一種典型橋面全回轉(zhuǎn)起重機的電氣系統(tǒng)設(shè)計研究*

高 健

（武昌工學院智能制造學院，湖北 武漢 430065）

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)中的重要組成部分——橋梁建設(shè)的需求日益增加。現(xiàn)如今，橋梁建設(shè)中的橋梁規(guī)模和形制眾多，為服務(wù)橋梁建設(shè)，對橋梁結(jié)構(gòu)吊裝設(shè)備的研制也呈現(xiàn)出多樣的發(fā)展趨勢。武橋重工集團股份有限公司研制的武漢天興洲長江大橋700 t 架橋機、中鐵九橋工程有限公司研制的滬通長江大橋1 800 t 橋面型架梁起重機，均創(chuàng)下了多項橋梁結(jié)構(gòu)吊裝設(shè)備的世界紀錄。這些工程裝備不僅為我國的建設(shè)提供了巨大助力，同時作為“中國制造”的大國重器向世界橋梁界彰顯了我國的建橋?qū)嵙?。但由于受到橋梁結(jié)構(gòu)形制、橋梁鋼結(jié)構(gòu)拼裝工藝、橋下通航通行狀況、現(xiàn)場施工基礎(chǔ)、設(shè)備重復使用率等因素影響，施工建設(shè)單位一般采用大幅度輕量化橋面全回轉(zhuǎn)起重機進行橋梁吊裝架設(shè)施工?，F(xiàn)以一臺70 t 橋面全回轉(zhuǎn)起重機為例，介紹其結(jié)構(gòu)形式及電控系統(tǒng)特點。

1 起重機的主要性能及技術(shù)參數(shù)

橋面全回轉(zhuǎn)起重機主要由吊臂、三角架、上轉(zhuǎn)臺、配重、回轉(zhuǎn)支承、起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、司機室、底盤、走行機構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)等組成[1]，設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。在橋梁施工時，根據(jù)橋梁特點和架設(shè)拼裝工藝要求，在主塔橋面設(shè)置2 臺或4 臺起重機，從兩端向中間進行對稱全伸臂的架設(shè)施工，在橋梁中部合攏對接。橋面全回轉(zhuǎn)起重機根據(jù)施工工藝要求可完成整階段或鋼桁梁橋桿件的吊裝架設(shè)，具有提升、變幅、回轉(zhuǎn)、底盤調(diào)平、整機前移和定位錨固的功能。特別是起重機在鋼桁拱形梁上工作時，底盤可隨拱形坡度變化進行調(diào)整，保持上平面的水平狀態(tài)。起重機作業(yè)流程簡潔，架梁、過孔方便，可應對多種復雜施工工況；設(shè)備拼裝簡單、可重復使用，成本低、經(jīng)濟效益高，提高了橋梁建設(shè)速度。

表1 起重機主要技術(shù)參數(shù)

2 電氣系統(tǒng)組成

橋面全回轉(zhuǎn)起重機電氣系統(tǒng)主要由電源供應系統(tǒng)、主/副鉤驅(qū)動系統(tǒng)、變幅機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)、步履走行電液驅(qū)動系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)、安全保護監(jiān)控系統(tǒng)以及照明系統(tǒng)等組成。橋面全回轉(zhuǎn)起重機電氣系統(tǒng)總圖如圖1 所示。

圖1 橋面全回轉(zhuǎn)起重機電氣系統(tǒng)總圖

1）電源供應系統(tǒng)：起重機電控系統(tǒng)采用380 V/50 Hz 三相五線制交流供電，設(shè)備總功率220 kW，供電方式一般采用電纜直接敷設(shè)。因起重機需沿橋面施工前移，所以應預留進線電纜長度，進線電纜規(guī)格也應考慮遠距離供電的壓降損耗問題。控制電源使用變壓器獲得AC220 V 電源，給電氣控制系統(tǒng)供電，再通過直流開關(guān)電源獲得24 V直流電壓供應。

2）主/副鉤驅(qū)動系統(tǒng)：主/副鉤起升系統(tǒng)各由一臺變頻器驅(qū)動一臺電機，采用矢量控制，初步設(shè)定三擋額定速度（可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整速度）。主/副鉤卷揚機的制動器包括一個高速端制動器和一個低速端鉗盤制動器。停止時，先電氣制動，再機械制動，開啟時順序相反。

3）變幅機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)：工作原理同主/副鉤驅(qū)動系統(tǒng)。

4）回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)：由一臺變頻器驅(qū)動兩臺電機（左右各一臺），采用矢量開環(huán)控制，初步設(shè)定三擋額定速度（可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整速度）。

