提升门式起重机电气控制及性能可靠性的方法

2022-08-24经德利

设备管理与维修 2022年14期

经德利

（新疆油田公司物资供应总公司，新疆克拉玛依 834000）

0 引言

2 台50 t/15 t-30 m 门式起重机属于2002 年设计产品，所有控制方式为继电器逻辑控制。由于继电器逻辑控制可靠性差故障率高、设备控制不灵活、耗能大、整机行走启动及停车时出现摇摆现象等缺点，目前已逐渐被淘汰，提出使用可靠性高、抗干扰能力强、维修方便的PLC 为控制单元核心，取代继电器逻辑控制单元，其改造涉及费用远低于更换新设备的费用，并能达到提升设备整体性能指标确保设备本质安全的目标。

1 设备系统现状分析

1.1 电气控制系统构成现状及缺点

（1）构成现状。3#起重机主钩驱动电机型号YZR315M-10，功率75 kW；副钩驱动电机型号YZR225M-8，功率33 kW；大车驱动电机型号YZR180L-8，功率11 kW，共计4 台；小车驱动电机型号YZR160M-6，功率7.5 kW。2#起重机主钩驱动电机型号YZR280M-10，功率45 kW；副钩驱动电机型号YZR225M-8，功率33 kW；大车驱动电机型号YZR180L-8，功率11 kW，共计4 台；小车驱动电机型号YZR160M-6，功率7.5 kW。

（2）主要缺点。2 台起重机电机为接触器控制系统和串电阻分段控制电机，设备运行时通过继电器和接触器频繁动作来实现所控制设备的运行，造成接触器触头粘连、烧蚀现象时有发生。由于电机转子串多级电阻及定子调压方式，使用过程中都是惯性负载致使设备工作冲击大使设备寿命缩短。因使用线绕式电机，结构相对复杂，转子绕组和集电环、电刷装置容易出现故障，且转子需外接电路和电阻设备造成电机功耗大，增加维修工作量。驱动电机启动为接触器全载启动，起动电流大，对电网冲击大。进行机械制动时，制动瓦磨损严重。

1.2 机械控制系统构成现状及缺点

大车减速机型号为ZSCA800-62.5-1，是三级传动渐开线圆柱齿轮减速机，高速轴转速不超过1500 r/min，可正反运转，工作环境温度为-40～40 ℃，重约866 kg，中心距为350 mm，中心高为400 mm，高速输入轴直径为50 mm，带1∶10 的锥度，空心轴键数有2 个。制动器为分立抱闸机构，行走启动及停止时冲击惯性大，抱闸调整过紧过松都不利于安全行驶。减速机密封漏油及内部齿轮时有损坏，减速机几乎每年一次维修，造成维修费用居高不下。

2 改造设备控制系统的选型与控制实现

总体设计思路，各电气保护控制及动作执行控制继电器改由PLC 控制。主钩、副钩、小车、大车电机接触器控制改为变频调速控制，更换大车行走电机及减速器（图1）。整个系统电机执行部分由7 台电机构成，大车由4 台电机同时拖动运行，主钩、副钩、小车各1 台电机予以保留，所以共计配置4 台变频器传动，由可编程控制器PLC 控制完成各项指令操作。

图1 改造系统拓扑图

2.1 PLC 选型及控制

本按例选择S7-300可编程控制器，S7-300 是德国西门子公司生产的PLC 系列产品之一，采用可编程序的存储器存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入和输出，控制各种类型的机械生产过程。

依据现有设备及线路，结合PLC 功能及I/O 点绘制电气控制原理图，设计PLC 控制程序梯形图，满足系统控制的功能和要求（图2）。主要设计完成对起重机各主令电器操作输入的检测，安全扶梯安全门、司机室门、配电室门、夹轨器限位、地锚限位开关的检测，以及变频器反馈数据值检测等；控制大车、小车电机的运行方向、停止、加速及减速，实现前后运输的需要；控制主、副钩电机的运行方向、停止、加速及减速，实现吊装货物起重升降作业。

图2 PLC 功能框图

2.2 变频器选型及控制

本系统选用安川CH700 系列起重机专用变频器，具有较强控制性能和过载能力，带摇摆及斜行防止功能。用户可按推荐值合理选择容量值，不用再涉及繁杂的设计计算。考虑到电源电压波动因素及需通过125%超载试验要求等因素，起升机构平均起动转矩为额定力矩值的1.3～1.6 倍，其最大转矩必须有1.8～2倍的负载力矩值。本案例实际选型考虑新疆的高温及寒冷天气环境因素功率均放大一级。

