1.引言
抓斗橋式起重機是貨運港口、碼頭、發電廠、工礦企業生產過程中不可缺少的工程機械，常用來裝、卸煤、灰、矸石等散料類貨物。橋式起重機的抓斗升降、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動臺操作。為了保證機械運行的平穩，系統采用轉子串電阻起動方式，由于繞線式電動機是通過接觸器來切換電動機轉子上串接的電阻，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到均衡控制，易出現鋼絲繩斷裂、電機受損等現象。上述問題既增加了維修量也給生產帶來了一定程度的損失。
2.傳統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聯接，主吊與開閉電機之間沒有固定的聯系，沒有合適的檢測開關，在抓斗抓取物料的全過程中的每個階段，要求兩個電機的出力狀況都是不同的，需要不斷地改變電機的控制方式和出力情況，但傳統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的協調完全依靠司機的熟練程度以及操作水平。所以司機的勞動強度大，注意力需高度集中，容易疲勞，特別是夜間作業，更是如此。
隨著計算機控制技術、交流調速技術和電力電子技術的發展，在保證設備安全使用、可靠運行的前提下，實際生產中用戶普遍要求提高橋式起重吊車的作業效率、自動化程度、節能效果和減少維修量。在變頻技術蓬勃發展的今天，變頻傳動取代了以往的串電阻、自激調速等傳動方式，實現了平穩運行和軟啟動、低故障高效率驅動。
可編程控制器也被廣泛地使用到抓斗吊車的控制系統之中，無論是采用傳統的串電阻傳動方式還是采用變頻器傳動方式，都需要仔細研究抓斗閉合的每個過程對電機出力的要求。目前國內部分抓斗起重機采用了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） 抓斗傳動系統由閉合機構、提升機構兩部分組成，兩套系統的提升能力分別按照抓斗起重量的60%設計，在勻速提升過程中，各承擔50%的功率，工作過程中，如果抓斗閉合不嚴即進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du立承擔大于50%的提升量的功率，久而久之，會造成閉合機構的電機、鋼絲繩等的壽命減短，同樣的：在調整兩電機的過程中，如果提升電機提前動作，又會造成提升電機的驅動系統的過載。
（2） 抓斗抓取物料時，斗體置于物料表面，如果提升電機鋼絲繩保持過度松弛狀態，會造成鋼絲繩脫離槽位、纏繞，反之如果提升電機鋼絲繩保持拉緊不動狀態，抓斗閉合時，抓取的物料又太少，此時需司機在抓取過程中使用點動方式不斷調整抓斗位置才能保證滿斗抓料，此過程要求司機具有較高的操作經驗，而且勞動強度大，很難保證每次都能達到要求。
（3） 當使用變頻控制電機時，簡單地按照手柄指令延時控制制動器打開和關閉時間，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、變頻器過載，抓取過程也難以順利進行。在制動器合理的情況下，上述第二項的矛盾仍難以解決。
（4） 當變頻器設置為v/f控制時，難以滿足低速時的良好轉矩，當變頻器設置為失量控制模式時，電機的機械特性很硬，此時，難以保證兩臺變頻器控制下的電機將達到力矩平衡。
（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，傳統的控制方式不單是傳動部分存在缺陷，控制系統也存在控制邏輯不合理的因素。
3.改造目標和方法
抓斗控制系統改造就是要解決以上所述的弊端，用變頻器解決傳動系統的要求，用可編程序控制器（plc）和旋轉編碼器配合達到邏輯控制的要求。用軟件來模仿有經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 方案設計
采用歐姆龍公司的cj1m系列plc作為控制核心，用e6c2型旋轉編碼器檢測兩個電機的旋轉角度，安裝在兩個電機軸上或卷筒軸上，選用兩臺3g3rv-zv1系列變頻器驅動電機。
3g3rv-zv1型變頻器具有開環矢量控制功能，開環矢量控制方式下，調速范圍可達：1∶100，速度控制精度達到0.2%，具有低速高轉矩和力矩限制功能，完全滿足抓斗吊對電機出力的要求。
兩臺變頻器均以開環失量模式工作，頻率指令來自于plc的開關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
cj1m-cpu22型plc的cpu內置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勞動。
在本方案中，兩個旋轉編碼器接入到cpu的兩個高速計數器輸入口，由plc硬件對兩個旋轉編碼器的脈沖信號進行記數，并計算兩軸的差值，以此判斷抓斗的閉合狀態。
從小車到控制柜導線距離較遠，e6c2型編碼器必須采用線性驅動輸出型，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，根據行業內的操作習慣，確定手柄的操作位置分別代表：兩電機同步上升、兩電機同步下降、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，程序亦據此編制，plc根據手柄的指令分配兩臺變頻器驅動電機按預定的出力情況配合工作。
3.3 技術關鍵
（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控制閉斗電機正常閉合，升降電機以小力矩拉緊鋼絲繩，保證不會出現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，達到滿斗取料的目的，這就是通常所說的沉抓功能。
（2） 當斗體逐漸接近閉合時，升降電機的力矩開始增大，在完全閉合后，升降電機以全力矩運行，與閉合電機同步運行，此時程序不理會手柄的抓取物料位置，自動轉入同步上升狀態。降低了對司機的操作水平的要求。
（3） 由于沉抓功能的采用，也帶來了新的問題，那就是當斗體接近地面時，斗體會抓刮地面，尤其是有些地面鋪設了水泥或耐火磚，如果抓壞地面，不僅在物料中混入了不必要雜物，也會造成場地損壞，此時就需采取下限位的功能，當plc檢測到斗體達到下限位時，不再使用沉抓功能，而是模仿有經驗的司機的人工操作方法，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根據旋轉編碼器檢測的信號，自動分配變頻器的工作頻率和出力狀態以及制動器的工作，使兩電機快速地協調工作，全過程各階段間平滑過度，不會出現人工操作時明顯的停頓和反復現象，而且兩電機、兩副鋼絲繩出力均勻平衡。
（5） 充分利用變頻器對電機的及自身完善的保護功能，如過熱、過載、過流、過壓、缺相、接地等，從而避免設備在不正常狀態下長時間運行，保護設備不被損壞。故障信息可以準確地指示故障點，極大地方便了維護人員排除故障。
（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，根據手柄和檢測到的狀態信號調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，也方便了現場的調試。另外程序中需考慮更換鋼絲繩時，按傳統控制方式工作的功能。
4.結束語
此方案解決了抓斗控制中存在疑難問題，降低了設備的故障率，降低了操作人員的工作強度，提高了抓斗起重機的工作效率，實踐證明切實可行。
