浮吊式起重機(jī)控制的相關(guān)技術(shù)問題分析

1 引言

浮式起重機(jī)是重鋼公司的瓶頸設(shè)備，是礦石原料入口通道的咽喉，該設(shè)備性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到公司的生存與發(fā)展，是全公司要改造的重點關(guān)鍵設(shè)備。由于該設(shè)備有舉足輕重的作用，在技術(shù)改造中既要先進(jìn)，更要把安全可靠擺在頭等地位，因此在設(shè)計中先進(jìn)科技設(shè)備和控制技術(shù)成熟度是第一位的。浮式起重機(jī)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它的控制涉及眾多工程技術(shù)問題，是多技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用的復(fù)合體。為了改善浮吊性能，保證該系統(tǒng)在高頻率、大運量的情況下正常運行，需對該浮吊的控制系統(tǒng)及相應(yīng)的機(jī)械傳動部分進(jìn)行技術(shù)改造，改造后的控制系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)設(shè)備年起卸礦石200萬噸的作業(yè)狀況。
控制系統(tǒng)改造涉及起升及抓斗閉合電機(jī)(2×2×110kW)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電機(jī)(2×2×30kW)以及變幅機(jī)構(gòu)電機(jī)(2×1×30kW)共計10臺電機(jī)的驅(qū)動及調(diào)速，實現(xiàn)可靠的安全聯(lián)鎖和防誤操作功能以及聯(lián)合動作控制系統(tǒng)，還涉及聯(lián)動操作臺的改造。
驅(qū)動系統(tǒng)能實現(xiàn)大范圍的平穩(wěn)調(diào)速及較快的速度提升性能(從啟動到高速2.5s)，同時解決抓斗閉合與提升電機(jī)間的受力平衡問題，速度調(diào)節(jié)能適應(yīng)抓斗和吊裝兩種作業(yè)方式。
控制系統(tǒng)要具備較高的安全可靠性及完備的防誤操作功能;聯(lián)動操作臺要操作簡單易掌握，貼近原操作習(xí)慣，且有較高的使用壽命，適應(yīng)頻繁操作;整個系統(tǒng)能在高溫高粉塵的惡劣環(huán)境下正常工作，適應(yīng)正負(fù)百分之十的電網(wǎng)電壓波動。因此，在系統(tǒng)功能實現(xiàn)上，有一定難度，以下就有關(guān)技術(shù)實現(xiàn)問題作些討論。2 系統(tǒng)總體設(shè)計考慮

(1) 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計及選型
為提高浮吊作業(yè)效率，既要提高驅(qū)動系統(tǒng)的速度響應(yīng)，又要減少故障檢修及常規(guī)檢修的周期和頻率，采用變頻調(diào)速方式可以很好的滿足浮吊設(shè)備對于驅(qū)動系統(tǒng)的要求。
變頻器有很寬的調(diào)速范圍，可以設(shè)定加減速時間;良好的低速力矩特性使得電動機(jī)在啟動和加速時能夠獲得大而且平滑的加速度;制動單元的接入又使得電動機(jī)在減速和停車時能夠獲得足夠的制動力矩。上述特性保證了變頻調(diào)速系統(tǒng)有很好的速度響應(yīng)性能。
其多段速度功能的各段速度獨立可調(diào)，可根據(jù)作業(yè)需要設(shè)定各種不同速度進(jìn)行作業(yè)。
變頻器的平穩(wěn)起動及制動特性減少了機(jī)械沖擊，降低了結(jié)構(gòu)損耗;啟動電流較小，在頻繁起動及制動中減少電機(jī)熱損，延長電機(jī)壽命;變頻器自身是高可靠性的通用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，故障率極低，引入變頻器后整機(jī)的故障率降低，維護(hù)量減少，間接地提高了作業(yè)效率。
