浮吊式起重機控制系統技術改造分析

1 引言

浮式起重機是一個復雜的系統，它的控制涉及眾多工程技術問題，是多技術系統應用的復合體。為了改善浮吊性能，保證該系統在高頻率、大運量的情況下正常運行，需對該浮吊的控制系統及相應的機械傳動部分進行技術改造，改造后的控制系統應能適應設備年起卸礦石200萬噸的作業狀況。
控制系統改造涉及起升及抓斗閉合電機(2×2×110kW)、旋轉機構電機(2×2×30kW)以及變幅機構電機(2×1×30kW)共計10臺電機的驅動及調速，實現可靠的安全聯鎖和防誤操作功能以及聯合動作控制系統，還涉及聯動操作臺的改造。
驅動系統能實現大范圍的平穩調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間的受力平衡問題，速度調節能適應抓斗和吊裝兩種作業方式。
控制系統要具備較高的安全可靠性及完備的防誤操作功能;聯動操作臺要操作簡單易掌握，貼近原操作習慣，且有較高的使用壽命，適應頻繁操作;整個系統能在高溫高粉塵的惡劣環境下正常工作，適應正負百分之十的電網電壓波動。因此，在系統功能實現上，有一定難度，以下就有關技術實現問題作些討論。

2 系統總體設計考慮

(1) 控制系統設計及選型
起重設備涉及到一系列的安全問題，浮吊控制系統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致安全事故和設備損壞，為此本方案采用PLC來實現安全聯鎖和防誤功能。除了緊急停機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。本系統選用西門子公司6ES7－200系列緊湊型小型PLC產品作為核心控制設備。

(2) 驅動系統設計及選型
為提高浮吊作業效率，既要提高驅動系統的速度響應，又要減少故障檢修及常規檢修的周期和頻率，采用變頻調速方式可以很好的滿足浮吊設備對于驅動系統的要求。
變頻器有很寬的調速范圍，可以設定加減速時間;良好的低速力矩特性使得電動機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速系統有很好的速度響應性能。
其多段速度功能的各段速度獨立可調，可根據作業需要設定各種不同速度進行作業。
變頻器的平穩起動及制動特性減少了機械沖擊，降低了結構損耗;啟動電流較小，在頻繁起動及制動中減少電機熱損，延長電機壽命;變頻器自身是高可靠性的通用標準設備，故障率極低，引入變頻器后整機的故障率降低，維護量減少，間接地提高了作業效率。
為提高操作器件的可靠性，采用多段速有級平滑調速方式。
變頻調速在低速情況及加減速過程中有明顯的節電效果。
本系統選用的是日本安川公司的616G5系列起重專用型變頻器，它能夠方便的實現閉環矢量控制，可實現高達1:1000的調速比，高精度的速度控制，零速時可達到150％額定力矩，廣泛的應用于起重行業。各電機原為繞線電機轉子串電阻方式調速，改為變頻調速后不需要更換電機，僅把電機轉子回路短接即可。

(3) 聯動操作臺設計及選型
聯動操作臺是浮吊的唯一操作位置和人機界面，除了作為基本操作器的手柄式凸輪控制器外，還設置了各種故障信號、緊急停機按鈕、功能選擇開關、允許操作鑰匙開關等。
聯動操作器作為浮吊主要操作設備，動作十分頻繁，要求可靠并且有較長的使用壽命。本系統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，使用壽命高達各方向100萬次，以旋轉及變幅操作器為例，即允許左旋右旋和變幅向前向后各操作100萬次，根據浮吊作業頻率估計，每臺操作器大約可使用1年左右。
當起升或抓斗部分出現故障時，需要將抓斗下放，為此設計了機械制動器釋放踏板和允許此項操作的鑰匙開關。
(4) 系統的環境適應性設計及選型
浮吊位于江邊，主要任務是裝卸礦石，工作在高溫、高濕、高粉塵及振動環境，需要采取措施保證控制系統正常工作。
浮吊主卷揚室內的四臺電機、所有的控制柜等均為發熱體，夏天時將因排放熱量困難而產生很高的環境溫度，不利于控制系統正常工作。在該室加裝有強制通風設備以改善散熱條件。
起升及抓斗電機工作持續性較高，在長時間低速運行時由于內置風扇工作效率低而導致散熱能力差，改為外部強制風冷。
各控制柜采用進口柜體，密閉式結構可防止粉塵及濕氣侵入，柜體上加裝帶過濾罩的強制通風風機以排放柜內熱量，裝有PLC的柜體裝設柜用空調器，保證系統可以在-10-65℃的環境溫度下正常工作。
各主要電氣設備均選用具有抗振能力的進口設備。為了保證整個控制系統的高可靠性，本系統對于斷路器、隔離開關、接觸器以及按鈕信號燈等低壓電器統一選用了歐洲著名品牌，德國金鐘－默勒公司的產品。

