1.引 言

抓斗橋式起重機(jī)常用來裝、卸煤、灰、矸石等重物，是貨

運(yùn)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。橋式起重機(jī)的抓斗升降、開閉、大車、小車運(yùn)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(yùn)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。

四繩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(jì)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(yùn)行的前提下，實(shí)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(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)運(yùn)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.傳統(tǒng)控制方式存在的問題

綜合行業(yè)特點(diǎn)，目前傳統(tǒng)的抓斗控制主要存在以下問題：

(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(jì)，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)獨(dú)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(diǎn)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(yàn)，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(xiàng)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，單獨(dú)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(yàn)的操作人員

的操作方法，與變頻器配合完成抓取的全過程。具體方案如下：

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)。

首先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，附圖示出抓斗控制方案。

附圖 抓斗控制方案示意圖

CJ1M-CPU22型PLC的CPU內(nèi)置10點(diǎn)輸入，6點(diǎn)輸出。其

中輸入包含4個中斷輸入或2個高速計(jì)數(shù)器輸入(單相輸入：

2

OMRON

歐姆龍征文集2007

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(jì)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(jì)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。

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。

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(yùn)行，與閉合電機(jī)同步運(yùn)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。

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(yàn)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。

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。

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(yùn)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(diǎn)，極大地方便了維護(hù)人員排除故障。

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(shí)踐證明切實(shí)可行。