2000T港口门吊电气设计之二

2000港口门吊电气部分设计之二
中铁工程机械研究设计院
容毅
㈣方案介绍及关键技术
4.1概述
电气控制系统采用工控机、PLC可编程控制器（以下简称PLC）、变频器等先进成熟的技术，组成了LCMS起重机监控和管理系统，并预留了港区远端RCMS和（广域网）远程TCMS (telenet CraneMonitor System)的功能接口。

实现起重机各机构的平稳调速和整机的管理。

整机具备完善的保护和故障自诊断等功能。

具有同货场指挥调度中心联网，实现资源共享的条件。

选用西门子公司SIMATICS7系列PLC可编程控制器、施耐德公司的变频器。

LCMS系统的最上层为单台设备运行管理层。

由触摸屏、工业控制计算机、打印机、组态软件等组成。

通过PROFIBUS总线与PLC间的通讯，获取门吊实时信息，完成门吊运行信息的采集及分析，历史数据、故障提示及分析等功能，对生产过程进行全程跟踪。

中间层为PLC，是系统的实时控制核心。

PLC通过PROFIBUS-DP总线方式经远端PLC 分站与各机构的变频器相连，实现PLC和变频装置之间的通讯，获取变频器的运行与故障信息，完成对各机构的监视和控制。

最下层为主传动层。

起升机构、大车运行机构、小车运行机构和辅助吊机构均采用施耐德ATV 71变频器。

起升机构采用全数字式、矢量控制方式，带速度传感器及PG卡反馈实现闭环控制。

所有变频器挂在PROFIBUS总线网络上，实现PLC的统一控制。

起重机电气设备的选择具有先进性，可靠性。

电气设备的布置充分考虑维修操作安全方便。

所有电气设备元件满足有关规范标准的要求，达到所要求的性能指标，满足机构工作级别和起重机安装地环境条件。

所有电气设备、元件有防尘、耐腐蚀、耐热、去湿措施。

4.1.1动力电缆卷盘
本机动力电缆卷筒选用上海振华伟龙公司产品。

大车电缆参数：创世拓10KV 3*35+3*10 ，自重 3.05kg/m ,最大直径:φ44.7mm,许用拉力(静态/动态)：3000N。

大车电缆卷盘安装高度~5.5，大车最大行走速度：30m/min，加减速时间为6s；大车有效行程±200m。

大车高压动力电缆卷盘驱动机构中含有2个磁滞动力头,磁滞联轴器(出厂设定力矩5±0.5Nm)加电机。

电机参数( 型号QAEJ90L6A,功率为 1.1Kw，极数6级,,电压380V/2.98A/50Hz,2台电机尾部带电磁制动器(制动电压两线制380V,功率34W,电机自带半波整流模块)。

减速器总速比100。

动力驱动机构中有1个凸轮限位与卷盘联动，卷盘与凸轮传动通过齿轮传动,卷盘与凸轮输入端比为70/15*13/27=1:2.24(凸轮为27齿),凸轮限位内含有6片凸轮片（4片90度、2片尖角,卷盘转动1圈,凸轮片转动角度10.4度，卷盘含安全圈共有25圈电缆）。

凸轮限位的速比为75。

导缆架中有2个方向限位,2个过紧限位。

整个大车行程中的关键点位置：终点（±200m）、电缆坑位（~±4m）由凸轮限位检测。

中点（0m）由两个方向限位和凸轮限位组合检测。

大车电缆卷筒典型工况如下：
当大车处于静止状态时，所有电机均不运转，制动器全部制动。

电机运转,必须通电; 制动器线圈为常闭类型,不通电为制动,通电为打开(释放).制动器线圈是直流线圈，在电机接线盒里自带半波整流模块，采用直流切断控制
当大车向电缆坑行走时，3台电机通电运转,所有制动器通电释放, 电机通过减速器减速后驱动卷盘旋转收取电缆。

大车行走机构启动应滞后电缆卷盘装置启动0.5秒；大车停止运行后，电缆卷盘应延迟5秒再停。

延时时间应根据现场电缆受力状态进行调整.
当大车向终点行走时，电机不运转,制动器不通电处于制动状态,电缆被大车从卷盘里拉出放缆:，制动器的制动台数根据大车位置不同进行调整。

