楊 磊

(江蘇省船舶設(shè)計研究所有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

近年來,隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及國際石油海洋工程的需要,大型起重船的市場需求逐年增加。由于起重的噸位越來越大,一旦出現(xiàn)安全問題業(yè)主的損失將相當(dāng)大,所以安全因素越來越受到重視。

本文以某 4只主鉤的臂架式大噸位起重船為例,著重介紹采用變頻控制的起重系統(tǒng)所實際應(yīng)用的一些安全措施。

1 起升設(shè)備的基本保護(hù)裝置

大型起重船上都有數(shù)量眾多的起升以及變幅用等絞車,在絞車上設(shè)置一些保護(hù)裝置必不可少。

1.1 制動器

起重船上的每臺絞車均裝有 2級制動器:工作制動器和帶式安全制動器。每次操作機(jī)構(gòu)時,PLC (可編程控制器)發(fā)運(yùn)行指令給變頻器,變頻系統(tǒng)建立力矩,只有當(dāng)力矩建立到足夠抵消反力并通過控制系統(tǒng)的力矩驗證后,才打開制動器。當(dāng)制動器打開到位(行程限位開關(guān)檢測)后,機(jī)構(gòu)方可運(yùn)行。變頻系統(tǒng)的預(yù)加力矩功能保證了每次操作在打開制動器的瞬間不會出現(xiàn)機(jī)構(gòu)吊鉤或變幅下溜現(xiàn)象。

1.2 棘輪棘爪

此裝置多用于變幅絞車。在絞車停止作業(yè)時,扣上棘爪,以鎖定機(jī)構(gòu)不能往下降方向運(yùn)行。

2 操作聯(lián)鎖保護(hù)

2.1 主鉤與變幅聯(lián)鎖

為安全起見,主鉤機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)不能同時動作。當(dāng) 4個主鉤中的任一個主鉤運(yùn)行時,變幅操作主令是失效的;同理,若變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)行時,主鉤的主令也是失效的,這樣保證了即使操作人員誤操作也不會引起機(jī)構(gòu)誤動作。

2.2 主鉤聯(lián)鎖

主鉤既可以單吊也可以聯(lián)吊。當(dāng)聯(lián)吊時,主鉤1、主鉤 2(2前鉤)可組合聯(lián)動操作,主鉤 3、主鉤 4 (2后鉤)可組合聯(lián)動操作,主鉤 1、主鉤2、主鉤 3、主鉤4可組合聯(lián)動操作。主鉤1、主鉤4(對角線)不能聯(lián)吊操作,主鉤 2、主鉤 3(對角線)不能聯(lián)吊操作,程序已經(jīng)聯(lián)鎖,即使誤操作機(jī)構(gòu)也不會發(fā)生誤動作。

2.3 各操作站之間聯(lián)鎖

由于現(xiàn)場操作的需要,除了駕駛室控制外,絞車機(jī)旁一般都有操作站。變頻控制系統(tǒng)的程序具有嚴(yán)格邏輯性,當(dāng)系統(tǒng)得電,只會有 1個操作站被授權(quán),即當(dāng)在駕駛室操作相應(yīng)機(jī)構(gòu)時,現(xiàn)場相應(yīng)就地操作站將會失效。

3 安全裝置

3.1 零位保護(hù)

主鉤機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、移船機(jī)構(gòu)及系泊機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)的主令均帶有機(jī)械零位鎖定裝置,操作機(jī)構(gòu)時必須將主令手動提起方可正常操作。運(yùn)行過程中如果突然斷電,即便隨即上電,各機(jī)構(gòu)也不會運(yùn)行。只有當(dāng)操作主令回零,再次按控制合按鈕,系統(tǒng)得電后方可繼續(xù)操作主令運(yùn)行各機(jī)構(gòu)。如操作手柄主令不回零,按控制合按鈕無效,系統(tǒng)不會得電。

3.2 急停保護(hù)

鎖扣式急停按鈕分別設(shè)置在:電氣控制室主配電保護(hù)柜面板、駕駛室左右操縱臺、每個機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場操作站。

此系統(tǒng)急停與起重系統(tǒng)真空斷路器采用硬線聯(lián)鎖。一旦發(fā)生急停,真空斷路器立即切斷起重系統(tǒng)動力電源。

所有急停開關(guān)有 2付常閉觸點(diǎn),1付觸點(diǎn)串于主控制回路,用于切斷控制電源;1付進(jìn)PLC報告急停發(fā)生的位置以便操作者在顯示器上查看故障位置。急停事件為一級故障處理,進(jìn)行機(jī)械制動。

