輪胎吊起升機構電氣控制故障防范措施

李義剛+龔興國+王國

蛇口集裝箱碼頭有限公司（以下簡稱蛇口集裝箱碼頭）采用西門子控制系統的輪胎吊共24臺，其起升機構電氣控制主要采用交流變頻技術和全數字可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術，PLC型號為CP 315-2DP，驅動器型號為6SE70系列，兩者之間采用PROFIBUS-DP通信，具有響應速度快的特點。本文針對蛇口集裝箱碼頭輪胎吊起升機構在運行過程中出現的偶發性故障，提出輪胎吊起升機構電氣控制故障防范措施，以期為同類故障分析及處理提供借鑒。

1 輪胎吊起升機構電氣控制故障

1.1 偶發性故障現象

蛇口集裝箱碼頭采用西門子控制系統的輪胎吊使用年限已超過10年，其電氣元件已開始老化。小車拖令電纜絕緣損壞會導致設備在運行中出現漏電現象，造成人員傷亡或設備損壞。為防止設備漏電，需要對輪胎吊驅動器主回路采取漏電預防措施，并開啟驅動器漏電檢測功能，此時輪胎吊起升機構在作業過程中偶爾會出現以下故障：（1）在起升機構開始運行的瞬間，吊具下滑左右，此時驅動器故障停車；（2）當起升機構運行時，其在制動器釋放瞬間有抖動現象，同時驅動器報F011故障。

1.2 故障原因分析

1.2.1 制動器控制原理

分析輪胎吊起升機構的硬件組成、控制原理及程序結構可知，吊具下滑故障的主要原因是制動器提前釋放，因此，有必要進一步分析制動器控制原理。

1.2.1.1 硬件組成

輪胎吊起升機構的硬件主要由變頻電機（）、電力液壓塊式1號制動器、電力液壓塊式2號制動器、減速箱、驅動器（6SE7035-1TJ60）、卷筒、控制元件等組成。

1.2.1.2 電氣控制

根據輪胎吊起升機構制動器電氣控制原理，打開制動器需要滿足以下3個條件。

（1）剎車釋放條件一：K001繼電器。主要用于檢測起升機構電氣控制回路空氣開關、安全回路等故障，若電氣控制回路正常，剎車釋放條件一滿足。

（2）剎車釋放條件二：K070繼電器。早期起升機構驅動器剎車釋放條件參數為默認設置，控制合送電后驅動器顯示參數r001為011時，驅動器輸出剎車釋放信號，剎車釋放條件二滿足，此時驅動器處于準備狀態，無輸出轉矩。

（3）剎車釋放條件三：K065和K067繼電器。K065和K067繼電器由PLC控制，分別控制電力液壓塊式1號制動器和電力液壓塊式2號制動器。在制動過程中，PLC發出制動信號，控制1號和2號制動器一前一后抱閘，并根據制動器設定的制動次數來選擇制動器一前一后互換，所以需要采用2個繼電器分別控制1號和2號制動器。

1.2.1.3 PLC程序邏輯控制

控制合送電后，驅動器接收待機命令，驅動器待機正常時傳送正常狀態信號給PLC；PLC檢測起升連鎖信號（包括大車位置信號、起升高度位置信號、吊具信號等）正常時，起升主令手柄向下或向上時，手柄主給定信號經過連鎖邏輯處理后，通過PROFIBUS-DP通信協議傳輸到驅動器；驅動器收到控制運行命令及主給定信號后，制動器在驅動器輸出轉矩的同時打開，起升電機運行。手柄信號斷開，驅動器的輸出在設定斜坡時間到達后封鎖；當驅動器的速度反饋檢測比值低于2%時，驅動器判斷起升電機為零速狀態，此時驅動器傳送零速信號給PLC；PLC根據該信號控制制動器制動抱閘，起升機構停止運行。

