【摘要】：本文介紹了輪胎式門吊的電氣控制系統(tǒng)，著重介紹了電氣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、原理與組成。

　　【關(guān)鍵詞】：輪胎式門式起重機(jī);控制系統(tǒng);電氣系統(tǒng)

　　Abstract: This article describes the tire gantry crane electrical control systems, introduced highlighting the characteristics of the electrical control system theory and composition.

　　Key words: tyred gantry crane; control system; electrical system

　　中圖分類號(hào)：S972.7+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：

　　改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和科技水平得到了很大的提高，特別是電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。近幾年來(lái)，隨著我國(guó)高速鐵路的建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，在高速鐵路的施工建設(shè)中，對(duì)施工技術(shù)和施工裝備提出了更高的要求，為了滿足在高鐵敷設(shè)時(shí)需要起吊設(shè)備能夠滿足橋上、橋下吊裝，以及橋梁超高地段高精度全方位作業(yè)的要求，研制了一種輪胎式門吊。輪胎式門吊是一種電驅(qū)動(dòng)走行和起吊的起重機(jī)，電氣控制系統(tǒng)就成為其神經(jīng)中樞，對(duì)其的正常運(yùn)行起著重要的作用。本文以下內(nèi)容著重介紹了輪胎式門式起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)。

　　一、電氣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　電氣控制系統(tǒng)一般稱為電氣設(shè)備二次控制回路，其是指為了保證一次設(shè)備運(yùn)行的可靠與安全，需要有許多輔助電氣設(shè)備為之服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)某項(xiàng)控制功能的若干個(gè)電器組件的組合。其主要功能為：第一，自動(dòng)控制功能，高壓和大電流開(kāi)關(guān)設(shè)備的體積是很大的，一般都采用操作系統(tǒng)來(lái)控制分、合閘，特別是當(dāng)設(shè)備出了故障時(shí)，需要開(kāi)關(guān)自動(dòng)切斷電路，要有一套自動(dòng)控制的電氣操作設(shè)備，對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。第二，保護(hù)功能。電氣設(shè)備與線路在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生故障，電流(或電壓)會(huì)超過(guò)設(shè)備與線路允許工作的范圍與限度，這就需要一套檢測(cè)這些故障信號(hào)并對(duì)設(shè)備和線路進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整(斷開(kāi)、切換等)的保護(hù)設(shè)備。第三，監(jiān)視功能。一臺(tái)設(shè)備是否帶電或斷電，從外表看無(wú)法分辨，需要設(shè)置各種視聽(tīng)信號(hào)，對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行電氣監(jiān)視。

　　二、電氣控制系統(tǒng)原理與組成

　　輪胎式電氣控制系統(tǒng)一般由變頻器、可編程邏輯控制器PLC、工控機(jī)、監(jiān)控軟件及控制臺(tái)組成，整個(gè)系統(tǒng)分為執(zhí)行層、控制層及監(jiān)控層等三個(gè)層次。門吊電器部分主要實(shí)現(xiàn)門架的走行和電動(dòng)葫蘆的起升。而且根據(jù)作業(yè)工況的要求，門吊的起升機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)可以同時(shí)運(yùn)行。

　　2.1、執(zhí)行層

　　對(duì)于執(zhí)行層來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)以下功能：控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，停止和制動(dòng);控制電動(dòng)機(jī)的換相，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正，反轉(zhuǎn);通過(guò)變頻器內(nèi)部控制部分，以改變和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)的零位保護(hù)和各工作機(jī)構(gòu)安全限位的連鎖保護(hù)。主要包括主令控制器、接觸器、變頻器和電器限位裝置。

　　主令控制器和控制臺(tái)一起用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、轉(zhuǎn)向、調(diào)速和制動(dòng)。用來(lái)緩解控制電路而使一些控制電器(接觸器，繼電器)按一定順序動(dòng)作的電路。

　　接觸器是用來(lái)將主電路接通與斷開(kāi)遠(yuǎn)距離控制的電器。它是由電磁操作來(lái)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，能遠(yuǎn)距離控制和頻繁動(dòng)作，以較小的控制功率控制叫大功率的主電路。在起重機(jī)上接觸器是用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)、停止和調(diào)速。

　　變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流、濾波、逆變、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。通過(guò)改變電源的頻率來(lái)達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等。控制回路如圖1、圖2所示。

