信息化技術(shù)在某型橋式起重機上的應(yīng)用

張 強

（中國人民解放軍92502部隊，遼寧 大連 116023）

起重機械的發(fā)展與人類生產(chǎn)生活聯(lián)系緊密，其使人類從繁重的體力勞動中得到解脫，實現(xiàn)了許多單純靠人力無法實現(xiàn)的搬運，極大地降低了勞動強度，提高了工作效率。隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要和科學(xué)技術(shù)的進步，起重機械發(fā)展迅速，根據(jù)各行業(yè)生產(chǎn)特點和工作環(huán)境特點，衍生出許多專業(yè)門類的專業(yè)起重機械，橋式起重機適用于車間廠房內(nèi)部，與車間廠房等建筑結(jié)構(gòu)結(jié)合，是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。

1 橋式起重機的組成結(jié)構(gòu)及特點

橋式起重機又稱天車，兩端坐落在車間、廠房的水泥柱或金屬支架上，形狀似橋，橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設(shè)在橋架上軌道橫向運行，吊鉤隨安裝在小車上卷揚系統(tǒng)上下運行，構(gòu)成了一個長方體工作空間，可以充分利用橋架下面的空間吊運重物，不受地面設(shè)備的阻礙，是使用范圍最廣，數(shù)量最多的一種起重機械。

1.1 組成結(jié)構(gòu)

某橋式起重機主要由橋架、大車運行、小車和電氣控制系統(tǒng)組成。橋架是起重機的主要受力構(gòu)件，該起重機橋架由箱型結(jié)構(gòu)的主梁、端梁構(gòu)成，采用雙梁雙軌結(jié)構(gòu)形式，同時包括小車軌道、走臺、電纜滑線架、駕駛室及梯子等附屬設(shè)施。大車運行是實現(xiàn)橋架沿軌道縱向運行的機構(gòu)。該起重機大車運行機構(gòu)采用分別驅(qū)動形式，由電動機、制動器、減速機、車輪、傳動軸和聯(lián)軸器組成，大車運行機構(gòu)每側(cè)4 個車輪，安裝在端梁上，2個主動，2 個被動。小車是實現(xiàn)小車橫向運行和重物起升的機構(gòu)，小車組成包括小車架、小車運行機構(gòu)和起升機構(gòu)，小車運行機構(gòu)和起升機構(gòu)安裝在小車架上，小車行走機構(gòu)與大車行走機構(gòu)類似，小車上的起升機構(gòu)是起重機的核心部件之一，該起重機有主副2 套吊鉤，有各自獨立驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和安全控制裝置。電氣控制系統(tǒng)是起重機的核心，如人體的血液和神經(jīng)，為起重機輸送動力、監(jiān)測并控制起重機運行。該起重機的電器控制系統(tǒng)主要包括電源控制部分、PLC 控制部分、變頻器部分、安全保護裝置控制部分、運行狀態(tài)及視頻監(jiān)視記錄部分等，電器控制部分的技術(shù)水平是起重機的信息化技術(shù)應(yīng)用的重要體現(xiàn)。

1.2 使用特點

該型橋式起重機通過在控制系統(tǒng)、傳感測量系統(tǒng)采用信息化技術(shù)手段，操作人員可以全程掌握設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)和各視角工作實況，安全生產(chǎn)的可靠性大大提高，同時在操作手段上簡潔方便，操作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性也得到了保證。

2 信息化技術(shù)在某型橋式起重機上的應(yīng)用

起重設(shè)備基本以鋼鐵機械結(jié)構(gòu)為主體，以往重視設(shè)備的工作能力范圍和可靠性，對起重機的信息化方面發(fā)展關(guān)注不高，但隨著信息化和智能化技術(shù)的快速發(fā)展，信息技術(shù)在起重設(shè)備行業(yè)中不斷滲透和應(yīng)用。新購置的某型橋式起重機在控制技術(shù)方面采用了信息綜合處理、變頻調(diào)速、數(shù)字化傳感器等信息化技術(shù)，設(shè)備的工作可靠性和操作便利性得到增強。

