經(jīng)德利

（新疆油田公司物資供應(yīng)總公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

2 臺(tái)50 t/15 t-30 m 門式起重機(jī)屬于2002 年設(shè)計(jì)產(chǎn)品，所有控制方式為繼電器邏輯控制。由于繼電器邏輯控制可靠性差故障率高、設(shè)備控制不靈活、耗能大、整機(jī)行走啟動(dòng)及停車時(shí)出現(xiàn)搖擺現(xiàn)象等缺點(diǎn)，目前已逐漸被淘汰，提出使用可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、維修方便的PLC 為控制單元核心，取代繼電器邏輯控制單元，其改造涉及費(fèi)用遠(yuǎn)低于更換新設(shè)備的費(fèi)用，并能達(dá)到提升設(shè)備整體性能指標(biāo)確保設(shè)備本質(zhì)安全的目標(biāo)。

1 設(shè)備系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)狀及缺點(diǎn)

（1）構(gòu)成現(xiàn)狀。3#起重機(jī)主鉤驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)YZR315M-10，功率75 kW；副鉤驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)YZR225M-8，功率33 kW；大車驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)YZR180L-8，功率11 kW，共計(jì)4 臺(tái)；小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)YZR160M-6，功率7.5 kW。2#起重機(jī)主鉤驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)YZR280M-10，功率45 kW；副鉤驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)YZR225M-8，功率33 kW；大車驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)YZR180L-8，功率11 kW，共計(jì)4 臺(tái)；小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)YZR160M-6，功率7.5 kW。

（2）主要缺點(diǎn)。2 臺(tái)起重機(jī)電機(jī)為接觸器控制系統(tǒng)和串電阻分段控制電機(jī)，設(shè)備運(yùn)行時(shí)通過繼電器和接觸器頻繁動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)所控制設(shè)備的運(yùn)行，造成接觸器觸頭粘連、燒蝕現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子串多級(jí)電阻及定子調(diào)壓方式，使用過程中都是慣性負(fù)載致使設(shè)備工作沖擊大使設(shè)備壽命縮短。因使用線繞式電機(jī)，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，轉(zhuǎn)子繞組和集電環(huán)、電刷裝置容易出現(xiàn)故障，且轉(zhuǎn)子需外接電路和電阻設(shè)備造成電機(jī)功耗大，增加維修工作量。驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)為接觸器全載啟動(dòng)，起動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大。進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)瓦磨損嚴(yán)重。

1.2 機(jī)械控制系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)狀及缺點(diǎn)

大車減速機(jī)型號(hào)為ZSCA800-62.5-1，是三級(jí)傳動(dòng)漸開線圓柱齒輪減速機(jī)，高速軸轉(zhuǎn)速不超過1500 r/min，可正反運(yùn)轉(zhuǎn)，工作環(huán)境溫度為-40～40 ℃，重約866 kg，中心距為350 mm，中心高為400 mm，高速輸入軸直徑為50 mm，帶1∶10 的錐度，空心軸鍵數(shù)有2 個(gè)。制動(dòng)器為分立抱閘機(jī)構(gòu)，行走啟動(dòng)及停止時(shí)沖擊慣性大，抱閘調(diào)整過緊過松都不利于安全行駛。減速機(jī)密封漏油及內(nèi)部齒輪時(shí)有損壞，減速機(jī)幾乎每年一次維修，造成維修費(fèi)用居高不下。

2 改造設(shè)備控制系統(tǒng)的選型與控制實(shí)現(xiàn)

總體設(shè)計(jì)思路，各電氣保護(hù)控制及動(dòng)作執(zhí)行控制繼電器改由PLC 控制。主鉤、副鉤、小車、大車電機(jī)接觸器控制改為變頻調(diào)速控制，更換大車行走電機(jī)及減速器（圖1）。整個(gè)系統(tǒng)電機(jī)執(zhí)行部分由7 臺(tái)電機(jī)構(gòu)成，大車由4 臺(tái)電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)運(yùn)行，主鉤、副鉤、小車各1 臺(tái)電機(jī)予以保留，所以共計(jì)配置4 臺(tái)變頻器傳動(dòng)，由可編程控制器PLC 控制完成各項(xiàng)指令操作。

圖1 改造系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.1 PLC 選型及控制

本按例選擇S7-300可編程控制器，S7-300 是德國西門子公司生產(chǎn)的PLC 系列產(chǎn)品之一，采用可編程序的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械生產(chǎn)過程。

