熊良勇

(太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 引言

起重機(jī)設(shè)備是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的設(shè)備，廣泛運(yùn)用于各種物料的搬運(yùn)中。制動(dòng)器是起重機(jī)上一個(gè)非常重要的部件，一般安裝在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，用來使起重機(jī)各機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確可靠地停在指定位置上，在起重機(jī)的正常使用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。一旦制動(dòng)器失效，吊物便會(huì)發(fā)生溜鉤，輕則砸壞設(shè)備，重則傷及人身安全，后果十分嚴(yán)重。實(shí)際生產(chǎn)中，由于制動(dòng)器磨損嚴(yán)重，或者制動(dòng)器主要零件損壞、彈簧失靈、電磁鐵卡住、銜鐵和水平杠桿脫落等原因，都會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)在作業(yè)過程中出現(xiàn)制動(dòng)器失效的故障。制動(dòng)器作為起重機(jī)安全保護(hù)的最后一道屏障，一旦在作業(yè)時(shí)失效，從機(jī)械方面來看，對(duì)于即將發(fā)生的危險(xiǎn)沒有任何補(bǔ)救的措施。但利用變頻器的零速懸停功能可實(shí)現(xiàn)將負(fù)載懸停在空中。本文通過一個(gè)工程實(shí)例，介紹如何通過電氣方法來檢測(cè)制動(dòng)器失效，利用S120變頻器的零速懸停功能來保持重物，并通過聲光報(bào)警裝置及時(shí)提醒操作維護(hù)人員。

1 起升機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

本文分析的起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的額定吊重為90 t，起升機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器帶動(dòng)減速機(jī)，然后減速機(jī)帶動(dòng)雙卷筒，卷筒通過纏繞鋼絲繩提升重物。

起升機(jī)構(gòu)額定起重量為90 t，起升速度為30 m/min。主提升電機(jī)型號(hào)為RH500L8，S1-100%工作制下額定電壓為660 V，額定功率為630 kW，額定電流為688 A，額定轉(zhuǎn)速為746 r/min，電動(dòng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)軸端帶測(cè)速編碼器和強(qiáng)制冷卻風(fēng)扇。

2 起升機(jī)構(gòu)電氣傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)

起升機(jī)構(gòu)程序控制單元采用西門子PLC，電氣傳動(dòng)裝置采用西門子S120變頻器，變頻器型號(hào)為6SL3320-1TG38-1AA3，額定功率為800 kW，額定電流為810 A。起升機(jī)構(gòu)具體電氣傳動(dòng)及控制結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 起升機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖2 起升機(jī)構(gòu)電氣傳動(dòng)及控制結(jié)構(gòu)

3 起升機(jī)構(gòu)變頻器配置要求

起升機(jī)構(gòu)變頻器的配置必須滿足以下要求：

IH≥IN，

Imax≥Ist.

其中：IH為變頻器重載連續(xù)輸出電流;IN為電機(jī)額定電流;Imax為變頻器最大輸出電流;Ist為電機(jī)啟動(dòng)電流，一般Ist=2IN。

變頻器必須采用閉環(huán)矢量控制方式，采用這種方式一方面可以使變頻器在零速下仍能輸出額定轉(zhuǎn)矩，另一方面可以利用電機(jī)非驅(qū)動(dòng)軸端測(cè)速編碼器的反饋速度來判斷制動(dòng)器是否失效，在制動(dòng)器已經(jīng)抱閘的情況下，如果電機(jī)測(cè)速編碼器反饋回來的轉(zhuǎn)速值不為零，則認(rèn)為制動(dòng)器失效。

對(duì)于主提升電機(jī)，為了保證由于零速懸停時(shí)間過長(zhǎng)，電機(jī)不出現(xiàn)過熱的情況，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。

