王繼東，王玉清，魏鐵壯

(1．鄭州工程技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450054；2.中國(guó)電建集團(tuán)河南工程有限公司，河南 鄭州 450001；3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110168 )

1 引言

塔機(jī)是現(xiàn)代化工程建設(shè)必備的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于水利電力、冶金化工、港口碼頭、船舶建造、礦山開(kāi)采、民用建筑以及一帶一路等重要工程建設(shè)中[1]?，F(xiàn)代工程建設(shè)中最為常用的塔機(jī)有兩種形式，一種是小車(chē)變幅式塔機(jī)如圖1所示，另一種是動(dòng)臂變幅式塔機(jī)如圖2所示。

圖1 小車(chē)變幅式塔機(jī)示意圖

圖2 動(dòng)臂變幅式塔機(jī)示意圖

兩種塔機(jī)常被用作工程施工的主力吊車(chē)，塔機(jī)的運(yùn)行狀況直接影響著工程建設(shè)的進(jìn)度，進(jìn)而對(duì)施工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生很大的影響。如果作為主力吊車(chē)的塔機(jī)因某種故障而停機(jī)，將會(huì)導(dǎo)致工程建設(shè)的停滯，給工程施工企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)有關(guān)報(bào)道表明，一個(gè)大型工程項(xiàng)目停工一天至少造成40萬(wàn)—50萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失。如果該塔機(jī)連續(xù)停工數(shù)天，會(huì)給施工企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

經(jīng)過(guò)對(duì)我國(guó)某電力建設(shè)公司的塔機(jī)運(yùn)行狀況調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，作為主力吊車(chē)的塔機(jī)故障造成的停工天數(shù)約為每年7—14天，相應(yīng)經(jīng)濟(jì)損失約280萬(wàn)-700萬(wàn)元之間。同時(shí)，塔機(jī)的故障引起的工期延誤還會(huì)對(duì)企業(yè)的聲譽(yù)造成不良影響。除此之外，如果在停機(jī)期間出現(xiàn)惡劣的氣候變化，比如大風(fēng)及雷雨天氣，塔機(jī)由于故障停機(jī)的原因，而不能及時(shí)運(yùn)行至安全狀態(tài)，還會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和人身安全造成巨大的危險(xiǎn)隱患。因此，提高塔機(jī)的可靠性，減少塔機(jī)的故障持續(xù)時(shí)間是塔機(jī)制造者和使用者都非常關(guān)注的一個(gè)重要課題。本文對(duì)塔機(jī)的故障狀況進(jìn)行了詳細(xì)分析，并結(jié)合多年塔機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，給出了一個(gè)提高塔機(jī)可靠性的重要方法。

2 塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

在2000年以前，變頻調(diào)速器剛出現(xiàn)不久，價(jià)格比較昂貴，僅應(yīng)用于重要場(chǎng)合。大部分塔機(jī)均采用傳統(tǒng)的低壓電氣控制系統(tǒng)，變極調(diào)速、切換電阻調(diào)速、機(jī)械換擋調(diào)速是常用的調(diào)速方案。這種塔機(jī)調(diào)速方案的特點(diǎn)是線路復(fù)雜、系統(tǒng)故障率高[2]；操作時(shí)對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊較大，容易造成機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械磨損和機(jī)械部件損壞，進(jìn)而降低整機(jī)的使用壽命；調(diào)速平滑性差，運(yùn)行平穩(wěn)性差，工作效率很低。因此對(duì)工程進(jìn)度、工程質(zhì)量影響很大。但是，由于電氣控制系統(tǒng)是由比較普通的電氣元件組成，故障維修技術(shù)比較簡(jiǎn)單，施工現(xiàn)場(chǎng)的普通電工即可完成，所以電氣故障恢復(fù)時(shí)間較短。

自2000年之后，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻調(diào)速設(shè)備越來(lái)越便宜，促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的普及應(yīng)用，變頻調(diào)速技術(shù)在塔機(jī)中也得到了廣泛應(yīng)用。

由于變頻調(diào)速器是高度集成的調(diào)速設(shè)備，所以應(yīng)用于塔機(jī)控制時(shí)，所需的外部接線比較簡(jiǎn)單，故障率較低；變頻調(diào)速的調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，起制動(dòng)過(guò)程無(wú)沖擊，運(yùn)行平穩(wěn)，能夠減小機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的沖擊和振動(dòng)，因而不僅能夠提高塔機(jī)的工作效率，還能夠延長(zhǎng)塔機(jī)的機(jī)械壽命[3]。

