關(guān)于橋式起重機(jī)電氣控制的探討

徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司建設(shè)機(jī)械分公司 惠文龍

橋式起重機(jī)基本工作原理是將施工所需大型物料采用合理方式吊起并運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢茫緲?gòu)成為橋架、升降機(jī)及大、小車輛等，內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)架主要包括架橋、大梁、輪軸、減速機(jī)及升降機(jī)等，各項構(gòu)件在橋式起重機(jī)中發(fā)揮著不同作用，共同構(gòu)成橋式起重機(jī)整體系統(tǒng)。橋式起重機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，在起重物料時能將其懸掛在可自由移動的小型起重車中，因結(jié)構(gòu)設(shè)計較為科學(xué)，所以綜合起重能力較好，能有效提升起重總體重量，綜合能耗較小，從而有效優(yōu)化工程建設(shè)成本。

在橋式起重機(jī)運(yùn)行過程中，內(nèi)部各結(jié)構(gòu)構(gòu)件需緊密配合，起升機(jī)負(fù)責(zé)物料垂直升降，車輛負(fù)責(zé)橫向移動運(yùn)輸和縱向移動運(yùn)輸，從而能有效提高起重作業(yè)效率[1]。通常在相同的作業(yè)條件中，采用橋式起重機(jī)的工作效率能得到很大提升，相比于其他類型起重機(jī)能完成重量更大的施工物料起重，且能根據(jù)不同應(yīng)用實際情況選擇不同類型的橋式起重機(jī)，如兩用橋式起重機(jī)、電磁橋式起重機(jī)、抓斗橋式起重機(jī)等，適合在不同工程環(huán)境中使用，需按照實際需求選擇對應(yīng)的橋式起重機(jī)類型，從而有效促進(jìn)工程建設(shè)效率提高。

1 橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的基本運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)分析

1.1 橋式起重機(jī)電氣運(yùn)行控制系統(tǒng)分析

橋式起重機(jī)的運(yùn)行通過大車電機(jī)驅(qū)動，按照兩個軌道進(jìn)行縱向的前后運(yùn)動，小車?yán)锰嵘龣C(jī)由小車實際驅(qū)動沿著橋架運(yùn)動，軌道為橫向運(yùn)行過程，從而完成起重運(yùn)動、橫縱運(yùn)動、垂直運(yùn)動等多項過程。橋式起重機(jī)主要的電氣控制模塊為PLC 運(yùn)動控制模塊，還包括起重升機(jī)模塊、輔助升機(jī)模塊、大車運(yùn)動模塊及小車運(yùn)動模塊。

準(zhǔn)確分析PLC 實際控制系統(tǒng)程序，確保變頻器、同步以及糾錯程序能夠符合運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，并制定科學(xué)的制動器和安全保護(hù)系統(tǒng)。按照實際操作控制聯(lián)動平臺的位置，分析實際控制端安裝具體位置；利用MPI 總線和PLC 數(shù)據(jù)信息確保所獲取內(nèi)容的全面性，將數(shù)據(jù)信號實時傳輸?shù)絇LC 輸入端的控制模塊中，PLC 內(nèi)部程序則能對信號進(jìn)行及時響應(yīng)和處理；依據(jù)實際保護(hù)信號的位置和開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對繼電器的反饋信號進(jìn)行及時處理，從而能夠提高安全保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行效果。

1.2 變頻器的選擇分析

橋式起重機(jī)中各部分都需利用變頻器進(jìn)行控制。本文采用FR—A740變頻器，能提高軟件運(yùn)行效果和核心控制效果，實現(xiàn)合理變頻總量控制目標(biāo)，對實際速度控制范圍進(jìn)行調(diào)整，明確實際轉(zhuǎn)矩的具體位置，從而對電氣制動相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化和提升。在優(yōu)化變頻器安全性能的過程中，需確保變頻器自我保護(hù)相關(guān)功能齊全標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)橋式起重機(jī)的實際情況，確定過載保護(hù)、過流保護(hù)以及過壓保護(hù)的報警和停車具體內(nèi)容，并對其他附件進(jìn)行分析，不斷提升變頻器運(yùn)行安全性；通過合理的限流作用控制，能不斷減少啟動電網(wǎng)的沖擊效果，從而確保車間橋式起重機(jī)設(shè)備合理運(yùn)行；依據(jù)實際情況明確零速度全轉(zhuǎn)矩的功能性，確定實際吊鉤的運(yùn)行流程，明確系統(tǒng)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實際轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生過程對電磁制動器電動機(jī)軸位置進(jìn)行確定，從而能夠避免溜鉤問題出現(xiàn)[1]。

