起重機械電氣控制仿真體系分析

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起重設備作為物料搬運、裝卸或用于安裝的機械設備，被廣泛應用于國民經濟的各個領域之中。隨著經濟的發展，起重機需求量不斷增大，同時起重設備還向大型化、高速化以及控制多功能復雜化方向發展，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作為起重機的大腦，其電氣控制系統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，電氣控制系統的設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備，以及其吊載時電氣控制系統的復雜性，對其電氣控制系統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場進行分析判斷，不能在設計初始階段即實驗室階段就進行分析與排查。且當起重機械發生事故時，由于此時現場大都已破壞，也難以對起重機械的電氣控制系統進行準確的事故（或故障）分析。隨著計算機技術、多媒體技術、自動控制技術的飛速發展和廣泛應用，利用實驗室內的試驗條件進行起重機械電氣控制系統安全評價已經成為加強生產安全的迫切需要。

1起重機械電氣控制系統仿真研究的意義

對于基于模擬載荷的起重機械電氣控制系統仿真研究，主要的出發點在于實現實驗室內的起重機械電氣控制仿真系統的構成與真實起重機械電氣控制系統盡量一致。這樣起重機械電氣控制仿真系統研制可以作為開展起重機械電氣控制技術相關科技項目研究的載體，也可以用于檢驗技術的培訓和能力提升。因此基于模擬載荷的起重機械電氣控制系統仿真研究有著重要意義：

1）隨著機電特種設備技術的發展，新型電氣部件和控制方式不斷應用。起重機械電氣控制故障仿真系統研制為新型電氣元件和控制方式實現了實踐論證，對電氣控制系統的安全性能進行評價，非常有利于起重機械電氣控制技術設計水平的提高。

2）可靈活設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的故障模擬與再現，研究各種起重機械電氣事故及其發生的機理、原因、規律、特點。

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

2國內外起重機械電氣控制仿真系統發展趨勢

在我院提出研制起重機械電氣控制仿真系統之前，國內有些相關單位為了培訓或生產制造的需要，也有些起重機械電氣控制的模擬設備，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，在購買電氣控制設備時，有意多購一套控制器及驅動器作為設計及故障處理模擬器[1]。同時也作為設備交貨時用戶方技術人員短期培訓使用。另國內有職業技術學校有裝設集裝箱裝卸橋模擬器，以模式駕駛操作環境，將使學生能夠置在一個接近真實的實踐環境中進行相關專業技能的訓練，提高學生的實際動手能力，提高學校的教學質量[2]。但無與實際起重機械類似的電氣控制系統，更沒有能高仿真地模擬現場作業環境的起重機電氣控制系統。目前國內起重機械電氣控制系統的技術水平還停留在二十世紀使用的電氣控制技術水平，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，電氣控制系統均無法在實驗室進行設計的前期研究和驗證，一旦電氣控制的設計完成后，只能到起重機現場進行安裝、調試和更改，制約了電氣控制技術設計水平的提高。如果在實驗室中建一個能高度模擬實際環境的起重機械電氣控制故障仿真系統，能直觀、真實地反映起重機械電氣控制系統實際工作狀態，有利于設計水平的提高。

3起重機械電氣控制仿真系統的組成與功能

該起重機械電氣控制仿真系統主要設計了聯動臺、控制柜、模擬載荷和信號顯示臺演示等功能模塊，以實現系統功能目標。帶信號顯示面板的電氣系統其最大的亮點是通過模擬載荷，實現了起重機電氣系統在實驗室內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動臺操作系統，具有起重機的起升、大小車行走仿真操作功能；2）設置模擬的電氣線路邏輯與電子元器件故障，實現對起重電氣控制系統故障狀態還原與故障模擬分析；3）完整的電氣控制系統，可進行電氣控制功能和電氣保護的檢驗方法研究；4）設有新型電氣元件和控制方式，可進行起重機電氣系統安全性評價；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的原理

該系統按20T/5T橋式起重機的標準電氣控制系統進行研制，主要由聯動臺、信號顯示面板、控制柜、驅動主機與模擬載荷、投影儀等部分組成。20T/5T電氣系統按繼電器與接觸器控制設計研制，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。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，如圖中過流繼電器F21左側的LED燈即為顯示該元件的工作狀態。

4.1聯動臺

聯動臺包括各種按鈕、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、開關兩部分組成。

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、各檔位的動作狀態，能顯示系統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方向。

4.3控制柜

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

4.4驅動主機與模擬載荷

系統中主起升機構配置驅動主機與模擬載荷電機，兩臺電機分別接電源確認其轉向相反通過聯軸器同軸連接，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電狀態，通過力矩電機控制器可調整轉矩負載的模擬裝置，以實現倒拉反接制動、單相制動等電氣制動的效果。

5結束語

該項目完成后，可研究各種起重機械電氣事故及其發生的機理、原因、規律、特點，研究并采取各種有效的電氣安全技術措施，以幫助企業解決生產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的快速發展。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域具有廣泛的應用前景和良好的經濟社會效應。