杨 磊

(江苏省船舶设计研究所有限公司,江苏镇江 212003)

0 引言

近年来,随着国内基础设施建设以及国际石油海洋工程的需要,大型起重船的市场需求逐年增加。由于起重的吨位越来越大,一旦出现安全问题业主的损失将相当大,所以安全因素越来越受到重视。

本文以某 4只主钩的臂架式大吨位起重船为例,着重介绍采用变频控制的起重系统所实际应用的一些安全措施。

1 起升设备的基本保护装置

大型起重船上都有数量众多的起升以及变幅用等绞车,在绞车上设置一些保护装置必不可少。

1.1 制动器

起重船上的每台绞车均装有 2级制动器:工作制动器和带式安全制动器。每次操作机构时,PLC (可编程控制器)发运行指令给变频器,变频系统建立力矩,只有当力矩建立到足够抵消反力并通过控制系统的力矩验证后,才打开制动器。当制动器打开到位(行程限位开关检测)后,机构方可运行。变频系统的预加力矩功能保证了每次操作在打开制动器的瞬间不会出现机构吊钩或变幅下溜现象。

1.2 棘轮棘爪

此装置多用于变幅绞车。在绞车停止作业时,扣上棘爪,以锁定机构不能往下降方向运行。

2 操作联锁保护

2.1 主钩与变幅联锁

为安全起见,主钩机构和变幅机构不能同时动作。当 4个主钩中的任一个主钩运行时,变幅操作主令是失效的;同理,若变幅机构运行时,主钩的主令也是失效的,这样保证了即使操作人员误操作也不会引起机构误动作。

2.2 主钩联锁

主钩既可以单吊也可以联吊。当联吊时,主钩1、主钩 2(2前钩)可组合联动操作,主钩 3、主钩 4 (2后钩)可组合联动操作,主钩 1、主钩2、主钩 3、主钩4可组合联动操作。主钩1、主钩4(对角线)不能联吊操作,主钩 2、主钩 3(对角线)不能联吊操作,程序已经联锁,即使误操作机构也不会发生误动作。

2.3 各操作站之间联锁

由于现场操作的需要,除了驾驶室控制外,绞车机旁一般都有操作站。变频控制系统的程序具有严格逻辑性,当系统得电,只会有 1个操作站被授权,即当在驾驶室操作相应机构时,现场相应就地操作站将会失效。

3 安全装置

3.1 零位保护

主钩机构、变幅机构、移船机构及系泊机构等机构的主令均带有机械零位锁定装置,操作机构时必须将主令手动提起方可正常操作。运行过程中如果突然断电,即便随即上电,各机构也不会运行。只有当操作主令回零,再次按控制合按钮,系统得电后方可继续操作主令运行各机构。如操作手柄主令不回零,按控制合按钮无效,系统不会得电。

3.2 急停保护

锁扣式急停按钮分别设置在:电气控制室主配电保护柜面板、驾驶室左右操纵台、每个机构的现场操作站。

此系统急停与起重系统真空断路器采用硬线联锁。一旦发生急停,真空断路器立即切断起重系统动力电源。

所有急停开关有 2付常闭触点,1付触点串于主控制回路,用于切断控制电源;1付进PLC报告急停发生的位置以便操作者在显示器上查看故障位置。急停事件为一级故障处理,进行机械制动。

3.3 超速保护

起升(主钩 1、主钩 2、主钩 3、主钩4)、变幅机构的超速信号有 2种途径获得。

第 1种途径为数字式变频器超速保护设置。超速保护的阈值可以在一定范围内设定。当达到动作值时,联锁到系统保护回路中去。

第 2种途径是通过监测电机高速轴侧超速开关信号。当动作时,联锁到系统保护回路中去。

超速故障为 1级故障,引起 1级停车。该过程进行机械抱闸停车,系统断电、软件和硬件同时锁定该故障。

当起升、变幅机构运行速度达到机构最高允许运行速度的 115%时,超速开关动作,对应机构的操作手柄延时 2s后失效,制动器抱闸,同时发出声光(红色)报警信号。

由于超速故障是十分严重的故障,联动台上的复位按钮不能复位该故障,必须使用位于保护控制柜面板上的超速复位按钮进行复位,以确保超速故障已经过特别的处理,而不是轻易地同其他故障同等处理。

3.4 极限超程保护

4个主钩机构、副钩机构及变幅机构均设有上下超程行程限位,超程故障为 1级故障。一旦有超程故障,立即切断动力电源,同时进行机械抱闸停车,软件和硬件同时锁定该故障。发生该故障后只能通过“超程旁路”选择开关切换到超程旁路工况,再手动合闸才能恢复操作。在超程旁路工况下,机构的运行速度被限制在额定速度的 10%,且机构只能向相反方向运行,待超行程限位恢复正常后,机构立即自动停止动作,此时只有将“超程旁路”选择开关切换到正常工作位置才能恢复正常操作。

