变频调速冗余控制技术在塔机中的应用

王继东，王玉清，魏铁壮

(1．郑州工程技术学院 土木工程学院，河南 郑州 450054；2.中国电建集团河南工程有限公司，河南 郑州 450001；3.中国能源建设集团东北电力第一工程有限公司，辽宁 沈阳 110168 )

1 引言

塔机是现代化工程建设必备的重要设备，广泛应用于水利电力、冶金化工、港口码头、船舶建造、矿山开采、民用建筑以及一带一路等重要工程建设中[1]。现代工程建设中最为常用的塔机有两种形式，一种是小车变幅式塔机如图1所示，另一种是动臂变幅式塔机如图2所示。

图1 小车变幅式塔机示意图

图2 动臂变幅式塔机示意图

两种塔机常被用作工程施工的主力吊车，塔机的运行状况直接影响着工程建设的进度，进而对施工企业的经济效益产生很大的影响。如果作为主力吊车的塔机因某种故障而停机，将会导致工程建设的停滞，给工程施工企业造成巨大的经济损失。据有关报道表明，一个大型工程项目停工一天至少造成40万—50万元的经济损失。如果该塔机连续停工数天，会给施工企业造成巨大的经济损失。

经过对我国某电力建设公司的塔机运行状况调查统计发现，作为主力吊车的塔机故障造成的停工天数约为每年7—14天，相应经济损失约280万-700万元之间。同时，塔机的故障引起的工期延误还会对企业的声誉造成不良影响。除此之外，如果在停机期间出现恶劣的气候变化，比如大风及雷雨天气，塔机由于故障停机的原因，而不能及时运行至安全状态，还会给现场设备和人身安全造成巨大的危险隐患。因此，提高塔机的可靠性，减少塔机的故障持续时间是塔机制造者和使用者都非常关注的一个重要课题。本文对塔机的故障状况进行了详细分析，并结合多年塔机设计经验，给出了一个提高塔机可靠性的重要方法。

2 塔机电气控制系统的现状及存在问题

在2000年以前，变频调速器刚出现不久，价格比较昂贵，仅应用于重要场合。大部分塔机均采用传统的低压电气控制系统，变极调速、切换电阻调速、机械换挡调速是常用的调速方案。这种塔机调速方案的特点是线路复杂、系统故障率高[2]；操作时对机械设备的冲击较大，容易造成机械振动、机械磨损和机械部件损坏，进而降低整机的使用寿命；调速平滑性差，运行平稳性差，工作效率很低。因此对工程进度、工程质量影响很大。但是，由于电气控制系统是由比较普通的电气元件组成，故障维修技术比较简单，施工现场的普通电工即可完成，所以电气故障恢复时间较短。

自2000年之后，随着电力电子技术的飞速发展，变频调速设备越来越便宜，促进了变频调速技术在工业领域中的普及应用，变频调速技术在塔机中也得到了广泛应用。

由于变频调速器是高度集成的调速设备，所以应用于塔机控制时，所需的外部接线比较简单，故障率较低；变频调速的调速范围大，调速平滑性好，起制动过程无冲击，运行平稳，能够减小机械设备运行的冲击和振动，因而不仅能够提高塔机的工作效率，还能够延长塔机的机械寿命[3]。

但它也有美中不足之处，因为塔机是工程施工设备，施工现场的环境比较恶劣，另一方面，根据工程的需求，还需要频繁地拆装和转移施工现场。变频调速器会受到诸如雷电干扰、雨水侵袭、电磁干扰、器件老化以及震动和冲击等因素的损害，而造成故障。变频器高度集成，技术含量高，许多故障施工现场的电工无法处理，必须由变频调速器厂家技术人员进行修理，由于路途和修理过程的影响，一般会造成3-7天的停机误工时间，从而引起工程施工的停滞，给施工企业造成相关经济损失、商誉损失和安全隐患。由此可见，缩短因变频器故障造成的停机时间对工程施工企业而言具有重要的现实意义。

3 变频调速冗余控制技术方案

在起重机电气控制系统中采用冗余设计，是减少故障停机时间的重要措施之一，冗余控制技术在核电、冶金、港口、水电站等重要场合的起重机电控系统中已经有不少应用，应用反馈效果良好。而在建筑工程施工塔机中的应用还比较少。随着我国现代化建设的发展，人们对塔机故障停机造成的危害体会越来越深刻，迫切需要对落后的塔机电控系统进行设计改造，以减少因塔机故障停机造成的经济损失和安全隐患。本文结合多年的工程设计经验，提出一个既经济又具有较高性能的变频调速冗余控制方案，以期对广大建筑塔机用户有所帮助。

3.1 塔机电气控制系统简介

为了提高塔机的运行可靠性和工作效率，目前塔机的电气控制系统的组成一般如图3所示，它由6大部分组成，其中，配电系统是用于为塔机各个机构提供电能和电气线路的保护；PLC程序控制系统是用于整个塔机各机构操作和运行的逻辑控制和安全保护控制；操作系统用于司机向塔机发出手柄操作指令及监视各种安全信号；另外三个是变频调速系统是用于为塔机的起升机构、变幅机构和回转机构的电动机提供频率可调的动力电源。这样的系统配置的特点是，塔机的三大机构既能单独工作，又能同时工作，塔机的工作速度快，生产效率高。其缺点是，一旦某个变频调速系统故障损坏，相应的机构就不能继续工作，调运的载荷就不能及时运送就位，从而造成停机误工，产生安全隐患与重大的经济损失。

