/吊具電纜全變頻閉環(huán)限制系統(tǒng)設(shè)計張乾能（北三集司，浙江寧波315813）摘要：橋吊吊具電纜驅(qū)動方式是吊具限制重要部分，全變頻閉環(huán)限制驅(qū)動方式因其響應(yīng)速度快、電纜跟隨效果好、維護(hù)保養(yǎng)簡潔等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。本文詳細(xì)地介紹了一種橋吊吊具限制系統(tǒng)方案設(shè)計，可為橋吊吊具限制系統(tǒng)改造供應(yīng)確定的幫助。關(guān)鍵詞：吊具電纜；閉環(huán)限制；橋吊；PLCDesignoffullvariablefrequencyclosed-loopcontrolsystemonspreadercableZHANGQianneng,ZHAOZhimiao(NingboGangjiTerminalCo,.Ltd.Ningbo315813,Zhejiang)Abstract:Drivemodeofcontainercranespreadercableisthemaincomponentofcranespreadercontrolsystem.Fullvariablefrequencyclosedloopcontrolsystemhasfastresponse,goodcablefolloweffect,simplemaintenancewhichiswidelyused.Thispaperintroducesakindofcranehoistcontrolsystemdesign,whichcanprovidesomehelpforsystemreformation.Keywords:spreadercable;closed-loopcontrol;queycrane;PLC橋吊吊具電纜驅(qū)動方式是吊具電氣限制的重要部分，全變頻閉環(huán)限制驅(qū)動方式具備以下優(yōu)勢：1）全變頻閉環(huán)限制驅(qū)動的吊具電纜卷盤克服了磁滯聯(lián)軸器的“軟特性”，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，電纜跟隨效果好；2）卷盤限制接受“速度限制和力矩限幅限制相結(jié)合技術(shù)”，結(jié)合吊具上架的緩沖器過緊限位開關(guān)作用，保證電纜在任何工況下不會超過其許用拉力；3）電機(jī)接受單臺臥式安裝變頻調(diào)速電機(jī)，整個傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量小，其應(yīng)用場合不受電纜自重、起上升度、吊具加速度等限制；4）電機(jī)接受彈性聯(lián)軸器和減速器連接，保養(yǎng)工作量小、維護(hù)簡潔，相對應(yīng)的配件價格低；5）電纜愛惜：A限制電機(jī)給定卷盤的力矩，確保電纜張力小于其許用拉力；B吊架上架的緩沖器安裝有過緊限位開關(guān)，一旦吊具電纜卷盤收、放纜速度和吊具速度不同步造成的吊具緩沖器的行程達(dá)到最大值時，吊具緩沖器給上的過緊限位觸發(fā)，電纜過緊信號發(fā)出，整個系統(tǒng)作出緊停動作從而愛惜電纜。因此，目前國內(nèi)港口普遍接受這種方式對橋吊吊具電纜限制方式進(jìn)行改造，本文給出了一套完整的限制系統(tǒng)設(shè)計方案，以供參考。1吊具電氣限制方式的選擇吊具電氣限制方式選擇將為吊具電控系統(tǒng)設(shè)計定下基調(diào)[1]。依據(jù)吊具的特點及需求，有3中不同的限制方式可供選擇，優(yōu)缺點如下，見下表1。