【摘要】：本文介紹了輪胎式門吊的電氣控制系統，著重介紹了電氣控制系統的特點、原理與組成。
【關鍵詞】：輪胎式門式起重機;控制系統;電氣系統
Abstract: This article describes the tire gantry crane electrical control systems, introduced highlighting the characteristics of the electrical control system theory and composition.
Key words: tyred gantry crane; control system; electrical system
中圖分類號：S972.7+4 文獻標識碼： A 文章編號：
改革開放以來，我國的經濟和科技水平得到了很大的提高，特別是電氣控制系統的發展，大大降低了工人的勞動強度，提高了勞動生產率。近幾年來，隨著我國高速鐵路的建設進入快速發展時期，在高速鐵路的施工建設中，對施工技術和施工裝備提出了更高的要求，為了滿足在高鐵敷設時需要起吊設備能夠滿足橋上、橋下吊裝，以及橋梁超高地段高精度全方位作業的要求，研制了一種輪胎式門吊。輪胎式門吊是一種電驅動走行和起吊的起重機，電氣控制系統就成為其神經中樞，對其的正常運行起著重要的作用。本文以下內容著重介紹了輪胎式門式起重機的電氣控制系統。
一、電氣控制系統的特點
電氣控制系統一般稱為電氣設備二次控制回路，其是指為了保證一次設備運行的可靠與安全，需要有許多輔助電氣設備為之服務，能夠實現某項控制功能的若干個電器組件的組合。其主要功能為：第一，自動控制功能，高壓和大電流開關設備的體積是很大的，一般都采用操作系統來控制分、合閘，特別是當設備出了故障時，需要開關自動切斷電路，要有一套自動控制的電氣操作設備，對供電設備進行自動控制。第二，保護功能。電氣設備與線路在運行過程中會發生故障，電流(或電壓)會超過設備與線路允許工作的范圍與限度，這就需要一套檢測這些故障信號并對設備和線路進行自動調整(斷開、切換等)的保護設備。第三，監視功能。一臺設備是否帶電或斷電，從外表看無法分辨，需要設置各種視聽信號，對一次設備進行電氣監視。
二、電氣控制系統原理與組成
輪胎式電氣控制系統一般由變頻器、可編程邏輯控制器PLC、工控機、監控軟件及控制臺組成，整個系統分為執行層、控制層及監控層等三個層次。門吊電器部分主要實現門架的走行和電動葫蘆的起升。而且根據作業工況的要求，門吊的起升機構和運行機構可以同時運行。
2.1、執行層
對于執行層來說，實現以下功能：控制電動機的起動，停止和制動;控制電動機的換相，實現電動機的正，反轉;通過變頻器內部控制部分，以改變和調節電動機的轉速;實現對起重機的零位保護和各工作機構安全限位的連鎖保護。主要包括主令控制器、接觸器、變頻器和電器限位裝置。
主令控制器和控制臺一起用來控制電動機的起動、轉向、調速和制動。用來緩解控制電路而使一些控制電器(接觸器，繼電器)按一定順序動作的電路。
接觸器是用來將主電路接通與斷開遠距離控制的電器。它是由電磁操作來實現控制過程，能遠距離控制和頻繁動作，以較小的控制功率控制叫大功率的主電路。在起重機上接觸器是用來控制電動機的起動、制動、停止和調速。
變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流、濾波、逆變、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等。控制回路如圖1、圖2所示。
門吊采用交流380V、50Hz三相四線制供電系統，動力回路為380V，控制和照明回路為36V安全電壓。
在起升機構上升或者下降的時候，變頻器根據對電動機的自適應檢測出所必須提供的力矩，提供出一個狀態化適當的電流給發動機，如果變頻器讀到反饋回來的電流，則制動其釋放、打開;如果由于某種原因變頻器沒有讀到反饋電流，則認為力矩檢測失敗，并能提供出相關的信息顯示。變頻器的調速功能主要體現是：實際速度通過旋轉編碼器將反饋至變頻器，變頻器將速度的轉換至用通用的形式傳遞給可編程邏輯控制器PLC，然后控制制動器，在速度減少到接近零的時候，發出制動指令，保證了整個機構在運行與制動過程中的平穩。恒功率調速是對起升機機構最主要的控制方式，其是指在重載的時候，電動機保持在基速以下的最大恒轉矩運行，而在輕載或者空載的時候，利用電動機高速低轉矩輸出的特點，根據負荷大小所應提供的轉矩弱磁提高轉速，保持功率恒定，以提高起重機的使用效率。運行機構一般采用四臺變頻電機驅動，與起升機構共用一臺變頻器，采用不帶速度反饋的開環矢量控制方式。
