信息化技术在某型桥式起重机上的应用

张 强

（中国人民解放军92502部队，辽宁 大连 116023）

起重机械的发展与人类生产生活联系紧密，其使人类从繁重的体力劳动中得到解脱，实现了许多单纯靠人力无法实现的搬运，极大地降低了劳动强度，提高了工作效率。随着生产发展的需要和科学技术的进步，起重机械发展迅速，根据各行业生产特点和工作环境特点，衍生出许多专业门类的专业起重机械，桥式起重机适用于车间厂房内部，与车间厂房等建筑结构结合，是工业生产中不可或缺的关键设备。

1 桥式起重机的组成结构及特点

桥式起重机又称天车，两端坐落在车间、厂房的水泥柱或金属支架上，形状似桥，桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上轨道横向运行，吊钩随安装在小车上卷扬系统上下运行，构成了一个长方体工作空间，可以充分利用桥架下面的空间吊运重物，不受地面设备的阻碍，是使用范围最广，数量最多的一种起重机械。

1.1 组成结构

某桥式起重机主要由桥架、大车运行、小车和电气控制系统组成。桥架是起重机的主要受力构件，该起重机桥架由箱型结构的主梁、端梁构成，采用双梁双轨结构形式，同时包括小车轨道、走台、电缆滑线架、驾驶室及梯子等附属设施。大车运行是实现桥架沿轨道纵向运行的机构。该起重机大车运行机构采用分别驱动形式，由电动机、制动器、减速机、车轮、传动轴和联轴器组成，大车运行机构每侧4 个车轮，安装在端梁上，2个主动，2 个被动。小车是实现小车横向运行和重物起升的机构，小车组成包括小车架、小车运行机构和起升机构，小车运行机构和起升机构安装在小车架上，小车行走机构与大车行走机构类似，小车上的起升机构是起重机的核心部件之一，该起重机有主副2 套吊钩，有各自独立驱动系统、制动系统和安全控制装置。电气控制系统是起重机的核心，如人体的血液和神经，为起重机输送动力、监测并控制起重机运行。该起重机的电器控制系统主要包括电源控制部分、PLC 控制部分、变频器部分、安全保护装置控制部分、运行状态及视频监视记录部分等，电器控制部分的技术水平是起重机的信息化技术应用的重要体现。

1.2 使用特点

该型桥式起重机通过在控制系统、传感测量系统采用信息化技术手段，操作人员可以全程掌握设备的工作状态参数和各视角工作实况，安全生产的可靠性大大提高，同时在操作手段上简洁方便，操作的准确性和稳定性也得到了保证。

2 信息化技术在某型桥式起重机上的应用

起重设备基本以钢铁机械结构为主体，以往重视设备的工作能力范围和可靠性，对起重机的信息化方面发展关注不高，但随着信息化和智能化技术的快速发展，信息技术在起重设备行业中不断渗透和应用。新购置的某型桥式起重机在控制技术方面采用了信息综合处理、变频调速、数字化传感器等信息化技术，设备的工作可靠性和操作便利性得到增强。

2.1 基于可编程控制器（PLC）技术的信息综合处理及控制

早期的桥式起重机的控制系统大多采用以继电器-接触器为基础的凸轮控制器控制系统，系统的逻辑顺序控制功能通过控制元器件（继电器、接触器）之间的不同连接实现，存在体积大、通用性与灵活性差、不能实现精确控制和可靠性不高等问题。可编程控制器（PLC）是在继电器-接触器控制系统基础上发展起来的，初期功能较单一，其仅具备顺序控制功能，用来替代起重机械中的继电器-接触器控制系统，随着集成电路技术和微处理器技术发展，可编程控制器（PLC）在运行速度、控制功能范围、网络化和小型化等方面取得了飞速的发展。该起重机的控制系统以模块化结构的西门子S7-1200 可编程控制器（PLC）为控制中心，组建以PLC 为中心，通过Profibus-DP 总线建立工业以太网，大车小车行走及主副吊钩起升的定位编码器具备网络功能，信号总线在交换机汇集后，经汇集大车小车行走及主副吊钩起升的变频器控制信号的交换机，连接PLC。为了满足信息处理点数和种类的需要，设备的PLC 扩展配置了6 块数字量接口模块、3 块模拟量接口模块和1 块通信接口模块，通过扩展模块将起重设备有关的状态信息汇集到PLC 为控制中心，经过对起重机这些数据的综合处理，控制系统对大车、小车和起升机构发出工作指令，并实现速度控制、位置检测及安全保护等，起重机可以安全可靠的完成升降、平移等重物吊装工作。这种以PLC 为中心的起重机信息综合处理及控制的网络系统，较以往起重设备极大地方便了整机性能的动态检测和故障排查，可靠性及操作性大幅提高。