依據(jù)現(xiàn)有設(shè)備及線路，結(jié)合PLC 功能及I/O 點(diǎn)繪制電氣控制原理圖，設(shè)計(jì)PLC 控制程序梯形圖，滿足系統(tǒng)控制的功能和要求（圖2）。主要設(shè)計(jì)完成對(duì)起重機(jī)各主令電器操作輸入的檢測(cè)，安全扶梯安全門、司機(jī)室門、配電室門、夾軌器限位、地錨限位開關(guān)的檢測(cè)，以及變頻器反饋數(shù)據(jù)值檢測(cè)等；控制大車、小車電機(jī)的運(yùn)行方向、停止、加速及減速，實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)輸?shù)男枰?；控制主、副鉤電機(jī)的運(yùn)行方向、停止、加速及減速，實(shí)現(xiàn)吊裝貨物起重升降作業(yè)。

圖2 PLC 功能框圖

2.2 變頻器選型及控制

本系統(tǒng)選用安川CH700 系列起重機(jī)專用變頻器，具有較強(qiáng)控制性能和過載能力，帶搖擺及斜行防止功能。用戶可按推薦值合理選擇容量值，不用再涉及繁雜的設(shè)計(jì)計(jì)算。考慮到電源電壓波動(dòng)因素及需通過125%超載試驗(yàn)要求等因素，起升機(jī)構(gòu)平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定力矩值的1.3～1.6 倍，其最大轉(zhuǎn)矩必須有1.8～2倍的負(fù)載力矩值。本案例實(shí)際選型考慮新疆的高溫及寒冷天氣環(huán)境因素功率均放大一級(jí)。

（1）主起升變頻器。3#起重機(jī)主鉤驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)YZR315M-10，功率75 kW，選擇CH70B4180 型號(hào)變頻器。2#起重機(jī)主鉤驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)YZR280M-10，功率45 kW，選擇CH70B4112 型號(hào)變頻器。

（2）副起升變頻器。3#、2#起重機(jī)副鉤驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)YZR225M-8，功率33 kW，選擇CH70B4075 型號(hào)變頻器。

（3）小車行走變頻器。3#、2#起重機(jī)小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)YZR160M-6，功率7.5 kW，選擇CH70B4024 型號(hào)變頻器。

（4）大車行走變頻器。因3#、2#起重機(jī)大車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器更換，重新選擇電機(jī)型號(hào)YEPB132M-4B5-191028，功率7.5 kW，4 臺(tái)功率合計(jì)為30 kW，選擇CH70B4075 型號(hào)變頻器。

電氣設(shè)計(jì)確保制動(dòng)器由接觸器控制與變頻器控制同步，提前會(huì)造成自動(dòng)卸鉤，滯后會(huì)造成變頻器保護(hù)。

2.3 主、副鉤及小車電機(jī)改造

由于主、副鉤及小車電機(jī)為YZR 系列繞線式電機(jī)，暫載率40%，通過變頻控制就需要進(jìn)行電機(jī)改造：將電機(jī)的轉(zhuǎn)子引線拆開，不經(jīng)過碳刷直接短接，固定牢固，做好絕緣處理；繞線式異步電機(jī)為變頻控制時(shí)，通過改變頻率的控制可使電機(jī)獲得很好的平滑調(diào)速性和有足夠剛度的機(jī)械特性，避免了由于繞線式電機(jī)串電阻，使轉(zhuǎn)差率增大帶來的電機(jī)損耗，起到節(jié)能的目的（圖3）。

圖3 繞線式電機(jī)改造

在主、副鉤及小車電機(jī)一側(cè)加 裝 GFDD -590-120 恒流式冷卻風(fēng)機(jī)，冷卻風(fēng)速 950 m/h，風(fēng)壓≥25 Pa，電壓380 V，功率60 W。整個(gè)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)合理、造型美觀，具有風(fēng)量大、噪聲小、溫升低、壽命長、運(yùn)行平穩(wěn)、安裝方便等特點(diǎn)。

2.4 大車減速機(jī)選型及更換

大車原有減速機(jī)ZSCA800-62.5-1 拆除，電機(jī)及聯(lián)軸器拆除，選擇4 臺(tái)三合一電機(jī)驅(qū)動(dòng)K 系列斜齒輪—螺旋錐齒輪減速機(jī)，其性能特點(diǎn)：①K 系列齒輪減速機(jī)是在模塊化組合體系的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，可以方便配用各種形式的電機(jī)，同種機(jī)型可配用各種功率的電機(jī)，容易實(shí)現(xiàn)各種機(jī)型之間的組合聯(lián)接；②傳動(dòng)效率高，單機(jī)型減速機(jī)效率高達(dá)96%；③傳動(dòng)比劃分細(xì)、范圍廣，組合機(jī)型可以形成較大的傳動(dòng)比，輸出轉(zhuǎn)速低；④安裝方式可采取底腳安裝、空心軸安裝、空法蘭安裝、扭力臂安裝、小法蘭安裝等，形式多樣；⑤減速機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)噪聲低，體積小重量輕，使用壽命長，承載能力強(qiáng)，易于拆卸安裝。