為提高操作器件的可靠性，采用多段速有級平滑調(diào)速方式。
變頻調(diào)速在低速情況及加減速過程中有明顯的節(jié)電效果。
本系統(tǒng)選用的是日本安川公司的616G5系列起重專用型變頻器，它能夠方便的實現(xiàn)閉環(huán)矢量控制，可實現(xiàn)高達(dá)1:1000的調(diào)速比，高精度的速度控制，零速時可達(dá)到150％額定力矩，廣泛的應(yīng)用于起重行業(yè)。各電機(jī)原為繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻方式調(diào)速，改為變頻調(diào)速后不需要更換電機(jī)，僅把電機(jī)轉(zhuǎn)子回路短接即可。
(2) 控制系統(tǒng)設(shè)計及選型
起重設(shè)備涉及到一系列的安全問題，浮吊控制系統(tǒng)必須有很好的可靠性和完善的安全措施，保證即使在操作失誤的情況下也不會導(dǎo)致安全事故和設(shè)備損壞，為此本方案采用PLC來實現(xiàn)安全聯(lián)鎖和防誤功能。除了緊急停機(jī)操作保留直接連線方式外，所有的操作均通過PLC程序來實現(xiàn)。本系統(tǒng)選用西門子公司6ES7－200系列緊湊型小型PLC產(chǎn)品作為核心控制設(shè)備。
(3) 聯(lián)動操作臺設(shè)計及選型
聯(lián)動操作臺是浮吊的唯一操作位置和人機(jī)界面，除了作為基本操作器的手柄式凸輪控制器外，還設(shè)置了各種故障信號、緊急停機(jī)按鈕、功能選擇開關(guān)、允許操作鑰匙開關(guān)等。
聯(lián)動操作器作為浮吊主要操作設(shè)備，動作十分頻繁，要求可靠并且有較長的使用壽命。本系統(tǒng)選用法國施耐德公司的XKB-E系列手柄式凸輪控制器，其操作靈活可靠，手感好，使用壽命高達(dá)各方向100萬次，以旋轉(zhuǎn)及變幅操作器為例，即允許左旋右旋和變幅向前向后各操作100萬次，根據(jù)浮吊作業(yè)頻率估計，每臺操作器大約可使用1年左右。
當(dāng)起升或抓斗部分出現(xiàn)故障時，需要將抓斗下放，為此設(shè)計了機(jī)械制動器釋放踏板和允許此項操作的鑰匙開關(guān)。
(4) 系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計及選型
浮吊位于江邊，主要任務(wù)是裝卸礦石，工作在高溫、高濕、高粉塵及振動環(huán)境，需要采取措施保證控制系統(tǒng)正常工作。
浮吊主卷揚室內(nèi)的四臺電機(jī)、所有的控制柜等均為發(fā)熱體，夏天時將因排放熱量困難而產(chǎn)生很高的環(huán)境溫度，不利于控制系統(tǒng)正常工作。在該室加裝有強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備以改善散熱條件。
起升及抓斗電機(jī)工作持續(xù)性較高，在長時間低速運行時由于內(nèi)置風(fēng)扇工作效率低而導(dǎo)致散熱能力差，改為外部強(qiáng)制風(fēng)冷。
各控制柜采用進(jìn)口柜體，密閉式結(jié)構(gòu)可防止粉塵及濕氣侵入，柜體上加裝帶過濾罩的強(qiáng)制通風(fēng)風(fēng)機(jī)以排放柜內(nèi)熱量，裝有PLC的柜體裝設(shè)柜用空調(diào)器，保證系統(tǒng)可以在-10-65℃的環(huán)境溫度下正常工作。
各主要電氣設(shè)備均選用具有抗振能力的進(jìn)口設(shè)備。為了保證整個控制系統(tǒng)的高可靠性，本系統(tǒng)對于斷路器、隔離開關(guān)、接觸器以及按鈕信號燈等低壓電器統(tǒng)一選用了歐洲著名品牌，德國金鐘－默勒公司的產(chǎn)品。3 控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計