5）步履走行電液驅(qū)動系統(tǒng)：由一臺電機驅(qū)動液壓泵，通過操控液壓閥實現(xiàn)起重機步履走行，液壓泵電機采用星三角降壓啟動模式。

6）PLC 控制系統(tǒng)：采用西門子可編程控制器為控制核心，設(shè)置觸摸屏可實時顯示起重機狀態(tài)。

7）安全保護監(jiān)控系統(tǒng)：全回轉(zhuǎn)起重機主/副起升、變幅卷揚機上安裝有上下限位接近開關(guān)或過欠纏繞限位開關(guān)，同時安裝有力矩限制器，當相關(guān)機構(gòu)運行到極限位置或吊重力矩超過規(guī)定值時，可自動切斷運行，使機構(gòu)只能向安全方向動作，并且發(fā)出聲光報警，以提醒操作人員。另外，根據(jù)現(xiàn)場施工情況，設(shè)置視頻監(jiān)控攝像頭若干，在司機室內(nèi)集中顯示，方便操作者觀測現(xiàn)場情況。

8）照明系統(tǒng)：為滿足夜間施工工況需求，設(shè)置15盞施工照明燈具，主要設(shè)置在卷揚機、滑輪組、液壓站、電氣房及施工作業(yè)面等關(guān)鍵部位，同時可根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整。

橋面全回轉(zhuǎn)起重機各系統(tǒng)功率如表2所示。

表2 起重機各系統(tǒng)主要功率參數(shù)表

3 電氣驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照橋面全回轉(zhuǎn)起重機的使用需求，起重機工作時要求起制動沖擊小，同時可實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)拼裝時的精確對位和微動調(diào)整功能，在整體長行程吊裝時工作平穩(wěn)，在起重機空鉤時可實現(xiàn)2 倍數(shù)起降運行以提高工作效率。綜合對比現(xiàn)階段的調(diào)速驅(qū)動方案，只有變頻器驅(qū)動方式具有良好的啟停及調(diào)速功能，且性價比高，是當前的主流方案。

3.1 變頻器選用

主/副鉤機構(gòu)、變幅機構(gòu)工作時的負載特性表現(xiàn)為位能性恒轉(zhuǎn)矩負載，變頻器驅(qū)動系統(tǒng)應滿足起動轉(zhuǎn)矩高、低速轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩上升時間短和抱閘順序可控制的運行特點。早期日本安川公司針對起重行業(yè)推出G7 系列起重專用矢量變頻器，使用項目多，市場占有率大。隨著變頻器矢量控制技術(shù)不斷發(fā)展，各變頻器廠家的矢量變頻器也逐步在起重行業(yè)中應用推廣。其中，西門子G120 系列變頻器，體積小、起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)控性能好，與西門子PLC 組網(wǎng)方便，現(xiàn)在也被廣泛使用。起升系統(tǒng)的慣量較小、負載變化較大等特點屬于位能性負載特點，為了獲得快速的控制響應，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)整，變頻器控制模式參數(shù)設(shè)置為矢量控制。采用矢量控制變頻調(diào)速可實現(xiàn)重載情況下平穩(wěn)或快速地起降、制動，加入速度閉環(huán)采集控制，使起升機構(gòu)在零轉(zhuǎn)速時也能輸出額定轉(zhuǎn)矩，即使制動裝置松動或失靈時，也不會出現(xiàn)重物下滑的情況，有效避免起升機構(gòu)失控、溜鉤現(xiàn)象[2]。在變頻器的功率選擇上，為提高安全性，變頻器功率應比電機功率高一個等級。

回轉(zhuǎn)機構(gòu)工作時為慣性負載，其負載特性慣量較大但變化相對較小，基本屬于阻力性負載[3]。變頻器可選用價格較低的日本安川A1000 系列或西門子G120C 系列變頻器，變頻器采用V/f 控制方式和矢量控制方式均可以滿足控制要求[4]。因回轉(zhuǎn)機構(gòu)由兩臺電機進行驅(qū)動，在變頻器功率選擇上，一般比兩臺電機的功率和高一個功率等級[5]。

3.2 變頻器控制

變頻器調(diào)速具有數(shù)字量端子控制、模擬量端子控制、通信方式控制等多種方式[6]。針對起重機擋位操作要求，一般采用多段速數(shù)字量端子控制方式。變頻器工作運行時，操作者通過操作手柄向PLC 輸入擋位及方向指令，PLC 接受指令后綜合起重機其他運行狀態(tài)信號，執(zhí)行預定輸出邏輯，PLC 的輸出指令通過中間繼電器傳遞給變頻器的外部控制端子，通過變頻器外部端子通斷組合，控制變頻器輸出的頻率和電機旋轉(zhuǎn)的方向。本設(shè)計選用西門子G120 矢量變頻器，以主鉤機構(gòu)變頻器為例，變頻器接線電路如圖2所示。在調(diào)試時，一般三級擋位速度分別初步設(shè)定為20%、60%、100%的額定速度，如有其他需求可根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整。