電氣限位裝置通過電氣控制限定起重機各機構在一定空間范圍內安全運行，在本系統中主要是對門吊的起升高度進行限位，電路如圖3所示。
2.2、控制層
控制層是由可編程邏輯控制器PLC及工業控制網格組成，通過可編程邏輯控制器PLC程序實現系統的安全保護和運行控制。PLC是一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械。PLC主要由電源、中央處理單元、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊及通信模塊組成。其工作原理為：當可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。
中央處理單元是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據;檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當可編程邏輯控制器投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/O映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將I/O映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。
通訊模塊分為兩種，一種是Genius模塊，其是通過屏蔽電纜與遠程站的Field Control Unit模塊項鏈完成通訊;另一種是Profibus模塊，其是通過屏蔽電纜與變頻器SI-P卡相連完成PLC與變頻器之間的通訊，變頻器的所有數據，都可以通過數據通信網絡這個工具進行傳遞。一般起重機的每一臺變頻器上都配有SI-P卡，負責與PLC的通訊，變頻器站通過SI-P卡上的兩個開關設定。但是兩者不能直接通訊，需要變頻器的GSD文件來引導，該文件配置在PLC的硬件配置文件中。
2.3、監視器
監視器是閉路監控系統組成部分，是監控系統的顯示部分，是監控系統的標準輸出，有了監視器的顯示我們才能觀看前端送過來的圖像。作為視頻監控不可缺的終端設備，充當著監控人員的“眼睛”。對于輪胎式門式起重機的電氣控制系統不可缺少的一個重要組成部分，一般在電氣室裝有監視器。是由工控機和圖形控制軟件組成，實時動態顯示起重機各運行機構的運行狀態，并能實時的顯示電機的速度、及起重機的起重量等參數，能實時顯示各種電氣元件的實際工作狀態，為操作采取必要的措施提供了強有力的依據。
為了方便用戶對設備的使用、維修和管理，一般的輪胎式門式起重機都具有完善的上位監控系統和故障報警顯示器。若起重機在運行過程中發生了故障，則其被尚未系統監視、存儲及打印，并可以進入警報記錄查看器，查看歷史上所發生的故障、警報的內容及發生這種事件的時間。
目前的輪胎式門式起重機的監視系統，可以實現對各個機構的轉速、電流及力矩等參數進行實時狀態監視，并能將監控的內容以曲線形式反映在坐標軸上，以便維護工程師進行實時查看，發現問題并采取措施進行維修。而且，監控系統通過監控得到的各種故障表、變頻器參數表和曲線圖等均可以通過與其相連接的打印機打印出來，大大方便了對輪胎式門式起重機的檢修。
三、結束語
輪胎式門式起重機中采用電氣控制系統，避免低頻時候滿負荷工況下發生帶不動負載的現象，能保證提升機具有良好的低速性能，而在控制層采用PLC，節約了大量的中間繼電器，并使整個控制系統更快速、準確和可靠。
【參考文獻】
[1]《起重運輸機械電氣設備》劉瑞琦等，中國鐵道出版社
[2]《起重運輸機電氣傳動》余敏年等，西南交通大學出版社
[3]《電氣控制與PLC原理及運用》程周等，電子工業出版社
