基于PLC与变频调速器的火车调车系统改造 -.pdf

煤炭 工程 2 0 1 0年第 8期 基于 P L C与变频调速器 的火车调车系统改造 张培友 ，杨德 星 山东科技大学 ，山东 青岛2 6 6 5 1 0 摘要为改善煤矿火车调车 系统的启动性能，方便调 节运行速度 ，提 高装车系统 自动化程 度和装车效率，文章介绍 了运用 P L C和变频调速器等现代化 电器控制设备对原 系统进行的一 系列 改造 ，通过改造实现 了调度绞车运行平稳调速 ，列车装车 自动化程度显著提 高，取得 了非常显著 的 经济效益和社 会效 益。 关键词P L C；变频调速器；调度绞车 中图分类号 T D 5 6 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 O 8 _ I 0 l 4 2 l 概 述 系统进行一系列改造，以提高系统工作性能。 在火车进入煤矿装 车站装 车时 ，煤仓下部 调车系统 大 多数是采用调度绞 车牵引无极 绳的调车 方式。调度绞 车的 作用是将机车牵引过来 的火车皮 牵至煤仓下 部装 车。但传 统调度绞车系统存在 以下问题 1 调速不平滑 ，机械及电流冲击较大 。装车系统主要 由凋车绞车、胶带输送机、刮板输送机等设备组成。目前 国内各工矿装车站 列车牵 引装置一调度绞 车仍 主要采 用变 极电机调速 ，通过改变 电机极数来 改变牵 引速 度 即在装 煤 时使用低速 、回绳 时使 用 高速 。一 般为 重载 0 ． 1 5 m ／ s ，空 载 0 ． 3 m ／ s 。由于在装煤时列车前进速 度不变 ，为使煤能均 匀装入车厢 ，并 且重量在要 求范 围内 ，操 作人员不 得不频 繁启停调度绞 车，使用 很 不方 便 ，效率 也 不高 ，且 电机 、 电气设备频繁受启动电流冲击，使用寿命降低，维修量增 加 ，电能损耗也很 大。 2 装 车速 度 慢 、装 车 不 均 匀 ，存 在 偏 载 、集 载 现 象 ，效率 低 、经 济 效 益 差 。 由 于 列 车 行 进 速 度 只有 两 个 ，装车 时经常需 要停 顿甚 至倒 退 列 车 以装 满车 皮 。 由 于 装车是通 过 定积 仓 人 工 控 制平 板 闸门 落 煤实 现 装 车 。 但 这种装 车方式是 由于人 T控 制 ，装车 时极 易 造成 过 量 或不足。若装车量不足 ，铁路运输的效益降低 ，运输成 本提高，给煤矿造成了一定的经济损失。而铁路上对 于 超载 车皮有罚 款的规 定 ，故 人 工控 制 不能 过 量 ，而 当装 载过量超 吨时 ，又需人 工卸 煤 ，因人 工 卸煤 而 将精 煤 被 作为混煤处理，造成了较大的经济损失。这样又易形成 装 车不足 ，造成 亏载 j 。 3 调度绞车回窝位置控制精度差，有时出现爬绳、过 位等现象。 为解决上述问题，需要对原系统的调度绞车监视控制 1 4 2 改造方案 2 ． 1 调度 绞车 牵引 电机 改为 变频控 制 原牵 引电机为 4极 、8 极变极绕线式电机 。电机转速与 电机极数关 系 n6 0 f ／ p ，其 中 n为 电机转 速 ， _厂 为 电源频 率， P为电机极数。据此可计算出电机输出轴有 7 5 0 m i n 和3 7 5 m i n两种转速。通过减速机将调度绞车直线行进速 度调整为 0 ． 3 0 m ／ s和 0 ． 1 5 m ／ s 。两 种速度 切换 通过交 流接 触器连接电机极数改变实现。 为便 于控制调度 绞车行进 速度 ，提高启 动性能和控 制 特性 ，改造 中采用 A B B变频器 A C S 6 0 0变频器 控制 电机 运 行 ，为降低造价 ，不更换 原 电机 ，变频器 与 电机以 4极 方 式相连。