曹 軍 梁朝杰 劉 杰 范亮亮

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司）

近年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)及工業(yè)科技的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段，不僅提高了生產(chǎn)效率，還降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，解決了現(xiàn)階段自動(dòng)化、無人化的一大難題?；诖?，針對(duì)抓斗自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化控制及設(shè)備損壞率過高的問題進(jìn)行研究，以加強(qiáng)自動(dòng)化技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的迅速融合。

最早開始全自動(dòng)抓斗系統(tǒng)的測(cè)試和實(shí)施的是歐洲的鋼鐵企業(yè)，后來韓國浦項(xiàng)也開始研發(fā)和實(shí)施。2002年第1臺(tái)無人值守抓斗研發(fā)成功并在浦項(xiàng)制鐵投產(chǎn)，后經(jīng)升級(jí)改造，浦項(xiàng)ICT與Satec在浦項(xiàng)制鐵的浦項(xiàng)和光陽2個(gè)生產(chǎn)公司共226臺(tái)抓斗實(shí)施了自動(dòng)化，基本覆蓋了浦項(xiàng)制鐵的全部工廠。在國內(nèi)，2007年抓斗自動(dòng)化系統(tǒng)在寶鋼的產(chǎn)品庫區(qū)和中間庫區(qū)首次投入使用，寶鋼1 730 mm冷軋投入5臺(tái)無人抓斗，寶鋼運(yùn)輸部投入4臺(tái)無人抓斗，隨后在武鋼、太鋼、唐鋼等鋼鐵企業(yè)也投入了無人抓斗系統(tǒng)。

散料抓斗無人化控制系統(tǒng)包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與處理模塊、任務(wù)自動(dòng)生成模塊、抓斗任務(wù)協(xié)同調(diào)度等相關(guān)模塊。結(jié)合無線數(shù)傳、位置檢測(cè)、三維成像、負(fù)載防浪擺、安全保護(hù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)抓斗的自動(dòng)控制、散料的自動(dòng)堆取以及料場(chǎng)的數(shù)字化管理。在降低人員安全風(fēng)險(xiǎn)以及生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，提高了料場(chǎng)作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)了庫區(qū)的智能化管理，大大降低了設(shè)備的損壞率及生產(chǎn)成本。

1 手動(dòng)操作抓斗損壞原因

對(duì)馬鋼姑山礦的2臺(tái)QZ10t型及2臺(tái)QZ20t型橋式抓斗起重機(jī)的故障率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究。根據(jù)研究結(jié)果，對(duì)損壞率較高的電動(dòng)機(jī)損壞與鋼絲繩損壞的原因進(jìn)行了分析，并就這些原因進(jìn)行分析，提出了具體的解決方案。

1.1 電機(jī)損壞原因分析

（1）電機(jī)頻繁啟動(dòng)，負(fù)荷增高。抓斗在長度分別為72 m及126 m的2個(gè)庫區(qū)的生產(chǎn)過程中，電機(jī)頻繁的啟停，在很短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)次數(shù)過多將造成電機(jī)發(fā)熱，熱量積累過多、過快，來不及散發(fā)。頻繁的啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)致凸輪開關(guān)觸頭損壞，有時(shí)也會(huì)發(fā)生一相觸頭燒斷的情況，造成電機(jī)單相運(yùn)行而燒壞電機(jī)。抓斗每天需要進(jìn)行大量的搬運(yùn)工作，由于繞線式電機(jī)的調(diào)速是通過電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主要控制元件交流接觸器并通過繼電器來接入的，容易燒壞觸頭及線圈。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速可用下式表示為

