浮吊式起重机控制的相关技术问题分析

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浮吊式起重机控制的相关技术问题分析

1  引言

    浮式起重机是重钢公司的瓶颈设备，是矿石原料入口通道的咽喉，该设备性能的优劣直接关系到公司的生存与发展，是全公司要改造的重点关键设备。由于该设备有举足轻重的作用，在技术改造中既要先进，更要把安全可靠摆在头等地位，因此在设计中先进科技设备和控制技术成熟度是第一位的。浮式起重机是一个复杂的系统，它的控制涉及众多工程技术问题，是多技术系统应用的复合体。为了改善浮吊性能，保证该系统在高频率、大运量的情况下正常运行，需对该浮吊的控制系统及相应的机械传动部分进行技术改造，改造后的控制系统应能适应设备年起卸矿石200万吨的作业状况。
    控制系统改造涉及起升及抓斗闭合电机(2×2×110kW)、旋转机构电机(2×2×30kW)以及变幅机构电机(2×1×30kW)共计10台电机的驱动及调速，实现可靠的安全联锁和防误操作功能以及联合动作控制系统，还涉及联动操作台的改造。
驱动系统能实现大范围的平稳调速及较快的速度提升性能(从启动到高速2.5s)，同时解决抓斗闭合与提升电机间的受力平衡问题，速度调节能适应抓斗和吊装两种作业方式。
    控制系统要具备较高的安全可靠性及完备的防误操作功能;联动操作台要操作简单易掌握，贴近原操作习惯，且有较高的使用寿命，适应频繁操作;整个系统能在高温高粉尘的恶劣环境下正常工作，适应正负百分之十的电网电压波动。因此，在系统功能实现上，有一定难度，以下就有关技术实现问题作些讨论。

2 系统总体设计考虑

    (1) 驱动系统设计及选型
    为提高浮吊作业效率，既要提高驱动系统的速度响应，又要减少故障检修及常规检修的周期和频率，采用变频调速方式可以很好的满足浮吊设备对于驱动系统的要求。
    变频器有很宽的调速范围，可以设定加减速时间;良好的低速力矩特性使得电动机在启动和加速时能够获得大而且平滑的加速度;制动单元的接入又使得电动机在减速和停车时能够获得足够的制动力矩。上述特性保证了变频调速系统有很好的速度响应性能。
    其多段速度功能的各段速度独立可调，可根据作业需要设定各种不同速度进行作业。
    变频器的平稳起动及制动特性减少了机械冲击，降低了结构损耗;启动电流较小，在频繁起动及制动中减少电机热损，延长电机寿命;变频器自身是高可靠性的通用标准设备，故障率极低，引入变频器后整机的故障率降低，维护量减少，间接地提高了作业效率。
    为提高操作器件的可靠性，采用多段速有级平滑调速方式。
变频调速在低速情况及加减速过程中有明显的节电效果。
本系统选用的是日本安川公司的616G5系列起重专用型变频器，它能够方便的实现闭环矢量控制，可实现高达1:1000的调速比，高精度的速度控制，零速时可达到150％额定力矩，广泛的应用于起重行业。各电机原为绕线电机转子串电阻方式调速，改为变频调速后不需要更换电机，仅把电机转子回路短接即可。
    (2) 控制系统设计及选型
    起重设备涉及到一系列的安全问题，浮吊控制系统必须有很好的可靠性和完善的安全措施，保证即使在操作失误的情况下也不会导致安全事故和设备损坏，为此本方案采用PLC来实现安全联锁和防误功能。除了紧急停机操作保留直接连线方式外，所有的操作均通过PLC程序来实现。本系统选用西门子公司6ES7－200系列紧凑型小型PLC产品作为核心控制设备。
    (3) 联动操作台设计及选型
    联动操作台是浮吊的唯一操作位置和人机界面，除了作为基本操作器的手柄式凸轮控制器外，还设置了各种故障信号、紧急停机按钮、功能选择开关、允许操作钥匙开关等。
    联动操作器作为浮吊主要操作设备，动作十分频繁，要求可靠并且有较长的使用寿命。本系统选用法国施耐德公司的XKB-E系列手柄式凸轮控制器，其操作灵活可靠，手感好，使用寿命高达各方向100万次，以旋转及变幅操作器为例，即允许左旋右旋和变幅向前向后各操作100万次，根据浮吊作业频率估计，每台操作器大约可使用1年左右。
    当起升或抓斗部分出现故障时，需要将抓斗下放，为此设计了机械制动器释放踏板和允许此项操作的钥匙开关。
    (4) 系统的环境适应性设计及选型
    浮吊位于江边，主要任务是装卸矿石，工作在高温、高湿、高粉尘及振动环境，需要采取措施保证控制系统正常工作。
浮吊主卷扬室内的四台电机、所有的控制柜等均为发热体，夏天时将因排放热量困难而产生很高的环境温度，不利于控制系统正常工作。在该室加装有强制通风设备以改善散热条件。
    起升及抓斗电机工作持续性较高，在长时间低速运行时由于内置风扇工作效率低而导致散热能力差，改为外部强制风冷。
各控制柜采用进口柜体，密闭式结构可防止粉尘及湿气侵入，柜体上加装带过滤罩的强制通风风机以排放柜内热量，装有PLC的柜体装设柜用空调器，保证系统可以在-10-65℃的环境温度下正常工作。
    各主要电气设备均选用具有抗振能力的进口设备。为了保证整个控制系统的高可靠性，本系统对于断路器、隔离开关、接触器以及按钮信号灯等低压电器统一选用了欧洲著名品牌，德国金钟－默勒公司的产品。

