1.引言
抓斗橋式起重機(jī)是貨運(yùn)港口、碼頭、發(fā)電廠、工礦企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的工程機(jī)械，常用來(lái)裝、卸煤、灰、矸石等散料類貨物。橋式起重機(jī)的抓斗升降、開(kāi)閉、大車、小車運(yùn)行的原傳動(dòng)控制均為繼電器、接觸器控制，抓斗操作方式為雙手柄聯(lián)動(dòng)臺(tái)操作。為了保證機(jī)械運(yùn)行的平穩(wěn)，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)方式，由于繞線式電動(dòng)機(jī)是通過(guò)接觸器來(lái)切換電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上串接的電阻，切換十分頻繁。其故障率居高不下。另外由于抓料全過(guò)由全部由人工操作，用于抓斗提升和開(kāi)閉鋼絲繩的受力很難達(dá)到均衡控制，易出現(xiàn)鋼絲繩斷裂、電機(jī)受損等現(xiàn)象。上述問(wèn)題既增加了維修量也給生產(chǎn)帶來(lái)了一定程度的損失。
2.傳統(tǒng)控制方式存在的問(wèn)題
2.1 問(wèn)題提出
抓斗通過(guò)鋼絲繩與電機(jī)聯(lián)接，主吊與開(kāi)閉電機(jī)之間沒(méi)有固定的聯(lián)系，沒(méi)有合適的檢測(cè)開(kāi)關(guān)，在抓斗抓取物料的全過(guò)程中的每個(gè)階段，要求兩個(gè)電機(jī)的出力狀況都是不同的，需要不斷地改變電機(jī)的控制方式和出力情況，但傳統(tǒng)的串電阻控制方式無(wú)法滿足這種力矩控制的要求，因此抓斗主吊與開(kāi)閉兩電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)完全依靠司機(jī)的熟練程度以及操作水平。所以司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度大，注意力需高度集中，容易疲勞，特別是夜間作業(yè)，更是如此。
隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，在保證設(shè)備安全使用、可靠運(yùn)行的前提下，實(shí)際生產(chǎn)中用戶普遍要求提高橋式起重吊車的作業(yè)效率、自動(dòng)化程度、節(jié)能效果和減少維修量。在變頻技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，變頻傳動(dòng)取代了以往的串電阻、自激調(diào)速等傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)運(yùn)行和軟啟動(dòng)、低故障高效率驅(qū)動(dòng)。
可編程控制器也被廣泛地使用到抓斗吊車的控制系統(tǒng)之中，無(wú)論是采用傳統(tǒng)的串電阻傳動(dòng)方式還是采用變頻器傳動(dòng)方式，都需要仔細(xì)研究抓斗閉合的每個(gè)過(guò)程對(duì)電機(jī)出力的要求。目前國(guó)內(nèi)部分抓斗起重機(jī)采用了plc和變頻器，但沒(méi)有解決以上所述的核心問(wèn)題，所以仍然無(wú)法解決原系統(tǒng)存在的問(wèn)題，而且因?yàn)橹苿?dòng)器控制不合理，造成變頻器頻繁燒毀等問(wèn)題。
2.2 問(wèn)題分析
（1） 抓斗傳動(dòng)系統(tǒng)由閉合機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)兩部分組成，兩套系統(tǒng)的提升能力分別按照抓斗起重量的60%設(shè)計(jì)，在勻速提升過(guò)程中，各承擔(dān)50%的功率，工作過(guò)程中，如果抓斗閉合不嚴(yán)即進(jìn)入提升階段會(huì)造成物料遺漏，如果提升過(guò)晚又會(huì)造成閉合系統(tǒng)du立承擔(dān)大于50%的提升量的功率，久而久之，會(huì)造成閉合機(jī)構(gòu)的電機(jī)、鋼絲繩等的壽命減短，同樣的：在調(diào)整兩電機(jī)的過(guò)程中，如果提升電機(jī)提前動(dòng)作，又會(huì)造成提升電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)載。
