陸俊杰 陳葉華 王 飛

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海）

一、系統(tǒng)的組成及原理

1.龍門起重機(jī)PLC控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

船塢用的兩臺(tái)600t龍門起重機(jī)，跨距187m，上、下小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，大車剛、柔性腿運(yùn)行機(jī)構(gòu)等與電氣房的中央處理器距離較遠(yuǎn)，因此在以上4個(gè)機(jī)構(gòu)中設(shè)置遠(yuǎn)程子站，通過網(wǎng)絡(luò)連接可以節(jié)省大量現(xiàn)場布線，另外PLC系統(tǒng)通過通信方式控制變頻器，實(shí)現(xiàn)了對變頻器的全面控制，同時(shí)PLC系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了最大限度的讀取變頻器的內(nèi)部狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)上配置工控機(jī)和觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)對整機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)控和故障查詢，另外通過遠(yuǎn)程監(jiān)控（此功能正在建設(shè)中），對設(shè)備運(yùn)行工時(shí)，包括復(fù)雜故障等進(jìn)行監(jiān)視與保存，設(shè)備運(yùn)行效率和安全性提高。

2.600t龍門起重機(jī)PLC系統(tǒng)主要功能

（1）龍門起重機(jī)各機(jī)構(gòu)保護(hù)信號(hào)和操作命令采集，電氣室內(nèi)各機(jī)構(gòu)控制柜的斷路器、接觸器、熔斷器、空氣開關(guān)等及其輔助點(diǎn)輸入到PLC主從站內(nèi)，采集各機(jī)構(gòu)保護(hù)信號(hào)，司機(jī)室內(nèi)聯(lián)動(dòng)臺(tái)上按鈕，操作手柄輸入到PLC司機(jī)室從站內(nèi)，采集操作命令。

（2）龍門起重機(jī)邏輯控制，分布式遠(yuǎn)程控制站收集信號(hào)反饋給主站PLC，經(jīng)過主站PLC邏輯控制，PLC通過總線實(shí)現(xiàn)起升、小車、大車變頻器的頻率給定做到起動(dòng)、停止、速度變化等。如位置信息通過變頻器RTAC模塊采集各機(jī)構(gòu)內(nèi)的增量型編碼器的數(shù)據(jù)后進(jìn)行通信，PLC再進(jìn)行邏輯處理，及時(shí)停止機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）通過OPC SEVER與PLC進(jìn)行即時(shí)通信，司機(jī)室人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)顯示及故障報(bào)警。從觸摸屏上司機(jī)可以方便地通過CMS觀察系統(tǒng)概況、各機(jī)構(gòu)狀況，歷史故障，營運(yùn)時(shí)間等，使司機(jī)簡單操作便可觀察整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，維修人員迅速排除不易發(fā)現(xiàn)的故障。

（4）采用AC800M中央控制處理器。AC800M控制器硬件平臺(tái)由CPU、通信模塊、電源模塊和各種附件組成。電源模塊采用SB812電源模板，作為AC800M處理的應(yīng)急電源，提供一段時(shí)間的24V電源供電，防止程序丟失。AC800M控制器每個(gè)CPU模塊分別配備有兩個(gè)以太網(wǎng)端口，用于與其他控制器進(jìn)行通信，并且與司機(jī)、工程師、管理人員和更高層次的應(yīng)用進(jìn)行交互。AC800M控制器通過安裝Control Builder編程組態(tài)軟件來進(jìn)行項(xiàng)目應(yīng)用的創(chuàng)建以及程序編程組態(tài)。

（5）AC800M通信模塊采用CI854A通信接口模塊，通過PROFIBUS協(xié)議，為CPU即時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖1 AC800M控制器及I/O接口模件

（6）輸入／輸出模塊。龍門起重機(jī)控制系統(tǒng)的DI約400點(diǎn)，用于繼電器、電機(jī)、LED燈等，輸出的DO約120點(diǎn)，AI/AO點(diǎn)約20 點(diǎn)，使用模塊種類較多，DI803、DI801、DO801、DO802、AI801及AO801等輸入/輸出模塊均有使用。

3.龍門起重機(jī)各子站通信模式

因600t龍門起重機(jī)的機(jī)構(gòu)較多，體積龐大，于是在距離主站比較遠(yuǎn)的幾個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)置遠(yuǎn)程子站。遠(yuǎn)程子站包括上、下小車、大車剛性腿、大車柔性腿與操作室遠(yuǎn)程子站。由于遠(yuǎn)程子站較遠(yuǎn)，干擾源較多而且不確定，直接用PROFIBUS通信會(huì)產(chǎn)生較大干擾，因此PLC系統(tǒng)主站和遠(yuǎn)程子站之間采用光纜連接，主站設(shè)置了光纖鏈路模塊OLM，通過光電轉(zhuǎn)換后達(dá)到穩(wěn)定可靠的通信。

