1.引言
抓斗橋式起重機(jī)是貨運港口、碼頭、發(fā)電廠、工礦企業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的工程機(jī)械，常用來裝、卸煤、灰、矸石等散料類貨物。橋式起重機(jī)的抓斗升降、開閉、大車、小車運行的原傳動控制均為繼電器、接觸器控制，抓斗操作方式為雙手柄聯(lián)動臺操作。為了保證機(jī)械運行的平穩(wěn)，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子串電阻起動方式，由于繞線式電動機(jī)是通過接觸器來切換電動機(jī)轉(zhuǎn)子上串接的電阻，切換十分頻繁。其故障率居高不下。另外由于抓料全過由全部由人工操作，用于抓斗提升和開閉鋼絲繩的受力很難達(dá)到均衡控制，易出現(xiàn)鋼絲繩斷裂、電機(jī)受損等現(xiàn)象。上述問題既增加了維修量也給生產(chǎn)帶來了一定程度的損失。
2.傳統(tǒng)控制方式存在的問題
2.1 問題提出
抓斗通過鋼絲繩與電機(jī)聯(lián)接，主吊與開閉電機(jī)之間沒有固定的聯(lián)系，沒有合適的檢測開關(guān)，在抓斗抓取物料的全過程中的每個階段，要求兩個電機(jī)的出力狀況都是不同的，需要不斷地改變電機(jī)的控制方式和出力情況，但傳統(tǒng)的串電阻控制方式無法滿足這種力矩控制的要求，因此抓斗主吊與開閉兩電動機(jī)的協(xié)調(diào)完全依靠司機(jī)的熟練程度以及操作水平。所以司機(jī)的勞動強(qiáng)度大，注意力需高度集中，容易疲勞，特別是夜間作業(yè)，更是如此。
隨著計算機(jī)控制技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，在保證設(shè)備安全使用、可靠運行的前提下，實際生產(chǎn)中用戶普遍要求提高橋式起重吊車的作業(yè)效率、自動化程度、節(jié)能效果和減少維修量。在變頻技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，變頻傳動取代了以往的串電阻、自激調(diào)速等傳動方式，實現(xiàn)了平穩(wěn)運行和軟啟動、低故障高效率驅(qū)動。
可編程控制器也被廣泛地使用到抓斗吊車的控制系統(tǒng)之中，無論是采用傳統(tǒng)的串電阻傳動方式還是采用變頻器傳動方式，都需要仔細(xì)研究抓斗閉合的每個過程對電機(jī)出力的要求。目前國內(nèi)部分抓斗起重機(jī)采用了plc和變頻器，但沒有解決以上所述的核心問題，所以仍然無法解決原系統(tǒng)存在的問題，而且因為制動器控制不合理，造成變頻器頻繁燒毀等問題。
2.2 問題分析
（1） 抓斗傳動系統(tǒng)由閉合機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)兩部分組成，兩套系統(tǒng)的提升能力分別按照抓斗起重量的60%設(shè)計，在勻速提升過程中，各承擔(dān)50%的功率，工作過程中，如果抓斗閉合不嚴(yán)即進(jìn)入提升階段會造成物料遺漏，如果提升過晚又會造成閉合系統(tǒng)du立承擔(dān)大于50%的提升量的功率，久而久之，會造成閉合機(jī)構(gòu)的電機(jī)、鋼絲繩等的壽命減短，同樣的：在調(diào)整兩電機(jī)的過程中，如果提升電機(jī)提前動作，又會造成提升電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)的過載。
（2） 抓斗抓取物料時，斗體置于物料表面，如果提升電機(jī)鋼絲繩保持過度松弛狀態(tài)，會造成鋼絲繩脫離槽位、纏繞，反之如果提升電機(jī)鋼絲繩保持拉緊不動狀態(tài)，抓斗閉合時，抓取的物料又太少，此時需司機(jī)在抓取過程中使用點動方式不斷調(diào)整抓斗位置才能保證滿斗抓料，此過程要求司機(jī)具有較高的操作經(jīng)驗，而且勞動強(qiáng)度大，很難保證每次都能達(dá)到要求。
（3） 當(dāng)使用變頻控制電機(jī)時，簡單地按照手柄指令延時控制制動器打開和關(guān)閉時間，不僅程序煩瑣，而且非常不合理，容易造成溜鉤和高力矩時抱死，造成電機(jī)、變頻器過載，抓取過程也難以順利進(jìn)行。在制動器合理的情況下，上述第二項的矛盾仍難以解決。
（4） 當(dāng)變頻器設(shè)置為v/f控制時，難以滿足低速時的良好轉(zhuǎn)矩，當(dāng)變頻器設(shè)置為失量控制模式時，電機(jī)的機(jī)械特性很硬，此時，難以保證兩臺變頻器控制下的電機(jī)將達(dá)到力矩平衡。
（5） 在抓斗控制過程中，要求變頻器在每個階段需要不同的出力，依賴變頻器無法滿足抓斗的工作需要。
綜上所述，傳統(tǒng)的控制方式不單是傳動部分存在缺陷，控制系統(tǒng)也存在控制邏輯不合理的因素。
3.改造目標(biāo)和方法