表1不同的限制方式比較[1]限制方式系統(tǒng)方案施工難度優(yōu)缺點點對點硬接線通過點硬接線采集吊具感應(yīng)開關(guān)信號。模擬量輸入模塊采集稱重傳感器信號。大量的接線，需更換吊具電纜，施工難度大。總成本稍低，調(diào)試周期長，維護(hù)工作量大。CAN通訊接受BROMMASCS2限制器，并運(yùn)用CAN地址模塊采集吊具信號以及稱重傳感器信號。限制功能邏輯固化，解封須要廠家?guī)椭３杀据^高，實施階段風(fēng)險較大。ASI通訊接受西門子現(xiàn)場總線技術(shù)ASI地址板采集吊具信號，通過模擬量模塊采集稱重傳感器信號。兩線通訊，施工難度小。編程自由開放，系統(tǒng)易于擴(kuò)展，維護(hù)簡潔，成本中等。3種不同限制方式的比較可見，接受ASI（傳感器-執(zhí)行器接口技術(shù)）通訊的限制方式在施工難度、調(diào)試周期、成本限制、維護(hù)等方面具有明顯優(yōu)勢。因此選擇了ASI通訊作為吊具電氣限制方式。2吊具限制系統(tǒng)限制過程吊具限制系統(tǒng)由1臺變頻電機(jī)驅(qū)動，驅(qū)動電機(jī)上裝有增量型編碼器，通過編碼器反饋信號進(jìn)行處理來不斷調(diào)整的變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對變頻電機(jī)的閉環(huán)限制。為了避開變頻電機(jī)出現(xiàn)過冷或過熱現(xiàn)象，在變頻電機(jī)內(nèi)安裝了溫控元件，將反饋信號給可編程限制器，用來監(jiān)控變頻電機(jī)的溫度。同時變頻電機(jī)上還安裝有風(fēng)扇和加熱器，用來防止變頻電機(jī)結(jié)露和給變頻電機(jī)散熱。吊具限制系統(tǒng)須要安裝1臺制動器，干脆裝在齒輪減速箱上，用于整個限制系統(tǒng)的制動。該制動器接受常閉式制動器，在通電時打開，斷電時抱閘；另外可編程限制器需檢測制動器的抱閘松緊限位用來推斷制動器的開閉狀態(tài)。司機(jī)室聯(lián)運(yùn)臺是司機(jī)限制橋吊動作的操作平臺，吊具系統(tǒng)的各種手動操作都要從這里的按鈕發(fā)出。吊具電纜系統(tǒng)的手動操作主要有以下三種：手動選中，手動收纜、手動放纜。卷取裝置在收放吊具電纜時，要防止放空電纜和電纜滿盤時接著回收，同時要防止收放電纜時電纜拉力過大而損壞電纜，因此需調(diào)制電纜空盤限位和電纜滿盤限位以及電纜過緊限位。本設(shè)計中以卷盤上電纜剩余圈數(shù)為3圈時吊具處于最低位，既電纜空盤限位處；電纜還可以繞1圈時吊具處于最高位，既電纜滿盤限位處；當(dāng)電纜張力過大，超出電纜許用拉力時，電纜過緊限位動作，設(shè)備停止。滑環(huán)箱內(nèi)也裝有一個加熱器，用來防止滑環(huán)箱結(jié)露，該加熱器始終通電。3吊具限制系統(tǒng)總體方案對吊具電纜限制系統(tǒng)有了相應(yīng)的了解后，下面簡潔介紹吊具電纜限制系統(tǒng)總體方案，限制系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1限制系統(tǒng)框圖可編程限制器接收主PLC的運(yùn)行指令及運(yùn)行狀態(tài)，并據(jù)此來得到主起升的運(yùn)行速度及狀態(tài)，從而限制變頻器輸出電壓頻率，實現(xiàn)對變頻電機(jī)的調(diào)速，使吊具電纜和主起升保持一樣；在電機(jī)停止或限位信號指示機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時，可編程限制器限制制動器進(jìn)行減速制動或緊急制動,并發(fā)出信任指示燈信號或報警信號。