引言

    起重机不仅是将来正常生产时绝对不可缺少的重要设备，而且作为厂房兴建过程中的设备安装过程中的重要工具。故需要提前设计和制造，因此有必要事先对起重机的电控系统的控制方案进行认真地研究。下述某钢铁企业准备新建一条2250热轧生产线，年产量500万吨。我们调研了相关热轧厂起重机的应用情况并和起重机电气成套商的交流后，摒弃原以前控制方式中不合理的部分，而采用优化先进的控制理念，以便更大的发挥出起重机的性，保证起重机最佳运行特提出了如下方案。

    图1 起升机构和走行机构机械特性

    (tl-力矩，n-速度)

    2 2250热轧起重机功用

    起重机是专门用来起吊和短距离搬移重物的一种生产机械，通常也称为吊车、行车或天车。热轧起重机在热轧厂区虽然不是关键设备，但也算很重要的设备。其功用是搬运板坯、钢卷，轧机设备检修、电机吊装、轧辊磨削和轴承更换等。2250热轧共设计起重机28台，根据应用场合和要求级别不同，主要技术参数和控制要求如表1所示。

    注：以上起重量不包括吊具的重量，板坯库一跨行车考虑增加电磁吊

    从上表可以看出，热轧厂的起重机一般起重量不大，但环境温度高，工作制级别高。尤其是板坯库和钢卷库的几台起重机为a7工作制，这注定了这几台行车在设备选型制造和控制上要特殊考虑。

    3 2250热轧起重机的控制方法与策略

    根据以上机械配置和要求，电气系统需要做相应的配置，完善相关功能，包括供电、驱动、制动和保护功能。

    3.1 起重机电

    整个起重机是采用四根主滑触线，通过集电器将三相电源和接地(pe)线送到移动的起重机上。为了检修方便，集电器要带滑线脱开装置。电源首先连接到一个吊笼中的电源进线箱中，再连到置于行车箱梁中电气室内的低压分配盘上。根据不同应用，在低压盘中设置多路开关，为行车所有电气设备供电。包括电机主电源，控制电源(plc)，吊钩、照明、检修电源、空调电源等。由于起重机的小车是移动式工作的，一般采用软电缆(少量地方用硬质滑触线)供电，大车在滑触线上移动、小车沿大车上的导轨移动时，软电缆可以随着伸展和叠卷，不至于挤压损伤。

    3.2 起重机电机的驱动方式

    对于起重机来说，由于具有的重要性，属于特种设备，对电气传动的要求很高。基本要求有：调速、平稳或快速起制动、纠偏、保持同步、机构间的动作协调、吊重止摆等。

    由于起重机的起升和走行有不同的运行特性，因此对他们的控制方式也是不一样的。起升和走行机构全部是恒转矩负载。起升机构具有位能特性，上升运行时，电动机处于电动运行状态，而在下降运行时，电动机总是处于超同步运行状态。而走行机构具有反抗特性。在不计损耗情况下二者机械特性图如图1所示：

    上图中左所示为起升机构的机械特性，起升电机运行在一、四象限，表示整个运行过程中，负载保持不变，但运转方向发生了变化。右所示为走行机构机械特性，走行电机运行在一、三象限。起重机在工作过程中要能够适应频繁正向、反向、启动、运行、停车、制动。

    起重机动作分为起升和走行，从电气传动上来看，主要有两种控制方式如图2所示。

    以前起重机电机采用绕线电机，交流接触器控制电机启动、正反转，通过切二次电阻方式来达到电机启动和调速的目的。后来出现了定子调压方式，可启动平稳，减小冲击电流。但是由于采取降压调速，降低了起动转矩。必须加装速度编码器实现速度闭环，满足足够的起动转矩。以上两种方式都是采用绕线式电机，转子上串电阻切换，接触器触点烧损和电机滑环的损坏成为电气系统的主要故障。随着工业自动化的发展，plc和变频器的应用越来越广泛，中小型起重机上这两种调速方式几乎被变频调速取代。因为交流变频调速系统中，电机采用鼠笼式异步电机，无滑环，没有以上故障，而鼠笼式异步电机更适应环境恶劣的工作场所，有非常好的调速性能且故障率很低，因此交流变频调速近年来在起重机上也越来越得到广泛应用。实际上，由于目前大容量的变频调速系统的价格还偏贵，以及变频器高的安装环境要求制约了变频调速技术在起重机上的应用。

    我们经过与起重机厂交流、去同类企业考察，对起重机的控制方式有了一个明确的方向。针对表1中的起重机，除了加热炉上料跨和加热炉跨起重机外，其他起重机的大车走行、小车走行、主起升和副起升等所有电机都将采用交流变频调速。因为加热炉上料跨和加热炉跨起重机的工作制比较低，而且只承担少量的检修任务，因此决定采用常规的转子串电阻调速方法，可以降低控制费用。另外，起重机主起升由2台电机驱动的，每台电机由一套变频器传动，在一台电机或一套变频器异常时，仍可维持短时工作；对于大车，根据速度、载重量不同，有2种驱动型式，即两角驱动和四角驱动。当大车采用四角驱动时，考虑到安全性能，四角驱动的四台电机由2套变频器来传动，在一台电机或一套变频系统出现异常时，仍会维持短时工作。

    从整个起重机电气系统来看，考虑到调速精度和定位的不同要求，起升电机安装测速编码器，实现速度闭环矢量控制，而大、小车一般不安装测速编码器，采用速度开环矢量控制。当板坯库起重机采用全自动方式运行时，大小车电机也需要安装编码器，进行精确定位。

