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1.引言
广东省云浮发电厂5T桥式抓斗是由操作台、运行机构和桥架组成的。运行机构是由三个基本独立的拖动系统组成：
大车拖动系统。拖动整台桥式抓斗顺着车间做“横向”运动（以操作者的坐向为准），大车的行走由2台11kW绕线电机牵引。
小车拖动系统。拖动抓斗顺着桥架作“纵向”运动。小车的行走由1台3.7kW的绕线电机牵引。
抓斗吊拖动系统。拖动抓斗作吊起、放下的上下运动及抓斗的放开、闭合运动。抓斗的升降绳和开闭绳各由1套卷扬机构操纵，卷扬机构的驱动电机为2台30kW绕线电机。
抓斗的所有电机都采用转子串电阻的方法启动和调速。在抓斗的使用过程中存在以下问题：
（1）由于采用转子串电阻的方法调速，机械振动大，行车不稳定，定位困难，抓斗摆动严重，容易造成机械设备的损坏。转速随负荷变化，调速效果差，所串电阻因长期发热而使电能消耗较大，效率较低。
（2）抓斗的电机采用绕线电机，经常发生碳刷磨损严重、电机及转子绕线过热，造成维护量大。操作员在抓斗定位时，经常打反车，使电机产生过载现象，影响电机的使用寿命。
（3）由于抓取搬运工作的距离较近，电机处于频繁启动及变速状态，控制电机的时间继电器和交流接触器处于频繁动作状态，电气元件容易损坏。
（4）在抓取原煤后提升时，难以保证升降绳与开闭绳均匀受力，严重影响钢丝绳的使用寿命。
交流变频器调速已广泛应用到许多领域，而PLC可以实现输入、输出信号的数字化，利用编程能实现多种功能，由二者配合构成的数字控制系统，可大大改善原有的控制系统的功能，也可以解决桥式抓斗故障率高的问题。
2改造方案
2.1 采用PLC进行系统控制
将抓斗外围电控设备输入信号接入PLC的I/O模块，根据抓斗实际工况对PLC进行合理编程。控制原理图如图1所示。
图1 桥式抓斗控制原理框图
（1）PLC具有闭锁启动功能，司机在启动设备前必须把主令控制器全部切至零位和桥抓的进出门的门限开关到位，才能接通主电源。操作主令开关上有状态指示灯，通过指示灯的闪烁频率来显示各种故障状态。
（2）抓斗提升和开闭操作有钢丝绳高限位保护，大车、小车有行程开关保护，各个设备的保护动作只影响设备本身的动作。
（3）所有的变频器的故障信号都接入PLC，大车的两个变频器中有一个有故障信号，大车就不能动作。其它的变频器出现故障只影响设备本身的动作。
（4）抓斗提升与下降、闭合和开启以及小车前行和后退、大车左行和右行有操作互锁。
（5）大车、小车速度的档位切换，可实现平稳切换。
（6）禁止司机利用打反车来对大车和小车进行定位。
（7）实现提升绳和开闭绳的自动追速功能。
2.2 电机的改造
用变频器调速替代原有的串电阻调速方式,电机可改为鼠笼电机,取消原有串电阻调速的外围电路的时间继电器与交流接触器。大车的两台电机用11kW的鼠笼电机，小车的电机用3.7kW鼠笼电机，开闭和升降电机都用30kW的鼠笼电机。
2.3 变频器的应用
变频器启动电机为软启动，大车的两台行走电机可通过变频器将两台电机传动做电气的联锁互动，可将其在电气控制上设计成主从控制,从而使大车运行振动减小，运行平稳，定位准确，在开闭和升降的控制变频器的程序里设置。当变频器的输出力矩达到设定值时，机械抱闸方可打开。在抓斗运行的过程中，开闭变频器或升降变频器出现故障，机械抱闸会抱死，抓斗不会溜钩；在桥抓的总电源停电时，机械抱闸也会抱死。
2.4 电气制动
液压抱闸系统在改造时将与变频器进行电气联锁。即只有变频器有大转矩输出时，液压抱闸才能松开。当变频器没有转矩输出时，液压抱闸合闸，锁死机械装置。所使用的变频器在电机制动时，会出现电机处于再发电运行状态，变频器就需制动电阻耗散这部份能量，使电机的制动能力提高。
