謝靖，李曉寧，鄭祥盤

（福建省特種設(shè)備檢驗研究院 福建 福州 350008）

起重設(shè)備作為物料搬運、裝卸或用于安裝的機械設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域之中。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，起重機需求量不斷增大，同時起重設(shè)備還向大型化、高速化以及控制多功能復(fù)雜化方向發(fā)展，隨之而來的起重機危險因素、事故也越來越多。

起重機械電氣控制系統(tǒng)作為起重機的大腦，其電氣控制系統(tǒng)的安全對起重機械的安全所占的分量是不言而意的。起重機械電氣安全是生產(chǎn)安全的重要組成部分。遼寧“4.18”鋼水包傾覆特大事故中，電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計缺陷就是該事故的直接原因之一。然而由于起重機械基本屬于大型設(shè)備，以及其吊載時電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，對其電氣控制系統(tǒng)是否存在安全隱患的評價或故障分析，均要在起重機械的使用現(xiàn)場進行分析判斷，不能在設(shè)計初始階段即實驗室階段就進行分析與排查。且當(dāng)起重機械發(fā)生事故時，由于此時現(xiàn)場大都已破壞，也難以對起重機械的電氣控制系統(tǒng)進行準(zhǔn)確的事故（或故障）分析。隨著計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，利用實驗室內(nèi)的試驗條件進行起重機械電氣控制系統(tǒng)安全評價已經(jīng)成為加強生產(chǎn)安全的迫切需要。

1 起重機械電氣控制系統(tǒng)仿真研究的意義

對于基于模擬載荷的起重機械電氣控制系統(tǒng)仿真研究，主要的出發(fā)點在于實現(xiàn)實驗室內(nèi)的起重機械電氣控制仿真系統(tǒng)的構(gòu)成與真實起重機械電氣控制系統(tǒng)盡量一致。這樣起重機械電氣控制仿真系統(tǒng)研制可以作為開展起重機械電氣控制技術(shù)相關(guān)科技項目研究的載體，也可以用于檢驗技術(shù)的培訓(xùn)和能力提升。因此基于模擬載荷的起重機械電氣控制系統(tǒng)仿真研究有著重要意義：

1）隨著機電特種設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，新型電氣部件和控制方式不斷應(yīng)用。起重機械電氣控制故障仿真系統(tǒng)研制為新型電氣元件和控制方式實現(xiàn)了實踐論證，對電氣控制系統(tǒng)的安全性能進行評價，非常有利于起重機械電氣控制技術(shù)設(shè)計水平的提高。

2）可靈活設(shè)置電氣線路邏輯故障與電子元器件故障，供研究人員操作、分析問題、解決問題之用。通過基于模擬載荷的起重機械電氣控制仿真系統(tǒng)的故障模擬與再現(xiàn)，研究各種起重機械電氣事故及其發(fā)生的機理、原因、規(guī)律、特點。

3）通過起重機電氣控制系統(tǒng)的檢驗方法研究，可使起重機械電氣系統(tǒng)檢驗更為深入。直觀的LED顯示功能與投影，使復(fù)雜的電氣系統(tǒng)對于初學(xué)者也能淺顯易懂，為起重機械電氣原理研究、教學(xué)與實訓(xùn)等構(gòu)建了一個很好的平臺。

2 國內(nèi)外起重機械電氣控制仿真系統(tǒng)發(fā)展趨勢

在我院提出研制起重機械電氣控制仿真系統(tǒng)之前，國內(nèi)有些相關(guān)單位為了培訓(xùn)或生產(chǎn)制造的需要，也有些起重機械電氣控制的模擬設(shè)備，但功能不同或不夠完整。例如：有公司因早期制造集裝箱裝卸橋的需要，能讓工程師們做一些編程及測試的需要，在購買電氣控制設(shè)備時，有意多購一套控制器及驅(qū)動器作為設(shè)計及故障處理模擬器[1]。同時也作為設(shè)備交貨時用戶方技術(shù)人員短期培訓(xùn)使用。另國內(nèi)有職業(yè)技術(shù)學(xué)校有裝設(shè)集裝箱裝卸橋模擬器，以模式駕駛操作環(huán)境，將使學(xué)生能夠置在一個接近真實的實踐環(huán)境中進行相關(guān)專業(yè)技能的訓(xùn)練，提高學(xué)生的實際動手能力，提高學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量[2]。但無與實際起重機械類似的電氣控制系統(tǒng)，更沒有能高仿真地模擬現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的起重機電氣控制系統(tǒng)。

目前國內(nèi)起重機械電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)水平還停留在二十世紀使用的電氣控制技術(shù)水平，電氣控制邏輯線路沒有明顯的更新改進[3-4]。這原因之一是起重機械一般體積都較大，起吊的載荷又較重，電氣控制系統(tǒng)均無法在實驗室進行設(shè)計的前期研究和驗證，一旦電氣控制的設(shè)計完成后，只能到起重機現(xiàn)場進行安裝、調(diào)試和更改，制約了電氣控制技術(shù)設(shè)計水平的提高。如果在實驗室中建一個能高度模擬實際環(huán)境的起重機械電氣控制故障仿真系統(tǒng)，能直觀、真實地反映起重機械電氣控制系統(tǒng)實際工作狀態(tài)，有利于設(shè)計水平的提高。

