ضبط معاملات نظام التحكم بالسرعة للرافعات: تطبيق سيمنز G120

يُعد نظام التحكم في السرعة عبر التردد للرافعات الجهاز الكهربائي الأساسي للتحكم غير المتدرج في سرعة آلية الرفع وآلية العربة وآلية سير جسر الرافعة العلوية. يؤثر الاختيار السليم وتكوين المعاملات الصحيح بشكل مباشر على سلاسة تشغيل الرافعة وكفاءة استهلاك الطاقة وعمر المعدات. يتناول هذا المقال بشكل منهجي، وباستخدام محول التردد سيمنز G120 كنموذج تطبيقي، أسس اختيار نظام التحكم في السرعة عبر التردد للرافعات، وتصميم الدائرة الرئيسية، وتكوين المعاملات، وإجراءات التشغيل والضبط، ونقاط الصيانة الأساسية، مع الاستناد إلى معيار ISO 4301 الخاص بأنظمة نقل الحركة الكهربائية متغيرة السرعة والمتطلبات الخاصة لظروف تشغيل الرافعات، لتقديم مرجع عملي متكامل لمهندسي الكهرباء.

مبدأ التحكم بالسرعة عبر التردد ومتطلبات تطبيقات الرافعات

يعمل التحكم بالسرعة عبر التردد على ضبط سرعة دوران المحرك عن طريق تغيير تردد الإمداد الكهربائي للجزء الثابت، مع تنظيم الجهد للحفاظ على ثبات التدفق المغناطيسي (ثبات نسبة V/f)، مما يتيح التحكم في عزم الدوران الثابت تحت السرعة المقننة والتحكم في القدرة الثابتة فوق السرعة المقننة. تتطلب آلية الرفع في الرافعات التشغيل في الأرباع الأربعة — التشغيل الكهربائي أثناء الرفع والكبح التجديدي أثناء الخفض — مما يفرض متطلبات واضحة على قدرة معالجة الطاقة المتجددة في محول التردد. تعمل آلية جسر الرافعة وآلية العربة بشكل أساسي في الاتجاه الأفقي، مع بدء وإيقاف متكرر، وتتطلبان سلاسة عالية في التسارع والتباطؤ ودقة تموضع عالية. يجب أن يركز اختيار محول التردد للرافعات على المعاملات التالية: يجب أن تغطي القدرة المقننة 1.1 إلى 1.3 ضعف القدرة المقننة للمحرك، ويجب أن تلبي قدرة التحميل الزائد متطلبات معيار الرافعات بتحمل 150% من التيار المقنن لمدة 60 ثانية، ويجب ألا تقل درجة الحماية عن IP20 للتركيب الداخلي وIP54 للتركيب الخارجي. تتميز سلسلة محولات التردد سيمنز G120 بهيكل مقسم يجمع بين وحدة التحكم CU ووحدة القدرة PM، ويغطي نطاق قدرة من 0.37kW إلى 250kW، مع وحدات وظيفية مدمجة مخصصة للرافعات (مثل التحكم في مكبح الرفع والمعالجة الأولية لمكافحة التأرجح)، مما يجعلها الخيار الرئيسي للتحكم بالسرعة عبر التردد في الرافعات.

تصميم واختيار الدائرة الرئيسية

يشمل تصميم الدائرة الرئيسية اختيار وتكوين مفاعل الإدخال، وحدة الكبح، مقاومة الفرملة، ومفاعل الخرج. يُستخدم مفاعل الإدخال لقمع التوافقيات في شبكة الكهرباء والحد من تيارات الاندفاع، وتُؤخذ قيمة المحاثة بنسبة 2%~4% من التيار المقنن لمحول التردد، ويُوصى بتجهيز جميع محولات تردد الرافعات بمفاعل إدخال. يجب تزويد آلية الرفع بوحدة كبح ومقاومة فرملة لاستهلاك الطاقة المتجددة الناتجة عن الكبح التوليدي للمحرك، وعادةً ما تُضبط جهد توصيل وحدة الكبح عند 1.15~1.2 ضعف جهد ناقل التيار المستمر (حوالي 760~790 فولت)، وتُحسب مقاومة وقدرة مقاومة الفرملة وفقًا لخصائص الحمل الجهدي لآلية الرفع، وتُصمم السعة لظروف التشغيل الأقسى (خفض الحمولة الكاملة) لمدة تزيد عن 30 دقيقة متواصلة. يُستخدم مفاعل الخرج لقمع الضرر الذي تسببه التوافقيات عالية التردد من جانب الخرج لمحول التردد على عزل المحرك، ويجب تركيبه عندما يتجاوز طول الكابل 50 مترًا. يُختار قاطع الدائرة أو المنصهر بمعامل 1.5~2.0 ضعف تيار الإدخال المقنن لمحول التردد. ويُوصى بوضع الملامس في جانب الإدخال لمحول التردد لقطع مصدر الطاقة بسرعة عند حدوث عطل.