3系统配置及选型
3.1 变频器的选择
（1） 变频器容量的选定
变频器容量的选定一般要满足表1所列的要求。
式中: PM —负载要求的电动机轴输出，kVA;
VN —额定输出电压V;
IN —额定输出电流A;
η —电机效率（约0.85）;
k —电流波形补偿系数（约1.05～1.1）;
—电机的功率因素。
选用的变频器的容量要比电机的额定容量大一档。
（2） 提升和开闭变频器选用专门用于起重的变频器
（3） 过载能力为额定电流的150%，持续60s
根据表1选用的ABB变频器如表2所示：
3.2 PLC的选择
（1）基于桥式抓斗工作环境粉尘多以及在运行过程中振动大，PLC的防护等级要高，一般达到IP67;
（2）有数字量输入通道和模拟量输入通道。模拟量输入通道用于对电流信号的处理,选用西门子的LOGO230R。
3.3 制动电阻容量的选择
制动电阻用于将电动机的再生电能转换成热能而消耗掉。
（1）制动电阻RB的阻值
一般情况下，RB的大小要使制动电流不超过变频器额定电流的一半为宜，即
RB≥2UD/IN （1）
UD—变频器的直流回路电压V;
IN—变频器的额定电流A;
（2）制动电阻的功率PB
PB≥UD2/RB （2）
（3）制动电阻的选取
根据式（1）和（2），选择的制动电阻如表3所示
备注：有两台大车变频器，每台变频器用两个电阻。提升、开闭和大车变频器的电阻使用并联的接法。
（4）制动电机的阻值及其容量，也可以选择厂家提供的与变频容量相匹配的放电部件。
4 PLC和变频器组态时要考虑的问题
（1）桥抓司机在卸煤时，为了赶快完成任务，经常利用打反车来对小车和大车实行定位，这种做法会缩短大、小车控制电机的寿命和加大传动机械的磨损。为了杜绝桥抓司机的这种做法，在PLC编程时，在大、小车的操作指令中加入0.2s的延时，这样就可以使打反车不起作用。
（2）抓斗开闭、升降防溜钩。利用变频器本身具有的功能通过合理的设置使其达到抓斗开闭、升降防溜钩的要求。
通过设定变频器的输出力矩达到大输出力矩的20%（可以根据实际情况来设定）时，机械抱闸才能打开。
（3）自动追速功能。抓斗在抓取物料后提升时，往往只有开闭钢丝绳受力，容易使其损坏，这是要求提升钢丝绳在快的时间里与开闭钢丝绳一起受力。为达到这个要求，在PLC程序里设计一段小程序，其原理如图2所示。
当提升电机电流AI1小于开闭电机电流AI2的95%（这个值可根据现场的实际情况作适当的修改）时，模拟量比较模块就发出信号“1”，如果这时提升、闭合信号存在，PLC发出提升750r/min的信号到提升变频器，而开闭变频器得到的信号是700r/min，从而达到追速的作用。当提升与开闭电机的出力平衡时，提升电机的转速就切换回700r/min，与开闭电机的转速一样。
5结束语
（1）由于用鼠笼电机取代了绕线电机，消除了电刷和滑环经常出的故障。
（2）采用变频调速后，电机可以在基本停住的情况下进行抱闸，闸皮的磨损情况将大为改善。
（3）控制系统的故障率低。原控制系统是由复杂的接触器、继电器系统进行控制，故障率高，采用PLC和变频器调速系统后，控制系统简化，可靠性大为提高。
（4）节能效果好。绕线电机在低速运行时，转子回路的外接电阻消耗大量的电能，采用变频调速系统后，可以节约外接电阻消耗的大量电能。
（5）调速质量明显提高。采用了变频调速系统后，调速精度可达1%，且调速平稳。
转速监控装置是水轮发电机组重要的自动化装置，本文根据小型水电站的特点，提出了在控制机组运行的PLC上增加部分硬件，实现转速监控功能的方法，该方法既解决了测速装置的可靠性问题，又降低了系统的成本，是一种较为理想的方案。
1系统硬件构成
系统硬件是利用控制机组运行PLC的8个晶体管输出点和一个高速输入点，增加LED的译码和驱动电路，组成转速监控装置的硬件系统。