但它也有美中不足之處，因?yàn)樗C(jī)是工程施工設(shè)備，施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比較惡劣，另一方面，根據(jù)工程的需求，還需要頻繁地拆裝和轉(zhuǎn)移施工現(xiàn)場(chǎng)。變頻調(diào)速器會(huì)受到諸如雷電干擾、雨水侵襲、電磁干擾、器件老化以及震動(dòng)和沖擊等因素的損害，而造成故障。變頻器高度集成，技術(shù)含量高，許多故障施工現(xiàn)場(chǎng)的電工無(wú)法處理，必須由變頻調(diào)速器廠家技術(shù)人員進(jìn)行修理，由于路途和修理過(guò)程的影響，一般會(huì)造成3-7天的停機(jī)誤工時(shí)間，從而引起工程施工的停滯，給施工企業(yè)造成相關(guān)經(jīng)濟(jì)損失、商譽(yù)損失和安全隱患。由此可見(jiàn)，縮短因變頻器故障造成的停機(jī)時(shí)間對(duì)工程施工企業(yè)而言具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 變頻調(diào)速冗余控制技術(shù)方案

在起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)中采用冗余設(shè)計(jì)，是減少故障停機(jī)時(shí)間的重要措施之一，冗余控制技術(shù)在核電、冶金、港口、水電站等重要場(chǎng)合的起重機(jī)電控系統(tǒng)中已經(jīng)有不少應(yīng)用，應(yīng)用反饋效果良好。而在建筑工程施工塔機(jī)中的應(yīng)用還比較少。隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，人們對(duì)塔機(jī)故障停機(jī)造成的危害體會(huì)越來(lái)越深刻，迫切需要對(duì)落后的塔機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，以減少因塔機(jī)故障停機(jī)造成的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。本文結(jié)合多年的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又具有較高性能的變頻調(diào)速冗余控制方案，以期對(duì)廣大建筑塔機(jī)用戶(hù)有所幫助。

3.1 塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

為了提高塔機(jī)的運(yùn)行可靠性和工作效率，目前塔機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的組成一般如圖3所示，它由6大部分組成，其中，配電系統(tǒng)是用于為塔機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)提供電能和電氣線路的保護(hù)；PLC程序控制系統(tǒng)是用于整個(gè)塔機(jī)各機(jī)構(gòu)操作和運(yùn)行的邏輯控制和安全保護(hù)控制；操作系統(tǒng)用于司機(jī)向塔機(jī)發(fā)出手柄操作指令及監(jiān)視各種安全信號(hào)；另外三個(gè)是變頻調(diào)速系統(tǒng)是用于為塔機(jī)的起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)提供頻率可調(diào)的動(dòng)力電源。這樣的系統(tǒng)配置的特點(diǎn)是，塔機(jī)的三大機(jī)構(gòu)既能單獨(dú)工作，又能同時(shí)工作，塔機(jī)的工作速度快，生產(chǎn)效率高。其缺點(diǎn)是，一旦某個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)故障損壞，相應(yīng)的機(jī)構(gòu)就不能繼續(xù)工作，調(diào)運(yùn)的載荷就不能及時(shí)運(yùn)送就位，從而造成停機(jī)誤工，產(chǎn)生安全隱患與重大的經(jīng)濟(jì)損失。

圖3 塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)圖

3.2 塔機(jī)變頻冗余控制方案

要消除塔機(jī)故障誤工引起的工程損失，一般從兩方面著手。一是提高塔機(jī)電控設(shè)備和電控元件的可靠性，也就是提高它們的耐惡劣環(huán)境能力和選擇較高質(zhì)量的設(shè)備和元件，以減少電控系統(tǒng)的故障率，進(jìn)而減少故障誤工引起的工程損失。二是增設(shè)塔機(jī)故障備用電路，在塔機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，采用備用電路繼續(xù)工作，這就是所謂的冗余控制技術(shù)。采用專(zhuān)門(mén)的備用控制設(shè)備是不太經(jīng)濟(jì)的，因此很難被廣大塔機(jī)用戶(hù)所接受，本文提出了一種各機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)互為備用的控制方案，具有很好經(jīng)濟(jì)性和不俗的可靠性。多年的工程實(shí)踐表明，變頻調(diào)速系統(tǒng)故障是造成停機(jī)誤工的最主要原因，本文重點(diǎn)討論變頻調(diào)速系統(tǒng)的冗余控制方案。

圖4是該方案的控制系統(tǒng)圖，它是一種兩兩互備的冗余控制方案。工作原理如下，在正常情況時(shí)，塔機(jī)電控系統(tǒng)的工作如同圖3系統(tǒng)所示正常工作。一旦某個(gè)機(jī)構(gòu)的變頻調(diào)速系統(tǒng)故障，通過(guò)操作臺(tái)上的旋鈕直接切換到另一個(gè)機(jī)構(gòu)的變頻調(diào)速系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行本機(jī)構(gòu)的工作，從而避免了因故障造成的塔機(jī)停機(jī)，保證了工程的正常施工。例如，如果起升機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速系統(tǒng)VVF1發(fā)生故障，可采用變幅變頻調(diào)速系統(tǒng)VVF2來(lái)控制起升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)1M的運(yùn)行；如果變幅機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速系統(tǒng)VVF2故障，可以通過(guò)回轉(zhuǎn)變頻調(diào)速系統(tǒng)VVF3來(lái)控制變幅驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)2M的運(yùn)行；如果回轉(zhuǎn)變頻調(diào)速系統(tǒng)VVF3故障，我們可通過(guò)起升機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速系統(tǒng)VVF1來(lái)控制回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)3M的運(yùn)行。切換程序流程圖如圖 5所示。這樣一來(lái)，對(duì)故障設(shè)備的維修過(guò)程，不影響塔機(jī)的正常操作，從而消除或減少了故障停機(jī)帶來(lái)的各種不足。