抓斗控制系統(tǒng)改造就是要解決以上所述的弊端，用變頻器解決傳動系統(tǒng)的要求，用可編程序控制器（plc）和旋轉(zhuǎn)編碼器配合達(dá)到邏輯控制的要求。用軟件來模仿有經(jīng)驗的操作人員的操作方法，與變頻器配合完成抓取的全過程。
3.1 方案設(shè)計
采用歐姆龍公司的cj1m系列plc作為控制核心，用e6c2型旋轉(zhuǎn)編碼器檢測兩個電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，安裝在兩個電機(jī)軸上或卷筒軸上，選用兩臺3g3rv-zv1系列變頻器驅(qū)動電機(jī)。
3g3rv-zv1型變頻器具有開環(huán)矢量控制功能，開環(huán)矢量控制方式下，調(diào)速范圍可達(dá)：1∶100，速度控制精度達(dá)到0.2%，具有低速高轉(zhuǎn)矩和力矩限制功能，完全滿足抓斗吊對電機(jī)出力的要求。
兩臺變頻器均以開環(huán)失量模式工作，頻率指令來自于plc的開關(guān)量輸出的多段速指令，附圖所示出抓斗控制方案。
附圖 抓斗控制方案示意圖
3.2 主控系統(tǒng)
cj1m-cpu22型plc的cpu內(nèi)置10點輸入，6點輸出。其中輸入包含4個中斷輸入或2個高速計數(shù)器輸入（單相輸入：100khz或相位差輸入：50khz），輸出包含2個脈沖輸出100khz控制輸出，內(nèi)置位控功能。cj1m具有的功能塊功能 ，在程序編制過程中，可以減少相同功能程序的重復(fù)勞動。
在本方案中，兩個旋轉(zhuǎn)編碼器接入到cpu的兩個高速計數(shù)器輸入口，由plc硬件對兩個旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號進(jìn)行記數(shù)，并計算兩軸的差值，以此判斷抓斗的閉合狀態(tài)。
從小車到控制柜導(dǎo)線距離較遠(yuǎn)，e6c2型編碼器必須采用線性驅(qū)動輸出型，以保證長距離無損失地傳送脈沖信號。
主令控制器采用單手柄十字形手柄，根據(jù)行業(yè)內(nèi)的操作習(xí)慣，確定手柄的操作位置分別代表：兩電機(jī)同步上升、兩電機(jī)同步下降、提升時開斗、提升時閉斗、下降時開斗、下降時閉斗，靜止開斗、靜止閉斗，程序亦據(jù)此編制，plc根據(jù)手柄的指令分配兩臺變頻器驅(qū)動電機(jī)按預(yù)定的出力情況配合工作。
3.3 技術(shù)關(guān)鍵
（1） 在抓取物料的情況下，斗體接近物料時手柄打向閉斗時下降，此時，plc控制閉斗電機(jī)正常閉合，升降電機(jī)以小力矩拉緊鋼絲繩，保證不會出現(xiàn)絲繩脫出滑輪和卷筒槽位，造成卷繞，又能保證抓取時，斗體能隨其自重沉入物料中，達(dá)到滿斗取料的目的，這就是通常所說的沉抓功能。
（2） 當(dāng)斗體逐漸接近閉合時，升降電機(jī)的力矩開始增大，在完全閉合后，升降電機(jī)以全力矩運行，與閉合電機(jī)同步運行，此時程序不理會手柄的抓取物料位置，自動轉(zhuǎn)入同步上升狀態(tài)。降低了對司機(jī)的操作水平的要求。
（3） 由于沉抓功能的采用，也帶來了新的問題，那就是當(dāng)斗體接近地面時，斗體會抓刮地面，尤其是有些地面鋪設(shè)了水泥或耐火磚，如果抓壞地面，不僅在物料中混入了不必要雜物，也會造成場地?fù)p壞，此時就需采取下限位的功能，當(dāng)plc檢測到斗體達(dá)到下限位時，不再使用沉抓功能，而是模仿有經(jīng)驗的司機(jī)的人工操作方法，自動分段完成抓取過程，既保證抓凈物料，又保證不抓壞地面。
（4） 以上工作過程中，plc根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器檢測的信號，自動分配變頻器的工作頻率和出力狀態(tài)以及制動器的工作，使兩電機(jī)快速地協(xié)調(diào)工作，全過程各階段間平滑過度，不會出現(xiàn)人工操作時明顯的停頓和反復(fù)現(xiàn)象，而且兩電機(jī)、兩副鋼絲繩出力均勻平衡。
（5） 充分利用變頻器對電機(jī)的及自身完善的保護(hù)功能，如過熱、過載、過流、過壓、缺相、接地等，從而避免設(shè)備在不正常狀態(tài)下長時間運行，保護(hù)設(shè)備不被損壞。故障信息可以準(zhǔn)確地指示故障點，極大地方便了維護(hù)人員排除故障。
（6） 程序編制中可利用功能塊編寫各階段操作的功能塊程序，在主程序中，根據(jù)手柄和檢測到的狀態(tài)信號調(diào)用不同的功能塊程序，使程序變得簡單易讀，大大地提高了編程效率，也方便了現(xiàn)場的調(diào)試。另外程序中需考慮更換鋼絲繩時，按傳統(tǒng)控制方式工作的功能。
4.結(jié)束語
此方案解決了抓斗控制中存在疑難問題，降低了設(shè)備的故障率，降低了操作人員的工作強(qiáng)度，提高了抓斗起重機(jī)的工作效率，實踐證明切實可行。
