起重机电气控制系统的冗余设计方法思考

孙嘉杰

摘 要：大型机械起重机的使用，使工业生产中的重物搬运更加便捷高效，为我国现代化建设做出了突出的贡献。提升起重机的运行可靠性，成了当前起重机设计中非常关键的一项工作。电气控制系统是起重机中最为重要的系统组成部分之一，是起重机可靠性、安全性与操纵性的重要保障，应该加强其冗余设计。文章通过分析起重机电气控制系统的串联设计与并联设计，探索起重机电气控制系统的冗余设计方法。

关键词：起重机；电气控制系统；冗余设计；方法

中图分类号：TH21 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）34-0100-02

Abstract： The use of large mechanical cranes makes the transportation of heavy objects in industrial production more convenient and efficient and has made a prominent contribution to the modernization of our country. To improve the reliability of crane operation has become a very critical task in the current crane design. The electric air system is one of the most important parts of the crane system， and it is an important guarantee for the reliability， safety and maneuverability of the crane. Therefore， the redundant design of the crane should be strengthened. Through analyzing the series design and parallel design of the crane's electrical control system， this paper explores the redundant design method of it.

Keywords： crane； electric control system； redundant design； method

我国经济发展速度的加快，促进了工程机械行业的不断发展，起重机的生产数量和规模也在逐渐扩增，在工业化进程中发挥的作用越来越重要，被广泛应用于钢铁冶金、机械制造、港口物流、石油化工等行业。在起重机的应用越来越普遍的当下，只有不断提升起重机的可靠性，才能够保障社会生产的高效性，为我国的经济发展做出突出贡献。电气控制系统在起重机的控制当中发挥着至关重要的作用，很多起重机故障或者安全事故都是由于电气控制系统故障导致的。因此，应该在了解电气控制系统的基础上，加强起重机电气控制系统的冗余设计，增强起重机电气控制系统的可靠性，提升起重机生产效率、延长其使用寿命的同时，避免安全事故造成的人员伤亡。应该在起重机电气控制系统中加强串联设计、并联和冗余设计，不断优化起重机电气控制系统性能。

1 起重机电气控制系统的设计思路

1.1 可靠性设计

对于产品的预期安全和失效状态进行预估，这是保障可靠性设计能够顺利进行的关键点，也是针对性提升产品可靠性的核心环节。配置产品系统子集的冗余设计指标，比如元器件、组件和执行单元等，是在起重机电气控制系统冗余设计初期需要开展的关键工作，起重机电气控制系统投入运行后的工作状态，应该通过分析其功能、元器件、使用环境和多因素之间的相互关系进行预估。为了能够对起重机电气控制系统在实际工作环境下的工作状态、工作能力和寿命进行预测，需要建立力学模型与数学模型，并在故障数据统计分析和试验的帮助下，完成起重机电气控制系统的冗余设计。此外，在起重机电气控制系统的冗余设计过程中，还应该考虑经济性原则。对于起重机电气控制系统设计薄弱环节的辨识，可以通过分析用户需求、设计输入、试验与指标参数的预评结果、类比结果而实现。薄弱环节的辨识，能够帮助设计人员采取有效的解决措施，实现薄弱环节的补强，不断提升起重机电气控制系统的可靠性，保障起重机的生产效率[1]。

1.2 设计输入

在进行起重机电气控制系统的冗余设计时，应该最大限度保障起重机电气控制系统功能的发挥。首先，对于制动器电源和总动力电源的断开，应该由急停按钮来实现，以保障生产过程中的安全性。其次，应该加强起重机电气控制系统电动机的热过载保护，避免发动机过热引起的系统故障，影响起重机的正常使用。再次，还应该加强起重机电气控制系统的电动机定子异常失电保护和错相、断相保护、行程限位保护、超速保护、超载保护、通道门连锁保护。最后，在起重机电气控制系统冗余设计时，为了提升系统制动的可靠性，应该采用双制动控制。通过上述起重机电气控制系统功能的实现和加强，能够实现起重机电气控制系统冗余设计的不断完善，提升起重机运行的可靠性。

1.3 系统设计构造

起重机电气控制系统的设计构造，主要包括了主电源、主控制回路、安全控制回路、空调系统、全车照明系统、警铃、操纵机构回路等。安全控制回路的闭合包括了紧急开关闭合正常、电气室侧走台开关闭合正常、司机室门关闭正常、相序按规范次序、端梁门开关闭合正常、检修走台侧门开关闭合正常。为了做好机构运行的准备，应该在主电源正常和安全控制回路闭合后，用电锁打开电源、按下启动按钮，主控制回路会得电吸合。运行机构限位开关闭合包括了升降机构上升、下降限位装置或者開关闭合正常，大车左右限位开关闭合正常和小车前后限位开关闭合正常，司机发出吊钩上下、小车前后和大车左右的指令，各机构的运行状况则由PLC控制。速度在反馈信息的作用下由变频器控制，实现有效调速[2]。