3 控制系統詳細設計
3.1 電氣主回路設計中的幾個問題

(1) 電氣保護
各支路入口用支路斷路器作支路短路保護及后備過載保護，支路的過載保護、過壓及欠壓保護和其他保護則由變頻器自身的保護功能承擔。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致工作不正常的可能性。隔離變壓器前端設一斷路器作為短路保護及線路保護。
(2) 變頻器出口隔離開關
電動機在檢修或較長時間停止運行后，要進行絕緣檢測，合格才能夠投入運行，而變頻器是電力電子類設備，不能進行常規絕緣檢測，為此，在各變頻器之后都設置了隔離開關，以便在需要時方便地將變頻器與電動機斷開。
(3) 制動單元及制動電阻
起升及抓斗電機在負荷下降時，重物的勢能將轉化成為電能，再由變頻器附加的制動電阻將此電能轉變為熱能耗散掉，以達到平穩制動的目的。旋轉及變幅電機也附加了制動電阻，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) 機械制動器控制
各電機的機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得電時，機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，故單獨設計斷路器加以保護。
(5) 旋轉編碼器
為防止在啟動時機械制動器放開后重物突然下滑或變幅機構突然前傾，起升、抓斗及變幅電機的變頻調速均采用閉環矢量模式，以獲得較迅速的力矩響應。閉環回路的轉速檢測由裝在電機軸端的旋轉編碼器實現。

3.2 控制系統設計中的關鍵點
PLC是整個浮吊控制系統的核心，除了緊急停機按鈕以外，所有的操作設備、檢測設備和執行設備都是通過PLC互相聯系起來的。為減小電氣干擾的影響，除就近的聯動操作臺信號外，PLC的所有輸入輸出均通過入口及出口繼電器連接。緊急停機按鈕是在發生緊急情況時人為干預的最后手段，即使在PLC功能已經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正反轉、加減速以及停止運行。操作指令與電動機的運轉方向和速度之間有一一對應關系，通過PLC實現聯鎖關系。
(1) 調速指令及變頻器狀態信號
PLC以接點方式向各變頻器發送運行、停止、運轉方向及速度分級指令，并采集變頻器的運行及故障等狀態信號。
(2) 速度反饋信號
速度反饋信號由旋轉編碼器采集，經PG卡直接送入變頻器參與閉環控制。
(3) 接觸器控制及反饋
所有的機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經過邏輯判斷后通過控制接觸器的閉合和釋放來實現，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構上設有超行程限位開關，其信號全部送入PLC，在超行程信號時發出指令讓相應的機構停止動作，以防失控損壞設備。
(5) 斷路器及隔離開關狀態信號
在浮吊運行時，要求所有的斷路器和隔離開關都處于閉合位置，開關的輔助觸頭將信號引入PLC，當有開關不在閉合位置時，PLC將給出燈光提示并封鎖操作指令。
(6) 指令安全設計
由PLC發出的指令在PLC自身故障時將自動使設備處于安全停車狀態。

4 系統功能設計
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和左右兩個手柄式凸輪控制器實現。
(1) 允許操作鑰匙開關
該鑰匙開關有三個位置，分別是:禁止操作，抓斗作業和吊裝作業。浮吊在停止作業期間，該開關置于禁止操作位置，此時所有的操作指令均被封鎖，一切操作無效。當準備開始抓斗作業時，將鑰匙開關置于抓斗作業位置，各項操作被允許進行，同時，對應于凸輪控制器的各檔位，PLC將向各變頻器輸出與抓斗作業相適應的速度指令。當準備開始吊裝作業時，將鑰匙開關置于吊裝作業位置，各項操作被允許進行，同時，對應于凸輪控制器的各檔位，PLC將向各變頻器輸出與吊裝作業相適應的速度指令。
(2) 旋轉及變幅操作器
該操作器為手柄式凸輪控制器。縱向除零位外前后各三個檔位，用于控制變幅機構，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，用于控制旋轉機構，可以三級速度向左或向右旋轉。操作器可以斜向操作，即可以同時控制變幅和旋轉機構動作。各檔位的速度可在變頻器上獨立進行設置。
(3) 起升及抓斗操作器
該操作器為手柄式凸輪控制器。縱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，使抓斗開啟或閉合。各檔位的速度可在變頻器<