系统由转速信号检测单元、PLC（三菱FX2N系列）和LED速度显示电路三部分组成(如图1所示)。其中转速信号检测单元由光电码盘组成，光电码盘将机组转速转换成电脉冲信号，输入到PLC的高速输入端（如：X0），PLC程序按单位时间内脉冲数计算发电机的实际转速，并显示在LED数码显示器上。
2转速测量的软件设计
2.1转速计算方法
目前常用的转速计算方法有以下几种：
(1)M法：是在一定时间间隔内，对光电码盘输出脉冲数进行计数，并计算出转速，适用于发电机转速的高速测量。
(2)T法：是通过测量光电码盘的脉冲周期来计算电机转速的一种测量方法。
(3)M/T法：是结合了M法和T法的优点，在低速及高速段均有较高的分辨能力和测量精度。
(4)E/T法：其原理是从T法出发，只是为了克服T法高速时的精度问题。
结合FX2NPLC和该水电站水轮发电组的测速范围（0～600r/min），以及M法测速对硬件要求简单的特点，本文采用M法进行转速测量与计算。
假设与发电机同轴连接的光电码盘每旋转一周，输出脉冲数为P，电机的转速为n(r/min)，检测时间为T(s)，在T内的计数脉冲数为m，则电机的转速n为：
n=60m/pt
在检测时间T内其误差大为1个脉冲，则M法转速分辨率Q为：
Q=60(m1）/pt-60m/pt=60/pt
可见采用M法测速时，其分辨率与速度的大小无关，要想提高分辩率，除选用每转输出脉冲数多的光电码盘外，只有尽可能的增大检测时间，检测时间过大，转速的反馈延滞作用越严重，将严重影响系统的动、静态性能。
2.2转速检测的软件设计
2.2.1转速脉冲检测
将光电码盘的脉冲信号输入到PLC的高速输入端口X0上（X0为高速输入端，其高频率为：2kHz）,利用PLC的测速功能指令“SPD”将100ms中的脉冲数存入PLC数据单元D0中，并计算出发电机的转速。其梯形图如图2所示。
2.2.2转速计算
为了简化计算将光电码盘每转一圈的脉冲数设计为60个、检测时间T=1s,则发电机的转速n即为D0中的脉冲数
n=60D0/pt=60D0/60=D0
2.2.3转速处理和显示
PLC程序对机组转速进行实时检测，非凡是转速达到额定转速35、80、95、140时产生相应的机组控制信号，控制机组进行工况的转变。转速比较判定程序如图3所示。
其中D0为转速数据单元，K210为35的额定转速值（35×600）、M0～M2分别为转速小于210r/min,等于210r/min和大于210r/min控制标志位。
测量的转速数据一方面通过RS232通讯接口上传到电站计算机监控系统，另一方面通过PLC的输出端口在LED显示器上就地显示。就地显示的PLC程序梯形图如图4所示。
梯形图中Y0表示PLC的输出以Y0～Y3输出显示数据信号（BCD码）、Y4～Y7输出位选信号的首地址，参数n表示选用数码管组数（4位为1组）。
本系统在鹅项颈水电站转速测量及保护系统中使用后效果良好。表明该系统具有结构简单、成本低、精度较高、运行可靠等优点，可以推广到其他高可靠性的转速信号测量系统中。
1 引 言
在原油管道输送行业中，流量计的使用范围相当广泛，而在原油交接过程中，流量计的计量精度是非常关键的一个参数，它直接影响着管道输送企业的信誉和经济效益。根据规范要求，每台运行的流量计都需要定期标定，标定装置一般为体积管。早期的体积管标定对标定人员的要求较高，且存在标定精度低、设备磨损大等缺点。为此，将PLC引入体积管标定系统，利用工控机（IPC）作为操作界面，构成新型的流量计自动标定系统，并在鲁宁长输管线的数处计量站应用成功，在标定精度、系统稳定性、可靠性及可操作性等方面较早期标定系统有很大提高，取得了良好的标定效果。
2 系统硬件配置与工作原理
