论文部分内容阅读
蛇口集装箱码头有限公司（以下简称蛇口集装箱码头）采用西门子控制系统的轮胎吊共24台，其起升机构电气控制主要采用交流变频技术和全数字可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技术，PLC型号为CP 315-2DP，驱动器型号为6SE70系列，两者之间采用PROFIBUS-DP通信，具有响应速度快的特点。本文针对蛇口集装箱码头轮胎吊起升机构在运行过程中出现的偶发性故障，提出轮胎吊起升机构电气控制故障防范措施，以期为同类故障分析及处理提供借鉴。
1 轮胎吊起升机构电气控制故障
1.1 偶发性故障现象
蛇口集装箱码头采用西门子控制系统的轮胎吊使用年限已超过10年，其电气元件已开始老化。小车拖令电缆绝缘损坏会导致设备在运行中出现漏电现象，造成人员伤亡或设备损坏。为防止设备漏电，需要对轮胎吊驱动器主回路采取漏电预防措施，并开启驱动器漏电检测功能，此时轮胎吊起升机构在作业过程中偶尔会出现以下故障：（1）在起升机构开始运行的瞬间，吊具下滑左右，此时驱动器故障停车；（2）当起升机构运行时，其在制动器释放瞬间有抖动现象，同时驱动器报F011故障。
1.2 故障原因分析
1.2.1 制动器控制原理
分析轮胎吊起升机构的硬件组成、控制原理及程序结构可知，吊具下滑故障的主要原因是制动器提前释放，因此，有必要进一步分析制动器控制原理。
1.2.1.1 硬件组成
轮胎吊起升机构的硬件主要由变频电机（）、电力液压块式1号制动器、电力液压块式2号制动器、减速箱、驱动器（6SE7035-1TJ60）、卷筒、控制元件等组成。
1.2.1.2 电气控制
根据轮胎吊起升机构制动器电气控制原理，打开制动器需要满足以下3个条件。
（1）刹车释放条件一：K001继电器。主要用于检测起升机构电气控制回路空气开关、安全回路等故障，若电气控制回路正常，刹车释放条件一满足。
（2）刹车释放条件二：K070继电器。早期起升机构驱动器刹车释放条件参数为默认设置，控制合送电后驱动器显示参数r001为011时，驱动器输出刹车释放信号，刹车释放条件二满足，此时驱动器处于准备状态，无输出转矩。
（3）刹车释放条件三：K065和K067继电器。K065和K067继电器由PLC控制，分别控制电力液压块式1号制动器和电力液压块式2号制动器。在制动过程中，PLC发出制动信号，控制1号和2号制动器一前一后抱闸，并根据制动器设定的制动次数来选择制动器一前一后互换，所以需要采用2个继电器分别控制1号和2号制动器。
1.2.1.3 PLC程序逻辑控制
控制合送电后，驱动器接收待机命令，驱动器待机正常时传送正常状态信号给PLC；PLC检测起升连锁信号（包括大车位置信号、起升高度位置信号、吊具信号等）正常时，起升主令手柄向下或向上时，手柄主给定信号经过连锁逻辑处理后，通过PROFIBUS-DP通信协议传输到驱动器；驱动器收到控制运行命令及主给定信号后，制动器在驱动器输出转矩的同时打开，起升电机运行。手柄信号断开，驱动器的输出在设定斜坡时间到达后封锁；当驱动器的速度反馈检测比值低于2%时，驱动器判断起升电机为零速状态，此时驱动器传送零速信号给PLC；PLC根据该信号控制制动器制动抱闸，起升机构停止运行。
1.2.1.4 驱动系统
起升机构驱动器的控制模式设定为闭环矢量控制，矢量控制的原理是通过模拟直流电机的控制特点来控制异步电机：通过矢量变换将定子电流矢量分解成物理上不直接存在的转矩电流和励磁电流，再对其分别进行控制，最后再进行反变换，从而实现对异步电机的控制。起升电机选用转速为990～ /min的电机，驱动器可实现起升电机的恒转矩和恒功率调速，达到节约电能、提高作业效率的目的。起升机构在空吊具状态下恒功率运行，在吊箱状态下恒转矩运行，两者根据吊具的开闭锁信号及吊具在闭锁状态下的质量进行转换，并通过PLC逻辑运算对驱动器进行基频或基频以上调速控制。收到PLC控制运行命令及主给定信号后，驱动器输出转矩运行。起升机构的起升高度、停止及减速位置由起升电机速度反馈信号在驱动器处理后传送到PLC进行运算后确定，PLC根据运算结果对驱动器的主给定信号进行减速及停止控制。
1.2.2 故障原因