1.3 PLC 控制程序設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)初步確定的輸入信號和輸出信號，準(zhǔn)確分析實際數(shù)量、參數(shù)及性能標(biāo)準(zhǔn)要求，測試PLC 系統(tǒng)模塊的編程效果，對相關(guān)限制高度可靠性和功能水平進(jìn)行分析；利用合理的PPI 通訊協(xié)議確定通訊協(xié)議和自由方式標(biāo)準(zhǔn)，對變頻通訊控制功能水平進(jìn)行強(qiáng)化，確定小車變頻器的實際偏差修正和控制效果。

1.4 應(yīng)急系統(tǒng)備用標(biāo)準(zhǔn)分析

應(yīng)急系統(tǒng)是保證橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，當(dāng)系統(tǒng)總線出現(xiàn)運(yùn)行故障無法正常運(yùn)行時，可通過系統(tǒng)中的備用控制系統(tǒng)對其進(jìn)行處理。通常橋式起重機(jī)的PLC 變頻器控制系統(tǒng)具有兩種設(shè)計方案：一是具有總線通信的模式，二是在總線發(fā)現(xiàn)故障時，通過PLC 控制器自動切換到備用應(yīng)急系統(tǒng)中實現(xiàn)總線通信的合理掛壁控制，對相關(guān)操作界面的通信故障信號進(jìn)行分析和處理。為此需確定實際操作標(biāo)準(zhǔn)，確定兩種不同信號模式的切換范圍，從而實現(xiàn)對故障的診斷和排除，全面提高控制效率。

1.5 自動糾偏和同步系統(tǒng)

雙鉤式橋式起重機(jī)在啟動過程中需確定相應(yīng)的作業(yè)模式，明確系統(tǒng)中自動糾偏模式標(biāo)準(zhǔn)，保證雙鉤作業(yè)位置同步；在出現(xiàn)偏斜情況下需對實際偏斜情況進(jìn)行確定，從而制定糾偏指令發(fā)生器的信號準(zhǔn)確位置，實現(xiàn)自動化糾偏流程運(yùn)行。因PLC 系統(tǒng)的糾偏不具動態(tài)化特點(diǎn)，需結(jié)合閥門值對其進(jìn)行調(diào)整，如閥門1值利用啟動雙鉤進(jìn)行自動糾偏，閥門2值則需利用自動結(jié)束糾偏方式完成。

1.6 保護(hù)過程分析

為了確保橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行安全性，需要對其保護(hù)過程進(jìn)行分析。通過在橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)中安裝安全門開關(guān)，能提升橋式起重機(jī)兩側(cè)的梁平臺位置準(zhǔn)確性，從而明確實際開門的閉合水平；在橋式起重機(jī)運(yùn)行過程中，依據(jù)安全門開關(guān)的位置水平確定實際總結(jié)接觸器的吸合過程；依據(jù)總結(jié)對接觸器吸合情況進(jìn)行分析，確保打開開關(guān)時接觸器能斷開；對控制范圍進(jìn)行規(guī)劃，確定控制回路分段標(biāo)準(zhǔn)，從而能夠提高橋式起重機(jī)安全水平。

根據(jù)橋式起重機(jī)實際情況對變頻器進(jìn)行保護(hù)設(shè)計，確定短路保護(hù)、過載保護(hù)及過壓保護(hù)的具體方案，制定合理的防護(hù)方法；按照保護(hù)過程運(yùn)行流程，明確橋式起重機(jī)主副起重上升和下降的限制范圍，確定大車和小車的具體位置并提高電源位置設(shè)計合理性；針對橋式起重機(jī)可能出現(xiàn)的過載性故障問題進(jìn)行判斷，設(shè)計相應(yīng)的開關(guān)報警管理機(jī)制，對報警信號進(jìn)行輸出控制和管控。