2.2 基于变频调速技术的电动机控制

桥式起重机的大小车及主副起升机构的运行都是以电动机为动力来源，若要改变大小车及主副起升机构的运行速度，则需要调整电动机的转速。以起重机常用的三相异步交流电动机为例，通常有3 种调速策略，包括改变供电频率的变频调速、改变转差调速、改变电动机的磁极对数调速。由于变频调速在调频范围、静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实现的自动控制和过程控制等诸方面是以往的调压调速、转差调速、变极调速等无法比拟的，并且交流调速电动机维护量小、价格便宜，变频调速是目前最优的调速装置。新购置桥式起重机大车、小车和起升机构驱动配置的三相异步电动机，其转速调整采用了ABB（ACS880）变频器。主副升电动机由各自单独配置的一套变频器驱动，大车行走机构的2 台电动机并联一套变频器，小车配置结构与大车相同。各变频器通过以态网络与PLC 相连，电动机的正转、反转、加速和减速等动作的指令由PLC 运算处理后向变频器发出。各运动机构制动器的打开指令由变频器输出经PLC 运算后驱动制动器动作。此外变频器内部具有短路、过压、缺相、过流、超速和接地等各种保护功能和故障自诊断功能及显示报警功能，并能够将这些信息传送给PLC，信息处理后可控制切断变频器电源，启动制动器抱闸，发出报信号。由于采用变频调速技术，起重机适应不同负载能力加强，实现无级调速，提高了起重机可操控性。

2.3 基于数字传感器技术的安全保护装置

桥式起重机械工作过程中若发生故障或操作问题，可能会涉及生命安全，危险性较大。依据《中华人民共和国特种设备安全法》，国家将桥式起重机械纳入《特种设备目录》管理。安全保护装置是防止起重机械事故的必要措施，主要包括限制运动行程和工作位置的装置、防止起重机超载的装置、连锁保护装置等。安全保护装置的工作原理是采集与起重机械工作有关的安全信息，直接或经过装置变换后，送到PLC 进行运算处理后，给出设备控制信号，保障设备安全运行。起重机械传统的安全控制装置大多采用机电开关模式，安全保护装置触发后，起重机械停止工作，需人工复位后重新工作。随着技术的发展，数字传感器在起重机械安全保护装置中得到应用，促进了工作状态的可视化、数字化，给操作人员提供了装备安全工作的预判信息，降低设备工作的风险。新购置的桥式起重机械的主副起升机构的电动机、大小车行走机构电动机安装了定位数字编码器，PLC 通过网络采集数字编码器测量数据，结合起重机基础结构信息，控制系统可计算出大小车及起升机构的位移、速度等运动数据，实时送至操作终端并显示，该操作人员提供设备操作参考。此外利用安装主副升降卷扬滚筒外侧的增量编码器，监控主副升工作时运动速度，发生速度突变时，判断为失速设备故障，启动安全制动器，是电机内部制动、外部制动之外的具有一定智能化判断能力的第三道安全制动措施，提高了设备使用的安全性。在2台大车之间除安装传统的机电防撞开关外，还安装了光电感应传感器，可预设安全距离进行声光电预警提示，避免大车之间发生碰撞。

2.4 基于大数据的视频及技术状态监视记录系统

新购置的桥式起重机增加了起重机工作过程的设备状态数据实时记录和视频实况记录功能。设备工作状态记录监视计算机通过网络与起重机控制系统相连，可记录起重机工作状态，如起重机工作起始结束时间，吊装过程中大车、小车、主副起升机构运动数据等。对主副升降吊钩工作范围和司机操作室设置了数字摄像机，记录重物吊装过程和司机操作过程，重物吊装过程视频可在司机操作室同步显示，作为司机工作时的视角补充。利用当前的大数据技术，合理利用起重设备记录技术状态数据和视频数据，将对起重设备全寿命管理、安全使用的推演复盘及后续智能化发展都具有较深远的意义。