根據(jù)K 系列設(shè)計(jì)手冊(cè)及設(shè)備功能要求，選擇KA108-89.68-M4 型號(hào)減速機(jī)，采用扭力臂安裝方式，滿足設(shè)備驅(qū)動(dòng)要求。

2.5 大車行走負(fù)重輪的更換

因?yàn)樵袦p速機(jī)驅(qū)動(dòng)與行走負(fù)重輪的連接軸帶1∶10 錐度，所以原行走負(fù)重輪連接軸不能使用，需要重新定制加工行走負(fù)重輪軸4 套，加工完成后更換原有負(fù)重輪軸，安裝完成后，軸另一端安裝三合一減速機(jī)（圖4）。

圖4 大車行走負(fù)重輪驅(qū)動(dòng)軸

3 采取系統(tǒng)抗干擾措施方法

龍門吊應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，吊裝作業(yè)時(shí)周邊有其他大型運(yùn)行設(shè)備及固定設(shè)備，工作環(huán)境中易產(chǎn)生各種電磁干擾，新安裝的PLC 控制器及變頻器對(duì)使用環(huán)境要求高，電磁干擾對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行存在嚴(yán)重影響，應(yīng)考慮PLC 的抗干擾措施。

（1）輸入、輸出信號(hào)使用帶屏蔽的硅膠多芯信號(hào)電纜。同段屏蔽線一端接地，另一端不接地，如有備用芯線也要一端接地可擴(kuò)大屏蔽作用。抑制芯線間的信號(hào)串?dāng)_及外部干擾，大車上安裝的電力電纜與信號(hào)電纜、弱電電纜分開電纜橋架敷設(shè)。

（2）PLC 及盤柜增加一條獨(dú)立的接地線連接于主接地排中，其接地電阻應(yīng)小于10 Ω。PLC 的周邊500 mm 內(nèi)盡量不安裝接觸器及變壓器等容易產(chǎn)生電磁干擾的裝置，引至PLC盤柜的電纜要盡量遠(yuǎn)離那些會(huì)產(chǎn)生電磁干擾的裝置。

（3）630 kV·A 供電變壓器與龍門吊相距50 m，電網(wǎng)回路中接有并聯(lián)補(bǔ)償電容器。在電網(wǎng)中可能產(chǎn)生過峰值電容造成變頻器損壞，所以在變頻器電源進(jìn)線端加裝進(jìn)線交流電抗器，以抑制變頻器造成的高頻峰值電流或電容器開斷造成的峰值電流對(duì)變頻器的危害。有條件的在輸出端可選擇加裝電源輸出濾波器，最大程度降低變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾。

4 改造變頻器調(diào)速及減速機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)后的優(yōu)點(diǎn)

（1）門式起重機(jī)電機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)后，電機(jī)控制動(dòng)作定位精確，吊運(yùn)貨物平穩(wěn)，起吊及制動(dòng)平滑，各電機(jī)在運(yùn)行中加、減速時(shí)對(duì)整機(jī)的沖擊明顯減少，避免了負(fù)載變化時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之變化的現(xiàn)象，提高了起升作業(yè)的生產(chǎn)率。

（2）主、副鉤及大、小車在制動(dòng)時(shí)，由變頻器控制電機(jī)在低速時(shí)完成機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作，機(jī)械制動(dòng)器的制動(dòng)片磨損率大為減小，使用壽命延長后使維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用大為降低。

（3）采用PLC 控制，繼電器控制線路大為減少，電氣控制節(jié)點(diǎn)大為減少，保護(hù)功能及使用功能可靠性大幅度提高，程序控制準(zhǔn)確性及功能完善性得到了充分保障。

（4）變頻器控制電機(jī)主回路為無觸點(diǎn)可控硅控制，變頻調(diào)速系統(tǒng)效率高損耗小，保護(hù)、監(jiān)測(cè)、自我故障診斷能力非常完善。

（5）大車更換新減速機(jī)后運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低，減速機(jī)體積小重量輕、使用壽命長、承載能力強(qiáng)，避免了舊式減速機(jī)啟停沖擊大、制動(dòng)器調(diào)整困難、滲漏油及頻繁檢修等情況發(fā)生。

5 結(jié)語

改造后的變頻器控制調(diào)速能耗低，工作效率及可靠性高，制動(dòng)器磨損小，定位容易而且起停平滑，機(jī)械沖擊小，司機(jī)操控靈活方便，使老舊設(shè)備性能得到了大幅度提高，既節(jié)約了大量維修成本，又使設(shè)備本質(zhì)安全得到了充分保障。