式中，n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；f為定子的電源頻率，Hz；s為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率；p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。由公式可知，改變電機(jī)速度有改變極對(duì)數(shù)調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、變頻調(diào)速3種方法。在以上3種方法中，目前多應(yīng)用于起重機(jī)調(diào)速的方法為改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，這種調(diào)速方式可通過轉(zhuǎn)子串電阻、定子調(diào)壓調(diào)速等實(shí)現(xiàn)，其中轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式在起重機(jī)的應(yīng)用上更為常見。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式是通過繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子部分串金屬電阻來消耗能量的，以串聯(lián)不同阻值的電阻其消耗的能量也不相同的原理來達(dá)到調(diào)速的效果；但這種方法在低速區(qū)時(shí)穩(wěn)定性不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)條件，在重載下降的過程中，非常容易出現(xiàn)溜鉤的現(xiàn)象，這就需要第三方的制動(dòng)來保證下降時(shí)進(jìn)行拖拽避免重載時(shí)溜鉤。這種第三方的制動(dòng)方式常有能耗制動(dòng)，渦流制動(dòng)等。由于抓斗重載采取了第三方的制動(dòng)方式，導(dǎo)致電機(jī)的沖擊會(huì)比較大，在單相制動(dòng)過程中對(duì)電機(jī)注入了直流電流和不平衡電流，抓斗在頻繁使用時(shí)這些因素會(huì)使電機(jī)溫度過高，長時(shí)間處于高溫的環(huán)境中將影響電機(jī)的絕緣壽命，并加速電機(jī)老化。由于制動(dòng)的沖擊力使振動(dòng)加劇，在電機(jī)的機(jī)械平穩(wěn)方面，加速了機(jī)械疲勞過程，從而導(dǎo)致電機(jī)的故障率較高。

（2）司機(jī)操作方法不當(dāng)。在生產(chǎn)過程中，抓斗的擋位一般設(shè)置為4個(gè)檔次，司機(jī)為了加快生產(chǎn)節(jié)奏，會(huì)將各機(jī)構(gòu)的零位直接打至最高位。這種不當(dāng)?shù)牟僮鞣绞?，增加了電機(jī)的啟動(dòng)電流，導(dǎo)致電機(jī)定子發(fā)熱快，且很容易燒損凸輪控制器的主觸頭。

（3）工作環(huán)境惡劣。由于庫區(qū)料種皆為粉塵狀，生產(chǎn)過程中廠區(qū)內(nèi)的粉塵較大，轉(zhuǎn)子回路串接的銅電阻常常因?yàn)榛覊m而燒壞。在抓斗工作的過程中，由于抓斗軌道不平，抓斗運(yùn)行速度比較大的情況下，設(shè)備震動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子回路串接的銅電阻斷裂，因而設(shè)備故障率較高。

1.2 鋼絲繩損壞原因分析

鋼絲繩是起重機(jī)上應(yīng)用最廣泛的繞性物件，它把電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為吊勾的升降運(yùn)動(dòng)，在該過程中承擔(dān)全部的起升載荷。鋼絲繩具有卷繞性好、承載能力大的優(yōu)點(diǎn)，作用于起重機(jī)中的起升以及開閉機(jī)構(gòu)中，對(duì)于重載過程中沖擊載荷的承受能力較強(qiáng)，卷繞于滾筒過程中平穩(wěn)、無噪音。在抓斗的使用過程中，鋼絲繩作為消耗品，損耗頻率過高的原因:①抓斗工在操作過程中操作不規(guī)范造成磨損；②開閉和起升的鋼絲繩在抓斗起升或下降時(shí)不同步，從而導(dǎo)致鋼絲繩受力不均造成磨損。

（1）人工操作不規(guī)范造成鋼絲繩磨損。在新操作工操作階段，由于新人對(duì)抓斗操作不熟練，造成鋼絲繩損耗較大。因?yàn)榱蠀^(qū)不是平鋪而是有斜坡的，新抓斗工在抓取料種時(shí)，抓斗會(huì)傾斜抓料。因此在操作時(shí)，由于繩子下放的長度不適合，會(huì)讓抓斗與繩子碰撞，在外力下的碰撞運(yùn)動(dòng)會(huì)使鋼絲繩的局部表面結(jié)構(gòu)發(fā)生外力磨損，這種具有變形性的局部磨損因?yàn)殇摻z局部被外力擠壓而容易發(fā)生局部變形。其中，螺紋鋼絲的局部橫斷面磨損是從擠壓點(diǎn)中心處向兩旁局部延伸顯露出來的翅形。雖然從鋼絲繩的整體外觀來看，鋼絲繩的橫斷面變化不大，但是當(dāng)鋼絲繩在局部被外力擠壓時(shí)，其表面材料已經(jīng)完全硬化，極易導(dǎo)致鋼筋斷裂或抓斗邊緣磨損，故而增加鋼絲繩的損壞率。

