1 引言
重鋼股份有限公司運輸部四碼頭雙十噸浮吊自1992年投入使用，為重鋼生產作了重大貢獻，是保證重鋼生產得以持續(xù)進行的關鍵設備。但該浮吊原電氣控制系統(tǒng)為繼電器--接觸器控制系統(tǒng)，采用的是普通繞線型異步電動機轉子串電阻調速控制方式，調速性能差，在起停及調速過程中電氣沖擊很大，電氣元件經常損壞，電機也常被燒，電工的維護和維修任務很重。同時，由于電氣控制系統(tǒng)的缺陷，安全隱患多，機械磨損相當嚴重，如果不采用新的調速控制系統(tǒng)，浮吊面臨提前報廢的危險，將給正常生產帶來不可估量的損失。
在對浮吊電氣控制系統(tǒng)的特點與難點準確把握的前提下，確定把plc與變頻調速控制技術引入浮吊控制系統(tǒng)的技術改造方案，由于浮吊處于江邊的囤船上，電氣環(huán)境十分惡劣，船體隨著江面晃動，濕度大、粉塵多、夏天氣溫很高、電源質量差等，上述因素導致很強的電氣干擾，采取適當隔離措施以后，新系統(tǒng)終于開始正常工作。
雙十噸浮吊變頻調速電氣控制系統(tǒng)至今已投入運行1年多時間，統(tǒng)計數據表明，這是一個非常成功的技改項目，它不但挽救了一個瀕臨報廢的重要生產設備，并且，在這一年中，浮吊的運輸量不斷地創(chuàng)造新紀錄，直接帶來了可觀的經濟效益。現將應用中有關問題作簡要討論。
2 浮式起重機全機構控制的最佳調速控制方式
變頻器是輸出頻率可改變的交流電力拖動控制設備。對交流電動機來說，其轉速接近于由磁場旋轉速度決定的同步轉速，而同步轉速是與電源頻率成正比的，所以改變頻率也即改變電動機同步轉速來調速。在電源頻率、磁場強度和轉差率等影響交流異步電動機轉速的諸因素中，電源頻率是關鍵性的主導因素，改變頻率調速方式的機械特性好，抗擾動能力強，能耗低，調速范圍寬。因此，變頻調速目前是交流異步電動機最完美的調速方式。
異步電動機用變頻器調速組成的調速系統(tǒng)，其控制方法可分為2大類：
（1）是常規(guī)控制方式，以輸出頻率作為主控制量，輸出電壓作為頻率的單值函數，并適當采取相關的補償措施。由于缺乏有效控制磁通及力矩的手段，調速精度不高、力矩響應速度慢、低速力矩衰減明顯，動態(tài)控制參數差。采取速度閉環(huán)措施后，可以明顯提高穩(wěn)態(tài)速度控制精度，但其他各項指標沒有顯著改進，只適合于調速要求不高，調速范圍較小，不在極低速度下持續(xù)工作的場合。
（2）是先進的控制方式，其基本特點是間接實現對于磁通及力矩的有效控制，保持磁通基本恒定以克服低速力矩衰減，控制力矩以改善動態(tài)調速性能。其中以矢量控制法和直接轉矩控制法為代表，而目前應用最為普遍和成熟的是矢量控制。矢量控制原理是把異步電動機等效為經過變換的直流電動機模型，通過矢量變換將勵磁電流和力矩電流分解開，分別實現算法控制，再將兩種電流計算值進行矢量合成，實行統(tǒng)一輸出，既可控制磁通，又可控制力矩，因而所得的控制效果可與直流電動機調速系統(tǒng)相媲美。
異步電動機采用變頻調速，可以很好的改善電氣傳動系統(tǒng)的調速性能及動態(tài)品質，實現有級平滑調速或無級調速，并且機械特性很硬，抗負載擾動能力強。還可以很好的解決起重設備各運動機構的運行平穩(wěn)性問題，可任意設定各級速度及速度變化斜率，容易實現精確對位。利用變頻器的低速力矩特性，可以很好地防止低速下的“溜鉤”問題發(fā)生。在行車電機頻繁起動及變速的工況下，利用變頻器可以很好地節(jié)約能源。通過采用變頻器控制，還可以很好地解決繼電器—接觸器控制系統(tǒng)極易發(fā)生的主回路觸點粘連的嚴重問題，系統(tǒng)的可控制性、安全性及可靠性大幅度提高。
在重鋼雙十噸浮吊驅動調速控制系統(tǒng)中，選用的是日本安川公司的616g5系列起重專用型變頻器，這種品牌變頻器能很好地適應起重領域對于變頻器的要求，其速度穩(wěn)定性好、低速力矩特性好、力矩響應快。它有可以由用戶自由設定的開環(huán)v/f控制模式、閉環(huán)v/f控制模式、開環(huán)矢量控制模式及閉環(huán)矢量控制模式等共四種調速控制模式，其中前2種模式屬于常規(guī)控制模式，性能略差但實現方便，沒有特殊要求，而后兩種模式屬于先進控制模式，性能優(yōu)越。它能夠方便地利用其矢量控制性能，實現高精度高動態(tài)性能的速度控制，調速比高達1:1000，低速甚至零速時可達到150％額定力矩輸出，還能夠以多種特殊控制功能適應不同的控制要求，因此廣泛地應用于起重行業(yè)。
