零速制动在起升机构中的应用

摘要：随着技术的发展，时代的进步，现在越来越多的起重设备采用变频器、PLC来驱动各个机构动作，实现平稳调速，安全节能等目的。包括建筑行业的塔式起重机，厂房内的桥式起重机，场地上的各种龙门吊，港口边的门式起重机等等。起重吨位越大，速度越高，变频器和PLC的应用就越普及。

中图分类号：G267文献标识码：A 文章编号：

前言

目前国内变频器在起升机构中的应用，一般采用PG矢量控制和无PG矢量控制两种工作方式，电机功率大的通常选用PG矢量控制，电机功率小的选用无PG矢量控制。它们控制制动器打开和抱闸的时机略有不同，以常用的安川H1000系列变频器为例，我们就两种情况分别加以描述。

1、PG矢量下制动控制模式

在无PG矢量控制模式下，通常选用变步幅器多功能接点输出端子M1－M2来控制起升制动器接触器的吸合，相应的变频器参数H2－01选择5（频率检出2）。变频器在接到运行信号后工作，当输出频率大于参数L4－01的设置值时，多功能接点输出端子M1－M2闭合，制动器接触器通电，克服弹簧力打开起升制动器，电机运行，起升机构动作，电机均匀加速到给定速度，保持匀速运行。当停止时变频器均匀减速运行，输出频率小于参数L4－01减去L4－02设定值的差值时，多功能接点输出端子M1－M2断开，制动器接触器丢电，在弹簧力的作用下起升制动器迅速抱闸，起升机构停止动作。上述参数中的L4－01一般设定为2Hz，L4－02一般设定为0.5 Hz，也就是说在无PG矢量控制模式下，起升机构在变频器输出频率达到2 Hz时打开制动器，在输出频率回落到1.5Hz时关闭制动器。

在有PG矢量控制模式下，也选用多功能接点输出端子M1－M2来控制起升制动器接触器的吸合，相应的变频器参数H2－01选择37（频率输出中）。M1－M2的动作受到运行指令、基极封锁指令、变频器输出指令的共同影响。变频器处于停止指令或基极封锁中、直流制动中、短路制动中的任意一种状态，多功能接点输出端子M1－M2都处于断开状态，制动器抱闸。变频器的整个工作过程如下，在没有基极封锁的情况下，收到运行指令后，首先加上幅值为B2－02，时间为B2－03设定值的直流制动，来获得高起动转矩。直到输出频率大于参数E1－09设置值，即最低输出频率时，多功能接点输出端子M1－M2闭合，制动器接触器通电，克服弹簧力打开起升制动器，电机运行，起升机构动作，电机均匀加速到给定速度，保持匀速运行。当运行指令结束时变频器均匀减速运行，输出频率小于参数E1－09设定值时，多功能接点输出端子M1－M2断开，制动器接触器丢电，在弹簧力的作用下起升制动器迅速抱闸，电机加载制动电流，起升机构停止动作。上述参数中的E1－09一般设定为0.5Hz，也就是说有有PG矢量控制模式下，起升机构在变频器输出频率达到0.5 Hz时打开制动器，在输出频率回落到0.5Hz时关闭制动器。如果变频器有起升宏或类似结构，一般是以制动器打开限位作为反馈信号参与控制。

2、传统模式的缺陷和改进要求

从上述描述中我们不难发现，起升制动器开闭都是在有频率输出的情况下动作。有频率就有速度，有速度有摩擦，有摩擦就有磨损。动作频率越大，磨损就越厉害，所以有PG的比无PG的情况要好一点。有现场经验的维护人员都见过老设备的起升制动盘，边缘一圈摩擦过的地方是光亮如镜，比内径摩擦不到的地方，足足薄了一层。而且，制动盘下方地面上，掉下来的金属粉末，都堆成了两个小堆。所以尽管制动器内衬制动瓦，虽然更耐磨，但架不住频繁动作。制动瓦是个易损件，要定期检查更换，一方面加大了维护力度。在实际应用中，上述参数还要根据负载大小来进行调整，既不能过早打开制动器导致出力太小溜钩，也不能太晚打开制动器导致出力过大，报过力矩检出故障并且加剧磨损。这在另一方面加大了调试的难度。

