1、 1 毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 桥式起重机控制技术综述 摘要 ：本文介绍了桥式起重机以及其结构和分类， PLC 技术的发展及优点，传统桥式起重机控制系统存在的问题， PLC 在桥式起重机控制系统中的应用，并描述了 PLC 自动控制系统的硬件组成、安全保护及主要功能。 关键词 ：桥式起重机； PLC；自动控制系统 1 桥式起重机简介 桥式起重机是桥架式起重机的一种，依靠升降机构和水平运动机构在两个互相垂直的方向运动，能在矩形场地上完成操作。港口桥式起重机俗称岸桥或桥吊，是码头的心脏是港口运输过程中不可或缺的设备之一 1。应用在港口运输方面要求承载能力大、可靠性高和可操作性好等特殊要求
2、。 桥吊作业能力决定着一个码头的货物吞吐能力。 桥吊起升机构和小车机构则分别负责桥吊垂直方向的起降和水平方向的运行，它们对整个桥吊的正常安全运行有着至关重要的作用。如何使它们安全、简单、有效的运行成为一个必须解决的问题。 1.1 桥式起重机的结构 桥式起重机由机械传动、金属结构和电气设备三大部分组成。机械传动部分由起升机构、起重小车走行机构、大车走行机构等构成。它们分别实现吊装货物的上下升降，左右 (横向 )搬移和前后 (纵向 )搬运三个动作 2。 大车机构一般采用两台电动机，使用一台变频器进行控制，由于大车运行机构的工作频率较小，因此采用一台变频器控制两个电机，节约成本，变频器的选择根据电动
3、机的额定功率进行，通常选额定功率大一级的变频器。小车运行机构为一台电动机单独驱动，使用一台变频器，同大车机构有些类似。起升机构采用一台电动机单独驱动，使用一台变频器，采用专用的变频器进行重物提升控制，运行机构的起动要求迅速、平稳，同时电气制动方式可采用外接刹车电阻，升降机运行控制系统和大车运行机构类似。 1.2 桥式起重机的分类 桥式起重机可分为普通桥式起重机、 简易 梁 桥式起重机和冶金专用桥式起重机三种 3。桥式起重机广泛地应用于室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等 。 1.2.1 普通桥式起重机 2 普通桥式起重机主要采用电力驱动，一般是在司机室内操纵，也有远距离控制的。起重量可达五百吨
4、，跨度可达 60 米。 1.2.2 简易梁桥式起重机 简易梁桥式起重机又称 梁 式起重机，其结构组成与普通桥式起重机类似，起重量、跨度和工作速度均较小。桥架主 梁 是由工字钢或其他型钢和板钢组成的简单截面 梁 ，用手拉葫芦或电动葫芦配上简易小车作为起重小车，小车一般在工字 梁 的下翼缘上运行。桥架可以沿高架上 的轨道运行，也可沿悬吊在高架下面的轨道运行，这种起重机称为悬挂 梁 式起重机。 1.2.3 冶金专用桥式起重机 冶金专用桥式起重机在钢铁生产过程中可参与特定的工艺操作，其基本结构与普通桥式起重机相似，但在起重小车上还装有特殊的工作机构或装置。这种起重机的工作特点是使用频繁、条件恶劣，工作
5、级别较高。 上述桥式起重机除按起重机的结构及使用特性分类外，有时也按主梁的数目将其分为单主梁桥式起重机、双梁桥式起重机、四梁桥式起重机等。单主梁桥式起重机只有一根主梁，起重小车带有反滚轮，单侧满置，取物装置多为吊钩，也有电磁盘的； 双梁桥式起重机具有两根对称配置的桁架型或箱型主梁，是桥式起重机的基本形式；四梁桥式起重机多用于某些冶金桥式起重机中，四根梁以桥架纵向中心线对称布置，外面两根主梁上架设普通的单钩或双钩起重小车，即副小车。主小车可跨在副小车上空运行 。 2 桥式起重机的发展 桥吊经历四代升级：第一代桥吊能吊起 30.5 吨的货物重量，起升高度可达 18 米到 20 米，可向海面伸出 2
6、8 米远；第二代能吊起 35.5 吨重的货物，起升高度可达到 25 米，可向海面伸出 40 米远；第三代能吊起 50 吨重货物，能升到 32 米高，可前伸出海 50 米；第四代能吊起 70 吨重货物，能升高 42 米，能前伸 70 米远。 伴随着集装箱运输船舶大型化的蓬勃发展和技术进步而在不断更新换代，科技含量越来越高，正朝着大型化、高速化、自动化和智能化，以及高可靠性、长寿命、低能耗、环保型方向发展。 此外，集装箱运输船舶的大型化、特别 是超巴拿马船型的发展，对桥吊提出了更新更高的要求：一是提高起重机的技术参数，起重机速度参数高速化，外伸距、起升高度增大；吊具下额定起重量提高；二是开发设计高