　　門吊采用交流380V、50Hz三相四線制供電系統(tǒng)，動(dòng)力回路為380V，控制和照明回路為36V安全電壓。

　　在起升機(jī)構(gòu)上升或者下降的時(shí)候，變頻器根據(jù)對(duì)電動(dòng)機(jī)的自適應(yīng)檢測(cè)出所必須提供的力矩，提供出一個(gè)狀態(tài)化適當(dāng)?shù)碾娏鹘o發(fā)動(dòng)機(jī)，如果變頻器讀到反饋回來(lái)的電流，則制動(dòng)其釋放、打開(kāi);如果由于某種原因變頻器沒(méi)有讀到反饋電流，則認(rèn)為力矩檢測(cè)失敗，并能提供出相關(guān)的信息顯示。變頻器的調(diào)速功能主要體現(xiàn)是：實(shí)際速度通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器將反饋至變頻器，變頻器將速度的轉(zhuǎn)換至用通用的形式傳遞給可編程邏輯控制器PLC，然后控制制動(dòng)器，在速度減少到接近零的時(shí)候，發(fā)出制動(dòng)指令，保證了整個(gè)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行與制動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)。恒功率調(diào)速是對(duì)起升機(jī)機(jī)構(gòu)最主要的控制方式，其是指在重載的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)保持在基速以下的最大恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，而在輕載或者空載的時(shí)候，利用電動(dòng)機(jī)高速低轉(zhuǎn)矩輸出的特點(diǎn)，根據(jù)負(fù)荷大小所應(yīng)提供的轉(zhuǎn)矩弱磁提高轉(zhuǎn)速，保持功率恒定，以提高起重機(jī)的使用效率。運(yùn)行機(jī)構(gòu)一般采用四臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，與起升機(jī)構(gòu)共用一臺(tái)變頻器，采用不帶速度反饋的開(kāi)環(huán)矢量控制方式。

　　電氣限位裝置通過(guò)電氣控制限定起重機(jī)各機(jī)構(gòu)在一定空間范圍內(nèi)安全運(yùn)行，在本系統(tǒng)中主要是對(duì)門吊的起升高度進(jìn)行限位，電路如圖3所示。

　　2.2、控制層

　　控制層是由可編程邏輯控制器PLC及工業(yè)控制網(wǎng)格組成，通過(guò)可編程邏輯控制器PLC程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的安全保護(hù)和運(yùn)行控制。PLC是一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械。PLC主要由電源、中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、功能模塊及通信模塊組成。其工作原理為：當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。

　　中央處理單元是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù);檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。

　　通訊模塊分為兩種，一種是Genius模塊，其是通過(guò)屏蔽電纜與遠(yuǎn)程站的Field Control Unit模塊項(xiàng)鏈完成通訊;另一種是Profibus模塊，其是通過(guò)屏蔽電纜與變頻器SI-P卡相連完成PLC與變頻器之間的通訊，變頻器的所有數(shù)據(jù)，都可以通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)這個(gè)工具進(jìn)行傳遞。一般起重機(jī)的每一臺(tái)變頻器上都配有SI-P卡，負(fù)責(zé)與PLC的通訊，變頻器站通過(guò)SI-P卡上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)定。但是兩者不能直接通訊，需要變頻器的GSD文件來(lái)引導(dǎo)，該文件配置在PLC的硬件配置文件中。

　　2.3、監(jiān)視器

　　監(jiān)視器是閉路監(jiān)控系統(tǒng)組成部分，是監(jiān)控系統(tǒng)的顯示部分，是監(jiān)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)輸出，有了監(jiān)視器的顯示我們才能觀看前端送過(guò)來(lái)的圖像。作為視頻監(jiān)控不可缺的終端設(shè)備，充當(dāng)著監(jiān)控人員的“眼睛”。對(duì)于輪胎式門式起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)不可缺少的一個(gè)重要組成部分，一般在電氣室裝有監(jiān)視器。是由工控機(jī)和圖形控制軟件組成，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示起重機(jī)各運(yùn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，并能實(shí)時(shí)的顯示電機(jī)的速度、及起重機(jī)的起重量等參數(shù)，能實(shí)時(shí)顯示各種電氣元件的實(shí)際工作狀態(tài)，為操作采取必要的措施提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。

　　為了方便用戶對(duì)設(shè)備的使用、維修和管理，一般的輪胎式門式起重機(jī)都具有完善的上位監(jiān)控系統(tǒng)和故障報(bào)警顯示器。若起重機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生了故障，則其被尚未系統(tǒng)監(jiān)視、存儲(chǔ)及打印，并可以進(jìn)入警報(bào)記錄查看器，查看歷史上所發(fā)生的故障、警報(bào)的內(nèi)容及發(fā)生這種事件的時(shí)間。

　　目前的輪胎式門式起重機(jī)的監(jiān)視系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速、電流及力矩等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視，并能將監(jiān)控的內(nèi)容以曲線形式反映在坐標(biāo)軸上，以便維護(hù)工程師進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取措施進(jìn)行維修。而且，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控得到的各種故障表、變頻器參數(shù)表和曲線圖等均可以通過(guò)與其相連接的打印機(jī)打印出來(lái)，大大方便了對(duì)輪胎式門式起重機(jī)的檢修。

　　三、結(jié)束語(yǔ)

　　輪胎式門式起重機(jī)中采用電氣控制系統(tǒng)，避免低頻時(shí)候滿負(fù)荷工況下發(fā)生帶不動(dòng)負(fù)載的現(xiàn)象，能保證提升機(jī)具有良好的低速性能，而在控制層采用PLC，節(jié)約了大量的中間繼電器，并使整個(gè)控制系統(tǒng)更快速、準(zhǔn)確和可靠。

　　【參考文獻(xiàn)】

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