起重機電氣控制系統的冗余設計方法思考

孫嘉杰

摘 要：大型機械起重機的使用，使工業生產中的重物搬運更加便捷高效，為我國現代化建設做出了突出的貢獻。提升起重機的運行可靠性，成了當前起重機設計中非常關鍵的一項工作。電氣控制系統是起重機中最為重要的系統組成部分之一，是起重機可靠性、安全性與操縱性的重要保障，應該加強其冗余設計。文章通過分析起重機電氣控制系統的串聯設計與并聯設計，探索起重機電氣控制系統的冗余設計方法。

關鍵詞：起重機；電氣控制系統；冗余設計；方法

中圖分類號：TH21 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）34-0100-02

Abstract： The use of large mechanical cranes makes the transportation of heavy objects in industrial production more convenient and efficient and has made a prominent contribution to the modernization of our country. To improve the reliability of crane operation has become a very critical task in the current crane design. The electric air system is one of the most important parts of the crane system， and it is an important guarantee for the reliability， safety and maneuverability of the crane. Therefore， the redundant design of the crane should be strengthened. Through analyzing the series design and parallel design of the crane's electrical control system， this paper explores the redundant design method of it.

Keywords： crane； electric control system； redundant design； method

我國經濟發展速度的加快，促進了工程機械行業的不斷發展，起重機的生產數量和規模也在逐漸擴增，在工業化進程中發揮的作用越來越重要，被廣泛應用于鋼鐵冶金、機械制造、港口物流、石油化工等行業。在起重機的應用越來越普遍的當下，只有不斷提升起重機的可靠性，才能夠保障社會生產的高效性，為我國的經濟發展做出突出貢獻。電氣控制系統在起重機的控制當中發揮著至關重要的作用，很多起重機故障或者安全事故都是由于電氣控制系統故障導致的。因此，應該在了解電氣控制系統的基礎上，加強起重機電氣控制系統的冗余設計，增強起重機電氣控制系統的可靠性，提升起重機生產效率、延長其使用壽命的同時，避免安全事故造成的人員傷亡。應該在起重機電氣控制系統中加強串聯設計、并聯和冗余設計，不斷優化起重機電氣控制系統性能。

1 起重機電氣控制系統的設計思路

1.1 可靠性設計

對于產品的預期安全和失效狀態進行預估，這是保障可靠性設計能夠順利進行的關鍵點，也是針對性提升產品可靠性的核心環節。配置產品系統子集的冗余設計指標，比如元器件、組件和執行單元等，是在起重機電氣控制系統冗余設計初期需要開展的關鍵工作，起重機電氣控制系統投入運行后的工作狀態，應該通過分析其功能、元器件、使用環境和多因素之間的相互關系進行預估。為了能夠對起重機電氣控制系統在實際工作環境下的工作狀態、工作能力和壽命進行預測，需要建立力學模型與數學模型，并在故障數據統計分析和試驗的幫助下，完成起重機電氣控制系統的冗余設計。此外，在起重機電氣控制系統的冗余設計過程中，還應該考慮經濟性原則。對于起重機電氣控制系統設計薄弱環節的辨識，可以通過分析用戶需求、設計輸入、試驗與指標參數的預評結果、類比結果而實現。薄弱環節的辨識，能夠幫助設計人員采取有效的解決措施，實現薄弱環節的補強，不斷提升起重機電氣控制系統的可靠性，保障起重機的生產效率[1]。

1.2 設計輸入

在進行起重機電氣控制系統的冗余設計時，應該最大限度保障起重機電氣控制系統功能的發揮。首先，對于制動器電源和總動力電源的斷開，應該由急停按鈕來實現，以保障生產過程中的安全性。其次，應該加強起重機電氣控制系統電動機的熱過載保護，避免發動機過熱引起的系統故障，影響起重機的正常使用。再次，還應該加強起重機電氣控制系統的電動機定子異常失電保護和錯相、斷相保護、行程限位保護、超速保護、超載保護、通道門連鎖保護。最后，在起重機電氣控制系統冗余設計時，為了提升系統制動的可靠性，應該采用雙制動控制。通過上述起重機電氣控制系統功能的實現和加強，能夠實現起重機電氣控制系統冗余設計的不斷完善，提升起重機運行的可靠性。

1.3 系統設計構造

起重機電氣控制系統的設計構造，主要包括了主電源、主控制回路、安全控制回路、空調系統、全車照明系統、警鈴、操縱機構回路等。安全控制回路的閉合包括了緊急開關閉合正常、電氣室側走臺開關閉合正常、司機室門關閉正常、相序按規范次序、端梁門開關閉合正常、檢修走臺側門開關閉合正常。為了做好機構運行的準備，應該在主電源正常和安全控制回路閉合后，用電鎖打開電源、按下啟動按鈕，主控制回路會得電吸合。運行機構限位開關閉合包括了升降機構上升、下降限位裝置或者開關閉合正常，大車左右限位開關閉合正常和小車前后限位開關閉合正常，司機發出吊鉤上下、小車前后和大車左右的指令，各機構的運行狀況則由PLC控制。速度在反饋信息的作用下由變頻器控制，實現有效調速[2]。

