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(pán)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(pán)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(kāi)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(pán)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(kāi)關(guān)，一旦吊具電纜卷盤(pán)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(kāi)，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(kāi)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(pán)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(pán)限位、電纜滿盤(pán)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(pán)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(pán)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(pán)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(pán)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(pán)。

（8）安裝方式：戶(hù)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(zhuān)門(mén)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(lèi)繁多，各類(lèi)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。可編程邏輯控制器選型基本規(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?xún)r(jià)比高。

考慮到客戶(hù)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(mén)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(mén)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(mén)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(hù)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(pán)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。總之，吊具電纜的性能要求高，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(chēng)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(pán)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(pán)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(kāi)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]