那么有没有一种控制方式，可以实行开闭制动器时既有足够大的电机力矩，又能把制动器、制动盘的磨损减到最小？答案是肯定的，在大吨位高转速的集装箱岸边吊上，早已采用另一种起升制动器控制方式，我们称它为起升无冲击制动，英文名HOIST SHOCK LESS CONTROL，通常也叫做起升零速制动，因为正如它名称所述，制动器是在零速，既静止时打开和抱闸，这种控制方式对机械结构冲击小，磨损小，优点很明显。下面我们来描述一下它是怎么工作的。

3、零速制动控制模式

零速制动模式的前提是系统内的变频器与PLC采用了通讯控制方式，两者之间数据字交换，以PLC为核心，控制变频器和器件工作。我们还是以安川变频器和安川PLC举例，在PLC侧定义一号起升/大车变频器的输入地址为IW900~IW90F，16个字，输出地址为OW910~OW91F，16个字。（如图1）

图1PLC模块配置

其中我们要注意的是以下地址：IW901变频器速度指令，IW902变频器力矩指令，OW913起升力矩补偿；我们还需关注PLC中间寄存器中的相关地址：MW601起升变频器力矩指令，MW608起升电机速度反馈，MB1350起升负载采样完成，MW700起升力矩补偿均值，MW480起升制动器上升时比较力矩，MW480起升制动器下降时比较力矩，MB2044起升制动器打开命令，MB2014起升制动器反馈信号。

言归正传，当PLC收到工作命令时，首先把上一次工作结束时采样的力矩数值MW700作为力矩补偿送到变频器OW913（如图2）。

图2 起升变频器力矩补偿

这样，变频器建立的力矩就跟上一次结束时负载（也是这一次开始时的负载）完全区配，不管是带负载还是松绳状态，出力和负载一致，取得了平衡。然后，PLC检测到变频器力矩指令IW902，并把它转存在中间寄存器MW601，MW601与MW480（上升时）或MW481（下降时）作比较，MW480和MW481是两个固定数值，一般取是额定转矩的10%。力矩有方向，所以要取绝对值，如果是上升操作，当MW601的绝对值大于MW480时，PLC认为变频已在电机上加载足够的初始力矩，这时可以打开制动器了。

接着，它选通MB044发出打开制动器信号，转化成某个具体的输出点接通制动器接触器线圈，打开了制动器，制动器限位动作。注意，这时由于电机力矩和负载平衡，整个机构包括电机、滚筒、钢丝绳都是不动的。最后，PLC从MB2014收到起升制动器反馈信号后，确认制动器已完全打开，这时才给出频率指令，按设定的速度时间斜率均匀加速到设定速度。

从上面我们可以看出，零速制动工作方式能够确保起升力矩，不会溜钩，而且，制动器是在电机静止的时候打开，不承受摩擦力。这一切的重点在于力矩补偿要准确，大了电机会要向上转，小了负载会下沉溜钩。怎样确保力矩补偿准确呢？我们接着分析一下减速抱闸的过程再来解决这个问题。

在接到停止信号时，PLC首先还是按设定斜率均匀减速。当快接近停止时，比如反馈速度MW608小于1%，PLC对力矩指令MW601开始进行采样，一个扫瞄周期采样一次。采样了足够多的次数，比如0.5秒，完成采样，这时起升负载采样完成信号MB1350变成高电平，控制MB2044低电平关闭制动器，由于采样时电机速度从接近零到电机完全静止，电机出力和负载刚好相等。我们要做的只是取得所有力矩采样的平均值并把它存在MW700中，如果你认为采样仍有偏差，可以在测速后加延时直到电机完全静止时才开始采样，采样的个数和时间也可以调整，总之，你能得到一个理想的力矩采样值。制动器在电机静止的时候抱闸，也不承受摩擦力。

4、零速制动控制模式的适用范围

综上所述，零速制动方式比传统的起升制动器控制方式更加优越，无PG开环矢量方式因为没有PG做速度反馈无法实行这种功能，有PG开环矢量方式如果没有PLC，也不能达到这一步，我们只能作罢。但是，很多稍微大点的系统都配备了PLC，而且是有与变频器通讯功能的PLC，但是通常情况下，仍将PLC作为一堆中间继电器来使用，实在是浪费了PLC的强大功能。你完全可以把PLC当作一个小量计算机系统，赋予它更多的能力，开发它更多的潜力，完成一些你梦想中才有的功能。对！你要敢想，才会刚做。它们都可以改成零速制动方式，减小制动器维护时间，加快调试步骤，合整机设备更安全，更有效。

参考文献：

【1】安川变频器A1000技术手册 资料编号 SICP C710616 28A