基于模擬載荷的起重機(jī)械電氣控制系統(tǒng)仿真研究

謝靖，李曉寧，鄭祥盤

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 福建 福州 350008）

起重設(shè)備作為物料搬運(yùn)、裝卸或用于安裝的機(jī)械設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域之中。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，起重機(jī)需求量不斷增大，同時(shí)起重設(shè)備還向大型化、高速化以及控制多功能復(fù)雜化方向發(fā)展，隨之而來的起重機(jī)危險(xiǎn)因素、事故也越來越多。

起重機(jī)械電氣控制系統(tǒng)作為起重機(jī)的大腦，其電氣控制系統(tǒng)的安全對(duì)起重機(jī)械的安全所占的分量是不言而意的。起重機(jī)械電氣安全是生產(chǎn)安全的重要組成部分。遼寧“4.18”鋼水包傾覆特大事故中，電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷就是該事故的直接原因之一。然而由于起重機(jī)械基本屬于大型設(shè)備，以及其吊載時(shí)電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)其電氣控制系統(tǒng)是否存在安全隱患的評(píng)價(jià)或故障分析，均要在起重機(jī)械的使用現(xiàn)場進(jìn)行分析判斷，不能在設(shè)計(jì)初始階段即實(shí)驗(yàn)室階段就進(jìn)行分析與排查。且當(dāng)起重機(jī)械發(fā)生事故時(shí)，由于此時(shí)現(xiàn)場大都已破壞，也難以對(duì)起重機(jī)械的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的事故（或故障）分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)條件進(jìn)行起重機(jī)械電氣控制系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)已經(jīng)成為加強(qiáng)生產(chǎn)安全的迫切需要。

1 起重機(jī)械電氣控制系統(tǒng)仿真研究的意義

對(duì)于基于模擬載荷的起重機(jī)械電氣控制系統(tǒng)仿真研究，主要的出發(fā)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的起重機(jī)械電氣控制仿真系統(tǒng)的構(gòu)成與真實(shí)起重機(jī)械電氣控制系統(tǒng)盡量一致。這樣起重機(jī)械電氣控制仿真系統(tǒng)研制可以作為開展起重機(jī)械電氣控制技術(shù)相關(guān)科技項(xiàng)目研究的載體，也可以用于檢驗(yàn)技術(shù)的培訓(xùn)和能力提升。因此基于模擬載荷的起重機(jī)械電氣控制系統(tǒng)仿真研究有著重要意義：

1）隨著機(jī)電特種設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，新型電氣部件和控制方式不斷應(yīng)用。起重機(jī)械電氣控制故障仿真系統(tǒng)研制為新型電氣元件和控制方式實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐論證，對(duì)電氣控制系統(tǒng)的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，非常有利于起重機(jī)械電氣控制技術(shù)設(shè)計(jì)水平的提高。

2）可靈活設(shè)置電氣線路邏輯故障與電子元器件故障，供研究人員操作、分析問題、解決問題之用。通過基于模擬載荷的起重機(jī)械電氣控制仿真系統(tǒng)的故障模擬與再現(xiàn)，研究各種起重機(jī)械電氣事故及其發(fā)生的機(jī)理、原因、規(guī)律、特點(diǎn)。

3）通過起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的檢驗(yàn)方法研究，可使起重機(jī)械電氣系統(tǒng)檢驗(yàn)更為深入。直觀的LED顯示功能與投影，使復(fù)雜的電氣系統(tǒng)對(duì)于初學(xué)者也能淺顯易懂，為起重機(jī)械電氣原理研究、教學(xué)與實(shí)訓(xùn)等構(gòu)建了一個(gè)很好的平臺(tái)。

