淺析微動系統在橋吊門架機構的應用

孫哲

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

在面對有些擺放不正的集裝箱時，橋吊主起升機構要想抓箱子時就需要使用左傾、右傾、前傾、后傾、正旋和旋這些動作，而要想實現這些動作就一定要通過后大梁4個油缸的伸縮來完成，由油缸的伸縮來控制起升鋼絲繩在上架滑輪上的盤動從而達到傾轉與回旋各種工況，這就需要一整套的液壓系統。液壓系統主要包括電機、電磁閥、比例閥、位移傳感器、油管、油缸、閥門等一系列設備，系統比較復雜，所占用的空間也很巨大，而且易產生漏油問題。而門架機構由于其位置的特殊性，并無像主機構一樣有后大梁液壓站平臺，要想像主機構那樣實現傾轉與回旋的各種工況，就得在吊具上架上做足功課，下文詳細介紹了一種門架機構常用的解決傾轉與回旋工況的辦法——微動系統。

1 微動系統的組成

談到微動系統的組成，首先得明白門架起升結構鋼絲繩滑輪與主起升結構鋼絲繩滑輪是有很大的不同，一般主起升結構鋼絲繩滑輪有4個，上架左右2邊各2個，對稱分布，后大梁的4個油缸一一通過鋼絲繩與滑輪緊密聯系起來，通過油缸的伸縮來實現傾轉和回旋動作，雖然門架起升結構鋼絲繩滑輪也是4個，主要分布在門架上架的四個邊，即每個邊各1個。這樣就造就了起升鋼絲繩與主機構起升的不同之處，也就是說，只要讓門架吊具上架四邊的四個滑輪可以自由運動，就能帶動上架實現傾轉與回旋各種工況。為了使上架四邊滑輪都可自由運動，則需要在上架四邊裝4個推桿，將滑輪套在推桿上，通過推桿的伸縮來帶動滑輪的運動，通過多個滑輪運動從而促使吊具完成傾轉與回旋的動作。但是，由于門架吊具上架的空間限制，使用液壓系統會帶來相當大的不便，所以直接用變頻馬達轉動來驅動推桿的運動比較方便，另外，為了控制電機的移動啟停，則需要加制動器，由于電機功率不大，一般的橋吊使用電機自帶制動器，這樣做的好處是占用空間小，方便安裝且接線簡單，便于維修。為了準確了解推桿的實時精確位置，一般在推桿的機械結構尾部加一個絕對值編碼器，這樣可以通過與主PLC系統建立通信來隨時讀取推桿的實際位置。同時，為了控制推桿的伸縮范圍，防止推桿伸縮過多造成的機械卡住損傷，需要在推桿的機械伸縮量程范圍的2端分別各加上1個機械保護限位，即前停止限位和后停止限位，來保護推桿的伸縮，避免伸縮過頭。另外一般橋吊上的微動電機都是變頻電機，需要配備小型變頻器，每個電機需要1個變頻器，一套微動系統一般需要前后左右4個角共安裝4個微動電機（每個電機需自帶電機編碼器），4個微動電機制動器（一般為電機自帶制動器），4個絕對值編碼器，8個機械限位以及變頻器4個。其中微動電機及其自帶編碼器，微動電機制動器，絕對值編碼器，機械限位因為需要安裝在戶外，常年有風雨的侵蝕，一般都會安裝防雨罩殼，變頻器因為空間的限制和環境的需求，不宜安裝在門架上架接線箱內，一般安裝在門架機房控制柜內，通過門架垂纜連接到對應的微動馬達。圖1為青島自動化項目微動系統一角實物圖。

圖1 青島自動化項目微動系統一角實物圖

2 微動系統工作原理

微動系統的工作從本質上說是變頻器帶動馬達來帶動推桿的橫移完成的，總體上說，是操作人員通過按鈕發出操作指令后，PLC會相應地輸出動作命令給變頻器，變頻器開始輸出電壓，電流傳送至馬達上，馬達開始轉動來帶動推桿的位移，推桿的位移導致滑輪的橫移，當多個滑輪一起橫移時，門架上架產生相對應傾轉和回旋動作，在運行剛開始時，馬達制動器也要在得電的一剎那打開，否則，會形成馬達的堵轉。一般情況下，推桿馬達上使用的制動器都是馬達自帶制動器，這些制動器一般都需要提供額定的直流電壓方才打開，而馬達一般均為三相交流電，會在馬達內部裝有一個半波整流塊或者全波整流塊，將輸入的交流電直接轉換成制動器所需要的直流電，從控制柜開關和接觸器下引出380V交流電或者220V交流電給整流塊(整流塊的選擇需根據馬達制動器的額定電壓來反向計算選擇，在給制動器送電前可測量馬達制動器電阻來同廠家銘牌上標識的制動器電阻相比較來判斷馬達制動器的好壞），程序控制下可以在馬達運行的瞬間讓制動器得電打開，馬達停止的瞬間讓制動器關閉。另外，馬達自帶制動器內都自帶制動器打開限位，在制動器打開的情況下，可以給PLC一個打開的反饋信號。需要注意的是，馬達自帶制動器也可以通過機械方式手動打開以便需要調整制動器間隙所需。另外，電機在動作過程中，其本身的自帶增量編碼器會將電機的速度信號實時反饋給變頻器，一旦有變頻器的給定與馬達編碼器反饋速度不一致或者馬達超速等意外情況發生時，變頻器會立即發出故障信號，立刻停止電機的運行，保護系統的安全。

