摘 要：結(jié)合PLC和變頻調(diào)速控制技術(shù)在重鋼四碼頭雙十噸浮吊的成功應(yīng)用，指出該技術(shù)在浮吊等起重設(shè)備的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中推廣使用的重要意義，文中對(duì)有關(guān)技術(shù)應(yīng)用問題作了討論。 英文摘要：Combining technology on PLC and inverter,a successful example is given in the double 10 ton floating hanling-up device of Chongqing iron-steel corporation.It showes that it is necessary to Apply the technology into eletric driving control system of floating hauling-up device,and makes great sense in economy.In the paper,some problems are discussed for the application related to technology. 1 引言 重鋼股份有限公司運(yùn)輸部四碼頭雙十噸浮吊自1992年投入使用，為重鋼生產(chǎn)作了重大貢獻(xiàn)，是保證重鋼生產(chǎn)得以持續(xù)進(jìn)行的關(guān)鍵設(shè)備。但該浮吊原電氣控制系統(tǒng)為繼電器—接觸器控制系統(tǒng)，采用的是普通繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制方式，調(diào)速性能差，在起停及調(diào)速過程中電氣沖擊很大，電氣元件經(jīng)常損壞，電機(jī)也常被燒，電工的維護(hù)和維修任務(wù)很重。同時(shí)，由于電氣控制系統(tǒng)的缺陷，安全隱患多，機(jī)械磨損相當(dāng)嚴(yán)重，如果不采用新的調(diào)速控制系統(tǒng)，浮吊面臨提前報(bào)廢的危險(xiǎn)，將給正常生產(chǎn)帶來不可估量的損失。 在對(duì)浮吊電氣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與難點(diǎn)準(zhǔn)確把握的前提下，確定把PLC與變頻調(diào)速控制技術(shù)引入浮吊控制系統(tǒng)的技術(shù)改造方案，由于浮吊處于江邊的囤船上，電氣環(huán)境十分惡劣，船體隨著江面晃動(dòng)，濕度大、粉塵多、夏天氣溫很高、電源質(zhì)量差等，上述因素導(dǎo)致很強(qiáng)的電氣干擾，采取適當(dāng)隔離措施以后，新系統(tǒng)終于開始正常工作。 雙十噸浮吊變頻調(diào)速電氣控制系統(tǒng)至今已投入運(yùn)行1年多時(shí)間，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，這是一個(gè)非常成功的技改項(xiàng)目，它不但挽救了一個(gè)瀕臨報(bào)廢的重要生產(chǎn)設(shè)備，并且，在這一年中，浮吊的運(yùn)輸量不斷地創(chuàng)造新紀(jì)錄，直接帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)將應(yīng)用中有關(guān)問題作簡(jiǎn)要討論。 2 浮式起重機(jī)全機(jī)構(gòu)控制的最佳調(diào)速控制方式 變頻器是輸出頻率可改變的交流電力拖動(dòng)控制設(shè)備。對(duì)交流電動(dòng)機(jī)來說，其轉(zhuǎn)速接近于由磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度決定的同步轉(zhuǎn)速，而同步轉(zhuǎn)速是與電源頻率成正比的，所以改變頻率也即改變電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速來調(diào)速。