提升門式起重機電氣控制及性能可靠性的方法

經德利

（新疆油田公司物資供應總公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

2 臺50 t/15 t-30 m 門式起重機屬于2002 年設計產品，所有控制方式為繼電器邏輯控制。由于繼電器邏輯控制可靠性差故障率高、設備控制不靈活、耗能大、整機行走啟動及停車時出現搖擺現象等缺點，目前已逐漸被淘汰，提出使用可靠性高、抗干擾能力強、維修方便的PLC 為控制單元核心，取代繼電器邏輯控制單元，其改造涉及費用遠低于更換新設備的費用，并能達到提升設備整體性能指標確保設備本質安全的目標。

1 設備系統現狀分析

1.1 電氣控制系統構成現狀及缺點

（1）構成現狀。3#起重機主鉤驅動電機型號YZR315M-10，功率75 kW；副鉤驅動電機型號YZR225M-8，功率33 kW；大車驅動電機型號YZR180L-8，功率11 kW，共計4 臺；小車驅動電機型號YZR160M-6，功率7.5 kW。2#起重機主鉤驅動電機型號YZR280M-10，功率45 kW；副鉤驅動電機型號YZR225M-8，功率33 kW；大車驅動電機型號YZR180L-8，功率11 kW，共計4 臺；小車驅動電機型號YZR160M-6，功率7.5 kW。

（2）主要缺點。2 臺起重機電機為接觸器控制系統和串電阻分段控制電機，設備運行時通過繼電器和接觸器頻繁動作來實現所控制設備的運行，造成接觸器觸頭粘連、燒蝕現象時有發生。由于電機轉子串多級電阻及定子調壓方式，使用過程中都是慣性負載致使設備工作沖擊大使設備壽命縮短。因使用線繞式電機，結構相對復雜，轉子繞組和集電環、電刷裝置容易出現故障，且轉子需外接電路和電阻設備造成電機功耗大，增加維修工作量。驅動電機啟動為接觸器全載啟動，起動電流大，對電網沖擊大。進行機械制動時，制動瓦磨損嚴重。

1.2 機械控制系統構成現狀及缺點

大車減速機型號為ZSCA800-62.5-1，是三級傳動漸開線圓柱齒輪減速機，高速軸轉速不超過1500 r/min，可正反運轉，工作環境溫度為-40～40 ℃，重約866 kg，中心距為350 mm，中心高為400 mm，高速輸入軸直徑為50 mm，帶1∶10 的錐度，空心軸鍵數有2 個。制動器為分立抱閘機構，行走啟動及停止時沖擊慣性大，抱閘調整過緊過松都不利于安全行駛。減速機密封漏油及內部齒輪時有損壞，減速機幾乎每年一次維修，造成維修費用居高不下。

2 改造設備控制系統的選型與控制實現

總體設計思路，各電氣保護控制及動作執行控制繼電器改由PLC 控制。主鉤、副鉤、小車、大車電機接觸器控制改為變頻調速控制，更換大車行走電機及減速器（圖1）。整個系統電機執行部分由7 臺電機構成，大車由4 臺電機同時拖動運行，主鉤、副鉤、小車各1 臺電機予以保留，所以共計配置4 臺變頻器傳動，由可編程控制器PLC 控制完成各項指令操作。

圖1 改造系統拓撲圖

2.1 PLC 選型及控制

本按例選擇S7-300可編程控制器，S7-300 是德國西門子公司生產的PLC 系列產品之一，采用可編程序的存儲器存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字或模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械生產過程。

依據現有設備及線路，結合PLC 功能及I/O 點繪制電氣控制原理圖，設計PLC 控制程序梯形圖，滿足系統控制的功能和要求（圖2）。主要設計完成對起重機各主令電器操作輸入的檢測，安全扶梯安全門、司機室門、配電室門、夾軌器限位、地錨限位開關的檢測，以及變頻器反饋數據值檢測等；控制大車、小車電機的運行方向、停止、加速及減速，實現前后運輸的需要；控制主、副鉤電機的運行方向、停止、加速及減速，實現吊裝貨物起重升降作業。

圖2 PLC 功能框圖

2.2 變頻器選型及控制

本系統選用安川CH700 系列起重機專用變頻器，具有較強控制性能和過載能力，帶搖擺及斜行防止功能。用戶可按推薦值合理選擇容量值，不用再涉及繁雜的設計計算。考慮到電源電壓波動因素及需通過125%超載試驗要求等因素，起升機構平均起動轉矩為額定力矩值的1.3～1.6 倍，其最大轉矩必須有1.8～2倍的負載力矩值。本案例實際選型考慮新疆的高溫及寒冷天氣環境因素功率均放大一級。

（1）主起升變頻器。3#起重機主鉤驅動電機型號YZR315M-10，功率75 kW，選擇CH70B4180 型號變頻器。2#起重機主鉤驅動電機型號YZR280M-10，功率45 kW，選擇CH70B4112 型號變頻器。

（2）副起升變頻器。3#、2#起重機副鉤驅動電機型號YZR225M-8，功率33 kW，選擇CH70B4075 型號變頻器。

（3）小車行走變頻器。3#、2#起重機小車驅動電機型號YZR160M-6，功率7.5 kW，選擇CH70B4024 型號變頻器。

（4）大車行走變頻器。因3#、2#起重機大車驅動電機及減速器更換，重新選擇電機型號YEPB132M-4B5-191028，功率7.5 kW，4 臺功率合計為30 kW，選擇CH70B4075 型號變頻器。

