橋吊吊具電纜全變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

張乾能　趙志淼

橋吊吊具電纜驅動方式是吊具電氣控制的重要部分。吊具電纜全變頻閉環(huán)控制驅動方式具備以下優(yōu)勢：（1）全變頻閉環(huán)控制驅動的吊具電纜卷盤克服磁滯聯(lián)軸器的“軟特性”，系統(tǒng)響應速度快，電纜跟隨效果好；（2）卷盤控制采用速度控制和力矩限幅控制相結合技術，結合吊具上架的緩沖器過緊限位開關作用，保證電纜在任何工況下不會超過其許用拉力；（3）電機采用單臺臥式安裝變頻調速電機，整個傳動系統(tǒng)轉動慣量小，其應用場合不受電纜自重、起升高度、吊具加速度等限制；（4）電機采用彈性聯(lián)軸器與減速器連接，保養(yǎng)工作量小且維護簡單，相對應的配件價格低；（5）限制電機給定卷盤的力矩，確保電纜張力小于其許用拉力，并且吊架上架的緩沖器上安裝過緊限位開關，一旦吊具電纜卷盤收放纜速度與吊具速度不同步造成吊具緩沖器的行程達到最大值，吊具緩沖器上的過緊限位觸發(fā)，發(fā)出電纜過緊信號，整個系統(tǒng)作出緊停動作，從而保護電纜。目前，我國港口普遍采用全變頻閉環(huán)驅動方式對橋吊吊具電纜控制方式進行改造。本文提出一套完整的橋吊吊具電纜全變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)設計方案，以供參考。

1 橋吊吊具電氣控制方式選擇

吊具電氣控制方式選擇為橋吊吊具電控系統(tǒng)設計定下基調。根據吊具的特點及需求，有3種不同的電氣控制方式可供選擇，其優(yōu)缺點比較見表1。

由表1可見，采用執(zhí)行器一傳感器一接口通信控制方式在施工難度、調試周期、成本控制、維護等方面具有明顯優(yōu)勢，因此，選擇執(zhí)行器.傳感器.接口通信系統(tǒng)作為吊具電氣控制方式。

2 橋吊吊具電纜全變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)控制過程

橋吊吊具電纜控制系統(tǒng)由1臺變頻電機驅動，電機上裝有增量型編碼器，通過處理編碼器反饋信號不斷調整變頻電機的轉速，實現(xiàn)對變頻電機的閉環(huán)控制。為避免變頻電機出現(xiàn)過冷或過熱現(xiàn)象，在變頻電機內安裝溫控元件，將反饋信號給可編程邏輯控制器，用來監(jiān)控變頻電機的溫度；同時，變頻電機上還安裝有風扇和加熱器，用來防止變頻電機結露，并給變頻電機散熱。

吊具電纜控制系統(tǒng)需要在齒輪減速箱上安裝1臺制動器，用于實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的制動。該制動器采用常閉式制動方式，在通電時打開，斷電時抱閘；另外，由可編程邏輯控制器檢測制動器的抱閘松緊限位，以判斷制動器的開閉狀態(tài)。

司機室聯(lián)動臺是司機控制橋吊動作的操作平臺，吊具系統(tǒng)的各種手動操作按鈕均位于聯(lián)動臺。吊具電纜控制系統(tǒng)的手動操作主要有手動選中、手動收纜和手動放纜。

在收放吊具電纜時，要防止卷取裝置在放空電纜和電纜滿盤的情況下繼續(xù)回收，同時要防止電纜拉力過大而損壞電纜，因此，需要調制電纜空盤限位、電纜滿盤限位和電纜過緊限位。在吊具電纜全變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)設計中，當卷盤上電纜剩余圈數為3圈時，吊具處于最低位（即電纜空盤限位處）；當電纜還可以繞1圈時，吊具處于最高位（即電纜滿盤限位處）；當電纜張力過大，超出電纜許用拉力時，電纜過緊限位動作，設備停止。此外，滑環(huán)箱內裝有1個加熱器，用來防止滑環(huán)箱結露，該加熱器不斷電。

3 橋吊吊具電纜全變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)總體方案

橋吊吊具電纜全變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)框架如圖1所示?？删幊踢壿嬁刂破鹘邮罩骺叵到y(tǒng)可編程邏輯控制器的運行指令及運行狀態(tài)，并據此得到主起升的運行速度及狀態(tài)，從而控制變頻器輸出電壓頻率，實現(xiàn)對變頻電機的調速，使吊具電纜與主起升保持一致；當電機停止或限位信號指示機構發(fā)生故障時，可編程邏輯控制器控制制動器進行減速制動或緊急制動，并發(fā)出相應指示燈信號或報警信號。

