◎ 陳俊宏

（廣東省儲(chǔ)備糧管理總公司東莞直屬庫(kù)，廣東 東莞 523143）

門座式起重機(jī)是港口碼頭前沿裝卸一般件雜貨、吊鉤和抓斗兩用的設(shè)備，它可以在工作范圍內(nèi)作起升、變幅、回轉(zhuǎn)的單獨(dú)或聯(lián)合動(dòng)作，操作方便、動(dòng)作靈活，工作效率高，在港口生產(chǎn)中得以普遍應(yīng)用。廣東省儲(chǔ)備糧管理總公司東莞直屬庫(kù)省糧碼頭（以下簡(jiǎn)稱省糧碼頭）使用的門座起重機(jī)為江蘇鼎盛重工有限公司制造，主要包括行走機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、起升結(jié)構(gòu)、變幅結(jié)構(gòu)四大動(dòng)作機(jī)構(gòu)，均采用西門子300PLC+S120系列變頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。

1 門機(jī)電氣控制系統(tǒng)

以省糧碼頭變頻機(jī)型為例，控制系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行邏輯運(yùn)算，不同于老式常規(guī)的繼電器控制，PLC控制反應(yīng)速度快、噪聲低、能耗小、體積小、功能強(qiáng)大及編程方便，可以根據(jù)設(shè)備所要實(shí)現(xiàn)的功能修改程序，達(dá)到想要的效果。調(diào)速系統(tǒng)采用變頻器進(jìn)行，搭配編碼器進(jìn)行矢量運(yùn)算，形成閉環(huán)調(diào)節(jié)。這種控制方式精度高，能達(dá)到良好的控制性能。除此之外，門機(jī)上的輔助安全作業(yè)系統(tǒng)如負(fù)荷稱重系統(tǒng)、煙霧報(bào)警系統(tǒng)等也集成于整個(gè)電氣控制系統(tǒng)之中，保證了港機(jī)設(shè)備作業(yè)穩(wěn)定，安全可靠。

1.1 主令控制器

主令控制器一般由觸頭系統(tǒng)、操作機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)軸、齒輪減速機(jī)構(gòu)、凸輪和外殼等幾部分組成[1]；觸點(diǎn)容量大，操縱檔位也較多；其動(dòng)作原理是靠凸輪來(lái)控制觸頭系統(tǒng)的關(guān)合。

1.2 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller， PLC）是一種具有微處理器的用于自動(dòng)化控制的數(shù)字運(yùn)算控制器，可以將控制指令隨時(shí)載入內(nèi)存進(jìn)行儲(chǔ)存與執(zhí)行?？删幊炭刂破饔蒀PU、指令及數(shù)據(jù)內(nèi)存、輸入/輸出接口、電源及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換等功能單元組成，其工作過程一般分為3個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個(gè)階段[2]。完成上述3個(gè)階段為一個(gè)掃描周期，在整個(gè)運(yùn)行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個(gè)階段。

1.3 變頻器

變頻器是一種應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備，主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元及檢測(cè)單元微處理單元等組成[3]。變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT的開斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。

1.4 電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)主要包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分，是一種將轉(zhuǎn)子置于定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，在磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的作用下轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流與磁場(chǎng)作用感應(yīng)產(chǎn)生力矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。

1.5 編碼器

編碼器是一種將信號(hào)（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。編碼器把角位移（碼盤）或直線位移（碼尺）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，按工作原理不同可分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器[4]。其中，增量式編碼器首先將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖，最后用脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)表示位移的大??；絕對(duì)式編碼器的每個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，其最終結(jié)果只與測(cè)量的起點(diǎn)和終點(diǎn)有關(guān)，與其中間過程無(wú)關(guān)。

2 門機(jī)電控中的編碼器問題

2.1 變頻器閉環(huán)控制環(huán)節(jié)

閉環(huán)控制系統(tǒng)，即根據(jù)控制系統(tǒng)輸出變化信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，通過比較反饋信息與輸入信息，再將兩者比較的結(jié)果反饋至系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，進(jìn)而避免系統(tǒng)偏離設(shè)定預(yù)期。同理，變頻閉環(huán)控制是指變頻器利用一定方法或裝置反饋的信息與輸出值進(jìn)行對(duì)比、運(yùn)算，使變頻器輸出結(jié)果貼近精確的設(shè)定值。一般來(lái)說，變頻器控制電機(jī)有3種閉環(huán)反饋方式，第一種是霍爾傳感器，第二種是利用線圈旋轉(zhuǎn)時(shí)的自感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)，第三種是旋轉(zhuǎn)編碼器，前兩種速度精度低，在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)十分難辨別，而帶編碼器的閉環(huán)控制恰恰彌補(bǔ)了前二者的缺陷。此外，在西門子S120、G120系列變頻器中，帶編碼器的矢量控制和無(wú)編碼器的矢量控制最大的區(qū)別是在于速度閉環(huán)控制時(shí)，速度反饋的來(lái)源不同。帶編碼器時(shí)為編碼器的實(shí)測(cè)值，不帶編碼器時(shí)為內(nèi)部模型的速度預(yù)估值[5]。

