起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)探索

王濤

摘要：為了保證我國(guó)的城市化水平能夠穩(wěn)步提升，國(guó)家就必須為工業(yè)建設(shè)生產(chǎn)力提供可靠保證。隨著城市建設(shè)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，工程建設(shè)效率成為了我們需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。其中起重機(jī)在工地當(dāng)中的各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著極其重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與起重機(jī)相結(jié)合，起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)、起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以及起重機(jī)怠速系統(tǒng)都應(yīng)運(yùn)而生。因此本文就基于起重機(jī)產(chǎn)品的現(xiàn)狀來(lái)判斷起重機(jī)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)電氣控制系統(tǒng);現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

引言：

在過(guò)去幾十年里，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展都是依靠著工業(yè)建設(shè)的快速發(fā)展。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷突破，很多技術(shù)難點(diǎn)都已經(jīng)被克服。于是工程建設(shè)的規(guī)模得到了前所未有的擴(kuò)大，工業(yè)建設(shè)的效率也得到了前所未有的提升。與此同時(shí)起重機(jī)在工程建設(shè)的各個(gè)方面都顯得愈發(fā)重要。這也表示著起重機(jī)一定是在向著更加高效以及更加穩(wěn)定的方向進(jìn)行發(fā)展。于是，工作人員必須要把注意力放在對(duì)起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)研究上。

一、起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

由于起重機(jī)在工程建設(shè)中的作用十分重要，于是工程對(duì)起重機(jī)的要求也會(huì)有所提高。隨著起重機(jī)制造以及銷(xiāo)售行業(yè)的成熟，起重機(jī)行業(yè)逐步形成了完善的系統(tǒng)。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)提高了零部件的通用性，使得設(shè)計(jì)的靈活度得到提升。不僅如此，設(shè)計(jì)成本和制造成本都得到大幅度的降低。針對(duì)于不同情況，起重機(jī)可以通過(guò)控制基礎(chǔ)的單元來(lái)實(shí)現(xiàn)不同板塊的功能。

隨著科技實(shí)力的發(fā)展，有許多新材料得到了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。這使得現(xiàn)實(shí)當(dāng)中很多行業(yè)得到了新技術(shù)的支持，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品性能的提高，進(jìn)一步提升了生產(chǎn)力。其中智能控制技術(shù)的應(yīng)用大大提升了各種工程機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)用性，降低了操作門(mén)檻，提升了其安全性以及工作效率。智能控制技術(shù)包含了經(jīng)典自動(dòng)控制理論以及專家控制理論。智能控制技術(shù)應(yīng)用在起重機(jī)產(chǎn)品的表現(xiàn)形式是通過(guò)中央處理系統(tǒng)對(duì)起重機(jī)在進(jìn)行工作時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行收集和調(diào)控，以此保證起重機(jī)以正常的工作狀態(tài)來(lái)完成其被委派的工程任務(wù)。當(dāng)起重機(jī)在工作過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)故障，智能控制系統(tǒng)就可以對(duì)起重機(jī)的故障自動(dòng)進(jìn)行診斷，并且嘗試進(jìn)行調(diào)整，提升了工程建設(shè)的安全性。當(dāng)起重機(jī)需要在野外進(jìn)行工程建設(shè)或者需要在比較高的建筑上進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，普通的起重機(jī)就會(huì)產(chǎn)生供電不足的問(wèn)題。為了解決起重機(jī)在惡劣環(huán)境下出現(xiàn)的問(wèn)題，機(jī)電液一體化技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生了[1]。機(jī)電液一體化技術(shù)通過(guò)對(duì)變量泵、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率的控制以及故障自診斷的功能，保證了起重機(jī)時(shí)刻都處于正常的工作狀態(tài)。為了提升起重機(jī)在工程建設(shè)的效率，換擋調(diào)速也成為了近年來(lái)起重機(jī)產(chǎn)品必須要具備的功能。換擋調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用使得人們對(duì)提升起重機(jī)運(yùn)行速度的期望得到實(shí)現(xiàn)。尤其是當(dāng)起重機(jī)處于空載的狀態(tài)時(shí)，如果僅僅加大傳動(dòng)功率則會(huì)造成能源的浪費(fèi)，增加了工程建設(shè)的成本甚至造成環(huán)境的污染。此時(shí)換擋調(diào)速技術(shù)憑借其輕量、方便性能優(yōu)越以及寬泛的調(diào)速范圍等特點(diǎn)使得換擋調(diào)速技術(shù)成為了近年來(lái)起重機(jī)產(chǎn)品所必須要具備的技術(shù)之一。