为改善电缆受力,
当电缆卷盘时电缆圈数(含安全圈)≤12圈(距电缆坑约140米外),两台电机制动器后端的
制动器1台通电打开,另外1台失电制动;
电缆卷盘时电缆圈数(含安全圈)>12圈(距电缆坑约140米内),两台电机制动器后端的制动器均失电制动;
现场可根据电缆受力调整分段圈数,分段圈数由凸轮限位开关发出.
在电缆坑附近(约4m处)，以过坑中点为判定点,如大车是继续向中点行走, 电缆收缆时电机均运转,制动器释放;当方向限位开关检测不到信号时，电机停止运转, 制动器开始制动. 如是继续向终点走,电机一直不运转,按序2放缆工况过行。

松缆、电缆坑、电缆拉力过大的判别:
松缆：当凸轮限位开关未显示中点时,导缆架内的方向限位不触发，判断大车的电缆
松缆。

报警，大车停止行走。

电缆坑正中点：导缆架内的方向限位不触发，凸轮限位触点触发。

电缆拉力过大：导缆架内的过紧限位触发且延时1-2秒（方向限位同时触发），则报警，大车停止行走，制动器打开,并使电缆卷盘放出一段电缆解除过紧状态。

4.1.2电缆拖链
本机起重小车供电采用靠近电缆卷盘一边主梁中间供电，选用德国凯伏特拖链(型号为：SR328B300280D)及专用拖链电缆，拖链电缆包括：起升机构、小车运行机构、辅吊机构的动力电缆及传感器、硬件联锁控制电缆；辅助电源、照明电源、温度信号；急停控制及起升超限位电缆、接地保护电缆；通讯光缆等。

拖链选型依据小车移动速度及电缆数量、电缆弯曲半径、气象条件等；电缆选型依据用电容量、弯曲半径、温度范围、户外防紫外线等。

电缆由主梁中间位置的电气接线箱出来进入拖链中，连接到小车上的接线箱。

电缆拖链导板固定在主梁上，拖链在导槽内随小车前后运动，电缆全部处于拖链的有效保护中，有均匀和固定的弯曲半径，拖链带滚轮装置，能延长使用寿命。

4.1.3高压变压器
电源变压器分主电源变压器和辅助电源变压器，均采用施耐德公司制造的变压器。

高低压线圈均为铜芯线。

主变压器的容量为1600KV A，辅助变压器容量为160KV A。

变压器为环氧树脂浇注干式变压器,带防护罩,自冷式,带热敏电阻温控式,△/Y，绝缘等级为F。

变压器初级额定电压10kV，次级额定电压400V。

变压器分五档调电压，正负各二档，每档的电压差为2.5%额定电压。

变压器出厂前统购符合IEC标准的耐压试验、绝缘电阻测定、电压比测量等试验。

安装后按行业管理部门的要求进行机芯检测检验。

变压器安装在支撑底架上，底架高200mm,四周维护空间≥600mm，以上设计既满足了变压器的通风散热要求，又利于维护保养。

在最大额定负荷（起升＋小车）下，变压器容量均有20％的裕量，负载由空载至额定载荷时次级电压变化不超过5%。

低压侧总柜及各分支回路分别装有热脱扣保护、电磁脱扣保护、漏电保护等；变压器的保护装置能满足选择性的要求，即在低压线路发生故障时，低压侧保护装置应先动作，切除电源，而后高压侧的保护装置动作。

4.1.4 高压开关柜
由ABB官方授权的盛隆电气集团提供金属铠装整体防护型高压开关柜，防护等级不低于IP23,高压柜包含有：高压进线、高压仪表、主电源馈电及辅电源馈电。

柜内装VD4真空断路器、隔离刀开关、PT、CT、带电显示器、电流表、电压表、功率因数表、继电器、避雷装置、防冷凝加热器、检修照明灯、操作机构等，主断路器和接地开关连锁。