圖4 塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)圖(改造后)

圖5 塔機(jī)運(yùn)行程序流程圖(改造后)

3.3 塔機(jī)變頻冗余控制電路原理圖及變頻器參數(shù)的設(shè)置

從上述變頻調(diào)速冗余控制的切換過(guò)程可知，當(dāng)一個(gè)變頻調(diào)速器故障時(shí)，要實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)變頻器的投入，必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件，首先，必須給定一個(gè)切換信號(hào)，使該臺(tái)變頻器接通故障設(shè)備的電動(dòng)機(jī)，另外，變頻調(diào)速器內(nèi)部的控制參數(shù)組必須切換到與故障設(shè)備電動(dòng)機(jī)相適應(yīng)的參數(shù)組。具體電路圖如圖6 所示，其工作原理是，當(dāng)電機(jī)切換信號(hào)為0時(shí)，變頻調(diào)速器按控制和保護(hù)電動(dòng)機(jī)1M的參數(shù)組正常工作，接觸器1KM閉合接通電動(dòng)機(jī)1M，接觸器2KM切斷電動(dòng)機(jī)2M；當(dāng)電機(jī)切換信號(hào)為1時(shí)，變頻調(diào)速器切換到控制和保護(hù)電動(dòng)機(jī)2M的參數(shù)組進(jìn)行工作，接觸器2KM閉合接通電動(dòng)機(jī)2M，接觸器1KM斷開(kāi)切斷電動(dòng)機(jī)1M。在時(shí)序控制上要求，接觸器1KM和2KM的切換要早于變頻調(diào)速器啟動(dòng)之前5s以上。同時(shí)要注意，變頻調(diào)速器的規(guī)格的選擇應(yīng)按塔機(jī)最大功率機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)容量進(jìn)行選定。

圖6 雙電動(dòng)機(jī)切換控制原理圖

外部電路的切換必須和變頻調(diào)速器內(nèi)部參數(shù)的切換配合進(jìn)行，才能實(shí)現(xiàn)冗余控制電路的正常運(yùn)行。因此，在冗余控制電路投入運(yùn)行之前，應(yīng)分別按兩個(gè)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)對(duì)變頻調(diào)速進(jìn)行設(shè)置，以滿(mǎn)足兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行和安全保護(hù)。

以日本安川H1000系列變頻調(diào)速器為例，假如我們選擇多功能輸入端子S6作為電機(jī)切換信號(hào)輸入點(diǎn)。此時(shí)，應(yīng)把變頻調(diào)速器的參數(shù)H-06的值設(shè)定為16，把端子S6定義為電機(jī)切換信號(hào)輸入端子；然后，依據(jù)電動(dòng)機(jī)1M和電動(dòng)機(jī)2M的實(shí)際工程需求設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。比如參數(shù)C1-01、C1-02設(shè)置為電機(jī)1的加、減速時(shí)間；C1-05、C1-06設(shè)置為電機(jī)2的加、減速時(shí)間；其他參數(shù)見(jiàn)表 1參數(shù)一覽表。此時(shí)，S6信號(hào)為0時(shí)，電動(dòng)機(jī)1參數(shù)組起作用。S6信號(hào)為1時(shí)，電動(dòng)機(jī)2參數(shù)組起作用。參數(shù)設(shè)置完畢后，系統(tǒng)才能投入使用。對(duì)于其他品牌的變頻調(diào)速器應(yīng)參照該品牌的操作手冊(cè)進(jìn)行設(shè)置。

表 1 從電機(jī)1切換到電機(jī)2時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)切換一覽表[4]

3.4 工程應(yīng)用和使用效果

2017年至2020年間，河南某電力建設(shè)公司依據(jù)該方案對(duì)一臺(tái)FZQ型和一臺(tái)PZQ型塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。自投入使用以來(lái)，因調(diào)速系統(tǒng)的故障原因產(chǎn)生的年故障停機(jī)時(shí)間，由改造前的7—14天減少到0—2天，每年平均為公司減少400萬(wàn)誤工損失。而設(shè)備改造所需的一次性投資不到改造前的年誤工損失的1/20。多年的工程實(shí)踐證明，此方案具有很大的推廣價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展，工程建設(shè)如火如荼，對(duì)工程塔機(jī)的安全性、可靠性要求越來(lái)越高。同時(shí)，隨著電力電子技術(shù)的高度發(fā)展，變頻調(diào)速器的價(jià)格越來(lái)越便宜，塔機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的冗余控制方案已成為技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性合理的優(yōu)質(zhì)設(shè)計(jì)方案，完全滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則，加之它在減少故障停機(jī)誤工時(shí)間方面的巨大優(yōu)越性，該方案在未來(lái)的工程塔機(jī)中必將得到更為廣泛的應(yīng)用，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出更大貢獻(xiàn)！