圖2 主鉤變頻器接線電路圖

4 PLC控制系統(tǒng)

PLC 系統(tǒng)是橋面全回轉(zhuǎn)起重機的控制核心，起重機所有操作控制均通過該系統(tǒng)來完成[7]。PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計時應遵循以下原則：

1）擬定控制系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)條件，形成設(shè)計任務(wù)書；

2）選擇電氣驅(qū)動模式、電磁閥、傳感器、檢測開關(guān)等外圍件；

3）選定PLC 的型號，編制I/O 分配表或繪制I/O端子接線圖[8]；

4）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求編寫軟件規(guī)格說明書，然后再用相應的編程語言進行程序設(shè)計[9]；

5）遵循用戶認知心理學，重視人機界面的設(shè)計，增強人與計算機之間的友善關(guān)系。

本設(shè)計選用的PLC 中央處理單元型號為西門子S7-1200 系列CPU1215C（AC/DC/RLY），另根據(jù)I/O需求擴展3臺SM1223（16入/16出）數(shù)字量擴展模塊，擴展1 臺SM1231（AI8*13 位）模擬量擴展模塊[10]。PLC的輸入控制點電壓為24 V，主單元輸出點為繼電器模式，數(shù)字量擴展模塊輸出點為晶體管模式，使用時應主要采用接線方式，輸出點接線圖如圖3所示。

圖3 西門子PLC輸出點接線圖

輸入信號主要包括：主令控制器信號、變頻器故障信號、變頻器制動信號、限位信號、力矩限制信號、超載信號、大風報警信號等。輸出信號包括：各制動器開閉信號、變頻器端子控制信號、液壓閥控制信號、報警信號。人機界面選用西門子觸摸屏，與PLC通信連接，實時顯示起重機各機構(gòu)的工作狀態(tài)，便于操作者了解起重機工作狀態(tài)。PLC 系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖4所示。

圖4 PLC系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

5 安全保護裝置及監(jiān)控系統(tǒng)

起重機裝備的操作安全至關(guān)重要，在運行作業(yè)時，通過設(shè)置過欠纏繞限位開關(guān)、上下限幅開關(guān)、回轉(zhuǎn)限位開關(guān)、高度限位開關(guān)、起重力矩保護器開關(guān)、壓力傳感器、角度傳感器、幅度傳感器、風速傳感器等狀態(tài)采集元件，將采集到的起重機狀態(tài)信息以數(shù)字信號或模擬信號的模式接入到電氣控制系統(tǒng)或起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)中運算分析。操作者不僅可以通過人機界面實時查看起重機工作過程中各種參數(shù)的信息，還可通過各參數(shù)變化的趨勢圖形，準確判斷起重機的工作狀態(tài)、及時掌握起重機可安全運行的工作區(qū)間。當起重機運行參數(shù)超過預設(shè)的參數(shù)范圍時，可發(fā)出各種報警信號，并控制各驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)優(yōu)化控制和安全保障。起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)總體框架如圖5所示。

圖5 起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

6 結(jié)語

橋面全回轉(zhuǎn)起重機在橋梁施工中的應用日益成熟，以該裝備為核心的施工方法科學而有效地縮減了作業(yè)時間，提高了橋梁建設(shè)的速度和效率，該裝備沒有大型吊裝設(shè)備拼拆裝的復雜流程及要求，設(shè)備周轉(zhuǎn)使用率高，對梁體結(jié)構(gòu)形式的要求低，可應對多種復雜施工工況，適用范圍廣。電氣控制系統(tǒng)作為起重機的關(guān)鍵，負責操控、檢測起重機各個機構(gòu)的運行狀態(tài)，設(shè)計采用全變頻及PLC 控制模式，操控簡單、可靠；其中，變頻驅(qū)動系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)的大速比、起制動平滑性，同時具有優(yōu)良的動靜態(tài)調(diào)速特性，配合各卷揚機上采用的高速端制動器和低速端制動器的開合控制，大大減小了機械沖擊，提高了起重機的安全性，延長了使用壽命。該電氣系統(tǒng)已經(jīng)在多個橋梁建設(shè)項目中的全回轉(zhuǎn)起重機上使用，工作穩(wěn)定，效果突出，表現(xiàn)優(yōu)異。本文對此電控系統(tǒng)進行了全面總結(jié)，以期為后續(xù)橋梁起重機電氣系統(tǒng)的發(fā)展提供一定的借鑒與參考。