浅谈起重机行走机构调速控制系统设计

陈 飞

摘要：现有的起重机大都还是接触器控制系统，系统结构复杂，线缆冗杂，维护检修难度大，起动制动时对起重机行走机构冲击很大，加快了起重机机械部件和结构的疲劳损坏，不利于起重机的运行安全。针对这一问题本文设计了基于PLC的起重机行走机构变频调速控制系统，实现了行走机构的平滑调速的同时也提高了起重机的使用安全性并延长了使用寿命。本文设计的控制系统还具有吊钩防摆功能，最大程度上实现了起重机的运行安全和使用安全，实现了起重机整机控制系统的局部自动化和智能化，具有很高的应用和推广价值。

关键词：起重机；行走机构；变频调速系统；吊钩防摆

起重机是工业现代化进程中重要的角色，为社会经济发展和人们生活重量保证与提高做出了不可磨灭的贡献^[1-2]。因为国家一直没有相关规范和标准强制老旧起重机报废，致使在用的起重机大都年限较长。这些起重机的控制系统都是接触器控制，系统结构庞大复杂，线缆冗杂，维护检修十分不便，一旦出现故障无法短期实现故障切除重新投入使用，对企业生产连续性也有很大影响。而且原有接触器控制系统起动制动冲击很大，加快了起重机机械部件和结构的疲劳损坏，不利于起重机的运行安全。针对这些问题，本文展开以下研究。

1. 基于PLC的起重机行走机构控制系统设计

控制器是控制系统的核心，决定着系统的稳定性和可靠性。本文选用工业应用成熟的西门子S7200PLC作为行走机构控制系统的控制器。按照国家相关标准^[3]、安全技术规范和机械设计手册要求，行走机构相关需要加装的装置有：控制装置、电动机、减速机、制动器、行程限位、抗风防滑装置（仅室外）、电机主回路的过载或过流保护、缓冲器、轨道端部止挡、错断相保护装置、双稳态急停开关、主接触器、主断路器。本文要设计的是交流变频变压调速，因此本设计系统还需要加装变频器，视就位精度选装电机同轴编码器。按照PLC系统设计一般过程，先对I/O点进行统计分类。输入点包括：控制装置、行程限位、电机主回路的过载或过流保护、错断相保护装置、双稳态急停开关、编码器。输出点包括：变频器、制动器、主接触器。电动机和减速机属于变频器一体驱动部分；缓冲器、轨道端部止挡属于固定设施，仅需经常性维护检查一般不参与正常工作过程；抗风防滑装置（仅室外）一般为起重机工作前由操作人员手动解除，结束工作后手动上紧；主断路器一般使用前由操作人员手动置位，结束工作后手动复位，或主回路过载、过流后自动复位，故障切除后再由维修人员手动置位。

起重机行走机构控制要求十分简单，仅有正向运行或反向运行指令。程序设计应包括

1. 主接触器回路设计，仅当主接触器回路接通后才能控制电机运转。电动机主回路的过载或过流保护、错断相保护装置、双稳态急停开关等输入点应串接入主接触器控制回路。

2. 电动机正反向运行控制程序设计，本设计系统中取决于对变频器频率输出控制。

3. 制动器控制程序设计，变频调速系统中制动器作为机械制动应在起重机速度归零后再制动，以减少对起重机和变频器的冲击，因此控制程序编写上要注意时序配合。

4. 吊钩防摆控制程序设计，在起重机工作过程中因制动太急导致吊钩摆动而发生的事故时有发生。因此，需要设计吊钩防摆控制程序，保证起重机使用安全。

2. 起重机行走机构变频调速系统设计

本文选择交流变频变压调速技术来解决起重机行走机构起动制动冲击大问题。变频调速技术随着设备和技术的不断发展进步，因其结构简单、维护方便已经被广泛应用在各类交流电机拖动场合中^[4-5]。变频器驱动电机的控制方法一般有三种：面板控制、端子控制和总线控制，本文选择基于西门子S7200系列PLC的USS通信方式实现变频器控制。