3.3 超速保護(hù)

起升(主鉤 1、主鉤 2、主鉤 3、主鉤4)、變幅機(jī)構(gòu)的超速信號有 2種途徑獲得。

第 1種途徑為數(shù)字式變頻器超速保護(hù)設(shè)置。超速保護(hù)的閾值可以在一定范圍內(nèi)設(shè)定。當(dāng)達(dá)到動作值時,聯(lián)鎖到系統(tǒng)保護(hù)回路中去。

第 2種途徑是通過監(jiān)測電機(jī)高速軸側(cè)超速開關(guān)信號。當(dāng)動作時,聯(lián)鎖到系統(tǒng)保護(hù)回路中去。

超速故障為 1級故障,引起 1級停車。該過程進(jìn)行機(jī)械抱閘停車,系統(tǒng)斷電、軟件和硬件同時鎖定該故障。

當(dāng)起升、變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度達(dá)到機(jī)構(gòu)最高允許運(yùn)行速度的 115%時,超速開關(guān)動作,對應(yīng)機(jī)構(gòu)的操作手柄延時 2s后失效,制動器抱閘,同時發(fā)出聲光(紅色)報警信號。

由于超速故障是十分嚴(yán)重的故障,聯(lián)動臺上的復(fù)位按鈕不能復(fù)位該故障,必須使用位于保護(hù)控制柜面板上的超速復(fù)位按鈕進(jìn)行復(fù)位,以確保超速故障已經(jīng)過特別的處理,而不是輕易地同其他故障同等處理。

3.4 極限超程保護(hù)

4個主鉤機(jī)構(gòu)、副鉤機(jī)構(gòu)及變幅機(jī)構(gòu)均設(shè)有上下超程行程限位,超程故障為 1級故障。一旦有超程故障,立即切斷動力電源,同時進(jìn)行機(jī)械抱閘停車,軟件和硬件同時鎖定該故障。發(fā)生該故障后只能通過“超程旁路”選擇開關(guān)切換到超程旁路工況,再手動合閘才能恢復(fù)操作。在超程旁路工況下,機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度被限制在額定速度的 10%,且機(jī)構(gòu)只能向相反方向運(yùn)行,待超行程限位恢復(fù)正常后,機(jī)構(gòu)立即自動停止動作,此時只有將“超程旁路”選擇開關(guān)切換到正常工作位置才能恢復(fù)正常操作。

3.5 過卷、過放保護(hù)

起升、變幅卷筒鋼絲繩過卷、過放限位聯(lián)鎖,由安裝在相應(yīng)機(jī)構(gòu)卷筒上的凸輪限位開關(guān)實現(xiàn)檢測保護(hù)。

當(dāng)過卷(上升終點(diǎn))、過放(下降終點(diǎn))位置聯(lián)鎖開關(guān)動作后,運(yùn)行于該方向絞車停止工作。此時,主起升絞車允許向反方向作復(fù)位運(yùn)行。當(dāng)凸輪開關(guān)復(fù)位后,聯(lián)鎖報警信號消除。

每個起升/變幅機(jī)構(gòu)各設(shè)以下限位信號用于聯(lián)鎖和保護(hù):

上升超程限位、上升停車限位、上升減速限位、下降減速限位、下降停車限位、下降超程限位。

3.6 過載保護(hù)

起升機(jī)構(gòu)都有負(fù)荷傳感器。它提供 4～20 mA的模擬量信號,該信號正比例于起升的負(fù)荷。它主要用于:最大運(yùn)行速度的計算、單鉤過載測定與報警、吊鉤聯(lián)動過載測定和報警、吊鉤負(fù)荷差超差測定和報警、在監(jiān)控屏幕上顯示負(fù)載數(shù)值。

主鉤各鉤單獨(dú)工作時,分別顯示各自對應(yīng)鉤的荷重。當(dāng)主鉤聯(lián)動工況時總荷重顯示綜合荷重。主鉤單獨(dú)運(yùn)行時,當(dāng)?shù)踔剡_(dá)到各鉤額定負(fù)荷的 95%時,預(yù)報警。當(dāng)?shù)踔剡_(dá)到各鉤額定負(fù)荷的 105%時,紅色報警;同時延時2 s切斷上升控制回路及增幅控制回路,實現(xiàn)保護(hù)聯(lián)鎖。

3.7 風(fēng)速指示和保護(hù)

本系統(tǒng)設(shè)有風(fēng)速儀,用于檢測風(fēng)速,在監(jiān)控屏上顯示實時風(fēng)速,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到預(yù)定值時發(fā)出報警信號。

