当前起重机控制的现状及存在的问题

1、目前起重机控制的现状 据有关报道，国外发达国家的起重机，很多都采用变频调速系统控制。即使在发展中国家的比例也比较高。我国虽然近几年对传统的起重机控制系统进行了一些变频调速系统改造，并且很多起重机生产厂家开始采用变频调速系统，但绝大部分用户仍然使用传统的“绕线式电动机转子串电阻调速系统”方式（以下简称传统的调速系统）。 2、 传统的调速系统 存在的问题 2.1 传动性能差 传统的调速系统，虽然转子串接电阻实现了调速功能（也是有级的），但因为不能改变同步转速，致使传动系统机械特性很软，从而使速度的稳定性和调速精度很差。 而且大车通常有两台或四台甚至多台电动机驱动，更由于负载的变化、轨道的平整度、电动机参数的分散性等导致大梁扭动和行车上的电控设备的震动大，不但恶化了操作人员的工作环境容易疲劳导致操作失误，也降低了整个设备的使用寿命、稳定性、可靠性。 2.2 可靠性差 ◆接触器频繁分、合，尤其操作人员频繁靠反接制动来稳钩（接触器在大电流情况下频繁分、合），经常造成接触器触点的烧结和电阻烧毁。 ◆保护措施不完善，易发生电动机烧毁的现象。 ◆制动闸皮承受比较大的冲击，磨损严重，需要经常检修、更换。 ◆起重机的使用环境一般比较恶劣，并且绕线式电动机本身具有电刷、滑环等薄弱环节，需要经常进行维护、维修。 2.3增加能耗 起重机经常在低速状态下运行，大量的转差功率消耗在转子串接的电阻上（一般情况下可占总能耗的20%以上），从节能和经济两方面来讲，都不可取。 2.4增加了使用维修成本 设备使用寿命的缩短，以及可靠性差造成的停机，不但增加了维护工作量，而且导致设备使用成本的增加。 2.5危险性也比较高。起重机属于位能性负载，对安全性要求很高。 上述所有问题，都是采用绕线式电动机转子串电阻调速系统原理本身引起的。最终表现为设备的生产率受到限制（经常出故障处于停机、维修状态）、维护工作量大、使用维修成本上升。 二、变频调速系统改造 下面以我公司为某厂起重机变频系统改造为例，介绍变频器在起重机行业的应用。 1、设备改造总体要求 ■改造范围 现有电控柜全部拆除，采用新控制柜； 联动操作台更换； 有电缆更换； 配电屏更换； 现场灯光、开车警示、上下车联络回路等保持不变； 现场各检测开关如大车左右极限、小车前后极限、主、副起升机构的限位全部保留。 ■改造要求 尽量保留现有操作方式，以利操作人员操作； 各机构改造后，仍为四档速度，各档级速度可以根据需要无级调整； 采用PLC和工业控制现场总线，减少接线和故障率； 生产力不得降低； 主副起升机构没有溜钩现象； 系统应当具有抗震动和电网电压波动能力； 完善的保护功能； 详细工作状态和故障信号显示，便于操作人员监视、操控和维护人员维护； 利用设备大修时间完成原设备的拆除和新设备的安装、调试。 2、改造方案 参见以下 “主回路方案图”和“控制方案图”。 3、控制原理 3.1主回路 全部采用ABB公司生产的ACS600系列变频器（起升机构采用ACC600提升专用变频器）。 ABB 变频器采用直接转矩控制（DTC）方式。这种控制方式采用实时计算的电动机转矩和转速构成转矩转速双闭环系统，其动、静态精度高（控制精度优于正负5%）；在转矩响应方面，比非DTC控制方式变频器快许多（转矩响应响应时间≤5ms），并克服了传统调速系统和转矩开环变频器低速段输出转矩不足的问题，其零速转矩可达200%。这些特点充分保证了位能性负载的要求。 ACC600提升专用变频器除具有ACS600系列变频器所有特点外，内置了提升专用软件（相应配备了各种接口可选，比如本地控制、总线控制、端子控制。