2 國內(nèi)外起重機(jī)械電氣控制仿真系統(tǒng)發(fā)展趨勢

在我院提出研制起重機(jī)械電氣控制仿真系統(tǒng)之前，國內(nèi)有些相關(guān)單位為了培訓(xùn)或生產(chǎn)制造的需要，也有些起重機(jī)械電氣控制的模擬設(shè)備，但功能不同或不夠完整。例如：有公司因早期制造集裝箱裝卸橋的需要，能讓工程師們做一些編程及測試的需要，在購買電氣控制設(shè)備時(shí)，有意多購一套控制器及驅(qū)動(dòng)器作為設(shè)計(jì)及故障處理模擬器[1]。同時(shí)也作為設(shè)備交貨時(shí)用戶方技術(shù)人員短期培訓(xùn)使用。另國內(nèi)有職業(yè)技術(shù)學(xué)校有裝設(shè)集裝箱裝卸橋模擬器，以模式駕駛操作環(huán)境，將使學(xué)生能夠置在一個(gè)接近真實(shí)的實(shí)踐環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)專業(yè)技能的訓(xùn)練，提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，提高學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量[2]。但無與實(shí)際起重機(jī)械類似的電氣控制系統(tǒng)，更沒有能高仿真地模擬現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)。

目前國內(nèi)起重機(jī)械電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)水平還停留在二十世紀(jì)使用的電氣控制技術(shù)水平，電氣控制邏輯線路沒有明顯的更新改進(jìn)[3-4]。這原因之一是起重機(jī)械一般體積都較大，起吊的載荷又較重，電氣控制系統(tǒng)均無法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行設(shè)計(jì)的前期研究和驗(yàn)證，一旦電氣控制的設(shè)計(jì)完成后，只能到起重機(jī)現(xiàn)場進(jìn)行安裝、調(diào)試和更改，制約了電氣控制技術(shù)設(shè)計(jì)水平的提高。如果在實(shí)驗(yàn)室中建一個(gè)能高度模擬實(shí)際環(huán)境的起重機(jī)械電氣控制故障仿真系統(tǒng)，能直觀、真實(shí)地反映起重機(jī)械電氣控制系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)，有利于設(shè)計(jì)水平的提高。

3 起重機(jī)械電氣控制仿真系統(tǒng)的組成與功能

該起重機(jī)械電氣控制仿真系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了聯(lián)動(dòng)臺(tái)、控制柜、模擬載荷和信號(hào)顯示臺(tái)演示等功能模塊，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能目標(biāo)。帶信號(hào)顯示面板的電氣系統(tǒng)其最大的亮點(diǎn)是通過模擬載荷，實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)電氣系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)高度仿真模擬起重機(jī)吊運(yùn)的各種工狀，主要組成包括：

1）提供完整的司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)操作系統(tǒng)，具有起重機(jī)的起升、大小車行走仿真操作功能；

2）設(shè)置模擬的電氣線路邏輯與電子元器件故障，實(shí)現(xiàn)對(duì)起重電氣控制系統(tǒng)故障狀態(tài)還原與故障模擬分析；

3）完整的電氣控制系統(tǒng)，可進(jìn)行電氣控制功能和電氣保護(hù)的檢驗(yàn)方法研究；

4）設(shè)有新型電氣元件和控制方式，可進(jìn)行起重機(jī)電氣系統(tǒng)安全性評(píng)價(jià)；

5）多樣的電氣元件（如絕緣電阻、過流繼電器、延時(shí)繼電器），供測量或整定評(píng)判研究。

4 起重機(jī)械電氣控制仿真系統(tǒng)的原理

該系統(tǒng)按20T/5T橋式起重機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行研制，主要由聯(lián)動(dòng)臺(tái)、信號(hào)顯示面板、控制柜、驅(qū)動(dòng)主機(jī)與模擬載荷、投影儀等部分組成。20T/5T電氣系統(tǒng)按繼電器與接觸器控制設(shè)計(jì)研制，其部分電氣原理圖如圖1所示[5-6]，也可切換至按PLC+變頻器控制電氣系統(tǒng)。