4 S120變頻器參數(shù)設(shè)置

為了保證控制系統(tǒng)在檢測(cè)到制動(dòng)器失效之后，S120變頻器能將重物懸停在空中，S120變頻器必須能在很短的時(shí)間內(nèi)快速輸出大轉(zhuǎn)矩。根據(jù)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)過程，如果先經(jīng)過勵(lì)磁(勵(lì)磁時(shí)間一般為0.5 s～1.5 s)再輸出轉(zhuǎn)矩，則轉(zhuǎn)矩輸出會(huì)很不及時(shí)，在重物下溜速度很快后變頻器所輸出的力矩已經(jīng)很難阻止重物的繼續(xù)下降，甚至變頻器本身可能會(huì)出現(xiàn)過電流故障而封鎖輸出，最終無法將重物懸停在空中，因此必須對(duì)S120變頻器的應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行特別的設(shè)置。具體參數(shù)設(shè)置主要包括如下三部分：

(1) S120變頻器控制參數(shù)的設(shè)置。在本次應(yīng)用中，我們通過Profibus DP通訊控制S120變頻器控制字的Bit0、Bit3和Bit6來達(dá)到短時(shí)間內(nèi)快速輸出大轉(zhuǎn)矩的目的。其中：Bit0對(duì)應(yīng)參數(shù)P840，為變頻器啟停；Bit3對(duì)應(yīng)參數(shù)P852，為變頻器運(yùn)行使能；Bit6對(duì)應(yīng)參數(shù)P856，為變頻器速度給定使能。

當(dāng)系統(tǒng)上電自檢正常后，首先將控制字的Bit0置1，該位為脈沖使能位，變頻器啟動(dòng)時(shí)同時(shí)置位Bit3和Bit6，使變頻器按照正常的速度給定曲線加速，停止后，首先復(fù)位控制字Bit6，封鎖速度給定使能，使電機(jī)按減速曲線減速，直至速度降為0，同時(shí)輸出制動(dòng)器關(guān)閉信號(hào)，在制動(dòng)器抱閘完成后延時(shí)30 s再復(fù)位控制字Bit3和Bit0，封鎖S120變頻器輸出。這樣就能保證電機(jī)在制動(dòng)器抱閘后30 s內(nèi)一直保持勵(lì)磁狀態(tài)，一旦在這30 s內(nèi)檢測(cè)到制動(dòng)器失效故障，則立即置位Bit6，使能速度給定，此時(shí)因?yàn)殡姍C(jī)已經(jīng)勵(lì)磁，變頻器會(huì)快速輸出一個(gè)力矩，同時(shí)輸出制動(dòng)器打開信號(hào)，打開制動(dòng)器，并將已經(jīng)出現(xiàn)溜鉤趨勢(shì)的重物懸掛在空中。變頻器Bit0=1、Bit3=1、Bit6=0時(shí)的狀態(tài)曲線如圖3所示。

從圖3中可以看到:在Bit0=1、Bit3=1時(shí)，Bit6由1變?yōu)?，變頻器開始減速，當(dāng)速度下降到零時(shí)，制動(dòng)器打開命令由1變0，制動(dòng)器開始抱閘，抱閘過程中變頻器一直輸出轉(zhuǎn)矩，抱閘完成后變頻器輸出轉(zhuǎn)矩變?yōu)榱?，此時(shí)變頻器仍然輸出電流，電機(jī)處于勵(lì)磁狀態(tài)。

(2) 變頻器過程狀態(tài)字設(shè)置。設(shè)置參數(shù)P2051[1](過程狀態(tài)字2)=r63[1](速度實(shí)際值)來獲取電機(jī)測(cè)速編碼器所測(cè)得的轉(zhuǎn)速實(shí)際值。變頻器過程狀態(tài)字參數(shù)設(shè)置頁面見圖4。