轮胎吊起升机构起升运行时主要由PLC控制，当PLC控制运行命令及主给定信号传送到驱动器时，在驱动器输出转矩的同时起升制动器打开，两者间采用PROFIBUS-DP通信协议，响应时间非常短（毫秒级）。若起升机构驱动器运行正常，起升驱动器的输出转矩可与起升制动器同步运行，此时吊具不会出现下滑故障。当驱动器开启漏电检测功能时，驱动器收到控制运行命令及主给定信号，此时驱动器处于检测输出回路是否有漏电现象的状态，且驱动器无输出转矩。若该输出回路检测正常，驱动器立刻输出转矩，起升机构运行正常。若该输出回路中有轻微漏电且其未达到驱动器默认参数值时，驱动器仍处于漏电检测状态。此时因PLC已发出起升制动器打开控制命令，吊具的自重及其吊箱导致吊具下滑，起升电机在下滑过程中向驱动器反馈速度信号，驱动器检测到其与实际输出给定值的偏差达到设定值时，驱动器故障停车，起升制动器抱闸。
2 轮胎吊起升机构电气控制故障防范措施
轮胎吊的起升机构属位势负荷，制动器的安全控制决定于起升机构安全运行因素。在起升机构开始运行时，起升制动器打开、抱闸与驱动器输出配合十分关键；因此，起升机构运行安全性可以从制动器控制方面入手加以改善。如前文所述：起升机构制动器打开的条件一属硬件保护回路，该条件是客观的；条件二和三属逻辑性控制，在设计上增加保护功能可以强化逻辑控制，从而达到提升起升机构运行安全性的目的。
2.1 改善驱动器功能
起升机构原驱动器的刹车释放信号默认为P601，默认值为B0124，该值是接触器得电信号，驱动器在待机状态下有该信号输出，此时驱动器无转矩输出。为此，可在驱动器输出转矩的比值达到设定值时将其与B0124进行相与，驱动器输出刹车释放信号（满足控制起升制动器条件二）。
2.2 改善PLC程序逻辑控制
PLC程序逻辑控制改善前，当起升机构的连锁条件正常时，收到起升手柄信号，程序逻辑信号M22.3为1时制动器打开（见图1）。PLC程序逻辑控制改善后，程序逻辑信号M22.3在功能FC123第6段中与驱动器的输出转矩信号按设定比值信号相与，当驱动器输出转矩达到设定值1且M22.3为1时，起升机构制动器打开。PLC程序中增加的比较逻辑控制功能如图2所示。
3 轮胎吊起升机构电气控制故障防范措施实施效果
轮胎吊起升机构驱动系统改造前后驱动器在实际运行中的测试情况分别如图3和图4所示。西门子6SE70系列驱动器的功能强大，通过调整驱动器参数可以实现对不同使用环境下多用途设备的控制，以满足其工况和作业需求。轮胎吊起升机构驱动系统改善后，驱动器输出转矩建立时起升机构制动器才打开，从而避免在起升机构运行过程中出现吊具下滑等故障，提高起升机构运行安全性。
（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-08-28）
1 轮胎吊起升机构电气控制故障
1.1 偶发性故障现象
蛇口集装箱码头采用西门子控制系统的轮胎吊使用年限已超过10年，其电气元件已开始老化。小车拖令电缆绝缘损坏会导致设备在运行中出现漏电现象，造成人员伤亡或设备损坏。为防止设备漏电，需要对轮胎吊驱动器主回路采取漏电预防措施，并开启驱动器漏电检测功能，此时轮胎吊起升机构在作业过程中偶尔会出现以下故障：（1）在起升机构开始运行的瞬间，吊具下滑左右，此时驱动器故障停车；（2）当起升机构运行时，其在制动器释放瞬间有抖动现象，同时驱动器报F011故障。
1.2 故障原因分析
1.2.1 制动器控制原理
分析轮胎吊起升机构的硬件组成、控制原理及程序结构可知，吊具下滑故障的主要原因是制动器提前释放，因此，有必要进一步分析制动器控制原理。
1.2.1.1 硬件组成
轮胎吊起升机构的硬件主要由变频电机（）、电力液压块式1号制动器、电力液压块式2号制动器、减速箱、驱动器（6SE7035-1TJ60）、卷筒、控制元件等组成。
1.2.1.2 电气控制
根据轮胎吊起升机构制动器电气控制原理，打开制动器需要满足以下3个条件。
（1）刹车释放条件一：K001继电器。主要用于检测起升机构电气控制回路空气开关、安全回路等故障，若电气控制回路正常，刹车释放条件一满足。
（2）刹车释放条件二：K070继电器。早期起升机构驱动器刹车释放条件参数为默认设置，控制合送电后驱动器显示参数r001为011时，驱动器输出刹车释放信号，刹车释放条件二满足，此时驱动器处于准备状态，无输出转矩。
（3）刹车释放条件三：K065和K067继电器。K065和K067继电器由PLC控制，分别控制电力液压块式1号制动器和电力液压块式2号制动器。在制动过程中，PLC发出制动信号，控制1号和2号制动器一前一后抱闸，并根据制动器设定的制动次数来选择制动器一前一后互换，所以需要采用2个继电器分别控制1号和2号制动器。