اختيار أسلوب التحكم

ضبط معاملات آلية الرفع

تُعد آلية الرفع أهم تطبيقات محول التردد في الرافعة، ويتطلب ضبط المعاملات معالجة خاصة للوظائف التالية. تُحدد أزمنة الانحدار بناءً على التوازن بين راحة التشغيل والكفاءة، حيث يكون زمن التسارع للرفع عادةً 2~4 ثوانٍ وزمن التباطؤ 2~3 ثوانٍ، بينما يكون زمن التسارع للخفض 1~2 ثانية وزمن التباطؤ 1~2 ثانية. تضمن وظيفة العزم عند السرعة الصفرية (تثبيت السرعة الصفرية أو الكبح بالتيار المستمر) عدم انزلاق الحمولة أثناء فتح وتعشيق المكبح، ويُوصى بضبط مدة التثبيت على 1~2 ثانية وعزم التثبيت على 100%~120% من العزم المقنن للمحرك. يُعد التحكم في الفرامل جوهر تكوين محول تردد الرفع، ويتم التحكم في تسلسل فتح وإغلاق المكبح عبر خرج المرحل لمحول التردد: عند استلام أمر التشغيل، يقوم محول التردد أولاً ببناء تيار الإثارة والعزم، ثم يصدر أمر فتح المكبح بعد تأخير 0.3~0.5 ثانية؛ وعند التوقف، يخفض محول التردد السرعة إلى الصفر ثم يصدر أمر تعشيق الفرامل، وبعد تأخير 0.1~0.2 ثانية يتم قطع النبضات. يؤدي منطق التحكم غير الصحيح في الفرامل إلى انزلاق الحمولة أو توقف المحرك. تُفعّل وظيفة الكبح التوليدي تلقائيًا عندما تتجاوز سرعة المحرك السرعة المتزامنة، وتُستهلك الطاقة المتجددة عبر مقاومة الفرملة، ويُوصى بضبط جهد تشغيل وحدة الكبح على 115% من جهد ناقل التيار المستمر (حوالي 775 فولت تيار مستمر).

ضبط معاملات آلية الجسر والعربة

تختلف خصائص تشغيل آلية الجسر والعربة عن آلية الرفع، فحملهما مقاوم وليس جهديًا، وتتغلب عمليات التسارع والتباطؤ بشكل أساسي على قوى القصور الذاتي. تبلغ قدرة تشغيل آلية سير الجسر عادةً 20%~40% من قدرة آلية الرفع، بينما تبلغ قدرة آلية العربة 10%~20%، وتكفي وحدات الطاقة PM240 أو PM250 من G120 لتلبية المتطلبات. تُحدد أزمنة الانحدار وفقًا لمسافة تشغيل الرافعة وسرعة الحركة، حيث يُؤخذ للجسر عادةً تسارع 4~8 ثوانٍ وتباطؤ 3~6 ثوانٍ، وللعربة تسارع 2~4 ثوانٍ وتباطؤ 2~3 ثوانٍ. تتطلب آلية الجسر متعددة المحركات (رافعات البحر الطويل المزودة بمحركين أو أربعة محركات لسير الجسر) استخدام وظيفة التحكم الرئيسي-التابع لعزم الدوران في G120، حيث يُضبط محرك واحد كرئيسي (تحكم بالسرعة) والباقي كتوابع (تحكم بالعزم)، وتستقبل التوابع إشارة العزم من الرئيسي لتحقيق توزيع متوازن للعزم بين عجلات القيادة. تُنقل إشارة العزم للتوابع عبر منفذ الخرج التناظري أو ناقل ميداني. تعمل وظيفة المعالجة المسبقة المضادة للتأرجح (Vibration Damping) على تقليل سعة تأرجح الحمولة أثناء التسارع والتباطؤ من خلال إضافة مكون تعويض عكسي على إشارة تسارع/تباطؤ العربة، وتتطلب هذه الوظيفة تغذية مرتدة من المشفر.