浮吊變幅、抓斗和提頭機構拖動負載屬于位能型負載，各機構運行時，在抱閘線圈松開的一瞬間，或者在低速啟動的過程中，如果電機由于電磁慣性一時不能建立足夠的磁場強度或者低速力矩特性太差不能提供足夠的力矩，則都會發(fā)生抓斗下溜現象。變頻器閉環(huán)矢量控制能提供快速力矩響應，低速力矩特性好，對于兩種‘溜鉤’原因都有良好的克服效果，在重鋼浮吊控制中基本沒有觀察到‘溜鉤’現象。如果勵磁慣性太大而仍有溜鉤發(fā)生，則可以通過特殊控制加以克服。
在浮吊電氣控制系統(tǒng)中，變幅機構、抓斗機構和提頭機構采用閉環(huán)矢量控制，其低速力矩性能可防止負載下溜，其很硬的機械特性則可使各運行機構嚴格按操作人員發(fā)出的指令運行。浮吊旋轉機構是雙電機驅動，要求運行同步，且難以實現脫開負載的自學習，因此不具備矢量控制的條件，故作者設計采用一臺變頻器驅動兩臺電機，變頻器采用開環(huán)v/f控制模式，調試時采取了低速電壓補償，實踐證明這種設計是合理的，使用效果很好。
浮吊控制系統(tǒng)中，抓斗和提頭兩股鋼繩的受力平衡是比較難解決的問題，在原繞線電機串電阻調速驅動、繼電器—接觸器控制系統(tǒng)中，只有靠時間繼電器的延時配合機械特性較軟的電機調速控制特性來實現，效果很差。安川的616g5變頻器具有力矩控制和速度控制切換功能，利用這一功能特點，在浮吊抓斗和提頭運行機構間采用力矩跟蹤控制模式，再利用plc的靈活控制性能，很好地攻破了這一技術難關。
3 變頻改造中應注意的幾個問題
由于浮吊控制系統(tǒng)的復雜性和所處環(huán)境的特殊性，在浮吊電氣控制系統(tǒng)調試過程中，遇到了很多問題，總結如下：
3.1 系統(tǒng)抗干擾的必要性和重要措施
為了充分發(fā)揮變頻器的性能，浮吊電氣控制系統(tǒng)采用plc作為控制核心部件，系統(tǒng)組態(tài)靈活，性能穩(wěn)定，故障率低。然而，plc控制系統(tǒng)除了plc應用的一般技術要求必須遵守外，系統(tǒng)本身的抗干擾必須重點考慮。
在設計重鋼浮吊電氣控制系統(tǒng)時，已經采取了抗干擾措施，比如信號隔離、電源凈化、信號傳送采用屏蔽控制電纜等。但在系統(tǒng)調試過程中，由于浮吊電氣環(huán)境太惡劣，還是出現了意想不到的麻煩。干擾信號頻繁出現，引起plc程序誤動，更嚴重的是，有時一個極強的脈沖干擾甚至能把plc的i/o口燒壞。經過仔細的分析研究發(fā)現，這種難得一見的情況實際是由多個方面共同作用造成的。首先是電源問題，因為浮吊拖動電機功率較大，并且通常是幾臺電機同時投入工作，原采用繼電器—接觸器控制系統(tǒng)，則在電機頻繁起停的情況下，造成電源極不穩(wěn)定，而在1#浮吊變頻控制系統(tǒng)調試時，2#浮吊必須要投入工作，這樣嚴重影響了新系統(tǒng)的控制電源質量;另外，浮吊處于江邊，采用三相四線制供電方式，地電平極不穩(wěn)定，平時就有數伏電壓波動，這樣相應地降低了輸入信號抗干擾的閥值，使系統(tǒng)更易受干擾信號影響而產生誤動。其次是布線問題，因為在設計時信號線考慮的是屏蔽控制線，所以現場施工就沒有注意與動力線分開布線，這也給系統(tǒng)帶來了嚴重的不良后果，因為變頻器輸出電壓帶有高頻載波電壓成分，另外其制動電阻常是高直流脈沖電壓，當信號線與這兩類線路捆扎起來并行走線時，干擾就不可避免要產生并且強度很大。
針對浮吊是地零合一供電情況，在原～220v/～220v隔離變壓器前端增加～380v/～220v控制屏蔽變壓器，然后在～220v控制電壓端加裝阻容保護，并在開關電源直流24v輸出端接上供保護用的壓敏電阻，將電源串入系統(tǒng)的沖擊干擾徹底消除。由于有強電磁干擾，把動力線與信號線嚴格分開，有些地方實在不能分開時，也采用十字交錯方式。經過這些改動，浮吊至今已投入運行一年多時間，從沒有因為干擾而影響系統(tǒng)正常運行，說明我們采取的抗干擾措施是成功的。
