信息化技術在某型橋式起重機上的應用

張 強

（中國人民解放軍92502部隊，遼寧 大連 116023）

起重機械的發展與人類生產生活聯系緊密，其使人類從繁重的體力勞動中得到解脫，實現了許多單純靠人力無法實現的搬運，極大地降低了勞動強度，提高了工作效率。隨著生產發展的需要和科學技術的進步，起重機械發展迅速，根據各行業生產特點和工作環境特點，衍生出許多專業門類的專業起重機械，橋式起重機適用于車間廠房內部，與車間廠房等建筑結構結合，是工業生產中不可或缺的關鍵設備。

1 橋式起重機的組成結構及特點

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，橋架沿鋪設在兩側高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設在橋架上軌道橫向運行，吊鉤隨安裝在小車上卷揚系統上下運行，構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，不受地面設備的阻礙，是使用范圍最廣，數量最多的一種起重機械。

1.1 組成結構

某橋式起重機主要由橋架、大車運行、小車和電氣控制系統組成。橋架是起重機的主要受力構件，該起重機橋架由箱型結構的主梁、端梁構成，采用雙梁雙軌結構形式，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施。大車運行是實現橋架沿軌道縱向運行的機構。該起重機大車運行機構采用分別驅動形式，由電動機、制動器、減速機、車輪、傳動軸和聯軸器組成，大車運行機構每側4 個車輪，安裝在端梁上，2個主動，2 個被動。小車是實現小車橫向運行和重物起升的機構，小車組成包括小車架、小車運行機構和起升機構，小車運行機構和起升機構安裝在小車架上，小車行走機構與大車行走機構類似，小車上的起升機構是起重機的核心部件之一，該起重機有主副2 套吊鉤，有各自獨立驅動系統、制動系統和安全控制裝置。電氣控制系統是起重機的核心，如人體的血液和神經，為起重機輸送動力、監測并控制起重機運行。該起重機的電器控制系統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、運行狀態及視頻監視記錄部分等，電器控制部分的技術水平是起重機的信息化技術應用的重要體現。

1.2 使用特點

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

2 信息化技術在某型橋式起重機上的應用

起重設備基本以鋼鐵機械結構為主體，以往重視設備的工作能力范圍和可靠性，對起重機的信息化方面發展關注不高，但隨著信息化和智能化技術的快速發展，信息技術在起重設備行業中不斷滲透和應用。新購置的某型橋式起重機在控制技術方面采用了信息綜合處理、變頻調速、數字化傳感器等信息化技術，設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）技術的信息綜合處理及控制

早期的橋式起重機的控制系統大多采用以繼電器-接觸器為基礎的凸輪控制器控制系統，系統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，存在體積大、通用性與靈活性差、不能實現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-接觸器控制系統基礎上發展起來的，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，隨著集成電路技術和微處理器技術發展，可編程控制器（PLC）在運行速度、控制功能范圍、網絡化和小型化等方面取得了飛速的發展。該起重機的控制系統以模塊化結構的西門子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 總線建立工業以太網，大車小車行走及主副吊鉤起升的定位編碼器具備網絡功能，信號總線在交換機匯集后，經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和種類的需要，設備的PLC 擴展配置了6 塊數字量接口模塊、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備有關的狀態信息匯集到PLC 為控制中心，經過對起重機這些數據的綜合處理，控制系統對大車、小車和起升機構發出工作指令，并實現速度控制、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絡系統，較以往起重設備極大地方便了整機性能的動態檢測和故障排查，可靠性及操作性大幅提高。

2.2 基于變頻調速技術的電動機控制

橋式起重機的大小車及主副起升機構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的運行速度，則需要調整電動機的轉速。以起重機常用的三相異步交流電動機為例，通常有3 種調速策略，包括改變供電頻率的變頻調速、改變轉差調速、改變電動機的磁極對數調速。由于變頻調速在調頻范圍、靜態精度、動態品質、系統效率、完善的保護功能、容易實現的自動控制和過程控制等諸方面是以往的調壓調速、轉差調速、變極調速等無法比擬的，并且交流調速電動機維護量小、價格便宜，變頻調速是目前最優的調速裝置。新購置橋式起重機大車、小車和起升機構驅動配置的三相異步電動機，其轉速調整采用了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動，大車行走機構的2 臺電動機并聯一套變頻器，小車配置結構與大車相同。各變頻器通過以態網絡與PLC 相連，電動機的正轉、反轉、加速和減速等動作的指令由PLC 運算處理后向變頻器發出。各運動機構制動器的打開指令由變頻器輸出經PLC 運算后驅動制動器動作。此外變頻器內部具有短路、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，并能夠將這些信息傳送給PLC，信息處理后可控制切斷變頻器電源，啟動制動器抱閘，發出報信號。由于采用變頻調速技術，起重機適應不同負載能力加強，實現無級調速，提高了起重機可操控性。