圖1中的起升運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制線路是由凸輪控制器的觸頭直接控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、換向、停止，切除外加電阻，打開、閉合制動(dòng)器，其通過LED燈顯示電氣元件的動(dòng)作狀態(tài)，如圖中過流繼電器F21左側(cè)的LED燈即為顯示該元件的工作狀態(tài)。

4.1 聯(lián)動(dòng)臺(tái)

聯(lián)動(dòng)臺(tái)包括各種按鈕、儀表、指示器、操作手柄、腳踏板以及司機(jī)座椅等。聯(lián)動(dòng)控制臺(tái)是由主令控制器、凸輪控制器、坐椅、指示燈、警鈴等部分組成，其中主令控制器與凸輪控制器為控制臺(tái)的核心元件，由操縱機(jī)構(gòu)、開關(guān)兩部分組成。

圖1 電氣原理圖Fig.1 Electrical diagram

4.2 信號(hào)顯示面板

顯示面板采用信號(hào)燈指示，信號(hào)顯示面板電路原理圖如圖2所示，通過LED燈顯示各機(jī)構(gòu)、各檔位的動(dòng)作狀態(tài)，能顯示系統(tǒng)的接觸器和繼電器吸合與線路通斷情況，能顯示過流繼電器、接觸器和繼電器失效的情況；采集并顯示起升電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。

圖2 信號(hào)顯示面板電路原理圖Fig.2 Signal display panel of the circuit principle diagram

4.3 控制柜

主起升機(jī)構(gòu)采用主令控制器配合控制屏控制，副起升機(jī)構(gòu)、大小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用凸輪控制器控制。控制柜按20T/5T、跨度12 m橋式起重機(jī)電氣要求的控制柜實(shí)際尺寸制作。

4.4 驅(qū)動(dòng)主機(jī)與模擬載荷

系統(tǒng)中主起升機(jī)構(gòu)配置驅(qū)動(dòng)主機(jī)與模擬載荷電機(jī)，兩臺(tái)電機(jī)分別接電源確認(rèn)其轉(zhuǎn)向相反通過聯(lián)軸器同軸連接，起動(dòng)拖動(dòng)電機(jī)，再串電阻起動(dòng)負(fù)載電機(jī)。將交流力矩電機(jī)作為負(fù)載電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，通過力矩電機(jī)控制器可調(diào)整轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置，以實(shí)現(xiàn)倒拉反接制動(dòng)、單相制動(dòng)等電氣制動(dòng)的效果。

5 結(jié)束語

該項(xiàng)目完成后，可研究各種起重機(jī)械電氣事故及其發(fā)生的機(jī)理、原因、規(guī)律、特點(diǎn)，研究并采取各種有效的電氣安全技術(shù)措施，以幫助企業(yè)解決生產(chǎn)中起重機(jī)械電氣控制安全問題，提高電氣安全水平，推動(dòng)我國起重機(jī)械電氣控制與安全技術(shù)的快速發(fā)展。也可為起重機(jī)械電氣控制研究提高新的思路與控制方法，改善起重機(jī)械電氣控制安全問題，項(xiàng)目的實(shí)施推廣在電氣控制工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效應(yīng)。

[1]蔡志剛.集裝箱裝卸橋電氣控制系統(tǒng)仿真[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005（11）：34-36.

CAI Zhi-gang.The container crane electric control system simulation[J].Laboratory Research and Exploration，2005（11）：34-36.

[2]李劍，梁崗，王重華.集裝箱裝卸橋仿真訓(xùn)練系統(tǒng)通信功能的實(shí)現(xiàn)[J].上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，23（3）：58-61.

LI Jian，LIANG Gang，WANG Chong-hua.The container crane simulation training system communication function[J].Journal of Shanghai Maritime University，2002，23（3）：58-61.

[3]陳伯時(shí)，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4]趙國.起重機(jī)械電氣安全技術(shù)檢驗(yàn)[M].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[5]裘為章，吳錫忠.實(shí)用起重機(jī)電氣技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[6]黃大巍，李風(fēng)，毛文杰，等.現(xiàn)代起重運(yùn)輸機(jī)械[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.