柜内采用铜母排连接，操作与显示在高压柜正面，柜前操作距离不少于1200mm并敷设绝缘橡胶地毯。

机房内提供装有大容量进风过滤器和全天候电动通风装置。

电缆进出口施工完后密封。

高压设置过（失）压、过流、短路保护及零序保护等。

4.1.5 主电气房（见主电气房布置图）
主电气房位于刚腿顶部，两个主梁之间的位置。

里面放置：1600KV A主电源变压器1台、160KV A辅助电源变压器1台、高压开关柜3台、主配电柜、低压主控制柜、CMS柜、PLC控制柜、刚腿侧大车控制及低压柜、柔腿侧大车控制及低压柜。

主电气房设计原则：牢固、防风雨、防尘、采用阻燃保温隔音材料、便于人员及设备进出、便于设备安装维护、设备基础牢固、内净空满足高低压设备安装尺寸及维修通道的要求。

6个低压柜沿门两边对称排列。

高低压柜之间设置缓冲隔离。

变压器四周间距≥600毫米。

高压设备之间相互隔离，高压柜前操作空间≥1200毫米。

高压柜有防误操作联锁，故障显示和联锁检测装置安装在柜面上，有明显的进线有电指示,仪表盘包括电压表、电流表、功率因数表等，所有仪表防震，其精度优于1.5级。

高压房室内地坪处装有大容量进风过滤器，室内上部装有2台AC380轴流风机。

高压房内噪声不超过80分贝。

高压房采用自动气体灭火装置，顶部设烟雾传感器；室内墙壁装有电焊插座(AC380)、维修插座组、墙壁开关、应急灯等。

另外，主电气房还配备电气安全操作用具、工具箱、CO2灭火器一只等。

4.1.6 电路设计和系统集成
起升机构、大车运行机构、小车运行机构均采用变频控制，各机构的调速比不小于10。

电气控制系统由工业控制计算机、触摸屏、PLC、变频器、电动机等设备组成。

起重机电气设备的选择具有先进性，可靠性。

电气设备的布置充分考虑了维修操作安全方便。

所有电气设备元件均满足有关规范标准的要求，达到所要求的性能指标，满足机构工作级别和起重机安装地环境条件。

所有电气设备、元件具有防尘、耐腐蚀、耐热、去湿措施。

电控系统采用ABB成套柜体，传动单元采用施耐德ATV 71 系列变频调速产品, PLC 采用西门子公司 S7-400 系列产品；低压配电元器件及附件如：断路器、接触器、继电器等
均采用施耐德公司产品；主令控制器采用施耐德和德国施迈赛公司产品；触摸屏采用 HITE 电脑,上位机采用研华工控机，与 PLC 之间采用工业以太网通讯，构成监控管理系统，能全面实时监控系统工作状态，并提供完善的故障信息，方便运行及维护。

下列机构可同时驱动：
⑴起升机构、小车运行机构、
⑵大车运行机构、小车运行机构
4.1.7调速系统：
⑴起升、大车运行、小车运行采用交流传动变频无级调速，各机构的变频器相互独立。

起升系统采用带速度传感器及PG卡反馈的矢量转矩闭环控制方式，空载采用恒功率调速。

调速系统在各种工况下具有系统功率因数高，起制动平稳，反应灵敏，调速精度高，调速范围广，稳定可靠，操作简便的特点
⑵所有变频器都带线路电抗器；距离电机较远如大车变频器还配备电机电抗器（VW3A5107），尽量减少对电网的干扰，使单机高次谐波电压畸变量不超过3%
⑶交流变频调速装置具有显示系统故障、修改和锁定参数的功能。

⑷控制信号由安装在司机室的主控制台发出。

起重机轨道两侧的大车运行机构采用独立的变频器控制，通过编码器实施纠偏，防止车轮啃轨。

起重机具有故障显示器并装有PLC的以太网接口以方便维修人员排故
⑸如果司机操纵主令控制器过猛，自动装置能将加速度或减速度限制在预定值内，当主令控制器从高速档转向低速档的停止位置时，能依靠电气的作用使运动减速，直至速度降到预定的制动点时(即额定转速的5%以下)制动器才动作，以减少振动。