3.8 水平保護(hù)

浮吊縱傾超過2°或橫傾超過5°(信號由船電系統(tǒng)提供)時,禁止起重系統(tǒng)工作。

3.9 電機(jī)過熱保護(hù)

每個機(jī)構(gòu)所用的船用電機(jī)均有熱敏電阻測溫裝置,實時測量電機(jī)溫度。當(dāng)達(dá)到電機(jī)所能承受的最高溫升時,變頻器實施電氣停車保護(hù)。

3.10 電機(jī)綜合保護(hù)

機(jī)構(gòu)所用的電機(jī)都具有欠壓、過壓、短路、過流、接地、缺相等保護(hù)。

3.11 速度、加速度預(yù)測控制保護(hù)

在起重系統(tǒng)中,某個電氣元件失靈或故障引起的溜鉤現(xiàn)象是最危險的故障,它造成系統(tǒng)失控,重物失去提升力,以近似自由落體的加速度下溜,直至超速故障信號產(chǎn)生后才被強(qiáng)行抱閘制動。

如果被吊重物重量較輕、下放速度不快,溜鉤故障時產(chǎn)生的動能相應(yīng)較小,這時只要機(jī)械制動性能良好,系統(tǒng)能很快制止溜鉤,不會造成嚴(yán)重后果。

然而,在重載快速下放時,溜鉤故障會在短期內(nèi)產(chǎn)生很大的動能。一旦系統(tǒng)失控并進(jìn)入高速運(yùn)行,其巨大能量會使強(qiáng)制制動很困難,造成對系統(tǒng)的巨大沖擊,甚至損壞機(jī)械設(shè)備。

為了進(jìn)一步保證系統(tǒng)安全性,避免出現(xiàn)溜鉤故障,電氣系統(tǒng)采用動態(tài)監(jiān)測,對起升電機(jī)運(yùn)行速度、加速度進(jìn)行預(yù)測控制。這樣在系統(tǒng)失控還處于低速、低動能的狀態(tài)下得到及時準(zhǔn)確的判斷,并在早期采取強(qiáng)行制動,避免機(jī)電設(shè)備造成重大損失。

速度和加速度的獲得依賴于脈沖編碼器。實際重量和由于加速度引起的重量的信息的獲得依賴于稱重傳感器。通過自行研發(fā)的功能模塊,可以獲得準(zhǔn)確的速度、加速度以及實際重量、系統(tǒng)慣量、動量等綜合信息。通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制的預(yù)測學(xué)原理,經(jīng)過動態(tài)數(shù)理分析,以預(yù)測可能的溜鉤現(xiàn)象,防止由于溜鉤造成嚴(yán)重的人身和設(shè)備事故。

在檢測到超速或溜鉤時,工作制動器和電氣制動將同時進(jìn)行制動。該技術(shù)已在國外先進(jìn)的高速或大型提升系統(tǒng),如大型起重機(jī)和高速電梯行業(yè)得到應(yīng)用,提高了系統(tǒng)的安全性。

3.12 力矩監(jiān)視與保護(hù)

按照負(fù)載曲線進(jìn)行變幅與起升機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖。

本系統(tǒng)所采用的力矩監(jiān)視器功能有:實時監(jiān)視浮吊臂架的角度,4個主鉤上所吊貨物的重量。并且能夠根據(jù)聯(lián)動還是單動以及臂架角度情況,實時把實際負(fù)載重量、力矩和額定吊重、額定力矩做比較,以便給出貨物超重、輕載、力矩報警信號。這樣中央控制器就可以根據(jù)貨物的實際情況來保護(hù)設(shè)備,提高生產(chǎn)效率。

3.13 變壓器溫度保護(hù)

變壓器溫度過高置 3類故障,受控停車。

以上保護(hù)由中央控制器自動完成,不需要人員干預(yù)。

4 結(jié)語

本文主要介紹了變頻系統(tǒng)的安全措施。由于該系統(tǒng)需要船上的起重設(shè)備全部采用變頻電機(jī)的電力驅(qū)動,一些采用液壓系統(tǒng)的起重船不完全適用,但是通過對液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計改造,其中的一些安全概念還是可以作為借鑒和參考。

隨著大型起重船的大量應(yīng)用,作者認(rèn)為電力驅(qū)動的變頻控制系統(tǒng),由于其在安全性、實用性等方面的優(yōu)勢,越來越多的新技術(shù)的運(yùn)用以及配套廠商的逐步完善和發(fā)展,應(yīng)該是起重控制系統(tǒng)一個重要的發(fā)展方向。