2 起重机电气控制系统的串联设计

2.1 串联系统的可靠性

多个子单元进行串接，共同组成串联系统，系统中任一单元的可靠性都要高于串联系统。为了提升系统的可靠性，需要实现系统子集的减少与设计的优化。

2.2 安全保护系统设计

为了能够提升串联系统的可靠性，应该将串联结构设计在各连锁开关、安全保护开关和过流继电器触点中。在安全系统中设有安全接触器，当断开现象出现在控制回路中的串联触点时，那么整个回路就会出现断电的状况，安全接触器释放断开各机構的电气控制回路。下降深度限位、过流继电器触点、上升限位、端梁走台联锁触点、司机室开关触点、小车限位开关、桥架通道口连锁开关触点、大车限位开关、大车走台联锁触点等，共同组成安全系统的电气控制回路。

3 起重机电气控制系统的并联设计

3.1 并联系统的可靠性

并联系统由多个子单元并联而成，并联系统的设计，能够保障只有在所有单元失效时，整个系统才会失效，在可靠性上具有很大的优势[3]。若单元预期寿命符合指数分布，且子集失效概率相同时，那么并联系统的可靠性可以用如下公式表示：

其中n表示单元数量，λ表示单元失效率。并联系统的平均故障间隔时间可以表示为以下公式：

在电气控制系统、电子元件中，并联系统的应用非常普遍，能够大大提升系统的可靠性。

3.2 起重机制动系统的电气设计

冗余系统的设计就是要保障当某个环节出现故障时，系统预期功能可以通过其他环节的正常运转而实现。由于冗余系统是并联系统，根据上述并联系统的可靠性分析可知，只有当所有单元失效时，冗余系统才会失效。因此，应该在起重机制动系统的设计当中应用上述设计理念，不断提升制动的可靠性。

双制动器是起重机制动系统的主要机械形式，包括了支持制动器和工作制动器。工作制动器动作之后，支持制动器才能动作。主制动器作为工作制动器，卷筒制动器作为支持制动器，能够实现起重机制动系统冗余性的设计[4]。

当两套制动器同时作用时，卷筒制动器和电机制动器的得电吸合，能够在上升或者下降主触点闭合后完成，打开抱闸能够通过电磁力的作用实现，从而控制主钩的升降工作。制动器的下闸制动则通过上升或下降接触器失电实现。这种方式能够保障系统的冗余设计，但是对于系统冲击过强，影响起重机结构稳定性。

当两套制动器分别作用时，电机制动器的得电吸合可以通过上升主触点闭合实现，卷筒制动器得电吸合后，抱闸在电磁力作用下打开，控制主钩上升。电机制动器在下降主触点闭合后得电吸合，抱闸在电磁力作用下打开，控制主钩下降。上升或者下降接触器失电，会引起制动器的下闸制动。这种方式的可靠性较高。

第二套制动器延迟作用时，电机制动器的得电吸合可以通过上升主触点闭合实现从而完成立即开闸。卷筒制动器延时得电吸合后，抱闸在电磁力作用下打开，控制主钩上升。电机制动器在下降主触点闭合后得电吸合从而实现立即开闸，卷筒制动器延时得电吸合后，抱闸在电磁力作用下打开，控制主钩下降。上升或者下降接触器失电，会引起制动器的先后下闸制动。延时回路的设计，使得延迟出现在制动器动作当中，避免对起重机结构造成过大冲击，能够不断提升起重机的制动稳定性[5]。

此外，制动接触器还可以由两个独立电气装置进行控制，能够有效提升电气控制的可靠性。粘连吸合发生在电气装置触点时，另一串联电气装置触点能够发挥作用。制动接触器的常开触点、延时继电器的常闭触点、主令接触器触点和下降接触器的常开触点、下降辅助接触器的常开触点以及上升接触器的常开触点、上升辅助器的常开触点、主令控制器触点，共同组成制动接触器电路的三条回路。

4 结束语

起重机电气安全回路的串联设计和起重机制动器回路的并联设计，能够通过起重机电气控制系统的冗余设计实现，能够有效提升起重机电气控制系统的可靠性，实现起重机性能的保障。尤其是在当前现代化建设速度越来越快的情况下，只有加强起重机电气控制系统的冗余设计，才能够保障起重机电气控制系统的功能发挥，提升起重机在社会生产中的作用。

参考文献：

[1]李海明.浅谈桥式起重机电气控制系统设计[J].中国战略新兴产业，2018（32）：140.

[2]宗浩.起重机电气控制系统现状与发展趋势[J].建筑机械化，2017，38（05）：17-18+37.

[3]朱广慧.起重机电气控制系统的冗余设计方法研究[J].建筑机械化，2016，37（04）：42-45.

[4]李海洋.起重机电气控制系统及上车布局优化的设计与实现[D].大连海事大学，2012.

[5]罗蓉.运用PLC改造起重机电气控制系统[J].机械管理开发，2007（S1）：66-67.