（2）鋼絲繩不同步造成磨損。在抓斗升降時(shí)會(huì)出現(xiàn)起升的繩子與開閉的繩子升降速度不同的現(xiàn)象，這時(shí)抓斗的所有質(zhì)量都由開閉的繩子或起升的繩子承擔(dān)。通常來說，鋼絲繩是將轉(zhuǎn)動(dòng)卷筒或轉(zhuǎn)動(dòng)滑輪時(shí)全部的運(yùn)動(dòng)負(fù)載直接壓在了整個(gè)鋼絲繩的一側(cè)，各個(gè)細(xì)鋼絲的固定長度和運(yùn)動(dòng)曲率半徑不可能達(dá)到完全相同。同時(shí)，由于鋼絲繩彎曲，鋼絲繩內(nèi)部的各個(gè)細(xì)小的鋼絲很可能相互間同時(shí)產(chǎn)生一種摩擦力且相互作用，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生摩擦從而發(fā)生滑移，處于鋼絲繩股與股之間的相互接觸應(yīng)力也隨之增大，使得處于相鄰股與股間的各個(gè)細(xì)鋼絲繩同時(shí)產(chǎn)生一種類似局部性的摩擦和深凹。當(dāng)其在反復(fù)的應(yīng)力循環(huán)下進(jìn)行拉伸彎曲時(shí)，在較淺的螺紋凹處會(huì)因?yàn)槔飚a(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力集中而被應(yīng)力打到導(dǎo)致折斷，造成內(nèi)部的嚴(yán)重磨損。原來由起升繩和開閉繩共同承擔(dān)的負(fù)荷只在一側(cè)承擔(dān)，故而會(huì)增大鋼絲繩的內(nèi)部磨損，導(dǎo)致鋼絲繩使用壽命減少，從而增加鋼絲繩的損壞。

2 抓斗自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化控制

針對(duì)手動(dòng)操作抓斗故障率較高的情況，姑山礦業(yè)有限公司對(duì)4臺(tái)抓斗進(jìn)行改造升級(jí)，擬將原普通電機(jī)改為變頻電機(jī)，并將PLC控制應(yīng)用到抓斗控制系統(tǒng)中。改造后主要功能包括變頻器控制電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)，精確控制抱閘，對(duì)主卷變頻器速度控制與轉(zhuǎn)矩控制方式進(jìn)行切換控制（實(shí)現(xiàn)2種方式控制），實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全連鎖功能。

2.1 無人化智能抓斗應(yīng)用系統(tǒng)的組成

無人化抓斗應(yīng)用系統(tǒng)主要由PLC控制系統(tǒng)、火車識(shí)別控制系統(tǒng)、無人控制抓斗系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、庫區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)以及HMI人機(jī)交互界面組成。PLC控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制抓斗各個(gè)機(jī)構(gòu)的指令動(dòng)作，火車識(shí)別系統(tǒng)負(fù)責(zé)識(shí)別火車的車皮信息并用于料種裝車質(zhì)量計(jì)算，過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)送作業(yè)指令給抓斗，安全防護(hù)系統(tǒng)主要用于庫區(qū)內(nèi)工作生產(chǎn)的安全保障，庫區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)控庫區(qū)內(nèi)所有抓斗生產(chǎn)的工作狀態(tài)，HMI人機(jī)交互界面用于抓斗狀態(tài)監(jiān)控以及作業(yè)任務(wù)的下發(fā)，該系統(tǒng)由以太網(wǎng)通訊串接。姑山礦業(yè)有限公司工業(yè)網(wǎng)絡(luò)見圖1。