（2） 抓斗抓取物料時(shí)，斗體置于物料表面，如果提升電機(jī)鋼絲繩保持過(guò)度松弛狀態(tài)，會(huì)造成鋼絲繩脫離槽位、纏繞，反之如果提升電機(jī)鋼絲繩保持拉緊不動(dòng)狀態(tài)，抓斗閉合時(shí)，抓取的物料又太少，此時(shí)需司機(jī)在抓取過(guò)程中使用點(diǎn)動(dòng)方式不斷調(diào)整抓斗位置才能保證滿斗抓料，此過(guò)程要求司機(jī)具有較高的操作經(jīng)驗(yàn)，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，很難保證每次都能達(dá)到要求。
（3） 當(dāng)使用變頻控制電機(jī)時(shí)，簡(jiǎn)單地按照手柄指令延時(shí)控制制動(dòng)器打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間，不僅程序煩瑣，而且非常不合理，容易造成溜鉤和高力矩時(shí)抱死，造成電機(jī)、變頻器過(guò)載，抓取過(guò)程也難以順利進(jìn)行。在制動(dòng)器合理的情況下，上述第二項(xiàng)的矛盾仍難以解決。
（4） 當(dāng)變頻器設(shè)置為v/f控制時(shí)，難以滿足低速時(shí)的良好轉(zhuǎn)矩，當(dāng)變頻器設(shè)置為失量控制模式時(shí)，電機(jī)的機(jī)械特性很硬，此時(shí)，難以保證兩臺(tái)變頻器控制下的電機(jī)將達(dá)到力矩平衡。
（5） 在抓斗控制過(guò)程中，要求變頻器在每個(gè)階段需要不同的出力，依賴變頻器無(wú)法滿足抓斗的工作需要。
綜上所述，傳統(tǒng)的控制方式不單是傳動(dòng)部分存在缺陷，控制系統(tǒng)也存在控制邏輯不合理的因素。
3.改造目標(biāo)和方法
抓斗控制系統(tǒng)改造就是要解決以上所述的弊端，用變頻器解決傳動(dòng)系統(tǒng)的要求，用可編程序控制器（plc）和旋轉(zhuǎn)編碼器配合達(dá)到邏輯控制的要求。用軟件來(lái)模仿有經(jīng)驗(yàn)的操作人員的操作方法，與變頻器配合完成抓取的全過(guò)程。
3.1 方案設(shè)計(jì)
采用歐姆龍公司的cj1m系列plc作為控制核心，用e6c2型旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)兩個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，安裝在兩個(gè)電機(jī)軸上或卷筒軸上，選用兩臺(tái)3g3rv-zv1系列變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
3g3rv-zv1型變頻器具有開(kāi)環(huán)矢量控制功能，開(kāi)環(huán)矢量控制方式下，調(diào)速范圍可達(dá)：1∶100，速度控制精度達(dá)到0.2%，具有低速高轉(zhuǎn)矩和力矩限制功能，完全滿足抓斗吊對(duì)電機(jī)出力的要求。
兩臺(tái)變頻器均以開(kāi)環(huán)失量模式工作，頻率指令來(lái)自于plc的開(kāi)關(guān)量輸出的多段速指令，附圖所示出抓斗控制方案。
附圖 抓斗控制方案示意圖
3.2 主控系統(tǒng)
cj1m-cpu22型plc的cpu內(nèi)置10點(diǎn)輸入，6點(diǎn)輸出。其中輸入包含4個(gè)中斷輸入或2個(gè)高速計(jì)數(shù)器輸入（單相輸入：100khz或相位差輸入：50khz），輸出包含2個(gè)脈沖輸出100khz控制輸出，內(nèi)置位控功能。cj1m具有的功能塊功能 ，在程序編制過(guò)程中，可以減少相同功能程序的重復(fù)勞動(dòng)。
在本方案中，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器接入到cpu的兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器輸入口，由plc硬件對(duì)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號(hào)進(jìn)行記數(shù)，并計(jì)算兩軸的差值，以此判斷抓斗的閉合狀態(tài)。
