環(huán)形起重機(jī)的設(shè)計(jì)與制造對(duì)技術(shù)和工藝的要求都比較高，本文以福清核電1號(hào)機(jī)組環(huán)形起重機(jī)為例，研究了系統(tǒng)的特性與作用。

　　《電力設(shè)備》國家級(jí)電力雜志，創(chuàng)刊于2009年，由英大傳媒集團(tuán)主辦，是國內(nèi)第一本能源評(píng)論類雜志。雜志主要面向關(guān)注能源問題的決策者、研究者、管理者、投資者以及社會(huì)各界人士公開發(fā)行。雜志匯集眾多專家學(xué)者，針對(duì)能源經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的現(xiàn)象與問題，進(jìn)行分析、解讀和預(yù)測(cè)。相信“觀點(diǎn)改變世界”，以打造“中國能源財(cái)經(jīng)領(lǐng)域核心觀點(diǎn)平臺(tái)”為價(jià)值理想;以助力我國實(shí)現(xiàn)“安全、清潔、高效、有活力的能源體系”為終極目標(biāo)。

　　環(huán)形起重機(jī)是核電站最關(guān)鍵的吊裝設(shè)備，主要用于吊裝反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器，以及供反應(yīng)堆機(jī)組大修和每年一次更換反應(yīng)堆燃料時(shí)使用。其設(shè)計(jì)要求特殊，技術(shù)含量高，制造工藝復(fù)雜，對(duì)吊裝定位的精確度、可靠性和安全性都有很高的要求。本文將重點(diǎn)對(duì)福建省福清核電1號(hào)機(jī)組環(huán)形起重機(jī)(設(shè)備型號(hào)：205/10+205+10t，以下簡稱環(huán)吊)電氣控制的特點(diǎn)以及雙小車聯(lián)合起吊的同步運(yùn)行原理做較為詳細(xì)的解析。

　　一、主要機(jī)構(gòu)介紹

　　環(huán)吊主要機(jī)構(gòu)有：205t運(yùn)行小車的主起升、偏移機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)，10t副鉤起升、偏移機(jī)構(gòu);205t安裝小車起升和運(yùn)行機(jī)構(gòu);5tXY葫蘆起升機(jī)構(gòu)、X向和Y向運(yùn)行機(jī)構(gòu);6.3t檢修葫蘆的起升和運(yùn)行機(jī)構(gòu);大車在圓環(huán)形軌道上的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。其中，205t安裝小車在完成吊裝蒸汽發(fā)生器后將從環(huán)吊上移除。

　　二、電氣控制特點(diǎn)介紹

　　環(huán)吊采用了siemens S7-400 PLC、ABB變頻器、SimaticTP270觸摸屏等高性能配置，應(yīng)用了先進(jìn)的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、帶編碼器反饋的直接轉(zhuǎn)距控制方式、及先進(jìn)的人機(jī)界面系統(tǒng)。.因主起升機(jī)構(gòu)在起重機(jī)應(yīng)用上最為典型，控制也最為復(fù)雜，故本部分以205t運(yùn)行小車主起升為例介紹其控制方式。

　　(一)PLC控制系統(tǒng)

　　整個(gè)系統(tǒng)以S7-400 PLC作為電控核心，主要有電源模塊、CPU、輸入輸出模塊及接口模塊等組成。輸入模塊采集由限位開關(guān)、熱敏電阻、變頻器故障反饋等設(shè)備的信號(hào)狀態(tài);接收主令控制器、按鈕開關(guān)發(fā)出的控制指令，集中在CPU中進(jìn)行運(yùn)算，并將程序運(yùn)算結(jié)果通過輸出模塊和Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線傳送給接觸器和變頻器等執(zhí)行設(shè)備，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、液壓抱閘裝置、冷卻風(fēng)機(jī)等完成各種生產(chǎn)任務(wù)。

　　(二)Profibus串行通訊現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)

　　Profibus是一種開放式串行通訊標(biāo)準(zhǔn)。與其他現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相比，Profibus的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。該標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在各類自動(dòng)化元件之間互相交換。它由三個(gè)兼容的部分組成：

