新型框架式起重機的西門子電控系統解決方案

王吉明（西門子工廠自動化工程有限公司，上海 200030）

1 概述

隨著國內海洋工程裝備進入了新的發展階段，千噸級超大型構件、大型海工構筑物的碼頭吊運和起落駁，以及特種海工船舶下水等已成為瓶頸。為了突破這方面的瓶頸限制，上海外高橋造船海洋工程有限公司及中船重工第九設計院工程有限公司提出了國內首創的海工專用框架式起重機這樣一種特殊的起重機結構方案。針對該起重機的特點，西門子工廠自動化工程有限公司專門設計了該框架式起重機安全、可靠、節能、完善的電氣控制技術方案。

圖1所示起重機為國內首創的海工專用框架式起重機，是門式起重機和行車的有機結合體。其跨度為59.5m，起升高度45m，可最大吊運高40m、寬45m、長100m、重1200t的超大型構筑物，配有雙駕駛室，可以最大限度地消除操作盲區，具有良好的穩定性和安全性。它的成功研制及投入使用，不僅填補了我國千噸以上級框架式起重機的設計建造空白，解決了大型海工構筑物、海洋工程特種船建造、吊（裝）運以及下水等難題，也為進一步提高上海海洋工程裝備建造效率，提升制造能級打下了扎實的基礎。

圖1 框架式起重機結構視圖

該框架式起重機機構包括：框架大車及其平臺上的固定主梁及移動主梁，固定主梁及移動主梁上的小車機構，小車機構上的起升機構?？蚣艽筌噹诱麄€機構在大車軌道上運行，固定主梁固定于框架結構上，移動主梁在框架結構軌道上運行，一個起重600T的小車機構在固定主梁軌道上運行，兩個各起重300噸的小車機構在移動主梁軌道上運行。各小車內的主起升機構帶動負載起升、下降運行。

本文介紹了框架式起重機電氣控制系統組成，在此基礎上具體分析了驅動系統容量計算選型；根據框架式起重機框架大車海陸側剛性連接的特點，提出微動糾偏同步控制方法；設計多機構同步及主起升III卷筒剛性連接的兩電機主從力矩控制；針對傳統起重機防溜鉤方法存在的缺陷提出了改進控制方法，提高了系統的穩定性。

2 系統構成

（1）驅動系統主回路

圖2為框架式起重機三相交流驅動系統主回路圖，由兩臺630kW的西門子Sinamics S120系列整流回饋裝置ALM為12臺S120系列逆變器提供直流母線電源，從而驅動框架式起重機12個主要機構的交流電機。

圖2 框架式起重機交流驅動系統主回路

如圖2所示，高壓進線為10kV 50Hz三相交流電源，我們通過一個三繞組變壓器給兩個整流回饋裝置ALM供電。西門子ALM整流回饋裝置能夠根據負載工作狀況主動調節功率因素使其恒接近為1，且無常規整流器通常無法避免的換向缺口，最大限度地減少對供電電網的干擾，同時又能有效地將再生能量回饋給電網，節約能源。由于框架式起重機的特殊結構，兩個ALM整流裝置分別放置在1#和2#電氣房中，直流母線是互相獨立的，各自給6個機構的逆變器提供直流母線電源。

（2）控制系統結構

框架式起重機的控制系統由西門子S7 PLC S7-400系列CPU414-3DP和分布式I/O ET-200M的從站構成，S120驅動控制由CU320-2DP控制單元完成。圖3為框架式起重機的控制系統網絡圖，

圖3 控制系統網絡配置

CPU安裝在1#電氣房的PLC柜中，交流驅動器控制單元CU320-2DP也通過PROFIBUS連接到PLC，速度給定值控制字和狀態字通過數據總線PROFIBUS傳輸。數據總線的波特率為1.5 MB/ s。

1#電氣房的所有ET-200M站、副司機室的ET-200M站及1#電氣房的驅動控制單元CU320-2DP通過PROFIBUS連接到CPU；固定主梁上的1#、2#小車本地低壓控制柜ET-200M站先通過光纖連接到1#電氣房的OLM，再通過PROFIBUS連接到CPU；1#電氣房的OLM通過光纖連接到2#電氣房的OLM。

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2#電氣房的所有ET-200M站、主司機室的ET-200M站及2#電氣房的驅動控制單元CU320-2DP通過PROFIBUS連接到2#電氣房的OLM；移動主梁上的3#小車本地低壓控制柜ET-200M站通過光纖連接到2#電氣房的OLM。