1.2.1.4 驅動系統

起升機構驅動器的控制模式設定為閉環矢量控制，矢量控制的原理是通過模擬直流電機的控制特點來控制異步電機：通過矢量變換將定子電流矢量分解成物理上不直接存在的轉矩電流和勵磁電流，再對其分別進行控制，最后再進行反變換，從而實現對異步電機的控制。起升電機選用轉速為990～ /min的電機，驅動器可實現起升電機的恒轉矩和恒功率調速，達到節約電能、提高作業效率的目的。起升機構在空吊具狀態下恒功率運行，在吊箱狀態下恒轉矩運行，兩者根據吊具的開閉鎖信號及吊具在閉鎖狀態下的質量進行轉換，并通過PLC邏輯運算對驅動器進行基頻或基頻以上調速控制。收到PLC控制運行命令及主給定信號后，驅動器輸出轉矩運行。起升機構的起升高度、停止及減速位置由起升電機速度反饋信號在驅動器處理后傳送到PLC進行運算后確定，PLC根據運算結果對驅動器的主給定信號進行減速及停止控制。

1.2.2 故障原因

輪胎吊起升機構起升運行時主要由PLC控制，當PLC控制運行命令及主給定信號傳送到驅動器時，在驅動器輸出轉矩的同時起升制動器打開，兩者間采用PROFIBUS-DP通信協議，響應時間非常短（毫秒級）。若起升機構驅動器運行正常，起升驅動器的輸出轉矩可與起升制動器同步運行，此時吊具不會出現下滑故障。當驅動器開啟漏電檢測功能時，驅動器收到控制運行命令及主給定信號，此時驅動器處于檢測輸出回路是否有漏電現象的狀態，且驅動器無輸出轉矩。若該輸出回路檢測正常，驅動器立刻輸出轉矩，起升機構運行正常。若該輸出回路中有輕微漏電且其未達到驅動器默認參數值時，驅動器仍處于漏電檢測狀態。此時因PLC已發出起升制動器打開控制命令，吊具的自重及其吊箱導致吊具下滑，起升電機在下滑過程中向驅動器反饋速度信號，驅動器檢測到其與實際輸出給定值的偏差達到設定值時，驅動器故障停車，起升制動器抱閘。

2 輪胎吊起升機構電氣控制故障防范措施

輪胎吊的起升機構屬位勢負荷，制動器的安全控制決定于起升機構安全運行因素。在起升機構開始運行時，起升制動器打開、抱閘與驅動器輸出配合十分關鍵；因此，起升機構運行安全性可以從制動器控制方面入手加以改善。如前文所述：起升機構制動器打開的條件一屬硬件保護回路，該條件是客觀的；條件二和三屬邏輯性控制，在設計上增加保護功能可以強化邏輯控制，從而達到提升起升機構運行安全性的目的。

2.1 改善驅動器功能

起升機構原驅動器的剎車釋放信號默認為P601，默認值為B0124，該值是接觸器得電信號，驅動器在待機狀態下有該信號輸出，此時驅動器無轉矩輸出。為此，可在驅動器輸出轉矩的比值達到設定值時將其與B0124進行相與，驅動器輸出剎車釋放信號（滿足控制起升制動器條件二）。

2.2 改善PLC程序邏輯控制

PLC程序邏輯控制改善前，當起升機構的連鎖條件正常時，收到起升手柄信號，程序邏輯信號M22.3為1時制動器打開（見圖1）。PLC程序邏輯控制改善后，程序邏輯信號M22.3在功能FC123第6段中與驅動器的輸出轉矩信號按設定比值信號相與，當驅動器輸出轉矩達到設定值1且M22.3為1時，起升機構制動器打開。PLC程序中增加的比較邏輯控制功能如圖2所示。

3 輪胎吊起升機構電氣控制故障防范措施實施效果

輪胎吊起升機構驅動系統改造前后驅動器在實際運行中的測試情況分別如圖3和圖4所示。西門子6SE70系列驅動器的功能強大，通過調整驅動器參數可以實現對不同使用環境下多用途設備的控制，以滿足其工況和作業需求。輪胎吊起升機構驅動系統改善后，驅動器輸出轉矩建立時起升機構制動器才打開，從而避免在起升機構運行過程中出現吊具下滑等故障，提高起升機構運行安全性。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-08-28）