　　(1)Profibus-DP：用于通訊設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/0的通訊，使用Profibus-DP可取代24VDC或4―20mA信號(hào)傳輸。

　　(2)Profibus-PA：專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。

　　(3)Profibus-FMS：用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。

　　在本系統(tǒng)中以S7-400作為主站，以各機(jī)構(gòu)變頻器作為從站，通過DP接口模塊和RS485屏蔽雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)快速實(shí)時(shí)交換，穩(wěn)定通訊距離可到1200m。

　　在Profibus總線系統(tǒng)中，可根據(jù)實(shí)際工況對(duì)激活通迅模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線類型、變頻器地址、通訊傳輸速率、數(shù)據(jù)傳輸類型等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

　　作為主站的PLC中央處理器從從站讀取各種輸入狀態(tài)信息，即從變頻器讀出主升狀態(tài)字和實(shí)際值，包括變頻器準(zhǔn)備好、上電應(yīng)答、運(yùn)行、轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證、變頻器故障、電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速等信息;并將各種輸出信息寫入從站，即將控制字和速度給定、轉(zhuǎn)矩給定寫入變頻器。包括通訊檢測(cè)位、來自現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC系統(tǒng)的啟動(dòng)信號(hào)、來自上位機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)信號(hào)、故障復(fù)位信號(hào)及實(shí)際頻率給定等。使復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)換、監(jiān)控、反饋過程全部通過Profibus鏈的數(shù)據(jù)傳輸、和CPU的快速集中處理輕松實(shí)現(xiàn)。

　　(三)人機(jī)界面系統(tǒng)

　　環(huán)吊的人機(jī)界面采用TP270觸摸屏系統(tǒng)。它和PLC之間也采用Profibus總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交換，實(shí)時(shí)地顯示和監(jiān)控各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)及電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、速度等運(yùn)行參數(shù)，并能利用自身故障實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行判斷，記錄故障時(shí)的各種參數(shù)，這樣，操作人員和檢修人員就可以全面及時(shí)地了解系統(tǒng)的狀態(tài)，并可按提示的故障信息去檢查和維修，達(dá)到準(zhǔn)確、快速排除故障的效果，真正實(shí)現(xiàn)了人機(jī)智能化。同時(shí)，通過位置編碼器，CPU對(duì)大車的位置、小車位置、吊鉤位置進(jìn)行解讀，通過Profibus總線并將處理結(jié)果呈現(xiàn)于顯示屏上，建立起整個(gè)環(huán)吊主要機(jī)構(gòu)位置的三維坐標(biāo)，進(jìn)一步優(yōu)化了人機(jī)界面的效果。

　　(四)變頻調(diào)速系統(tǒng)

　　1.起升工況及要求

　　起升機(jī)構(gòu)要求較大的調(diào)速比和較硬的機(jī)械特性，以適應(yīng)重物的精確吊裝要求;要求有大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力，以適應(yīng)負(fù)載突變，保證重載二次起升的能力;必須解決好再生制動(dòng)狀態(tài)的能量回饋與處理，以縮短減速停車時(shí)間;必須解決好溜鉤問題。

　　2.變頻功能應(yīng)用

　　根據(jù)起升機(jī)構(gòu)特性和技術(shù)要求，變頻器采用帶測(cè)速反饋接口的800系列變頻器(運(yùn)行小車采用ACC800，安裝小車采用ACS800)，配合ACC7.2、ACS7.1專用提升軟件，形成閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩控制，通過預(yù)勵(lì)磁功能和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)定使電機(jī)啟動(dòng)瞬間力矩最高可達(dá)300%，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的啟動(dòng)特性。內(nèi)置制動(dòng)斬波器，外接制動(dòng)電阻，使制動(dòng)過程中的產(chǎn)生的再生能量通過制動(dòng)電阻得到釋放，達(dá)到快速制動(dòng)的目的。使用機(jī)械制動(dòng)控制功能，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩釋放和制動(dòng)器緊密配合，更好地提高了設(shè)備的安全性，承受頻繁起動(dòng)沖擊的能力及可靠性也大為增加。