2.1.1 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)［1］可編程邏輯控制器是20世紀(jì)60年代美國推出的，它取代了傳統(tǒng)的繼電器控制方式，是專為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。采用可編程的存儲(chǔ)器，以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與運(yùn)算等面向用戶的指令，它以數(shù)字或模擬式輸入、輸出2種輸入、輸出方式控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。用戶通過編制的控制程序表達(dá)生產(chǎn)的工藝。姑山礦業(yè)有限公司抓斗控制系統(tǒng)主要由中控PLC以及庫區(qū)抓斗PLC控制系統(tǒng)組成，其控制系統(tǒng)見圖2。

PLC控制系統(tǒng)分為中控PLC以及庫區(qū)抓斗本體PLC。中控PLC采用CPU1516系列，其具有高水平的系統(tǒng)性能，能夠快速處理信號(hào)，極大地縮短響應(yīng)時(shí)間。為加強(qiáng)控制能力，原件采用設(shè)計(jì)有高速背板總線且具有高波特率和高效傳輸協(xié)議的S7-1516西門子PLC，其點(diǎn)到點(diǎn)反應(yīng)時(shí)間不到500 us，位指令的運(yùn)算時(shí)間最快可在10 ns之內(nèi)（因CPU而異）。中控PLC系統(tǒng)主要用于L2指令接受以及中控操作臺(tái)信號(hào)控制，且中控PLC分北庫PLC遠(yuǎn)程IO子站與南庫PLC遠(yuǎn)程IO子站，這2個(gè)子站的功能是將南庫及北庫的無人化信號(hào)接收到中控PLC。中控PLC還作為安全PLC，主管整個(gè)系統(tǒng)的安全庫區(qū)控制，作為安全PLC，SIMATIC S7-1516西門子PLC集成了故障安全功能。為實(shí)現(xiàn)故障安全自動(dòng)化，用戶配置了F型（故障安全型）控制器，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和故障安全程序使用同樣的工程設(shè)計(jì)和操作理念。用戶在定義、修改安全參數(shù)的時(shí)候可借助安全管理編輯器，為無人化系統(tǒng)安全控制增加了保障。

庫區(qū)抓斗本體PLC采用的是CPU1511系列，庫區(qū)內(nèi)共有4臺(tái)抓斗，每臺(tái)抓斗都配有1臺(tái)PLC。該P(yáng)LC的主要功能是對(duì)抓斗的各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制與信號(hào)檢測(cè)。每臺(tái)抓斗都設(shè)有1個(gè)子站，子站設(shè)置在駕駛室內(nèi)，方便操作人員利用駕駛室手柄控制抓斗運(yùn)行。

2.1.2 火車識(shí)別控制系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟(jì)及物流行業(yè)的飛速發(fā)展，鐵路貨運(yùn)的應(yīng)用也隨之日益廣泛，但在實(shí)際的鐵路貨運(yùn)中常常出現(xiàn)貨物丟失、貨票不符等情況，這就存在理賠的糾紛，同時(shí)需要投入大量人力物力，不但給鐵路部門及工作人員造成損失，也給用戶自身帶來了諸多不便。

為了徹底改變這一現(xiàn)狀，利用目前我國高速鐵路自身的智能互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)貨物管理信息系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，引入了RFID掃描技術(shù)，在每一件裝運(yùn)貨物上都分別貼上了一種智能掃描標(biāo)簽，在貨物裝車前就通過智能掃描機(jī)將每件貨物運(yùn)送信息實(shí)時(shí)傳遞到鐵路車站貨物管理信息系統(tǒng)，便于車站管理者及時(shí)核對(duì)每件貨物實(shí)際運(yùn)送的相關(guān)單據(jù)信息是否真實(shí)，并且系統(tǒng)可同時(shí)保證每件貨物的實(shí)際運(yùn)送信息數(shù)據(jù)與實(shí)際車站的運(yùn)送信息是否相符。將客戶裝卸貨物的相關(guān)信息安全借助于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)提供給客戶進(jìn)行查詢，可有效保障客戶在裝卸貨物時(shí)的安全，逐步提高鐵路物流運(yùn)輸服務(wù)的技術(shù)質(zhì)量和管理水平?；疖囎R(shí)別系統(tǒng)見圖3。