2.2 編碼器常見故障

在碼頭粉塵大、煙霧多等惡劣的環(huán)境下，傳感器、控制器等較精密設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行十分受影響，也就間接影響到涉及的相關(guān)閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以編碼器來(lái)說，一般有以下幾種常見故障。①元器件故障，因自身?yè)p壞，不能正常輸出波形。②電源故障，編碼器通常為DC 5 V，一般不低于DC 4.75V，可能電源出現(xiàn)問題或電纜過長(zhǎng)線阻過大。③位置故障，編碼器未與電機(jī)轉(zhuǎn)軸同心，影響信號(hào)的采集，導(dǎo)致輸出波形錯(cuò)誤或偏差過大。一般安裝時(shí)要與轉(zhuǎn)軸良好對(duì)中，防止運(yùn)行間松動(dòng)特別是門機(jī)振動(dòng)頻繁的運(yùn)行環(huán)境下。④信號(hào)故障，因通信電纜存在斷路、短路等接觸不良及光柵污染（粉塵環(huán)境尤甚）或屏蔽層沒有良好接地出現(xiàn)干擾。一般來(lái)說，這類故障較上述其他項(xiàng)出現(xiàn)頻次更高。

2.3 編碼器連接

對(duì)于通信控制電纜的檢查維護(hù)，技術(shù)維護(hù)人員不應(yīng)忽視，定期進(jìn)行電氣端子緊固并檢查是否存在短路斷路的地方，保持與檢查動(dòng)力電同頻次或更高。一般而言，編碼器有8根導(dǎo)線，其中2根為供電電源線，另外6根為3組兩相脈沖信號(hào)線，即A相、B相、Z相，其中AB相是正交互差90°信號(hào)，Z相是零脈沖信號(hào)（辨識(shí)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)或行走距離，可根據(jù)實(shí)際工況需求接線）。此外，不同品牌的變頻器在接線上也有各自的要求，以省糧碼頭門機(jī)變頻器S120為例，西門子公司在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中專門設(shè)計(jì)了帶DRIVE-CLiQ電纜通信接口的電動(dòng)機(jī)和編碼器，而不帶此接口的電動(dòng)機(jī)、編碼器則需要通過編碼器模塊，即SMC（機(jī)柜式編碼器模塊）或SME（機(jī)柜外部編碼器模塊）進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，再連接到變頻器的電動(dòng)機(jī)模塊當(dāng)中。上位機(jī)配置系統(tǒng)時(shí)，也需十分注意組態(tài)中編碼器的類別選型、參數(shù)設(shè)置，這將直接影響調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.4 屏蔽層接地

因編碼器信號(hào)屬于中高頻電磁波信號(hào)，加之處于港口特殊的作業(yè)環(huán)境，這就意味著通信傳輸類故障是港機(jī)電氣系統(tǒng)中編碼器出現(xiàn)頻率最高的，這其中一大部分就涉及到屏蔽層的接地問題。以S120、G120等系列為例，設(shè)備連接規(guī)范中指出在編碼器屏蔽層雙端需要大面積連接到金屬導(dǎo)體，即屏蔽層雙端接地，但這種接線方式極易受環(huán)境影響，當(dāng)發(fā)生兩地電位不等的情況，產(chǎn)生的環(huán)流干擾信號(hào)采集與傳輸，這就十分考驗(yàn)實(shí)際工程中系統(tǒng)EMC、EMI是否達(dá)標(biāo)了。另一種常見方式為屏蔽層單端接地，即一端的屏蔽層進(jìn)行接地，另一端懸空不接地或保護(hù)接地。單端接地在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)運(yùn)用比較多，因?yàn)榫嚯x較長(zhǎng)時(shí)所測(cè)量的數(shù)據(jù)極易受到干擾，造成誤差，所以在需外加中間信號(hào)電纜駁接時(shí)，只在接收端的屏蔽層進(jìn)行 接地。

