張乾能　趙志淼

橋吊吊具電纜驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)方式具備以下優(yōu)勢(shì)：（1）全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動(dòng)的吊具電纜卷盤克服磁滯聯(lián)軸器的“軟特性”，系統(tǒng)響應(yīng)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(jié)合技術(shù)，結(jié)合吊具上架的緩沖器過(guò)緊限位開關(guān)作用，保證電纜在任何工況下不會(huì)超過(guò)其許用拉力；（3）電機(jī)采用單臺(tái)臥式安裝變頻調(diào)速電機(jī)，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，其應(yīng)用場(chǎng)合不受電纜自重、起升高度、吊具加速度等限制；（4）電機(jī)采用彈性聯(lián)軸器與減速器連接，保養(yǎng)工作量小且維護(hù)簡(jiǎn)單，相對(duì)應(yīng)的配件價(jià)格低；（5）限制電機(jī)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(guò)緊限位開關(guān)，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(dá)到最大值，吊具緩沖器上的過(guò)緊限位觸發(fā)，發(fā)出電纜過(guò)緊信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)作出緊停動(dòng)作，從而保護(hù)電纜。目前，我國(guó)港口普遍采用全變頻閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)橋吊吊具電纜控制方式進(jìn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)定下基調(diào)。根據(jù)吊具的特點(diǎn)及需求，有3種不同的電氣控制方式可供選擇，其優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，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(diào)試周期、成本控制、維護(hù)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，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(guò)程

橋吊吊具電纜控制系統(tǒng)由1臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)上裝有增量型編碼器，通過(guò)處理編碼器反饋信號(hào)不斷調(diào)整變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻電機(jī)的閉環(huán)控制。為避免變頻電機(jī)出現(xiàn)過(guò)冷或過(guò)熱現(xiàn)象，在變頻電機(jī)內(nèi)安裝溫控元件，將反饋信號(hào)給可編程邏輯控制器，用來(lái)監(jiān)控變頻電機(jī)的溫度；同時(shí)，變頻電機(jī)上還安裝有風(fēng)扇和加熱器，用來(lái)防止變頻電機(jī)結(jié)露，并給變頻電機(jī)散熱。

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

司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)是司機(jī)控制橋吊動(dòng)作的操作平臺(tái)，吊具系統(tǒng)的各種手動(dòng)操作按鈕均位于聯(lián)動(dòng)臺(tái)。吊具電纜控制系統(tǒng)的手動(dòng)操作主要有手動(dòng)選中、手動(dòng)收纜和手動(dòng)放纜。

在收放吊具電纜時(shí)，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(shí)要防止電纜拉力過(guò)大而損壞電纜，因此，需要調(diào)制電纜空盤限位、電纜滿盤限位和電纜過(guò)緊限位。在吊具電纜全變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)卷盤上電纜剩余圈數(shù)為3圈時(shí)，吊具處于最低位（即電纜空盤限位處）；當(dāng)電纜還可以繞1圈時(shí)，吊具處于最高位（即電纜滿盤限位處）；當(dāng)電纜張力過(guò)大，超出電纜許用拉力時(shí)，電纜過(guò)緊限位動(dòng)作，設(shè)備停止。此外，滑環(huán)箱內(nèi)裝有1個(gè)加熱器，用來(lái)防止滑環(huán)箱結(jié)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(yùn)行指令及運(yùn)行狀態(tài)，并據(jù)此得到主起升的運(yùn)行速度及狀態(tài)，從而控制變頻器輸出電壓頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻電機(jī)的調(diào)速，使吊具電纜與主起升保持一致；當(dāng)電機(jī)停止或限位信號(hào)指示機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，可編程邏輯控制器控制制動(dòng)器進(jìn)行減速制動(dòng)或緊急制動(dòng)，并發(fā)出相應(yīng)指示燈信號(hào)或報(bào)警信號(hào)。

根據(jù)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(shè)計(jì)說(shuō)明

根據(jù)橋吊已有吊具電纜系統(tǒng)的運(yùn)行速度，將已有的“磁滯+變頻驅(qū)動(dòng)”方式改造為全變頻閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，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(chǎng)合及環(huán)境

