王蘭志

摘 要：文章對定位車行走變頻調(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，同時減少對定位車減速機和行走驅(qū)動裝置的沖擊和損壞，延長了設備的使用壽命；通過對定位車大臂俯仰速度進行調(diào)節(jié)的研究，引入了比例閥技術，通過和PLC技術相結合，實現(xiàn)對定位車大臂起落速度的實時調(diào)節(jié)，減少了大臂起落時對定位車本體平衡的影響，節(jié)約了大臂起落的反應時間。

關鍵詞：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

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)設計中，要結合以下特點進行。

（1）負載變化性

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，分為人工裝車和機械設備裝車，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180t左右。同時火車車廂還有多種型號，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)的設計存在一定的難度[1]。

（2）容錯性

在定位車牽引火車時，如果出現(xiàn)故障，如提銷缸漏油、鉤銷接近開關信號故障、變頻器故障或設備突然停電等，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載變化等情況自動進行相關保護動作，從而根本保證了定位車在牽引火車過程中的安全性。在故障發(fā)生時定位車驅(qū)動變頻調(diào)速控制系統(tǒng)如果進入專門的故障處理程序，通過停止自動作業(yè)運行和斷開相關設備動力電源，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）可擴充性

定位車行走變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的電氣控制柜，應該具有與集中手動、自動控制和就地控制等相關功能模塊的數(shù)據(jù)通訊交換接口，能夠與PLC和上位機相連，實時傳送定位車行走速度的相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)定位車行走及行走速度的顯示和監(jiān)控，并對行走過程中的故障進行及時反饋和報警。

（4）延長設備的使用年限

定位車設備體積大、質(zhì)量重，運行環(huán)境粉塵大、濕度大，而且定位車采用齒輪齒條驅(qū)動行走，這對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)過程的可控性差而導致定位車本體設備振動大、故障率高、維修頻繁等一系列問題，延長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)設計的內(nèi)容是利用變頻調(diào)速控制單元控制六臺驅(qū)動電機運行，以使定位車能夠按設定的速度要求進行平穩(wěn)的牽車作業(yè)。根據(jù)定位車系統(tǒng)的設計牽車能力及作業(yè)效率等設計要求，結合定位車工作運行的現(xiàn)場工況條，采用“AFE整流回饋裝置+逆變器+PLC+HMI人機界面+傳感器”的方式。

AFE主動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)動電動機在不同的頻率下運轉(zhuǎn)。由于普通變頻器使用的是橋式整流，所以能量僅能從電網(wǎng)流向變頻器母線，無法實現(xiàn)能量雙向?qū)ǎ瑫r由于全橋整流的限制性，導致變頻器的功率因數(shù)不夠高，同時輸入的諧波電流有相對較大，從而造成對電網(wǎng)的影響。變頻器的功率越大，給電網(wǎng)帶來干擾的也就越大。在實際工作中，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，來降低變頻器的干擾諧波，同時也使變頻器的功率因數(shù)得到提升。

AFE主動前端的出現(xiàn)則較好的解決了上述問題。AFE主動前端也采用IGBT來結成的橋式結構。因為AFE主動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行時，都是通過IGBT開關狀態(tài)的變化來實現(xiàn)特定的功能，所以在使用AFE主動前端狀態(tài)下，變頻器的電流諧波很少，減小了對電網(wǎng)的影響。相應地，變頻器使用了主動前端后，因為前端能量是雙向?qū)ǖ?，所以可以應用于各種需要電機四象限運行的場合中，包括各種電梯、起重機，以及各種電機驅(qū)動的場合。

1.2 定位車行走變頻調(diào)速的主電路設計

定位車采用德國西門子的整流單元（Active Frond End）、逆變器和驅(qū)動電機。同時采用德國西門子SIEMENS公司的380V電機控制中心（MCC）并帶有電機保護的各種控制盤。

