一种典型桥面全回转起重机的电气系统设计研究*

高 健

（武昌工学院智能制造学院，湖北 武汉 430065）

随着我国经济社会的发展，基础建设中的重要组成部分——桥梁建设的需求日益增加。现如今，桥梁建设中的桥梁规模和形制众多，为服务桥梁建设，对桥梁结构吊装设备的研制也呈现出多样的发展趋势。武桥重工集团股份有限公司研制的武汉天兴洲长江大桥700 t 架桥机、中铁九桥工程有限公司研制的沪通长江大桥1 800 t 桥面型架梁起重机，均创下了多项桥梁结构吊装设备的世界纪录。这些工程装备不仅为我国的建设提供了巨大助力，同时作为“中国制造”的大国重器向世界桥梁界彰显了我国的建桥实力。但由于受到桥梁结构形制、桥梁钢结构拼装工艺、桥下通航通行状况、现场施工基础、设备重复使用率等因素影响，施工建设单位一般采用大幅度轻量化桥面全回转起重机进行桥梁吊装架设施工。现以一台70 t 桥面全回转起重机为例，介绍其结构形式及电控系统特点。

1 起重机的主要性能及技术参数

桥面全回转起重机主要由吊臂、三角架、上转台、配重、回转支承、起升机构、变幅机构、司机室、底盘、走行机构、电气控制系统和液压控制系统等组成[1]，设备主要技术参数如表1 所示。在桥梁施工时，根据桥梁特点和架设拼装工艺要求，在主塔桥面设置2 台或4 台起重机，从两端向中间进行对称全伸臂的架设施工，在桥梁中部合拢对接。桥面全回转起重机根据施工工艺要求可完成整阶段或钢桁梁桥杆件的吊装架设，具有提升、变幅、回转、底盘调平、整机前移和定位锚固的功能。特别是起重机在钢桁拱形梁上工作时，底盘可随拱形坡度变化进行调整，保持上平面的水平状态。起重机作业流程简洁，架梁、过孔方便，可应对多种复杂施工工况；设备拼装简单、可重复使用，成本低、经济效益高，提高了桥梁建设速度。

表1 起重机主要技术参数

2 电气系统组成

桥面全回转起重机电气系统主要由电源供应系统、主/副钩驱动系统、变幅机构驱动系统、回转机构驱动系统、步履走行电液驱动系统、PLC 控制系统、安全保护监控系统以及照明系统等组成。桥面全回转起重机电气系统总图如图1 所示。

图1 桥面全回转起重机电气系统总图

1）电源供应系统：起重机电控系统采用380 V/50 Hz 三相五线制交流供电，设备总功率220 kW，供电方式一般采用电缆直接敷设。因起重机需沿桥面施工前移，所以应预留进线电缆长度，进线电缆规格也应考虑远距离供电的压降损耗问题。控制电源使用变压器获得AC220 V 电源，给电气控制系统供电，再通过直流开关电源获得24 V直流电压供应。

2）主/副钩驱动系统：主/副钩起升系统各由一台变频器驱动一台电机，采用矢量控制，初步设定三挡额定速度（可根据现场情况调整速度）。主/副钩卷扬机的制动器包括一个高速端制动器和一个低速端钳盘制动器。停止时，先电气制动，再机械制动，开启时顺序相反。

3）变幅机构驱动系统：工作原理同主/副钩驱动系统。

4）回转机构驱动系统：由一台变频器驱动两台电机（左右各一台），采用矢量开环控制，初步设定三挡额定速度（可根据现场情况调整速度）。

5）步履走行电液驱动系统：由一台电机驱动液压泵，通过操控液压阀实现起重机步履走行，液压泵电机采用星三角降压启动模式。

6）PLC 控制系统：采用西门子可编程控制器为控制核心，设置触摸屏可实时显示起重机状态。

7）安全保护监控系统：全回转起重机主/副起升、变幅卷扬机上安装有上下限位接近开关或过欠缠绕限位开关，同时安装有力矩限制器，当相关机构运行到极限位置或吊重力矩超过规定值时，可自动切断运行，使机构只能向安全方向动作，并且发出声光报警，以提醒操作人员。另外，根据现场施工情况，设置视频监控摄像头若干，在司机室内集中显示，方便操作者观测现场情况。

8）照明系统：为满足夜间施工工况需求，设置15盏施工照明灯具，主要设置在卷扬机、滑轮组、液压站、电气房及施工作业面等关键部位，同时可根据现场情况进行调整。

桥面全回转起重机各系统功率如表2所示。

表2 起重机各系统主要功率参数表

3 电气驱动系统结构

按照桥面全回转起重机的使用需求，起重机工作时要求起制动冲击小，同时可实现钢结构拼装时的精确对位和微动调整功能，在整体长行程吊装时工作平稳，在起重机空钩时可实现2 倍数起降运行以提高工作效率。综合对比现阶段的调速驱动方案，只有变频器驱动方式具有良好的启停及调速功能，且性价比高，是当前的主流方案。

