抓斗桥式起重机的数字化改造

抓斗桥式起重机的数字化改造
本文主要探讨用可编程控制器和变频器对普通抓斗起重机的抓斗控制部分
的改造，实现了自动沉抓功能，改善了升降机构和闭合机构的配合关系，降低了
设备故障率和人工的劳动强度，并可大幅提高抓斗起重机的工作效率。

ABSTRACT: This article focuses on discussing the application of PLC
and frequency convertor in reconstruction of the grab crane, realizes the automatic grab function, improve the cooperation relationship between
the up-down part and the closing part, reduced the failure rate,and
also improve the efficiency of the work of the Grab Crane .
关键词：抓斗起重机、可编程控制器、变频器、自动沉抓
英文关键词：
KEY WORDS: Grab Crane, Programmable Logic Controller, Frequency Convertor, Automatic Grabbing
1 引言
抓斗桥式起重机是货运港口、码头、发电厂、工矿企业生产过程中不可缺少的工程机械，
常用来装、卸煤、灰、矸石等散料类货物。

桥式起重机的抓斗升降、开闭、大车、小车运行
的原传动控制均为继电器、接触器控制，抓斗操作方式为双手柄联动台操作。

为了保证机械
运行的平稳，系统采用转子串电阻起动方式，由于绕线式电动机是通过接触器来切换电动机
转子上串接的电阻，切换十分频繁。

其故障率居高不下。

另外由于抓料全过程全部由人工操
作，用于抓斗提升和开闭钢丝绳的受力很难达到均衡控制，易出现钢丝绳断裂、电机受损等
现象。

上述问题既增加了维修量也给生产带来了一定程度的损失。

2 传统控制方式存在的问题
2.1 问题提出
抓斗通过钢丝绳与电机联接，主吊与开闭电机之间没有固定的联系，没有合适的检测开
关，在抓斗抓取物料的全过程中的每个阶段，要求两个电机的出力状况都是不同的，需要不
断地改变电机的控制方式和出力情况，但传统的串电阻控制方式无法满足这种力矩控制的要
求，因此抓斗主吊与开闭两电动机的协调完全依靠司机的熟练程度以及操作水平。

所以司机
的劳动强度大，注意力需高度集中，容易疲劳，特别是夜间作业，更是如此。

随着计算机控制技术、交流调速技术和电力电子技术的发展，在保证设备安全使用、可
靠运行的前提下，实际生产中用户普遍要求提高桥式起重吊车的作业效率、自动化程度、节
能效果和减少维修量。

在变频技术蓬勃发展的今天，变频传动取代了以往的串电阻、自激调
速等传动方式，实现了平稳运行和软启动、低故障高效率驱动。

可编程控制器也被广泛地使用到抓斗吊车的控制系统之中，无论是采用传统的串电阻传
动方式还是采用变频器传动方式，都需要仔细研究抓斗闭合的每个过程对电机出力的要求。

目前国内部分抓斗起重机采用了PLC和变频器，但没有解决以上所述的核心问题，所以仍然
无法解决原系统存在的问题，而且因为制动器控制不合理，造成变频器频繁烧毁等问题。

2.1 问题分析
(1)抓斗传动系统由闭合机构、提升机构两部分组成，两套系统的提升能力分别按照抓
斗起重量的60%设计，在匀速提升过程中，各承担50%的功率，工作过程中，如果抓斗闭合不严即进入提升阶段会造成物料遗漏，如果提升过晚又会造成闭合系统独立承担大于50%的提升量的功率，久而久之，会造成闭合机构的电机、钢丝绳等的寿命减短，同样的：在调整两电机的过程中，如果提升电机提前动作，又会造成提升电机的驱动系统的过载。

(2)抓斗抓取物料时，斗体置于物料表面，如果提升电机钢丝绳保持过度松弛状态，会造 成钢丝绳脱离槽位、缠绕，反之如果提升电机钢丝绳保持拉紧不动状态，抓斗闭合时，抓取的物料又太少，此时需司机在抓取过程中使用点动方式不断调整抓斗位置才能保证满斗抓料，此过程要求司机具有较高的操作经验，而且劳动强度大，很难保证每次都能达到要求。

(3)当使用变频控制电机时，简单地按照手柄指令延时控制制动器打开和关闭时间，不仅 程序烦琐，而且非常不合理，容易造成溜钩和高力矩时抱死，造成电机、变频器过载，抓取过程也难以顺利进行。

在制动器合理的情况下，上述第二项的矛盾仍难以解决。

(4)当变频器设置为V/F控制时，难以满足低速时的良好转矩，当变频器设置为失量控制 模式时，电机的机械特性很硬，此时，难以保证两台变频器控制下的电机将达到力矩平衡。