由于電機長時間在戶外運行，采購電機時需注意其IP防護等級，電機內一般都會配置溫控和加熱器，當出現馬達過溫的情況下，可以及時地將過溫信號發給PLC，讓其即刻停止馬達運轉，加熱器一般會在橋吊系統控制斷的情況下給馬達加熱，防止因戶外惡劣條件下雨水的侵入導致馬達內的潮濕引發的短路絕緣故障。另外，每個推桿尾部的絕對值編碼器與PLC系統本身通過PROFIBUS DP線或者PROFINET線連接（通信電纜的屏蔽線需合理接地，另通信電纜戶外布線走線需要與馬達，馬達自帶制動器，加熱器的電纜分隔開，控制柜內布線走線需要盡量遠離380V交流電等相對高壓電源，以防止通信干擾），在調試過程中，通過調試絕對值編碼器來正確讀取推桿位移數值，并設置好推桿的零位與前停止、后停止的軟件位置，推桿的零位一般設置在推桿的中心位置，而前停止的軟件位置與后停止的軟件位置要在觸發前停止限位以及后停止限位之前觸發，否則，會失去保護的意義，另外，部分項目里也會設置軟件的前減速與后減速位置，推桿的位置觸發了前減速和后減速位置后，即便司機給了全速命令，PLC程序內也會限定推桿的速度，以便推桿可以及時剎住車，能夠在停止限位的前面及時停止，在這里，值得注意的是，門架吊具左右2側推桿是對應的，前后2側推桿也是對應的，所以發出一個命令的時刻，左右2邊或者前后2個推桿的動作可能相反，其前停止和后停止的限位是不一樣的，這在調試過程中要值得注意。而推桿前停止限位和后停止限位作為推桿最重要的保護點，也是推桿伸縮的最后一道防線，一旦觸發，PLC會給出變頻器緊急停止的命令，讓推桿在最短的時間內盡快停住，以免引起機械碰撞損傷。若因機械問題或程序故障等各種原因出現推桿沖出了停止限位的情況，這時需人員到門架上架上檢查推桿的實際情況，檢查系統有無機械損傷，檢查停止限位是否能正常工作，若無大礙，則可以反向運行推桿退到中間零位位置，若出現推桿因機械故障卡住而不能動的情況，則需要拆掉推桿頭部的機械機構，檢查內部機械是否存在卡住的情況，需手動恢復推桿到正常狀態，再以反向運行推桿退到中間零位位置。

另外，若推桿絕對值編碼器出現通信故障或者位置丟失錯誤故障，推桿編碼器前停止軟件點位置，后停止軟件點位置將失去對推桿的保護功能，這時需要慢速向后運行推桿電機至后停止限位使其觸發以達到程序里讓絕對值編碼器重新清零的目的（清零即將絕對值編碼器設定到初始調試時編碼器在該位置的數值），然后才可正常運行微動系統。

3 微動系統優點和不足之處

3.1 微動系統的優勢

微動系統由于采用了變頻器加PLC控制，相較主機構液壓加PLC控制，優勢之處有：節省了能源，提高了電機的使用壽命，同時，系統可根據變頻器設定的參數達到精確控制，在增量編碼器，絕對值編碼器和計算機技術下支持下實現更高精度控制，避免了采用液壓系統產生的液壓油流動過程中的局部損失和漏泄損失，放寬了高溫和低溫條件的限制，能夠在更廣泛的溫度范圍內運轉，再者，為防止漏油以及滿足某些性能上的要求，液壓元器件制造精度要求高，給使用和維護保養帶來了一定困難，機器在運行一段時間就得為系統加油保養，而當機器發生故障時也不易檢查。

3.2 微動系統的不足之處

微動系統的不足之處有：微動系統在單位重量的輸出功率和單位尺寸的輸出功率是最好的，在傳遞相同功率的情況下，液壓傳動裝置的體積小、重量輕、慣性小、結構緊湊、布局靈活等。從工作性能上看，其速度，功率均可無級調節，動作響應性快，能迅速換向和變速，調速范圍寬；從使用維護上看，液壓元件的自潤滑性高，容易實現過載保護和保壓，安全可靠性較高，同時，由于前者采用了變頻器，而對于采用2線制通信的門架吊具而言，從門架機房到門架吊具的通信容易受到微動電機的干擾，在走線布線的時候需注意。

4 微動系統的延伸

隨著微動系統在門架機構的推廣應用，最近不少橋吊將其原理運用到主機構上，在小車架陸側面左右2側各裝有一個馬達，將左右2側的2個起升滑輪通過機械結構連接到馬達傳動的推桿上，有人命名它為防扭機構，通過PLC運行指令傳遞到防扭機構變頻器，再傳遞到小車架左右2側扭轉馬達，通過防扭馬達的運轉來前后運行推桿，通過推桿尾端的絕對值編碼器來告知PLC推桿的位置，以推桿清零點的軟件位置、前停止的軟件位置、后停止的軟件位置、前停止限位、后停止限位來保護推桿，通過左右推桿的運行來推動左右滑輪的前進和后退，從而達到讓主機構吊具上架前后防扭的功能，其原理與微動系統十分相似。

5 結語

綜上所述，微動系統在有限的空間內，基本上滿足了門架上架的傾轉和回旋功能，使門架機構能像主機構一樣即便面對復雜的集裝箱情況也可正常工作，系統開發者很好地應用了電動傳動的原理，解決了門架機構的傾轉和回旋問題，值得推廣。

當下，隨著工業4.0的到來，越來越多的港口開始走向無人化、自動化，無人雙小車自動化橋吊越來越得到市場的青睞，市場也越來越廣，作為無人雙小車自動化橋吊的一部分，門架微動系統亦不可或缺。希望有更多的創新可以加入未來的橋吊中，讓橋吊越來越靠近工業4.0的目標。