蛇口集裝箱碼頭有限公司（以下簡稱蛇口集裝箱碼頭）采用西門子控制系統的輪胎吊共24臺，其起升機構電氣控制主要采用交流變頻技術和全數字可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術，PLC型號為CP 315-2DP，驅動器型號為6SE70系列，兩者之間采用PROFIBUS-DP通信，具有響應速度快的特點。本文針對蛇口集裝箱碼頭輪胎吊起升機構在運行過程中出現的偶發性故障，提出輪胎吊起升機構電氣控制故障防范措施，以期為同類故障分析及處理提供借鑒。

1 輪胎吊起升機構電氣控制故障

1.1 偶發性故障現象

蛇口集裝箱碼頭采用西門子控制系統的輪胎吊使用年限已超過10年，其電氣元件已開始老化。小車拖令電纜絕緣損壞會導致設備在運行中出現漏電現象，造成人員傷亡或設備損壞。為防止設備漏電，需要對輪胎吊驅動器主回路采取漏電預防措施，并開啟驅動器漏電檢測功能，此時輪胎吊起升機構在作業過程中偶爾會出現以下故障：（1）在起升機構開始運行的瞬間，吊具下滑左右，此時驅動器故障停車；（2）當起升機構運行時，其在制動器釋放瞬間有抖動現象，同時驅動器報F011故障。

1.2 故障原因分析

1.2.1 制動器控制原理

分析輪胎吊起升機構的硬件組成、控制原理及程序結構可知，吊具下滑故障的主要原因是制動器提前釋放，因此，有必要進一步分析制動器控制原理。

1.2.1.1 硬件組成

輪胎吊起升機構的硬件主要由變頻電機（）、電力液壓塊式1號制動器、電力液壓塊式2號制動器、減速箱、驅動器（6SE7035-1TJ60）、卷筒、控制元件等組成。

1.2.1.2 電氣控制

根據輪胎吊起升機構制動器電氣控制原理，打開制動器需要滿足以下3個條件。

（1）剎車釋放條件一：K001繼電器。主要用于檢測起升機構電氣控制回路空氣開關、安全回路等故障，若電氣控制回路正常，剎車釋放條件一滿足。

（2）剎車釋放條件二：K070繼電器。早期起升機構驅動器剎車釋放條件參數為默認設置，控制合送電后驅動器顯示參數r001為011時，驅動器輸出剎車釋放信號，剎車釋放條件二滿足，此時驅動器處于準備狀態，無輸出轉矩。

（3）剎車釋放條件三：K065和K067繼電器。K065和K067繼電器由PLC控制，分別控制電力液壓塊式1號制動器和電力液壓塊式2號制動器。在制動過程中，PLC發出制動信號，控制1號和2號制動器一前一后抱閘，并根據制動器設定的制動次數來選擇制動器一前一后互換，所以需要采用2個繼電器分別控制1號和2號制動器。

1.2.1.3 PLC程序邏輯控制

控制合送電后，驅動器接收待機命令，驅動器待機正常時傳送正常狀態信號給PLC；PLC檢測起升連鎖信號（包括大車位置信號、起升高度位置信號、吊具信號等）正常時，起升主令手柄向下或向上時，手柄主給定信號經過連鎖邏輯處理后，通過PROFIBUS-DP通信協議傳輸到驅動器；驅動器收到控制運行命令及主給定信號后，制動器在驅動器輸出轉矩的同時打開，起升電機運行。手柄信號斷開，驅動器的輸出在設定斜坡時間到達后封鎖；當驅動器的速度反饋檢測比值低于2%時，驅動器判斷起升電機為零速狀態，此時驅動器傳送零速信號給PLC；PLC根據該信號控制制動器制動抱閘，起升機構停止運行。

