刘畅
中国核工业二四建设有限公司 福建省福清市 350300
1.引言
我公司曾在秦山核电二期扩建工程现场布置有5台主厂房施工的塔式起重机，其中包括3台STT293型塔吊、两台H3/36B塔吊。从力学结构上讲H3/36B型塔吊比STT293塔吊牢固，但是在大臂拆装上STT293较H3/36B方便；从电气控制系统上来看，STT293型塔吊采用的是先进的PLC(Programable Logic Controller，可编程控制器)来实现控制，H3/36B采用的是传统的接触器-继电器控制系统实现控制，在理论上PLC控制系统结构紧凑，使用电器少，体积小，PLC内部全为“软接点”动作快，优点极其明显。由于PLC在设计制造时充分考虑到工业控制的现场环境问题，并采取了多层次、多种有效措施提高了工作可靠性。在实际生产工作中也应证了这些优点。
曾在二扩施工现场及后台生产临建运行的H3/36B塔吊，在平时运行时电气控制系统经常出现一些故障，大部分故障都是由于起升机构控制柜里的接触器或继电器触点损坏引起，也有接线松动接触不良或烧毁的情况。表面上看这些故障都是些小毛病，但是在2007年1月中旬，现场常规岛5#塔吊起升控制柜出现接线大部分烧毁，线号标识模糊不清，必须重新配线的严重情况。当时工期紧张，重新配线将花费大量时间，5#塔吊因此故障停止运行，造成常规岛区域的施工有3天时间没有垂直及水平运输工具。这起事故最深刻的反映出接触器-继电器控制系统的不可靠性。而且起升机构的动力部分起升电机的费用占了很大一部分,传统接触器-继电器控制系统的起升电机比较容易烧毁,而PLC-变频器控制系统的变频电机是通过改变供电频率来控制速度,不易烧毁。综上所述，STT293塔吊所配备的PLC-变频器控制系统在电气控制的可靠性上有明显优势，要让现有H3/36B塔吊运行稳定可靠，降低故障率，特别是适应核电建设施工高强度、长时间的作业，就需将其控制系统更换为PLC-变频器控制系统，当然还需配套变频电机。
2.起升机构改造PLC-变频器控制方式的可行性分析
2.1 技术可行性分析
就现在的36B塔吊改用变频器的技术问题经过简要计算，认为可以采用，首先此设备在设计时所选用电机在最大吊重时为电机的额定输出转矩。
四极51.5KW电机额定输出转矩M=326N.m。
36B在吊重12T时，折算到电机轴上的静态转矩为：M=330N.m
此设备并没有超负荷使用电机。而现在的变频器在输出0.5Hz以上时就能使电机输出的转矩达到电机额定转矩的150%，因此我们担心的低速启动问题可以很好的解决。在重物下降时的势能问题，在变频器外部加装制动单元、制动电阻，可以解决重物下降时的势能问题。在低速时的电机发热问题，由于此时电机原来就是工作在大电流的情况之下，发热比较严重，改用变频器后在相同的情况之下，电机的发热现象会明显降低，如果长时间工作在低速情况下，由于风扇的降温性能降低，电机的温升会稍高，我们可以在电机后部加装风机，来改善电机的通风，从而解决长期低速时的电机温升问题。
2.2两种控制方式的简单电路改造的可行性介绍
控制电路介绍：PLC没有断电延时型定时器，只有通电延时型定时器。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆本梯形图的工作原理：当外接启动按钮SB2按下，驱动第一梯级X000的常开接点闭合，通过串接其后的X001、T1、T0、Y002的常闭接点，接通输出继电器，由于Y000线圈的闭合，促使第一梯级第一支路中的并联常开触点闭合形成Y000线圈自保，致使使Y000驱动的接触器KM3闭合将电动机绕组接成星形。在这同时，第二梯级中的左母线一侧的常开触点Y000闭合，通过串接其后的X001、Y003的常闭接点接通了输出继电器Y001和另一支路经Y002常闭接点相串的定时器线圈T0（K值为40）。由于Y001线圈的闭合使与本支路相并的母线一侧Y001闭合形成了Y001线圈自保。