二、塔式起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

基于電子信息技術(shù)、無(wú)線傳感技術(shù)的支撐，塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)的有線監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱讼冗M(jìn)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控范圍也得到了擴(kuò)張，單參數(shù)監(jiān)控已經(jīng)無(wú)法滿足人們對(duì)起重機(jī)產(chǎn)品的要求，于是多參數(shù)在線監(jiān)控為了滿足人們對(duì)起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求就誕生了。不僅如此，如今的無(wú)線監(jiān)控技術(shù)還結(jié)合了無(wú)線傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸范圍已經(jīng)發(fā)展到了全國(guó)范圍甚至?xí)r全世界的范圍。

由于有許多個(gè)具有收集和處理數(shù)據(jù)、長(zhǎng)距離傳輸信息以及傳感和控制功能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，塔式起重機(jī)可以做到信息的收集，并基于收集到的信息對(duì)起重機(jī)以及施工情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且還可以第一時(shí)間把施工信息傳輸出去，真正實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)障礙互通。

塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)要正常進(jìn)行工作，首先必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，接著要在起重機(jī)本機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，然后起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)要連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，與遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行鏈接并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，同時(shí)遠(yuǎn)程設(shè)備對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。以此就形成了數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、本地監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。傳感器、數(shù)據(jù)記載器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成了數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，通過(guò)分布于塔式起重機(jī)各個(gè)位置的傳感器采集所需要的數(shù)據(jù)。本地監(jiān)控系統(tǒng)是分析無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)的有關(guān)于塔式起重機(jī)的數(shù)據(jù)，一方面判斷監(jiān)控對(duì)象是否發(fā)生故障，并及時(shí)發(fā)出處理指令;另一方面實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)參數(shù)，以便操作人員進(jìn)行管理。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由多個(gè)無(wú)線路由組成的，通過(guò)采用無(wú)線通信技術(shù)，起重機(jī)產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并且把本地服務(wù)器和遠(yuǎn)程服務(wù)器連結(jié)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)障礙傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，提升了?shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[2]。

隨著智能監(jiān)控和檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，技術(shù)人員針對(duì)于各類機(jī)械產(chǎn)品的故障監(jiān)控以及診斷系統(tǒng)都進(jìn)行了大量的研究，并且對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。其中也包括了對(duì)起重機(jī)的研究。技術(shù)人員對(duì)塔式起重機(jī)正常工作時(shí)的狀態(tài)以及設(shè)備發(fā)生故障時(shí)數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行了深度的研究和分析。

三、塔式起重機(jī)自動(dòng)怠速控制系統(tǒng)和方法

塔式起重機(jī)自動(dòng)怠速系統(tǒng)是通過(guò)控制器對(duì)杜塔式起重機(jī)的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)生塔式起重機(jī)的部分構(gòu)件無(wú)法正常進(jìn)行工作，控制器就把收集到的信息傳輸給塔式起重機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，并且控制發(fā)動(dòng)機(jī)，使其降低轉(zhuǎn)速進(jìn)入高怠速狀態(tài);如果當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)降低了轉(zhuǎn)速進(jìn)入高怠速狀態(tài)，塔式起重機(jī)的各個(gè)構(gòu)件依然沒(méi)有辦法正常工作時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)持續(xù)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以此進(jìn)入低怠速狀態(tài)。高怠速狀態(tài)和低怠速狀態(tài)會(huì)一直持續(xù)到塔式起重機(jī)的控制器檢測(cè)到其暫停工作的構(gòu)件重新工作為止。

塔式起重機(jī)的升降機(jī)構(gòu)有四種分別為：主起升機(jī)構(gòu)、變幅起升機(jī)構(gòu)以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。用來(lái)驅(qū)動(dòng)主起升機(jī)構(gòu)、、變幅起升機(jī)構(gòu)以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的分別是是主起升馬達(dá)、邊幅起升馬達(dá)以及回轉(zhuǎn)馬達(dá)。主起升機(jī)構(gòu)的主要職能是對(duì)重物的吊起、將重物從高空下降或者使重物在空中保持高度等。變幅起重機(jī)的主要職能則是保證桁架臂可以正常進(jìn)行工作，以此完成重物的吊起工作?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要用于驅(qū)使塔式起重機(jī)可以上車(chē)，并且驅(qū)動(dòng)臂架和吊鉤進(jìn)行回轉(zhuǎn)。