依據(jù)吊具電纜限制系統(tǒng)的要求和限制系統(tǒng)框圖，可得出吊具電纜限制系統(tǒng)限制原理圖如圖2所示。圖2限制系統(tǒng)限制原理圖3.1設(shè)計說明依據(jù)用戶橋吊已有吊具電纜系統(tǒng)配置的運(yùn)行速度，將已有的驅(qū)動方式“磁滯+變頻驅(qū)動”，改造為“全變頻驅(qū)動”，改造后的吊具電纜卷盤限制接受“速度+力矩限制”。3.2吊具運(yùn)用場合和環(huán)境該吊具卷筒安裝在起重機(jī)上，隨起重機(jī)一起工作在海洋性氣候的環(huán)境中，環(huán)境溫度：-10~45°C；濕度：100%；工作風(fēng)速：25米/秒；非工作風(fēng)速：55米/秒。3.3吊具基本信息和主參數(shù)1、數(shù)量：1套/臺；2．最大懸掛長度：共計62米，其中軌上42米+軌下20米+懸掛高度0~4米（在吊具最高處時上架緩沖器至卷筒中心的高度）；3．在吊具最高處時：卷筒還可繞1圈；4．在吊具最低處時：卷筒上電纜剩余圈數(shù)3圈；5．起升速度參數(shù)：見表2；表2吊具起升速度參數(shù)類別起升速度（米/分）加速時間（秒）減速時間（秒）空吊具起升18033空吊具下降18033滿載起升901.51.5滿載下降901.51.56.驅(qū)動型式：改造前磁滯+變頻驅(qū)動，改造后為全變頻驅(qū)動；7.卷筒型式：單排多層纏繞卷盤；8.安裝方式：戶外安裝。4吊具電纜限制系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計對吊具電纜限制系統(tǒng)機(jī)械部分的改造較少且不是本文的重點探討對象，估僅在此處做粗略的介紹。4.1增加電機(jī)安裝座不同的電機(jī)其安裝座尺寸也有差異，故須要依據(jù)選用的電機(jī)重新設(shè)計其安裝座，以保證其的正確安裝和運(yùn)用。4.2增加制動器安裝依據(jù)新的吊具限制系統(tǒng)機(jī)電一體化的須要，在原系統(tǒng)中須要加入一制動器來保證系統(tǒng)制動實力和斷電時系統(tǒng)的平安，制動器安裝在原系統(tǒng)中電機(jī)的安裝位置，依據(jù)選用的制動器尺寸設(shè)計的安裝座如圖3所示：圖3制動器安裝座實物圖4.3減速箱大修對原減速箱進(jìn)行檢修，其中的齒輪、軸承假如不能運(yùn)用或不能滿足運(yùn)用要求的，要對其更換或重新選型。4.4增加過緊限位裝置針對改進(jìn)的吊具限制系統(tǒng)的須要，在原有吊具緩沖器上加裝過緊限位裝置，來保證電纜不因張力過大而產(chǎn)生故障。5橋吊吊具PLC限制系統(tǒng)硬件設(shè)計橋吊吊具PLC限制系統(tǒng)硬件設(shè)計是限制系統(tǒng)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，關(guān)系著PLC限制系統(tǒng)運(yùn)行的牢靠性、平安性、穩(wěn)定性。PLC限制系統(tǒng)供電電源一般為AC8—5-240V，適應(yīng)電源范圍較寬，一般加裝抗干擾的電源濾波器、1:1隔離變壓器等電源凈化原件。PLC限制系統(tǒng)的輸出電路設(shè)計，依據(jù)生產(chǎn)工藝要求，一般接受適應(yīng)于高頻動作、響應(yīng)時間短的晶體管輸出各種指示燈、變頻器的啟動停止。抗干擾設(shè)計是PLC限制系統(tǒng)設(shè)計時必需考慮的問題，一般接受隔離、屏蔽、布線等防干擾方式。