2 起重機電氣控制系統的串聯設計

2.1 串聯系統的可靠性

多個子單元進行串接，共同組成串聯系統，系統中任一單元的可靠性都要高于串聯系統。為了提升系統的可靠性，需要實現系統子集的減少與設計的優化。

2.2 安全保護系統設計

為了能夠提升串聯系統的可靠性，應該將串聯結構設計在各連鎖開關、安全保護開關和過流繼電器觸點中。在安全系統中設有安全接觸器，當斷開現象出現在控制回路中的串聯觸點時，那么整個回路就會出現斷電的狀況，安全接觸器釋放斷開各機構的電氣控制回路。下降深度限位、過流繼電器觸點、上升限位、端梁走臺聯鎖觸點、司機室開關觸點、小車限位開關、橋架通道口連鎖開關觸點、大車限位開關、大車走臺聯鎖觸點等，共同組成安全系統的電氣控制回路。

3 起重機電氣控制系統的并聯設計

3.1 并聯系統的可靠性

并聯系統由多個子單元并聯而成，并聯系統的設計，能夠保障只有在所有單元失效時，整個系統才會失效，在可靠性上具有很大的優勢[3]。若單元預期壽命符合指數分布，且子集失效概率相同時，那么并聯系統的可靠性可以用如下公式表示：

其中n表示單元數量，λ表示單元失效率。并聯系統的平均故障間隔時間可以表示為以下公式：

在電氣控制系統、電子元件中，并聯系統的應用非常普遍，能夠大大提升系統的可靠性。

3.2 起重機制動系統的電氣設計

冗余系統的設計就是要保障當某個環節出現故障時，系統預期功能可以通過其他環節的正常運轉而實現。由于冗余系統是并聯系統，根據上述并聯系統的可靠性分析可知，只有當所有單元失效時，冗余系統才會失效。因此，應該在起重機制動系統的設計當中應用上述設計理念，不斷提升制動的可靠性。

雙制動器是起重機制動系統的主要機械形式，包括了支持制動器和工作制動器。工作制動器動作之后，支持制動器才能動作。主制動器作為工作制動器，卷筒制動器作為支持制動器，能夠實現起重機制動系統冗余性的設計[4]。

當兩套制動器同時作用時，卷筒制動器和電機制動器的得電吸合，能夠在上升或者下降主觸點閉合后完成，打開抱閘能夠通過電磁力的作用實現，從而控制主鉤的升降工作。制動器的下閘制動則通過上升或下降接觸器失電實現。這種方式能夠保障系統的冗余設計，但是對于系統沖擊過強，影響起重機結構穩定性。

當兩套制動器分別作用時，電機制動器的得電吸合可以通過上升主觸點閉合實現，卷筒制動器得電吸合后，抱閘在電磁力作用下打開，控制主鉤上升。電機制動器在下降主觸點閉合后得電吸合，抱閘在電磁力作用下打開，控制主鉤下降。上升或者下降接觸器失電，會引起制動器的下閘制動。這種方式的可靠性較高。

第二套制動器延遲作用時，電機制動器的得電吸合可以通過上升主觸點閉合實現從而完成立即開閘。卷筒制動器延時得電吸合后，抱閘在電磁力作用下打開，控制主鉤上升。電機制動器在下降主觸點閉合后得電吸合從而實現立即開閘，卷筒制動器延時得電吸合后，抱閘在電磁力作用下打開，控制主鉤下降。上升或者下降接觸器失電，會引起制動器的先后下閘制動。延時回路的設計，使得延遲出現在制動器動作當中，避免對起重機結構造成過大沖擊，能夠不斷提升起重機的制動穩定性[5]。

此外，制動接觸器還可以由兩個獨立電氣裝置進行控制，能夠有效提升電氣控制的可靠性。粘連吸合發生在電氣裝置觸點時，另一串聯電氣裝置觸點能夠發揮作用。制動接觸器的常開觸點、延時繼電器的常閉觸點、主令接觸器觸點和下降接觸器的常開觸點、下降輔助接觸器的常開觸點以及上升接觸器的常開觸點、上升輔助器的常開觸點、主令控制器觸點，共同組成制動接觸器電路的三條回路。

4 結束語

起重機電氣安全回路的串聯設計和起重機制動器回路的并聯設計，能夠通過起重機電氣控制系統的冗余設計實現，能夠有效提升起重機電氣控制系統的可靠性，實現起重機性能的保障。尤其是在當前現代化建設速度越來越快的情況下，只有加強起重機電氣控制系統的冗余設計，才能夠保障起重機電氣控制系統的功能發揮，提升起重機在社會生產中的作用。

參考文獻：

[1]李海明.淺談橋式起重機電氣控制系統設計[J].中國戰略新興產業，2018（32）：140.

[2]宗浩.起重機電氣控制系統現狀與發展趨勢[J].建筑機械化，2017，38（05）：17-18+37.

[3]朱廣慧.起重機電氣控制系統的冗余設計方法研究[J].建筑機械化，2016，37（04）：42-45.

[4]李海洋.起重機電氣控制系統及上車布局優化的設計與實現[D].大連海事大學，2012.

[5]羅蓉.運用PLC改造起重機電氣控制系統[J].機械管理開發，2007（S1）：66-67.