2 橋式起重機(jī)電氣控制具體方案

橋式起重機(jī)設(shè)計須滿足建筑施工設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，整體質(zhì)量需達(dá)到工程建設(shè)對起重機(jī)質(zhì)量的要求。在對電氣控制進(jìn)行設(shè)計過程中，需充分考慮電氣控制方案對起重機(jī)的起重力矩、起重高度和最大起重重量控制，才能保證電氣控制方案符合工程建設(shè)需要。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計中主機(jī)核心CPU 需選擇較強(qiáng)性能和運(yùn)行效率的單片機(jī)，本次選擇ATMega64和ATMega32兩種單片機(jī)作為核心控制CPU，具有較為豐富的外設(shè)資源，且運(yùn)行速率較快，能滿足橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)需要，同時這兩種單片機(jī)具有EEPROM，能對調(diào)試數(shù)據(jù)完成自動存儲，且需要的外圍芯片較小、整體運(yùn)行電路簡單、布局較為便利。主CPU 負(fù)責(zé)輸入信號檢測、處理和記錄，能與調(diào)試表建立實時通信連接和GPRS 無線傳輸信號連接，通過CPU 控制液晶能實時明確當(dāng)前橋式起重機(jī)的工作狀態(tài)。

在本次系統(tǒng)設(shè)計中，增加ATMega32型號單片機(jī)目的是對繼電器的輸出進(jìn)行保護(hù)和控制，如橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常問題，該儀表單片機(jī)則能起到良好的保護(hù)作用。主機(jī)模塊主要由四個子模塊構(gòu)成：A 子模塊負(fù)責(zé)傳感器電平信號獲取和控制運(yùn)行，B 子模塊負(fù)責(zé)信號放大和A/D 轉(zhuǎn)換，C 子模塊為人機(jī)顯示界面、應(yīng)用LED 液晶顯示屏，D 模塊為主機(jī)的電源[2]。

2.2 信號采集系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)本次所設(shè)計的橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)，A 模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集工作，在傳感器輸出相應(yīng)的信號后數(shù)據(jù)采集端能完成信號獲取等工作，主要采用三種信號輸入方式：電壓信號為0～20mV、電流信號為0～20mA、頻率信號為0～300kHz。

2.3 橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)技術(shù)原理分析

2.3.1 橋式起重機(jī)吊鉤高度控制首先，為保證電氣控制系統(tǒng)效果，需對電機(jī)的正反轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行判斷，如正轉(zhuǎn)信號出現(xiàn)說明當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)為正向旋轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)信號出現(xiàn)則說明當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)為反向旋轉(zhuǎn)，雖然正反信號不會同時出現(xiàn)，但可能會出現(xiàn)正反信信號都不出現(xiàn)的現(xiàn)象，說明電機(jī)處于停止運(yùn)行狀態(tài)。在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)信號出現(xiàn)時，需分別累計增加和累計減少脈沖數(shù)量，如正反信號都不存在但脈沖數(shù)量處于變化狀態(tài)，需要按照具體的狀態(tài)為依據(jù)。

其次，需將高度校準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置為固定值，從而能消除累計誤差，在高度校準(zhǔn)信號出現(xiàn)時，電氣控制系統(tǒng)自動修改吊鉤高度則為固定值，且能對當(dāng)前的脈沖數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使吊鉤高度與設(shè)計目標(biāo)相匹配，從而能提高橋式起重機(jī)吊鉤高度控制效果，按照吊鉤實際高度的變化完成制動化高度調(diào)節(jié)，能有效提高橋式起重機(jī)運(yùn)行作業(yè)效率，滿足不同高度的起重作業(yè)需求[3]。