定位車行走系統(tǒng)由六臺變頻調(diào)速交流驅(qū)動電機驅(qū)動，采用AFE（Active Frond End）主動前端將進線380V三相交流電轉(zhuǎn)換成630V直流電，其下口有兩臺110kW逆變器，采用共直流母線的方式驅(qū)動每臺功率為110kW電機運行，通過SIMOLINK電氣同步控制卡來實現(xiàn)兩臺逆變器之間的同步運行。

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)的目的是為了實現(xiàn)六臺交流異步電動機的同步運行。由操作人員采取就地手動、集中手動和自動方式來控制AFE整流回饋裝置和逆變器的工作狀態(tài)（如啟/停運行等）、電動機的接觸器的動作，以及各種檢測裝置和停止或報警信號的輸入等。

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關、電動機的正反轉(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、準備啟動、零速反饋、通用故障、預充電完成、直流母線預充電和運行狀態(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/停止選擇開關、遠程控制開關、使能開關、重新啟動設置、急停開關、正反轉(zhuǎn)控制和預充電選擇來實現(xiàn)的，這種方式實現(xiàn)了控制系統(tǒng)中強電和弱電之間的隔離，保護了PLC系統(tǒng)，增強了控制系統(tǒng)和設備的穩(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機的轉(zhuǎn)速信號，是以電壓信號±10V進行傳遞；對逆變器的速度調(diào)整控制是以電流信號4～20mA進行傳遞設定的[2]。

1.4 定位車行走變頻調(diào)速實現(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、電動機、增量測速編碼器、行走距離絕對值測量編碼器、Controllogix5000 PLC控制器、上位機、觸摸屏以及其他用于定位車狀態(tài)監(jiān)測、保護的電氣元器件，如行走超速開關、行走限位開關等。

（1）執(zhí)行機構

執(zhí)行機構由六臺電動機組成，用于定位車的驅(qū)動，根據(jù)實際工況的需求，調(diào)整不同的行走速度，以保證能平穩(wěn)牽引火車。

（2）信號檢測

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

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

③報警信號：它反映定位車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是否正常運行，例如定位車過速信號，檢測定位車行走是否有過速情況；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，該信號為開關量。

定位車是通過以下方式實現(xiàn)對其行走距離的精確測量。首先，通過布置在定位車上的絕對值編碼器測量實際運行位置的數(shù)值以及布置在定位車電機上的增量編碼器實時測量電機轉(zhuǎn)速的數(shù)值；然后將實時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PLC程序內(nèi)的相關速度控制程序、位置比較程序及速度給定程序?qū)崿F(xiàn)對SIEMENS變頻器的控制，通過轉(zhuǎn)差頻率矢量控制（CUVC）的SIEMENS變頻器實現(xiàn)對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SIMOLINK進行數(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)動連接發(fā)展為單個MASTERDRIVES MC/VC 裝置之間或MASTERDRIVES MC/VC 裝置與上位機系統(tǒng)之間在共同系統(tǒng)時鐘下所有連接站的同步，迅速準確的進行數(shù)據(jù)周期傳輸。

定位車行走變頻調(diào)速系統(tǒng)中設置了一個AFE，主要作為一個整流/回饋單元，從結構上分析，因為使用了 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)送的控制信號改變變頻調(diào)速的運行頻率，實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速控制。通過這樣的方法就相當于把一臺三相異步電機當作一臺直流電機來進行控制，通過這樣獲得的靜、動態(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)速實現(xiàn)過程

定位車行走變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是實現(xiàn)六臺電動機同步運行，由操作人員采取就地手動、集中手動和系統(tǒng)自動控制等模式來控制逆變器的工作狀態(tài)以及AFE整流回饋裝置的啟停運行，通過上位機、PV1000觸摸屏相關控制界面實現(xiàn)控制模式和行走速度的設置和調(diào)整，從而實現(xiàn)對定位車行走速度的控制。

此系統(tǒng)是上位機、PV1000觸摸屏通過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實現(xiàn)六臺逆變器之間的運行。