在電源頻率、磁場(chǎng)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)差率等影響交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的諸因素中，電源頻率是關(guān)鍵性的主導(dǎo)因素，改變頻率調(diào)速方式的機(jī)械特性好，抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，能耗低，調(diào)速范圍寬。因此，變頻調(diào)速目前是交流異步電動(dòng)機(jī)最完美的調(diào)速方式。 異步電動(dòng)機(jī)用變頻器調(diào)速組成的調(diào)速系統(tǒng)，其控制方法可分為2大類: （1）是常規(guī)控制方式，以輸出頻率作為主控制量，輸出電壓作為頻率的單值函數(shù)，并適當(dāng)采取相關(guān)的補(bǔ)償措施。由于缺乏有效控制磁通及力矩的手段，調(diào)速精度不高、力矩響應(yīng)速度慢、低速力矩衰減明顯，動(dòng)態(tài)控制參數(shù)差。采取速度閉環(huán)措施后，可以明顯提高穩(wěn)態(tài)速度控制精度，但其他各項(xiàng)指標(biāo)沒有顯著改進(jìn)，只適合于調(diào)速要求不高，調(diào)速范圍較小，不在極低速度下持續(xù)工作的場(chǎng)合。 （2）是先進(jìn)的控制方式，其基本特點(diǎn)是間接實(shí)現(xiàn)對(duì)于磁通及力矩的有效控制，保持磁通基本恒定以克服低速力矩衰減，控制力矩以改善動(dòng)態(tài)調(diào)速性能。其中以矢量控制法和直接轉(zhuǎn)矩控制法為代表，而目前應(yīng)用最為普遍和成熟的是矢量控制。矢量控制原理是把異步電動(dòng)機(jī)等效為經(jīng)過變換的直流電動(dòng)機(jī)模型，通過矢量變換將勵(lì)磁電流和力矩電流分解開，分別實(shí)現(xiàn)算法控制，再將兩種電流計(jì)算值進(jìn)行矢量合成，實(shí)行統(tǒng)一輸出，既可控制磁通，又可控制力矩，因而所得的控制效果可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。 異步電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速，可以很好的改善電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速性能及動(dòng)態(tài)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)有級(jí)平滑調(diào)速或無級(jí)調(diào)速，并且機(jī)械特性很硬，抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)。還可以很好的解決起重設(shè)備各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行平穩(wěn)性問題，可任意設(shè)定各級(jí)速度及速度變化斜率，容易實(shí)現(xiàn)精確對(duì)位。利用變頻器的低速力矩特性，可以很好地防止低速下的"溜鉤"問題發(fā)生。在行車電機(jī)頻繁起動(dòng)及變速的工況下，利用變頻器可以很好地節(jié)約能源。通過采用變頻器控制，還可以很好地解決繼電器—接觸器控制系統(tǒng)極易發(fā)生的主回路觸點(diǎn)粘連的嚴(yán)重問題，系統(tǒng)的可控制性、安全性及可靠性大幅度提高。 在重鋼雙十噸浮吊驅(qū)動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)中，選用的是日本安川公司的616G5系列起重專用型變頻器，這種品牌變頻器能很好地適應(yīng)起重領(lǐng)域?qū)τ谧冾l器的要求，其速度穩(wěn)定性好、低速力矩特性好、力矩響應(yīng)快。它有可以由用戶自由設(shè)定的開環(huán)V/F控制模式、閉環(huán)V/F控制模式、開環(huán)矢量控制模式及閉環(huán)矢量控制模式等共四種調(diào)速控制模式，其中前2種模式屬于常規(guī)控制模式，性能略差但實(shí)現(xiàn)方便，沒有特殊要求，而后兩種模式屬于先進(jìn)控制模式，性能優(yōu)越。