桥吊吊具电缆全变频闭环控制系统设计

张乾能　赵志淼

桥吊吊具电缆驱动方式是吊具电气控制的重要部分。吊具电缆全变频闭环控制驱动方式具备以下优势：（1）全变频闭环控制驱动的吊具电缆卷盘克服磁滞联轴器的“软特性”，系统响应速度快，电缆跟随效果好；（2）卷盘控制采用速度控制和力矩限幅控制相结合技术，结合吊具上架的缓冲器过紧限位开关作用，保证电缆在任何工况下不会超过其许用拉力；（3）电机采用单台卧式安装变频调速电机，整个传动系统转动惯量小，其应用场合不受电缆自重、起升高度、吊具加速度等限制；（4）电机采用弹性联轴器与减速器连接，保养工作量小且维护简单，相对应的配件价格低；（5）限制电机给定卷盘的力矩，确保电缆张力小于其许用拉力，并且吊架上架的缓冲器上安装过紧限位开关，一旦吊具电缆卷盘收放缆速度与吊具速度不同步造成吊具缓冲器的行程达到最大值，吊具缓冲器上的过紧限位触发，发出电缆过紧信号，整个系统作出紧停动作，从而保护电缆。目前，我国港口普遍采用全变频闭环驱动方式对桥吊吊具电缆控制方式进行改造。本文提出一套完整的桥吊吊具电缆全变频闭环控制系统设计方案，以供参考。

1 桥吊吊具电气控制方式选择

吊具电气控制方式选择为桥吊吊具电控系统设计定下基调。根据吊具的特点及需求，有3种不同的电气控制方式可供选择，其优缺点比较见表1。

由表1可见，采用执行器一传感器一接口通信控制方式在施工难度、调试周期、成本控制、维护等方面具有明显优势，因此，选择执行器.传感器.接口通信系统作为吊具电气控制方式。

2 桥吊吊具电缆全变频闭环控制系统控制过程

桥吊吊具电缆控制系统由1台变频电机驱动，电机上装有增量型编码器，通过处理编码器反馈信号不断调整变频电机的转速，实现对变频电机的闭环控制。为避免变频电机出现过冷或过热现象，在变频电机内安装温控元件，将反馈信号给可编程逻辑控制器，用来监控变频电机的温度；同时，变频电机上还安装有风扇和加热器，用来防止变频电机结露，并给变频电机散热。

吊具电缆控制系统需要在齿轮减速箱上安装1台制动器，用于实现整个控制系统的制动。该制动器采用常闭式制动方式，在通电时打开，断电时抱闸；另外，由可编程逻辑控制器检测制动器的抱闸松紧限位，以判断制动器的开闭状态。

司机室联动台是司机控制桥吊动作的操作平台，吊具系统的各种手动操作按钮均位于联动台。吊具电缆控制系统的手动操作主要有手动选中、手动收缆和手动放缆。

在收放吊具电缆时，要防止卷取装置在放空电缆和电缆满盘的情况下继续回收，同时要防止电缆拉力过大而损坏电缆，因此，需要调制电缆空盘限位、电缆满盘限位和电缆过紧限位。在吊具电缆全变频闭环控制系统设计中，当卷盘上电缆剩余圈数为3圈时，吊具处于最低位（即电缆空盘限位处）；当电缆还可以绕1圈时，吊具处于最高位（即电缆满盘限位处）；当电缆张力过大，超出电缆许用拉力时，电缆过紧限位动作，设备停止。此外，滑环箱内装有1个加热器，用来防止滑环箱结露，该加热器不断电。

3 桥吊吊具电缆全变频闭环控制系统总体方案

桥吊吊具电缆全变频闭环控制系统框架如图1所示。可编程逻辑控制器接收主控系统可编程逻辑控制器的运行指令及运行状态，并据此得到主起升的运行速度及状态，从而控制变频器输出电压频率，实现对变频电机的调速，使吊具电缆与主起升保持一致；当电机停止或限位信号指示机构发生故障时，可编程逻辑控制器控制制动器进行减速制动或紧急制动，并发出相应指示灯信号或报警信号。

