1 引言

浮式起重機(jī)是一個(gè)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(yùn)量的情況下正常運(yùn)行，需對(duì)該浮吊的控制系統(tǒng)及相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)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(jì)10臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及調(diào)速，實(shí)現(xiàn)可靠的安全聯(lián)鎖和防誤操作功能以及聯(lián)合動(dòng)作控制系統(tǒng)，還涉及聯(lián)動(dòng)操作臺(tái)的改造。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能實(shí)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(dòng)到高速2.5s)，同時(shí)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(dòng)操作臺(tái)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(gè)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(dòng)。因此，在系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)上，有一定難度，以下就有關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)問題作些討論。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)考慮

(1) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致安全事故和設(shè)備損壞，為此本方案采用PLC來實(shí)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(shí)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。

(2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及選型
為提高浮吊作業(yè)效率，既要提高驅(qū)動(dòng)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(duì)于驅(qū)動(dòng)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(shí)間;良好的低速力矩特性使得電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和加速時(shí)能夠獲得大而且平滑的加速度;制動(dòng)單元的接入又使得電動(dòng)機(jī)在減速和停車時(shí)能夠獲得足夠的制動(dòng)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(dú)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(dòng)及制動(dòng)特性減少了機(jī)械沖擊，降低了結(jié)構(gòu)損耗;啟動(dòng)電流較小，在頻繁起動(dòng)及制動(dòng)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(jí)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)矢量控制，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1:1000的調(diào)速比，高精度的速度控制，零速時(shí)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。

(3) 聯(lián)動(dòng)操作臺(tái)設(shè)計(jì)及選型
聯(lián)動(dòng)操作臺(tái)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(hào)、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(dòng)操作器作為浮吊主要操作設(shè)備，動(dòng)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(jì)，每臺(tái)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(shí)，需要將抓斗下放，為此設(shè)計(jì)了機(jī)械制動(dòng)器釋放踏板和允許此項(xiàng)操作的鑰匙開關(guān)。
(4) 系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)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(dòng)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(yáng)室內(nèi)的四臺(tái)電機(jī)、所有的控制柜等均為發(fā)熱體，夏天時(shí)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(shí)間低速運(yùn)行時(shí)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(gè)控制系統(tǒng)的高可靠性，本系統(tǒng)對(duì)于斷路器、隔離開關(guān)、接觸器以及按鈕信號(hào)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(jì)
3.1 電氣主回路設(shè)計(jì)中的幾個(gè)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(dòng)機(jī)在檢修或較長時(shí)間停止運(yùn)行后，要進(jìn)行絕緣檢測，合格才能夠投入運(yùn)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(shí)方便地將變頻器與電動(dòng)機(jī)斷開。
(3) 制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻
起升及抓斗電機(jī)在負(fù)荷下降時(shí)，重物的勢能將轉(zhuǎn)化成為電能，再由變頻器附加的制動(dòng)電阻將此電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌?，以達(dá)到平穩(wěn)制動(dòng)的目的。旋轉(zhuǎn)及變幅電機(jī)也附加了制動(dòng)電阻，作為減速過程中的制動(dòng)手段。制動(dòng)電阻是通過制動(dòng)單元接入變頻器的，制動(dòng)單元能夠根據(jù)需要自動(dòng)投入和切除制動(dòng)電阻。制動(dòng)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(dòng)器控制
各電機(jī)的機(jī)械制動(dòng)器由接觸器控制。其中變幅制動(dòng)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(shí)，機(jī)械制動(dòng)器的得電釋放才被允許。而提頭和抓斗制動(dòng)器由于需要保證故障時(shí)允許抓斗下放，故單獨(dú)設(shè)計(jì)斷路器加以保護(hù)。
(5) 旋轉(zhuǎn)編碼器
為防止在啟動(dòng)時(shí)機(jī)械制動(dòng)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(shí)現(xiàn)。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)
PLC是整個(gè)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(dòng)操作臺(tái)信號(hào)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(shí)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(hào)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(gè)浮吊立即停止工作的。聯(lián)動(dòng)操作臺(tái)上其他所有的操作指令全部以接點(diǎn)方式輸入PLC，再由PLC去控制各變頻器以使各電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)、加減速以及停止運(yùn)行。操作指令與電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向和速度之間有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過PLC實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)系。
(1) 調(diào)速指令及變頻器狀態(tài)信號(hào)
PLC以接點(diǎn)方式向各變頻器發(fā)送運(yùn)行、停止、運(yùn)轉(zhuǎn)方向及速度分級(jí)指令，并采集變頻器的運(yùn)行及故障等狀態(tài)信號(hào)。
(2) 速度反饋信號(hào)
速度反饋信號(hào)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(dòng)器要求在變頻器開始運(yùn)行時(shí)可靠釋放，在因故使變頻器停止運(yùn)行時(shí)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(shí)現(xiàn)，并采入接觸器輔助觸點(diǎn)信號(hào)以判斷接觸器是否正常工作。
(4) 超行程信號(hào)
在起升、抓斗及變幅等各個(gè)機(jī)構(gòu)上設(shè)有超行程限位開關(guān)，其信號(hào)全部送入PLC，在超行程信號(hào)時(shí)發(fā)出指令讓相應(yīng)的機(jī)構(gòu)停止動(dòng)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(hào)
在浮吊運(yùn)行時(shí)，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(hào)引入PLC，當(dāng)有開關(guān)不在閉合位置時(shí)，PLC將給出燈光提示并封鎖操作指令。
(6) 指令安全設(shè)計(jì)
由PLC發(fā)出的指令在PLC自身故障時(shí)將自動(dòng)使設(shè)備處于安全停車狀態(tài)。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
4.1 基本操作功能
基本操作功能通過撥動(dòng)允許操作鑰匙開關(guān)和左右兩個(gè)手柄式凸輪控制器實(shí)現(xiàn)。
(1) 允許操作鑰匙開關(guān)
該鑰匙開關(guān)有三個(gè)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(shí)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(shí)，將鑰匙開關(guān)置于抓斗作業(yè)位置，各項(xiàng)操作被允許進(jìn)行，同時(shí)，對(duì)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(shí)，將鑰匙開關(guān)置于吊裝作業(yè)位置，各項(xiàng)操作被允許進(jìn)行，同時(shí)，對(duì)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。縱向除零位外前后各三個(gè)檔位，用于控制變幅機(jī)構(gòu)，可以三級(jí)速度向前或向后動(dòng)作。橫向除零位外左右各三個(gè)檔位，用于控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以三級(jí)速度向左或向右旋轉(zhuǎn)。操作器可以斜向操作，即可以同時(shí)控制變幅和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。各檔位的速度可在變頻器上獨(dú)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(gè)檔位，橫向有中位和右位兩個(gè)檔位，手柄在中位時(shí)，前后操作手柄將同時(shí)控制起升與抓斗電機(jī)同步運(yùn)行，使抓斗上升或下降。手柄在右位時(shí)，前后操作手柄將單獨(dú)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<