變頻調速冗余控制技術在塔機中的應用

王繼東，王玉清，魏鐵壯

(1．鄭州工程技術學院 土木工程學院，河南 鄭州 450054；2.中國電建集團河南工程有限公司，河南 鄭州 450001；3.中國能源建設集團東北電力第一工程有限公司，遼寧 沈陽 110168 )

1 引言

塔機是現代化工程建設必備的重要設備，廣泛應用于水利電力、冶金化工、港口碼頭、船舶建造、礦山開采、民用建筑以及一帶一路等重要工程建設中[1]?，F代工程建設中最為常用的塔機有兩種形式，一種是小車變幅式塔機如圖1所示，另一種是動臂變幅式塔機如圖2所示。

圖1 小車變幅式塔機示意圖

圖2 動臂變幅式塔機示意圖

兩種塔機常被用作工程施工的主力吊車，塔機的運行狀況直接影響著工程建設的進度，進而對施工企業的經濟效益產生很大的影響。如果作為主力吊車的塔機因某種故障而停機，將會導致工程建設的停滯，給工程施工企業造成巨大的經濟損失。據有關報道表明，一個大型工程項目停工一天至少造成40萬—50萬元的經濟損失。如果該塔機連續停工數天，會給施工企業造成巨大的經濟損失。

經過對我國某電力建設公司的塔機運行狀況調查統計發現，作為主力吊車的塔機故障造成的停工天數約為每年7—14天，相應經濟損失約280萬-700萬元之間。同時，塔機的故障引起的工期延誤還會對企業的聲譽造成不良影響。除此之外，如果在停機期間出現惡劣的氣候變化，比如大風及雷雨天氣，塔機由于故障停機的原因，而不能及時運行至安全狀態，還會給現場設備和人身安全造成巨大的危險隱患。因此，提高塔機的可靠性，減少塔機的故障持續時間是塔機制造者和使用者都非常關注的一個重要課題。本文對塔機的故障狀況進行了詳細分析，并結合多年塔機設計經驗，給出了一個提高塔機可靠性的重要方法。

2 塔機電氣控制系統的現狀及存在問題

在2000年以前，變頻調速器剛出現不久，價格比較昂貴，僅應用于重要場合。大部分塔機均采用傳統的低壓電氣控制系統，變極調速、切換電阻調速、機械換擋調速是常用的調速方案。這種塔機調速方案的特點是線路復雜、系統故障率高[2]；操作時對機械設備的沖擊較大，容易造成機械振動、機械磨損和機械部件損壞，進而降低整機的使用壽命；調速平滑性差，運行平穩性差，工作效率很低。因此對工程進度、工程質量影響很大。但是，由于電氣控制系統是由比較普通的電氣元件組成，故障維修技術比較簡單，施工現場的普通電工即可完成，所以電氣故障恢復時間較短。

自2000年之后，隨著電力電子技術的飛速發展，變頻調速設備越來越便宜，促進了變頻調速技術在工業領域中的普及應用，變頻調速技術在塔機中也得到了廣泛應用。

由于變頻調速器是高度集成的調速設備，所以應用于塔機控制時，所需的外部接線比較簡單，故障率較低；變頻調速的調速范圍大，調速平滑性好，起制動過程無沖擊，運行平穩，能夠減小機械設備運行的沖擊和振動，因而不僅能夠提高塔機的工作效率，還能夠延長塔機的機械壽命[3]。

但它也有美中不足之處，因為塔機是工程施工設備，施工現場的環境比較惡劣，另一方面，根據工程的需求，還需要頻繁地拆裝和轉移施工現場。變頻調速器會受到諸如雷電干擾、雨水侵襲、電磁干擾、器件老化以及震動和沖擊等因素的損害，而造成故障。變頻器高度集成，技術含量高，許多故障施工現場的電工無法處理，必須由變頻調速器廠家技術人員進行修理，由于路途和修理過程的影響，一般會造成3-7天的停機誤工時間，從而引起工程施工的停滯，給施工企業造成相關經濟損失、商譽損失和安全隱患。由此可見，縮短因變頻器故障造成的停機時間對工程施工企業而言具有重要的現實意義。

3 變頻調速冗余控制技術方案

在起重機電氣控制系統中采用冗余設計，是減少故障停機時間的重要措施之一，冗余控制技術在核電、冶金、港口、水電站等重要場合的起重機電控系統中已經有不少應用，應用反饋效果良好。而在建筑工程施工塔機中的應用還比較少。隨著我國現代化建設的發展，人們對塔機故障停機造成的危害體會越來越深刻，迫切需要對落后的塔機電控系統進行設計改造，以減少因塔機故障停機造成的經濟損失和安全隱患。本文結合多年的工程設計經驗，提出一個既經濟又具有較高性能的變頻調速冗余控制方案，以期對廣大建筑塔機用戶有所幫助。

3.1 塔機電氣控制系統簡介

為了提高塔機的運行可靠性和工作效率，目前塔機的電氣控制系統的組成一般如圖3所示，它由6大部分組成，其中，配電系統是用于為塔機各個機構提供電能和電氣線路的保護；PLC程序控制系統是用于整個塔機各機構操作和運行的邏輯控制和安全保護控制；操作系統用于司機向塔機發出手柄操作指令及監視各種安全信號；另外三個是變頻調速系統是用于為塔機的起升機構、變幅機構和回轉機構的電動機提供頻率可調的動力電源。這樣的系統配置的特點是，塔機的三大機構既能單獨工作，又能同時工作，塔機的工作速度快，生產效率高。其缺點是，一旦某個變頻調速系統故障損壞，相應的機構就不能繼續工作，調運的載荷就不能及時運送就位，從而造成停機誤工，產生安全隱患與重大的經濟損失。