2.1.3 無人化抓斗控制系統(tǒng)

無人化抓斗控制系統(tǒng)主要用于抓斗抓取任務(wù)的規(guī)劃以及抓斗生產(chǎn)任務(wù)指令的下發(fā)。庫區(qū)內(nèi)每臺(tái)抓斗上都裝有3臺(tái)激光掃描儀，激光三維掃描儀突破了單點(diǎn)測(cè)量的方法，其掃描效率特別高，能看到非常清晰的庫區(qū)模型。它在進(jìn)行物體表面掃描時(shí)，可探測(cè)出三維數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應(yīng)處理，高效地復(fù)原出庫區(qū)的立體表面示意圖，使整個(gè)庫區(qū)模型化，便于后序操作

通過安裝在抓斗上的激光掃描儀進(jìn)行料堆三維數(shù)據(jù)采集，形成三維圖形，計(jì)算料堆位置及料堆高度和堆寬，并規(guī)劃抓取，將存放點(diǎn)和大小車移動(dòng)路徑策略提供給料場(chǎng)布庫模塊。當(dāng)需要裝車作業(yè)時(shí)，計(jì)算抓斗抓取點(diǎn)和抓取路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝車作業(yè)。

2.1.4 安全防護(hù)系統(tǒng)

無人化抓斗的安全防護(hù)系統(tǒng)主要由抓斗的急停、各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的防撞、無人化抓斗庫區(qū)的安全管理構(gòu)成。抓斗的急停主要用于緊急情況下觸碰急停按鈕觸發(fā)，抓斗各個(gè)機(jī)構(gòu)間的防撞保證了設(shè)備使用期間的安全與損壞率的減少，無人化抓斗庫區(qū)安全管理則保證了抓斗生產(chǎn)期間人員的安全。

抓斗在發(fā)生重大故障時(shí)觸發(fā)急停系統(tǒng)，其直接斷開抓斗的總接觸器，確保抓斗各個(gè)機(jī)構(gòu)不再有任何走行信號(hào)產(chǎn)生。抓斗的急停按鈕設(shè)置在抓斗的駕駛室內(nèi)以及中控的操作臺(tái)上，兩者互為冗余，確保在緊急情況下抓斗的停止位安全。

抓斗各機(jī)構(gòu)間的防碰撞，不僅可以保障作業(yè)人員的人身安全，更能防止設(shè)備的損壞。對(duì)大車的防碰撞有4種保護(hù)措施:①通過格雷母線讀取數(shù)值，其對(duì)抓斗的防撞位置做限制值，確保抓斗安全距離；②通過模擬量激光測(cè)距儀讀取兩抓斗距離以及抓斗到庫邊的距離，規(guī)定抓斗的安全距離，并加以限制；③通過數(shù)字量激光測(cè)距，其對(duì)抓斗的防撞極限距離測(cè)試后，規(guī)定好防撞的安全距離，并在軟件中做減速保護(hù)；④大車左右都安裝有防撞臂，做最后的硬件保護(hù)。對(duì)小車的防碰撞有4種保護(hù)措施:①通過格雷母線讀取數(shù)值，其對(duì)抓斗的防撞位置做限制值，確保抓斗安全距離；②通過模擬量激光測(cè)距儀讀取小車到兩側(cè)的距離，規(guī)定抓斗的安全距離，并加以限制；③通過行走小車前進(jìn)方向兩端的減速限位器以及停止限位器做最后的軟件保護(hù)；④小車兩頭均安裝有防撞機(jī)械保護(hù)裝置做最后的硬件保護(hù)。對(duì)于抓斗的起升機(jī)構(gòu)和開閉機(jī)構(gòu)做2種保護(hù)措施:①抓斗起升和開閉機(jī)構(gòu)的減速與停止的硬限位；②利用編碼器讀取抓斗的開閉和起升機(jī)構(gòu)的開度值和高度值，并對(duì)其加以限制。這些保護(hù)機(jī)構(gòu)最大限度地防止了各種意外情況的發(fā)生，對(duì)設(shè)備的保護(hù)具有重要意義。