3  控制系统详细设计
3.1 电气主回路设计中的几个问题

    (1) 电气保护
    各支路入口用支路断路器作支路短路保护及后备过载保护，支路的过载保护、过压及欠压保护和其他保护则由变频器自身的保护功能承担。由隔离变压器提供控制电源及向PLC供电，以尽可能减小PLC及控制元件受电源干扰导致工作不正常的可能性。隔离变压器前端设一断路器作为短路保护及线路保护。
    (2) 变频器出口隔离开关
    电动机在检修或较长时间停止运行后，要进行绝缘检测，合格才能够投入运行，而变频器是电力电子类设备，不能进行常规绝缘检测，为此，在各变频器之后都设置了隔离开关，以便在需要时方便地将变频器与电动机断开。
    (3) 制动单元及制动电阻
    起升及抓斗电机在负荷下降时，重物的势能将转化成为电能，再由变频器附加的制动电阻将此电能转变为热能耗散掉，以达到平稳制动的目的。旋转及变幅电机也附加了制动电阻，作为减速过程中的制动手段。制动电阻是通过制动单元接入变频器的，制动单元能够根据需要自动投入和切除制动电阻。制动电阻安装在控制柜外专门的电阻安装支架上。
    (4) 机械制动器控制
    各电机的机械制动器由接触器控制。其中变幅制动器电源取自支路断路器后端，以保证只有在变频器支路已经得电时，机械制动器的得电释放才被允许。而提头和抓斗制动器由于需要保证故障时允许抓斗下放，故单独设计断路器加以保护。
    (5) 旋转编码器
    为防止在启动时机械制动器放开后重物突然下滑或变幅机构突然前倾，起升、抓斗及变幅电机的变频调速均采用闭环矢量模式，以获得较迅速的力矩响应。闭环回路的转速检测由装在电机轴端的旋转编码器实现。

3.2 控制系统设计中的关键点
    PLC是整个浮吊控制系统的核心，除了紧急停机按钮以外，所有的操作设备、检测设备和执行设备都是通过PLC互相联系起来的。为减小电气干扰的影响，除就近的联动操作台信号外，PLC的所有输入输出均通过入口及出口继电器连接。紧急停机按钮是在发生紧急情况时人为干预的最后手段，即使在PLC功能已经失效的情况下也能够正常起作用，该信号直接作用于各支路断路器使其跳闸，用切断电源的方式迫使整个浮吊立即停止工作的。联动操作台上其他所有的操作指令全部以接点方式输入PLC，再由PLC去控制各变频器以使各电动机正反转、加减速以及停止运行。操作指令与电动机的运转方向和速度之间有一一对应关系，通过PLC实现联锁关系。
    (1) 调速指令及变频器状态信号
    PLC以接点方式向各变频器发送运行、停止、运转方向及速度分级指令，并采集变频器的运行及故障等状态信号。
    (2) 速度反馈信号
    速度反馈信号由旋转编码器采集，经PG卡直接送入变频器参与闭环控制。
    (3) 接触器控制及反馈
所有的机械制动器要求在变频器开始运行时可靠释放，在因故使变频器停止运行时可靠抱合，其功能由PLC经过逻辑判断后通过控制接触器的闭合和释放来实现，并采入接触器辅助触点信号以判断接触器是否正常工作。
    (4) 超行程信号
    在起升、抓斗及变幅等各个机构上设有超行程限位开关，其信号全部送入PLC，在超行程信号时发出指令让相应的机构停止动作，以防失控损坏设备。
    (5) 断路器及隔离开关状态信号
    在浮吊运行时，要求所有的断路器和隔离开关都处于闭合位置，开关的辅助触头将信号引入PLC，当有开关不在闭合位置时，PLC将给出灯光提示并封锁操作指令。
    (6) 指令安全设计
    由PLC发出的指令在PLC自身故障时将自动使设备处于安全停车状态。