從小車到控制柜導(dǎo)線距離較遠(yuǎn)，e6c2型編碼器必須采用線性驅(qū)動(dòng)輸出型，以保證長(zhǎng)距離無(wú)損失地傳送脈沖信號(hào)。
主令控制器采用單手柄十字形手柄，根據(jù)行業(yè)內(nèi)的操作習(xí)慣，確定手柄的操作位置分別代表：兩電機(jī)同步上升、兩電機(jī)同步下降、提升時(shí)開(kāi)斗、提升時(shí)閉斗、下降時(shí)開(kāi)斗、下降時(shí)閉斗，靜止開(kāi)斗、靜止閉斗，程序亦據(jù)此編制，plc根據(jù)手柄的指令分配兩臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)按預(yù)定的出力情況配合工作。
3.3 技術(shù)關(guān)鍵
（1） 在抓取物料的情況下，斗體接近物料時(shí)手柄打向閉斗時(shí)下降，此時(shí)，plc控制閉斗電機(jī)正常閉合，升降電機(jī)以小力矩拉緊鋼絲繩，保證不會(huì)出現(xiàn)絲繩脫出滑輪和卷筒槽位，造成卷繞，又能保證抓取時(shí)，斗體能隨其自重沉入物料中，達(dá)到滿斗取料的目的，這就是通常所說(shuō)的沉抓功能。
（2） 當(dāng)斗體逐漸接近閉合時(shí)，升降電機(jī)的力矩開(kāi)始增大，在完全閉合后，升降電機(jī)以全力矩運(yùn)行，與閉合電機(jī)同步運(yùn)行，此時(shí)程序不理會(huì)手柄的抓取物料位置，自動(dòng)轉(zhuǎn)入同步上升狀態(tài)。降低了對(duì)司機(jī)的操作水平的要求。
（3） 由于沉抓功能的采用，也帶來(lái)了新的問(wèn)題，那就是當(dāng)斗體接近地面時(shí)，斗體會(huì)抓刮地面，尤其是有些地面鋪設(shè)了水泥或耐火磚，如果抓壞地面，不僅在物料中混入了不必要雜物，也會(huì)造成場(chǎng)地?fù)p壞，此時(shí)就需采取下限位的功能，當(dāng)plc檢測(cè)到斗體達(dá)到下限位時(shí)，不再使用沉抓功能，而是模仿有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)的人工操作方法，自動(dòng)分段完成抓取過(guò)程，既保證抓凈物料，又保證不抓壞地面。
（4） 以上工作過(guò)程中，plc根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)的信號(hào)，自動(dòng)分配變頻器的工作頻率和出力狀態(tài)以及制動(dòng)器的工作，使兩電機(jī)快速地協(xié)調(diào)工作，全過(guò)程各階段間平滑過(guò)度，不會(huì)出現(xiàn)人工操作時(shí)明顯的停頓和反復(fù)現(xiàn)象，而且兩電機(jī)、兩副鋼絲繩出力均勻平衡。
（5） 充分利用變頻器對(duì)電機(jī)的及自身完善的保護(hù)功能，如過(guò)熱、過(guò)載、過(guò)流、過(guò)壓、缺相、接地等，從而避免設(shè)備在不正常狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，保護(hù)設(shè)備不被損壞。故障信息可以準(zhǔn)確地指示故障點(diǎn)，極大地方便了維護(hù)人員排除故障。
（6） 程序編制中可利用功能塊編寫各階段操作的功能塊程序，在主程序中，根據(jù)手柄和檢測(cè)到的狀態(tài)信號(hào)調(diào)用不同的功能塊程序，使程序變得簡(jiǎn)單易讀，大大地提高了編程效率，也方便了現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試。另外程序中需考慮更換鋼絲繩時(shí)，按傳統(tǒng)控制方式工作的功能。
4.結(jié)束語(yǔ)
此方案解決了抓斗控制中存在疑難問(wèn)題，降低了設(shè)備的故障率，降低了操作人員的工作強(qiáng)度，提高了抓斗起重機(jī)的工作效率，實(shí)踐證明切實(shí)可行。