由于Y001线圈的闭合，接于Y001后的外部接触器KM1闭合，电动机处于星接启动状态。在Y001闭合的同时定时器T0也已开始计时，4S后定时器T0常闭接点，在第一梯级中切断了输出继电器Y000线圈，解除了星接。而在这同时，第三梯级中左母线一侧的T0常开接点闭合，通过串接其后的X001、Y000的常闭接点，接通了输出继电器Y002。由于Y002的接通，并接于左母线一侧的Y002闭合，使Y002线圈形成自保。Y002线圈后所接的接触器KM2接通，完成了星角转换，使电动机进入了角接状态。第一梯级中与第三梯级中所串接的Y002和Y001常闭接点实质是星与角的互锁。停止按外接停止按钮SB1，从梯形图中可以看出由SB1驱动的第一梯级、第二梯级和第三梯级均串接了X001的常闭触点，其目的是让电动机在任一运行状态，均能可靠停止。而在第四梯级X001接的是常开触点，其一旦闭合，通过串接其后的定时器常闭接点，接通了输出继电器Y003线圈和定时器T1线圈，由于Y003线圈的闭合，其并接于第一梯级第二支路中的Y003常开接点接通了Y000线圈，驱动KM3闭合，使电动机的处于星接状态，以提供直流通道。在线圈Y003闭合后，驱动了外接接触器KM4在电动机停止交流供电的情况下向电动机提供直流电进行能耗制动。定时器线圈T1是与线圈Y003同时获电，并开始计时，计时时间一到，串接于第一梯级与第四梯级的常闭接点断开，使电动机完成了停车与制动的过程。外部接触器接线时，应考虑接触器间的互相联锁以防短路。另本梯形图没设置热保护。
综上所述，将H3/36B起升机构控制系统更换PLC-变频器控制系统从技术上来说是可行的。
2.3改用变频器后的经济分析
可以降低维修费用，降低维修的频率。原配电箱使用进口接触器，每台价格2000多元，共使用3台，按每台寿命一年计算，更换接触器的费用为6000元，每年烧一台电机更换新电机费用30000元以上，打齿一套5000元。合计的费用为35000元，这不包括维修的人工费用，误工费用，用车台班费用等等。在塔吊使用频率较高的情况下，维修的费用还会更高。
这样的塔吊今年上半年的大修更换控制配电柜费用100万以上。此费用不包括备用新电机的费用。
就目前了解的情况及变频器的价格，改装变频器的实际单台投资大约在5万元左右（含变频电机），所选变频的品牌与型号而决定的。
综上所述，将H3/36B更换PLC-变频器控制系统从经济上来说也是比较划算的。
3.结束语
由于PLC在设计制造时充分考虑到工业控制的现场环境问题，并采取了多层次、多种有效措施来提高工作可靠性，因此，采用PLC实现电机控制，特别是针对核电高强度、长时间施工作业情况应该是一项明智之举。以上内容只是对于起升电机的起动、制动控制方式的改造的可行性探讨，如果要对整个起升控制系统进行改造将增加PLC的扩展模块及输入输出点，对整个程序进行编辑，并配套变频电机。通过对H3/36B塔吊进行全面的起升控制系统改造能大幅提高公司现有的塔吊的性能，极大地降低故障率，使其更好地为核电站的建设服务。但是遗憾的是，由于我项目部石岛湾核电工程抢工需要，我项目部现有的H3/36B刚于今年上半年全部换装了整个电气控制系统（仍为传统电气控制系统），花费上百万元。再对其进行PLC改造，无疑是比较浪费资金的，所以在本项目部内无法实现改造。但是对于其他核电工程项目及公司，H3/36B塔吊的PLC改造还是完全可行的，因为无论是从技术上还是从经济上考虑它都极大地优于传统接触器-继电器控制系统。
参考文献:
[1] 王兆义. 小型可编程控制器实用技术[M]. 北京:机械工业出版社，1994。
[2]陈立定.电气控制与可编程序控制器的原理及应用。
论文作者:刘畅
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2019/1/2
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