　　3.主要功能介紹

　　(1)轉(zhuǎn)距驗(yàn)證

　　轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證用于確認(rèn)在松開抱閘和開始提升運(yùn)行之前傳動(dòng)能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，抱閘沒有打滑。它是將機(jī)械抱閘被施加時(shí)給一個(gè)正的轉(zhuǎn)矩給定值來完成的。如果轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證成功，則表示轉(zhuǎn)矩達(dá)到了正確的等級(jí)，才能執(zhí)行啟動(dòng)序列中的下一步驟.當(dāng)變頻器啟動(dòng)信號(hào)有效時(shí)，轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證程序就開始了，完成之后，轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證OK被置1。如果在轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證期間檢測(cè)到了任何故障，則轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證失敗，且傳動(dòng)跳閘停車，并在監(jiān)控系統(tǒng)中給出故障指示，大大增加了起重機(jī)的安全性。 　　(2)機(jī)械制動(dòng)控制

　　變頻器內(nèi)置了制動(dòng)邏輯控制器，用來控制抱閘接觸器的動(dòng)作。當(dāng)接收到啟動(dòng)命令時(shí)，變頻器首先對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)勵(lì)磁，然后釋放速度和轉(zhuǎn)矩控制器，如果轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證通過，制動(dòng)器將抬起，電動(dòng)機(jī)將按照正常的加速時(shí)間運(yùn)行。如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有接收到制動(dòng)應(yīng)答信號(hào)，傳動(dòng)將故障跳閘并指示制動(dòng)器故障。啟動(dòng)命令撤去之后，傳動(dòng)將按減速時(shí)間減速到相對(duì)零速，當(dāng)接到零速信號(hào)反饋后，制動(dòng)抬起命令被關(guān)閉，在制動(dòng)施加時(shí)間內(nèi)傳動(dòng)將保持勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩輸出，直至制動(dòng)器閉合完畢，有效地預(yù)防了溜鉤事故的發(fā)生。

　　(3)再生能量的處理

　　重載下降時(shí)電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于再生電能，必須能夠妥善處理，以保證能使減速停車時(shí)間盡量縮短。通過關(guān)閉直流過電壓控制器、激活制動(dòng)斬波器的控制，選擇合理的減速時(shí)間。當(dāng)重物下降減速時(shí)，所產(chǎn)生的再生電能將通過和逆變管所并聯(lián)的二極管全波整流后反饋到中間直流電路，這一過程將產(chǎn)生泵升電壓，當(dāng)此電壓超過門限值，制動(dòng)斬波器(IGBT回路)就會(huì)被激活，把多余的電能通過制動(dòng)電阻快速得到釋放，保證了在短時(shí)間內(nèi)快速減速或停車。

　　安裝小車起升機(jī)構(gòu)的電氣控制思路與運(yùn)行小車是一致的，但是實(shí)現(xiàn)的方法不一樣。運(yùn)行小車的起升機(jī)構(gòu)電力拖動(dòng)方式是通過IGBT供電模塊整流，再通過逆變器ACC800連接到電動(dòng)機(jī)，控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，電能回饋吸收和釋放也在IGBT供電模塊進(jìn)行;安裝小車則直接通過變頻器ACS800外接制動(dòng)單元(制動(dòng)斬波器)和制動(dòng)電阻實(shí)現(xiàn)。

　　三、雙小車聯(lián)合起吊的同步運(yùn)行原理介紹

　　環(huán)形起重機(jī)最主要的作用是為了吊裝396t的蒸汽發(fā)生器。由于投產(chǎn)后機(jī)組檢修、燃料吊運(yùn)的最大起重量都不會(huì)超過200t，如果將主起升的額定起重量設(shè)置為400t，必將造成設(shè)備利用不充分。所以，現(xiàn)在核島環(huán)吊吊裝蒸汽發(fā)生器的方案都采用雙小車聯(lián)合起吊的方式，例如：福建寧德核電采用的是(217t+190t)，福建福清核電采用的是(205t+205t)的方案。雙小車同步聯(lián)合起吊是環(huán)吊電氣控制部分比較重要和復(fù)雜的一環(huán)，要求在同步起升的整個(gè)行程中(約28m)，兩吊鉤中心位置的高度差不能超過50mm，允許誤差率為0.18%。

