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【摘要】：本文介绍了轮胎式门吊的电气控制系统，着重介绍了电气控制系统的特点、原理与组成。
【关键词】：轮胎式门式起重机；控制系统；电气系统
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
中图分类号：S972.7+4 文献标识码： A 文章编号：
改革开放以来，我国的经济和科技水平得到了很大的提高，特别是电气控制系统的发展，大大降低了工人的劳动强度，提高了劳动生产率。近几年来，随着我国高速铁路的建设进入快速发展时期，在高速铁路的施工建设中，对施工技术和施工装备提出了更高的要求，为了满足在高铁敷设时需要起吊设备能够满足桥上、桥下吊装，以及桥梁超高地段高精度全方位作业的要求，研制了一种轮胎式门吊。轮胎式门吊是一种电驱动走行和起吊的起重机，电气控制系统就成为其神经中枢，对其的正常运行起着重要的作用。本文以下内容着重介绍了轮胎式门式起重机的电气控制系统。
一、电气控制系统的特点
电气控制系统一般称为电气设备二次控制回路，其是指为了保证一次设备运行的可靠与安全，需要有许多辅助电气设备为之服务，能够实现某项控制功能的若干个电器组件的组合。其主要功能为：第一，自动控制功能，高压和大电流开关设备的体积是很大的，一般都采用操作系统来控制分、合闸，特别是当设备出了故障时，需要开关自动切断电路，要有一套自动控制的电气操作设备，对供电设备进行自动控制。第二，保护功能。电气设备与线路在运行过程中会发生故障，电流(或电压)会超过设备与线路允许工作的范围与限度，这就需要一套检测这些故障信号并对设备和线路进行自动调整(断开、切换等)的保护设备。第三，监视功能。一台设备是否带电或断电，从外表看无法分辨，需要设置各种视听信号，对一次设备进行电气监视。
二、电气控制系统原理与组成
轮胎式电气控制系统一般由变频器、可编程逻辑控制器PLC、工控机、监控软件及控制台组成，整个系统分为执行层、控制层及监控层等三个层次。门吊电器部分主要实现门架的走行和电动葫芦的起升。而且根据作业工况的要求，门吊的起升机构和运行机构可以同时运行。
2.1、执行层
对于执行层来说，实现以下功能：控制电动机的起动，停止和制动；控制电动机的换相，实现电动机的正，反转；通过变频器内部控制部分，以改变和调节电动机的转速；实现对起重机的零位保护和各工作机构安全限位的连锁保护。主要包括主令控制器、接触器、变频器和电器限位装置。
主令控制器和控制台一起用来控制电动机的起动、转向、调速和制动。用来缓解控制电路而使一些控制电器（接触器，继电器）按一定顺序动作的电路。
接触器是用来将主电路接通与断开远距离控制的电器。它是由电磁操作来实现控制过程，能远距离控制和频繁动作，以较小的控制功率控制叫大功率的主电路。在起重机上接触器是用来控制电动机的起动、制动、停止和调速。
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。控制回路如图1、图2所示。
图1 门吊部分控制回路
门吊采用交流380V、50Hz三相四线制供电系统，动力回路为380V，控制和照明回路为36V安全电压。
图2 变频器控制回路
在起升机构上升或者下降的时候，变频器根据对电动机的自适应检测出所必须提供的力矩，提供出一个状态化适当的电流给发动机，如果变频器读到反馈回来的电流，则制动其释放、打开；如果由于某种原因变频器没有读到反馈电流，则认为力矩检测失败，并能提供出相关的信息显示。变频器的调速功能主要体现是：实际速度通过旋转编码器将反馈至变频器，变频器将速度的转换至用通用的形式传递给可编程逻辑控制器PLC，然后控制制动器，在速度减少到接近零的时候，发出制动指令，保证了整个机构在运行与制动过程中的平稳。恒功率调速是对起升机机构最主要的控制方式，其是指在重载的时候，电动机保持在基速以下的最大恒转矩运行，而在轻载或者空载的时候，利用电动机高速低转矩输出的特点，根据负荷大小所应提供的转矩弱磁提高转速，保持功率恒定，以提高起重机的使用效率。运行机构一般采用四台变频电机驱动，与起升机构共用一台变频器，采用不带速度反馈的开环矢量控制方式。
电气限位装置通过电气控制限定起重机各机构在一定空间范围内安全运行，在本系统中主要是对门吊的起升高度进行限位，电路如图3所示。
图3 限位装置电路图
2.2、控制层
控制层是由可编程逻辑控制器PLC及工业控制网格组成，通过可编程逻辑控制器PLC程序实现系统的安全保护和运行控制。PLC是一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械。PLC主要由电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路、功能模块及通信模块组成。其工作原理为：当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
