、方向和流量的作用。

比例閥在大臂控制中的控制過(guò)程是：比例閥接受控制信號(hào)控制活塞閥的運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)活塞閥的運(yùn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)主閥閥芯的左右滑動(dòng)，以達(dá)到換向的作用，其中主閥上的位置傳感器能夠感應(yīng)到主閥當(dāng)前的位置并把此位置信號(hào)傳給集成在比例閥上的控制線路，這樣便能使大臂在快運(yùn)動(dòng)到行程終點(diǎn)時(shí)進(jìn)行必要的減速動(dòng)作。

比例閥接受一個(gè)電流的控制信號(hào)來(lái)控制大臂的抬落，當(dāng)電流信號(hào)在12～20mA范圍時(shí)大臂下落，當(dāng)電流信號(hào)在4～12mA時(shí)大臂抬起，要想大臂保持位置不動(dòng)則需要持續(xù)輸入12mA的電流。想要控制大臂的速度控制這個(gè)電流值就可以了，在12～20mA的范圍里越靠近20mA速度越快，同樣在4～12mA的范圍里越靠近4mA速度越快。

該比例閥的控制并不是直接依靠PLC的輸出信號(hào)，而是需要一個(gè)控制器來(lái)調(diào)節(jié)。PLC把需要調(diào)節(jié)的位置、速度信號(hào)輸入給W.E.ST.控制器，再由該控制器經(jīng)過(guò)計(jì)算向比例閥輸出一個(gè)4～20mA的電流控制大臂抬落。

2.2 定位車大臂控制流程

定位車大臂動(dòng)作有專門的控制回路，終點(diǎn)位置的設(shè)定和動(dòng)作速度的設(shè)定都由PLC完成設(shè)定，并由PLC的大臂控制器輸入信號(hào)設(shè)定位置和速度，再由控制器向比例閥發(fā)出控制信號(hào)使大臂動(dòng)作，大臂液壓缸安裝有位置檢測(cè)器，負(fù)責(zé)向大臂控制器和PLC分別反饋相同的位置信息，從而構(gòu)成大臂起落控制。

大臂動(dòng)作前蓄能器充壓，方向閥動(dòng)作并使液控單向閥處于打開(kāi)狀態(tài)?？刂破鲝目刂茊卧≒LC）收到使能（ENABLE）信號(hào)進(jìn)行位置控制管理（實(shí)際位置會(huì)與設(shè)定位置比較，并將根據(jù)比較結(jié)果向比例閥輸出信號(hào)，直到控制器中沒(méi)有繼續(xù)抬臂的信號(hào)后停止。）位置控制器由一個(gè)位置控制卡和一個(gè)放大器組成。終點(diǎn)位置由控制單元（PLC）設(shè)定給控制器的設(shè)定輸入點(diǎn)，把開(kāi)始動(dòng)作的信號(hào)輸入給控制器后，大臂會(huì)移動(dòng)到按照參數(shù)設(shè)定好的位置。大臂速度會(huì)經(jīng)由控制單元（PLC）輸入給控制器。PLC輸入開(kāi)始信號(hào)會(huì)使大臂開(kāi)始動(dòng)作，大臂到達(dá)設(shè)定位置后“開(kāi)始信號(hào)”會(huì)被復(fù)位到零。使能信號(hào)會(huì)持續(xù)存在以保證液壓缸維持它當(dāng)前的位置可控。由于個(gè)別原因使液壓缸伸出過(guò)程中中斷時(shí)，兩個(gè)液控單向閥會(huì)在方向閥的動(dòng)作影響下重新關(guān)死，并且不再給控制器使能信號(hào)。

2.3 大臂電氣控制步驟

（1）給控制器24V電源，使控制器工作。

（2）控制器由準(zhǔn)備就緒信號(hào)，顯示控制器工作正常。

（3）在使能信號(hào)的作用下控制器會(huì)比較大臂的實(shí)際位置和設(shè)定位置，并根據(jù)比較結(jié)果改變輸出信號(hào)。

（4）當(dāng)要改變大臂位置時(shí)（抬、落大臂），由PLC計(jì)算大臂當(dāng)前位置：Lmax=大臂活塞桿伸出最長(zhǎng)時(shí)液壓缸長(zhǎng)度（3177mm），Lmin=大臂活塞桿縮回最短時(shí)液壓缸長(zhǎng)度（1877mm），Lset=設(shè)定的液壓缸長(zhǎng)度（x mm），Lmax-Lmin也就是活塞桿總長(zhǎng)度1300mm，4～20mA對(duì)應(yīng)0～30840個(gè)PLC輸出單位，30840/1300*（X-1877）=最終PLC輸出的值（設(shè)定位置）。

（5）PLC輸出開(kāi)始信號(hào)給控制器，控制器讀入設(shè)定位置并經(jīng)過(guò)計(jì)算開(kāi)始輸出4～20mA電流信號(hào)給比例閥。由PLC輸入0～10V的控制電壓，對(duì)應(yīng)0%～100%的動(dòng)作速度。

參考文獻(xiàn)

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[2]周星海.變頻器在港口定位車改造中的應(yīng)用[J].港口裝卸，2011，（2）：44-45.

（作者單位：神華天津煤炭碼頭有限責(zé)任公司）