التكامل مع نظام التحكم PLC والتواصل

يتكامل محول التردد G120 مع نظام تحكم PLC عبر واجهة الاتصال في وحدة التحكم CU. تشمل بروتوكولات الاتصال الشائعة PROFINET (موصى به، معدل نقل 100 ميجابت/ثانية، دورة 1~4 مللي ثانية)، وPROFIBUS DP (12 ميجابت/ثانية، دورة 2~6 مللي ثانية)، وUSS (تسلسلي، للصيانة والتشخيص فقط). خطوات تكوين اتصال PROFINET: استيراد ملف GSD الخاص بـ G120 في TIA Portal، وتعيين اسم الجهاز وعنوان IP، وتكوين منطقة البيانات العملية (PKW+PZD). تُخصص منطقة البيانات العملية لآلية الرفع عادةً 4 كلمات (كلمة التحكم، مرجع السرعة، كلمة الحالة، السرعة الفعلية)، بينما تُخصص لآلية الجسر والعربة كلمتان (كلمة التحكم + مرجع السرعة). يتبع تعريف بتات كلمة التحكم معيار PROFIdrive، حيث البت 0 في كلمة التحكم 0 يمكّن التشغيل، والبت 1 يلغي الانحدار، والبت 3 يمكّن النبضات، والبت 4 يمكّن الانحدار. يتم توصيل التوقف الطارئ ووظائف السلامة مع PLC عبر توصيل ثابت وليس عبر الناقل الميداني، لضمان تلبية متطلبات السلامة والموثوقية وفقًا لمعايير ISO 13849 وEN 62061.

التشخيص واستكشاف الأخطاء وإصلاحها

يُوصى باستخدام برنامج Siemens Starter (للمشاريع غير القائمة على TIA Portal) أو TIA Portal Startdrive (المدمج في منصة TIA Portal) كأدوات تشخيص. يتضمن إجراء التشخيص بالتسلسل: فحص توصيلات الدائرة الرئيسية ودائرة التحكم قبل التوصيل بالتيار، والتأكد من سلامة جهد ناقل التيار المستمر بعد التوصيل، وضبط معاملات المحرك وتشغيل التعرف عليه، وضبط أزمنة الانحدار ومعاملات الحد، وإجراء تشغيل تجريبي بدون حمل (حركة تدريجية لكل آلية للتأكد من صحة اتجاه الدوران)، ثم تشغيل تجريبي مع حمولة (رفع تدريجي لآلية الرفع حتى 110% من الحمولة المقدرة للتأكد من سلامة التيار ودرجة الحرارة). الأعطال الشائعة وطرق إصلاحها: F30021 (الجهد الزائد لناقل التيار المستمر) يحدث غالبًا أثناء خفض الحمولة الكاملة، ويجب فحص مقاومة مقاومة الفرملة وجهد توصيل وحدة الكبح؛ F30011 (الحمل الزائد للمحرك) غالبًا ما يكون بسبب ضبط أزمنة التسارع والتباطؤ على فترات قصيرة جدًا أو خطأ في تسلسل التحكم في الفرامل؛ F07086 (عطل الفرامل) يتطلب فحص مصدر الطاقة الخاص بالفرامل وتوصيلات التحكم. يمكن استخدام وظيفة راسم الذبذبات في برنامج Starter لالتقاط أشكال موجات التيار والسرعة والعزم أثناء بدء وكبح آلية الرفع، لتشخيص مشكلات الأداء الديناميكي.

مثال على تكوين نموذجي

كمشروع عملي لتحديث رافعة جسرية من نوع QD بقدرة 20 طن بنظام تحويل التردد: تم تجهيز آلية الرفع بوحدة طاقة G120 PM240-2 بقدرة 37 كيلوواط مع وحدة تحكم CU250S-2، ومفاعل إدخال 37A/0.2mH، ومقاومة فرملة 14Ω/6kW (قدرة مستمرة 30% ED). كما تم تجهيز آلية سير الجسر بوحدتين G120 PM240-2 بقدرة 7.5 كيلوواط لكل منهما (بتحكم رئيسي-تابع لمحرك مزدوج)، وآلية العربة بوحدة G120 PM240-2 بقدرة 4 كيلوواط. زمن منحدر الرفع 3.5 ثانية، وزمن منحدر سير الجسر 6 ثوانٍ، وزمن منحدر العربة 3 ثوانٍ. عزم الرفع عند السرعة الصفرية 110% لمدة 1.5 ثانية، مع تأخير فتح المكبح 0.4 ثانية وتأخير إغلاقه 0.15 ثانية. أظهرت اختبارات التشغيل بعد التحديث أن تيار المحرك أثناء الرفع بالحمولة الكاملة مستقر دون أي ارتفاعات مفاجئة، وارتفاع حرارة محول التردد بلغ 42K (أقل من الحد المسموح به 55K)، وتم التحكم في ارتفاع حرارة مقاومة الفرملة أثناء خفض الحمولة الكاملة لمرة واحدة في حدود 180 درجة مئوية، كما تحسنت كفاءة الطاقة الإجمالية للنظام بنحو 22% مقارنة بنظام التشغيل بالتردد الثابت السابق.

الأسئلة الشائعة حول تحديث الرافعات الجسرية بمحولات التردد