中央处理单元是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
通讯模块分为两种，一种是Genius模块，其是通过屏蔽电缆与远程站的Field Control Unit模块项链完成通讯；另一种是Profibus模块，其是通过屏蔽电缆与变频器SI-P卡相连完成PLC与变频器之间的通讯，变频器的所有数据，都可以通过数据通信网络这个工具进行传递。一般起重机的每一台变频器上都配有SI-P卡，负责与PLC的通讯，变频器站通过SI-P卡上的两个开关设定。但是两者不能直接通讯，需要变频器的GSD文件来引导，该文件配置在PLC的硬件配置文件中。
2.3、监视器
监视器是闭路监控系统组成部分，是监控系统的显示部分，是监控系统的标准输出，有了监视器的显示我们才能觀看前端送过来的图像。作为视频监控不可缺的终端设备，充当着监控人员的“眼睛”。对于轮胎式门式起重机的电气控制系统不可缺少的一个重要组成部分，一般在电气室装有监视器。是由工控机和图形控制软件组成，实时动态显示起重机各运行机构的运行状态，并能实时的显示电机的速度、及起重机的起重量等参数，能实时显示各种电气元件的实际工作状态，为操作采取必要的措施提供了强有力的依据。
为了方便用户对设备的使用、维修和管理，一般的轮胎式门式起重机都具有完善的上位监控系统和故障报警显示器。若起重机在运行过程中发生了故障，则其被尚未系统监视、存储及打印，并可以进入警报记录查看器，查看历史上所发生的故障、警报的内容及发生这种事件的时间。
目前的轮胎式门式起重机的监视系统，可以实现对各个机构的转速、电流及力矩等参数进行实时状态监视，并能将监控的内容以曲线形式反映在坐标轴上，以便维护工程师进行实时查看，发现问题并采取措施进行维修。而且，监控系统通过监控得到的各种故障表、变频器参数表和曲线图等均可以通过与其相连接的打印机打印出来，大大方便了对轮胎式门式起重机的检修。
三、结束语
轮胎式门式起重机中采用电气控制系统，避免低频时候满负荷工况下发生带不动负载的现象，能保证提升机具有良好的低速性能，而在控制层采用PLC，节约了大量的中间继电器，并使整个控制系统更快速、准确和可靠。
【参考文献】
[1]《起重运输机械电气设备》刘瑞琦等，中国铁道出版社
[2]《起重运输机电气传动》余敏年等，西南交通大学出版社
[3]《电气控制与PLC原理及运用》程周等，电子工业出版社
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
【关键词】：轮胎式门式起重机；控制系统；电气系统
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
中图分类号：S972.7+4 文献标识码： A 文章编号：
改革开放以来，我国的经济和科技水平得到了很大的提高，特别是电气控制系统的发展，大大降低了工人的劳动强度，提高了劳动生产率。近几年来，随着我国高速铁路的建设进入快速发展时期，在高速铁路的施工建设中，对施工技术和施工装备提出了更高的要求，为了满足在高铁敷设时需要起吊设备能够满足桥上、桥下吊装，以及桥梁超高地段高精度全方位作业的要求，研制了一种轮胎式门吊。轮胎式门吊是一种电驱动走行和起吊的起重机，电气控制系统就成为其神经中枢，对其的正常运行起着重要的作用。本文以下内容着重介绍了轮胎式门式起重机的电气控制系统。
一、电气控制系统的特点
电气控制系统一般称为电气设备二次控制回路，其是指为了保证一次设备运行的可靠与安全，需要有许多辅助电气设备为之服务，能够实现某项控制功能的若干个电器组件的组合。其主要功能为：第一，自动控制功能，高压和大电流开关设备的体积是很大的，一般都采用操作系统来控制分、合闸，特别是当设备出了故障时，需要开关自动切断电路，要有一套自动控制的电气操作设备，对供电设备进行自动控制。第二，保护功能。电气设备与线路在运行过程中会发生故障，电流(或电压)会超过设备与线路允许工作的范围与限度，这就需要一套检测这些故障信号并对设备和线路进行自动调整(断开、切换等)的保护设备。第三，监视功能。一台设备是否带电或断电，从外表看无法分辨，需要设置各种视听信号，对一次设备进行电气监视。
二、电气控制系统原理与组成
轮胎式电气控制系统一般由变频器、可编程逻辑控制器PLC、工控机、监控软件及控制台组成，整个系统分为执行层、控制层及监控层等三个层次。门吊电器部分主要实现门架的走行和电动葫芦的起升。而且根据作业工况的要求，门吊的起升机构和运行机构可以同时运行。
2.1、执行层
对于执行层来说，实现以下功能：控制电动机的起动，停止和制动；控制电动机的换相，实现电动机的正，反转；通过变频器内部控制部分，以改变和调节电动机的转速；实现对起重机的零位保护和各工作机构安全限位的连锁保护。主要包括主令控制器、接触器、变频器和电器限位装置。