本文选择基于增量法的PID转速闭环控制。起重机行走机构分为3个档位，频率定值为15HZ、35HZ、50HZ，频率的给定通过控制装置选择经程序USS通讯控制部分写入变频器。安装在行走电机同轴的编码器实时将行走速度经PLC配置好的高速计数数字量输入通道传入PLC，经计算换算成速度值v。控制器选择档位时，PLC档位控制程序自动将对应的频率换算成速度值写入速度控制PID的设定值v’。PID根据v’与v的差值进行计算并将输出结果与档位频率设定值做代数和后重新写入PID设定值，以实现速度的闭环控制。

起重机行走机构几乎都是平面移动，即使有坡度按照轨道相关铺设标准也不得大于1/1000，再加上车轮与轨道间轮压，使得行走机构超速发生的概率几乎为零。所以本文设计的三个运行档位对应频率值均在基频及以下，在设置变频器模式时应选择恒转矩模式。其他像额定电压、额定电流、启动电流、过载系数等变频器工作参数根据行走机构电机参数设定即可。起动的加速斜坡时间根据GB3811相关要求和起重机实际工作场合设定，停止时的减速斜坡时间设为最小，即接收到停止命令就输出零频率。对应制动器动作时序控制方案为：当起动时，因为不像起升机构需要支持载荷，因此制动器在接到起动信号时立即打开；当制动时，要实现吊钩防摆，制动器必须要等编码器返回速度值等于程序计算的停车速度时才能制动。

3. 吊钩防摆控制程序设计

吊钩防摆顾名思义就是在起重机工作运行之中吊钩不能出现摆动，虽然从内容上看信息不多，但因为起重机每次作业所吊载荷重量都不一样，真正要实现绝对不摆还是具有很高的控制难度。本文基于惯性缓冲原理设计吊钩防摆控制程序。

吊钩是悬挂在起重机起升机构上的重要零部件，通过钢丝绳和滑轮组缠绕固定在起升机构卷筒上。钢丝绳是柔性部件在起重机制动时如果太急，载荷在惯性作用下钢丝绳会绕卷筒发生摆动，我们称这种现象为吊钩摆动。吊钩摆动会导致起升机构承受很大的载荷冲击；也会导致连接吊钩与重物的索具发生滑移从而发生事故；还会导致钢丝绳在摆动最大幅度时承受很大拉力，加快钢丝绳损坏。因此吊钩防摆亟待解决。

本文的吊钩防摆控制程序设计理念是惯性缓冲，当起重机接收到停车命令时，制动器先不制动，程序根据停车命令接收时的起重机速度值和载荷重量值计算到制动器制动时所需时间，当速度降低后使载荷在当前速度状态下无法克服重力“摆起来”即可。计算方法如下。

由能量守恒可知吊钩摆动高度计算式如下式1所示：

（1）

式中：m为吊钩自重、载荷重量、与当前起升高度对应钢丝绳一半重量之和；

v为制动器制动时的起重机运行速度；

g为重力加速度。

根据实际安全要求设定一个h值，即可计算得知制动时起重机的运行速度v1。起重机行走机构在行走轮与轨道的摩擦阻力下减速运行，根据牛顿第二定律制停时间计算如下式2所示。

（2）

式中：μ为车轮与轨道间摩擦系数；

g为重力加速度；

v1为制动时起重机的运行速度；

v为计算所得吊钩不摆时对应最大停车速度。

4. 结论

本文基于PLC控制技术和变频调速技术设计了起重机行走机构调速控制系统，该系统实现了起重机控制系统的局部自动化和智能化，降低了起动制动对起重机行走机构的冲击，提高了使用安全性可靠性的同时也延长了起重机的使用寿命。但为了满足吊钩防摆控制牺牲了工作效率，制动器必须在速度降低到吊钩不发生摆动时才能制动。如何在不牺牲工作效率的前提下实现吊钩防摆控制亟需解决。

参考文献

[1] 王继东.变频调速在起重机中的应用[M].机械工业出版社,2000.

[2] 张宗桐. 起重机变频传动及其调速系统综述（上）[J]. 变频器世界,2013(6):47-51.

[3] GB/T3811-2008 起重机设计规范[S].

[4] 彭中华. 变频控制在塔机上的应用[D]. 重庆大学,2007.

[5] 王涛. 交流变频调速技术在位能负载上的应用[D]. 吉林大学,2010.