龙门起重机预防性保养浅析

陆俊杰 陈叶华 王 飞

（上海交通大学机械与动力工程学院 上海）

一、系统的组成及原理

1.龙门起重机PLC控制系统的功能实现

船坞用的两台600t龙门起重机，跨距187m，上、下小车运行机构，大车刚、柔性腿运行机构等与电气房的中央处理器距离较远，因此在以上4个机构中设置远程子站，通过网络连接可以节省大量现场布线，另外PLC系统通过通信方式控制变频器，实现了对变频器的全面控制，同时PLC系统也实现了最大限度的读取变频器的内部状态。在网络上配置工控机和触摸屏可以实现对整机工作状态监控和故障查询，另外通过远程监控（此功能正在建设中），对设备运行工时，包括复杂故障等进行监视与保存，设备运行效率和安全性提高。

2.600t龙门起重机PLC系统主要功能

（1）龙门起重机各机构保护信号和操作命令采集，电气室内各机构控制柜的断路器、接触器、熔断器、空气开关等及其辅助点输入到PLC主从站内，采集各机构保护信号，司机室内联动台上按钮，操作手柄输入到PLC司机室从站内，采集操作命令。

（2）龙门起重机逻辑控制，分布式远程控制站收集信号反馈给主站PLC，经过主站PLC逻辑控制，PLC通过总线实现起升、小车、大车变频器的频率给定做到起动、停止、速度变化等。如位置信息通过变频器RTAC模块采集各机构内的增量型编码器的数据后进行通信，PLC再进行逻辑处理，及时停止机构运转。

（3）通过OPC SEVER与PLC进行即时通信，司机室人机界面可实现工作状态显示及故障报警。从触摸屏上司机可以方便地通过CMS观察系统概况、各机构状况，历史故障，营运时间等，使司机简单操作便可观察整机的运行状态，维修人员迅速排除不易发现的故障。

（4）采用AC800M中央控制处理器。AC800M控制器硬件平台由CPU、通信模块、电源模块和各种附件组成。电源模块采用SB812电源模板，作为AC800M处理的应急电源，提供一段时间的24V电源供电，防止程序丢失。AC800M控制器每个CPU模块分别配备有两个以太网端口，用于与其他控制器进行通信，并且与司机、工程师、管理人员和更高层次的应用进行交互。AC800M控制器通过安装Control Builder编程组态软件来进行项目应用的创建以及程序编程组态。

（5）AC800M通信模块采用CI854A通信接口模块，通过PROFIBUS协议，为CPU即时进行数据交换。

图1 AC800M控制器及I/O接口模件

（6）输入／输出模块。龙门起重机控制系统的DI约400点，用于继电器、电机、LED灯等，输出的DO约120点，AI/AO点约20 点，使用模块种类较多，DI803、DI801、DO801、DO802、AI801及AO801等输入/输出模块均有使用。

3.龙门起重机各子站通信模式

因600t龙门起重机的机构较多，体积庞大，于是在距离主站比较远的几个机构设置远程子站。远程子站包括上、下小车、大车刚性腿、大车柔性腿与操作室远程子站。由于远程子站较远，干扰源较多而且不确定，直接用PROFIBUS通信会产生较大干扰，因此PLC系统主站和远程子站之间采用光缆连接，主站设置了光纤链路模块OLM，通过光电转换后达到稳定可靠的通信。

4.两机通信

600t龙门起重机现场使用中，有时需要两机抬吊特殊分段，为避免两机相距过近引发事故，两机通过各自高压卷筒内电缆的光纤形成的链路，将起重机各个机构的即时数据进行交换和判断，当两机小于安全距离时及时减速、报警甚至停车，避免意外发生。

5.传动系统的功能实现

变频器在龙门起重机中是以一个子系统的角色进入整个系统进行协调运行的。如图2所示的反馈控制系统中，变频器和电机一起作为控制系统的执行单元，并和传感器及被控对象共同构成一个完整的控制系统整体。

600t龙门起重机变频器采用直接转矩控制（DTC）系统，这种控制依赖与精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别（ID RUN）。在调试电机时，将电机的相关参数输入至变频器中，通过ID RUN自动确定电机实际的定子阻抗互感、饱和参数、电机惯量等重要参数，然后根据精确的电机模型估算出电机的实际转矩、定子磁链和转子速度，对电机进行精确的速度和转矩控制。

图2 控制系统原理

二、维护保养

龙门起重机在使用过程中，由于工作条件及环境条件等因素对设备的作用，致使龙门起重机在设计制造时所确定的工作性能不断降低。为了延缓龙门起重机劣化过程和减少故障的发生，除需具有熟练技术的司机正确操作与合理使用外，还要对龙门起重机进行清扫、维护、检查、调整、更换零部件、状态检测和诊断等工作，同时还应制定操作规程和管理制度并贯彻执行，做好检查、维修记录，对积累的各项数据进行统计分析，探索故障的发生规律，以采取有效措施控制故障的发生，保持龙门起重机的状态良好。

