铸造起重机整车电气系统设计

摘 要 以炼钢厂大型起重机控制系统改造为背景，阐述了SIMENS S7系列PLC自动化软件的应用及新技术、新控制方式在系统中的应用等内容。结合起重机安全控制、设备稳定运行，对起重机电气控制方式、安装方式进行改进优化设计，是老式起重机控制系统升级改造的一次成功案例。

关键词 起重机；控制系统升级；系统设计

中图分类号：TH213 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）09-0018-03

太钢不锈股份公司炼钢二厂125/32t、140/32t铸造起重机分别于20世纪80年代末期投入使用，鉴于当时的条件，系统控制采用XQR及PQR转子串电阻驱动，接触器、继电器控制方式。控制方式落后，控制精度低，机械冲击大，并且长时间使用电气系统老化严重，故障率较高。炼钢工艺革新改变，生产节奏加快，作为炼钢生产环节重要部分的铸造起重机对整个炼钢生产极其重要，铸造起重机的稳定高效工作对整个炼钢正常生产意义重大。因此对炼钢环节的铸造起重机电气系统进行整体升级改造迫在眉睫。为达到这些目的，采用可靠的新产品、新技术、新方法进行整体改造是必要的。经过详细的前期论证，严密的设计、选型，高效可靠的现场施工安装，细致的现场调试，先后完成了6台铸造起重机整车电气系统的升级改造。

此次铸造起重机整车电气系统升级改造，结合铸造起重机的使用特点，采用了很多国内一流的新产品，并结合现场实际工况采用和很多新技术、新方法，与同行业相比进行了很多创新应用，经过现场实际生产使用，运行情况稳定可靠，解决现场以往存在问题，达到整体改造的目标要求。

1 整体改造方案概述

本次铸造起重机整车电气系统改造，整车采用SIEMENS S7-300 PLC进行集中控制，同时设置了PLC异常情况下的应急操作盒。起升机构采用MH THYROMAT BDCH以及10BCCH调压调速装置进行驱动，并且设置了旁路控制系统，在装置异常的情况下进行短时间工作。平移机构（主小车、副小车、大车）采用MVCAN变频调速装置进行驱动，并且主小车机构设置了一用一备两台变频器，在一台变频器异常情况下可以切换到另外一台变频器工作；大车机构设置了两台变频器分别驱动南梁、北梁各两台电动机。

司机室内设置MP277 PANEL 触摸屏，在PLC系统工作正常下对整车电气系统进行实时显示，并且将PLC内部逻辑故障点进行显示，便于查找判断PLC工作正常情况下各机构的工作状态；主梁内设置起重机信息系统CIMS工作站，对起重机工作状况进行实时监控以及记录。整车采用Profibus总线通讯方式进行控制检测，同时具备总线故障时旁路控制功能；考虑网络在起重机上的干扰影响，系统还设计了应急操作系统，独立于PLC操作，在PLC系统故障是可以快速进行起重机操作。

2 设计说明

2.1 冗余控制方式设计

1）整车各机构驱动装置控制采用I/O端子控制方式与PROFIBUS-DP总线通讯控制方式两种控制方式，两种控制方式通过控制屏上转换开关（I/O控制/BUS控制）―进行切换，即既可以通过I/O端子―指令继电器，对各机构驱动装置发出启动、停止指令，以及各档位指令信号；亦可以通过PROFIBUS-DP总线通讯传输控制字、及参考数据对各机构驱动装置发出启动、停止指令，以及各档位参考速度；两种控制方式在设计过程中通过装置控制的模式的确认以及PLC内部相互联锁确保装置指令接收的唯一。

I/O端子控制方式直观，便于机构工作异常时现场维护人员的排查，正常工作时采用I/O端子控制方式，此时PROFIBUS-DP总线通讯将各机构驱动装置内部详细实时数据，并且通过PLC系统设置的CP343-1工业以太网模块，通过Ethernet网络与MHCIMS起重机信息系统传输信息。