它能夠方便地利用其矢量控制性能，實(shí)現(xiàn)高精度高動(dòng)態(tài)性能的速度控制，調(diào)速比高達(dá)1:1000，低速甚至零速時(shí)可達(dá)到150％額定力矩輸出，還能夠以多種特殊控制功能適應(yīng)不同的控制要求，因此廣泛地應(yīng)用于起重行業(yè)。 浮吊變幅、抓斗和提頭機(jī)構(gòu)拖動(dòng)負(fù)載屬于位能型負(fù)載，各機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，在抱閘線圈松開的一瞬間，或者在低速啟動(dòng)的過程中，如果電機(jī)由于電磁慣性一時(shí)不能建立足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度或者低速力矩特性太差不能提供足夠的力矩，則都會(huì)發(fā)生抓斗下溜現(xiàn)象。變頻器閉環(huán)矢量控制能提供快速力矩響應(yīng)，低速力矩特性好，對(duì)于兩種‘溜鉤’原因都有良好的克服效果，在重鋼浮吊控制中基本沒有觀察到‘溜鉤‘現(xiàn)象。如果勵(lì)磁慣性太大而仍有溜鉤發(fā)生，則可以通過特殊控制加以克服。 在浮吊電氣控制系統(tǒng)中，變幅機(jī)構(gòu)、抓斗機(jī)構(gòu)和提頭機(jī)構(gòu)采用閉環(huán)矢量控制，其低速力矩性能可防止負(fù)載下溜，其很硬的機(jī)械特性則可使各運(yùn)行機(jī)構(gòu)嚴(yán)格按操作人員發(fā)出的指令運(yùn)行。浮吊旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，要求運(yùn)行同步，且難以實(shí)現(xiàn)脫開負(fù)載的自學(xué)習(xí)，因此不具備矢量控制的條件，故作者設(shè)計(jì)采用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，變頻器采用開環(huán)V/F控制模式，調(diào)試時(shí)采取了低速電壓補(bǔ)償，實(shí)踐證明這種設(shè)計(jì)是合理的，使用效果很好。 浮吊控制系統(tǒng)中，抓斗和提頭兩股鋼繩的受力平衡是比較難解決的問題，在原繞線電機(jī)串電阻調(diào)速驅(qū)動(dòng)、繼電器—接觸器控制系統(tǒng)中，只有靠時(shí)間繼電器的延時(shí)配合機(jī)械特性較軟的電機(jī)調(diào)速控制特性來實(shí)現(xiàn)，效果很差。安川的616G5變頻器具有力矩控制和速度控制切換功能，利用這一功能特點(diǎn)，在浮吊抓斗和提頭運(yùn)行機(jī)構(gòu)間采用力矩跟蹤控制模式，再利用PLC的靈活控制性能，很好地攻破了這一技術(shù)難關(guān)。 3 變頻改造中應(yīng)注意的幾個(gè)問題 由于浮吊控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和所處環(huán)境的特殊性，在浮吊電氣控制系統(tǒng)調(diào)試過程中，遇到了很多問題，總結(jié)如下: 3.1 系統(tǒng)抗干擾的必要性和重要措施 為了充分發(fā)揮變頻器的性能，浮吊電氣控制系統(tǒng)采用PLC作為控制核心部件，系統(tǒng)組態(tài)靈活，性能穩(wěn)定，故障率低。然而，PLC控制系統(tǒng)除了PLC應(yīng)用的一般技術(shù)要求必須遵守外，系統(tǒng)本身的抗干擾必須重點(diǎn)考慮。 在設(shè)計(jì)重鋼浮吊電氣控制系統(tǒng)時(shí)，已經(jīng)采取了抗干擾措施，比如信號(hào)隔離、電源凈化、信號(hào)傳送采用屏蔽控制電纜等。但在系統(tǒng)調(diào)試過程中，由于浮吊電氣環(huán)境太惡劣，還是出現(xiàn)了意想不到的麻煩。干擾信號(hào)頻繁出現(xiàn)，引起PLC程序誤動(dòng)，更嚴(yán)重的是，有時(shí)一個(gè)極強(qiáng)的脈沖干擾甚至能把PLC的I/O口燒壞。經(jīng)過仔細(xì)的分析研究發(fā)現(xiàn)，這種難得一見的情況實(shí)際是由多個(gè)方面共同作用造成的。