3.5 过卷、过放保护

起升、变幅卷筒钢丝绳过卷、过放限位联锁,由安装在相应机构卷筒上的凸轮限位开关实现检测保护。

当过卷(上升终点)、过放(下降终点)位置联锁开关动作后,运行于该方向绞车停止工作。此时,主起升绞车允许向反方向作复位运行。当凸轮开关复位后,联锁报警信号消除。

每个起升/变幅机构各设以下限位信号用于联锁和保护:

上升超程限位、上升停车限位、上升减速限位、下降减速限位、下降停车限位、下降超程限位。

3.6 过载保护

起升机构都有负荷传感器。它提供 4～20 mA的模拟量信号,该信号正比例于起升的负荷。它主要用于:最大运行速度的计算、单钩过载测定与报警、吊钩联动过载测定和报警、吊钩负荷差超差测定和报警、在监控屏幕上显示负载数值。

主钩各钩单独工作时,分别显示各自对应钩的荷重。当主钩联动工况时总荷重显示综合荷重。主钩单独运行时,当吊重达到各钩额定负荷的 95%时,预报警。当吊重达到各钩额定负荷的 105%时,红色报警;同时延时2 s切断上升控制回路及增幅控制回路,实现保护联锁。

3.7 风速指示和保护

本系统设有风速仪,用于检测风速,在监控屏上显示实时风速,当风速达到预定值时发出报警信号。

3.8 水平保护

浮吊纵倾超过2°或横倾超过5°(信号由船电系统提供)时,禁止起重系统工作。

3.9 电机过热保护

每个机构所用的船用电机均有热敏电阻测温装置,实时测量电机温度。当达到电机所能承受的最高温升时,变频器实施电气停车保护。

3.10 电机综合保护

机构所用的电机都具有欠压、过压、短路、过流、接地、缺相等保护。

3.11 速度、加速度预测控制保护

在起重系统中,某个电气元件失灵或故障引起的溜钩现象是最危险的故障,它造成系统失控,重物失去提升力,以近似自由落体的加速度下溜,直至超速故障信号产生后才被强行抱闸制动。

如果被吊重物重量较轻、下放速度不快,溜钩故障时产生的动能相应较小,这时只要机械制动性能良好,系统能很快制止溜钩,不会造成严重后果。

然而,在重载快速下放时,溜钩故障会在短期内产生很大的动能。一旦系统失控并进入高速运行,其巨大能量会使强制制动很困难,造成对系统的巨大冲击,甚至损坏机械设备。

为了进一步保证系统安全性,避免出现溜钩故障,电气系统采用动态监测,对起升电机运行速度、加速度进行预测控制。这样在系统失控还处于低速、低动能的状态下得到及时准确的判断,并在早期采取强行制动,避免机电设备造成重大损失。

速度和加速度的获得依赖于脉冲编码器。实际重量和由于加速度引起的重量的信息的获得依赖于称重传感器。通过自行研发的功能模块,可以获得准确的速度、加速度以及实际重量、系统惯量、动量等综合信息。通过基于神经网络和模糊控制的预测学原理,经过动态数理分析,以预测可能的溜钩现象,防止由于溜钩造成严重的人身和设备事故。

在检测到超速或溜钩时,工作制动器和电气制动将同时进行制动。该技术已在国外先进的高速或大型提升系统,如大型起重机和高速电梯行业得到应用,提高了系统的安全性。

3.12 力矩监视与保护

按照负载曲线进行变幅与起升机构联锁。

本系统所采用的力矩监视器功能有:实时监视浮吊臂架的角度,4个主钩上所吊货物的重量。并且能够根据联动还是单动以及臂架角度情况,实时把实际负载重量、力矩和额定吊重、额定力矩做比较,以便给出货物超重、轻载、力矩报警信号。这样中央控制器就可以根据货物的实际情况来保护设备,提高生产效率。

3.13 变压器温度保护

变压器温度过高置 3类故障,受控停车。

以上保护由中央控制器自动完成,不需要人员干预。

4 结语

本文主要介绍了变频系统的安全措施。由于该系统需要船上的起重设备全部采用变频电机的电力驱动,一些采用液压系统的起重船不完全适用,但是通过对液压控制系统的设计改造,其中的一些安全概念还是可以作为借鉴和参考。

随着大型起重船的大量应用,作者认为电力驱动的变频控制系统,由于其在安全性、实用性等方面的优势,越来越多的新技术的运用以及配套厂商的逐步完善和发展,应该是起重控制系统一个重要的发展方向。