電氣設計確保制動器由接觸器控制與變頻器控制同步，提前會造成自動卸鉤，滯后會造成變頻器保護。

2.3 主、副鉤及小車電機改造

由于主、副鉤及小車電機為YZR 系列繞線式電機，暫載率40%，通過變頻控制就需要進行電機改造：將電機的轉子引線拆開，不經過碳刷直接短接，固定牢固，做好絕緣處理；繞線式異步電機為變頻控制時，通過改變頻率的控制可使電機獲得很好的平滑調速性和有足夠剛度的機械特性，避免了由于繞線式電機串電阻，使轉差率增大帶來的電機損耗，起到節能的目的（圖3）。

圖3 繞線式電機改造

在主、副鉤及小車電機一側加 裝 GFDD -590-120 恒流式冷卻風機，冷卻風速 950 m/h，風壓≥25 Pa，電壓380 V，功率60 W。整個風機結構合理、造型美觀，具有風量大、噪聲小、溫升低、壽命長、運行平穩、安裝方便等特點。

2.4 大車減速機選型及更換

大車原有減速機ZSCA800-62.5-1 拆除，電機及聯軸器拆除，選擇4 臺三合一電機驅動K 系列斜齒輪—螺旋錐齒輪減速機，其性能特點：①K 系列齒輪減速機是在模塊化組合體系的基礎上設計的，可以方便配用各種形式的電機，同種機型可配用各種功率的電機，容易實現各種機型之間的組合聯接；②傳動效率高，單機型減速機效率高達96%；③傳動比劃分細、范圍廣，組合機型可以形成較大的傳動比，輸出轉速低；④安裝方式可采取底腳安裝、空心軸安裝、空法蘭安裝、扭力臂安裝、小法蘭安裝等，形式多樣；⑤減速機運行平穩噪聲低，體積小重量輕，使用壽命長，承載能力強，易于拆卸安裝。

根據K 系列設計手冊及設備功能要求，選擇KA108-89.68-M4 型號減速機，采用扭力臂安裝方式，滿足設備驅動要求。

2.5 大車行走負重輪的更換

因為原有減速機驅動與行走負重輪的連接軸帶1∶10 錐度，所以原行走負重輪連接軸不能使用，需要重新定制加工行走負重輪軸4 套，加工完成后更換原有負重輪軸，安裝完成后，軸另一端安裝三合一減速機（圖4）。

圖4 大車行走負重輪驅動軸

3 采取系統抗干擾措施方法

龍門吊應用在工業現場，吊裝作業時周邊有其他大型運行設備及固定設備，工作環境中易產生各種電磁干擾，新安裝的PLC 控制器及變頻器對使用環境要求高，電磁干擾對系統設備的正常運行存在嚴重影響，應考慮PLC 的抗干擾措施。

（1）輸入、輸出信號使用帶屏蔽的硅膠多芯信號電纜。同段屏蔽線一端接地，另一端不接地，如有備用芯線也要一端接地可擴大屏蔽作用。抑制芯線間的信號串擾及外部干擾，大車上安裝的電力電纜與信號電纜、弱電電纜分開電纜橋架敷設。

（2）PLC 及盤柜增加一條獨立的接地線連接于主接地排中，其接地電阻應小于10 Ω。PLC 的周邊500 mm 內盡量不安裝接觸器及變壓器等容易產生電磁干擾的裝置，引至PLC盤柜的電纜要盡量遠離那些會產生電磁干擾的裝置。

（3）630 kV·A 供電變壓器與龍門吊相距50 m，電網回路中接有并聯補償電容器。在電網中可能產生過峰值電容造成變頻器損壞，所以在變頻器電源進線端加裝進線交流電抗器，以抑制變頻器造成的高頻峰值電流或電容器開斷造成的峰值電流對變頻器的危害。有條件的在輸出端可選擇加裝電源輸出濾波器，最大程度降低變頻器對電網的諧波干擾。

4 改造變頻器調速及減速機技術實現后的優點

（1）門式起重機電機采用變頻器驅動后，電機控制動作定位精確，吊運貨物平穩，起吊及制動平滑，各電機在運行中加、減速時對整機的沖擊明顯減少，避免了負載變化時電機轉速也隨之變化的現象，提高了起升作業的生產率。

（2）主、副鉤及大、小車在制動時，由變頻器控制電機在低速時完成機械制動器動作，機械制動器的制動片磨損率大為減小，使用壽命延長后使維護保養費用大為降低。

（3）采用PLC 控制，繼電器控制線路大為減少，電氣控制節點大為減少，保護功能及使用功能可靠性大幅度提高，程序控制準確性及功能完善性得到了充分保障。

（4）變頻器控制電機主回路為無觸點可控硅控制，變頻調速系統效率高損耗小，保護、監測、自我故障診斷能力非常完善。

（5）大車更換新減速機后運行平穩、噪聲低，減速機體積小重量輕、使用壽命長、承載能力強，避免了舊式減速機啟停沖擊大、制動器調整困難、滲漏油及頻繁檢修等情況發生。

5 結語

改造后的變頻器控制調速能耗低，工作效率及可靠性高，制動器磨損小，定位容易而且起停平滑，機械沖擊小，司機操控靈活方便，使老舊設備性能得到了大幅度提高，既節約了大量維修成本，又使設備本質安全得到了充分保障。