經(jīng)德利

（新疆油田公司物資供應(yīng)總公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

2 臺50 t/15 t-30 m 門式起重機屬于2002 年設(shè)計產(chǎn)品，所有控制方式為繼電器邏輯控制。由于繼電器邏輯控制可靠性差故障率高、設(shè)備控制不靈活、耗能大、整機行走啟動及停車時出現(xiàn)搖擺現(xiàn)象等缺點，目前已逐漸被淘汰，提出使用可靠性高、抗干擾能力強、維修方便的PLC 為控制單元核心，取代繼電器邏輯控制單元，其改造涉及費用遠(yuǎn)低于更換新設(shè)備的費用，并能達(dá)到提升設(shè)備整體性能指標(biāo)確保設(shè)備本質(zhì)安全的目標(biāo)。

1 設(shè)備系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)狀及缺點

（1）構(gòu)成現(xiàn)狀。3#起重機主鉤驅(qū)動電機型號YZR315M-10，功率75 kW；副鉤驅(qū)動電機型號YZR225M-8，功率33 kW；大車驅(qū)動電機型號YZR180L-8，功率11 kW，共計4 臺；小車驅(qū)動電機型號YZR160M-6，功率7.5 kW。2#起重機主鉤驅(qū)動電機型號YZR280M-10，功率45 kW；副鉤驅(qū)動電機型號YZR225M-8，功率33 kW；大車驅(qū)動電機型號YZR180L-8，功率11 kW，共計4 臺；小車驅(qū)動電機型號YZR160M-6，功率7.5 kW。

（2）主要缺點。2 臺起重機電機為接觸器控制系統(tǒng)和串電阻分段控制電機，設(shè)備運行時通過繼電器和接觸器頻繁動作來實現(xiàn)所控制設(shè)備的運行，造成接觸器觸頭粘連、燒蝕現(xiàn)象時有發(fā)生。由于電機轉(zhuǎn)子串多級電阻及定子調(diào)壓方式，使用過程中都是慣性負(fù)載致使設(shè)備工作沖擊大使設(shè)備壽命縮短。因使用線繞式電機，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，轉(zhuǎn)子繞組和集電環(huán)、電刷裝置容易出現(xiàn)故障，且轉(zhuǎn)子需外接電路和電阻設(shè)備造成電機功耗大，增加維修工作量。驅(qū)動電機啟動為接觸器全載啟動，起動電流大，對電網(wǎng)沖擊大。進(jìn)行機械制動時，制動瓦磨損嚴(yán)重。

1.2 機械控制系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)狀及缺點

大車減速機型號為ZSCA800-62.5-1，是三級傳動漸開線圓柱齒輪減速機，高速軸轉(zhuǎn)速不超過1500 r/min，可正反運轉(zhuǎn)，工作環(huán)境溫度為-40～40 ℃，重約866 kg，中心距為350 mm，中心高為400 mm，高速輸入軸直徑為50 mm，帶1∶10 的錐度，空心軸鍵數(shù)有2 個。制動器為分立抱閘機構(gòu)，行走啟動及停止時沖擊慣性大，抱閘調(diào)整過緊過松都不利于安全行駛。減速機密封漏油及內(nèi)部齒輪時有損壞，減速機幾乎每年一次維修，造成維修費用居高不下。

2 改造設(shè)備控制系統(tǒng)的選型與控制實現(xiàn)

總體設(shè)計思路，各電氣保護(hù)控制及動作執(zhí)行控制繼電器改由PLC 控制。主鉤、副鉤、小車、大車電機接觸器控制改為變頻調(diào)速控制，更換大車行走電機及減速器（圖1）。整個系統(tǒng)電機執(zhí)行部分由7 臺電機構(gòu)成，大車由4 臺電機同時拖動運行，主鉤、副鉤、小車各1 臺電機予以保留，所以共計配置4 臺變頻器傳動，由可編程控制器PLC 控制完成各項指令操作。

圖1 改造系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.1 PLC 選型及控制

本按例選擇S7-300可編程控制器，S7-300 是德國西門子公司生產(chǎn)的PLC 系列產(chǎn)品之一，采用可編程序的存儲器存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械生產(chǎn)過程。