5.1限制系統(tǒng)的輸入輸出信號橋吊吊具系統(tǒng)的限制主要由PLC完成，PLC是限制系統(tǒng)的核心。吊具限制系統(tǒng)輸入輸出點是PLC的選型的一個重要參考，依據(jù)被控對象的困難程度，以及生產(chǎn)工藝的要求，進(jìn)行I/O點數(shù)的統(tǒng)計，列出清單，以備運(yùn)用，并適當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存容量的估計，確定留有適當(dāng)?shù)能浻惨娰Y源余量而不奢侈資源的機(jī)型。輸入信號包括主控PLC的各種通訊信號、編碼器和熱繼電器的反饋信號、制動器的狀態(tài)信號、各種限位信號等。輸出信號包括給反饋主控PLC的各種通訊信號、吊具屏的各種顯示報警信號、各接觸器的動作信號、變頻器的動作信號等。對吊具電纜限制系統(tǒng)輸入輸出點的統(tǒng)計見表3、表4。表3-3吊具電纜限制系統(tǒng)輸入點歸納序號輸入點序號輸入點1變頻器接觸點閉合9手動選中2變頻器故障10手動收電纜3制動器接觸器閉合11手動放電纜4制動器狀態(tài)指示12電纜滿盤5制動器抱閘緊13電纜空盤6制動器抱閘松14電纜過緊限位7電機(jī)熱繼電器15編碼器8制動器檢測繼電器表4吊具電纜限制系統(tǒng)輸出點統(tǒng)計序號輸出點序號輸出點1制動器平安接觸器6變頻器故障2制動器接觸器7電機(jī)過載3主接觸器8電纜過緊4電纜卷盤運(yùn)轉(zhuǎn)9電纜卷盤未滿盤5電纜卷盤無故障10電纜卷盤未空盤5.2PLC的選型可編程限制器，簡稱PLC即ProgrammableLogicDevice，是為了取代老式的繼電器限制系統(tǒng)而特地為工業(yè)限制所設(shè)計的綜合型限制系統(tǒng)，一般分為軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)，PLC構(gòu)成[2]如下圖4所示，它具有強(qiáng)大的和工業(yè)設(shè)備相連接的接口，具有更適用于限制要求的編程語言[3]。它可以將預(yù)先編制的指令存儲起來，然后依據(jù)指令進(jìn)行邏輯運(yùn)算、依次限制、定時、計數(shù)等，并通過模擬或數(shù)字輸入/輸出，從而來機(jī)械動作或生產(chǎn)過程。圖4PLC構(gòu)成框圖橋吊吊具限制系統(tǒng)主要有PLC完成，PLC是電氣限制的核心，現(xiàn)在的PLC產(chǎn)品種類很多，但各種類型之間也有確定的差異，甚至有些差異還很大，因此只有選擇適合的PLC，才能使整個系統(tǒng)更加牢靠。PLC選型基本規(guī)則[4,5,6,7]：要能滿足運(yùn)用要求(依據(jù)限制系統(tǒng)輸入輸出點數(shù)多少)，限制系統(tǒng)運(yùn)行的牢靠性要高，維護(hù)簡潔便利，性價比要高。基于對改造系統(tǒng)僅是整個橋吊電氣限制系統(tǒng)中的一個模塊，考慮到客戶對原運(yùn)用系統(tǒng)的已經(jīng)比較熟悉，以及整個系統(tǒng)的牢靠性和兼容性，維護(hù)便利性，本次改造原系統(tǒng)所運(yùn)用的西門子系統(tǒng)，同時依據(jù)輸入輸出信號數(shù)量及詳細(xì)的運(yùn)用要求，所選用的PLC的型號CPU315-2DP，整機(jī)系統(tǒng)接受PROFIBUS-DP總線限制，信息監(jiān)控系統(tǒng)接受TP170A人機(jī)界面。該P(yáng)LC[8]含有PROFIBUS主從接口，主站駕馭數(shù)據(jù)流的限制權(quán)，可以在沒有外部請求下發(fā)送指令或讀取從站信息。