1.2.1.3 PLC程序逻辑控制
控制合送电后，驱动器接收待机命令，驱动器待机正常时传送正常状态信号给PLC；PLC检测起升连锁信号（包括大车位置信号、起升高度位置信号、吊具信号等）正常时，起升主令手柄向下或向上时，手柄主给定信号经过连锁逻辑处理后，通过PROFIBUS-DP通信协议传输到驱动器；驱动器收到控制运行命令及主给定信号后，制动器在驱动器输出转矩的同时打开，起升电机运行。手柄信号断开，驱动器的输出在设定斜坡时间到达后封锁；当驱动器的速度反馈检测比值低于2%时，驱动器判断起升电机为零速状态，此时驱动器传送零速信号给PLC；PLC根据该信号控制制动器制动抱闸，起升机构停止运行。
1.2.1.4 驱动系统
起升机构驱动器的控制模式设定为闭环矢量控制，矢量控制的原理是通过模拟直流电机的控制特点来控制异步电机：通过矢量变换将定子电流矢量分解成物理上不直接存在的转矩电流和励磁电流，再对其分别进行控制，最后再进行反变换，从而实现对异步电机的控制。起升电机选用转速为990～ /min的电机，驱动器可实现起升电机的恒转矩和恒功率调速，达到节约电能、提高作业效率的目的。起升机构在空吊具状态下恒功率运行，在吊箱状态下恒转矩运行，两者根据吊具的开闭锁信号及吊具在闭锁状态下的质量进行转换，并通过PLC逻辑运算对驱动器进行基频或基频以上调速控制。收到PLC控制运行命令及主给定信号后，驱动器输出转矩运行。起升机构的起升高度、停止及减速位置由起升电机速度反馈信号在驱动器处理后传送到PLC进行运算后确定，PLC根据运算结果对驱动器的主给定信号进行减速及停止控制。
1.2.2 故障原因
轮胎吊起升机构起升运行时主要由PLC控制，当PLC控制运行命令及主给定信号传送到驱动器时，在驱动器输出转矩的同时起升制动器打开，两者间采用PROFIBUS-DP通信协议，响应时间非常短（毫秒级）。若起升机构驱动器运行正常，起升驱动器的输出转矩可与起升制动器同步运行，此时吊具不会出现下滑故障。当驱动器开启漏电检测功能时，驱动器收到控制运行命令及主给定信号，此时驱动器处于检测输出回路是否有漏电现象的状态，且驱动器无输出转矩。若该输出回路检测正常，驱动器立刻输出转矩，起升机构运行正常。若该输出回路中有轻微漏电且其未达到驱动器默认参数值时，驱动器仍处于漏电检测状态。此时因PLC已发出起升制动器打开控制命令，吊具的自重及其吊箱导致吊具下滑，起升电机在下滑过程中向驱动器反馈速度信号，驱动器检测到其与实际输出给定值的偏差达到设定值时，驱动器故障停车，起升制动器抱闸。
2 轮胎吊起升机构电气控制故障防范措施
轮胎吊的起升机构属位势负荷，制动器的安全控制决定于起升机构安全运行因素。在起升机构开始运行时，起升制动器打开、抱闸与驱动器输出配合十分关键；因此，起升机构运行安全性可以从制动器控制方面入手加以改善。如前文所述：起升机构制动器打开的条件一属硬件保护回路，该条件是客观的；条件二和三属逻辑性控制，在设计上增加保护功能可以强化逻辑控制，从而达到提升起升机构运行安全性的目的。
2.1 改善驱动器功能
起升机构原驱动器的刹车释放信号默认为P601，默认值为B0124，该值是接触器得电信号，驱动器在待机状态下有该信号输出，此时驱动器无转矩输出。为此，可在驱动器输出转矩的比值达到设定值时将其与B0124进行相与，驱动器输出刹车释放信号（满足控制起升制动器条件二）。
2.2 改善PLC程序逻辑控制
PLC程序逻辑控制改善前，当起升机构的连锁条件正常时，收到起升手柄信号，程序逻辑信号M22.3为1时制动器打开（见图1）。PLC程序逻辑控制改善后，程序逻辑信号M22.3在功能FC123第6段中与驱动器的输出转矩信号按设定比值信号相与，当驱动器输出转矩达到设定值1且M22.3为1时，起升机构制动器打开。PLC程序中增加的比较逻辑控制功能如图2所示。
3 轮胎吊起升机构电气控制故障防范措施实施效果
轮胎吊起升机构驱动系统改造前后驱动器在实际运行中的测试情况分别如图3和图4所示。西门子6SE70系列驱动器的功能强大，通过调整驱动器参数可以实现对不同使用环境下多用途设备的控制，以满足其工况和作业需求。轮胎吊起升机构驱动系统改善后，驱动器输出转矩建立时起升机构制动器才打开，从而避免在起升机构运行过程中出现吊具下滑等故障，提高起升机构运行安全性。
（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-08-28）