龍門起重機預(yù)防性保養(yǎng)淺析

陸俊杰 陳葉華 王 飛

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 上海）

一、系統(tǒng)的組成及原理

1.龍門起重機PLC控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

船塢用的兩臺600t龍門起重機，跨距187m，上、下小車運行機構(gòu)，大車剛、柔性腿運行機構(gòu)等與電氣房的中央處理器距離較遠，因此在以上4個機構(gòu)中設(shè)置遠程子站，通過網(wǎng)絡(luò)連接可以節(jié)省大量現(xiàn)場布線，另外PLC系統(tǒng)通過通信方式控制變頻器，實現(xiàn)了對變頻器的全面控制，同時PLC系統(tǒng)也實現(xiàn)了最大限度的讀取變頻器的內(nèi)部狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)上配置工控機和觸摸屏可以實現(xiàn)對整機工作狀態(tài)監(jiān)控和故障查詢，另外通過遠程監(jiān)控（此功能正在建設(shè)中），對設(shè)備運行工時，包括復(fù)雜故障等進行監(jiān)視與保存，設(shè)備運行效率和安全性提高。

2.600t龍門起重機PLC系統(tǒng)主要功能

（1）龍門起重機各機構(gòu)保護信號和操作命令采集，電氣室內(nèi)各機構(gòu)控制柜的斷路器、接觸器、熔斷器、空氣開關(guān)等及其輔助點輸入到PLC主從站內(nèi)，采集各機構(gòu)保護信號，司機室內(nèi)聯(lián)動臺上按鈕，操作手柄輸入到PLC司機室從站內(nèi)，采集操作命令。

（2）龍門起重機邏輯控制，分布式遠程控制站收集信號反饋給主站PLC，經(jīng)過主站PLC邏輯控制，PLC通過總線實現(xiàn)起升、小車、大車變頻器的頻率給定做到起動、停止、速度變化等。如位置信息通過變頻器RTAC模塊采集各機構(gòu)內(nèi)的增量型編碼器的數(shù)據(jù)后進行通信，PLC再進行邏輯處理，及時停止機構(gòu)運轉(zhuǎn)。

（3）通過OPC SEVER與PLC進行即時通信，司機室人機界面可實現(xiàn)工作狀態(tài)顯示及故障報警。從觸摸屏上司機可以方便地通過CMS觀察系統(tǒng)概況、各機構(gòu)狀況，歷史故障，營運時間等，使司機簡單操作便可觀察整機的運行狀態(tài)，維修人員迅速排除不易發(fā)現(xiàn)的故障。

（4）采用AC800M中央控制處理器。AC800M控制器硬件平臺由CPU、通信模塊、電源模塊和各種附件組成。電源模塊采用SB812電源模板，作為AC800M處理的應(yīng)急電源，提供一段時間的24V電源供電，防止程序丟失。AC800M控制器每個CPU模塊分別配備有兩個以太網(wǎng)端口，用于與其他控制器進行通信，并且與司機、工程師、管理人員和更高層次的應(yīng)用進行交互。AC800M控制器通過安裝Control Builder編程組態(tài)軟件來進行項目應(yīng)用的創(chuàng)建以及程序編程組態(tài)。

（5）AC800M通信模塊采用CI854A通信接口模塊，通過PROFIBUS協(xié)議，為CPU即時進行數(shù)據(jù)交換。

圖1 AC800M控制器及I/O接口模件

（6）輸入／輸出模塊。龍門起重機控制系統(tǒng)的DI約400點，用于繼電器、電機、LED燈等，輸出的DO約120點，AI/AO點約20 點，使用模塊種類較多，DI803、DI801、DO801、DO802、AI801及AO801等輸入/輸出模塊均有使用。

3.龍門起重機各子站通信模式

因600t龍門起重機的機構(gòu)較多，體積龐大，于是在距離主站比較遠的幾個機構(gòu)設(shè)置遠程子站。遠程子站包括上、下小車、大車剛性腿、大車柔性腿與操作室遠程子站。由于遠程子站較遠，干擾源較多而且不確定，直接用PROFIBUS通信會產(chǎn)生較大干擾，因此PLC系統(tǒng)主站和遠程子站之間采用光纜連接，主站設(shè)置了光纖鏈路模塊OLM，通過光電轉(zhuǎn)換后達到穩(wěn)定可靠的通信。