(5)在抓斗控制过程中，要求变频器在每个阶段需要不同的出力，单独依赖变频器无法满 足抓斗的工作需要。

综上所述，传统的控制方式不单是传动部分存在缺陷，控制系统也存在控制逻辑不合理的因素。

3 改造目标和方法
抓斗控制系统改造就是要解决以上所述的弊端，用变频器解决传动系统的要求，用可编程序控制器（PLC）和旋转编码器配合达到逻辑控制的要求。

用软件来模仿有经验的操作人员的操作方法，与变频器配合完成抓取的全过程。

3.1 方案设计
采用欧姆龙公司的CJ1M系列PLC作为控制核心，用E6C2型旋转编码器检测两个电机的旋转角度，安装在两个电机轴上或卷筒轴上，选用两台3G3RV-ZV1系列变频器驱动电机。

首先3G3RV-ZV1型变频器具有开环矢量控制功能，开环矢量控制方式下，调速范围可达：1：100，速度控制精度达到0.2%，具有低速高转矩和力矩限制功能，完全满足抓斗吊对电机出力的要求。

两台变频器均以开环失量模式工作，频率指令来自于PLC的开关量输出的多段速指令，图1所示出抓斗控制方案。

图1 抓斗控制方案示意图
3.2 主控系统
CJ1M-CPU22型PLC的CPU内置10点输入，6点输出。

其中输入包含4个中断输入或2个高速计数器输入(单相输入：100kHz或相位差输入：50kHz)，输出包含2个脉冲输出100kHz 控制输出，内置位控功能。

CJ1M具有的功能块功能 ，在程序编制过程中，可以减少相同功能程序的重复劳动。

在本方案中，两个旋转编码器接入到CPU的两个高速计数器输入口，由PLC硬件对两个旋转编码器的脉冲信号进行记数，并计算两轴的差值，以此判断抓斗的闭合状态。

从小车到控制柜导线距离较远，E6C2型编码器必须采用线性驱动输出型，以保证长距离无损失地传送脉冲信号。

主令控制器采用单手柄十字形手柄，根据行业内的操作习惯，确定手柄的操作位置分别代表：两电机同步上升、两电机同步下降、提升时开斗、提升时闭斗、下降时开斗、下降时闭斗，静止开斗、静止闭斗，程序亦据此编制，PLC根据手柄的指令分配两台变频器驱动电机按预定的出力情况配合工作。

3.3 技术关键
（1）在抓取物料的情况下，斗体接近物料时手柄打向闭斗时下降，此时，PLC控制闭斗电机正常闭合，升降电机以小力矩拉紧钢丝绳，保证不会出现丝绳脱出滑轮和卷筒槽位，造成卷绕，又能保证抓取时，斗体能随其自重沉入物料中，达到满斗取料的目的，这就是通常所说的沉抓功能。

（2）当斗体逐渐接近闭合时，升降电机的力矩开始增大，在完全闭合后，升降电机以全力矩运行，与闭合电机同步运行，此时程序不理会手柄的抓取物料位置，自动转入同步上升状态。

降低了对司机的操作水平的要求。

（3）由于沉抓功能的采用，也带来了新的问题，那就是当斗体接近地面时，斗体会抓刮地面，尤其是有些地面铺设了水泥或耐火砖，如果抓坏地面，不仅在物料中混入了不必要杂物，也会造成场地面损坏，此时就需采取下限位的功能，当PLC检测到斗体达到下限位
时，不再使用沉抓功能，而是模仿有经验的司机的人工操作方法，自动分段完成抓取过程，既保证抓净物料，又保证不抓坏地面。

（4）以上工作过程中，PLC根据旋转编码器检测的信号，自动分配变频器的工作频率和出力状态以及制动器的工作，使两电机快速地协调工作，全过程各阶段间平滑过度，不会出现人工操作时明显的停顿和反复现象，而且两电机、两副钢丝绳出力均匀平衡。

（5）充分利用变频器对电机的及自身完善的保护功能，如过热、过载、过流、过压、缺相、接地等，从而避免设备在不正常状态下长时间运行，保护设备不被损坏。

故障信息可以准确地指示故障点，极大地方便了维护人员排除故障。

（6）程序编制中可利用功能块编写各阶段操作的功能块程序，在主程序中，根据手柄和检测到的状态信号调用不同的功能块程序，使程序变得简单易读，大大地提高了编程效率，也方便了现场的调试。

另外程序中需考虑更换钢丝绳时，按传统控制方式工作的功能。

4 结束语
此方案解决了抓斗控制中存在疑难问题，降低了设备的故障率，降低了操作人员的工作强度，提高了抓斗起重机的工作效率，实践证明切实可行。

参考文献（略）。