3.1 变频器选用

主/副钩机构、变幅机构工作时的负载特性表现为位能性恒转矩负载，变频器驱动系统应满足起动转矩高、低速转矩大、转矩上升时间短和抱闸顺序可控制的运行特点。早期日本安川公司针对起重行业推出G7 系列起重专用矢量变频器，使用项目多，市场占有率大。随着变频器矢量控制技术不断发展，各变频器厂家的矢量变频器也逐步在起重行业中应用推广。其中，西门子G120 系列变频器，体积小、起动转矩大、调控性能好，与西门子PLC 组网方便，现在也被广泛使用。起升系统的惯量较小、负载变化较大等特点属于位能性负载特点，为了获得快速的控制响应，实现对转矩的快速调整，变频器控制模式参数设置为矢量控制。采用矢量控制变频调速可实现重载情况下平稳或快速地起降、制动，加入速度闭环采集控制，使起升机构在零转速时也能输出额定转矩，即使制动装置松动或失灵时，也不会出现重物下滑的情况，有效避免起升机构失控、溜钩现象[2]。在变频器的功率选择上，为提高安全性，变频器功率应比电机功率高一个等级。

回转机构工作时为惯性负载，其负载特性惯量较大但变化相对较小，基本属于阻力性负载[3]。变频器可选用价格较低的日本安川A1000 系列或西门子G120C 系列变频器，变频器采用V/f 控制方式和矢量控制方式均可以满足控制要求[4]。因回转机构由两台电机进行驱动，在变频器功率选择上，一般比两台电机的功率和高一个功率等级[5]。

3.2 变频器控制

变频器调速具有数字量端子控制、模拟量端子控制、通信方式控制等多种方式[6]。针对起重机挡位操作要求，一般采用多段速数字量端子控制方式。变频器工作运行时，操作者通过操作手柄向PLC 输入挡位及方向指令，PLC 接受指令后综合起重机其他运行状态信号，执行预定输出逻辑，PLC 的输出指令通过中间继电器传递给变频器的外部控制端子，通过变频器外部端子通断组合，控制变频器输出的频率和电机旋转的方向。本设计选用西门子G120 矢量变频器，以主钩机构变频器为例，变频器接线电路如图2所示。在调试时，一般三级挡位速度分别初步设定为20%、60%、100%的额定速度，如有其他需求可根据现场情况进行调整。

图2 主钩变频器接线电路图

4 PLC控制系统

PLC 系统是桥面全回转起重机的控制核心，起重机所有操作控制均通过该系统来完成[7]。PLC 控制系统设计时应遵循以下原则：

1）拟定控制系统设计的技术条件，形成设计任务书；

2）选择电气驱动模式、电磁阀、传感器、检测开关等外围件；

3）选定PLC 的型号，编制I/O 分配表或绘制I/O端子接线图[8]；

4）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言进行程序设计[9]；

5）遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与计算机之间的友善关系。

本设计选用的PLC 中央处理单元型号为西门子S7-1200 系列CPU1215C（AC/DC/RLY），另根据I/O需求扩展3台SM1223（16入/16出）数字量扩展模块，扩展1 台SM1231（AI8*13 位）模拟量扩展模块[10]。PLC的输入控制点电压为24 V，主单元输出点为继电器模式，数字量扩展模块输出点为晶体管模式，使用时应主要采用接线方式，输出点接线图如图3所示。

图3 西门子PLC输出点接线图

输入信号主要包括：主令控制器信号、变频器故障信号、变频器制动信号、限位信号、力矩限制信号、超载信号、大风报警信号等。输出信号包括：各制动器开闭信号、变频器端子控制信号、液压阀控制信号、报警信号。人机界面选用西门子触摸屏，与PLC通信连接，实时显示起重机各机构的工作状态，便于操作者了解起重机工作状态。PLC 系统硬件组态如图4所示。

图4 PLC系统硬件组态图

5 安全保护装置及监控系统

起重机装备的操作安全至关重要，在运行作业时，通过设置过欠缠绕限位开关、上下限幅开关、回转限位开关、高度限位开关、起重力矩保护器开关、压力传感器、角度传感器、幅度传感器、风速传感器等状态采集元件，将采集到的起重机状态信息以数字信号或模拟信号的模式接入到电气控制系统或起重机安全监控系统中运算分析。操作者不仅可以通过人机界面实时查看起重机工作过程中各种参数的信息，还可通过各参数变化的趋势图形，准确判断起重机的工作状态、及时掌握起重机可安全运行的工作区间。当起重机运行参数超过预设的参数范围时，可发出各种报警信号，并控制各驱动机构实现优化控制和安全保障。起重机安全监控系统总体框架如图5所示。

图5 起重机安全监控系统总体框架

6 结语

桥面全回转起重机在桥梁施工中的应用日益成熟，以该装备为核心的施工方法科学而有效地缩减了作业时间，提高了桥梁建设的速度和效率，该装备没有大型吊装设备拼拆装的复杂流程及要求，设备周转使用率高，对梁体结构形式的要求低，可应对多种复杂施工工况，适用范围广。电气控制系统作为起重机的关键，负责操控、检测起重机各个机构的运行状态，设计采用全变频及PLC 控制模式，操控简单、可靠；其中，变频驱动系统能够提高系统的大速比、起制动平滑性，同时具有优良的动静态调速特性，配合各卷扬机上采用的高速端制动器和低速端制动器的开合控制，大大减小了机械冲击，提高了起重机的安全性，延长了使用寿命。该电气系统已经在多个桥梁建设项目中的全回转起重机上使用，工作稳定，效果突出，表现优异。本文对此电控系统进行了全面总结，以期为后续桥梁起重机电气系统的发展提供一定的借鉴与参考。