抓斗起重机控制系统研究-工程机械解析

胡冬星 金华职业技术学院 321007

摘 要：本论文提出了抓斗起重机电气驱动系统的缺点，提出运用先进的可编程控制技术和位置传感技术，以程序控制取代继电器--接触器控制。并着重介绍了系统构成，变频器选择、控制软件及操作方式。

关键词：抓斗起重机；可编程控制技术；位置传感技术；变频器 ；半自动化控制

抓斗起重机是一种用来起吊、放下和搬运重物、散料并使重物、散料在短距离内水平移动的起重、搬运设备，常用来装卸煤、水泥、灰、矿砂、重物等，是工矿企业、货运港口、装卸码头生产过程中不可缺少的一种起重、搬运设备。电气驱动系统分抓斗支持、抓斗开闭、小车、大车四部分，原来均采用绕线式异步电动机转子串电阻有级调速方式。其电气控制存在的主要缺点：

（1）抓斗工作的协调主要靠司机的熟练程度，采用支持、开闭双手柄操作。由于支持、开闭机构间没有固定的联系，在抓斗工作时司机劳动强度大，容易疲劳，易产生误操作。

（2）在抓斗沉抓之后，起升的瞬间，支持、开闭电动机受力不均匀，开闭电动机单独受力，易过载，造成电机损坏及钢丝绳断裂。需司机频繁的点动配合支持电动机。

（3）抓斗上升、下降报警极限位置不易控制，传感接近开关很难长期使用。

（4）为实现合适的抓斗工况，司机要经常点动操作或打反车，电器元件和电动机经常处于大电流工作状态，降低了元件的使用寿命。

（5） 龙门吊每天需进行上千次的装卸操作，由于绕线式电机调速是通过系统中的主要控制元件--交流接触器来接入和切出电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在大电流下，非常容易烧坏触头。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率高，维修量大。小车、大车的运转也存在上述问题。

针对上述现有技术存在的不足，提出运用先进的可编程控制技术和位置传感技术，以程序控制取代继电器--接触器控制，系统第一步设计采用起升、开闭电机调速方式不变，大小车走行电机调速采用变频调速，进而实现了抓斗的半自动化控制。

龙门吊电气驱动系统分抓斗支持、抓斗开闭、小车、大车四分部。以10t龙门吊为例，抓斗支持、开闭分别由一台37kW的绕线式异步电动机驱动，大车由四台11kW绕线式异步电动机、小车由两台22 kW绕线式异步电动机驱动。在抓斗支持、开闭、大车、小车运行的原传动控制中，为了保证机械运行的平稳，采用变频调速控制。变频调速以其体积小、通用性强、动态响应快、工作效率高、保护功能完善、可靠性好、使用方便等卓越性能而优于以往的任何调速方式。本系统主控单元采用PLC（可编程控制器），抓斗支持、开闭滚筒旋转位移量的检测由光电编码器及PLC 的高速计数口完成。将各种限位开关、功能转换开关、抓斗联动台、大车小车联动台直接接入PLC 的输入端子，安装在支持机构和开闭机构电动机上的光电编码器发出的脉冲送到PLC的两个高速计数口，通过PLC输出口控制抓斗支持电机、开闭电机、大车变频器、小车变频器以及支持制动器，开闭制动器、大车制动器、小车制动器。

PLC 按控制程序、输入控制信号及支持、开闭机构的脉冲值来完成龙门吊各种工况的协调，并决定抓斗的各种工作状态。系统软件设计采用PLC梯形图语言来编程完成，用 PLC控制工作可靠，扫描速度快，控制非常灵活。软件里的技术关键是位能负载抓斗的支持、开闭电动机检测位移量的光电旋转编码器动态偏差的实时校正技术和抓斗沉抓、自动起升及钢丝绳受力状态自动调整等功能的实现。

抓斗操作方式为单手柄联动台操作，有手动、自动两种方式可供选择，手动方式在复位调整和检修时使用，支持、开闭电机只能单独慢档操作。自动方式在正常运行时使用，支持、开闭电机在 PLC控制系统协调下同时工作。手动方式即为两电机单动运行方式，在此方式可分别对“保护上限”，“保护下限”“工作上限”，“闭合限位”，“开启限位”的位置进行相应的标定。当然此功能可用于换绳作业并重新标定。

