基于变频调速及PLC控制的起重机自动纠偏方案研究

基于变频调速及PLC控制的起重机自动纠偏方案研究

吴卫红

广西大学电气工程学院广西南宁530004

摘要：根据起重机大车啃轨前的大车车轮轮沿与轨道之间的间隙状态分析，得出起重机轮沿与轨道间隙的变化趋势。依据不同间隙情况得出速度补偿模型，通过模型提出一种大车速度补偿电气控制方案，以维持起重机轮子轮沿与轨道间隙值一直保持在合理范围，保证起重机不产生啃轨。

关键词：起重机；啃轨；变频调速；自动纠偏

在现代工业社会，起重机被广泛应用于工厂、电站、矿山、港口等各种吊装运输作业。起重机的广泛应用极大提高了生产效率、减轻了作业人员劳动强度，为社会发展作出了巨大贡献。然而由于起重机跨度大、桥架结构形变、轨道安装精度、驱动机构速度误差等因素影响，造成大车啃轨的现象比较普遍。起重机啃轨引起的设备问题轻则造成车轮轮沿磨损，重则引起起重机卡涩不能运行，甚至产生大车出轨的安全事故。

起重机产生啃轨的原因有一种或多种因素，本文不对产生啃轨的原因进行论述，只对啃轨产生的初始状态进行分析，找出从电气上进行补偿解决，避免产生啃轨的方案。目前对起重机大车啃轨的纠偏方案主要有机械纠偏（如增加水平轮）、电气纠偏（如采用速度反馈、GPS定位）等措施进行纠偏，但实际使用效果都不理想。主要是未能解决由于各种因素造成的轨道间隙累积误差。本文主要从电气控制入手，提出一种维持大车轮子轨道间隙值的控制传动方案。

1大车啃轨产生时状态

从图1可以看出，大车安装完成后，正常运行初始状态大车四角的轮沿间隙E是等距离的，但如果大车因主梁负重不平衡造成一侧轮子垂偏发生变化，轮子工作直径增大时，或者是一侧电机速度过快，那么就会产生一侧轮子比另一侧速度过快的情况，此时就会产生A、B侧靠近轨道的趋势，当继续行驶累积到一定程度，大车轮子原有间隙值E就变小，甚至变为0，就出现AB侧行车超前CD侧的情况，大车产生啃轨现象（见图2）。但当吊车工况变换时，也可能产生CD侧超前AB侧的情况。

2大车纠偏模型建立及实现

根据上面所述，当大车轮沿与轨道间隙发生啃轨时，那么就存在如图2对角线上的4个轮子存在整体偏移的趋势。可以看出，大车的啃轨与否和大车轮沿与轨道间隙E密切相关。因此，为了能准确反应吊车的运动趋势，需在起重机桥架对角线上的四个外角安装轨道距离传感器，以读取大轨轮沿与轨道间隙E的实时数据变化。

如图2所示，在起重机大车外角四个轮子，起重机桥架对角线处安装4套距离传感器来读取起重机桥架和轮子相对于轨道的偏移结果。那么假设A传感器读取的值经过数据转换后为a，B读取的数据为b，C读取的为c，D读取的为d。那么根据大车的运动方向及可能的读取结果会有以下几种情况。

当大车向前行驶时：

当时，则表示大车CD侧端梁超前于AB侧端梁，将有产生CD侧外轮沿、AB侧内轮沿啃轨的趋势。

当时，则表示大车AB侧端梁超前于CD侧端梁，将有产生AB侧外轮沿、CD侧内轮沿啃轨的趋势。

当大车向后行驶时：

当时，则表示大车AB侧端梁超前于CD侧端梁，将有产生AB侧外轮沿、CD侧内轮沿啃轨的趋势。

当时，则表示大车CD侧端梁超前于AB侧端梁，将有产生CD侧外轮沿、AB侧内轮沿啃轨的趋势。

根据以上假设条件分析，可以得出纠偏原理：当大车一侧超前另一侧时，可以适当调慢本侧和加快另一侧的驱动机构速度，就可以达到对轨道间隙值进行调整，维持在一个相对稳定的数值范围，以保证大车不啃轨。为了能顺利从电气上调整大车的转速。因此两侧大车必须采用独立变频器控制。

根据上述纠偏结论，以当大车向前行驶为例进行自动纠偏原理说明：

当PLC采集到的距离传感器数值经过处理后，如果有当时，则应该将CD侧变频器速度给定公式乘于一个小于1的系数，AB侧变频器速度给定公式乘于大于1的系数。但必须注意，两侧变频器增加和减少的系数步长必须要相同。如一侧变频器乘以0.9的系数，则另一侧变频器则乘以1.1的系数，以保证两侧尽快同步。

但实际使用中由于轨道直线度误差、短距离单侧运行等原因影响，如果单纯按上述采集的距离传感器数值，只要有差值就进行变频器速度给定调整，那么就会使变频器陷入周期性的不断增大、减小速度，大车运行将很不平稳。为了解决此问题必须设定一个合理的间隙允许差值范围，使当变频器进行调整后，间隙值处在允许范围时，那么变频器速度将切换回原有的速度给定模式。以保证正常运行，只有当采集数值差值大于允许差值时才投用纠偏系统。假设允许差值为3mm。那么可以得到图3的纠偏逻辑图。同理，另一侧行驶方向以同样方法进行PLC编程进行纠偏。

3使用效果及成本分析。

在引入车轮轮沿与轨道间隙允许范围后，纠偏系统将只有在采集数据超出允许范围时才投用，由于PLC实时采集数据，所以能时刻对轨道间隙进行测量计算和作出判断。在实际应用时，只需要现场调试时对纠偏系统的步长进行多次修改，以找到最佳的数据，使纠偏功能介入及退出时平稳过渡。

使用本方案只需在原有传动系统上增加四套距离传感器及2块PLC数据采集模块，现场经过PLC编程，就可以实现纠编方案，成本非常低。

总结，本起重机电气纠偏方案适用于大车两侧采用独立变频器调速的起重机。纠偏方案结构简单，成本低，只通过PLC程序编程就可以完成改造。该方案可以自由补偿由于机械、轨道、结构等方面原因造成的大车同步问题，保证大车轮沿间隙始终处于合理范围，永不产生啃轨现象。

作者简介：

吴卫红（1979-），男，主要从事起重设备电气维修及改造工作，广西大学电气工程学院在职研究生。