3 起重機械電氣控制仿真系統(tǒng)的組成與功能

該起重機械電氣控制仿真系統(tǒng)主要設(shè)計了聯(lián)動臺、控制柜、模擬載荷和信號顯示臺演示等功能模塊，以實現(xiàn)系統(tǒng)功能目標(biāo)。帶信號顯示面板的電氣系統(tǒng)其最大的亮點是通過模擬載荷，實現(xiàn)了起重機電氣系統(tǒng)在實驗室內(nèi)高度仿真模擬起重機吊運的各種工狀，主要組成包括：

1）提供完整的司機室聯(lián)動臺操作系統(tǒng)，具有起重機的起升、大小車行走仿真操作功能；

2）設(shè)置模擬的電氣線路邏輯與電子元器件故障，實現(xiàn)對起重電氣控制系統(tǒng)故障狀態(tài)還原與故障模擬分析；

3）完整的電氣控制系統(tǒng)，可進行電氣控制功能和電氣保護的檢驗方法研究；

4）設(shè)有新型電氣元件和控制方式，可進行起重機電氣系統(tǒng)安全性評價；

5）多樣的電氣元件（如絕緣電阻、過流繼電器、延時繼電器），供測量或整定評判研究。

4 起重機械電氣控制仿真系統(tǒng)的原理

該系統(tǒng)按20T/5T橋式起重機的標(biāo)準(zhǔn)電氣控制系統(tǒng)進行研制，主要由聯(lián)動臺、信號顯示面板、控制柜、驅(qū)動主機與模擬載荷、投影儀等部分組成。20T/5T電氣系統(tǒng)按繼電器與接觸器控制設(shè)計研制，其部分電氣原理圖如圖1所示[5-6]，也可切換至按PLC+變頻器控制電氣系統(tǒng)。

圖1中的起升運動電動機控制線路是由凸輪控制器的觸頭直接控制電動機的啟動、換向、停止，切除外加電阻，打開、閉合制動器，其通過LED燈顯示電氣元件的動作狀態(tài)，如圖中過流繼電器F21左側(cè)的LED燈即為顯示該元件的工作狀態(tài)。

4.1 聯(lián)動臺

聯(lián)動臺包括各種按鈕、儀表、指示器、操作手柄、腳踏板以及司機座椅等。聯(lián)動控制臺是由主令控制器、凸輪控制器、坐椅、指示燈、警鈴等部分組成，其中主令控制器與凸輪控制器為控制臺的核心元件，由操縱機構(gòu)、開關(guān)兩部分組成。

圖1 電氣原理圖Fig.1 Electrical diagram

4.2 信號顯示面板

顯示面板采用信號燈指示，信號顯示面板電路原理圖如圖2所示，通過LED燈顯示各機構(gòu)、各檔位的動作狀態(tài)，能顯示系統(tǒng)的接觸器和繼電器吸合與線路通斷情況，能顯示過流繼電器、接觸器和繼電器失效的情況；采集并顯示起升電機運轉(zhuǎn)方向。

圖2 信號顯示面板電路原理圖Fig.2 Signal display panel of the circuit principle diagram

4.3 控制柜

主起升機構(gòu)采用主令控制器配合控制屏控制，副起升機構(gòu)、大小車運行機構(gòu)采用凸輪控制器控制。控制柜按20T/5T、跨度12 m橋式起重機電氣要求的控制柜實際尺寸制作。

4.4 驅(qū)動主機與模擬載荷

系統(tǒng)中主起升機構(gòu)配置驅(qū)動主機與模擬載荷電機，兩臺電機分別接電源確認其轉(zhuǎn)向相反通過聯(lián)軸器同軸連接，起動拖動電機，再串電阻起動負載電機。將交流力矩電機作為負載電機處于發(fā)電狀態(tài)，通過力矩電機控制器可調(diào)整轉(zhuǎn)矩負載的模擬裝置，以實現(xiàn)倒拉反接制動、單相制動等電氣制動的效果。

5 結(jié)束語

該項目完成后，可研究各種起重機械電氣事故及其發(fā)生的機理、原因、規(guī)律、特點，研究并采取各種有效的電氣安全技術(shù)措施，以幫助企業(yè)解決生產(chǎn)中起重機械電氣控制安全問題，提高電氣安全水平，推動我國起重機械電氣控制與安全技術(shù)的快速發(fā)展。也可為起重機械電氣控制研究提高新的思路與控制方法，改善起重機械電氣控制安全問題，項目的實施推廣在電氣控制工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟社會效應(yīng)。

[1]蔡志剛.集裝箱裝卸橋電氣控制系統(tǒng)仿真[J].實驗室研究與探索，2005（11）：34-36.

CAI Zhi-gang.The container crane electric control system simulation[J].Laboratory Research and Exploration，2005（11）：34-36.

[2]李劍，梁崗，王重華.集裝箱裝卸橋仿真訓(xùn)練系統(tǒng)通信功能的實現(xiàn)[J].上海海運學(xué)院學(xué)報，2002，23（3）：58-61.

LI Jian，LIANG Gang，WANG Chong-hua.The container crane simulation training system communication function[J].Journal of Shanghai Maritime University，2002，23（3）：58-61.

[3]陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[4]趙國.起重機械電氣安全技術(shù)檢驗[M].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[5]裘為章，吳錫忠.實用起重機電氣技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[6]黃大巍，李風(fēng)，毛文杰，等.現(xiàn)代起重運輸機械[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.