依據(jù)現(xiàn)有設(shè)備及線路，結(jié)合PLC 功能及I/O 點繪制電氣控制原理圖，設(shè)計PLC 控制程序梯形圖，滿足系統(tǒng)控制的功能和要求（圖2）。主要設(shè)計完成對起重機各主令電器操作輸入的檢測，安全扶梯安全門、司機室門、配電室門、夾軌器限位、地錨限位開關(guān)的檢測，以及變頻器反饋數(shù)據(jù)值檢測等；控制大車、小車電機的運行方向、停止、加速及減速，實現(xiàn)前后運輸?shù)男枰豢刂浦?、副鉤電機的運行方向、停止、加速及減速，實現(xiàn)吊裝貨物起重升降作業(yè)。

圖2 PLC 功能框圖

2.2 變頻器選型及控制

本系統(tǒng)選用安川CH700 系列起重機專用變頻器，具有較強控制性能和過載能力，帶搖擺及斜行防止功能。用戶可按推薦值合理選擇容量值，不用再涉及繁雜的設(shè)計計算?？紤]到電源電壓波動因素及需通過125%超載試驗要求等因素，起升機構(gòu)平均起動轉(zhuǎn)矩為額定力矩值的1.3～1.6 倍，其最大轉(zhuǎn)矩必須有1.8～2倍的負(fù)載力矩值。本案例實際選型考慮新疆的高溫及寒冷天氣環(huán)境因素功率均放大一級。

（1）主起升變頻器。3#起重機主鉤驅(qū)動電機型號YZR315M-10，功率75 kW，選擇CH70B4180 型號變頻器。2#起重機主鉤驅(qū)動電機型號YZR280M-10，功率45 kW，選擇CH70B4112 型號變頻器。

（2）副起升變頻器。3#、2#起重機副鉤驅(qū)動電機型號YZR225M-8，功率33 kW，選擇CH70B4075 型號變頻器。

（3）小車行走變頻器。3#、2#起重機小車驅(qū)動電機型號YZR160M-6，功率7.5 kW，選擇CH70B4024 型號變頻器。

（4）大車行走變頻器。因3#、2#起重機大車驅(qū)動電機及減速器更換，重新選擇電機型號YEPB132M-4B5-191028，功率7.5 kW，4 臺功率合計為30 kW，選擇CH70B4075 型號變頻器。

電氣設(shè)計確保制動器由接觸器控制與變頻器控制同步，提前會造成自動卸鉤，滯后會造成變頻器保護(hù)。

2.3 主、副鉤及小車電機改造

由于主、副鉤及小車電機為YZR 系列繞線式電機，暫載率40%，通過變頻控制就需要進(jìn)行電機改造：將電機的轉(zhuǎn)子引線拆開，不經(jīng)過碳刷直接短接，固定牢固，做好絕緣處理；繞線式異步電機為變頻控制時，通過改變頻率的控制可使電機獲得很好的平滑調(diào)速性和有足夠剛度的機械特性，避免了由于繞線式電機串電阻，使轉(zhuǎn)差率增大帶來的電機損耗，起到節(jié)能的目的（圖3）。

圖3 繞線式電機改造

在主、副鉤及小車電機一側(cè)加 裝 GFDD -590-120 恒流式冷卻風(fēng)機，冷卻風(fēng)速 950 m/h，風(fēng)壓≥25 Pa，電壓380 V，功率60 W。整個風(fēng)機結(jié)構(gòu)合理、造型美觀，具有風(fēng)量大、噪聲小、溫升低、壽命長、運行平穩(wěn)、安裝方便等特點。

2.4 大車減速機選型及更換

大車原有減速機ZSCA800-62.5-1 拆除，電機及聯(lián)軸器拆除，選擇4 臺三合一電機驅(qū)動K 系列斜齒輪—螺旋錐齒輪減速機，其性能特點：①K 系列齒輪減速機是在模塊化組合體系的基礎(chǔ)上設(shè)計的，可以方便配用各種形式的電機，同種機型可配用各種功率的電機，容易實現(xiàn)各種機型之間的組合聯(lián)接；②傳動效率高，單機型減速機效率高達(dá)96%；③傳動比劃分細(xì)、范圍廣，組合機型可以形成較大的傳動比，輸出轉(zhuǎn)速低；④安裝方式可采取底腳安裝、空心軸安裝、空法蘭安裝、扭力臂安裝、小法蘭安裝等，形式多樣；⑤減速機運行平穩(wěn)噪聲低，體積小重量輕，使用壽命長，承載能力強，易于拆卸安裝。