2.3.2 電氣控制方法分析

在吊鉤運(yùn)行到相應(yīng)高度并獲取相應(yīng)的傳感器信號時，能將實際高度傳輸?shù)诫姎饪刂葡到y(tǒng)中，當(dāng)?shù)蹉^運(yùn)行到第二個確定高度且收集到傳感器信號后，能將實時高度傳輸?shù)诫姎饪刂葡到y(tǒng)中。此時不同的實時高度信號可作為參考依據(jù)，從而繪制出信號與實際高度的曲線關(guān)系，同時能對單位信號的相對位移高度進(jìn)行計算。以信號與實際高度的對應(yīng)曲線作為參照，采用傳感器所發(fā)出的信號能對吊鉤實際運(yùn)行高度進(jìn)行確定[4]。為保證運(yùn)行控制精準(zhǔn)性，需在校準(zhǔn)時采用科學(xué)的校準(zhǔn)方法獲取準(zhǔn)確的位移數(shù)據(jù)，需在極短的時間內(nèi)完成多次運(yùn)算，才能提高結(jié)果準(zhǔn)確性，從而提升電氣控制系統(tǒng)對吊鉤運(yùn)行的控制效率和控制精度，提高橋式起重機(jī)其中作業(yè)精確性。

2.3.3 保護(hù)輸出和吊鉤運(yùn)行

在保護(hù)輸出方面，當(dāng)橋式起重機(jī)吊鉤上升到一定高度后，繼電器能對其起到良好的保護(hù)作用，發(fā)揮出高度減速輸出保護(hù)作用；在吊鉤上升到一定高度后，通過繼電器負(fù)責(zé)保護(hù)輸出起到良好的吊鉤高度位移限制保護(hù)作用，在該電氣控制保護(hù)系統(tǒng)中，主吊鉤和副吊鉤同時設(shè)計多個保護(hù)輸出系統(tǒng)，能對超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的高度發(fā)出保護(hù)動作，此時通過調(diào)節(jié)操作就能完成對吊鉤運(yùn)行的保護(hù)[5]。

在吊鉤運(yùn)行速度方面，主吊鉤和副吊鉤的運(yùn)行速度共同決定橋式起重機(jī)整體運(yùn)行速度，通過采用電氣控制系統(tǒng)，通過對高度變化值和時間的計算就能得到橋式起重機(jī)的運(yùn)行速度參數(shù)，同時為保證橋式起重機(jī)運(yùn)行精度，從而能夠提高運(yùn)行精度。通過保護(hù)輸出和吊鉤控制運(yùn)行系統(tǒng)，能對橋式起重機(jī)整體運(yùn)行起到良好的保護(hù)作用和控制作用，實現(xiàn)對電氣系統(tǒng)的精準(zhǔn)化控制。為確保該電氣控制系統(tǒng)能保持穩(wěn)定運(yùn)行，需定期對電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，并定期對系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行維護(hù)，通過對異常運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合橋式橋式起重機(jī)在應(yīng)用過程中電氣控制系統(tǒng)出現(xiàn)的實際問題進(jìn)行調(diào)試與優(yōu)化，從而有效提升電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行效果[6]。

3 應(yīng)用案例分析

將橋式起重機(jī)電氣控制設(shè)計方案應(yīng)用于H 市某工程的空間物料吊運(yùn)中，在對其優(yōu)化前該橋式起重機(jī)的運(yùn)行效率較差，電氣控制準(zhǔn)確性不足，對貨物吊運(yùn)產(chǎn)生很大影響，為提高生產(chǎn)效率，需對其所采用的橋式起重機(jī)進(jìn)行全面優(yōu)化。該橋式起重機(jī)的基本參數(shù)如下：最大起重量50t、起重力矩75kN·m、最大起重高度22m、最大起重速度20m/min、回轉(zhuǎn)速度0.8r/min、頂升速度1.5m/min、全程變幅所需時間30s。

將上述檔期控制方案應(yīng)用在該橋式起重機(jī)的電氣控制中，確保電氣控制方案滿足工程建設(shè)要求。在應(yīng)用過程中，相比于優(yōu)化前的電氣控制效率提升25%，橋式起重機(jī)整體運(yùn)行控制更加精準(zhǔn)，從而促進(jìn)本次工程貨物吊運(yùn)運(yùn)輸效率提高，同時提高橋式起重機(jī)運(yùn)行安全性，對本文所設(shè)計的電氣控制方案進(jìn)行驗證，在實踐應(yīng)用中取得良好的效果。