7、效率的岸边集装箱装卸系统，以满足船舶大型化对起重机生产率的要求 4。 3 桥式起重机的电气控制系统 3.1 桥式起重机主要电气控制方式 桥式起重机是工矿、企业、码头中一种常用的工业设备。传统桥式起重机的控制系统主要采用3 交流绕线转子串电阻方法进行启动与调速，继电接触器控制。这种控制系统的主要缺点有：桥式起重机工作环境差，现场灰尘大，且反复短时运行，自动频繁，工作任务重，电机碳刷磨损快、滑环间容易短路放跑，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生；接触器控制系统可靠性差，操作复杂，电动机正反转的加速控制均采用交流接触器和时间继电器，交流接触器线圈经常烧坏，故障率高；电阻调速，机械特性软，负载变
8、化时转速也变化， 调速不理想。串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。操作检修不方便，维护量大，电机寿命短，控制线路复杂，严重影响企业正常生产 5。 要从根本上解决这些问题， 就要 彻底改变传统控制方式。 近 年来，计算机技术和电力电子器件迅猛发展，电气传动和自动控制领域也日新月异。其中，具有代表性 的 PLC 获 得 了广泛应用， 将 PLC 技术应用于桥式起重机控制系统中，使得起重机的整体特性得到较大提高，解决了传统桥式起重机控制系统存在的诸多问题，在起重运输机械行业中具有广泛的发展和应用前景 6。 控制系统设计运用 PLC、变频器进行改造， 操作简单，运行可靠，故障减少。目前生产的高性能矢量
9、控制变频器，具有可靠性好，多功能，低噪音等优点。通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。 可编程序控制器是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置，它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动控制枝术及通用技术融为一体，具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点，是当今及今后工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备 7。可以这样说，到目前为止，无 论从可靠性上，还是从应用领域的广度和深度上，没有任何一种控制设备能够与 PLC 相媲美。 一般来说，一个完整的基于 PLC 控制的桥式起重
10、机电气系统，主要由六大模块组成，分别为：（ 1）配电保护模块；（ 2）主起升机构模块；（ 3）副起升机构模块；（ 4）大车运行机构模块；（ 5）小车运行机构模块；（ 6） PLC 控制模块。通过联动台上的主令控制器、按钮等手动控制装置，把信号传递给 PLC 的输入模块， CPU 内的程序对这些信号进行处理，再由输出模块输出控制信号控制中间继电器、指示灯、报警器、显示装置等。中间继电器带动大的接触器， 进一步控制起重机各机构电机的启动、停止及运行。各种保护信号如限位开关、过流继电器、门开关、超载限制器等也将信号反馈到 PLC 的输入模块，起到安全保护的作用 8。 3.2 控制系统安全保护 一般的
11、桥式起重机控制系统设有以下的保护环节： （ 1）安全门开关联锁保护：在门开关没关的情况下，总接触器不能吸合，在总接触器吸合的情况下，打开门开关，总接触器断开。 4 （ 2）超载保护：当起重量达到额定起重量的 95%时，开始报警，达到额定起重量的 105%，报警并输出停止信号，此时，起升机构只能下降，不能上升。 （ 3）断相、相序保 护：通过断相相序保护器来实现。 （ 4）各机构限位保护：包括主副起升、下降限位；大车左行、右行限位；小车前行、后行限位，到达限位时，切断对应方向电源，此时，该机构只能向相反方向运行。 （ 5）设置急停开关，在出现紧急事故的情况下，切断总电源。急停开关一般为红色蘑菇头