小车大车联动台为单手柄操作，具有前进快、慢档、后退快、慢档及停车等项功能。

①PLC选用三菱FX2N系列，编码器采用绝对式，其A、B两相输入到PLC的高速计数端（对应支持机构的编码器C252计数器的输入信号为x0,x1,x2；对应开闭机构编码器C253计数器的输入信号为x3、x4、x5）；编码器的Z相信号输入到PLC的输入信号x6，x7。

②编码器安装：编码器安装在滚筒轴上，确保同步，去除支持、开闭机构的机械限位，改为安装编码器；

③系统设定（包括复位调整）：系统经手动控制学习并记录开闭机构的开止到闭止时的计数脉冲量，用作支持、开闭的联动控制；系统的复位调整是指对抓斗的工作基准（位置、偏差校正等）进行初始化的操作。当系统第一次使用，龙门吊停用时间超过一周或者滚筒非正常转动后，均需进行复位调整。运行中发生了抓斗工作失调的情况，也应进行复位调整。复位操作也很简单，只需将抓斗提到任一基准位置，按一下复位按键就可以了。

④支持、开闭机构上升限位的确认方法：通过监测编码器Z相信号反映钢丝绳在卷筒上的圈数，可以考虑取2-3圈钢丝绳为支持、开闭的机械下限位置；同理来确定上限位置。

⑤一般抓取货物过程原理：支持电机停止状态，开闭电机处于上升状态，两编码器输入的脉冲值就会发生差异，一旦脉冲数差异超过开闭爪斗身长时，则开始自动启动支持电机工作，在最短时间内追上开闭电机速度，实现同步协调控制。(www.xing528.com)

⑥“沉抓”原理及程序设计：系统处于沉抓位置时，抓斗自动闭合，并且在闭合过程中抓斗能自动往下沉，当抓斗完全抓满物料，此时提升瞬间四绳自动同时受力，支持与开闭电机同时均衡驱动。这个过程无需点动或打反档。注意：在闭斗的过程中点动下降支持机构（支持电机点动下降），实现沉抓。 系统程序设计上，设计沉抓控制位，沉抓完成后自动起升，也可手动起升。

⑦抓斗在闭合时如遇大块物阻挡，可踩踏专用的脚踏开关直接对该物进行提升。

⑧电机工作过程：

（1）下降:两电机同时向下，同步切除转子电阻；

（2）上升：两电机同时向上，同步切除转子电阻；

（3）开斗：开闭电机向下；

（4）闭斗：开闭电机向上；

（5）沉抓：支持电机上升低力矩，开闭电机切除电阻上升；转入起升后，先开闭电机串入电阻，再两电机同时切除转子电阻；

（6）快开：开闭电机向下，支持电机后上升。

抓斗起重机控制系统研制成功后，抓斗起重机工作效率提高，维护费用降低，操作简单，实现了半自动化操作，且可靠性高。该系统特点如下：

①采用可编程控制技术和传感技术，以程序控制取代继电器--接触器控制，技术性能大大提高。

②取消原来的支持、开闭双手柄操作方式，采用单手柄操作方式，实现半自动化操作，具有自动、手动两种控制方式。

③采用变频调速方式对原先绕线式异步电动机转子串电阻方式进行技术改造，具有以下优点：

a 绕线电机转子串电阻调速是有级调速，改变频后为无级调速，且具有过流、过压、欠压、过载等多项保护功能，取消了原系统中大量的电阻器和接触器，从根本上消除了故障隐患。另外，将转子短路后，绕线式电动机仍可使用，不再需要额外的投资。

b 系统起动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速，定位更加准确。

c 必须使设备在电动机转速回零的情况下，才允许反向运行，从而防止了操作人员的不规范操作，保护了设备。

d 提高了设备的安全性、可靠性，维修费用、工作量大大减少，且具有节能效果。