4.兩機通信

600t龍門起重機現(xiàn)場使用中，有時需要兩機抬吊特殊分段，為避免兩機相距過近引發(fā)事故，兩機通過各自高壓卷筒內(nèi)電纜的光纖形成的鏈路，將起重機各個機構(gòu)的即時數(shù)據(jù)進行交換和判斷，當兩機小于安全距離時及時減速、報警甚至停車，避免意外發(fā)生。

5.傳動系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

變頻器在龍門起重機中是以一個子系統(tǒng)的角色進入整個系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)運行的。如圖2所示的反饋控制系統(tǒng)中，變頻器和電機一起作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，并和傳感器及被控對象共同構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng)整體。

600t龍門起重機變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）系統(tǒng)，這種控制依賴與精確的電機數(shù)學(xué)模型和對電機參數(shù)的自動識別（ID RUN）。在調(diào)試電機時，將電機的相關(guān)參數(shù)輸入至變頻器中，通過ID RUN自動確定電機實際的定子阻抗互感、飽和參數(shù)、電機慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電機模型估算出電機的實際轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈和轉(zhuǎn)子速度，對電機進行精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制。

圖2 控制系統(tǒng)原理

二、維護保養(yǎng)

龍門起重機在使用過程中，由于工作條件及環(huán)境條件等因素對設(shè)備的作用，致使龍門起重機在設(shè)計制造時所確定的工作性能不斷降低。為了延緩龍門起重機劣化過程和減少故障的發(fā)生，除需具有熟練技術(shù)的司機正確操作與合理使用外，還要對龍門起重機進行清掃、維護、檢查、調(diào)整、更換零部件、狀態(tài)檢測和診斷等工作，同時還應(yīng)制定操作規(guī)程和管理制度并貫徹執(zhí)行，做好檢查、維修記錄，對積累的各項數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，探索故障的發(fā)生規(guī)律，以采取有效措施控制故障的發(fā)生，保持龍門起重機的狀態(tài)良好。

1.傳動的預(yù)防性維護保養(yǎng)

變頻器是龍門起重機重要的驅(qū)動和控制設(shè)備，變頻器能否可靠運行成為設(shè)備保養(yǎng)、降低故障停機時間的重點。要確保變頻器可靠連續(xù)地運行，關(guān)鍵在于日常預(yù)防性維護保養(yǎng)。

變頻器對周圍的環(huán)境要求相對較高，周圍溫度過高會導(dǎo)致變頻器過熱報警，嚴重時會直接導(dǎo)致變頻器功率器件損壞、電路短路；周圍溫度過低會導(dǎo)致變頻器排放的熱空氣冷凝成水珠，對變頻器的內(nèi)部造成隱患；同樣空氣過于潮濕會導(dǎo)致變頻器內(nèi)部直接短路。

變頻器運行時要注意其冷卻系統(tǒng)是否正常，風(fēng)道排風(fēng)是否流暢，風(fēng)機是否有異常聲音。變頻器溫度太高且溫度變化較大時，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，其絕緣性能就會大大降低，電子元器件壽命縮短，甚至可能引發(fā)短路事故。因此變頻器風(fēng)扇的正常運轉(zhuǎn)與否是至關(guān)重要的。變頻器風(fēng)扇在運轉(zhuǎn)過程的能量損耗轉(zhuǎn)化為熱量，加上持續(xù)運轉(zhuǎn)潤滑油老化等問題，容易使風(fēng)扇老化，需經(jīng)常檢查風(fēng)扇是否正常運轉(zhuǎn)。

變頻器電容方面，一般觸發(fā)板AGDR電容壽命廠方指導(dǎo)約為9年，直流大電解電容壽命廠方指導(dǎo)約為11.4年。值得一提的是，在變頻器實際使用過程中，不能單純按照廠方指導(dǎo)時間進行保養(yǎng)，在每次預(yù)防性保養(yǎng)中應(yīng)檢查電容是否漏液、鼓包等，定期評估或更換。公司所用的一臺600t龍門起重機在第5年左右的時間段里，變頻器先后發(fā)生兩次炸機，均由直流大電解電容漏液引起。因此在變頻器維保過程中，對其余4臺600t龍門起重機中的直流大電解電容立即進行了更換，對換下來電容進行檢測，發(fā)現(xiàn)較多電容出現(xiàn)鼓包，部分嚴重的已經(jīng)開始漏液。