3.2 變頻器閉環(huán)矢量控制模式的應用
616g5系列起重專用型變頻器能很好地適應起重領域對于變頻器的要求，其速度穩(wěn)定性好、低速力矩特性好、力矩響應快。它有可以由用戶自由設定的開環(huán)v/f控制模式、閉環(huán)v/f控制模式、開環(huán)矢量控制模式及閉環(huán)矢量控制模式共四種調速控制模式。
在常規(guī)應用中，采用開環(huán)v/f控制模式和開環(huán)矢量控制模式即可。在沒有特殊要求，調速精度要求不很高和一臺變頻器帶動多臺電機的情況，通常采用開環(huán)v/f控制模式，實施方便。而在拖動位能型負載等特殊情況，比如普通橋式行車的吊鉤機構，利用變頻器的開環(huán)矢量控制模式，可以很好地滿足要求。在對力矩響應、力矩特性有更高要求和需要力矩控制的場合則必須要采用變頻器的閉環(huán)矢量控制模式。
浮吊變幅、抓斗和提頭機構拖動負載屬于典型的位能型負載，各機構運行時，在抱閘線圈松開的一瞬間，或者在低速啟動的過程中，如果電機由于電磁慣性一時不能建立足夠的磁場強度或者低速力矩特性太差不能提供足夠的力矩，則都會發(fā)生抓斗下溜現象。因此要求變頻器驅動電機要能提供快速力矩響應，低速力矩特性好。另外，對抓斗和提頭機構必須采用力矩控制，以解決抓斗和提頭兩股鋼繩的平衡受力問題。所以對浮吊變幅、抓斗和提頭機構采用了變頻器閉環(huán)矢量控制模式。
浮吊控制系統(tǒng)中，抓斗和提頭兩股鋼繩的受力平衡是比較難解決的問題，在原繞線電機串電阻調速驅動、繼電器—接觸器控制系統(tǒng)中，只有靠時間繼電器的延時配合機械特性較軟的電機調速控制特性來實現，效果很差。我們通過利用安川的616g5變頻器在閉環(huán)矢量控制模式具有的力矩控制和速度控制切換功能，通過這一功能特點，在浮吊抓斗和提頭運行機構間采用力矩跟蹤控制模式，再利用plc的靈活控制性能，很好地攻破了這一技術難關。
3.3 變頻器第二加減速時間功能的利用
變頻器通常具有第二加減速時間設定功能，這一功能常在實際應用中被忽視，如果合理利用這一功能，則會加快調速速度，縮短運行機構反應時間。重鋼浮吊塔式抓斗行車本身屬于高頻率、快反應、大運量快裝抓斗行車，它要求控制系統(tǒng)必須滿足其快速抓取礦粉的作業(yè)需要，而電機采用變頻器調速控制以后，由于變頻器調速的平穩(wěn)變速過程，必然導致抓料的每一工序用時較多，長期如此，必將影響生產。這一問題的解決辦法就是利用變頻器調速的第二加減速時間設定功能，在變頻器上設定一組第二加減速時間，第一加減速時間和第二加減速時間的切換由一個多功能輸入口控制，通過這一措施的實施，可以使運行機構用變頻器調速控制改造后反應時間基本達到用接觸器常規(guī)控制的水平，由于改造后故障率低，有效作業(yè)時間增加，運動機構運行平穩(wěn)，對位容易，從而提高生產效率，更好地滿足了生產需要。
3.4 其它方面
在重鋼浮吊電氣控制系統(tǒng)變頻改造以前，由于采用的是常規(guī)繼電器—接觸器控制系統(tǒng)，電氣控制的缺陷引起很大的機械沖擊，浮吊上面振動很大，機械受損嚴重。在浮吊上電氣控制室，由于制動輪與制動閘瓦間的摩擦制動，制動輪和制動閘瓦磨損嚴重，并使控制室溫度很高。這些直接導致了操作工人的工作環(huán)境十分惡劣，工作勞動強度很大。采用變頻控制改造以后，由于變頻器電氣制動性能很好，各運動機構的機械制動只作為后備制動保護，電氣制動幾乎沒有沖擊，所以浮吊振動很小，機械沖擊強度大大減弱。
4 結束語
變頻調速控制技術和plc控制技術應用在浮吊和其它類似工程項目之中，是非常完美的控制方式和手段，雖然在系統(tǒng)投入運行過程中，可能會碰到很多問題，但只要采取科學分析的態(tài)度認真對待，就一定能讓這些先進的科技產品和技術為我們的生產服務。
雙十噸浮吊全機構經變頻調速改造后，一年來的運行實踐表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠易操作，僅投入119萬元，取得年直接經濟效益4872萬元，生產能力提高近3倍，社會經濟效益可觀。