PLC有一個工業以太網口用于PLC和CMS之間的通訊，如CMS沒有連接或停止框架式起重機的操作不會受到影響。電氣房CMS裝有STEP7編程軟件及STARTER變頻器調試軟件用于維護以及故障查找。三個西門子工控機PC677分別安裝在固定梁電氣房和主、副司機室內作為CMS顯示，CMS由西門子WinCC軟件開發而成。

3 驅動容量校驗計算

根據技術招標書，本起重機主要工作機構電機參數如表1所示：

表1 各主機構電機參數

下面分別以起升、小車、大車機構為例，校驗計算驅動容量。

4臺主起升電機和1臺副起升電機為西門子產品，主起升電機型號選擇強迫風冷型電機1PQ8 357-8PB50-Z，從電機手冊上可以查得此型號電機功率315kW，在400V時額定電流為580A，由于電機在741rpm額定轉速時的效率及功率因素一定，電機在500V時的電流折算如下:

按國家規范G B 3 8 1 1，起升電機按1.2 5 考慮過載，Inh=452×1.25=565A。逆變器在允許的耐壓等級下的輸出功率取決于電流輸出能力，因此逆變器按照電流選型。根據以上數據選配的逆變器型號為6SL3720-1TE36-1AA0，功率315kW，重載基準負載電流460A，過載能力150%(60s)。從樣本得知額定負載時所選逆變器的額定電流INA=605A>電機的額定電流IN=452A；起升負載按1.25倍過載考慮，逆變器最大電流為885A> Inh=565A；

逆變器在5 0 0 V 輸出電壓時對應的名義功率為315kW×500V/400V=393.8kW。經過校驗可知，上述所選的起升逆變裝置滿足客戶負載要求。

1#小車有4臺11kW電機，500V時電流為17.9A，過載系數為1.5，工作制：S1，根據機械提出的額定總靜負載功率計算總靜負載電流（100%負載）：IN=17.9×4 =72A，允許過載時的負載電流，按照總靜負載電流的1.5倍考慮：IG= 72×1.5 = 108A。根據以上數據選配的逆變器型號為6SL3720-1TE28-5AB0，功率46kW，額定電流85A，最大電流為141A，過載能力150%(60s)?？梢?，IN<85A，IG<141A，所選小車逆變裝置滿足負載要求。

框架大車機構海陸側各有11臺22kW電機，500V時電流為37A，過載系數為1.5，根據機械提出的額定總靜負載功率計算總靜負載電流（100%負載）：IN=37×11 =407A，允許過載時的負載電流，按照總靜負載電流的1.5倍考慮：IG= 407×1.5 = 610A。根據以上數據選配的逆變器型號為6SL3720-1TE35-0AA0，功率250kW，額定電流490A，最大電流為715A，過載能力150%(60s)?？梢?，IN<490A，IG<715A，所選大車逆變裝置滿足負載要求。

4 框架式起重機大車同步及糾偏控制

框架式起重機的框架大車海陸側是剛性連接在一起的，但由于跨距為59.5m，在實際使用過程中受到各種因素的影響，如海陸側運行阻力不同，機械制造時走輪直徑偏差，電磁干擾等。這些因素會造成海陸側腿運行中速度快慢不一，造成位置偏差，偏差過大時甚至會扭壞框架式起重機的機械結構。這種情況下，框架式大車海陸側運行同步及安全的偏差檢測控制顯得尤為重要。

同步控制原理如圖4所示：

圖4 框架大車同步控制

海側1#電機和陸側1#電機安裝有增量式脈沖編碼器實時檢測海陸側的行走速度，通過編碼器模塊SMC30連接到各自的逆變器做速度閉環控制。如果同側電機實際反饋速度與給定速度偏差過大或海陸側電機實際反饋速度偏差過大，需要停止大車運行進行保護，然后檢查故障原因。

為保證起重機正常、安全地工作，框架大車運行系統采用兩套相互獨立的編碼器雙重保護糾偏裝置。海側和陸側各自通過一個檢測輪安裝絕對值編碼器實時檢測海陸側的位置。如果只依靠絕對值編碼器檢測位置，當檢測輪在軌道面打滑或堵轉時會造成位置檢測不準確。我們將編碼器模塊SMC30采集的增量式脈沖編碼器信號傳輸到逆變器控制單元CU320-2DP，根據大車減速箱變比和大車輪徑計算得到大車的實際位置，這個位置用于和絕對值編碼器檢測的位置進行比較。如果同側兩個編碼器位置偏差過大，說明其中一路檢測肯定出現問題，這時候需要停止大車運行，檢查排除故障；如果海陸側編碼器位置偏差過大，同樣需要進行停車保護。