当I/O端子控制环节―如指令继电器、PLC输出模块、电缆等出现异常时，可及时通过控制屏上转换开关（I/O控制/BUS控制）―进行切换，切换为PROFIBUS-DP总线控制方式，继续正常操作有关机构，降低故障异常停车时间，降低起重机异常停车对炼钢生产的影响，因此控制方式的冗余在起重机电气系统的设计中值得推广。

2）应急操作。

电气系统整车采用SIEMENS S7-300 PLC进行集中控制，司机室设置ET200远程站，PLC系统是稳定可靠的，但是由于铸造起重机高温、粉尘、震动、滑线电压波动大等特殊使用工况，PLC系统出现异常的可能性是存在的，特别是通讯等偶尔出现异常，现场操作维护人员难以在短时间进行排查处理，容易影响生产甚至造成事故，因此在此次改造中设置了应急操作盒以及相应的控制电路，满足在PLC系统出现异常情况下的起重机操作运行要求。

应急操作部件―应急按钮盒的连接简便：通过专门设计的航空插头可简便快速连接，控制方式的切换方便，为确保系统的安全，仅将PLC系统的电源断路器断开即可进行应急操作。

图1 应急操作盒

鉴于应急操作的原因―PLC出现异常，因此应急操作对各机构仅通过I/O端子控制，同时应急操作设计具备相应的安全保护，满足起重机安全操作。应急按钮盒以及连接航空插头如图1。

应急操作便于快速开动起重机，降低甚至杜绝次生事故危害，对相应场合铸造起重机具备推广价值。

2.2 控制屏安装新方法

铸造起重机电气系统一般放置于电气主梁内，由于铸造起重机的作业率很高，各机构运行速度较高，载荷变化很大，起重机级别很高，工况复杂，并且大车轨道的实际安装使用情况―接头缝隙、旁弯等各有不同，因此如果电气梁内采用传统安装固定方式―焊接、直接螺栓固定，电气控制屏内电气元件、部件的就会受到很大机械冲击，对相应的电气元件、部件本体触点、线路接触及使用寿命都会产生很大的影响。

鉴于上述分析，在此次改造过程中，控制屏的安装固定设计采用缓冲减震器件安装，经过专业的计算，结合现场安装要求，缓冲减震器件采用3.5 mm聚氨酯减震垫，聚氨酯减震垫分别放置于控制屏底部以及上部后方，对控制屏的垂直方向、水平方向的冲击吸收降低，如图2所示。

图2 控制屏安装方法示意图

经过安装后的实际使用，控制屏采用聚氨酯减震垫安装固定，控制屏的冲击晃动得到很大的降低，因此通过以往现场的使用情况，控制屏采用聚氨酯减震垫安装固定，对电气元件、部件使用状况有很大的改善，大大提高其工作稳定性并延长了元件使用寿命。

2.3 在电气室安装CIMS起重机信息系统工作站

CIMS起重机信息系统通过专业的设计实现起重机相关控制系统运行状况监控、元器件寿命监测记录，操作过程、机构运行状况、故障报警、运行数据的曲线记录，便于对起重机的设备运行状况以及操作情况的分析，对故障进行再现追踪及理论分析，加强设备的维护管理。未来还可以通过工业无线通讯连接至地面数据中心与ERP、MES等企业生产管理系统对接，实现包含行车在内的全流程生产调度。

起重机信息管理系统CIMS为管理者提供了一种全新的起重机管理模式，CIMS能够帮助管理者及时了解起重机各部分工作状态，提高设备维护和故障处理分析的效率，是保障起重机安全和提高起重机工作效率的最佳选择。同时CIMS使得起重机与整个生产流程的信息交换实现了无缝连接，CIMS通过无线连接到地面数据中心。

起重机信息管理系统CIMS，以现场实际需求为根本，侧重点检技术人员的操作应用，可以为点检维护人员提供详细的设备运行信息，为设备管理者提供第一手的分析决策资料，同时考虑公司、厂信息化建设及ERP、MES扩展需求，预留接口及功能，为将来实现炼钢厂行车调度与生产组织调度一体化打下了良好的基础。如图3所示。

图3 起重机信息管理系统CIMS

2.4 整车电气接地网

2.4.1 整车接地网络的设置

此次起重机电气系统改造，采用了大量的智能调速装置，现场总线通讯，并且分布于起重机的不同部位，各用电设备的安全用电、人员安全必须满足，因此起重机上需要设计敷设可靠的接地网络，按照接地要求设置安全保护地、仪表地等。接地网络具体设置：