主令控制器和控制台一起用来控制电动机的起动、转向、调速和制动。用来缓解控制电路而使一些控制电器（接触器，继电器）按一定顺序动作的电路。
接触器是用来将主电路接通与断开远距离控制的电器。它是由电磁操作来实现控制过程，能远距离控制和频繁动作，以较小的控制功率控制叫大功率的主电路。在起重机上接触器是用来控制电动机的起动、制动、停止和调速。
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。控制回路如图1、图2所示。
图1 门吊部分控制回路
门吊采用交流380V、50Hz三相四线制供电系统，动力回路为380V，控制和照明回路为36V安全电压。
图2 变频器控制回路
在起升机构上升或者下降的时候，变频器根据对电动机的自适应检测出所必须提供的力矩，提供出一个状态化适当的电流给发动机，如果变频器读到反馈回来的电流，则制动其释放、打开；如果由于某种原因变频器没有读到反馈电流，则认为力矩检测失败，并能提供出相关的信息显示。变频器的调速功能主要体现是：实际速度通过旋转编码器将反馈至变频器，变频器将速度的转换至用通用的形式传递给可编程逻辑控制器PLC，然后控制制动器，在速度减少到接近零的时候，发出制动指令，保证了整个机构在运行与制动过程中的平稳。恒功率调速是对起升机机构最主要的控制方式，其是指在重载的时候，电动机保持在基速以下的最大恒转矩运行，而在轻载或者空载的时候，利用电动机高速低转矩输出的特点，根据负荷大小所应提供的转矩弱磁提高转速，保持功率恒定，以提高起重机的使用效率。运行机构一般采用四台变频电机驱动，与起升机构共用一台变频器，采用不带速度反馈的开环矢量控制方式。
电气限位装置通过电气控制限定起重机各机构在一定空间范围内安全运行，在本系统中主要是对门吊的起升高度进行限位，电路如图3所示。
图3 限位装置电路图
2.2、控制层
控制层是由可编程逻辑控制器PLC及工业控制网格组成，通过可编程逻辑控制器PLC程序实现系统的安全保护和运行控制。PLC是一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械。PLC主要由电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路、功能模块及通信模块组成。其工作原理为：当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
中央处理单元是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
通讯模块分为两种，一种是Genius模块，其是通过屏蔽电缆与远程站的Field Control Unit模块项链完成通讯；另一种是Profibus模块，其是通过屏蔽电缆与变频器SI-P卡相连完成PLC与变频器之间的通讯，变频器的所有数据，都可以通过数据通信网络这个工具进行传递。一般起重机的每一台变频器上都配有SI-P卡，负责与PLC的通讯，变频器站通过SI-P卡上的两个开关设定。但是两者不能直接通讯，需要变频器的GSD文件来引导，该文件配置在PLC的硬件配置文件中。
2.3、监视器
监视器是闭路监控系统组成部分，是监控系统的显示部分，是监控系统的标准输出，有了监视器的显示我们才能觀看前端送过来的图像。作为视频监控不可缺的终端设备，充当着监控人员的“眼睛”。对于轮胎式门式起重机的电气控制系统不可缺少的一个重要组成部分，一般在电气室装有监视器。是由工控机和图形控制软件组成，实时动态显示起重机各运行机构的运行状态，并能实时的显示电机的速度、及起重机的起重量等参数，能实时显示各种电气元件的实际工作状态，为操作采取必要的措施提供了强有力的依据。
为了方便用户对设备的使用、维修和管理，一般的轮胎式门式起重机都具有完善的上位监控系统和故障报警显示器。若起重机在运行过程中发生了故障，则其被尚未系统监视、存储及打印，并可以进入警报记录查看器，查看历史上所发生的故障、警报的内容及发生这种事件的时间。
目前的轮胎式门式起重机的监视系统，可以实现对各个机构的转速、电流及力矩等参数进行实时状态监视，并能将监控的内容以曲线形式反映在坐标轴上，以便维护工程师进行实时查看，发现问题并采取措施进行维修。而且，监控系统通过监控得到的各种故障表、变频器参数表和曲线图等均可以通过与其相连接的打印机打印出来，大大方便了对轮胎式门式起重机的检修。
三、结束语
轮胎式门式起重机中采用电气控制系统，避免低频时候满负荷工况下发生带不动负载的现象，能保证提升机具有良好的低速性能，而在控制层采用PLC，节约了大量的中间继电器，并使整个控制系统更快速、准确和可靠。
【参考文献】
[1]《起重运输机械电气设备》刘瑞琦等，中国铁道出版社
[2]《起重运输机电气传动》余敏年等，西南交通大学出版社
[3]《电气控制与PLC原理及运用》程周等，电子工业出版社
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。