當前起重機控制的現狀及存在的問題

     1、目前起重機控制的現狀據有關報道，國外發達國家的起重機，很多都采用變頻調速系統控制。即使在發展中國家的比例也比較高。我國雖然近幾年對傳統的起重機控制系統進行了一些變頻調速系統改造，并且很多起重機生產廠家開始采用變頻調速系統，但絕大部分用戶仍然使用傳統的“繞線式電動機轉子串電阻調速系統”方式（以下簡稱傳統的調速系統）。2、傳統的調速系統存在的問題2.1傳動性能差傳統的調速系統，雖然轉子串接電阻實現了調速功能（也是有級的），但因為不能改變同步轉速，致使傳動系統機械特性很軟，從而使速度的穩定性和調速精度很差。而且大車通常有兩臺或四臺甚至多臺電動機驅動，更由于負載的變化、軌道的平整度、電動機參數的分散性等導致大梁扭動和行車上的電控設備的震動大，不但惡化了操作人員的工作環境容易疲勞導致操作失誤，也降低了整個設備的使用壽命、穩定性、可靠性。2.2可靠性差◆接觸器頻繁分、合，尤其操作人員頻繁靠反接制動來穩鉤（接觸器在大電流情況下頻繁分、合），經常造成接觸器觸點的燒結和電阻燒毀。◆保護措施不完善，易發生電動機燒毀的現象。◆制動閘皮承受比較大的沖擊，磨損嚴重，需要經常檢修、更換。◆起重機的使用環境一般比較惡劣，并且繞線式電動機本身具有電刷、滑環等薄弱環節，需要經常進行維護、維修。2.3增加能耗起重機經常在低速狀態下運行，大量的轉差功率消耗在轉子串接的電阻上（一般情況下可占總能耗的20%以上），從節能和經濟兩方面來講，都不可取。2.4增加了使用維修成本設備使用壽命的縮短，以及可靠性差造成的停機，不但增加了維護工作量，而且導致設備使用成本的增加。2.5危險性也比較高。起重機屬于位能性負載，對安全性要求很高。上述所有問題，都是采用繞線式電動機轉子串電阻調速系統原理本身引起的。最終表現為設備的生產率受到限制（經常出故障處于停機、維修狀態）、維護工作量大、使用維修成本上升。二、變頻調速系統改造下面以我公司為某廠起重機變頻系統改造為例，介紹變頻器在起重機行業的應用。1、設備改造總體要求■改造范圍現有電控柜全部拆除，采用新控制柜；聯動操作臺更換；有電纜更換；配電屏更換；現場燈光、開車警示、上下車聯絡回路等保持不變；現場各檢測開關如大車左右極限、小車前后極限、主、副起升機構的限位全部保留。■改造要求盡量保留現有操作方式，以利操作人員操作；各機構改造后，仍為四檔速度，各檔級速度可以根據需要無級調整；采用PLC和工業控制現場總線，減少接線和故障率；生產力不得降低；主副起升機構沒有溜鉤現象；系統應當具有抗震動和電網電壓波動能力；完善的保護功能；詳細工作狀態和故障信號顯示，便于操作人員監視、操控和維護人員維護；利用設備大修時間完成原設備的拆除和新設備的安裝、調試。2、改造方案參見以下“主回路方案圖”和“控制方案圖”。3、控制原理3.1主回路全部采用ABB公司生產的ACS600系列變頻器（起升機構采用ACC600提升專用變頻器）。ABB變頻器采用直接轉矩控制（DTC）方式。這種控制方式采用實時計算的電動機轉矩和轉速構成轉矩轉速雙閉環系統，其動、靜態精度高（控制精度優于正負5%）；在轉矩響應方面，比非DTC控制方式變頻器快許多（轉矩響應響應時間≤5ms），并克服了傳統調速系統和轉矩開環變頻器低速段輸出轉矩不足的問題，其零速轉矩可達200%。這些特點充分保證了位能性負載的要求。ACC600提升專用變頻器除具有ACS600系列變頻器所有特點外，內置了提升專用軟件（相應配備了各種接口可選，比如本地控制、總線控制、端子控制。