其中端子控制又分为电动电位器控制、无线电控制、手柄控制等多种控制模式），它还具有多种专用功能：予励磁、转矩验证、功 优化、闸控逻辑等特殊功能，简化了系统外围结构，使整个系统简单清晰，安全性和可靠性也大为提高。 对于多台电机同时驱动起升机构的起重机，则可以采用多台变频器，利用内置的主从提升功能实现。 如果采用通用变频器，上述的专用功能必须由控制系统完成，就使整个系统复杂化，而且降低稳定性、可靠性。 具体配置如下： ■大车行走机构采用两台变频器，分别驱动一台电动机。其中一台为主机，另一台为从机。利用主从应用软件，保证两台电动机的速度同步和负荷平衡，防止大梁扭动和啃轨。 ■小车机构变频器采用一台变频器。 ■主起升机构和副起升机构，分别采用一台提升专用变频器（ACC变频器）。 分别采用一台光电编码器，做速度反馈和控制检测用。 ■所有变频器，采用斩波器加制动电阻实现制动功能。 ■所有变频器配有各类标准的现场总线接口。 3.2控制系统 采用PLC作为核心控制器件，采用工业控制现场总线，将PLC、远程I/O、各机构变频器、触摸屏联结起来，减少电缆投资，减少接线和维护工作量，减少故障点。　 ■远程I/O和触摸屏安装于司机室。接受操作人员的指令，显示系统各种工况信息，以利于操作人员监视、操作和方便维护人员故障诊断与维修。 ■PLC安装于控制柜内。接收现场检测器件的状态信息、变频器等状态信息，控制系统运行。 ■PLC控制柜、变频控制柜，以及电阻制动柜安放在大梁上。 4、应当注意的问题 4.1 环境条件 起重机的工作环境一般都比较差：导电粉尘、水溅、腐蚀性气体、环境温度高，有些情况海拔高度高等。无论是PLC、还是变频器，都受环境温度和海拔高度的影响比较大。因此必须严格按照相关使用条件使用，且考虑柜体的防护等级和通风散热方式。 4.2 旋转编码器 建议起升机构使用旋转编码器。一是作速度反馈用；二是作检测控制用。 很多用户认为变频器的调速精度高，以起重机对速度的精度要求不高为由，为节省费用、减小维护工作量往往不使用旋转编码器。这是认识上的误区。实际上，编码器是用来提高低速情况下电动机模型的速度和转矩计算精度，保证转矩验证、开闭闸等功能，进而保证系统安全和防止溜钩。 4.3 抗干扰措施 变频器的使用，不可避免的会带来一些干扰。因此必须采取一些合理的抗干扰措施，比如PLC和变频器的安装、电缆走线，应充分考虑系统的EMC兼容性。 5、系统改造后的效果 根据改造后设备的运行情况以及用户的反馈信息，有以下几个特点： 5.1系统启、制动快速（相对于非DTC控制模式的变频器）而且启动过程平稳（可以明显感觉到）。 5.2故障率大为降低，维护工作量大为减少。用户反映：多年以来，运行稳定、可靠；操作简单灵活；生产率比以前大为提高。 5.3安全性明显提高。有一次维护人员错误短接了起升机构的限位开关，操作人员操作失误造成起升机构过卷，系统产生制动保护，避免了事故发生。 5.4 系统维护方便。因为提供了完善、详细的系统运行状态信息和故障信息而使故障诊断变得十分容易，使维护工作简单快捷。 5.5 没有出现过溜钩现象。 三、结论 起重机行业采用变频器调速系统，不仅能满足起重机工艺要求，而且克服了传统调速系统存在的问题。同时可以通过变频器参数设置很多种保护功能，使系统保护更加完备。 变频调速系统的改造，一次性的成本投入是比较大的。但从节能、提高生产率、降低使用成本、提高安全性等方面来看，也就是说综合考虑性能、价格、经济等因数，是值得的。 为了降低一次性的投入，据我们多年的经验，可以采取如下措施： 1、 非位能性负载机构如大车、小车，可以采用一台变频器驱动两台电机； 2、 变频器的选型要适当； 3、 可以考虑利用原来的绕线式电机或者仅更换起升机构的电机为变频电机； 4、 可以不用PLC和现场总线。