由于框架大車海陸側的剛性連接，同步糾偏時的控制量要保持比較小的范圍進行微動糾偏，以免造成機械結構損傷。司機通過大車主令手柄操作框架大車時，大車海側和陸側逆變器的初始速度給定是相等的，在絕對值編碼器檢測的框架大車海陸側位置偏差達到30mm時，自動糾偏功能激活，偏差值被送到PLC的PID控制器中，經計算后輸出速度附加給定值 ，速度主給定和附加給定共同作用在海側逆變器的速度控制器上，對海側和陸側電機進行相對速度調整，實現框架大車的同步控制。當起重機海陸側運行行程偏差達到59.5mm～119mm時，框架大車降速糾偏，并發出相應的警示，司機室框架大車同步報警指示燈閃亮；當起重機海陸側運行行程偏差大于119mm時，框架大車自動停車，并在司機室發出報警信號，司機室框架大車同步報警指示燈常亮。偏差發生后，只能通過本地操作箱手動操作海側或陸側運行機構進行手動糾偏，消除偏差并查處誤差原因后恢復框架大車運行。

為了防止增量型脈沖編碼器與絕對值編碼器的測量誤差累積，我們在大車軌道側間隔固定距離安裝基準磁塊對編碼器校準，以提高測量精度，根據現場起重機軌道情況，此間隔距離定為35m，基準磁塊排布如圖5所示：

圖5 大車基準磁塊排布

在起重機和地面建立以35m為刻度的絕對坐標系，校準的原理是讓兩個坐標系重合。200m為軌道中間位置，向左磁塊計數個數依次遞增，向右磁塊計數個數依次遞減，當大車行走到磁鐵同步區域時，磁感應同步限位觸發，將大車海側和陸側的編碼器位置分別記錄；到下一次磁鐵同步區域感應前海側和陸側行走的相對位移作為糾偏PID控制器的輸入量，去調節框架大車海陸側電機的速度。如果在磁鐵同步區域中磁感應限位未檢測到，則大車減速運行，直到下一個磁鐵同步區域；如果連續2個同步區域均未檢測到磁塊，則大車停止運行。實踐證明，這種基準磁塊校準方法可以有效地將編碼器累計誤差控制在一個檢測區間以內，提高了同步糾偏控制的精確度和穩定性。

5 起升同步和主從控制，小車同步及防撞

框架式起重機有三臺小車，1#小車和2#小車位于移動梁，額定載荷300t，機械房內起升機構卷筒各自由一臺315kW電機拖動；3#小車位于固定梁，額定載荷600t，其中起升機構卷筒由兩臺315kW起升電機拖動，兩臺電機要做主從控制以合理分配力矩?？蚣苁狡鹬貦C吊載較大噸位分段時需要三個起升吊鉤聯動，而且三個小車機構也要同步運行，移動梁上的兩個小車之間還需要考慮防撞保護。

（1）起升或小車的同步控制需要綜合考慮以下內容：建立一個標準的參考坐標系；速度和位置同步；各機構之間的安全聯鎖。所有起升機構的高度參考點都是一樣的，一般以地面水平面作為參考0m位置，通過高精度激光測距儀對起升絕對值編碼器位置進行校準，三個小車機構的水平0m位置參考點也是一致的，然后通過高精度激光測距儀對小車絕對值編碼器位置進行校準，這樣起升和小車機構均有了標準的參考坐標，便于用戶實時查看相應機構位置信息，而且在此基礎上可以進行多機構同步控制。速度和位置同步原理如圖6所示：

圖6 多機構同步控制

選擇一個機構作為主軸，其他從軸機構的速度給定跟隨主軸，同步控制激活時分別記錄各從軸與主軸的初始相對位置偏差作為控制基準，同步運行時實時檢測各從軸與主軸的實際相對位置，如果實際相對位置超過初始相對位置100mm，則激活相對位置控制器，偏差值作為位置控制器調節輸入量去調節從軸速度直到主從軸的實際相對位置回到允許范圍內。為了保證同步運行的安全性，任意軸的軟硬件保護及安全回路均同時對同步運行中的其他軸起作用，而且軸與軸之間也有必要的同步速度和位置偏差檢測連鎖，最大程度上保證了同步運行的穩定可靠。