（1）主起升变频器。3#起重机主钩驱动电机型号YZR315M-10，功率75 kW，选择CH70B4180 型号变频器。2#起重机主钩驱动电机型号YZR280M-10，功率45 kW，选择CH70B4112 型号变频器。

（2）副起升变频器。3#、2#起重机副钩驱动电机型号YZR225M-8，功率33 kW，选择CH70B4075 型号变频器。

（3）小车行走变频器。3#、2#起重机小车驱动电机型号YZR160M-6，功率7.5 kW，选择CH70B4024 型号变频器。

（4）大车行走变频器。因3#、2#起重机大车驱动电机及减速器更换，重新选择电机型号YEPB132M-4B5-191028，功率7.5 kW，4 台功率合计为30 kW，选择CH70B4075 型号变频器。

电气设计确保制动器由接触器控制与变频器控制同步，提前会造成自动卸钩，滞后会造成变频器保护。

2.3 主、副钩及小车电机改造

由于主、副钩及小车电机为YZR 系列绕线式电机，暂载率40%，通过变频控制就需要进行电机改造：将电机的转子引线拆开，不经过碳刷直接短接，固定牢固，做好绝缘处理；绕线式异步电机为变频控制时，通过改变频率的控制可使电机获得很好的平滑调速性和有足够刚度的机械特性，避免了由于绕线式电机串电阻，使转差率增大带来的电机损耗，起到节能的目的（图3）。

图3 绕线式电机改造

在主、副钩及小车电机一侧加装 GFDD -590-120 恒流式冷却风机，冷却风速 950 m/h，风压≥25 Pa，电压380 V，功率60 W。整个风机结构合理、造型美观，具有风量大、噪声小、温升低、寿命长、运行平稳、安装方便等特点。

2.4 大车减速机选型及更换

大车原有减速机ZSCA800-62.5-1 拆除，电机及联轴器拆除，选择4 台三合一电机驱动K 系列斜齿轮—螺旋锥齿轮减速机，其性能特点：①K 系列齿轮减速机是在模块化组合体系的基础上设计的，可以方便配用各种形式的电机，同种机型可配用各种功率的电机，容易实现各种机型之间的组合联接；②传动效率高，单机型减速机效率高达96%；③传动比划分细、范围广，组合机型可以形成较大的传动比，输出转速低；④安装方式可采取底脚安装、空心轴安装、空法兰安装、扭力臂安装、小法兰安装等，形式多样；⑤减速机运行平稳噪声低，体积小重量轻，使用寿命长，承载能力强，易于拆卸安装。

根据K 系列设计手册及设备功能要求，选择KA108-89.68-M4 型号减速机，采用扭力臂安装方式，满足设备驱动要求。

2.5 大车行走负重轮的更换

因为原有减速机驱动与行走负重轮的连接轴带1∶10 锥度，所以原行走负重轮连接轴不能使用，需要重新定制加工行走负重轮轴4 套，加工完成后更换原有负重轮轴，安装完成后，轴另一端安装三合一减速机（图4）。

图4 大车行走负重轮驱动轴

3 采取系统抗干扰措施方法

龙门吊应用在工业现场，吊装作业时周边有其他大型运行设备及固定设备，工作环境中易产生各种电磁干扰，新安装的PLC 控制器及变频器对使用环境要求高，电磁干扰对系统设备的正常运行存在严重影响，应考虑PLC 的抗干扰措施。

（1）输入、输出信号使用带屏蔽的硅胶多芯信号电缆。同段屏蔽线一端接地，另一端不接地，如有备用芯线也要一端接地可扩大屏蔽作用。抑制芯线间的信号串扰及外部干扰，大车上安装的电力电缆与信号电缆、弱电电缆分开电缆桥架敷设。

（2）PLC 及盘柜增加一条独立的接地线连接于主接地排中，其接地电阻应小于10 Ω。PLC 的周边500 mm 内尽量不安装接触器及变压器等容易产生电磁干扰的装置，引至PLC盘柜的电缆要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。

（3）630 kV·A 供电变压器与龙门吊相距50 m，电网回路中接有并联补偿电容器。在电网中可能产生过峰值电容造成变频器损坏，所以在变频器电源进线端加装进线交流电抗器，以抑制变频器造成的高频峰值电流或电容器开断造成的峰值电流对变频器的危害。有条件的在输出端可选择加装电源输出滤波器，最大程度降低变频器对电网的谐波干扰。