3.1 電氣主回路設(shè)計中的幾個問題

(1) 電氣保護(hù)
各支路入口用支路斷路器作支路短路保護(hù)及后備過載保護(hù)，支路的過載保護(hù)、過壓及欠壓保護(hù)和其他保護(hù)則由變頻器自身的保護(hù)功能承擔(dān)。由隔離變壓器提供控制電源及向PLC供電，以盡可能減小PLC及控制元件受電源干擾導(dǎo)致工作不正常的可能性。隔離變壓器前端設(shè)一斷路器作為短路保護(hù)及線路保護(hù)。
(2) 變頻器出口隔離開關(guān)
電動機(jī)在檢修或較長時間停止運行后，要進(jìn)行絕緣檢測，合格才能夠投入運行，而變頻器是電力電子類設(shè)備，不能進(jìn)行常規(guī)絕緣檢測，為此，在各變頻器之后都設(shè)置了隔離開關(guān)，以便在需要時方便地將變頻器與電動機(jī)斷開。
(3) 制動單元及制動電阻
起升及抓斗電機(jī)在負(fù)荷下降時，重物的勢能將轉(zhuǎn)化成為電能，再由變頻器附加的制動電阻將此電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌�，以達(dá)到平穩(wěn)制動的目的。旋轉(zhuǎn)及變幅電機(jī)也附加了制動電阻，作為減速過程中的制動手段。制動電阻是通過制動單元接入變頻器的，制動單元能夠根據(jù)需要自動投入和切除制動電阻。制動電阻安裝在控制柜外專門的電阻安裝支架上。
(4) 機(jī)械制動器控制
各電機(jī)的機(jī)械制動器由接觸器控制。其中變幅制動器電源取自支路斷路器后端，以保證只有在變頻器支路已經(jīng)得電時，機(jī)械制動器的得電釋放才被允許。而提頭和抓斗制動器由于需要保證故障時允許抓斗下放，故單獨設(shè)計斷路器加以保護(hù)。
(5) 旋轉(zhuǎn)編碼器
為防止在啟動時機(jī)械制動器放開后重物突然下滑或變幅機(jī)構(gòu)突然前傾，起升、抓斗及變幅電機(jī)的變頻調(diào)速均采用閉環(huán)矢量模式，以獲得較迅速的力矩響應(yīng)。閉環(huán)回路的轉(zhuǎn)速檢測由裝在電機(jī)軸端的旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵點
PLC是整個浮吊控制系統(tǒng)的核心，除了緊急停機(jī)按鈕以外，所有的操作設(shè)備、檢測設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備都是通過PLC互相聯(lián)系起來的。為減小電氣干擾的影響，除就近的聯(lián)動操作臺信號外，PLC的所有輸入輸出均通過入口及出口繼電器連接。緊急停機(jī)按鈕是在發(fā)生緊急情況時人為干預(yù)的最后手段，即使在PLC功能已經(jīng)失效的情況下也能夠正常起作用，該信號直接作用于各支路斷路器使其跳閘，用切斷電源的方式迫使整個浮吊立即停止工作的。聯(lián)動操作臺上其他所有的操作指令全部以接點方式輸入PLC，再由PLC去控制各變頻器以使各電動機(jī)正反轉(zhuǎn)、加減速以及停止運行。操作指令與電動機(jī)的運轉(zhuǎn)方向和速度之間有一一對應(yīng)關(guān)系，通過PLC實現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)系。
(1) 調(diào)速指令及變頻器狀態(tài)信號
PLC以接點方式向各變頻器發(fā)送運行、停止、運轉(zhuǎn)方向及速度分級指令，并采集變頻器的運行及故障等狀態(tài)信號。
(2) 速度反饋信號
速度反饋信號由旋轉(zhuǎn)編碼器采集，經(jīng)PG卡直接送入變頻器參與閉環(huán)控制。