1.2.1.4 驅動系統

起升機構驅動器的控制模式設定為閉環矢量控制，矢量控制的原理是通過模擬直流電機的控制特點來控制異步電機：通過矢量變換將定子電流矢量分解成物理上不直接存在的轉矩電流和勵磁電流，再對其分別進行控制，最后再進行反變換，從而實現對異步電機的控制。起升電機選用轉速為990～ /min的電機，驅動器可實現起升電機的恒轉矩和恒功率調速，達到節約電能、提高作業效率的目的。起升機構在空吊具狀態下恒功率運行，在吊箱狀態下恒轉矩運行，兩者根據吊具的開閉鎖信號及吊具在閉鎖狀態下的質量進行轉換，并通過PLC邏輯運算對驅動器進行基頻或基頻以上調速控制。收到PLC控制運行命令及主給定信號后，驅動器輸出轉矩運行。起升機構的起升高度、停止及減速位置由起升電機速度反饋信號在驅動器處理后傳送到PLC進行運算后確定，PLC根據運算結果對驅動器的主給定信號進行減速及停止控制。

1.2.2 故障原因

輪胎吊起升機構起升運行時主要由PLC控制，當PLC控制運行命令及主給定信號傳送到驅動器時，在驅動器輸出轉矩的同時起升制動器打開，兩者間采用PROFIBUS-DP通信協議，響應時間非常短（毫秒級）。若起升機構驅動器運行正常，起升驅動器的輸出轉矩可與起升制動器同步運行，此時吊具不會出現下滑故障。當驅動器開啟漏電檢測功能時，驅動器收到控制運行命令及主給定信號，此時驅動器處于檢測輸出回路是否有漏電現象的狀態，且驅動器無輸出轉矩。若該輸出回路檢測正常，驅動器立刻輸出轉矩，起升機構運行正常。若該輸出回路中有輕微漏電且其未達到驅動器默認參數值時，驅動器仍處于漏電檢測狀態。此時因PLC已發出起升制動器打開控制命令，吊具的自重及其吊箱導致吊具下滑，起升電機在下滑過程中向驅動器反饋速度信號，驅動器檢測到其與實際輸出給定值的偏差達到設定值時，驅動器故障停車，起升制動器抱閘。

2 輪胎吊起升機構電氣控制故障防范措施

輪胎吊的起升機構屬位勢負荷，制動器的安全控制決定于起升機構安全運行因素。在起升機構開始運行時，起升制動器打開、抱閘與驅動器輸出配合十分關鍵；因此，起升機構運行安全性可以從制動器控制方面入手加以改善。如前文所述：起升機構制動器打開的條件一屬硬件保護回路，該條件是客觀的；條件二和三屬邏輯性控制，在設計上增加保護功能可以強化邏輯控制，從而達到提升起升機構運行安全性的目的。

2.1 改善驅動器功能

起升機構原驅動器的剎車釋放信號默認為P601，默認值為B0124，該值是接觸器得電信號，驅動器在待機狀態下有該信號輸出，此時驅動器無轉矩輸出。為此，可在驅動器輸出轉矩的比值達到設定值時將其與B0124進行相與，驅動器輸出剎車釋放信號（滿足控制起升制動器條件二）。

2.2 改善PLC程序邏輯控制

PLC程序邏輯控制改善前，當起升機構的連鎖條件正常時，收到起升手柄信號，程序邏輯信號M22.3為1時制動器打開（見圖1）。PLC程序邏輯控制改善后，程序邏輯信號M22.3在功能FC123第6段中與驅動器的輸出轉矩信號按設定比值信號相與，當驅動器輸出轉矩達到設定值1且M22.3為1時，起升機構制動器打開。PLC程序中增加的比較邏輯控制功能如圖2所示。

3 輪胎吊起升機構電氣控制故障防范措施實施效果

輪胎吊起升機構驅動系統改造前后驅動器在實際運行中的測試情況分別如圖3和圖4所示。西門子6SE70系列驅動器的功能強大，通過調整驅動器參數可以實現對不同使用環境下多用途設備的控制，以滿足其工況和作業需求。輪胎吊起升機構驅動系統改善后，驅動器輸出轉矩建立時起升機構制動器才打開，從而避免在起升機構運行過程中出現吊具下滑等故障，提高起升機構運行安全性。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-08-28）

