【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、原理與組成。

　　【關(guān)鍵詞】：輪胎式門式起重機;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：S972.7+4 文獻標識碼： A 文章編號：

　　改革開放以來，我國的經(jīng)濟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強度，提高了勞動生產(chǎn)率。近幾年來，隨著我國高速鐵路的建設進入快速發(fā)展時期，在高速鐵路的施工建設中，對施工技術(shù)和施工裝備提出了更高的要求，為了滿足在高鐵敷設時需要起吊設備能夠滿足橋上、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)動走行和起吊的起重機，電氣控制系統(tǒng)就成為其神經(jīng)中樞，對其的正常運行起著重要的作用。本文以下內(nèi)容著重介紹了輪胎式門式起重機的電氣控制系統(tǒng)。

　　一、電氣控制系統(tǒng)的特點

　　電氣控制系統(tǒng)一般稱為電氣設備二次控制回路，其是指為了保證一次設備運行的可靠與安全，需要有許多輔助電氣設備為之服務，能夠?qū)崿F(xiàn)某項控制功能的若干個電器組件的組合。其主要功能為：第一，自動控制功能，高壓和大電流開關(guān)設備的體積是很大的，一般都采用操作系統(tǒng)來控制分、合閘，特別是當設備出了故障時，需要開關(guān)自動切斷電路，要有一套自動控制的電氣操作設備，對供電設備進行自動控制。第二，保護功能。電氣設備與線路在運行過程中會發(fā)生故障，電流(或電壓)會超過設備與線路允許工作的范圍與限度，這就需要一套檢測這些故障信號并對設備和線路進行自動調(diào)整(斷開、切換等)的保護設備。第三，監(jiān)視功能。一臺設備是否帶電或斷電，從外表看無法分辨，需要設置各種視聽信號，對一次設備進行電氣監(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、監(jiān)控軟件及控制臺組成，整個系統(tǒng)分為執(zhí)行層、控制層及監(jiān)控層等三個層次。門吊電器部分主要實現(xiàn)門架的走行和電動葫蘆的起升。而且根據(jù)作業(yè)工況的要求，門吊的起升機構(gòu)和運行機構(gòu)可以同時運行。

　　2.1、執(zhí)行層

　　對于執(zhí)行層來說，實現(xiàn)以下功能：控制電動機的起動，停止和制動;控制電動機的換相，實現(xiàn)電動機的正，反轉(zhuǎn);通過變頻器內(nèi)部控制部分，以改變和調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速;實現(xiàn)對起重機的零位保護和各工作機構(gòu)安全限位的連鎖保護。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一起用來控制電動機的起動、轉(zhuǎn)向、調(diào)速和制動。用來緩解控制電路而使一些控制電器(接觸器，繼電器)按一定順序動作的電路。

　　接觸器是用來將主電路接通與斷開遠距離控制的電器。它是由電磁操作來實現(xiàn)控制過程，能遠距離控制和頻繁動作，以較小的控制功率控制叫大功率的主電路。在起重機上接觸器是用來控制電動機的起動、制動、停止和調(diào)速。

　　變頻器是應用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流、濾波、逆變、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等。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)，動力回路為380V，控制和照明回路為36V安全電壓。

　　在起升機構(gòu)上升或者下降的時候，變頻器根據(jù)對電動機的自適應檢測出所必須提供的力矩，提供出一個狀態(tài)化適當?shù)碾娏鹘o發(fā)動機，如果變頻器讀到反饋回來的電流，則制動其釋放、打開;如果由于某種原因變頻器沒有讀到反饋電流，則認為力矩檢測失敗，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：實際速度通過旋轉(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，然后控制制動器，在速度減少到接近零的時候，發(fā)出制動指令，保證了整個機構(gòu)在運行與制動過程中的平穩(wěn)。恒功率調(diào)速是對起升機機構(gòu)最主要的控制方式，其是指在重載的時候，電動機保持在基速以下的最大恒轉(zhuǎn)矩運行，而在輕載或者空載的時候，利用電動機高速低轉(zhuǎn)矩輸出的特點，根據(jù)負荷大小所應提供的轉(zhuǎn)矩弱磁提高轉(zhuǎn)速，保持功率恒定，以提高起重機的使用效率。運行機構(gòu)一般采用四臺變頻電機驅(qū)動，與起升機構(gòu)共用一臺變頻器，采用不帶速度反饋的開環(huán)矢量控制方式。

　　電氣限位裝置通過電氣控制限定起重機各機構(gòu)在一定空間范圍內(nèi)安全運行，在本系統(tǒng)中主要是對門吊的起升高度進行限位，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，通過可編程邏輯控制器PLC程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的安全保護和運行控制。PLC是一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械。PLC主要由電源、中央處理單元、存儲器、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：當可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。

　　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從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù);檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當可編程邏輯控制器投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(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器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(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)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。

　　通訊模塊分為兩種，一種是Genius模塊，其是通過屏蔽電纜與遠程站的Field Control Unit模塊項鏈完成通訊;另一種是Profibus模塊，其是通過屏蔽電纜與變頻器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)，都可以通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡這個工具進行傳遞。一般起重機的每一臺變頻器上都配有SI-P卡，負責與PLC的通訊，變頻器站通過SI-P卡上的兩個開關(guān)設定。但是兩者不能直接通訊，需要變頻器的GSD文件來引導，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)的標準輸出，有了監(jiān)視器的顯示我們才能觀看前端送過來的圖像。作為視頻監(jiān)控不可缺的終端設備，充當著監(jiān)控人員的“眼睛”。對于輪胎式門式起重機的電氣控制系統(tǒng)不可缺少的一個重要組成部分，一般在電氣室裝有監(jiān)視器。是由工控機和圖形控制軟件組成，實時動態(tài)顯示起重機各運行機構(gòu)的運行狀態(tài)，并能實時的顯示電機的速度、及起重機的起重量等參數(shù)，能實時顯示各種電氣元件的實際工作狀態(tài)，為操作采取必要的措施提供了強有力的依據(jù)。

　　為了方便用戶對設備的使用、維修和管理，一般的輪胎式門式起重機都具有完善的上位監(jiān)控系統(tǒng)和故障報警顯示器。若起重機在運行過程中發(fā)生了故障，則其被尚未系統(tǒng)監(jiān)視、存儲及打印，并可以進入警報記錄查看器，查看歷史上所發(fā)生的故障、警報的內(nèi)容及發(fā)生這種事件的時間。

　　目前的輪胎式門式起重機的監(jiān)視系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對各個機構(gòu)的轉(zhuǎn)速、電流及力矩等參數(shù)進行實時狀態(tài)監(jiān)視，并能將監(jiān)控的內(nèi)容以曲線形式反映在坐標軸上，以便維護工程師進行實時查看，發(fā)現(xiàn)問題并采取措施進行維修。而且，監(jiān)控系統(tǒng)通過監(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與其相連接的打印機打印出來，大大方便了對輪胎式門式起重機的檢修。

　　三、結(jié)束語

　　輪胎式門式起重機中采用電氣控制系統(tǒng)，避免低頻時候滿負荷工況下發(fā)生帶不動負載的現(xiàn)象，能保證提升機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，并使整個控制系統(tǒng)更快速、準確和可靠。

　　【參考文獻】

　　[1]《起重運輸機械電氣設備》劉瑞琦等，中國鐵道出版社

　　[2]《起重運輸機電氣傳動》余敏年等，西南交通大學出版社

　　[3]《電氣控制與PLC原理及運用》程周等，電子工業(yè)出版社