3 某型桥式起重机电气部分日常维护注意

起重设备在日常吊运重物过程中关乎生产和生命安全，保持起重设备良好技术状态是安全生产的基础，做好起重设备日常维护保养工作犹为重要。新购置的桥式起重机的机械部分与大多桥式起重机结构相同，维护保养要求相近，重点围绕清洁、润滑、磨损检查与更换开展。电气部分由于采用了基于PLC 的综合控制、电机的变频控制、基于数字传感器的安全控制装置等信息化手段，所以在日常维护上也有所侧重。

3.1 针对PLC 特性的维护

PLC 是桥式起重机的控制核心，经过安装调试后的PLC 硬件损坏或软件运行出错的概率很小，有较好的工作可靠性和稳定性。但在日常维护中也要注意一些事项，减少PLC 故障发生。首先，注意供电电源质量检查，供电品质直接影响PLC 工作的稳定性，通常PLC 电源要求的额定范围是85%～120%，并注意监视电压波动频率，电压波动频繁会加速PLC 器件老化。其次，注意工作环境温湿度，PLC 运行的环境温度要求通常为0～60 ℃，环境相对湿度通常为5%～95%，长时间在恶劣环境下可能会引起控制系统工作不正常，要采取环境辅助保障措施。最后，注意外围电路对PLC的影响，PLC 具备自诊断功能，可根据上位机报警信息较准确地进行故障定位，此外外部电路原因是导致PLC 损坏的重要原因之一，如因外部电路因接线错误造成电压升高，烧坏接口造成PLC 故障。

3.2 针对变频器特性的维护

变频器是桥式起重机电动机调速控制的核心组件，随着大功率电力电子器件和集成电路的发展，交流变频调速技术日趋完善和成熟。变频器日常使用维护中比较重要的是要注意变频器工作环境，变频器工作环境温度要求为0～55 ℃，为了可靠工作，通常控制在40 ℃以下，大功率变频器在工作时，变频器本身和制动电阻会产生大量热量，良好散热是变频器正常工作的前提，本桥式起重机变频器及制动电阻安装在防爆密闭机柜内，散热片部分安装在机柜外面，并采取轴流风扇降温措施，来保证其工作温度。此外还要求工作温度变化范围内不要有结露发生，以免造成短路，工作场所灰尘、腐蚀性气体长时间存在都会造成变频器器件老化。变频器在日常使用中表现出的故障主要是两大类，一种是在运行中出现自动停机现象，并显示故障代码，故障主要原因是变频器参数设置不合适，或外部工况条件不满足变频器使用要求所产生的一种保护动作现象，其处理措施可按说明书提供的指导方法，进行参数调整或改变外部条件进行解决；另一种是变频器构成器件损伤故障，故障发生后变频器无任何显示，故障主要原因是环境变化或使用寿命问题，变频器组成器件发生击穿等损坏，如制动电阻损坏、整流逆变模块损坏等，其处理措施为维修更换组成模块或整体更换变频器。

3.3 针对数字化传感器的维护

起重机的各类传感器是保障设备正常工作的基础，是安全装置发挥作用的数据来源。对起重机数字化传感器的维护主要就是保证传感器准确有效采集有关数据和传输数据。首先要按规定时限对有关传感器进行标校，保证传感器测量数据有效，对未通过校准的传感器进行更换或维修。需要标校传感器主要质量测量传感器、距离测量角编码器。其次保持好传感器工作环境，如大车上距离测量传感器，反射板会因灰尘、油污影响传感器测量，要经常做好器件的清洁维护工作。再有传感器的数据大多通过网线传送至PLC 参与起重机的安全控制，要经常检查线路及接插头情况，避免线路问题引起的数据传输问题。

4 结束语

信息化和数字化技术在桥式起重机上的广泛使用是技术发展的必然结果，熟悉掌握这些技术措施，对起重机安全使用具有重要意义。随着信息技术、智能技术不断发展，信息化桥式起重机会逐步向智能化的方向发展，起重机的安全使用会更进一步提高。