2.1 基于可編程控制器（PLC）技術(shù)的信息綜合處理及控制

早期的橋式起重機的控制系統(tǒng)大多采用以繼電器-接觸器為基礎(chǔ)的凸輪控制器控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的邏輯順序控制功能通過控制元器件（繼電器、接觸器）之間的不同連接實現(xiàn)，存在體積大、通用性與靈活性差、不能實現(xiàn)精確控制和可靠性不高等問題。可編程控制器（PLC）是在繼電器-接觸器控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，初期功能較單一，其僅具備順序控制功能，用來替代起重機械中的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，隨著集成電路技術(shù)和微處理器技術(shù)發(fā)展，可編程控制器（PLC）在運行速度、控制功能范圍、網(wǎng)絡(luò)化和小型化等方面取得了飛速的發(fā)展。該起重機的控制系統(tǒng)以模塊化結(jié)構(gòu)的西門子S7-1200 可編程控制器（PLC）為控制中心，組建以PLC 為中心，通過Profibus-DP 總線建立工業(yè)以太網(wǎng)，大車小車行走及主副吊鉤起升的定位編碼器具備網(wǎng)絡(luò)功能，信號總線在交換機匯集后，經(jīng)匯集大車小車行走及主副吊鉤起升的變頻器控制信號的交換機，連接PLC。為了滿足信息處理點數(shù)和種類的需要，設(shè)備的PLC 擴展配置了6 塊數(shù)字量接口模塊、3 塊模擬量接口模塊和1 塊通信接口模塊，通過擴展模塊將起重設(shè)備有關(guān)的狀態(tài)信息匯集到PLC 為控制中心，經(jīng)過對起重機這些數(shù)據(jù)的綜合處理，控制系統(tǒng)對大車、小車和起升機構(gòu)發(fā)出工作指令，并實現(xiàn)速度控制、位置檢測及安全保護等，起重機可以安全可靠的完成升降、平移等重物吊裝工作。這種以PLC 為中心的起重機信息綜合處理及控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，較以往起重設(shè)備極大地方便了整機性能的動態(tài)檢測和故障排查，可靠性及操作性大幅提高。

2.2 基于變頻調(diào)速技術(shù)的電動機控制

橋式起重機的大小車及主副起升機構(gòu)的運行都是以電動機為動力來源，若要改變大小車及主副起升機構(gòu)的運行速度，則需要調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速。以起重機常用的三相異步交流電動機為例，通常有3 種調(diào)速策略，包括改變供電頻率的變頻調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差調(diào)速、改變電動機的磁極對數(shù)調(diào)速。由于變頻調(diào)速在調(diào)頻范圍、靜態(tài)精度、動態(tài)品質(zhì)、系統(tǒng)效率、完善的保護功能、容易實現(xiàn)的自動控制和過程控制等諸方面是以往的調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)差調(diào)速、變極調(diào)速等無法比擬的，并且交流調(diào)速電動機維護量小、價格便宜，變頻調(diào)速是目前最優(yōu)的調(diào)速裝置。新購置橋式起重機大車、小車和起升機構(gòu)驅(qū)動配置的三相異步電動機，其轉(zhuǎn)速調(diào)整采用了ABB（ACS880）變頻器。主副升電動機由各自單獨配置的一套變頻器驅(qū)動，大車行走機構(gòu)的2 臺電動機并聯(lián)一套變頻器，小車配置結(jié)構(gòu)與大車相同。各變頻器通過以態(tài)網(wǎng)絡(luò)與PLC 相連，電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速等動作的指令由PLC 運算處理后向變頻器發(fā)出。各運動機構(gòu)制動器的打開指令由變頻器輸出經(jīng)PLC 運算后驅(qū)動制動器動作。此外變頻器內(nèi)部具有短路、過壓、缺相、過流、超速和接地等各種保護功能和故障自診斷功能及顯示報警功能，并能夠?qū)⑦@些信息傳送給PLC，信息處理后可控制切斷變頻器電源，啟動制動器抱閘，發(fā)出報信號。由于采用變頻調(diào)速技術(shù)，起重機適應(yīng)不同負載能力加強，實現(xiàn)無級調(diào)速，提高了起重機可操控性。