蛇口集裝箱碼頭有限公司（以下簡稱蛇口集裝箱碼頭）采用西門子控制系統的輪胎吊共24臺，其起升機構電氣控制主要采用交流變頻技術和全數字可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術，PLC型號為CP 315-2DP，驅動器型號為6SE70系列，兩者之間采用PROFIBUS-DP通信，具有響應速度快的特點。本文針對蛇口集裝箱碼頭輪胎吊起升機構在運行過程中出現的偶發性故障，提出輪胎吊起升機構電氣控制故障防范措施，以期為同類故障分析及處理提供借鑒。

1 輪胎吊起升機構電氣控制故障

1.1 偶發性故障現象

蛇口集裝箱碼頭采用西門子控制系統的輪胎吊使用年限已超過10年，其電氣元件已開始老化。小車拖令電纜絕緣損壞會導致設備在運行中出現漏電現象，造成人員傷亡或設備損壞。為防止設備漏電，需要對輪胎吊驅動器主回路采取漏電預防措施，并開啟驅動器漏電檢測功能，此時輪胎吊起升機構在作業過程中偶爾會出現以下故障：（1）在起升機構開始運行的瞬間，吊具下滑左右，此時驅動器故障停車；（2）當起升機構運行時，其在制動器釋放瞬間有抖動現象，同時驅動器報F011故障。

1.2 故障原因分析

1.2.1 制動器控制原理

分析輪胎吊起升機構的硬件組成、控制原理及程序結構可知，吊具下滑故障的主要原因是制動器提前釋放，因此，有必要進一步分析制動器控制原理。

1.2.1.1 硬件組成

輪胎吊起升機構的硬件主要由變頻電機（）、電力液壓塊式1號制動器、電力液壓塊式2號制動器、減速箱、驅動器（6SE7035-1TJ60）、卷筒、控制元件等組成。

1.2.1.2 電氣控制

根據輪胎吊起升機構制動器電氣控制原理，打開制動器需要滿足以下3個條件。

（1）剎車釋放條件一：K001繼電器。主要用于檢測起升機構電氣控制回路空氣開關、安全回路等故障，若電氣控制回路正常，剎車釋放條件一滿足。

（2）剎車釋放條件二：K070繼電器。早期起升機構驅動器剎車釋放條件參數為默認設置，控制合送電后驅動器顯示參數r001為011時，驅動器輸出剎車釋放信號，剎車釋放條件二滿足，此時驅動器處于準備狀態，無輸出轉矩。

（3）剎車釋放條件三：K065和K067繼電器。K065和K067繼電器由PLC控制，分別控制電力液壓塊式1號制動器和電力液壓塊式2號制動器。在制動過程中，PLC發出制動信號，控制1號和2號制動器一前一后抱閘，并根據制動器設定的制動次數來選擇制動器一前一后互換，所以需要采用2個繼電器分別控制1號和2號制動器。

1.2.1.3 PLC程序邏輯控制

控制合送電后，驅動器接收待機命令，驅動器待機正常時傳送正常狀態信號給PLC；PLC檢測起升連鎖信號（包括大車位置信號、起升高度位置信號、吊具信號等）正常時，起升主令手柄向下或向上時，手柄主給定信號經過連鎖邏輯處理后，通過PROFIBUS-DP通信協議傳輸到驅動器；驅動器收到控制運行命令及主給定信號后，制動器在驅動器輸出轉矩的同時打開，起升電機運行。手柄信號斷開，驅動器的輸出在設定斜坡時間到達后封鎖；當驅動器的速度反饋檢測比值低于2%時，驅動器判斷起升電機為零速狀態，此時驅動器傳送零速信號給PLC；PLC根據該信號控制制動器制動抱閘，起升機構停止運行。