圖3 塔機電氣控制系統圖

3.2 塔機變頻冗余控制方案

要消除塔機故障誤工引起的工程損失，一般從兩方面著手。一是提高塔機電控設備和電控元件的可靠性，也就是提高它們的耐惡劣環境能力和選擇較高質量的設備和元件，以減少電控系統的故障率，進而減少故障誤工引起的工程損失。二是增設塔機故障備用電路，在塔機電控系統發生故障時，采用備用電路繼續工作，這就是所謂的冗余控制技術。采用專門的備用控制設備是不太經濟的，因此很難被廣大塔機用戶所接受，本文提出了一種各機構電氣控制系統互為備用的控制方案，具有很好經濟性和不俗的可靠性。多年的工程實踐表明，變頻調速系統故障是造成停機誤工的最主要原因，本文重點討論變頻調速系統的冗余控制方案。

圖4是該方案的控制系統圖，它是一種兩兩互備的冗余控制方案。工作原理如下，在正常情況時，塔機電控系統的工作如同圖3系統所示正常工作。一旦某個機構的變頻調速系統故障，通過操作臺上的旋鈕直接切換到另一個機構的變頻調速系統來執行本機構的工作，從而避免了因故障造成的塔機停機，保證了工程的正常施工。例如，如果起升機構變頻調速系統VVF1發生故障，可采用變幅變頻調速系統VVF2來控制起升機構的驅動電動機1M的運行；如果變幅機構變頻調速系統VVF2故障，可以通過回轉變頻調速系統VVF3來控制變幅驅動電動機2M的運行；如果回轉變頻調速系統VVF3故障，我們可通過起升機構變頻調速系統VVF1來控制回轉機構驅動電動機3M的運行。切換程序流程圖如圖 5所示。這樣一來，對故障設備的維修過程，不影響塔機的正常操作，從而消除或減少了故障停機帶來的各種不足。

圖4 塔機電氣控制系統圖(改造后)

圖5 塔機運行程序流程圖(改造后)

3.3 塔機變頻冗余控制電路原理圖及變頻器參數的設置

從上述變頻調速冗余控制的切換過程可知，當一個變頻調速器故障時，要實現另一臺變頻器的投入，必須滿足兩個條件，首先，必須給定一個切換信號，使該臺變頻器接通故障設備的電動機，另外，變頻調速器內部的控制參數組必須切換到與故障設備電動機相適應的參數組。具體電路圖如圖6 所示，其工作原理是，當電機切換信號為0時，變頻調速器按控制和保護電動機1M的參數組正常工作，接觸器1KM閉合接通電動機1M，接觸器2KM切斷電動機2M；當電機切換信號為1時，變頻調速器切換到控制和保護電動機2M的參數組進行工作，接觸器2KM閉合接通電動機2M，接觸器1KM斷開切斷電動機1M。在時序控制上要求，接觸器1KM和2KM的切換要早于變頻調速器啟動之前5s以上。同時要注意，變頻調速器的規格的選擇應按塔機最大功率機構的電動機容量進行選定。

圖6 雙電動機切換控制原理圖

外部電路的切換必須和變頻調速器內部參數的切換配合進行，才能實現冗余控制電路的正常運行。因此，在冗余控制電路投入運行之前，應分別按兩個機構電動機的參數對變頻調速進行設置，以滿足兩個電動機的正常運行和安全保護。

以日本安川H1000系列變頻調速器為例，假如我們選擇多功能輸入端子S6作為電機切換信號輸入點。此時，應把變頻調速器的參數H-06的值設定為16，把端子S6定義為電機切換信號輸入端子；然后，依據電動機1M和電動機2M的實際工程需求設置相應參數。比如參數C1-01、C1-02設置為電機1的加、減速時間；C1-05、C1-06設置為電機2的加、減速時間；其他參數見表 1參數一覽表。此時，S6信號為0時，電動機1參數組起作用。S6信號為1時，電動機2參數組起作用。參數設置完畢后，系統才能投入使用。對于其他品牌的變頻調速器應參照該品牌的操作手冊進行設置。

表 1 從電機1切換到電機2時對應的參數切換一覽表[4]

3.4 工程應用和使用效果

2017年至2020年間，河南某電力建設公司依據該方案對一臺FZQ型和一臺PZQ型塔機電氣控制系統進行了升級改造。自投入使用以來，因調速系統的故障原因產生的年故障停機時間，由改造前的7—14天減少到0—2天，每年平均為公司減少400萬誤工損失。而設備改造所需的一次性投資不到改造前的年誤工損失的1/20。多年的工程實踐證明，此方案具有很大的推廣價值。

4 結語

近年來，我國經濟建設飛速發展，工程建設如火如荼，對工程塔機的安全性、可靠性要求越來越高。同時，隨著電力電子技術的高度發展，變頻調速器的價格越來越便宜，塔機變頻調速系統的冗余控制方案已成為技術先進、安全可靠、經濟性合理的優質設計方案，完全滿足工程設計的設計原則，加之它在減少故障停機誤工時間方面的巨大優越性，該方案在未來的工程塔機中必將得到更為廣泛的應用，為我國的經濟建設做出更大貢獻！