首先是電源問題，因?yàn)楦〉跬蟿?dòng)電機(jī)功率較大，并且通常是幾臺(tái)電機(jī)同時(shí)投入工作，原采用繼電器—接觸器控制系統(tǒng)，則在電機(jī)頻繁起停的情況下，造成電源極不穩(wěn)定，而在1#浮吊變頻控制系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，2#浮吊必須要投入工作，這樣嚴(yán)重影響了新系統(tǒng)的控制電源質(zhì)量;另外，浮吊處于江邊，采用三相四線制供電方式，地電平極不穩(wěn)定，平時(shí)就有數(shù)伏電壓波動(dòng)，這樣相應(yīng)地降低了輸入信號(hào)抗干擾的閥值，使系統(tǒng)更易受干擾信號(hào)影響而產(chǎn)生誤動(dòng)。其次是布線問題，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)信號(hào)線考慮的是屏蔽控制線，所以現(xiàn)場(chǎng)施工就沒有注意與動(dòng)力線分開布線，這也給系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的不良后果，因?yàn)樽冾l器輸出電壓帶有高頻載波電壓成分，另外其制動(dòng)電阻常是高直流脈沖電壓，當(dāng)信號(hào)線與這兩類線路捆扎起來并行走線時(shí)，干擾就不可避免要產(chǎn)生并且強(qiáng)度很大。 針對(duì)浮吊是地零合一供電情況，在原～220V/～220V隔離變壓器前端增加 ～380V/～220V控制屏蔽變壓器，然后在～220V控制電壓端加裝阻容保護(hù)，并在開關(guān)電源直流24V輸出端接上供保護(hù)用的壓敏電阻，將電源串入系統(tǒng)的沖擊干擾徹底消除。由于有強(qiáng)電磁干擾，把動(dòng)力線與信號(hào)線嚴(yán)格分開，有些地方實(shí)在不能分開時(shí)，也采用十字交錯(cuò)方式。經(jīng)過這些改動(dòng)，浮吊至今已投入運(yùn)行一年多時(shí)間，從沒有因?yàn)楦蓴_而影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，說明我們采取的抗干擾措施是成功的。 3.2 變頻器閉環(huán)矢量控制模式的應(yīng)用 616G5系列起重專用型變頻器能很好地適應(yīng)起重領(lǐng)域?qū)τ谧冾l器的要求，其速度穩(wěn)定性好、低速力矩特性好、力矩響應(yīng)快。它有可以由用戶自由設(shè)定的開環(huán)V/F控制模式、閉環(huán)V/F控制模式、開環(huán)矢量控制模式及閉環(huán)矢量控制模式共四種調(diào)速控制模式。 在常規(guī)應(yīng)用中，采用開環(huán)V/F控制模式和開環(huán)矢量控制模式即可。在沒有特殊要求，調(diào)速精度要求不很高和一臺(tái)變頻器帶動(dòng)多臺(tái)電機(jī)的情況，通常采用開環(huán)V/F控制模式，實(shí)施方便。而在拖動(dòng)位能型負(fù)載等特殊情況，比如普通橋式行車的吊鉤機(jī)構(gòu)，利用變頻器的開環(huán)矢量控制模式，可以很好地滿足要求。在對(duì)力矩響應(yīng)、力矩特性有更高要求和需要力矩控制的場(chǎng)合則必須要采用變頻器的閉環(huán)矢量控制模式。 浮吊變幅、抓斗和提頭機(jī)構(gòu)拖動(dòng)負(fù)載屬于典型的位能型負(fù)載，各機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，在抱閘線圈松開的一瞬間，或者在低速啟動(dòng)的過程中，如果電機(jī)由于電磁慣性一時(shí)不能建立足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度或者低速力矩特性太差不能提供足夠的力矩，則都會(huì)發(fā)生抓斗下溜現(xiàn)象。因此要求變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)要能提供快速力矩響應(yīng)，低速力矩特性好。