2．1 系统构成
系统主要由体积管系统、仪表系统及控制系统3部分组成。体积管系统包括环型管路（口径为DN300，大标定流量为600m3／h，基本容积为3 m3，标定精度为±0．02％）、接触开关、标定橡胶球及收、发球机构。仪表系统由一台Foxboro压力变送器和一支Rousemount一体化温度变送器组成，在标定时作为压力、温度补偿用。控制系统由PLC、通讯模块和IPC组成。如图2—1所示。
2．2 控制系统的软、硬件配置
2．2．1 硬件部分
（1）工控机IPC
为保证系统的高度可靠性，选用研华IPC610型工控机。具体配置为：PIII800MHzCPU、128M内存、40G硬盘、MAG17英寸纯平显示器、64M显存的显卡、声卡及音箱（作报警和提示用）等。
（2）PLC
选择法国Schneider公司的ModiconMicroTSX3722型PLC作为系统的控制核心，它体积小、功能强，可扩展性好，具体配置为：
主机：Micro TSX3722（内置电源、CPU）
模拟量输入（AI）模块：选用TSXAEZ802，它有8个高电平模拟输入端，可输入0～20 mA、4～20mA等标准信号，12位A／D转换精度，具有输入超调监控功能和测量滤波抗干扰功能；
模拟量输出（AO）模块：选用TSXASZ200，它有两个模拟输出端（有一个共用端），无需外部电源，可输出各种标准信号，包括0～20mA、4～20 mA、±10 V等。
开关量输入（DI）模块：选用TSXDEZ12D2，它有图2—1 系统结构简图
开关量输出（DO）模块：选用TSXDSZ08R5，它有8路继电器输出，内部提供过载和短路保护，并具有通道故障自诊断功能；
高速计数（HSC）模块：选用TSXCTZ2A，它有两个计数通道，可计数大频率为40kHz的两路脉冲，可实现向上计数、向下计数或向上／向下计数。
通讯（CMM）模块：选用TSXSCP114PCMCIA卡（配套TSXCM4030串型连接电缆），借助TSXSCA50连接器连接到IPC，实现PLC与IPC之间数据的双向传输与交换，通讯协议为MODBUS。
2．2．2 软件部分
系统的软件主要包括平台软件、PLC编程软件和IPC组态软件。
（1）系统平台软件：采用bbbbbbSNT4．0Workstaition作为系统平台，设置了系统密码和操作员指令，屏蔽了软件的某些功能来限制系统的操作，以防止非法用户进入系统；
（2）PLC编程软件：采用Schneider公司的TLX－PL7MP10E，它是一个基于bbbbbbs环境的编程软件套件，TSX型系统PLC使用，支持梯形图（LD）、指令语句表（IL）、顺序功能图（SFC）等多种语言模式，具有在线编程、诊断和在线仿真调试等功能，可支持MODBUS、MODBUSPLUS、JBUS、UNIbbbWAY等通讯协议或通讯总线。
（3）IPC组态软件：选用美国Interllution公司的工控软件Fix6．15，该软件可运行于Win98／NT平台，具有采样速度快、实时性强、可靠性高等特点；组态方便，报警功能方式多样，实时、历史趋势曲线制作简单，能够和其它应用软件如VB、VC、VF、EXCEL等实现无缝链接，灵活、方便的实现数据调用和报表打印。
2．3 系统的工作原理
体积管的本体是由钢管构成的一种密闭式容积标准器。它的基本容积值是指在起始检测开关D1与终止检测开关D2之间的管段容积，该容积值是由国家技术监督局授权单位按照国家检定规程JJG209进行测定，并换算到标准状态（20℃、101325Pa）下的容积值。