吊具卷筒安裝在起重機(jī)上，隨起重機(jī)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(fēng)速25m/s，非工作風(fēng)速55m/s。

3.3 吊具基本信息和主參數(shù)

（1）數(shù)量：每臺(tái)起重機(jī)1套吊具系統(tǒng)。

（2）最大懸掛長(zhǎng)度共計(jì)62m，其中，軌上42m，軌下20m，懸掛高度（當(dāng)?shù)蹙咛幱谧罡呶粫r(shí)上架緩沖器至卷筒中心的高度）0～4m。

（3）當(dāng)?shù)蹙咛幱谧罡呶粫r(shí)，卷筒上的電纜還可繞1圈。

（4）當(dāng)?shù)蹙咛幱谧畹臀粫r(shí)，卷筒上電纜的剩余圈數(shù)為3圈。

（5）起升速度參數(shù)見(jiàn)表2。

（6）驅(qū)動(dòng)方式：改造前為“磁滯+變頻驅(qū)動(dòng)”方式；改造后為全變頻閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方式。

（7）卷筒方式：?jiǎn)闻哦鄬永p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(jī)械部分設(shè)計(jì)

4.1 增加電機(jī)安裝座

不同電機(jī)的安裝座尺寸有差異，故需要根據(jù)選用的電機(jī)重新設(shè)計(jì)其安裝座，以保證電機(jī)的正確安裝和使用。

4.2 增加安裝制動(dòng)器

根據(jù)吊具電纜全變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)機(jī)電一體化的需要，在原系統(tǒng)中加裝1個(gè)制動(dòng)器，以確保系統(tǒng)制動(dòng)能力和斷電時(shí)系統(tǒng)的安全性。制動(dòng)器安裝在原系統(tǒng)中電機(jī)的安裝位置，根據(jù)選用的制動(dòng)器尺寸設(shè)計(jì)的安裝座如圖3所示。

4.3 檢修減速箱

檢修原減速箱，對(duì)不能使用或不能滿足使用要求的齒輪、軸承進(jìn)行更換或重新選型。

4.4 增加過(guò)緊限位裝置

根據(jù)改進(jìn)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(guò)緊限位裝置，避免電纜因張力過(guò)大而產(chǎn)生故障。

5 橋吊吊具可編輯邏輯控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

橋吊吊具可編程邏輯控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是吊具電纜控制系統(tǒng)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，關(guān)系著可編程邏輯控制器系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性和穩(wěn)定性?？删幊踢壿嬁刂破飨到y(tǒng)供電電源一般是電壓為5～240v的交流電源，適應(yīng)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(jù)生產(chǎn)工藝要求，可編程邏輯控制器系統(tǒng)的輸出電路設(shè)計(jì)一般采用適應(yīng)于高頻動(dòng)作、響應(yīng)時(shí)間短的晶體管輸出各種指示燈、變頻器的啟動(dòng)和停止信號(hào)。抗干擾設(shè)計(jì)是可編程邏輯控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)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(hào)

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(diǎn)是可編程邏輯控制器選型的重要參考，即根據(jù)被控對(duì)象的復(fù)雜程度及生產(chǎn)工藝的要求進(jìn)行輸入和輸出點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)，列出清單，以備使用，并對(duì)內(nèi)存容量進(jìn)行估計(jì)，確定留有適當(dāng)?shù)能浻布Y源余量而又不浪費(fèi)資源的機(jī)型。輸入信號(hào)包括主控可編程邏輯控制器的各種通信信號(hào)、編碼器和熱繼電器的反饋信號(hào)、制動(dòng)器的狀態(tài)信號(hào)、各種限位信號(hào)等。輸出信號(hào)包括反饋給主控可編程邏輯控制器的各種通信信號(hào)、吊具屏顯示的各種報(bào)警信號(hào)、各接觸器的動(dòng)作信號(hào)、變頻器的動(dòng)作信號(hào)等。吊具電纜控制系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分別見(jiàn)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(shè)計(jì)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(gòu)成框架如圖4所示，該系統(tǒng)具有與工業(yè)設(shè)備相連接的接口和更滿足控制要求的編程語(yǔ)言。該系統(tǒng)的主要功能是：將預(yù)先編制的指令存儲(chǔ)起來(lái)，然后，根據(jù)指令進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等，并通過(guò)模擬或數(shù)字輸入和輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械動(dòng)作或生產(chǎn)過(guò)程的控制。