(3) 接觸器控制及反饋
所有的機(jī)械制動器要求在變頻器開始運行時可靠釋放，在因故使變頻器停止運行時可靠抱合，其功能由PLC經(jīng)過邏輯判斷后通過控制接觸器的閉合和釋放來實現(xiàn)，并采入接觸器輔助觸點信號以判斷接觸器是否正常工作。
(4) 超行程信號
在起升、抓斗及變幅等各個機(jī)構(gòu)上設(shè)有超行程限位開關(guān)，其信號全部送入PLC，在超行程信號時發(fā)出指令讓相應(yīng)的機(jī)構(gòu)停止動作，以防失控?fù)p壞設(shè)備。
(5) 斷路器及隔離開關(guān)狀態(tài)信號
在浮吊運行時，要求所有的斷路器和隔離開關(guān)都處于閉合位置，開關(guān)的輔助觸頭將信號引入PLC，當(dāng)有開關(guān)不在閉合位置時，PLC將給出燈光提示并封鎖操作指令。
(6) 指令安全設(shè)計
由PLC發(fā)出的指令在PLC自身故障時將自動使設(shè)備處于安全停車狀態(tài)。4 系統(tǒng)功能設(shè)計
4.1 基本操作功能
基本操作功能通過撥動允許操作鑰匙開關(guān)和左右兩個手柄式凸輪控制器實現(xiàn)。
(1) 允許操作鑰匙開關(guān)
該鑰匙開關(guān)有三個位置，分別是:禁止操作，抓斗作業(yè)和吊裝作業(yè)。浮吊在停止作業(yè)期間，該開關(guān)置于禁止操作位置，此時所有的操作指令均被封鎖，一切操作無效。當(dāng)準(zhǔn)備開始抓斗作業(yè)時，將鑰匙開關(guān)置于抓斗作業(yè)位置，各項操作被允許進(jìn)行，同時，對應(yīng)于凸輪控制器的各檔位，PLC將向各變頻器輸出與抓斗作業(yè)相適應(yīng)的速度指令。當(dāng)準(zhǔn)備開始吊裝作業(yè)時，將鑰匙開關(guān)置于吊裝作業(yè)位置，各項操作被允許進(jìn)行，同時，對應(yīng)于凸輪控制器的各檔位，PLC將向各變頻器輸出與吊裝作業(yè)相適應(yīng)的速度指令。
(2) 旋轉(zhuǎn)及變幅操作器
該操作器為手柄式凸輪控制器�？v向除零位外前后各三個檔位，用于控制變幅機(jī)構(gòu)，可以三級速度向前或向后動作。橫向除零位外左右各三個檔位，用于控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以三級速度向左或向右旋轉(zhuǎn)。操作器可以斜向操作，即可以同時控制變幅和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動作。各檔位的速度可在變頻器上獨立進(jìn)行設(shè)置。
(3) 起升及抓斗操作器
該操作器為手柄式凸輪控制器�？v向除零位外前后各三個檔位，橫向有中位和右位兩個檔位，手柄在中位時，前后操作手柄將同時控制起升與抓斗電機(jī)同步運行，使抓斗上升或下降。手柄在右位時，前后操作手柄將單獨控制抓斗電機(jī)，使抓斗開啟或閉合。各檔位的速度可在變頻器上獨立進(jìn)行設(shè)置。

4.2 安全聯(lián)鎖功能
(1) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電氣故障安全聯(lián)鎖
旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電氣故障包括旋轉(zhuǎn)變頻器故障、斷路器故障、隔離開關(guān)未合上故障。故障發(fā)生后由PLC發(fā)出指令旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)立即停機(jī)(其中大部分故障也將直接導(dǎo)致停機(jī))，同時，起升、抓斗及變幅機(jī)構(gòu)在PLC控制下減速停機(jī)，停機(jī)后其他三個機(jī)構(gòu)可通過操作桿復(fù)零來激活操作功能，以便把抓斗下放到適當(dāng)位置后檢修故障。