1）不同安装部位的PROFIBUS-DP总线通讯设备设置专门的接地等电位连接地线，确保不同安装部位的PROFIBUS-DP总线通讯设备参考电位一致；并且PROFIBUS-DP总线通讯设备―PLC-CPU部分接地与主梁主接地点连接。

2）各机构控制屏内用电设备保护接地与主梁主接地点连接，由于主梁与端梁系机械铰链及高强螺栓连接，因此采用满足主接地要求截面的电缆与端梁进行连接，确保电气连接。

3）端梁与端梁两侧下部设置专门设计的接地滑块装置采用满足主接地要求截面的电缆进行连接，满足与厂房结构大地良好的连接。

上述接地网络的主接地点，需要与厂房供电的大地网络进行良好的连接。

由于此次改造起重机的供电采用三相三线方式供电方式，无法提供可靠的接地。

改造起重机工作的厂房的设计年代较久，而且之前起重机设计标准，无专门接地要求，目前大部分使用的起重机供电方式采用三相三线方式，无专门可靠的接地滑触线，所以采用三相三线方式供电的起重机的接地系统，是通过大车车轮、大车轨道与厂房接地系统连接，由于车轮系统的滚动，轴承以及踏面的接触，可知采用三相三线方式供电的起重机的接地系统不是可靠连续连接的。在常规传统电气系统控制方式下，接地系统正常与否作用不明显。但在大量采用自动化仪器仪表、变频装置及大量使用网络通讯微机控制的情况下，接地是否可靠直接影响设备运行状况。因此专门设计了全车接地网，并增加车体辅助接地装置。

全车接地网根据行车的结构及每个电气盘柜特性进行设计，因为端梁是全车接地起始点，也是接地最可靠的部位，所以从端梁处往电气室和司机室分别布置25平方的地线，然后从电气室和司机室再分别引到各电气盘，同时各节点处同时与车体相连，分支线路使用10平方和6平方的接地线，保证了各处等电位且接地良好，为系统网络的稳定运行创造了良好的条件。此次改造的起重机接地网络如图4所示。

图4 接地网路示意图

2.4.2 专门设计加工制作的辅助接地装置

此次改造中为了更可靠的接地，以确保各自动化设备稳定工作，还专门设计了专用辅助接地装置。如图5所示，专门设计的辅助接地装置，通过设置在两侧端梁机械缓冲器下部的专用柔性连接的与大车轨道滑触联系的接地装置，保证起重机大车车体与厂房大地的良好连接，确保起重机的接地系统的正常，对操作维护人员的人身安全、用电设备的正常运行，提供良好的接地系统。专用辅助接地装置，设计简单可靠，不影响起重机的结构、使用安全等。

专用辅助接地装置的安装于起重机大车机械缓冲器下部，采用角钢槽钢螺栓连接的滑块与大车轨道实现可靠的接地连接，滑块材料采用耐磨导电性能良好的球墨铸铁材料，并且滑块滑槽两侧加工较大的倒角，以及采用两端弹性支撑牵引设计，确保在大车轨道接头、旁弯部分滑块能够顺利通过，避免卡阻，保证接地功能的良好使用以及周边设备人员的安全。

图5 新型辅助接地装置示图

综合上述此次起重机整体电气系统设计，采用了变频、调压、PLC、CIMS等新产品，大量使用了以太网、PROFIBUS通讯、新型网络组态、接地网设计、网络抗干扰等新技术、新方法，上述新产品、新技术、新方法在铸造起重机的电气系统的设计、改造使用中具有明显的现场使用意义，解决了以往铸影响造起重机使用中的很多典型问题，如机械冲击损坏、电气元件寿命短、调速性能差、精度低等。在冶金企业铸造起重机的实际应用中具备很好推广价值。

参考文献

[1]傅德源.实用起重机电气技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]白玉岷.电气工程安全技术及实施[M].北京：机械工业出版社，2011.

作者简介

贾延龙（1976-），男，工程师，本科。