目前，可編程邏輯控制器產(chǎn)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(gè)吊具電纜控制系統(tǒng)更加可靠?？删幊踢壿嬁刂破鬟x型基本規(guī)則為：能滿足使用要求（依據(jù)吊具電纜控制系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)的數(shù)量），滿足系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性要求，維護(hù)簡(jiǎn)單、方便，性價(jià)比高。

考慮到客戶使用系統(tǒng)的習(xí)慣性以及整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、兼容性和維護(hù)的方便性，對(duì)原系統(tǒng)使用的西門子可編程邏輯控制器系統(tǒng)進(jìn)行改造；同時(shí)，根據(jù)輸人和輸出信號(hào)數(shù)量及具體的使用要求，選用型號(hào)為西門子CPU315-2DP（見(jiàn)圖5）的中央處理器，整機(jī)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(jī)界面。該可編程邏輯控制器含有PROFIBUS主從接口：主站掌握數(shù)據(jù)流的控制權(quán)，可以在沒(méi)有外部請(qǐng)求的情況下主動(dòng)發(fā)送指令或讀取從站信息；從站連接變頻器等簡(jiǎn)單設(shè)備。西門子驅(qū)動(dòng)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(jī)，還能控制同步電機(jī)、扭矩電機(jī)及直線電機(jī)，集成驅(qū)動(dòng)控制圖表，用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)邏輯、運(yùn)算及簡(jiǎn)單工藝等功能。人機(jī)界面能顯示系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，檢修人員可通過(guò)查看人機(jī)界面顯示的故障信息來(lái)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(fēng)、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(shí)要求不斷進(jìn)行卷盤動(dòng)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(zhuǎn)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?？傊蹙唠娎|的性能要求高，價(jià)格昂貴，一般較多使用國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品。

根據(jù)改造的要求，最后選定的吊具電纜規(guī)格如下：（1）電纜型號(hào)Prysiman Cordaflex，電壓等級(jí)0.6～1.0kV，標(biāo)稱截面積110mm²；（2）電纜最大直徑37.1mm；（3）電纜質(zhì)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(jī)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(zhuǎn)動(dòng)的阻力等所產(chǎn)生的合力矩所確定的。此卷繞力矩很難精準(zhǔn)計(jì)算，但變頻電機(jī)的選型可以根據(jù)原來(lái)電機(jī)的功率來(lái)確定：原電機(jī)的功率為5.5kW（2臺(tái)），因此，選定電機(jī)的功率為11kW。根據(jù)變頻電機(jī)的功率和橋吊的使用情況，最終選定的變頻電機(jī)規(guī)格如下：（1）電機(jī)品牌為上海ABB的變頻調(diào)速電機(jī)QABP160M4；（2）數(shù)量1臺(tái)；（3）防護(hù)等級(jí)IP55；（4）絕緣等級(jí)F級(jí)；（5）溫升等級(jí)B級(jí)；（6）電機(jī)工作制s1（即1rain過(guò)載160%）；（7）電機(jī)冷卻方式IC411（自帶風(fēng)扇冷卻）；（8）增量型編碼器配置瑞典萊納林德編碼器；（9）產(chǎn)品型號(hào)XHI 803 86-120-HTL/1024，電機(jī)內(nèi)置；（10）標(biāo)配加熱器和測(cè)溫元件，規(guī)格為220V單箱交流電源，50W常閉開關(guān)量信號(hào)；（11）接線盒進(jìn)線方式為軟管2根；（12）主要技術(shù)參數(shù)如下，380V交流電源，頻率50Hz，功率11kW，電流強(qiáng)度23.2A，扭矩70Nm，轉(zhuǎn)速1460r/min。選定安裝的變頻電機(jī)如圖7所示。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2016-10-19]