行进并具备点动功能
4.2系统的控制功能设计
4.2.1 通用控制逻辑
运动机构指起升、小车行走及大车行走等机构，这些机构的动作都受到 PLC 的控制。

操作者通过主令控制器给出运动方向和速度指令，由 PLC 处理过后送到变频器：
零位保护：当系统处于失电状态时，如果手柄不在零位，合闸无效。

PLC根据吊车系统的当前状态来确定用户的指令是否有效；
如果指令有效(无故障，并且工作模式正确)，PLC向变频器发出启动命令；
马达运动以后如有故障出现，PLC将会进行停车过程处理，该故障亦将显示在司机室触摸屏上。

PLC记录故障后，操作者可以按“复位”按钮清除故障，并再按下“合闸”使机构重新上电。

当操作者取消运动指令，机构将进行电气制动，制动器关闭前，PLC的速度指令将按斜坡逐渐变为0。

锚定、夹轨器联锁控制：行走机构设置锚定装置，大车设置夹轨器。

4.2.2 溜钩控制
变频器制动序列模式，来解决遛钩问题。

具体原理如下：（如下图所示）
开闸状态：对起升机构将进行开闸前的预加力矩控制，使预加力矩建立起足够力矩，防止重物在开闸时下沉；
闭闸状态：在速度为零时，程序及变频设置使制动器抱闸，使其不产生溜钩；
起升机构的起动时，变频器得到启动信号，变频器开始运行，当输出频率到达Pr.278 的设定频率；输出电流达到Pr.279 的设定值时，经过Pr.280 延时后，输出释放制动器信号(BOF)，制动器完全打开后（BRI），经过Pr.281的延时，速度給定按照加速斜率上升，完成加速过程。

减速时，当减速至Pr.282 中设定的频率后，将BOF信号置于OFF。

电磁制动的动作结束且BOF信号OFF后，经过Pr.283 中设定的时间后切断变频器的输出。

本机采用闭环矢量控制，可实现零速转矩输出，能有效避免这个问题。

非正常状态：在起重和提升系统中，由于系统中某个电气元件失灵或故障引起的溜钩现象是最危险的故障，它造成系统失控，重物失去提升力，以近似自由落体的加速度下溜，直至超速故障信号产生后才被强行抱闸制动。

为了进一步保证系统安全性，避免出现溜钩故障，电气系统采用动态监测，对起升电机运行速度、加速度进行预测控制，在溜钩现象的初期发现失控的发生。

这样在系统失控还处于低速、低动能的状态下得到及时准确的判断，并在早期采取强行制动，避免机电设备造成重大损失。

采集卷筒、起升电机脉冲编码器的速度与加速度信息。

和称重传感器的实际重量与由于加速度引起重量的信息。

经过PLC系统的数据处理，可以获得准确的速度、加速度以及实际重量，系统惯量，动量等综合信息，再通过相应防溜钩控制算法程序，及时判断、启动盘式制动刹车，以预测可能的溜钩现象，防止由于溜钩造成严重的人身和设备事故。