根據(jù)K 系列設(shè)計手冊及設(shè)備功能要求，選擇KA108-89.68-M4 型號減速機，采用扭力臂安裝方式，滿足設(shè)備驅(qū)動要求。

2.5 大車行走負(fù)重輪的更換

因為原有減速機驅(qū)動與行走負(fù)重輪的連接軸帶1∶10 錐度，所以原行走負(fù)重輪連接軸不能使用，需要重新定制加工行走負(fù)重輪軸4 套，加工完成后更換原有負(fù)重輪軸，安裝完成后，軸另一端安裝三合一減速機（圖4）。

圖4 大車行走負(fù)重輪驅(qū)動軸

3 采取系統(tǒng)抗干擾措施方法

龍門吊應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場，吊裝作業(yè)時周邊有其他大型運行設(shè)備及固定設(shè)備，工作環(huán)境中易產(chǎn)生各種電磁干擾，新安裝的PLC 控制器及變頻器對使用環(huán)境要求高，電磁干擾對系統(tǒng)設(shè)備的正常運行存在嚴(yán)重影響，應(yīng)考慮PLC 的抗干擾措施。

（1）輸入、輸出信號使用帶屏蔽的硅膠多芯信號電纜。同段屏蔽線一端接地，另一端不接地，如有備用芯線也要一端接地可擴大屏蔽作用。抑制芯線間的信號串?dāng)_及外部干擾，大車上安裝的電力電纜與信號電纜、弱電電纜分開電纜橋架敷設(shè)。

（2）PLC 及盤柜增加一條獨立的接地線連接于主接地排中，其接地電阻應(yīng)小于10 Ω。PLC 的周邊500 mm 內(nèi)盡量不安裝接觸器及變壓器等容易產(chǎn)生電磁干擾的裝置，引至PLC盤柜的電纜要盡量遠(yuǎn)離那些會產(chǎn)生電磁干擾的裝置。

（3）630 kV·A 供電變壓器與龍門吊相距50 m，電網(wǎng)回路中接有并聯(lián)補償電容器。在電網(wǎng)中可能產(chǎn)生過峰值電容造成變頻器損壞，所以在變頻器電源進(jìn)線端加裝進(jìn)線交流電抗器，以抑制變頻器造成的高頻峰值電流或電容器開斷造成的峰值電流對變頻器的危害。有條件的在輸出端可選擇加裝電源輸出濾波器，最大程度降低變頻器對電網(wǎng)的諧波干擾。

4 改造變頻器調(diào)速及減速機技術(shù)實現(xiàn)后的優(yōu)點

（1）門式起重機電機采用變頻器驅(qū)動后，電機控制動作定位精確，吊運貨物平穩(wěn)，起吊及制動平滑，各電機在運行中加、減速時對整機的沖擊明顯減少，避免了負(fù)載變化時電機轉(zhuǎn)速也隨之變化的現(xiàn)象，提高了起升作業(yè)的生產(chǎn)率。

（2）主、副鉤及大、小車在制動時，由變頻器控制電機在低速時完成機械制動器動作，機械制動器的制動片磨損率大為減小，使用壽命延長后使維護(hù)保養(yǎng)費用大為降低。

（3）采用PLC 控制，繼電器控制線路大為減少，電氣控制節(jié)點大為減少，保護(hù)功能及使用功能可靠性大幅度提高，程序控制準(zhǔn)確性及功能完善性得到了充分保障。

（4）變頻器控制電機主回路為無觸點可控硅控制，變頻調(diào)速系統(tǒng)效率高損耗小，保護(hù)、監(jiān)測、自我故障診斷能力非常完善。

（5）大車更換新減速機后運行平穩(wěn)、噪聲低，減速機體積小重量輕、使用壽命長、承載能力強，避免了舊式減速機啟停沖擊大、制動器調(diào)整困難、滲漏油及頻繁檢修等情況發(fā)生。

5 結(jié)語

改造后的變頻器控制調(diào)速能耗低，工作效率及可靠性高，制動器磨損小，定位容易而且起停平滑，機械沖擊小，司機操控靈活方便，使老舊設(shè)備性能得到了大幅度提高，既節(jié)約了大量維修成本，又使設(shè)備本質(zhì)安全得到了充分保障。