另外，對(duì)抓斗和提頭機(jī)構(gòu)必須采用力矩控制，以解決抓斗和提頭兩股鋼繩的平衡受力問題。所以對(duì)浮吊變幅、抓斗和提頭機(jī)構(gòu)采用了變頻器閉環(huán)矢量控制模式。 浮吊控制系統(tǒng)中，抓斗和提頭兩股鋼繩的受力平衡是比較難解決的問題，在原繞線電機(jī)串電阻調(diào)速驅(qū)動(dòng)、繼電器—接觸器控制系統(tǒng)中，只有靠時(shí)間繼電器的延時(shí)配合機(jī)械特性較軟的電機(jī)調(diào)速控制特性來實(shí)現(xiàn)，效果很差。我們通過利用安川的616G5變頻器在閉環(huán)矢量控制模式具有的力矩控制和速度控制切換功能，通過這一功能特點(diǎn)，在浮吊抓斗和提頭運(yùn)行機(jī)構(gòu)間采用力矩跟蹤控制模式，再利用PLC的靈活控制性能，很好地攻破了這一技術(shù)難關(guān)。 3.3 變頻器第二加減速時(shí)間功能的利用 變頻器通常具有第二加減速時(shí)間設(shè)定功能，這一功能常在實(shí)際應(yīng)用中被忽視，如果合理利用這一功能，則會(huì)加快調(diào)速速度，縮短運(yùn)行機(jī)構(gòu)反應(yīng)時(shí)間。重鋼浮吊塔式抓斗行車本身屬于高頻率、快反應(yīng)、大運(yùn)量快裝抓斗行車，它要求控制系統(tǒng)必須滿足其快速抓取礦粉的作業(yè)需要，而電機(jī)采用變頻器調(diào)速控制以后，由于變頻器調(diào)速的平穩(wěn)變速過程，必然導(dǎo)致抓料的每一工序用時(shí)較多，長(zhǎng)期如此，必將影響生產(chǎn)。這一問題的解決辦法就是利用變頻器調(diào)速的第二加減速時(shí)間設(shè)定功能，在變頻器上設(shè)定一組第二加減速時(shí)間，第一加減速時(shí)間和第二加減速時(shí)間的切換由一個(gè)多功能輸入口控制，通過這一措施的實(shí)施，可以使運(yùn)行機(jī)構(gòu)用變頻器調(diào)速控制改造后反應(yīng)時(shí)間基本達(dá)到用接觸器常規(guī)控制的水平，由于改造后故障率低，有效作業(yè)時(shí)間增加，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)位容易，從而提高生產(chǎn)效率，更好地滿足了生產(chǎn)需要。 3.4 其它方面 在重鋼浮吊電氣控制系統(tǒng)變頻改造以前，由于采用的是常規(guī)繼電器—接觸器控制系統(tǒng)，電氣控制的缺陷引起很大的機(jī)械沖擊，浮吊上面振動(dòng)很大，機(jī)械受損嚴(yán)重。在浮吊上電氣控制室，由于制動(dòng)輪與制動(dòng)閘瓦間的摩擦制動(dòng)，制動(dòng)輪和制動(dòng)閘瓦磨損嚴(yán)重，并使控制室溫度很高。這些直接導(dǎo)致了操作工人的工作環(huán)境十分惡劣，工作勞動(dòng)強(qiáng)度很大。采用變頻控制改造以后，由于變頻器電氣制動(dòng)性能很好，各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械制動(dòng)只作為后備制動(dòng)保護(hù)，電氣制動(dòng)幾乎沒有沖擊，所以浮吊振動(dòng)很小，機(jī)械沖擊強(qiáng)度大大減弱。 4 結(jié)束語 變頻調(diào)速控制技術(shù)和PLC控制技術(shù)應(yīng)用在浮吊和其它類似工程項(xiàng)目之中，是非常完美的控制方式和手段，雖然在系統(tǒng)投入運(yùn)行過程中，可能會(huì)碰到很多問題，但只要采取科學(xué)分析的態(tài)度認(rèn)真對(duì)待，就一定能讓這些先進(jìn)的科技產(chǎn)品和技術(shù)為我們的生產(chǎn)服務(wù)。 雙十噸浮吊全機(jī)構(gòu)經(jīng)變頻調(diào)速改造后，一年來的運(yùn)行實(shí)踐表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠易操作，僅投入119萬元，取得年直接經(jīng)濟(jì)效益4872萬元，生產(chǎn)能力提高近3倍，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益可觀。