圖3 變頻器Bit0=1、Bit3=1、Bit6=0時(shí)的狀態(tài)曲線

圖4 變頻器過程狀態(tài)字參數(shù)設(shè)置頁面

(3) 變頻器制動(dòng)器控制功能參數(shù)設(shè)置。首先設(shè)置開閘電流P1220=r68、P1221=35%,保證勵(lì)磁完成后輸出制動(dòng)器開閘信號(hào)；然后設(shè)置關(guān)閘速度P1225=r63、P1226=10；最后設(shè)置P1220=r2090.6、P1275.02=1，保證電機(jī)減速到零后輸出關(guān)閉抱閘信號(hào)。制動(dòng)器參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。

圖5 制動(dòng)器參數(shù)設(shè)置界面

5 PLC程序控制邏輯

設(shè)置好S120變頻器參數(shù)后，還需要編寫相應(yīng)的PLC控制程序，其控制程序流程如圖6所示。在起升機(jī)構(gòu)已經(jīng)停止運(yùn)行的條件下，判斷電機(jī)是否還有下降方向的轉(zhuǎn)速，如果有且大于5 r/min，則認(rèn)為制動(dòng)器失效，制動(dòng)力矩不足，無法完全支撐負(fù)載使之保持靜止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)程序首先置位Bit6=1,因?yàn)槊看纹鹕龣C(jī)構(gòu)停止時(shí)Bit0和Bit3在30 s內(nèi)(根據(jù)日常使用經(jīng)驗(yàn)判斷，如果起升機(jī)構(gòu)在停止后30 s之內(nèi)沒有出現(xiàn)溜鉤，則認(rèn)為制動(dòng)器有效)會(huì)保持為1，這時(shí)只需要將Bit6置1，變頻器會(huì)立即輸出一個(gè)大的力矩，將開始下溜速度較慢的負(fù)載懸停在空中。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證及應(yīng)用

在正確設(shè)置了西門子S120變頻器的參數(shù)和編寫了相應(yīng)的控制程序后，為了測(cè)試使用效果做了如下試驗(yàn)：在起升機(jī)構(gòu)起吊額定載荷停在離地300 mm的距離后，人為調(diào)整制動(dòng)器，模仿制動(dòng)器過度磨損制動(dòng)力矩不足的情況，觀察變頻器能否及時(shí)有效地輸出轉(zhuǎn)矩來保持負(fù)載。經(jīng)過測(cè)試，該系統(tǒng)能完美地將重物保持在空中，并很快達(dá)到穩(wěn)定，且保持時(shí)間達(dá)30 min。試驗(yàn)

過程中零速懸停時(shí)變頻器的狀態(tài)曲線如圖7所示。

圖6 PLC控制程序流程

從圖7中可以看出：當(dāng)制動(dòng)器失效時(shí)，雖然變頻器速度給定值為零，但是電機(jī)編碼器反饋值卻為負(fù)，系統(tǒng)據(jù)此判斷出制動(dòng)器失效，然后立即將變頻器Bit6置1，此時(shí)變頻器迅速輸出一個(gè)大的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過內(nèi)部短暫調(diào)節(jié)后，變頻器輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，最終將負(fù)載保持在空中靜止，試驗(yàn)懸停時(shí)間為30 min，30 min后電機(jī)由于采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，溫度正常。試驗(yàn)完成后，該功能順利投入應(yīng)用，為起重機(jī)的安全運(yùn)行又上了一道保險(xiǎn)。

7 結(jié)語

近年來，起重機(jī)時(shí)常出現(xiàn)由于制動(dòng)器維護(hù)不到位導(dǎo)致失效繼而引發(fā)溜鉤事故的案例。設(shè)置并應(yīng)用西門子S120變頻器的零速懸停功能，能有效地減少由此類原因引起的溜鉤事故。變頻器和電機(jī)的選型配置、變

頻器控制方式及參數(shù)設(shè)置、PLC控制程序是保證該功能能否成功的關(guān)鍵點(diǎn)。我們?cè)赟120變頻器上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了該功能的應(yīng)用，今后還會(huì)在其他更多品牌的變頻器上實(shí)現(xiàn)該功能的應(yīng)用，成功使用該功能為起重機(jī)安全運(yùn)行保駕護(hù)航。