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，而將電信號轉(zhuǎn)變成液壓執(zhí)行機構的運動和輸出力，則需要通過比例閥來實現(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置的運動方式來實現(xiàn)運動控制。在很多情況下，定位車大臂液壓缸都需要快速運動，然后減到一個較低的速度、到達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)的關鍵部件，大臂可向上抬起至與地面垂直，其抬臂動作由大臂俯仰機構實現(xiàn)。大臂俯仰機構由液壓缸、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到這一效果。通過比例閥和電控系統(tǒng)的結合，實現(xiàn)定位車大臂起落速度的實時控制。

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，對經(jīng)過閥的液壓油的壓力、流量等要素進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，則彈簧將被進一步壓縮，直到重新達到力的平衡為止。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。

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

比例閥在大臂控制中的控制過程是：比例閥接受控制信號控制活塞閥的運動，再通過活塞閥的運動來推動主閥閥芯的左右滑動，以達到換向的作用，其中主閥上的位置傳感器能夠感應到主閥當前的位置并把此位置信號傳給集成在比例閥上的控制線路，這樣便能使大臂在快運動到行程終點時進行必要的減速動作。

比例閥接受一個電流的控制信號來控制大臂的抬落，當電流信號在12～20mA范圍時大臂下落，當電流信號在4～12mA時大臂抬起，要想大臂保持位置不動則需要持續(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，而是需要一個控制器來調(diào)節(jié)。PLC把需要調(diào)節(jié)的位置、速度信號輸入給W.E.ST.控制器，再由該控制器經(jīng)過計算向比例閥輸出一個4～20mA的電流控制大臂抬落。

2.2 定位車大臂控制流程

定位車大臂動作有專門的控制回路，終點位置的設定和動作速度的設定都由PLC完成設定，并由PLC的大臂控制器輸入信號設定位置和速度，再由控制器向比例閥發(fā)出控制信號使大臂動作，大臂液壓缸安裝有位置檢測器，負責向大臂控制器和PLC分別反饋相同的位置信息，從而構成大臂起落控制。

大臂動作前蓄能器充壓，方向閥動作并使液控單向閥處于打開狀態(tài)。控制器從控制單元（PLC）收到使能（ENABLE）信號進行位置控制管理（實際位置會與設定位置比較，并將根據(jù)比較結果向比例閥輸出信號，直到控制器中沒有繼續(xù)抬臂的信號后停止。）位置控制器由一個位置控制卡和一個放大器組成。終點位置由控制單元（PLC）設定給控制器的設定輸入點，把開始動作的信號輸入給控制器后，大臂會移動到按照參數(shù)設定好的位置。大臂速度會經(jīng)由控制單元（PLC）輸入給控制器。PLC輸入開始信號會使大臂開始動作，大臂到達設定位置后“開始信號”會被復位到零。使能信號會持續(xù)存在以保證液壓缸維持它當前的位置可控。由于個別原因使液壓缸伸出過程中中斷時，兩個液控單向閥會在方向閥的動作影響下重新關死，并且不再給控制器使能信號。

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）控制器由準備就緒信號，顯示控制器工作正常。

（3）在使能信號的作用下控制器會比較大臂的實際位置和設定位置，并根據(jù)比較結果改變輸出信號。

（4）當要改變大臂位置時（抬、落大臂），由PLC計算大臂當前位置：Lmax=大臂活塞桿伸出最長時液壓缸長度（3177mm），Lmin=大臂活塞桿縮回最短時液壓缸長度（1877mm），Lset=設定的液壓缸長度（x mm），Lmax-Lmin也就是活塞桿總長度1300mm，4～20mA對應0～30840個PLC輸出單位，30840/1300*（X-1877）=最終PLC輸出的值（設定位置）。

（5）PLC輸出開始信號給控制器，控制器讀入設定位置并經(jīng)過計算開始輸出4～20mA電流信號給比例閥。由PLC輸入0～10V的控制電壓，對應0%～100%的動作速度。

參考文獻

[1]李靖宇.利用PLC對定位車進行運動控制[J].港口裝卸，2009，（1）：36-37.

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

（作者單位：神華天津煤炭碼頭有限責任公司）