2.3 基于數字傳感器技術的安全保護裝置

橋式起重機械工作過程中若發生故障或操作問題，可能會涉及生命安全，危險性較大。依據《中華人民共和國特種設備安全法》，國家將橋式起重機械納入《特種設備目錄》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的安全信息，直接或經過裝置變換后，送到PLC 進行運算處理后，給出設備控制信號，保障設備安全運行。起重機械傳統的安全控制裝置大多采用機電開關模式，安全保護裝置觸發后，起重機械停止工作，需人工復位后重新工作。隨著技術的發展，數字傳感器在起重機械安全保護裝置中得到應用，促進了工作狀態的可視化、數字化，給操作人員提供了裝備安全工作的預判信息，降低設備工作的風險。新購置的橋式起重機械的主副起升機構的電動機、大小車行走機構電動機安裝了定位數字編碼器，PLC 通過網絡采集數字編碼器測量數據，結合起重機基礎結構信息，控制系統可計算出大小車及起升機構的位移、速度等運動數據，實時送至操作終端并顯示，該操作人員提供設備操作參考。此外利用安裝主副升降卷揚滾筒外側的增量編碼器，監控主副升工作時運動速度，發生速度突變時，判斷為失速設備故障，啟動安全制動器，是電機內部制動、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，提高了設備使用的安全性。在2臺大車之間除安裝傳統的機電防撞開關外，還安裝了光電感應傳感器，可預設安全距離進行聲光電預警提示，避免大車之間發生碰撞。

2.4 基于大數據的視頻及技術狀態監視記錄系統

新購置的橋式起重機增加了起重機工作過程的設備狀態數據實時記錄和視頻實況記錄功能。設備工作狀態記錄監視計算機通過網絡與起重機控制系統相連，可記錄起重機工作狀態，如起重機工作起始結束時間，吊裝過程中大車、小車、主副起升機構運動數據等。對主副升降吊鉤工作范圍和司機操作室設置了數字攝像機，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。利用當前的大數據技術，合理利用起重設備記錄技術狀態數據和視頻數據，將對起重設備全壽命管理、安全使用的推演復盤及后續智能化發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

起重設備在日常吊運重物過程中關乎生產和生命安全，保持起重設備良好技術狀態是安全生產的基礎，做好起重設備日常維護保養工作猶為重要。新購置的橋式起重機的機械部分與大多橋式起重機結構相同，維護保養要求相近，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重。

3.1 針對PLC 特性的維護

PLC 是橋式起重機的控制核心，經過安裝調試后的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定性。但在日常維護中也要注意一些事項，減少PLC 故障發生。首先，注意供電電源質量檢查，供電品質直接影響PLC 工作的穩定性，通常PLC 電源要求的額定范圍是85%～120%，并注意監視電壓波動頻率，電壓波動頻繁會加速PLC 器件老化。其次，注意工作環境溫濕度，PLC 運行的環境溫度要求通常為0～60 ℃，環境相對濕度通常為5%～95%，長時間在惡劣環境下可能會引起控制系統工作不正常，要采取環境輔助保障措施。最后，注意外圍電路對PLC的影響，PLC 具備自診斷功能，可根據上位機報警信息較準確地進行故障定位，此外外部電路原因是導致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展，交流變頻調速技術日趨完善和成熟。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境，變頻器工作環境溫度要求為0～55 ℃，為了可靠工作，通常控制在40 ℃以下，大功率變頻器在工作時，變頻器本身和制動電阻會產生大量熱量，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，散熱片部分安裝在機柜外面，并采取軸流風扇降溫措施，來保證其工作溫度。此外還要求工作溫度變化范圍內不要有結露發生，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出的故障主要是兩大類，一種是在運行中出現自動停機現象，并顯示故障代碼，故障主要原因是變頻器參數設置不合適，或外部工況條件不滿足變頻器使用要求所產生的一種保護動作現象，其處理措施可按說明書提供的指導方法，進行參數調整或改變外部條件進行解決；另一種是變頻器構成器件損傷故障，故障發生后變頻器無任何顯示，故障主要原因是環境變化或使用壽命問題，變頻器組成器件發生擊穿等損壞，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 針對數字化傳感器的維護

起重機的各類傳感器是保障設備正常工作的基礎，是安全裝置發揮作用的數據來源。對起重機數字化傳感器的維護主要就是保證傳感器準確有效采集有關數據和傳輸數據。首先要按規定時限對有關傳感器進行標校，保證傳感器測量數據有效，對未通過校準的傳感器進行更換或維修。需要標校傳感器主要質量測量傳感器、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，要經常做好器件的清潔維護工作。再有傳感器的數據大多通過網線傳送至PLC 參與起重機的安全控制，要經常檢查線路及接插頭情況，避免線路問題引起的數據傳輸問題。

4 結束語

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