1.传动的预防性维护保养

变频器是龙门起重机重要的驱动和控制设备，变频器能否可靠运行成为设备保养、降低故障停机时间的重点。要确保变频器可靠连续地运行，关键在于日常预防性维护保养。

变频器对周围的环境要求相对较高，周围温度过高会导致变频器过热报警，严重时会直接导致变频器功率器件损坏、电路短路；周围温度过低会导致变频器排放的热空气冷凝成水珠，对变频器的内部造成隐患；同样空气过于潮湿会导致变频器内部直接短路。

变频器运行时要注意其冷却系统是否正常，风道排风是否流畅，风机是否有异常声音。变频器温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，电子元器件寿命缩短，甚至可能引发短路事故。因此变频器风扇的正常运转与否是至关重要的。变频器风扇在运转过程的能量损耗转化为热量，加上持续运转润滑油老化等问题，容易使风扇老化，需经常检查风扇是否正常运转。

变频器电容方面，一般触发板AGDR电容寿命厂方指导约为9年，直流大电解电容寿命厂方指导约为11.4年。值得一提的是，在变频器实际使用过程中，不能单纯按照厂方指导时间进行保养，在每次预防性保养中应检查电容是否漏液、鼓包等，定期评估或更换。公司所用的一台600t龙门起重机在第5年左右的时间段里，变频器先后发生两次炸机，均由直流大电解电容漏液引起。因此在变频器维保过程中，对其余4台600t龙门起重机中的直流大电解电容立即进行了更换，对换下来电容进行检测，发现较多电容出现鼓包，部分严重的已经开始漏液。

在对变频器做定期预防性保养时，需清除变频器内部和风路内的积灰、脏物，并将变频器表面擦拭干净。在保养的同时要仔细检查变频器，查看变频器内有无发热变色部位，充电电阻有无开裂现象，电解电容有无膨胀漏液、防爆孔突出等现象，PCB板有否异常，有没有发热烧黄部位。检查螺钉、螺栓以及即插件等是否松动，输入输出电抗器的对地及相间电阻是否有短路现象，正常应大于几十兆欧。导体及绝缘体是否有腐蚀现象，如有，应及时用酒精擦拭干净。在条件允许的情况下，要用示波器测量开关电源输出各电路电压的平稳性。测量驱动器电路各路波形的方法是否有畸变，U、V、W相间波形是否为正弦波，接触器的触点是否有打火痕迹，如果碳化较轻，应用砂纸磨去表面的碳化层，严重的要更换同型号或大于原容量的新品。确认控制电压的正确性，进行顺序保护动作试验。确认保护显示回路无异常。确认变频器在单独运行时输出电压的平衡度。为防止RDCU等模块突发性的损坏，应对变频器的参数及时保存，在备配件齐备的情况下将迅速更换上新的模块，将停车的时间减少到最小。

2.控制系统的预防性维护保养

（1）PLC系统。对PLC模块进行检查与清洁，测试PLC电池电压是否正常。检查I/O控制系统模块应无局部发热情况，外观无损坏，模块状态良好，控制模块无松动，母板卡轨牢固。检查硬件模块的LED灯显示状态，报警灯正常动作，主要针对模拟量模块和数字量模块分别检查。

（2）称重系统。测试称重系统功能，包括传感器信号测量，称重传感器的校准及过载保护设定，测试传感器的功能性正常。

（3）安全保护回路。测试包括防误起装置，控制复位线路，试验应急停机，超行程，纠偏限位及防撞限位等的动作，核实传动系统相对应的保护动作是否正确。安全保护回路功能性正常。正常停止是靠软件停止，在停止位置应距离硬件停止限位有2cm以上的距离，在碰到极限限位时打极限旁路开关可反向慢速退出，不打旁路机构应不能动作，在外部急停开关动作需要马上断开控制回路，所有机构不能动作。

图3 起升制动器力矩验证正常曲线

（4）外部安全互锁回路。测试包括制动器故障和电机过温等故障模拟，校验控制系统的连锁是否正确。在制动器一个或多个限位失灵或手动打开后，操作手柄后机构是否动作，在减速设定位置未检测到减速开关，CMS是否报位置检测故障，电机过温故障后机构是否动作。另外还有检查电机的编码器轴联接是否运行平稳，超速开关是否动作正常，外置强制风冷的风机电机三相电流是否平衡，风向是否正确等。

（5）上电测试。在预防性维护保养中，同样还要对系统进行上电测试，包括空载和重载经行测试，将传动曲线记录备份，起升的制动器安全评估测试，对龙门起重机在起吊物体和制动的时候进行一次全面的体检。图3为起升部分单制动器力矩达到150%时，电压、电流、力矩以及速度给定、反馈等信息，观测速度反馈值是否跟随速度给定值，从而确定制动系统是否工作正常，判断重载时是否会发生溜钩现象。

三、总结

通过连续几年进行故障分析，龙门起重机有33%为可发现故障，25%为预见的故障，5%为定期故障，33%一直运行至失效，另外4%是失效需重新设计的。随着维修成本的提高和因故障停机对老化设备性能的影响日趋严重，定期、针对的做好预防性维护保养，可避免绝大部分故障的发生，可以尽可能地缩减维修范围和维修程序，使龙门起重机故障率维持在一个较为理想的范围内，实现维修的精益化。