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4  系统功能设计
4.1 基本操作功能
    基本操作功能通过拨动允许操作钥匙开关和左右两个手柄式凸轮控制器实现。
    (1) 允许操作钥匙开关
    该钥匙开关有三个位置，分别是:禁止操作，抓斗作业和吊装作业。浮吊在停止作业期间，该开关置于禁止操作位置，此时所有的操作指令均被封锁，一切操作无效。当准备开始抓斗作业时，将钥匙开关置于抓斗作业位置，各项操作被允许进行，同时，对应于凸轮控制器的各档位，PLC将向各变频器输出与抓斗作业相适应的速度指令。当准备开始吊装作业时，将钥匙开关置于吊装作业位置，各项操作被允许进行，同时，对应于凸轮控制器的各档位，PLC将向各变频器输出与吊装作业相适应的速度指令。
    (2) 旋转及变幅操作器
    该操作器为手柄式凸轮控制器。纵向除零位外前后各三个档位，用于控制变幅机构，可以三级速度向前或向后动作。横向除零位外左右各三个档位，用于控制旋转机构，可以三级速度向左或向右旋转。操作器可以斜向操作，即可以同时控制变幅和旋转机构动作。各档位的速度可在变频器上独立进行设置。
    (3) 起升及抓斗操作器
    该操作器为手柄式凸轮控制器。纵向除零位外前后各三个档位，横向有中位和右位两个档位，手柄在中位时，前后操作手柄将同时控制起升与抓斗电机同步运行，使抓斗上升或下降。手柄在右位时，前后操作手柄将单独控制抓斗电机，使抓斗开启或闭合。各档位的速度可在变频器上独立进行设置。

4.2 安全联锁功能
    (1) 旋转机构电气故障安全联锁
    旋转机构电气故障包括旋转变频器故障、断路器故障、隔离开关未合上故障。故障发生后由PLC发出指令旋转机构立即停机(其中大部分故障也将直接导致停机)，同时，起升、抓斗及变幅机构在PLC控制下减速停机，停机后其他三个机构可通过操作杆复零来激活操作功能，以便把抓斗下放到适当位置后检修故障。
    (2) 机构电气故障安全联锁
    变幅机构电气故障包括变幅变频器故障、断路器故障、隔离开关未合上以及由接触器差动信号反映的故障(差动信号是指由PLC根据动作指令与动作反馈的不一致作出的故障判断)。故障发生后由PLC发出指令变幅机构立即停机(其中大部分故障也将直接导致停机)，同时，起升、抓斗及旋转机构在PLC控制下减速停机，停机后其他三个机构可通过操作杆复零来激活操作功能，以便把抓斗下放到适当位置后检修故障。
    (3) 起升及抓斗机构电气故障安全联锁
    起升及抓斗机构电气故障包括起升或抓斗变频器故障、断路器故障、隔离开关未合上以及由接触器差动信号反映的故障。故障发生后由PLC发出指令起升及抓斗机构立即停机，同时旋转及变幅机构在PLC控制下减速停机，停机后其他两个机构可通过操作杆复零来激活操作功能，以便把抓斗移动到适当位置。
此时，PLC将作出允许故障下放操作的确认，操作下放钥匙关闭后，操作人员即可踏动脚踏板，通过释放起升及抓斗机械制动器将抓斗放下，以便检修故障。
    (4) PLC故障时的安全联锁
    PLC出现故障时所有设备均将立即停机，PLC的连线逻辑设计保证了PLC故障停机时整个系统处于安全停机状态。如果PLC在故障时出现错误输出，可立即进行紧急停机操作。

4.3 防误操作功能
    (1) 瞬间加速防误操作
    当操作人员瞬间将某个机构从零速推进到最高速时，变频器将不立即响应此操作，而是按正常设定以允许的最大加速度升速。
    (2) 快速反向防误操作
    当操作人员将某个机构从一个方向的高速运行快速切换到反方向运行时，变频器将不立即响应此操作，而是按正常程序减速停机，待获得零速反馈后再进行反向启动。
    (3) 行程防误操作
    当操作人员不慎使起升及抓斗或者变幅机构超越正常行程，PLC将立即发出该机构的紧急停止指令，同时封锁该方向的操作，反方向操作将在操作器复零时激活，以便机构退出超行程位置。
    (4) 力矩平衡功能
    抓斗提升时是由起升及抓斗电机同时动作的，但在抓斗闭合时抓斗电机已提前动作，因此容易导致起升及抓斗电机受力不平衡，抓斗电机及钢绳容易受损，为解决这个问题，在提头及抓斗变频器间采用力矩跟踪控制方式，两台电机的受力可很快达到基本一致。

5  结束语

    浮吊式起重机由于工作环境恶劣，在设计中要考虑的技术细节问题是比较多的，只要注意对上述提到的问题做好技术处理，安装调试便会顺利得多，系统投运一年来，运行稳定可靠，受到用户好评。

参考文献
    [1] 朱善君等 可编程序控制系统原理、应用、维护[M]. 北京:清华大学出版社，2001
    [2] Blmal K.Base，交流调速传动系统[M]. 重庆:重庆电机工程学会，1986