    有了变频装置和plc后，就可以充分利用变频器内部的故障自诊断功能，再结合plc的远程通讯、现场信息采集功能可实现整车故障自诊断，大大减轻维护人员的检修工作量。通过其他厂的应用和交流情况，这种变频控制方式可使起重机效率提高40%以上，故障率下降90%以上，劳动强度下降50%以上。

    表1 主厂房起重机主要技术参数和要求

    3.3传动系统制动方式分析

    电机调速系统的制动方式常规有能耗制动，反接制动和回馈制动等，其中回馈制动节能效果最佳。根据不同的制动方式，变频器的配置也是不一样的，如果采用回馈制动，则整流器可采用igbt功率元件，或者采用可控硅全控桥。如果采用能耗制动的话，则整流装置可采用二极管功率元件，并采用外接电阻器来消耗能量。

    另外，由于起重机电机的供电是通过集电器在摩电道上滑动取得的，由于摩电道的接触不可靠，因此起重机上很少采用。如集电器上有碳粉、集电器接触不良等容易导致供电有跳变。如果采用能量回馈的话，也会造成多余能量回馈不顺畅，产生过电压。因此在本项目上还是采取外接制动电阻，能耗制动方式。由于采取变频调速，能耗制动的电阻和绕线电机的切电阻相比，阻值明显减少。

    3.4系统保护

    由于起重机是一种特殊设备，在安全上必须要保证，这样无论从电气还是机械，都对起重机安全角度上多加以考虑。因此采取了多种保护措施。主要有：

    3.4.1制动器

    制动器是起重机最重要的保护措施之一，根据制动器能介不同，有电磁式和液压式等，制动器安装位置一般在高速轴端。在我们以前的项目中，有个别起重机上配置的是电磁制动器，但大部分采用的是液压制动器。而从起重机的安全系数考虑，起重机的起升装置一般采用盘式制动器，而走行采用轮式制动器。在其他行业对起重安全要求特别高的，还会在低速端设置安全制动器。本项目中，我们都采用的是液压制动器。

    3.4.2超载限制器

    超载限制器是起重机的超载保护装置，当吊起重物时，不能超过设计重量或长时间超过某个重量，不然会影响设备的寿命，甚至对设备造成损坏，因此常规在卷筒轴下设置超载限制器。根据当前显示重量并结合进行相应工况，在超过额定重量后快速切断吊车吊钩起升回路，使吊车不能起吊重物，从而达到保护吊车及操作人员安全的目的。超载限制器的报警和动作值可以设定。

    3.4.3防撞装置

    热轧厂除了主电室跨只有一台起重机外，其他跨上都是有多台行车可同时运行。为了避免行车运行时发生碰撞，在行车上设置了红外线防撞装置(双向)，防撞限制距离可调，带声光报警功能。而且在每台起重机上配有撞尺，作为终端限位装置，同样对起重机的安全运行起到决定性的作用。

    3.4.4零位保护

    在起重机的司机室控制台上的手柄设有零位触点，通过它和plc内部的联锁关系，达到零位保护的目的。当机构开始运转和失压后恢复供电时，即使操作手柄置于工作位置上，控制回路亦处于分断状态而不能形成闭合回路，必须先将控制器手柄置于零位后，机构的电动机才能起动。

    3.4.5登机门的报警和保护

    由于起重机是移动的，为安全起见，其他人员登机时必须先联系才行。因此在登机门旁和操作室都设置有登机请求和应答装置，甚至还在操作室装设有视频或语音提示装置。当有人需要登机时，通过联系确认后，停止行车运行，实现对上下行车的相关人员的安全保护。

    3.4.6其它保护

    由于保护很多，另外还有传动系统上的一些保护，如超载、超速、缺相、欠压、过流、过热、接地等。此外，还有为安全考虑的用于起重机的上升行程限位器-重锤限位、三相电源指示、起重机启动闪烁功能、座椅在位指示等保护。

    3.5特殊功能应用

    3.5.1遥控操作

    磨辊间起重机是主要用来更换轧辊，更换轴承用，由于他的工作特点是会集中在某段时间工作频度大。尤其在更换轧辊轴承时移动范围小，要非常仔细，稍不小心就会造成设备损坏，因此采取微动。于是取消了司机操作台，代之以线控和无线遥控操作。

    3.5.2地面监视系统

    起重机是属于特种设备，重物提升和设备的安装高度很高，给设备人员维护带来不便。为了使得维护人员能够在地面上可方便对行车进行设备点检，了解设备状态和运转情况，设置一套行车信息地面监测系统是很有必要的。随着网络技术、无线技术的发展，这些实现手段变得可能和简便了。

    3.5.3防摇系统

    起重机在运行过程中，会由于速度的不均匀导致吊物时不能准确定位，需要更长的时间，为了减少大车和小车的摆动引起所吊物体的摆动，就需要采取消除摆动的方法，传统的方法中有人工消摆，机械消摆，而现在更多的有电子防摆。人工消摆是靠操作工的操作手法来实现，而机械消摆主要靠起重机的硬件设计，如钢丝绳的缠绕方式等，而电子防摆则主要就是基于软件模型，通过一种算法，把负载的速度给定或位置给定转换成小车或者大车的速度给定，用来控制小车或大车的运动，使负载以给定的速度连续平滑的运动调节。

    图2 常规绕线电机和变频电机控制图

    4 结束语

    随着新的变频技术和网络技术的发展进步，电气控制系统逐渐走向智能化、网络化，因而操作使用起来更人性化，维护更便利，这将成为行车控制的发展的必然趋势。

    作者简介

    周灵强 男 高级工程师，现就职于宝山钢铁集团公司，从事电气自动化方面的技术工作。

    参考文献

    [1] 钟述文．交流变频调速技术在宝钢宽厚板厂起重机上的应用[j]．变频器世界，2005．

    作 者：宝山钢铁集团公司 周灵强