無人抓斗的庫區(qū)管理系統(tǒng)是將庫區(qū)進(jìn)行封閉式管理，在庫區(qū)內(nèi)設(shè)置有安全門，在按下請(qǐng)求開門的按鈕后方可開門。安全門旁邊設(shè)置有語音對(duì)講系統(tǒng)，可與中控進(jìn)行語音對(duì)講，作為第2道防護(hù)，確保人員進(jìn)入廠區(qū)的安全。

2.1.5 庫區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控是建立在現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)以及圖形技術(shù)上的一種新的應(yīng)用。該研究的庫區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)可用于監(jiān)控庫區(qū)內(nèi)所有抓斗的生產(chǎn)工作狀態(tài)，并且將實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鞯街锌兀@示在IVM-4200電視墻上，可方便快捷地監(jiān)控庫區(qū)的生產(chǎn)狀態(tài)及庫區(qū)的堆料情況，更好的協(xié)助生產(chǎn)人員進(jìn)行判斷。實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面見圖4。

2.1.6 HMI人機(jī)交互界面組成

人機(jī)界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等。根據(jù)實(shí)際需求，將畫面登錄系統(tǒng)分為2種權(quán)限，分別為管理員登陸及抓斗工登錄，不同的人員登錄具有不同的操作權(quán)限。一般而言，畫面具有以下功能:實(shí)時(shí)的資料趨勢(shì)顯示把擷取的資料立即顯示在屏幕上；自動(dòng)記錄資料并將資料儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫中，以便日后查看；歷史資料趨勢(shì)顯示把數(shù)據(jù)庫中的資料作可視化呈現(xiàn)；報(bào)表的產(chǎn)生與打印能把資料轉(zhuǎn)換成報(bào)表格式并打印出來；圖形接口控制操作者能夠透過圖形接口直接控制機(jī)臺(tái)等裝置；警報(bào)的產(chǎn)生與記錄使用者可定義一些警報(bào)產(chǎn)生的條件。WINCC畫面見圖5。

2.2 無人化智能抓斗變頻控制系統(tǒng)

隨著電氣設(shè)備自動(dòng)化控制要求的不斷提高及控制可靠性的逐漸完善，變頻器的應(yīng)用越來越廣泛。由于變頻控制較傳統(tǒng)起重機(jī)控制方式具有顯而易見的巨大優(yōu)勢(shì)，因此在工業(yè)用途中被起重機(jī)廣大用戶所接受并廣泛關(guān)注。早期由于技術(shù)不完善，在起重機(jī)上應(yīng)用的變頻器大多只能用于大小車的行走機(jī)構(gòu)，隨著變頻技術(shù)的不斷革新，在起升機(jī)構(gòu)及開閉機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用也逐漸增多。

直流調(diào)速系統(tǒng)具有較為優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能，并且在控制上易于實(shí)現(xiàn)；但直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造所需的人力及時(shí)間成本很高，且對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求較高，電刷易于磨損，不易維護(hù)，這些缺點(diǎn)很大程度上限制了直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用。相比之下，交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、成本低、易維護(hù)，且適合于大容量調(diào)速和用于惡劣工作環(huán)境等。

2.3 變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響

（1）電動(dòng)機(jī)效率和溫升問題。無論是什么形式的變頻器，在運(yùn)行的過程中都會(huì)產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，這就造成電動(dòng)機(jī)在非正弦電壓、電流的工作環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)資料顯示，以目前普遍使用的正弦波PWM型變頻器為例，其低次諧波基本為零，剩下的比載波頻率大一倍左右的高次諧波分量為2u+1（u為調(diào)制比）。高次諧波會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)定子銅、轉(zhuǎn)子銅（鋁）、鐵、附加損耗等增多，最顯著的是轉(zhuǎn)子銅（鋁）。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)是以接近于基波頻率所對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，所以高次諧波電壓在切割轉(zhuǎn)子后就會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗。此外，考慮到其他效應(yīng)所產(chǎn)生的附加銅耗，這些損耗就會(huì)造成電動(dòng)機(jī)額外發(fā)熱、效率下降、輸出功率減小。