根据吊具电缆全变频闭环控制系统的要求和控制系统框架，得出吊具电缆全变频闭环控制系统控制原理如图2所示。

3.1 设计说明

根据桥吊已有吊具电缆系统的运行速度，将已有的“磁滞+变频驱动”方式改造为全变频闭环驱动，改造后的吊具电缆卷盘控制采用“速度+力矩限制”方式。

3.2 吊具使用场合及环境

吊具卷筒安裝在起重机上，随起重机一起工作在海洋性气候环境中，环境温度-10～45℃，湿度100%，工作风速25m/s，非工作风速55m/s。

3.3 吊具基本信息和主参数

（1）数量：每台起重机1套吊具系统。

（2）最大悬挂长度共计62m，其中，轨上42m，轨下20m，悬挂高度（当吊具处于最高位时上架缓冲器至卷筒中心的高度）0～4m。

（3）当吊具处于最高位时，卷筒上的电缆还可绕1圈。

（4）当吊具处于最低位时，卷筒上电缆的剩余圈数为3圈。

（5）起升速度参数见表2。

（6）驱动方式：改造前为“磁滞+变频驱动”方式；改造后为全变频闭环驱动方式。

（7）卷筒方式：单排多层缠绕卷盘。

（8）安装方式：户外安装。

4 桥吊吊具电缆全变频闭环控制系统机械部分设计

4.1 增加电机安装座

不同电机的安装座尺寸有差异，故需要根据选用的电机重新设计其安装座，以保证电机的正确安装和使用。

4.2 增加安装制动器

根据吊具电缆全变频闭环控制系统机电一体化的需要，在原系统中加装1个制动器，以确保系统制动能力和断电时系统的安全性。制动器安装在原系统中电机的安装位置，根据选用的制动器尺寸设计的安装座如图3所示。

4.3 检修减速箱

检修原减速箱，对不能使用或不能满足使用要求的齿轮、轴承进行更换或重新选型。

4.4 增加过紧限位装置

根据改进的吊具电缆控制系统的需要，在原有吊具缓冲器上加装过紧限位装置，避免电缆因张力过大而产生故障。

5 桥吊吊具可编辑逻辑控制器系统硬件设计

桥吊吊具可编程逻辑控制器系统硬件设计是吊具电缆控制系统至关重要的环节之一，关系着可编程逻辑控制器系统运行的可靠性、安全性和稳定性。可编程逻辑控制器系统供电电源一般是电压为5～240v的交流电源，适应电源范围较宽，一般加装抗干扰的电源滤波器、隔离变压器等电源净化元件。根据生产工艺要求，可编程逻辑控制器系统的输出电路设计一般采用适应于高频动作、响应时间短的晶体管输出各种指示灯、变频器的启动和停止信号。抗干扰设计是可编程逻辑控制器系统设计时必须考虑的问题，一般采用隔离、屏蔽、布线等抗干扰方式。

5.1 控制系统的输入和输出信号

可编程逻辑控制器是吊具电缆控制系统的核心，控制系统输入和输出点是可编程逻辑控制器选型的重要参考，即根据被控对象的复杂程度及生产工艺的要求进行输入和输出点数的统计，列出清单，以备使用，并对内存容量进行估计，确定留有适当的软硬件资源余量而又不浪费资源的机型。输入信号包括主控可编程逻辑控制器的各种通信信号、编码器和热继电器的反馈信号、制动器的状态信号、各种限位信号等。输出信号包括反馈给主控可编程逻辑控制器的各种通信信号、吊具屏显示的各种报警信号、各接触器的动作信号、变频器的动作信号等。吊具电缆控制系统输入和输出点统计分别见表3和表4。