根據吊具電纜全變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)的要求和控制系統(tǒng)框架，得出吊具電纜全變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

3.1 設計說明

根據橋吊已有吊具電纜系統(tǒng)的運行速度，將已有的“磁滯+變頻驅動”方式改造為全變頻閉環(huán)驅動，改造后的吊具電纜卷盤控制采用“速度+力矩限制”方式。

3.2 吊具使用場合及環(huán)境

吊具卷筒安裝在起重機上，隨起重機一起工作在海洋性氣候環(huán)境中，環(huán)境溫度-10～45℃，濕度100%，工作風速25m/s，非工作風速55m/s。

3.3 吊具基本信息和主參數

（1）數量：每臺起重機1套吊具系統(tǒng)。

（2）最大懸掛長度共計62m，其中，軌上42m，軌下20m，懸掛高度（當吊具處于最高位時上架緩沖器至卷筒中心的高度）0～4m。

（3）當吊具處于最高位時，卷筒上的電纜還可繞1圈。

（4）當吊具處于最低位時，卷筒上電纜的剩余圈數為3圈。

（5）起升速度參數見表2。

（6）驅動方式：改造前為“磁滯+變頻驅動”方式；改造后為全變頻閉環(huán)驅動方式。

（7）卷筒方式：單排多層纏繞卷盤。

（8）安裝方式：戶外安裝。

4 橋吊吊具電纜全變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)機械部分設計

4.1 增加電機安裝座

不同電機的安裝座尺寸有差異，故需要根據選用的電機重新設計其安裝座，以保證電機的正確安裝和使用。

4.2 增加安裝制動器

根據吊具電纜全變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)機電一體化的需要，在原系統(tǒng)中加裝1個制動器，以確保系統(tǒng)制動能力和斷電時系統(tǒng)的安全性。制動器安裝在原系統(tǒng)中電機的安裝位置，根據選用的制動器尺寸設計的安裝座如圖3所示。

4.3 檢修減速箱

檢修原減速箱，對不能使用或不能滿足使用要求的齒輪、軸承進行更換或重新選型。

4.4 增加過緊限位裝置

根據改進的吊具電纜控制系統(tǒng)的需要，在原有吊具緩沖器上加裝過緊限位裝置，避免電纜因張力過大而產生故障。

5 橋吊吊具可編輯邏輯控制器系統(tǒng)硬件設計

橋吊吊具可編程邏輯控制器系統(tǒng)硬件設計是吊具電纜控制系統(tǒng)至關重要的環(huán)節(jié)之一，關系著可編程邏輯控制器系統(tǒng)運行的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。可編程邏輯控制器系統(tǒng)供電電源一般是電壓為5～240v的交流電源，適應電源范圍較寬，一般加裝抗干擾的電源濾波器、隔離變壓器等電源凈化元件。根據生產工藝要求，可編程邏輯控制器系統(tǒng)的輸出電路設計一般采用適應于高頻動作、響應時間短的晶體管輸出各種指示燈、變頻器的啟動和停止信號。抗干擾設計是可編程邏輯控制器系統(tǒng)設計時必須考慮的問題，一般采用隔離、屏蔽、布線等抗干擾方式。

5.1 控制系統(tǒng)的輸入和輸出信號

可編程邏輯控制器是吊具電纜控制系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)輸入和輸出點是可編程邏輯控制器選型的重要參考，即根據被控對象的復雜程度及生產工藝的要求進行輸入和輸出點數的統(tǒng)計，列出清單，以備使用，并對內存容量進行估計，確定留有適當的軟硬件資源余量而又不浪費資源的機型。輸入信號包括主控可編程邏輯控制器的各種通信信號、編碼器和熱繼電器的反饋信號、制動器的狀態(tài)信號、各種限位信號等。輸出信號包括反饋給主控可編程邏輯控制器的各種通信信號、吊具屏顯示的各種報警信號、各接觸器的動作信號、變頻器的動作信號等。吊具電纜控制系統(tǒng)輸入和輸出點統(tǒng)計分別見表3和表4。