（2）電機(jī)頻繁啟停，制動(dòng)能力。使用變頻器供電，電機(jī)在非常低的頻率和電壓下可實(shí)現(xiàn)在無沖擊的方式下啟動(dòng)，并利用變頻器供應(yīng)的制動(dòng)方法進(jìn)行快速制動(dòng)。

（3）和諧波電磁噪聲與震動(dòng)。使用變頻器供電時(shí)，普通異步電動(dòng)機(jī)會(huì)因電磁、機(jī)械、通風(fēng)等引起震動(dòng)和噪音而變得更為復(fù)雜。由于變頻電源中含有的各次時(shí)間諧波與電動(dòng)機(jī)電磁部分的固有空間諧波相互干擾，就會(huì)形成各種電磁激勵(lì)。當(dāng)電磁力波頻率與電機(jī)固有振動(dòng)頻率相符或接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而增加噪音。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍大、工作頻次范圍廣，各種電磁力波頻次難以避免電動(dòng)機(jī)各組件固有的震動(dòng)頻次。

3 抓斗自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備損壞率的有效控制措施

傳統(tǒng)的抓斗控制方式相對(duì)來說比較落后，保護(hù)功能也比較單一，一般情況下只具備過流與過載保護(hù)功能，其控制系統(tǒng)大多都是繼電器控制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性較差。此外，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)對(duì)于電能消耗比較大，電能浪費(fèi)現(xiàn)象較為嚴(yán)重。因此，對(duì)傳統(tǒng)老式抓斗調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行變頻技術(shù)改造，對(duì)提高抓斗工作效率、減少電能消耗和設(shè)備維護(hù)工作以及現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)具有重要意義。

3.1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

通過改變動(dòng)力電機(jī)的電源頻率從而實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，這是一種理想的高效率、高性能、低損耗的控制驅(qū)動(dòng)手段。在抓斗使用變頻電機(jī)后，其電機(jī)的特性與普通電機(jī)相比具有較大的改變。變頻器［2］是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率的方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。變頻器通過改變電源的頻率實(shí)現(xiàn)改變電源電壓，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要變頻器提供電機(jī)所需的電源、電壓，從而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器具有很多安全保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等。

3.1.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能特性

變頻調(diào)速系統(tǒng)［3］控制電機(jī)對(duì)于需要電機(jī)頻繁正反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合具有較高的適用性，具有較強(qiáng)的抗沖擊與過載能力，可以保持啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出接近額定轉(zhuǎn)矩。作為抓斗控制核心，與各種傳感器（例如編碼器等）組合構(gòu)成矢量閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有閉環(huán)控制方式，可以滿足抓斗運(yùn)行的各種要求。

變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件功能強(qiáng)大，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的各種工藝流程基本上都可以滿足；其全防護(hù)功能完善，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī)具備過壓、過流、欠壓、缺相保護(hù)功能；具備變頻過熱、電機(jī)過載保護(hù)功能；具備電動(dòng)機(jī)失速保護(hù)、電動(dòng)機(jī)欠載保護(hù)等功能；具有動(dòng)態(tài)怠速制動(dòng)的巨大優(yōu)勢(shì)，可通過選擇采用外部連接制動(dòng)電阻或使用內(nèi)部制動(dòng)電阻的制動(dòng)斷續(xù)器，能夠有效自動(dòng)控制、改變電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；其通訊采用國際標(biāo)準(zhǔn)化，可實(shí)現(xiàn)與微機(jī)的通訊以及遠(yuǎn)程診斷，具備RS232接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程各類應(yīng)用宏程序的下載安裝。

3.1.2 變頻電機(jī)與普通電機(jī)的區(qū)別及改進(jìn)

（1）變頻電機(jī)可改善電機(jī)的效率和溫升，變頻電機(jī)［4］效率比普通電機(jī)高約10%，溫升小約20%，尤其對(duì)于矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的低頻區(qū)域。

（2）對(duì)于需要頻繁啟動(dòng)、頻繁調(diào)速、頻繁制動(dòng)的場(chǎng)合變頻電機(jī)優(yōu)于普通電動(dòng)機(jī)。