图3 塔机电气控制系统图

3.2 塔机变频冗余控制方案

要消除塔机故障误工引起的工程损失，一般从两方面着手。一是提高塔机电控设备和电控元件的可靠性，也就是提高它们的耐恶劣环境能力和选择较高质量的设备和元件，以减少电控系统的故障率，进而减少故障误工引起的工程损失。二是增设塔机故障备用电路，在塔机电控系统发生故障时，采用备用电路继续工作，这就是所谓的冗余控制技术。采用专门的备用控制设备是不太经济的，因此很难被广大塔机用户所接受，本文提出了一种各机构电气控制系统互为备用的控制方案，具有很好经济性和不俗的可靠性。多年的工程实践表明，变频调速系统故障是造成停机误工的最主要原因，本文重点讨论变频调速系统的冗余控制方案。

图4是该方案的控制系统图，它是一种两两互备的冗余控制方案。工作原理如下，在正常情况时，塔机电控系统的工作如同图3系统所示正常工作。一旦某个机构的变频调速系统故障，通过操作台上的旋钮直接切换到另一个机构的变频调速系统来执行本机构的工作，从而避免了因故障造成的塔机停机，保证了工程的正常施工。例如，如果起升机构变频调速系统VVF1发生故障，可采用变幅变频调速系统VVF2来控制起升机构的驱动电动机1M的运行；如果变幅机构变频调速系统VVF2故障，可以通过回转变频调速系统VVF3来控制变幅驱动电动机2M的运行；如果回转变频调速系统VVF3故障，我们可通过起升机构变频调速系统VVF1来控制回转机构驱动电动机3M的运行。切换程序流程图如图 5所示。这样一来，对故障设备的维修过程，不影响塔机的正常操作，从而消除或减少了故障停机带来的各种不足。

图4 塔机电气控制系统图(改造后)

图5 塔机运行程序流程图(改造后)

3.3 塔机变频冗余控制电路原理图及变频器参数的设置

从上述变频调速冗余控制的切换过程可知，当一个变频调速器故障时，要实现另一台变频器的投入，必须满足两个条件，首先，必须给定一个切换信号，使该台变频器接通故障设备的电动机，另外，变频调速器内部的控制参数组必须切换到与故障设备电动机相适应的参数组。具体电路图如图6 所示，其工作原理是，当电机切换信号为0时，变频调速器按控制和保护电动机1M的参数组正常工作，接触器1KM闭合接通电动机1M，接触器2KM切断电动机2M；当电机切换信号为1时，变频调速器切换到控制和保护电动机2M的参数组进行工作，接触器2KM闭合接通电动机2M，接触器1KM断开切断电动机1M。在时序控制上要求，接触器1KM和2KM的切换要早于变频调速器启动之前5s以上。同时要注意，变频调速器的规格的选择应按塔机最大功率机构的电动机容量进行选定。

图6 双电动机切换控制原理图

外部电路的切换必须和变频调速器内部参数的切换配合进行，才能实现冗余控制电路的正常运行。因此，在冗余控制电路投入运行之前，应分别按两个机构电动机的参数对变频调速进行设置，以满足两个电动机的正常运行和安全保护。

以日本安川H1000系列变频调速器为例，假如我们选择多功能输入端子S6作为电机切换信号输入点。此时，应把变频调速器的参数H-06的值设定为16，把端子S6定义为电机切换信号输入端子；然后，依据电动机1M和电动机2M的实际工程需求设置相应参数。比如参数C1-01、C1-02设置为电机1的加、减速时间；C1-05、C1-06设置为电机2的加、减速时间；其他参数见表 1参数一览表。此时，S6信号为0时，电动机1参数组起作用。S6信号为1时，电动机2参数组起作用。参数设置完毕后，系统才能投入使用。对于其他品牌的变频调速器应参照该品牌的操作手册进行设置。

表 1 从电机1切换到电机2时对应的参数切换一览表[4]

3.4 工程应用和使用效果

2017年至2020年间，河南某电力建设公司依据该方案对一台FZQ型和一台PZQ型塔机电气控制系统进行了升级改造。自投入使用以来，因调速系统的故障原因产生的年故障停机时间，由改造前的7—14天减少到0—2天，每年平均为公司减少400万误工损失。而设备改造所需的一次性投资不到改造前的年误工损失的1/20。多年的工程实践证明，此方案具有很大的推广价值。

4 结语

近年来，我国经济建设飞速发展，工程建设如火如荼，对工程塔机的安全性、可靠性要求越来越高。同时，随着电力电子技术的高度发展，变频调速器的价格越来越便宜，塔机变频调速系统的冗余控制方案已成为技术先进、安全可靠、经济性合理的优质设计方案，完全满足工程设计的设计原则，加之它在减少故障停机误工时间方面的巨大优越性，该方案在未来的工程塔机中必将得到更为广泛的应用，为我国的经济建设做出更大贡献！