5.2 可编程逻辑控制器选型

可编程逻辑控制器系统是为了取代老式的继电器控制系统而专门设计的综合型控制系统，一般分为软件系统和硬件系统。可编程逻辑控制器系统构成框架如图4所示，该系统具有与工业设备相连接的接口和更满足控制要求的编程语言。该系统的主要功能是：将预先编制的指令存储起来，然后，根据指令进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数等，并通过模拟或数字输入和输出实现对机械动作或生产过程的控制。

目前，可编程逻辑控制器产品种类繁多，各类型间有一定差异，甚至有的差异十分大，只有选择合适的可编程逻辑控制器，才能使整个吊具电缆控制系统更加可靠。可编程逻辑控制器选型基本规则为：能满足使用要求（依据吊具电缆控制系统输入和输出点的数量），满足系统运行的可靠性要求，维护简单、方便，性价比高。

考虑到客户使用系统的习惯性以及整个系统的可靠性、兼容性和维护的方便性，对原系统使用的西门子可编程逻辑控制器系统进行改造；同时，根据输人和输出信号数量及具体的使用要求，选用型号为西门子CPU315-2DP（见图5）的中央处理器，整机系统采用PROFIBUS-DP协议控制，信息监控系统采用TP170A人机界面。该可编程逻辑控制器含有PROFIBUS主从接口：主站掌握数据流的控制权，可以在没有外部请求的情况下主动发送指令或读取从站信息；从站连接变频器等简单设备。西门子驱动控制系统SINAMICS S210集V/F控制、矢量控制及伺服控制于一体，其不仅能控制普通的三相异步电机，还能控制同步电机、扭矩电机及直线电机，集成驱动控制图表，用编程语言实现逻辑、运算及简单工艺等功能。人机界面能显示系统运行中出现的故障及系统运行状态，检修人员可通过查看人机界面显示的故障信息来排除故障。安装在电气柜中的可编程逻辑控制器如图6所示。

5.3 吊具电缆的选择

桥吊吊具电缆的使用环境比较恶劣，通常安装在户外，承受海风、雨水等的侵蚀，因此，其必须具有一定耐高低温和酸碱、抗老化等特性；作业时要求不断进行卷盘动作，并且不能造成电缆扭曲或断芯，因此，其必须具有一定耐磨、耐弯曲、耐扭转等特性；此外，吊具電缆还须承受较大的拉力，有一定的抗电磁干扰能力等。总之，吊具电缆的性能要求高，价格昂贵，一般较多使用国外进口产品。

根据改造的要求，最后选定的吊具电缆规格如下：（1）电缆型号Prysiman Cordaflex，电压等级0.6～1.0kV，标称截面积110mm²；（2）电缆最大直径37.1mm；（3）电缆质量2.28kg/m；（4）电缆最大允许拉力5100N；（5）电缆最小允许弯曲半径65mm。

5.4 变频电机的选型

吊具电缆卷盘卷绕力矩的大小是由电缆重力、集电环输电箱滑环与碳刷的摩擦力、电缆弯曲阻力、电缆卷盘转动的阻力等所产生的合力矩所确定的。此卷绕力矩很难精准计算，但变频电机的选型可以根据原来电机的功率来确定：原电机的功率为5.5kW（2台），因此，选定电机的功率为11kW。根据变频电机的功率和桥吊的使用情况，最终选定的变频电机规格如下：（1）电机品牌为上海ABB的变频调速电机QABP160M4；（2）数量1台；（3）防护等级IP55；（4）绝缘等级F级；（5）温升等级B级；（6）电机工作制s1（即1rain过载160%）；（7）电机冷却方式IC411（自带风扇冷却）；（8）增量型编码器配置瑞典莱纳林德编码器；（9）产品型号XHI 803 86-120-HTL/1024，电机内置；（10）标配加热器和测温元件，规格为220V单箱交流电源，50W常闭开关量信号；（11）接线盒进线方式为软管2根；（12）主要技术参数如下，380V交流电源，频率50Hz，功率11kW，电流强度23.2A，扭矩70Nm，转速1460r/min。选定安装的变频电机如图7所示。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2016-10-19]