2.3 基于數(shù)字傳感器技術(shù)的安全保護裝置

橋式起重機械工作過程中若發(fā)生故障或操作問題，可能會涉及生命安全，危險性較大。依據(jù)《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》，國家將橋式起重機械納入《特種設(shè)備目錄》管理。安全保護裝置是防止起重機械事故的必要措施，主要包括限制運動行程和工作位置的裝置、防止起重機超載的裝置、連鎖保護裝置等。安全保護裝置的工作原理是采集與起重機械工作有關(guān)的安全信息，直接或經(jīng)過裝置變換后，送到PLC 進行運算處理后，給出設(shè)備控制信號，保障設(shè)備安全運行。起重機械傳統(tǒng)的安全控制裝置大多采用機電開關(guān)模式，安全保護裝置觸發(fā)后，起重機械停止工作，需人工復(fù)位后重新工作。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字傳感器在起重機械安全保護裝置中得到應(yīng)用，促進了工作狀態(tài)的可視化、數(shù)字化，給操作人員提供了裝備安全工作的預(yù)判信息，降低設(shè)備工作的風(fēng)險。新購置的橋式起重機械的主副起升機構(gòu)的電動機、大小車行走機構(gòu)電動機安裝了定位數(shù)字編碼器，PLC 通過網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)字編碼器測量數(shù)據(jù)，結(jié)合起重機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)信息，控制系統(tǒng)可計算出大小車及起升機構(gòu)的位移、速度等運動數(shù)據(jù)，實時送至操作終端并顯示，該操作人員提供設(shè)備操作參考。此外利用安裝主副升降卷揚滾筒外側(cè)的增量編碼器，監(jiān)控主副升工作時運動速度，發(fā)生速度突變時，判斷為失速設(shè)備故障，啟動安全制動器，是電機內(nèi)部制動、外部制動之外的具有一定智能化判斷能力的第三道安全制動措施，提高了設(shè)備使用的安全性。在2臺大車之間除安裝傳統(tǒng)的機電防撞開關(guān)外，還安裝了光電感應(yīng)傳感器，可預(yù)設(shè)安全距離進行聲光電預(yù)警提示，避免大車之間發(fā)生碰撞。

2.4 基于大數(shù)據(jù)的視頻及技術(shù)狀態(tài)監(jiān)視記錄系統(tǒng)

新購置的橋式起重機增加了起重機工作過程的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)實時記錄和視頻實況記錄功能。設(shè)備工作狀態(tài)記錄監(jiān)視計算機通過網(wǎng)絡(luò)與起重機控制系統(tǒng)相連，可記錄起重機工作狀態(tài)，如起重機工作起始結(jié)束時間，吊裝過程中大車、小車、主副起升機構(gòu)運動數(shù)據(jù)等。對主副升降吊鉤工作范圍和司機操作室設(shè)置了數(shù)字攝像機，記錄重物吊裝過程和司機操作過程，重物吊裝過程視頻可在司機操作室同步顯示，作為司機工作時的視角補充。利用當(dāng)前的大數(shù)據(jù)技術(shù)，合理利用起重設(shè)備記錄技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，將對起重設(shè)備全壽命管理、安全使用的推演復(fù)盤及后續(xù)智能化發(fā)展都具有較深遠的意義。

3 某型橋式起重機電氣部分日常維護注意

起重設(shè)備在日常吊運重物過程中關(guān)乎生產(chǎn)和生命安全，保持起重設(shè)備良好技術(shù)狀態(tài)是安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，做好起重設(shè)備日常維護保養(yǎng)工作猶為重要。新購置的橋式起重機的機械部分與大多橋式起重機結(jié)構(gòu)相同，維護保養(yǎng)要求相近，重點圍繞清潔、潤滑、磨損檢查與更換開展。電氣部分由于采用了基于PLC 的綜合控制、電機的變頻控制、基于數(shù)字傳感器的安全控制裝置等信息化手段，所以在日常維護上也有所側(cè)重。

