起重机械电气控制仿真体系分析

起重设备作为物料搬运、装卸或用于安装的机械设备，被广泛应用于国民经济的各个领域之中。随着经济的发展，起重机需求量不断增大，同时起重设备还向大型化、高速化以及控制多功能复杂化方向发展，随之而来的起重机危险因素、事故也越来越多。起重机械电气控制系统作为起重机的大脑，其电气控制系统的安全对起重机械的安全所占的分量是不言而意的。起重机械电气安全是生产安全的重要组成部分。辽宁“4.18”钢水包倾覆特大事故中，电气控制系统的设计缺陷就是该事故的直接原因之一。然而由于起重机械基本属于大型设备，以及其吊载时电气控制系统的复杂性，对其电气控制系统是否存在安全隐患的评价或故障分析，均要在起重机械的使用现场进行分析判断，不能在设计初始阶段即实验室阶段就进行分析与排查。且当起重机械发生事故时，由于此时现场大都已破坏，也难以对起重机械的电气控制系统进行准确的事故（或故障）分析。随着计算机技术、多媒体技术、自动控制技术的飞速发展和广泛应用，利用实验室内的试验条件进行起重机械电气控制系统安全评价已经成为加强生产安全的迫切需要。

1起重机械电气控制系统仿真研究的意义

对于基于模拟载荷的起重机械电气控制系统仿真研究，主要的出发点在于实现实验室内的起重机械电气控制仿真系统的构成与真实起重机械电气控制系统尽量一致。这样起重机械电气控制仿真系统研制可以作为开展起重机械电气控制技术相关科技项目研究的载体，也可以用于检验技术的培训和能力提升。因此基于模拟载荷的起重机械电气控制系统仿真研究有着重要意义：

1）随着机电特种设备技术的发展，新型电气部件和控制方式不断应用。起重机械电气控制故障仿真系统研制为新型电气元件和控制方式实现了实践论证，对电气控制系统的安全性能进行评价，非常有利于起重机械电气控制技术设计水平的提高。

2）可灵活设置电气线路逻辑故障与电子元器件故障，供研究人员操作、分析问题、解决问题之用。通过基于模拟载荷的起重机械电气控制仿真系统的故障模拟与再现，研究各种起重机械电气事故及其发生的机理、原因、规律、特点。

3）通过起重机电气控制系统的检验方法研究，可使起重机械电气系统检验更为深入。直观的LED显示功能与投影，使复杂的电气系统对于初学者也能浅显易懂，为起重机械电气原理研究、教学与实训等构建了一个很好的平台。

2国内外起重机械电气控制仿真系统发展趋势

在我院提出研制起重机械电气控制仿真系统之前，国内有些相关单位为了培训或生产制造的需要，也有些起重机械电气控制的模拟设备，但功能不同或不够完整。例如:有公司因早期制造集装箱装卸桥的需要，能让工程师们做一些编程及测试的需要，在购买电气控制设备时，有意多购一套控制器及驱动器作为设计及故障处理模拟器[1]。同时也作为设备交货时用户方技术人员短期培训使用。另国内有职业技术学校有装设集装箱装卸桥模拟器，以模式驾驶操作环境，将使学生能够置在一个接近真实的实践环境中进行相关专业技能的训练，提高学生的实际动手能力，提高学校的教学质量[2]。但无与实际起重机械类似的电气控制系统，更没有能高仿真地模拟现场作业环境的起重机电气控制系统。目前国内起重机械电气控制系统的技术水平还停留在二十世纪使用的电气控制技术水平，电气控制逻辑线路没有明显的更新改进[3-4]。这原因之一是起重机械一般体积都较大，起吊的载荷又较重，电气控制系统均无法在实验室进行设计的前期研究和验证，一旦电气控制的设计完成后，只能到起重机现场进行安装、调试和更改，制约了电气控制技术设计水平的提高。如果在实验室中建一个能高度模拟实际环境的起重机械电气控制故障仿真系统，能直观、真实地反映起重机械电气控制系统实际工作状态，有利于设计水平的提高。

3起重机械电气控制仿真系统的组成与功能

该起重机械电气控制仿真系统主要设计了联动台、控制柜、模拟载荷和信号显示台演示等功能模块，以实现系统功能目标。带信号显示面板的电气系统其最大的亮点是通过模拟载荷，实现了起重机电气系统在实验室内高度仿真模拟起重机吊运的各种工状，主要组成包括：1）提供完整的司机室联动台操作系统，具有起重机的起升、大小车行走仿真操作功能；2）设置模拟的电气线路逻辑与电子元器件故障，实现对起重电气控制系统故障状态还原与故障模拟分析；3）完整的电气控制系统，可进行电气控制功能和电气保护的检验方法研究；4）设有新型电气元件和控制方式，可进行起重机电气系统安全性评价；5）多样的电气元件（如绝缘电阻、过流继电器、延时继电器），供测量或整定评判研究。

4起重机械电气控制仿真系统的原理

该系统按20T/5T桥式起重机的标准电气控制系统进行研制，主要由联动台、信号显示面板、控制柜、驱动主机与模拟载荷、投影仪等部分组成。20T/5T电气系统按继电器与接触器控制设计研制，其部分电气原理图如图1所示[5-6]，也可切换至按PLC+变频器控制电气系统。图1中的起升运动电动机控制线路是由凸轮控制器的触头直接控制电动机的启动、换向、停止，切除外加电阻，打开、闭合制动器，其通过LED灯显示电气元件的动作状态，如图中过流继电器F21左侧的LED灯即为显示该元件的工作状态。

4.1联动台

联动台包括各种按钮、仪表、指示器、操作手柄、脚踏板以及司机座椅等。联动控制台是由主令控制器、凸轮控制器、坐椅、指示灯、警铃等部分组成，其中主令控制器与凸轮控制器为控制台的核心元件，由操纵机构、开关两部分组成。

4.2信号

显示面板显示面板采用信号灯指示，信号显示面板电路原理图如图2所示，通过LED灯显示各机构、各档位的动作状态，能显示系统的接触器和继电器吸合与线路通断情况，能显示过流继电器、接触器和继电器失效的情况；采集并显示起升电机运转方向。

4.3控制柜

主起升机构采用主令控制器配合控制屏控制，副起升机构、大小车运行机构采用凸轮控制器控制。控制柜按20T/5T、跨度12m桥式起重机电气要求的控制柜实际尺寸制作。

4.4驱动主机与模拟载荷

系统中主起升机构配置驱动主机与模拟载荷电机，两台电机分别接电源确认其转向相反通过联轴器同轴连接，起动拖动电机，再串电阻起动负载电机。将交流力矩电机作为负载电机处于发电状态，通过力矩电机控制器可调整转矩负载的模拟装置，以实现倒拉反接制动、单相制动等电气制动的效果。

5结束语

该项目完成后，可研究各种起重机械电气事故及其发生的机理、原因、规律、特点，研究并采取各种有效的电气安全技术措施，以帮助企业解决生产中起重机械电气控制安全问题，提高电气安全水平，推动我国起重机械电气控制与安全技术的快速发展。也可为起重机械电气控制研究提高新的思路与控制方法，改善起重机械电气控制安全问题，项目的实施推广在电气控制工程领域具有广泛的应用前景和良好的经济社会效应。