（2）600t起升卷筒是由兩臺315kW電機拖動，機械同軸剛性連接。為了實現同軸相連的兩臺電機在運行過程中保持負荷的均勻分配，兩臺逆變器需要采用主-從控制。主-從控制可分為兩種方式：速度跟隨，轉矩限幅；速度控制，轉矩跟隨。第一種方式將主裝置的速度給定發給從裝置，使從裝置與主裝置運行在同一個速度設定值下；同時將主裝置速度環的輸出，即主裝置電流閉環的主給定，傳給從裝置，作為從裝置中的轉矩限幅。另外，為了使從裝置能在速度方面快速跟隨主裝置的速度，將從裝置的速度給定通道的輔助給定略微提高。這種方式下兩臺電機間可能存在微小的速度差異。第二種方式主裝置采用速度控制方式，速度環和電流環均以正常的方式運行；從裝置采用轉矩控制方式，速度環在整個過程中始終處于飽和狀態，電流環接收主裝置的速度環輸出作為主給定；即主-從裝置共同使用主裝置的速度環。這種方式兩臺電機間基本上不存在速度差異，所以本項目采用主機速度控制，從機轉矩跟隨的主-從控制方式。

為了保證主-從單元之間信息傳輸的實時性、準確性，很多方案采用以光纖為傳輸介質的通訊方式，逆變器側需要加光纖通訊板。本項目使用的西門子Sinamics系列驅動系統，做主-從控制的兩個起升逆變器通過Drive-Cliq通訊電纜連接到同一個控制單元CU320-2DP，通訊速率最大可達到100Mbps，驅動電流控制器周期為250微秒，可以保證控制的實時性和準確性。

（3）框架式起重機移動梁上的1#和2#小車行程區間重疊，在設計時需要考慮兩小車之間的防撞保護。因為移動梁兩個小車處于相同的位置坐標系，防撞保護可采用小車位置編碼器進行位置比較計算。為保證防撞功能正常、安全地工作，防撞系統采用兩套相互獨立的編碼器進行雙重保護，絕對值編碼器與電機自帶的增量式脈沖編碼器。防撞保護區間分為報警減速區間和停車區間，當兩個小車之間的相對距離小于報警減速區間設定值時，小車減速并在觸摸顯示屏提示距離過小，當相對距離小于停車區間設定值時，小車停止運行。

6 速度控制器力矩分量保持防溜鉤

在框架式起重機工作過程中，在吊載較重的分段時處于半空的分段由于自重的原因在制動器抱閘抱住之前或松開之后的瞬間，易出現下滑溜鉤現象。在起重機變頻調速控制系統中，傳統防止溜鉤的方法有以下兩種：

（1）延時開閘，起升命令發出后變頻器工作，延時一段時間后打開制動器抱閘以保證變頻器輸出的力矩達到負載重力力矩。此操作方式下電機處于堵轉狀態，延時時間設置不好會給電機帶來很大危害。

（2）使用啟動脈沖，即根據負載重量在啟動時給變頻器一個附加速度，繞過斜坡函數發生器使系統快速響應，給變頻器突加一個向上的力防止溜鉤。這種做法的缺點是啟動脈沖給定值不好掌握，啟動脈沖較大負載就被提起來，如果較小還是會出現溜鉤。

圖7為西門子變頻器的閉環控制結構簡圖，傳統啟動脈沖方法是在速度環PID控制器輸入側加附加給定。本項目將速度環PID控制器輸出的力矩分量實時傳輸到PLC中，在抱閘關閉前將此力矩分量記錄，在下次打開抱閘時將記錄的力矩分量賦值給速度控制器，當斜坡函數發生器使能時再逐步切除此力矩分量。

圖7 變頻器控制結構

圖8所示為使用速度控制器力矩分量防止溜鉤的效果對比，未做處理前啟動瞬間有負幾十轉的溜鉤現象，使用速度控制器力矩分量后溜鉤現象消失。力矩調節比速度調節需要的時間短、實時性好，充分發揮了西門子矢量控制變頻器的優點，避免了類似溜鉤現象。

圖8 速度控制器力矩分量保持效果對比

7 結語

該新型框架式起重機由于結構特殊，電氣控制系統比較復雜。本文針對框架式起重機的工藝控制特點提出相應的解決方案，充分發揮了西門子交流變頻調速系統的功能，取得了良好的控制效果。該新型框架式起重機自2012年底投入使用以來，運行穩定，贏得了用戶的信賴和好評，在不斷發展的海洋工程中前景廣闊。

[1] 西門子SINAMICS S120功能手冊[Z].

[2] 西門子標準驅動產品通信手冊[Z].