5.2 可編程邏輯控制器選型

可編程邏輯控制器系統(tǒng)是為了取代老式的繼電器控制系統(tǒng)而專門設計的綜合型控制系統(tǒng)，一般分為軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)?？删幊踢壿嬁刂破飨到y(tǒng)構成框架如圖4所示，該系統(tǒng)具有與工業(yè)設備相連接的接口和更滿足控制要求的編程語言。該系統(tǒng)的主要功能是：將預先編制的指令存儲起來，然后，根據指令進行邏輯運算、順序控制、定時、計數等，并通過模擬或數字輸入和輸出實現(xiàn)對機械動作或生產過程的控制。

目前，可編程邏輯控制器產品種類繁多，各類型間有一定差異，甚至有的差異十分大，只有選擇合適的可編程邏輯控制器，才能使整個吊具電纜控制系統(tǒng)更加可靠。可編程邏輯控制器選型基本規(guī)則為：能滿足使用要求（依據吊具電纜控制系統(tǒng)輸入和輸出點的數量），滿足系統(tǒng)運行的可靠性要求，維護簡單、方便，性價比高。

考慮到客戶使用系統(tǒng)的習慣性以及整個系統(tǒng)的可靠性、兼容性和維護的方便性，對原系統(tǒng)使用的西門子可編程邏輯控制器系統(tǒng)進行改造；同時，根據輸人和輸出信號數量及具體的使用要求，選用型號為西門子CPU315-2DP（見圖5）的中央處理器，整機系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP協(xié)議控制，信息監(jiān)控系統(tǒng)采用TP170A人機界面。該可編程邏輯控制器含有PROFIBUS主從接口：主站掌握數據流的控制權，可以在沒有外部請求的情況下主動發(fā)送指令或讀取從站信息；從站連接變頻器等簡單設備。西門子驅動控制系統(tǒng)SINAMICS S210集V/F控制、矢量控制及伺服控制于一體，其不僅能控制普通的三相異步電機，還能控制同步電機、扭矩電機及直線電機，集成驅動控制圖表，用編程語言實現(xiàn)邏輯、運算及簡單工藝等功能。人機界面能顯示系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的故障及系統(tǒng)運行狀態(tài)，檢修人員可通過查看人機界面顯示的故障信息來排除故障。安裝在電氣柜中的可編程邏輯控制器如圖6所示。

5.3 吊具電纜的選擇

橋吊吊具電纜的使用環(huán)境比較惡劣，通常安裝在戶外，承受海風、雨水等的侵蝕，因此，其必須具有一定耐高低溫和酸堿、抗老化等特性；作業(yè)時要求不斷進行卷盤動作，并且不能造成電纜扭曲或斷芯，因此，其必須具有一定耐磨、耐彎曲、耐扭轉等特性；此外，吊具電纜還須承受較大的拉力，有一定的抗電磁干擾能力等。總之，吊具電纜的性能要求高，價格昂貴，一般較多使用國外進口產品。

根據改造的要求，最后選定的吊具電纜規(guī)格如下：（1）電纜型號Prysiman Cordaflex，電壓等級0.6～1.0kV，標稱截面積110mm²；（2）電纜最大直徑37.1mm；（3）電纜質量2.28kg/m；（4）電纜最大允許拉力5100N；（5）電纜最小允許彎曲半徑65mm。

5.4 變頻電機的選型

吊具電纜卷盤卷繞力矩的大小是由電纜重力、集電環(huán)輸電箱滑環(huán)與碳刷的摩擦力、電纜彎曲阻力、電纜卷盤轉動的阻力等所產生的合力矩所確定的。此卷繞力矩很難精準計算，但變頻電機的選型可以根據原來電機的功率來確定：原電機的功率為5.5kW（2臺），因此，選定電機的功率為11kW。根據變頻電機的功率和橋吊的使用情況，最終選定的變頻電機規(guī)格如下：（1）電機品牌為上海ABB的變頻調速電機QABP160M4；（2）數量1臺；（3）防護等級IP55；（4）絕緣等級F級；（5）溫升等級B級；（6）電機工作制s1（即1rain過載160%）；（7）電機冷卻方式IC411（自帶風扇冷卻）；（8）增量型編碼器配置瑞典萊納林德編碼器；（9）產品型號XHI 803 86-120-HTL/1024，電機內置；（10）標配加熱器和測溫元件，規(guī)格為220V單箱交流電源，50W常閉開關量信號；（11）接線盒進線方式為軟管2根；（12）主要技術參數如下，380V交流電源，頻率50Hz，功率11kW，電流強度23.2A，扭矩70Nm，轉速1460r/min。選定安裝的變頻電機如圖7所示。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2016-10-19]