1.2.1.4 驅動系統

起升機構驅動器的控制模式設定為閉環矢量控制，矢量控制的原理是通過模擬直流電機的控制特點來控制異步電機：通過矢量變換將定子電流矢量分解成物理上不直接存在的轉矩電流和勵磁電流，再對其分別進行控制，最后再進行反變換，從而實現對異步電機的控制。起升電機選用轉速為990～ /min的電機，驅動器可實現起升電機的恒轉矩和恒功率調速，達到節約電能、提高作業效率的目的。起升機構在空吊具狀態下恒功率運行，在吊箱狀態下恒轉矩運行，兩者根據吊具的開閉鎖信號及吊具在閉鎖狀態下的質量進行轉換，并通過PLC邏輯運算對驅動器進行基頻或基頻以上調速控制。收到PLC控制運行命令及主給定信號后，驅動器輸出轉矩運行。起升機構的起升高度、停止及減速位置由起升電機速度反饋信號在驅動器處理后傳送到PLC進行運算后確定，PLC根據運算結果對驅動器的主給定信號進行減速及停止控制。

1.2.2 故障原因

輪胎吊起升機構起升運行時主要由PLC控制，當PLC控制運行命令及主給定信號傳送到驅動器時，在驅動器輸出轉矩的同時起升制動器打開，兩者間采用PROFIBUS-DP通信協議，響應時間非常短（毫秒級）。若起升機構驅動器運行正常，起升驅動器的輸出轉矩可與起升制動器同步運行，此時吊具不會出現下滑故障。當驅動器開啟漏電檢測功能時，驅動器收到控制運行命令及主給定信號，此時驅動器處于檢測輸出回路是否有漏電現象的狀態，且驅動器無輸出轉矩。若該輸出回路檢測正常，驅動器立刻輸出轉矩，起升機構運行正常。若該輸出回路中有輕微漏電且其未達到驅動器默認參數值時，驅動器仍處于漏電檢測狀態。此時因PLC已發出起升制動器打開控制命令，吊具的自重及其吊箱導致吊具下滑，起升電機在下滑過程中向驅動器反饋速度信號，驅動器檢測到其與實際輸出給定值的偏差達到設定值時，驅動器故障停車，起升制動器抱閘。

2 輪胎吊起升機構電氣控制故障防范措施

輪胎吊的起升機構屬位勢負荷，制動器的安全控制決定于起升機構安全運行因素。在起升機構開始運行時，起升制動器打開、抱閘與驅動器輸出配合十分關鍵；因此，起升機構運行安全性可以從制動器控制方面入手加以改善。如前文所述：起升機構制動器打開的條件一屬硬件保護回路，該條件是客觀的；條件二和三屬邏輯性控制，在設計上增加保護功能可以強化邏輯控制，從而達到提升起升機構運行安全性的目的。

2.1 改善驅動器功能

起升機構原驅動器的剎車釋放信號默認為P601，默認值為B0124，該值是接觸器得電信號，驅動器在待機狀態下有該信號輸出，此時驅動器無轉矩輸出。為此，可在驅動器輸出轉矩的比值達到設定值時將其與B0124進行相與，驅動器輸出剎車釋放信號（滿足控制起升制動器條件二）。

2.2 改善PLC程序邏輯控制

PLC程序邏輯控制改善前，當起升機構的連鎖條件正常時，收到起升手柄信號，程序邏輯信號M22.3為1時制動器打開（見圖1）。PLC程序邏輯控制改善后，程序邏輯信號M22.3在功能FC123第6段中與驅動器的輸出轉矩信號按設定比值信號相與，當驅動器輸出轉矩達到設定值1且M22.3為1時，起升機構制動器打開。PLC程序中增加的比較邏輯控制功能如圖2所示。

3 輪胎吊起升機構電氣控制故障防范措施實施效果

輪胎吊起升機構驅動系統改造前后驅動器在實際運行中的測試情況分別如圖3和圖4所示。西門子6SE70系列驅動器的功能強大，通過調整驅動器參數可以實現對不同使用環境下多用途設備的控制，以滿足其工況和作業需求。輪胎吊起升機構驅動系統改善后，驅動器輸出轉矩建立時起升機構制動器才打開，從而避免在起升機構運行過程中出現吊具下滑等故障，提高起升機構運行安全性。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-08-28）