3 故障發(fā)生情況

2021年5月10日下午15:21，門機(jī)司機(jī)反饋在門機(jī)裝船作業(yè)進(jìn)行擺幅操作時(shí)，頻繁出現(xiàn)變幅停機(jī)故障。為防止出現(xiàn)高空撒落等安全隱患，門機(jī)停止作業(yè)。15:40，技術(shù)人員趕到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處置，根據(jù)司機(jī)室觸摸屏反饋?zhàn)兎冾l器故障情況，打開電柜變頻器面板顯示F31118故障代碼。查閱S120故障手冊(cè)，故障代碼顯示原因?yàn)榫幋a器轉(zhuǎn)速差值超出公差。根據(jù)故障手冊(cè)及維修經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)人員首先查看電柜側(cè)編碼器信號(hào)線接線正常；隨后打開電機(jī)風(fēng)機(jī)罩子，查看位于轉(zhuǎn)軸末端的編碼器機(jī)械連接正常，信號(hào)線無(wú)碰殼，緊固正常。隨后打開下位機(jī)starter軟件進(jìn)行軌跡波形錄制對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在出幅和收幅動(dòng)作都不定時(shí)出現(xiàn)波形偏差超出故障閾值觸發(fā)故障。根據(jù)波形判斷，可能存在通信線路干擾的地方，隨后對(duì)整個(gè)通信線路進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)在SMC30模塊接收端一處接地電纜側(cè)存在斷纜虛接情況。對(duì)其進(jìn)行修復(fù)后再次運(yùn)轉(zhuǎn)半小時(shí)以上錄制波形監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)故障不再發(fā)生，問題得以解決。

4 故障分析

4.1 故障發(fā)生原理

在帶有編碼器反饋的速度閉環(huán)控制下，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，位于電機(jī)轉(zhuǎn)軸處的編碼器采集轉(zhuǎn)速處理成電信號(hào)發(fā)送至SMC30處理單元，隨后傳送至變頻器驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)單元對(duì)采集信號(hào)與此刻主令控制器操縱的檔位對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)公差大于驅(qū)動(dòng)單元專家列表參數(shù)P0492值時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元輸出故障信號(hào)，切斷使能信號(hào)，PLC輸出信號(hào)進(jìn)行電機(jī)剎車抱閘，中止作業(yè)。

4.2 故障發(fā)生原因

在糧食碼頭惡劣的環(huán)境下，隨著作業(yè)時(shí)長(zhǎng)的累積，通信線纜會(huì)因門機(jī)震動(dòng)、鼠蟲撕咬等出現(xiàn)松動(dòng)或斷纜的情況。當(dāng)編碼器屏蔽層沒有良好接地時(shí)，信號(hào)干擾就會(huì)隨之出現(xiàn)。

5 改進(jìn)方案

（1）考慮到碼頭特殊工況環(huán)境及門機(jī)時(shí)常震動(dòng)的運(yùn)行特點(diǎn)，應(yīng)定期維護(hù)檢查通訊、控制線路特別是屏蔽層，避免出現(xiàn)接地不良導(dǎo)致的通訊故障。

（2）針對(duì)雙端接地可能存在電壓差等不穩(wěn)定性，可以改用單端接地，效果良好。

（3）針對(duì)頻繁出現(xiàn)的電磁干擾（錄制的波形毛刺較多），必要時(shí)可以通過動(dòng)力線與雙絞線分開布局、軟硬件手段進(jìn)行噪聲濾波、光電耦合隔離等方法進(jìn)行抑制。

（4）適當(dāng)?shù)靥岣逷0492閾值，過高則影響控制精度。

（5）以省糧碼頭為例，針對(duì)進(jìn)口編碼器供貨周期久的情況，可提前供貨備件，降低因備件故障導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著省糧東莞庫(kù)百萬(wàn)噸倉(cāng)容投產(chǎn)，碼頭裝卸業(yè)務(wù)量也隨之達(dá)到前所未有的高峰。因此門機(jī)的利用率呈現(xiàn)跨越式提升，而如何減少故障率、保證裝卸的效率，就十分考驗(yàn)技術(shù)人員平時(shí)的維保功力以及應(yīng)急排故水平。通過此次S120變頻器故障反饋，以編碼器信號(hào)屏蔽層問題為例進(jìn)而引申到港口電氣設(shè)備其他方面的保養(yǎng)維護(hù)，技術(shù)人員應(yīng)針對(duì)一些故障頻發(fā)部位、關(guān)鍵核心部位進(jìn)行定期專項(xiàng)性保養(yǎng)檢查，結(jié)合規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)梳理一套指導(dǎo)流程，及時(shí)備好易損器件，有效降低港機(jī)故障發(fā)生率，保障港口生產(chǎn)效益。