（3）變頻電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，在電磁噪聲和振動(dòng)方面較普通電動(dòng)機(jī)噪音更低、電磁振動(dòng)更小。

（4）由于變頻電機(jī)專為變頻器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，所以能承受較大的瞬時(shí)電壓，變頻電動(dòng)機(jī)的絕緣強(qiáng)度高，尤其是在DTC控制模式下。

（5）變頻電動(dòng)機(jī)采用獨(dú)立的軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)，在低頻、直流制動(dòng)和一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合下的散熱性能優(yōu)于普通交流異步電動(dòng)機(jī)。

（6）變頻電機(jī)可在其調(diào)速范圍內(nèi)任意調(diào)速，且電機(jī)不會(huì)損壞。一般國產(chǎn)普通電機(jī)大部分只能在AC380V/50HZ的條件下運(yùn)行，普通電機(jī)能降頻或升頻使用，但范圍不能太大，否則電機(jī)將會(huì)發(fā)熱甚至燒壞。

3.2 抓斗智能控制

3.2.1 抓斗智能控制深挖功能

抓斗的自動(dòng)化控制改造實(shí)現(xiàn)了抓斗的深挖功能［5］，并可有效降低電機(jī)及鋼絲繩的磨損。利用自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化控制系統(tǒng)控制抓斗，采取力矩控制的方法解決開閉單獨(dú)機(jī)構(gòu)受力而損壞設(shè)備的情況。首先，在攤料面的過程中，為避免起升鋼絲繩放置過多的情況發(fā)生，利用鋼絲繩的力矩自動(dòng)判斷抓斗是否已經(jīng)到達(dá)料面，根據(jù)支持鋼絲繩反饋的力矩，可及時(shí)結(jié)束繼續(xù)放繩的動(dòng)作。在進(jìn)行深挖的過程中，抓斗支持的控制方式由速度控制轉(zhuǎn)換為力矩控制，開閉閉合的過程中，采用分段給力矩的方法保證抓斗開始上升時(shí)處于繃緊狀態(tài)。在抓斗剛開始閉合抓料的過程中，給予百分之三十五的力矩，此時(shí)支持繩處于放置比較多的狀態(tài)，可起到快速收繩的作用，在抓斗閉合到百分之八十時(shí)，給予百分之二十的力矩，讓深挖繼續(xù)執(zhí)行，在閉合至百分之二十時(shí)，給予百分之三十的力矩，讓繩子快速繃緊。在閉合完成時(shí)，將支持繩的力矩加到開閉機(jī)構(gòu)的百分之八十，從而達(dá)到與開閉機(jī)構(gòu)一同分擔(dān)力矩的目的，解決開閉單獨(dú)受力的情況，從而很好的保護(hù)鋼絲繩及相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)。

3.2.2 抓斗智能控制四繩同步控制

抓斗智能控制四繩同步功能可很好地判斷開閉及起升電機(jī)的力矩及轉(zhuǎn)速情況，從而避免單一電機(jī)受力而損壞設(shè)備。在開閉電機(jī)及支持電機(jī)的內(nèi)部均裝有編碼器，編碼器將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)的形式。根據(jù)編碼器可以很方便地標(biāo)定高度及抓斗的開度值，通過監(jiān)控這些值可以很方便地觀察四繩是否處于同步狀態(tài)，從而有效降低鋼絲繩及電機(jī)的損壞率。

4 結(jié)語

（1）姑山礦對(duì)4臺(tái)手工操作抓斗采用PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)了無人化、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，可24 h不間斷工作，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力，有效降低了設(shè)備損壞率，達(dá)到了降本增效的目的。

（2）變頻電機(jī)的使用對(duì)于需要電機(jī)頻繁正反轉(zhuǎn)的現(xiàn)場(chǎng)具有較高的適用性，自動(dòng)深挖功能及四繩平衡功能很好的分擔(dān)了起升機(jī)構(gòu)及支持機(jī)構(gòu)的力矩，減小了鋼絲繩及電機(jī)的損壞率，對(duì)優(yōu)化生產(chǎn)效率具有重要意義。