总之，在检测到超速或溜钩时，起升系统的安全制动器和工作制动器将同时进行制动。

该技术已在国外先进的高速或大型提升系统，如大型起重机和高速电梯行业得到应用，提高了系统的安全性。

4.2.3 制动器管理
该功能由 PLC 程序控制和变频器内部控制共同完成。

系统支持电气和机械液压制动，在停机时一般采取电气制动方式，电气制动可以提供可控的与平滑的制动性能。

电气制动方式有两种：快速电气制动，正常斜坡电气制动。

在电机降到零速之后（采用电气制动），立即施加机械液压制动。

4.2.4 起升机构控制
每个起升机构各由一台电机驱动，每台电机由一台变频器控制，变频柜内置进线电抗器，并有快速熔丝保护功率元件。

变频器采用编码器反馈的闭环矢量控制方式，调速比高。

具备过流、短路、断相、欠压、过热、过载、不对称运行等各种保护功能。

装有荷重传感器，限制超载。

重量传感器信号分别进入PLC，并能传输到控制室。

载荷量可在司机室显示。

接到起升或下放指令后，变频器首先进行零转速控制，使电机产生零速力矩。

这时放开抱闸，变频器锁定电机转子，使重物不会发生溜钩或提钩现象。

PLC 系统收到制动器打开的信号后（安装在制动器上的限位开关动作），向变频器发出带有斜坡的转速指令，使电机平稳运行。

正常停车时，通过电气制动，电机速度平稳降至接近零速后，再进行机械无磨损抱闸。

每个起升机构各设以下限位信号：
⑴上升超程限位
⑵上升停车限位
⑶上升减速限位
⑷编码器信号校验开关
⑸下降减速限位
⑹下降停车限位
⑺下降超程限位
⑻卷筒编码器超速信号
起升超高限位保护措施不少于2种，其中超程限位应是独立的开关，单独安装。

该开关如果动作，将激发严重故障处理程序，并切断桥机总电源。

它用作停车限位开关故障时的终极保护，需人工干预才能消除。

停车限位是正常的终点限位。

超程限位动作作一级停车保护，切断本机构主电源。

编码器校验开关安装在主起升机构全部行程的中间位置，用于监测位置计数器的误差。

每个主起升机构卷筒各安装一套凸轮限位开关。

电机内部装有超速开关，当电机速度超过115%时紧急制动。

本机具有强制起升功能，该回路开关设置在司机室内最上方。

4.2.5 小车运行机构控制
电动机为ABB专用变频电动机，带编码器。

在两小车上各安装一套光电编码器，在两小车抬吊工件同步行走时起作用，检测两小车行程的相对量。

行走偏差<200mm，自动同步；超过200mm 时，两小车停车，由司机进行
手动同步分别调整两小车之一后，运行机构即可正常工作。

如有两台起重机进行联合抬吊，可通过光纤或无线通讯将两车行程信息进行处理，确保同步偏差小于预设值完成抬吊作业。

小车正常停车时，通过电气制动，电机速度平稳降至接近零速，变频器锁定电机转子，然后进行机械无磨损抱闸。

两个小车机构共设以下限位信号：
⑴前行超程限位
⑵前行停车限位
⑶前行减速限位
⑷编码器信号校验开关
⑸下降减速限位
⑹后行减速限位
⑺后行停车限位
⑻后行超程限位
其中：停车限位是小车行程的终点限位。

超程限位作一级停车保护，切断机构主电源。

减速限位的作用：机构延某方向运动时，减速限位动作后机构的运动速度限制在请求速度的 20%，直到到达停车限位为止。

但反方向运行不受此限制。

4.2.6 大车运行控制
电动机为ABB专用变频电动机，带编码器和微动开关。

大车运行机构有足够的驱动力，在平坡情况下，保证从起动到额定速度的时间为4～5秒。

大车部分主要安全保护装置
⑴夹轨器
当起重机停车时夹轨器锁紧轨道。

夹轨器与控制系统电气联锁。

⑵锚定装置
⑶风速、风向报警仪
风速风向报警仪由报警仪接通信号灯，风速显示仪安装在司机室内。

正常风速
<16m/sec 时为绿灯，大风时（风速为16～21.0m/sec）时，黄灯显示，蜂鸣器同时发出音响,通过按钮,可以消除音响。

当超过最大工作风速22 m/sec时信号为“红色”，此时切断大车电源及报警。

⑷大车机构共设以下限位信号：
⑴左行超程限位
⑵左行停车限位
⑶左行减速限位
⑷右行减速限位
⑸右行停车限位
⑹右行超程限位
⑸大车正常停车
大车正常停车时，通过电气制动，电机速度平稳降至接近零速，变频器锁定电机转子，然后进行机械无磨损抱闸。