4.兩機(jī)通信

600t龍門起重機(jī)現(xiàn)場使用中，有時(shí)需要兩機(jī)抬吊特殊分段，為避免兩機(jī)相距過近引發(fā)事故，兩機(jī)通過各自高壓卷筒內(nèi)電纜的光纖形成的鏈路，將起重機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的即時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換和判斷，當(dāng)兩機(jī)小于安全距離時(shí)及時(shí)減速、報(bào)警甚至停車，避免意外發(fā)生。

5.傳動(dòng)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

變頻器在龍門起重機(jī)中是以一個(gè)子系統(tǒng)的角色進(jìn)入整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)行的。如圖2所示的反饋控制系統(tǒng)中，變頻器和電機(jī)一起作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，并和傳感器及被控對象共同構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)整體。

600t龍門起重機(jī)變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）系統(tǒng)，這種控制依賴與精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別（ID RUN）。在調(diào)試電機(jī)時(shí)，將電機(jī)的相關(guān)參數(shù)輸入至變頻器中，通過ID RUN自動(dòng)確定電機(jī)實(shí)際的定子阻抗互感、飽和參數(shù)、電機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電機(jī)模型估算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈和轉(zhuǎn)子速度，對電機(jī)進(jìn)行精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制。

圖2 控制系統(tǒng)原理

二、維護(hù)保養(yǎng)

龍門起重機(jī)在使用過程中，由于工作條件及環(huán)境條件等因素對設(shè)備的作用，致使龍門起重機(jī)在設(shè)計(jì)制造時(shí)所確定的工作性能不斷降低。為了延緩龍門起重機(jī)劣化過程和減少故障的發(fā)生，除需具有熟練技術(shù)的司機(jī)正確操作與合理使用外，還要對龍門起重機(jī)進(jìn)行清掃、維護(hù)、檢查、調(diào)整、更換零部件、狀態(tài)檢測和診斷等工作，同時(shí)還應(yīng)制定操作規(guī)程和管理制度并貫徹執(zhí)行，做好檢查、維修記錄，對積累的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探索故障的發(fā)生規(guī)律，以采取有效措施控制故障的發(fā)生，保持龍門起重機(jī)的狀態(tài)良好。

1.傳動(dòng)的預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)

變頻器是龍門起重機(jī)重要的驅(qū)動(dòng)和控制設(shè)備，變頻器能否可靠運(yùn)行成為設(shè)備保養(yǎng)、降低故障停機(jī)時(shí)間的重點(diǎn)。要確保變頻器可靠連續(xù)地運(yùn)行，關(guān)鍵在于日常預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)。

變頻器對周圍的環(huán)境要求相對較高，周圍溫度過高會(huì)導(dǎo)致變頻器過熱報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致變頻器功率器件損壞、電路短路；周圍溫度過低會(huì)導(dǎo)致變頻器排放的熱空氣冷凝成水珠，對變頻器的內(nèi)部造成隱患；同樣空氣過于潮濕會(huì)導(dǎo)致變頻器內(nèi)部直接短路。

變頻器運(yùn)行時(shí)要注意其冷卻系統(tǒng)是否正常，風(fēng)道排風(fēng)是否流暢，風(fēng)機(jī)是否有異常聲音。變頻器溫度太高且溫度變化較大時(shí)，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，其絕緣性能就會(huì)大大降低，電子元器件壽命縮短，甚至可能引發(fā)短路事故。因此變頻器風(fēng)扇的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與否是至關(guān)重要的。變頻器風(fēng)扇在運(yùn)轉(zhuǎn)過程的能量損耗轉(zhuǎn)化為熱量，加上持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)潤滑油老化等問題，容易使風(fēng)扇老化，需經(jīng)常檢查風(fēng)扇是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

變頻器電容方面，一般觸發(fā)板AGDR電容壽命廠方指導(dǎo)約為9年，直流大電解電容壽命廠方指導(dǎo)約為11.4年。值得一提的是，在變頻器實(shí)際使用過程中，不能單純按照廠方指導(dǎo)時(shí)間進(jìn)行保養(yǎng)，在每次預(yù)防性保養(yǎng)中應(yīng)檢查電容是否漏液、鼓包等，定期評估或更換。公司所用的一臺(tái)600t龍門起重機(jī)在第5年左右的時(shí)間段里，變頻器先后發(fā)生兩次炸機(jī)，均由直流大電解電容漏液引起。因此在變頻器維保過程中，對其余4臺(tái)600t龍門起重機(jī)中的直流大電解電容立即進(jìn)行了更換，對換下來電容進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)較多電容出現(xiàn)鼓包，部分嚴(yán)重的已經(jīng)開始漏液。