從站連接變頻器等簡潔設(shè)備。SINAMICSS210[9]集V/F、矢量限制及伺服限制于一體的驅(qū)動限制系統(tǒng)，它不僅能限制一般的三相異步電動機(jī)，還能限制同步電機(jī)、扭矩電機(jī)及直線電機(jī)。內(nèi)部集成的DCC（驅(qū)動限制圖表）功能，用PLC的編程語言來實現(xiàn)邏輯、運(yùn)算及簡潔的工藝等功能。人機(jī)界面能體現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，檢修人員只要查看人機(jī)界面顯示的故障信息，就可以解除故障。其接口示意圖如下圖5。圖5SIEMENSCPU315-2DP的接口示意圖已安裝在電器柜中的PLC如圖6所示。圖6已安裝的PLC實物圖5.3吊具電纜的選擇橋吊用吊具電纜運(yùn)用的環(huán)境比較惡劣，通常安裝在戶外，經(jīng)常在高溫或低溫下工作，承受海風(fēng)、雨水等的侵襲，必需有確定耐凹凸溫、耐酸/堿、抗老化等特性；要在高速下作業(yè)，還要不斷的進(jìn)行卷盤動作，不能因此造成電纜的扭曲，導(dǎo)致斷芯，必需有確定能耐磨、耐彎曲、耐扭轉(zhuǎn)等特性；要能承受較大的拉力；要有確定的抗電磁干擾實力等。因此吊具電纜的性能要求高，價格昂貴，一般運(yùn)用國外進(jìn)口的的較多。依據(jù)本探討的運(yùn)用要求，最終選定的吊具電纜狀況如下：電纜型號：PRYSIMACORDAFLEX0.6/1KV44*2.5mm2電纜最大直徑：37.1毫米電纜重量：2.28公斤/米電纜允許拉力：5100牛電纜最小允許彎曲半徑：_8Dmm5.4變頻電機(jī)的選型電纜卷盤卷繞力矩的大小由電纜重力、集電環(huán)輸電箱滑環(huán)和碳刷的摩擦力、電纜彎曲阻力、電纜卷盤轉(zhuǎn)動的阻力等所產(chǎn)生的合力矩所確定的。這個卷繞力矩的精準(zhǔn)計算很難實現(xiàn)，但對于變頻電機(jī)的選型，可以用原來電機(jī)的功率來確定，原電機(jī)的功率為5.5KW(兩臺)，因此選定電機(jī)的功率為11KW。依據(jù)變頻電機(jī)的功率和橋吊的運(yùn)用狀況，最終選定的變頻電機(jī)如下：電機(jī)品牌：上海ABB變頻調(diào)速電機(jī)QABP160M4數(shù)量：1臺防護(hù)等級：IP55絕緣等級：F溫升等級：B級電機(jī)工作制：S1(1分鐘160%過載)電機(jī)冷卻方式：IC411(自帶風(fēng)扇冷卻)增量型編碼器配置：LINELINDE產(chǎn)品：XHI80386-120-HTL/1024，電機(jī)內(nèi)置；標(biāo)配加熱器和測溫元件；220VAC/1PH，50W常閉開關(guān)量信號接線盒進(jìn)線方式：軟管(G1-1/4″)兩個；主要技術(shù)參數(shù)：380VAC，50Hz，11KW，23.2A，70N.m，1460r/min；圖7變頻電機(jī)安裝實物圖小結(jié)本章介紹了橋吊吊具電纜限制系統(tǒng)設(shè)計，闡述了限制過程及總體設(shè)計方案，和橋吊吊具限制系統(tǒng)硬件設(shè)計等。選擇了合適的橋吊吊具電纜電氣限制方式，介紹了橋吊吊具限制系統(tǒng)限制過程，并設(shè)計出了限制系統(tǒng)總體方案，給出了限制系統(tǒng)原理圖。明確了橋吊吊具的運(yùn)用場合和環(huán)境，給出了吊具基本信息和主參數(shù)，包括起升速度詳細(xì)參數(shù)；對機(jī)械部分設(shè)計也做了簡潔說明，增加了吊具限制系統(tǒng)