采用变频凋速器后，列车装车时，系统根据煤流 量大小调节调度 绞车牵 引速度 ，如果来 煤流量稳定 则调整 到一个合适的速度后 ，就 基本不用 再调整 了。当所 有列车 车皮都装满后 ，调度绞 车脱 开列 车车皮 ，系统 自动 选择反 转高速 ，使调度绞车快速返 回牛窝 。 2 ． 2选用制 动斩波 器和制动 电阻实现动力制 动 由于调度绞车牵引列车装车过程中经常有减速制动甚 至 紧急停车情况 ，为避免 中间 回路 电压 上升对变频 器 的损 坏 ，实现快速制动钢 丝绳牵 引调度绞 车属于大惯性 设备而 且操作频繁 ，如 果变频器 中没有采 取消耗 能量的措施 ，这 部分能量就会导致 中间 回路 的储能 电容器 电压 上升。在 减 速制动过快或者 紧急停车 的时候 ，这部分 能量会对变频 器 造成损坏。与通用变频器最常用的动力制动状态和再生制 动状态处理方式不同，系统选用 了能耗制动的方法。其优 点是构造简单、对电网无污染 、成本低廉。缺点是运行效 率低，特别是在频繁制动的时候要消耗掉大量的能量而且 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 7 作者简介张培友 1 9 7 0一 ，男 ，山东肥城人 ，工程师 ，博士研究生 ，机械 电子工程专业 ，主要研究方向为现代机电 控制技术。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 8期 煤炭工程 制动 电阻 的容量将增大 。 2 ． 3 增加装车位置传感器 为实现列车精确定位装车，在列车轨道两侧安装两对 光 电开关 ，在车皮 到达装 车称重 位置 前 ，提前 采集列 车 行 进信息，判断列车长度及前进到装车称重位置所需 时间， 以便 P L C和变频调速器控制 列车行 进速度 和时 间。避免 装 煤时将煤炭洒落到车皮连接缝隙处。 2 ． 4 调度绞车 自动回窝控制 原有 的控制是 利用磁 控 限位 开关 来实 现 的，现 在改 为 磁控开关与变频器 控制 回路相结 合 。为了避免 调度 绞车 回 窝 出现过位 的事故 ，要在牛窝附近增加 一个磁控 限位开关 。 当调度绞车经过的时候 ，开关动作使相应 的继 电器得 电， 常开触点闭合使变频器以比较低的恒速锁定。当调度绞车 回窝到位 的时候 触动另 外一个 磁控 限位 开关 ，相应 的继 电 器得电，其常闭触点断开从而使变频器停止工作。为了避 免调度绞车 出窝 的时候该 回窝系统 动作 ，电源取用 变频 器 反转信号 。 2 ． 5 两套 变频 系统的 电气隔 离 考 虑到钢丝绳牵 引调 度绞 车变频 系统 出现不 可控 的故 障情况而影响生产 ，采用了备用变频系统，这样就面临两 套变频系统的电气隔离问题。他们在两套变频器电源以及 负荷侧各增加一个接触器并且相互电气闭锁。在单独的调 度绞车回窝控制 箱 内增 加两 个相互 电气 闭锁 的继 电器 ，当 在用变频调速系统电动机 反转 的时候 相应 继 电器 才得 电并 且接通 回窝系统电源。 2 ． 6 增加调度绞车回窝位置监视 在调度绞车回窝位置附近安装具有夜视功能的摄像头， 并将信号 引 入控 制 室 ，操 作 人 员 可 以 随时 监 控 牛窝 处 的 状况。 2 ． 7 添加 装 车补 偿 系统 对铁路装车线添 加补偿 系统 ，此 补偿 系统设 置 为 自动 添加 ，系统与原装车系统 配套 使用 。 2 ． 8 采 用 P L C代替 原继 电 器控 制 回路 为实现装车系统 自动化，实现调度绞车、给煤机、胶 带机 、电子轨道衡等设 备联动 ，系统选用 P L C实现 集 中控 制 。 