(2) 機(jī)構(gòu)電氣故障安全聯(lián)鎖
變幅機(jī)構(gòu)電氣故障包括變幅變頻器故障、斷路器故障、隔離開關(guān)未合上以及由接觸器差動信號反映的故障(差動信號是指由PLC根據(jù)動作指令與動作反饋的不一致作出的故障判斷)。故障發(fā)生后由PLC發(fā)出指令變幅機(jī)構(gòu)立即停機(jī)(其中大部分故障也將直接導(dǎo)致停機(jī))，同時，起升、抓斗及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在PLC控制下減速停機(jī)，停機(jī)后其他三個機(jī)構(gòu)可通過操作桿復(fù)零來激活操作功能，以便把抓斗下放到適當(dāng)位置后檢修故障。
(3) 起升及抓斗機(jī)構(gòu)電氣故障安全聯(lián)鎖
起升及抓斗機(jī)構(gòu)電氣故障包括起升或抓斗變頻器故障、斷路器故障、隔離開關(guān)未合上以及由接觸器差動信號反映的故障。故障發(fā)生后由PLC發(fā)出指令起升及抓斗機(jī)構(gòu)立即停機(jī)，同時旋轉(zhuǎn)及變幅機(jī)構(gòu)在PLC控制下減速停機(jī)，停機(jī)后其他兩個機(jī)構(gòu)可通過操作桿復(fù)零來激活操作功能，以便把抓斗移動到適當(dāng)位置。
此時，PLC將作出允許故障下放操作的確認(rèn)，操作下放鑰匙關(guān)閉后，操作人員即可踏動腳踏板，通過釋放起升及抓斗機(jī)械制動器將抓斗放下，以便檢修故障。
(4) PLC故障時的安全聯(lián)鎖
PLC出現(xiàn)故障時所有設(shè)備均將立即停機(jī)，PLC的連線邏輯設(shè)計保證了PLC故障停機(jī)時整個系統(tǒng)處于安全停機(jī)狀態(tài)。如果PLC在故障時出現(xiàn)錯誤輸出，可立即進(jìn)行緊急停機(jī)操作。

4.3 防誤操作功能
(1) 瞬間加速防誤操作
當(dāng)操作人員瞬間將某個機(jī)構(gòu)從零速推進(jìn)到最高速時，變頻器將不立即響應(yīng)此操作，而是按正常設(shè)定以允許的最大加速度升速。
(2) 快速反向防誤操作
當(dāng)操作人員將某個機(jī)構(gòu)從一個方向的高速運行快速切換到反方向運行時，變頻器將不立即響應(yīng)此操作，而是按正常程序減速停機(jī)，待獲得零速反饋后再進(jìn)行反向啟動。
(3) 行程防誤操作
當(dāng)操作人員不慎使起升及抓斗或者變幅機(jī)構(gòu)超越正常行程，PLC將立即發(fā)出該機(jī)構(gòu)的緊急停止指令，同時封鎖該方向的操作，反方向操作將在操作器復(fù)零時激活，以便機(jī)構(gòu)退出超行程位置。
(4) 力矩平衡功能
抓斗提升時是由起升及抓斗電機(jī)同時動作的，但在抓斗閉合時抓斗電機(jī)已提前動作，因此容易導(dǎo)致起升及抓斗電機(jī)受力不平衡，抓斗電機(jī)及鋼繩容易受損，為解決這個問題，在提頭及抓斗變頻器間采用力矩跟蹤控制方式，兩臺電機(jī)的受力可很快達(dá)到基本一致。5 結(jié)束語

浮吊式起重機(jī)由于工作環(huán)境惡劣，在設(shè)計中要考慮的技術(shù)細(xì)節(jié)問題是比較多的，只要注意對上述提到的問題做好技術(shù)處理，安裝調(diào)試便會順利得多，系統(tǒng)投運一年來，運行穩(wěn)定可靠，受到用戶好評。參考文獻(xiàn)
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可變頻應(yīng)急電源的應(yīng)用-煉鋼轉(zhuǎn)爐氧槍事故提升電源
空壓機(jī)變頻恒壓供氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

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