　　聯(lián)合起吊過程中兩吊鉤中心位置出現(xiàn)偏差是必然的。主要由以下兩個(gè)原因：①兩吊鉤鋼絲繩受力不可能完全一致，即負(fù)載的載荷特性不全相同;②機(jī)械傳動(dòng)的誤差，造成雙鉤起升、下降速度的差異。

　　根據(jù)以上分析，雙小車起升機(jī)構(gòu)的速度控制采用開環(huán)控制系統(tǒng)是不可能達(dá)到控制要求，必須引入速度負(fù)反饋進(jìn)行閉環(huán)控制。但單純的速度反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)只能是“讓速度快的變慢，接近另一方的值”，或者“讓速度慢的變快，接近另一方的值”，存在速度調(diào)整過程中，高度誤差值累積現(xiàn)象，依然無法滿足控制精度要求。因此，還必須引入兩吊鉤位置比較的反饋，通過兩吊鉤速度、實(shí)際位置比較的雙反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)位置自動(dòng)糾偏的功能。控制原理圖如圖1所示：

　　速度給定后，該系統(tǒng)以205t安裝小車的起升機(jī)構(gòu)的實(shí)際速度為基準(zhǔn)點(diǎn)，工作小車的實(shí)際速度為反饋信號(hào)，通過速度比例積分微分調(diào)節(jié)器(PID)，調(diào)整轉(zhuǎn)矩給定值選擇器的輸入速度值;同時(shí)通過兩小車吊鉤中心位置的位置編碼器獲取高度差，調(diào)整轉(zhuǎn)矩給定值選擇器的地址偏差輸入值;后經(jīng)轉(zhuǎn)矩給定值控制器，對(duì)運(yùn)行小車起升機(jī)構(gòu)原有的轉(zhuǎn)矩給定值做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并作為控制信號(hào)輸入該機(jī)構(gòu)的變頻控制器，改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制要求。

　　本系統(tǒng)的精度取決于反饋檢驗(yàn)裝置的精度。位置編碼器的精度比較容易保證，但是測(cè)速發(fā)電機(jī)的誤差較難克服。如果測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁發(fā)生變化，會(huì)使反饋電壓失真，從而使閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速偏離應(yīng)有數(shù)值。而測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓中的換向紋波，制造或安裝不良造成轉(zhuǎn)子偏心等問題都會(huì)給系統(tǒng)帶來周期性的干擾。環(huán)吊的測(cè)速發(fā)電機(jī)采用了德國Thaiheim測(cè)速發(fā)電機(jī)，它應(yīng)用光電編碼盤數(shù)字測(cè)速，測(cè)速精度達(dá)到0.5%，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的精度。

　　四、總結(jié)

　　環(huán)形起重機(jī)的電氣系統(tǒng)采用PLC程序控制，使外部硬接線簡單明了，整個(gè)系統(tǒng)電網(wǎng)適應(yīng)性強(qiáng)。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低速轉(zhuǎn)矩高，速度響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，各檔位速度可任意設(shè)置，加減速時(shí)間可調(diào)，尤其是變頻器兩個(gè)提升專用軟件，使該起重機(jī)具備了提升機(jī)應(yīng)用所需的全部控制和安全功能，確保了安全可靠地運(yùn)行。

　　該系統(tǒng)調(diào)速性能優(yōu)異、定位準(zhǔn)確、操作簡單、維護(hù)方便，大大地提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，有著廣泛的推廣價(jià)值，必將成為起重設(shè)備電控系統(tǒng)的發(fā)展方向。同時(shí)，智能人機(jī)界面系統(tǒng)具備了完善的保護(hù)及監(jiān)控功能，使操作者隨時(shí)掌握整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，故障處理也更加簡便快捷。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]趙國主編《起重機(jī)械電氣安全技術(shù)檢驗(yàn)》 大連理工大學(xué)出版社 2008.

　　[2]王福錦主編《起重機(jī)械技術(shù)檢驗(yàn)》 學(xué)苑出版社2000.