12、非自复位型。 （ 6）设置零位保护，各机构控制器只有在零位的情况下，总接触器才能吸合，防止在停电后，主令没回零的情况，各机构自行运行，带来危险。 （ 7）设置热继电器，当电机通过的电流超过电动机的额定电流，电机温度过热时，其相应的热继电器工作，断开主回路 ，起到保护电机的作用 9。 （ 8）设置电铃或报警装置，在出现故障时，可进行报警。在起重机动作之前应该报警，必须在响铃后方可操作大车运行机构。 3.3 控制系统的主要功能 3.3.1 检测输入信号 桥式起重机控制系统要完成对操作按钮输入的检测、限位开关的检测、变频器反馈信号的检测等。 操作按钮输入的检测。完成对人工操作台的输入按钮的检测：主要
13、的输入按钮有急停按钮和起动按钮；大车运行和停止和加速及减速按钮；小车运行和停止和加速及减速按钮；升降机构运行与停止和减速及减速按钮等。 限位开关的检测。限位开关包括三组： 大车前进、后退限位开关；小车左移、右移限位开关；升降机构上升、下降限位开关。各限位开关用于检测各机构的允许极限位置 10。 3.3.2 控制输出 控制输出主要有大车电动机的控制、小车电动机的控制、升降机的控制和电磁制动器的控制等。大车电动机的控制。控制电动机的运动方向、停止，以及加减速；小车电动机的控制。控制电动机的运动方向、停止，以及加减速；升降机的控制。控制该电动机的运行防线、停止，以及加减速；电磁制动器的控制。控制电磁
14、制动器的运行和停止，用于辅助控制重物的停止。 基于 PLC 及变频器的桥式起重机 ，现场的运行状况、运行数据都可以在司机控制室掌握，用户在控制室可以通过人机界面来设置变频器的运行频率、启动和停止电机，并且变频器的故障信息可以在人机界面上反映出来，以用来提示用户 10。采用变频器实现起重机电机的调速运行，结合 PLC的强大功能、可靠性以及基于组态软件所开发出来的良好人机界面和通信能力，实现在司机控制室5 对电机的远程控制运行参数调节。上位机选择触摸屏主要完成系统的组态、监控、参数设置和开关量置位。下位机采用 PLC 来实现各电机的启、停、电磁阀的开关，数值的转换、速度的检测。 4 总结 起重机现
15、 场检测采用 PLC 控制，能严格、高效地完成测试，并能解决传统控制方式下在操纵方面的许多麻烦。从查阅的大量文献资料表明，基于 PLC 控制，可使设备达到安全可靠运行，减轻操作人员的劳动强度，提高工作效率，充分体现了 PLC 在控制领域的优势，具有重要的实用意义和推广价值。针对传统桥式起重机控制系统存在的诸多问题，将可编程序控制器和触摸屏控制技术应用于桥式起重控制系统中，使得起重机的整体特性得到较大提高，解决了传统桥式起重机控制系统存在的问题。变频调速技术改造起重机电力拖动控制系统，不但使控制性能得到极大的提升，也降低了系统的能耗，具有良好的工业应用前景。 参考文献 1 畅启仁 . 港口起重机
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17、). 8 张万忠 . 可编程控制器入门与应用 M.北京：中国电力出版社， 2005. 9 李胜永 ,季本山 . 基于 PLC 和变频器的港口桥式起重机控制系统研究 J.测试与控制 ,2010,23（ 1） :159-161. 10 罗军 . 基于 PLC、变频器的桥式起重机的改造 J.电气技术 ,2010,5:64-67. 11 C. Y. Chang，“ The switching algorithm for the control of overhead crane，” Neural Comput. Appl.， vol. 15， no. 34， pp. 350-358， 2006 12 Shogo Tanaka, Susumu Kouno. Automatic measurement and control of the attitude of crane liftersJ.Control Engineering Practice ,1998, 6:1099-1107.