整个控制系统 的性能 和任务 主要是 多 以开关 量控 制为 主，带有少量 的模拟量控制 ，因此选用 带有 A ／ D转换 的模 拟量输入模块和带有 D ／ A转换的模拟量输出模块，配接相 应的传感器、变送器和驱动装置，并且运算能力较强的中 型 s 7 3 0 0系列 P L C 。经 过综 合考虑 ，选用 C P U的类 型为 C P U 3 1 5 2 D P ，适用 于对程 序量 大规 模要求 的应用 ，对二 进制和浮点数运算具有较 高的处理性能，带有 P R O F I B U S D P主站／ 从站接 口，而且可用于大规模 的 L ／ 0配置 。 车皮在火车牵引下到达接车位置后 ，调度绞车出窝相 撞接车，并高速牵引列车到达装车位置，此时，将系统置 于自动控制状态，操作人员抄录列车的车皮和型号，P L C 控制系统 自动启 动调 度绞 车推动列 车 ，车皮 进入轨 道衡之 前通过光电开关 ，此 时系统 开始记 录位 移传感 器信号 ，跟 踪当前车皮 的位置 。当车皮后 部通 过光 电开关 时 ，系统就 可以确定 车皮 的长度 该功能主要是考虑到我 国当前有许多 非准车皮 。当车皮前换 向架 进人 轨道衡时 ，P L C控制将前 簸箕放下，然后抬起后簸箕。P L C通过与称量仪表和接 口 测定称量值，并根据已经测定的车位、车长和车速，计算 出车皮内煤的堆放曲线。并与该型车皮的理论装载曲线进 行 比较 ，根据其 差值 和控制 过程 的变化值 ，调整调 速系统 的输出 ，从而控制 列车 的行走速 度 ，实现均 衡装 载。 当车 皮的两个换向架都进入轨道衡并且装载量达到定值的8 0 ％ 时 ，列车停止行走 ，进 行精确 装载 。先 放下 后簸 箕 ，在将 达到设定值时，根据煤流量分步骤提前簸箕，从而使簸箕 提平后，装车净重量符合精度要求 ，并将轨道衡静态测量 值输入系统。然后 开动绞 车对下节 车皮 进行装 载 ，在上节 车皮的装载过 程 中已对 该 车皮进 行 了定 位 和车长 的测 定 。 在该节车皮的装载 过程 中，有 一部分 时 间上 节车皮 的后换 向架仍在轨道衡 上 ，P L C根据其 位 置除去 这部 分重量 ，计 算出装入车皮的实际煤量 。 3改造成效 1 调速方便 。系统采用 P L C和变频调速 器等 改造后 ， 实现 了调度绞车牵 引无极 调速 ，从 而适应安 全装煤 和快 速 退调度绞车的速度要求。 2 启动性能提高 。由于变频调速器具 备软启动 的优 越 性，除了能减少电流及机械冲击外，还解决了脱绳、爬绳 等危及安全生产的 问题 。 3 节约 了电能 。采 用变频 调速 器后 节 省 电费 2 0 ％ 以 上 。 4 显著提高 了装车 自动化程度和生产效率 。改 造后系 统采用 P L C控制 ，实现 了装 车系统 的定 量全 自动和手 动装 车的功能 ，并 且通 过 上位 机在计 算 机上 直观 的实 时 显示 ， 系统经过调试运行比较稳定，装车精度控制在了 1 0 k g以 内，并且装车效率大大提高。 参考文献 [ 1 ] 管振翔 ，邹爱英 ，郭秀欣 ．南屯煤矿铁路装 车线的技术 改造 [ J ]．煤矿机械 ，2 o 0 4， 1 2 1 1 7～1 1 9 ． [ 2 ] 袁进南 ，高顶 ，王仿 ，程羽 ． P L C在煤矿 自动装车系统 中的 应用研究 ． [ J ]机 械 制造 与 自动 化 ，2 0 0 9， 1 1 3 7～ l 3 9 ． [ 3 ] 张文仲 ，陈桂敏 ，付 田行 ．鲍店煤矿铁 路装车 自动化 系统 ． [ J ]．选煤技术 ，1 9 9 8 ， 4 1 1 1 3 ． 责任 编辑赵巧芝 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m