3.1 針對PLC 特性的維護

PLC 是橋式起重機的控制核心，經(jīng)過安裝調(diào)試后的PLC 硬件損壞或軟件運行出錯的概率很小，有較好的工作可靠性和穩(wěn)定性。但在日常維護中也要注意一些事項，減少PLC 故障發(fā)生。首先，注意供電電源質(zhì)量檢查，供電品質(zhì)直接影響PLC 工作的穩(wěn)定性，通常PLC 電源要求的額定范圍是85%～120%，并注意監(jiān)視電壓波動頻率，電壓波動頻繁會加速PLC 器件老化。其次，注意工作環(huán)境溫濕度，PLC 運行的環(huán)境溫度要求通常為0～60 ℃，環(huán)境相對濕度通常為5%～95%，長時間在惡劣環(huán)境下可能會引起控制系統(tǒng)工作不正常，要采取環(huán)境輔助保障措施。最后，注意外圍電路對PLC的影響，PLC 具備自診斷功能，可根據(jù)上位機報警信息較準(zhǔn)確地進行故障定位，此外外部電路原因是導(dǎo)致PLC 損壞的重要原因之一，如因外部電路因接線錯誤造成電壓升高，燒壞接口造成PLC 故障。

3.2 針對變頻器特性的維護

變頻器是橋式起重機電動機調(diào)速控制的核心組件，隨著大功率電力電子器件和集成電路的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)日趨完善和成熟。變頻器日常使用維護中比較重要的是要注意變頻器工作環(huán)境，變頻器工作環(huán)境溫度要求為0～55 ℃，為了可靠工作，通?？刂圃?0 ℃以下，大功率變頻器在工作時，變頻器本身和制動電阻會產(chǎn)生大量熱量，良好散熱是變頻器正常工作的前提，本橋式起重機變頻器及制動電阻安裝在防爆密閉機柜內(nèi)，散熱片部分安裝在機柜外面，并采取軸流風(fēng)扇降溫措施，來保證其工作溫度。此外還要求工作溫度變化范圍內(nèi)不要有結(jié)露發(fā)生，以免造成短路，工作場所灰塵、腐蝕性氣體長時間存在都會造成變頻器器件老化。變頻器在日常使用中表現(xiàn)出的故障主要是兩大類，一種是在運行中出現(xiàn)自動停機現(xiàn)象，并顯示故障代碼，故障主要原因是變頻器參數(shù)設(shè)置不合適，或外部工況條件不滿足變頻器使用要求所產(chǎn)生的一種保護動作現(xiàn)象，其處理措施可按說明書提供的指導(dǎo)方法，進行參數(shù)調(diào)整或改變外部條件進行解決；另一種是變頻器構(gòu)成器件損傷故障，故障發(fā)生后變頻器無任何顯示，故障主要原因是環(huán)境變化或使用壽命問題，變頻器組成器件發(fā)生擊穿等損壞，如制動電阻損壞、整流逆變模塊損壞等，其處理措施為維修更換組成模塊或整體更換變頻器。

3.3 針對數(shù)字化傳感器的維護

起重機的各類傳感器是保障設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)，是安全裝置發(fā)揮作用的數(shù)據(jù)來源。對起重機數(shù)字化傳感器的維護主要就是保證傳感器準(zhǔn)確有效采集有關(guān)數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)。首先要按規(guī)定時限對有關(guān)傳感器進行標(biāo)校，保證傳感器測量數(shù)據(jù)有效，對未通過校準(zhǔn)的傳感器進行更換或維修。需要標(biāo)校傳感器主要質(zhì)量測量傳感器、距離測量角編碼器。其次保持好傳感器工作環(huán)境，如大車上距離測量傳感器，反射板會因灰塵、油污影響傳感器測量，要經(jīng)常做好器件的清潔維護工作。再有傳感器的數(shù)據(jù)大多通過網(wǎng)線傳送至PLC 參與起重機的安全控制，要經(jīng)常檢查線路及接插頭情況，避免線路問題引起的數(shù)據(jù)傳輸問題。

4 結(jié)束語

信息化和數(shù)字化技術(shù)在橋式起重機上的廣泛使用是技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，熟悉掌握這些技術(shù)措施，對起重機安全使用具有重要意義。隨著信息技術(shù)、智能技術(shù)不斷發(fā)展，信息化橋式起重機會逐步向智能化的方向發(fā)展，起重機的安全使用會更進一步提高。