停车限位是正常的终点限位。

超程限位作一级停车保护，切断机构主电源。

减速限位的作用：大车延某方向运动时，减速限位动作后机构的运动速度限制在请求速度的 20%，直到到达停车限位为止。

但反方向运行不受此限制。

4.2.7 同步控制
起升同步：
在各起升机构卷筒上安装编码器，编码器信号输入CI卡或OTB，CI卡进行各机构间位置比较，控制各变频器的输出速度。

同步运行时由联动台右侧手柄给出。

只有在同步运行机构均没有故障时，同步有效。

当同步运行的机构有一个机构发生故障或停车请求时，所有机构同时有效。

为了使同步修正信号能及时地响应，同步修正信号将不进行斜坡处理，直接叠加到主速度上。

两个主钩可以独立运行，也可以实现2个主钩并车运行。

实践证明，通过控制优化，机构的同步精度可控制在10毫米以内。

确保两台小车同步运行时两吊钩的中心高差小于 50mm。

小车同步
在各小车的一个端梁上安装检测轮，检测轮上的编码器信号输入CI卡进行比较，CI卡控制各小车变频器的输出速度。

同步运行时由联动台右侧手柄给出，只有在同步运行机构均没有故障时，同步有效。

当同步运行的机构有一个机构发生故障或停车请求时，所有机构同时有效。

4.2.8 大车运行纠偏技术
起重机的大车除了有驱动系统的同步控制外，还设有运行纠偏装置，如果大车行走发生斜行，斜行纠偏装置将负责消除斜行。

纠偏校正分为自动校正和手动校正，自动校正由控制系统自动完成，手动校正需由操作人员在驾驶室或柔性腿上方的斜行校正站上完成。

起重机的大车行走运行两腿偏差小于±62mm（1‟大车跨度）时，斜行校正装置不动作。

本起重机的大车行走运行两腿偏差大于±62mm（1‟大车跨度）小于±124mm（2‟大车跨度）时，斜行校正装置进行自动斜行校正。

本起重机的大车行走运行两腿偏差大于±124mm（2‟大车跨距）小于±186mm（3‟大车跨距）时，斜行校正装置进行慢速斜行校正，同时在驾驶室发出声光报警。

本起重机的大车行走运行两腿偏差等于或大于±186mm（3‟大车跨度）时，大车运
行自动停车，并只能进行手动校正。

同时在驾驶室发出声光报警。

上述两套装置信号实行先到有限原则，任何一个型号达到纠偏条件或停车、停电条件时，起重机就执行动作。

起双保险作用。

最后，在台车和地面之间每隔15m设电磁感应块，对大车行走偏斜进行适时校零。

大车驱动系统的同步控制采用绝对值编码器与增量型编码器, 用各自的FLAG来校验/标定位置, 并且使用各自的速度反馈, 最终实现速度/位置的比较保护。

增量型编码器利用高速计数模块,作为主控制, 绝对值编码器用来作为最终保护。

（根据结构形式两者功能可互换）
硬件介绍：
①驱动器x2，一个驱动器控制同一根轨道上的所有个大车马达；另一个控制另一根轨道
上的所有大车马达。

②大车马达自带增量型编码器（每边1个）：
采用HUBNER（或其它型号）编码器，并增加外罩进行保护（图1）。

图 1
③大车绝对位置编码器（每边1个）：我们用标配的编码器（图2）。

该绝对位置编码器
安装在从动轮上，为了检查绝对编码器的精度, 利用大车马达自带增量型编码器的数据进行实时比较。

刚腿侧的FLAG位置（M）15、30、45、100…柔性腿侧FLAG位置（M）15、30、45、100…,即实现两套编码器用于校验位置的FLAG也是分开的,但同一位置的FLAG在刚腿和柔腿侧是对齐的.
每次碰到FLAG进行OFFSET的计算并重新置位.
这套保护除了在PLC中和增量型的位置比较, 作为独立系统, 两个绝对值编码器自己比较数据,当超过186mm时就实现安全停车, 但当绝对编码器的位置因为各种累积误差很大时,会产生故障,但安全的保护始终存在.
两个绝对值编码器的速度比较也是另一个有效的手段检查大车的同步情况, 有问题就停车检查.
图2
④考虑到在本系统里电磁环境较为恶劣，编码器信号采用光钎传输。

1)编码器光电转换模块，安装在大车控制屏中。