标定时，通过流程切换，使被检流量计与体积管连成标定系统。控制系统的PLC通过开关量模块控制标定系统的启停，利用高速计数模块采集体积管标准容积值流经被检流量计时流量计发出的脉冲数，并将其转化为标准状态下的容积值。之后，控制系统将该容积值与体积管的标准容积值进行比对计算，得出被检流量计的测量精度。如精度满足规范要求，则将流量计投入正常生产流程；如有超差，则对其进行校正后再予以标定。
2．4 系统的工作过程
用体积管标定流量计，为了在每个流量点上准确反应仪表的重复性，根据国家标准GB／T13282，体积管的基本容积应按下述原则选择：
式中：VQ———基本容积设计值（m3）
Qmax———被检流量计上限值（m3／h）
只要满足这条原则，就能保证弹性球的运行速度小于3 m／s，较经济的运行在安全速度范围内。
为了保证标定的可靠性，在正式标定前，应进行体积管系统的密封性试验：导通试验流程，由控制系统启动加压泵，为体积管系统加压，使体积管内的压力保持为大于进口阀前压力0．5MPa，观察30 min，若压力降小于0．2 Mpa，则可以进行标定。
（1）导通标定流程，使流量计和体积管连在一起，构成标定系统；
（2）操作人员在IPC上的标定画面中输入被标定流量计的各项参数，如流量计的大流量、小流量、流量计系数等。用鼠标点击“标定”按钮，确认后开始标定；
（3）控制系统启动投球机构，投球运行3次，使整个标定系统内的液体温度趋于稳定并排除气体，进入标定过程；
（4）PLC的高速计数模块读取被检流量计的脉冲量，计算出当前体积管内液体的瞬时流量值，根据已输入的流量计参数值，利用PLC的模拟量输出模块与体积管的进口调节阀组成的单回路PID调节系统，将体积管内液体的当前流量调整到被检流量计大流量的50％；
（5）按规定的标定点，待流量稳定后，开始标定：当弹性球通过个检测开关D1时，PLC的脉冲计数器开始计数；当弹性球通过第二个检测开关D2时，计数器停止计数，并计算出两个检测开关之间流量计发出的脉冲数。之后，PLC按照脉冲／流量比计算出液体的累积量值；
（6）重复上述标定程序，按流量计的大流量、大流量的40％和小流量进行标定，每个流量点的重复测量不少于3次，计算出每次标定的液体累积量值。
（7）PLC结合标定过程中液体实时压力、温度值（分别由压力变送器和温度变送器提供）进行查表计算，将测得的累积量值转化为标准状态下（20℃、101325Pa）的累积量值。再将这些值与标准值（体积管标准管段标准状态下的容积值）进行比对计算，核算出被检流量计的jingque度，再由IPC驱动打印机打印出该流量计的标定报告。至此，标定过程结束。
3 控制系统的数据流向及软件流程
3．1 数据流向
（1）PLC通过模拟量输入模块读取现场数据（标准4～20mA信号），按仪表量程的不同，经程序运算转换为标准的工程量单位；通过高速计数模块读取流量计的脉冲信号，由主程序调用计量子程序，按照脉冲／流量比计算出流量的瞬时值和累积值；通过开关量输入输出模块读取体积管位置开关状态、控制体积管的启停来实现流量计的标定；
（2）IPC利用通讯模块从PLC中读取数据，将其记录到本机的历史数据库中，应用程序读取并显示现场数据及流量的瞬时值和累积值；PLC也通过通讯模块读取和执行IPC的操作指令；
（3）PLC将采集和计算得到的被检流量计各项参数传输到IPC，由IPC调用Excel报表系统进行记录。待标定完成后，自动打印出标定报告及标定结论。
3．2 软件流程：
4 实际应用
系统经安装、调试后，于1999年10月正式投入使用，至今已稳定运行两年多时间，累计标定流量计近百台（次），控制系统未出现任何问题。实践证明，该系统自动化程度高，各项性能指标完全达到设计要求。PLC控制系统与体积管系统相配合，使系统具有较高的标定精度，避免了人为操作造成的误差，可靠性大为提高。系统的显示画面丰富、直观、操作界面简洁、友好，使用方便。降低了操作人员的工作量，工作效率得到很大提高，取得了良好的效果。