在對變頻器做定期預(yù)防性保養(yǎng)時，需清除變頻器內(nèi)部和風(fēng)路內(nèi)的積灰、臟物，并將變頻器表面擦拭干凈。在保養(yǎng)的同時要仔細檢查變頻器，查看變頻器內(nèi)有無發(fā)熱變色部位，充電電阻有無開裂現(xiàn)象，電解電容有無膨脹漏液、防爆孔突出等現(xiàn)象，PCB板有否異常，有沒有發(fā)熱燒黃部位。檢查螺釘、螺栓以及即插件等是否松動，輸入輸出電抗器的對地及相間電阻是否有短路現(xiàn)象，正常應(yīng)大于幾十兆歐。導(dǎo)體及絕緣體是否有腐蝕現(xiàn)象，如有，應(yīng)及時用酒精擦拭干凈。在條件允許的情況下，要用示波器測量開關(guān)電源輸出各電路電壓的平穩(wěn)性。測量驅(qū)動器電路各路波形的方法是否有畸變，U、V、W相間波形是否為正弦波，接觸器的觸點是否有打火痕跡，如果碳化較輕，應(yīng)用砂紙磨去表面的碳化層，嚴重的要更換同型號或大于原容量的新品。確認控制電壓的正確性，進行順序保護動作試驗。確認保護顯示回路無異常。確認變頻器在單獨運行時輸出電壓的平衡度。為防止RDCU等模塊突發(fā)性的損壞，應(yīng)對變頻器的參數(shù)及時保存，在備配件齊備的情況下將迅速更換上新的模塊，將停車的時間減少到最小。

2.控制系統(tǒng)的預(yù)防性維護保養(yǎng)

（1）PLC系統(tǒng)。對PLC模塊進行檢查與清潔，測試PLC電池電壓是否正常。檢查I/O控制系統(tǒng)模塊應(yīng)無局部發(fā)熱情況，外觀無損壞，模塊狀態(tài)良好，控制模塊無松動，母板卡軌牢固。檢查硬件模塊的LED燈顯示狀態(tài)，報警燈正常動作，主要針對模擬量模塊和數(shù)字量模塊分別檢查。

（2）稱重系統(tǒng)。測試稱重系統(tǒng)功能，包括傳感器信號測量，稱重傳感器的校準及過載保護設(shè)定，測試傳感器的功能性正常。

（3）安全保護回路。測試包括防誤起裝置，控制復(fù)位線路，試驗應(yīng)急停機，超行程，糾偏限位及防撞限位等的動作，核實傳動系統(tǒng)相對應(yīng)的保護動作是否正確。安全保護回路功能性正常。正常停止是靠軟件停止，在停止位置應(yīng)距離硬件停止限位有2cm以上的距離，在碰到極限限位時打極限旁路開關(guān)可反向慢速退出，不打旁路機構(gòu)應(yīng)不能動作，在外部急停開關(guān)動作需要馬上斷開控制回路，所有機構(gòu)不能動作。

圖3 起升制動器力矩驗證正常曲線

（4）外部安全互鎖回路。測試包括制動器故障和電機過溫等故障模擬，校驗控制系統(tǒng)的連鎖是否正確。在制動器一個或多個限位失靈或手動打開后，操作手柄后機構(gòu)是否動作，在減速設(shè)定位置未檢測到減速開關(guān)，CMS是否報位置檢測故障，電機過溫故障后機構(gòu)是否動作。另外還有檢查電機的編碼器軸聯(lián)接是否運行平穩(wěn)，超速開關(guān)是否動作正常，外置強制風(fēng)冷的風(fēng)機電機三相電流是否平衡，風(fēng)向是否正確等。

（5）上電測試。在預(yù)防性維護保養(yǎng)中，同樣還要對系統(tǒng)進行上電測試，包括空載和重載經(jīng)行測試，將傳動曲線記錄備份，起升的制動器安全評估測試，對龍門起重機在起吊物體和制動的時候進行一次全面的體檢。圖3為起升部分單制動器力矩達到150%時，電壓、電流、力矩以及速度給定、反饋等信息，觀測速度反饋值是否跟隨速度給定值，從而確定制動系統(tǒng)是否工作正常，判斷重載時是否會發(fā)生溜鉤現(xiàn)象。

三、總結(jié)

通過連續(xù)幾年進行故障分析，龍門起重機有33%為可發(fā)現(xiàn)故障，25%為預(yù)見的故障，5%為定期故障，33%一直運行至失效，另外4%是失效需重新設(shè)計的。隨著維修成本的提高和因故障停機對老化設(shè)備性能的影響日趨嚴重，定期、針對的做好預(yù)防性維護保養(yǎng)，可避免絕大部分故障的發(fā)生，可以盡可能地縮減維修范圍和維修程序，使龍門起重機故障率維持在一個較為理想的范圍內(nèi)，實現(xiàn)維修的精益化。