在對變頻器做定期預(yù)防性保養(yǎng)時(shí)，需清除變頻器內(nèi)部和風(fēng)路內(nèi)的積灰、臟物，并將變頻器表面擦拭干凈。在保養(yǎng)的同時(shí)要仔細(xì)檢查變頻器，查看變頻器內(nèi)有無發(fā)熱變色部位，充電電阻有無開裂現(xiàn)象，電解電容有無膨脹漏液、防爆孔突出等現(xiàn)象，PCB板有否異常，有沒有發(fā)熱燒黃部位。檢查螺釘、螺栓以及即插件等是否松動(dòng)，輸入輸出電抗器的對地及相間電阻是否有短路現(xiàn)象，正常應(yīng)大于幾十兆歐。導(dǎo)體及絕緣體是否有腐蝕現(xiàn)象，如有，應(yīng)及時(shí)用酒精擦拭干凈。在條件允許的情況下，要用示波器測量開關(guān)電源輸出各電路電壓的平穩(wěn)性。測量驅(qū)動(dòng)器電路各路波形的方法是否有畸變，U、V、W相間波形是否為正弦波，接觸器的觸點(diǎn)是否有打火痕跡，如果碳化較輕，應(yīng)用砂紙磨去表面的碳化層，嚴(yán)重的要更換同型號(hào)或大于原容量的新品。確認(rèn)控制電壓的正確性，進(jìn)行順序保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)。確認(rèn)保護(hù)顯示回路無異常。確認(rèn)變頻器在單獨(dú)運(yùn)行時(shí)輸出電壓的平衡度。為防止RDCU等模塊突發(fā)性的損壞，應(yīng)對變頻器的參數(shù)及時(shí)保存，在備配件齊備的情況下將迅速更換上新的模塊，將停車的時(shí)間減少到最小。

2.控制系統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)

（1）PLC系統(tǒng)。對PLC模塊進(jìn)行檢查與清潔，測試PLC電池電壓是否正常。檢查I/O控制系統(tǒng)模塊應(yīng)無局部發(fā)熱情況，外觀無損壞，模塊狀態(tài)良好，控制模塊無松動(dòng)，母板卡軌牢固。檢查硬件模塊的LED燈顯示狀態(tài)，報(bào)警燈正常動(dòng)作，主要針對模擬量模塊和數(shù)字量模塊分別檢查。

（2）稱重系統(tǒng)。測試稱重系統(tǒng)功能，包括傳感器信號(hào)測量，稱重傳感器的校準(zhǔn)及過載保護(hù)設(shè)定，測試傳感器的功能性正常。

（3）安全保護(hù)回路。測試包括防誤起裝置，控制復(fù)位線路，試驗(yàn)應(yīng)急停機(jī)，超行程，糾偏限位及防撞限位等的動(dòng)作，核實(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)相對應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作是否正確。安全保護(hù)回路功能性正常。正常停止是靠軟件停止，在停止位置應(yīng)距離硬件停止限位有2cm以上的距離，在碰到極限限位時(shí)打極限旁路開關(guān)可反向慢速退出，不打旁路機(jī)構(gòu)應(yīng)不能動(dòng)作，在外部急停開關(guān)動(dòng)作需要馬上斷開控制回路，所有機(jī)構(gòu)不能動(dòng)作。

圖3 起升制動(dòng)器力矩驗(yàn)證正常曲線

（4）外部安全互鎖回路。測試包括制動(dòng)器故障和電機(jī)過溫等故障模擬，校驗(yàn)控制系統(tǒng)的連鎖是否正確。在制動(dòng)器一個(gè)或多個(gè)限位失靈或手動(dòng)打開后，操作手柄后機(jī)構(gòu)是否動(dòng)作，在減速設(shè)定位置未檢測到減速開關(guān)，CMS是否報(bào)位置檢測故障，電機(jī)過溫故障后機(jī)構(gòu)是否動(dòng)作。另外還有檢查電機(jī)的編碼器軸聯(lián)接是否運(yùn)行平穩(wěn)，超速開關(guān)是否動(dòng)作正常，外置強(qiáng)制風(fēng)冷的風(fēng)機(jī)電機(jī)三相電流是否平衡，風(fēng)向是否正確等。

（5）上電測試。在預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)中，同樣還要對系統(tǒng)進(jìn)行上電測試，包括空載和重載經(jīng)行測試，將傳動(dòng)曲線記錄備份，起升的制動(dòng)器安全評估測試，對龍門起重機(jī)在起吊物體和制動(dòng)的時(shí)候進(jìn)行一次全面的體檢。圖3為起升部分單制動(dòng)器力矩達(dá)到150%時(shí)，電壓、電流、力矩以及速度給定、反饋等信息，觀測速度反饋值是否跟隨速度給定值，從而確定制動(dòng)系統(tǒng)是否工作正常，判斷重載時(shí)是否會(huì)發(fā)生溜鉤現(xiàn)象。

三、總結(jié)

通過連續(xù)幾年進(jìn)行故障分析，龍門起重機(jī)有33%為可發(fā)現(xiàn)故障，25%為預(yù)見的故障，5%為定期故障，33%一直運(yùn)行至失效，另外4%是失效需重新設(shè)計(jì)的。隨著維修成本的提高和因故障停機(jī)對老化設(shè)備性能的影響日趨嚴(yán)重，定期、針對的做好預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)，可避免絕大部分故障的發(fā)生，可以盡可能地縮減維修范圍和維修程序，使龍門起重機(jī)故障率維持在一個(gè)較為理想的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)維修的精益化。