其中端子控制又分為電動電位器控制、無線電控制、手柄控制等多種控制模式），它還具有多種專用功能：予勵磁、轉矩驗證、功優化、閘控邏輯等特殊功能，簡化了系統外圍結構，使整個系統簡單清晰，安全性和可靠性也大為提高。對于多臺電機同時驅動起升機構的起重機，則可以采用多臺變頻器，利用內置的主從提升功能實現。如果采用通用變頻器，上述的專用功能必須由控制系統完成，就使整個系統復雜化，而且降低穩定性、可靠性。具體配置如下：■大車行走機構采用兩臺變頻器，分別驅動一臺電動機。其中一臺為主機，另一臺為從機。利用主從應用軟件，保證兩臺電動機的速度同步和負荷平衡，防止大梁扭動和啃軌。■小車機構變頻器采用一臺變頻器。■主起升機構和副起升機構，分別采用一臺提升專用變頻器（ACC變頻器）。分別采用一臺光電編碼器，做速度反饋和控制檢測用。■所有變頻器，采用斬波器加制動電阻實現制動功能。■所有變頻器配有各類標準的現場總線接口。3.2控制系統采用PLC作為核心控制器件，采用工業控制現場總線，將PLC、遠程I/O、各機構變頻器、觸摸屏聯結起來，減少電纜投資，減少接線和維護工作量，減少故障點。　■遠程I/O和觸摸屏安裝于司機室。接受操作人員的指令，顯示系統各種工況信息，以利于操作人員監視、操作和方便維護人員故障診斷與維修。■PLC安裝于控制柜內。接收現場檢測器件的狀態信息、變頻器等狀態信息，控制系統運行。■PLC控制柜、變頻控制柜，以及電阻制動柜安放在大梁上。4、應當注意的問題4.1環境條件起重機的工作環境一般都比較差：導電粉塵、水濺、腐蝕性氣體、環境溫度高，有些情況海拔高度高等。無論是PLC、還是變頻器，都受環境溫度和海拔高度的影響比較大。因此必須嚴格按照相關使用條件使用，且考慮柜體的防護等級和通風散熱方式。4.2旋轉編碼器建議起升機構使用旋轉編碼器。一是作速度反饋用；二是作檢測控制用。很多用戶認為變頻器的調速精度高，以起重機對速度的精度要求不高為由，為節省費用、減小維護工作量往往不使用旋轉編碼器。這是認識上的誤區。實際上，編碼器是用來提高低速情況下電動機模型的速度和轉矩計算精度，保證轉矩驗證、開閉閘等功能，進而保證系統安全和防止溜鉤。4.3抗干擾措施變頻器的使用，不可避免的會帶來一些干擾。因此必須采取一些合理的抗干擾措施，比如PLC和變頻器的安裝、電纜走線，應充分考慮系統的EMC兼容性。5、系統改造后的效果根據改造后設備的運行情況以及用戶的反饋信息，有以下幾個特點：5.1系統啟、制動快速（相對于非DTC控制模式的變頻器）而且啟動過程平穩（可以明顯感覺到）。5.2故障率大為降低，維護工作量大為減少。用戶反映：多年以來，運行穩定、可靠；操作簡單靈活；生產率比以前大為提高。5.3安全性明顯提高。有一次維護人員錯誤短接了起升機構的限位開關，操作人員操作失誤造成起升機構過卷，系統產生制動保護，避免了事故發生。5.4系統維護方便。因為提供了完善、詳細的系統運行狀態信息和故障信息而使故障診斷變得十分容易，使維護工作簡單快捷。5.5沒有出現過溜鉤現象。三、結論起重機行業采用變頻器調速系統，不僅能滿足起重機工藝要求，而且克服了傳統調速系統存在的問題。同時可以通過變頻器參數設置很多種保護功能，使系統保護更加完備。變頻調速系統的改造，一次性的成本投入是比較大的。但從節能、提高生產率、降低使用成本、提高安全性等方面來看，也就是說綜合考慮性能、價格、經濟等因數，是值得的。為了降低一次性的投入，據我們多年的經驗，可以采取如下措施：1、非位能性負載機構如大車、小車，可以采用一臺變頻器驅動兩臺電機；2、變頻器的選型要適當；3、可以考慮利用原來的繞線式電機或者僅更換起升機構的電機為變頻電機；4、可以不用PLC和現場總線。