塔式起重機(jī)的怠速系統(tǒng)采用壓力繼電器檢測(cè)的工作時(shí)先導(dǎo)手柄的壓力輸出的狀況。一旦出現(xiàn)壓力繼電器所檢測(cè)的先導(dǎo)手柄的壓力輸出的狀況超過(guò)了5 bar時(shí)，壓力繼電器就會(huì)發(fā)生閉合。當(dāng)塔式起重機(jī)的控制器收集到壓力繼電器閉合的信息，其就可以判斷升降機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行工作。然而當(dāng)所有的壓力繼電器不發(fā)生閉合時(shí)，同理控制器就會(huì)判斷此時(shí)起重機(jī)的升降機(jī)構(gòu)沒(méi)有進(jìn)行工作。塔式起重機(jī)的控制器就根據(jù)這些信息，根據(jù)升降機(jī)構(gòu)的工作情況來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流，以此發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)的開(kāi)度才可以被控制。根據(jù)已經(jīng)收集到的數(shù)據(jù)，塔式起重機(jī)的控制器也會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，以此對(duì)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。當(dāng)控制器判斷起重機(jī)構(gòu)保持不工作狀態(tài)已經(jīng)高達(dá)五秒時(shí)，控制器就會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)開(kāi)度，以此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)怠速的控制。如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1400 r/min，并且控制器檢測(cè)時(shí)判斷起重機(jī)構(gòu)已經(jīng)沒(méi)有正常行動(dòng)五秒時(shí)，控制器就會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)怠速控制功能，于是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)下降直到1 400r/min以下，此時(shí)控制器在檢測(cè)起重機(jī)構(gòu)是否正常進(jìn)行工作就會(huì)重新記時(shí)，一旦起重機(jī)構(gòu)不進(jìn)行工作時(shí)間達(dá)到十秒鐘，控制器就會(huì)進(jìn)一步降低塔式起重機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速直到900 r/min，而當(dāng)起重機(jī)構(gòu)正常進(jìn)行工作時(shí)，信息被塔式起重機(jī)的控制器接收，其就會(huì)解除怠速狀態(tài)，恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)原本的轉(zhuǎn)速。

塔式起重機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1400 r/min時(shí)，是在比油耗的最低區(qū)域內(nèi)，此時(shí)塔式起重機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)在此1400 r/min所輸出的扭矩是最大的，于是會(huì)選擇1400 r/min作為塔式起重機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的高怠速狀態(tài)。高怠速狀態(tài)的轉(zhuǎn)速不應(yīng)該和發(fā)動(dòng)機(jī)原始轉(zhuǎn)速的差距過(guò)大。因?yàn)楫?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速忽然很快又忽然很慢反而會(huì)增加燃油的消耗，徒增了不必要的浪費(fèi)。當(dāng)起重機(jī)構(gòu)不進(jìn)行工作的狀態(tài)在怠速狀態(tài)下持續(xù)超過(guò)了十秒，說(shuō)明已經(jīng)進(jìn)入了一段較長(zhǎng)時(shí)間的等待，此時(shí)控制器必須進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此來(lái)節(jié)省燃油，使得塔式起重機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)將其轉(zhuǎn)速降低到900r/min。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)維持在900r/min轉(zhuǎn)速時(shí)僅能保證發(fā)動(dòng)機(jī)維持不熄火，輸出功率小，于是900 r/min被選擇為塔式起重機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的低怠速轉(zhuǎn)速。

四、塔式起重機(jī)現(xiàn)行的主要控制系統(tǒng)

塔式起重機(jī)在國(guó)內(nèi)發(fā)展近五十多年，經(jīng)歷過(guò)幾代的技術(shù)革新，按控制系統(tǒng)劃分主要為全液控、全電控和電液比例控制三種，按動(dòng)力總成劃分主要為交流變頻、直流調(diào)速和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力三種，全液控控制的塔式起重機(jī)應(yīng)用最早，其主體主要為先導(dǎo)液壓閉式控制系統(tǒng)，對(duì)液壓系統(tǒng)要求較高，電氣系統(tǒng)主要做相應(yīng)的限位和各項(xiàng)系統(tǒng)保護(hù);全電控控制系統(tǒng)是近幾年來(lái)為相應(yīng)藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)推廣的應(yīng)用的新型控制系統(tǒng)，其整套控制系統(tǒng)及執(zhí)行動(dòng)力均由電機(jī)完成，整套控制系統(tǒng)無(wú)一根液壓管路，但對(duì)供電電網(wǎng)的要求較高，在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的缺陷性;而電液比例控制是近年來(lái)相對(duì)流行的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)平穩(wěn)，響應(yīng)速度靈敏，編程集成化高等優(yōu)點(diǎn)，也深受各大塔機(jī)制造企業(yè)推廣。

從動(dòng)力控制系統(tǒng)的組成來(lái)看，不難發(fā)現(xiàn)，采用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的塔式起重機(jī)，主要用在平臂式塔式起重機(jī)上，而使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的主要用在動(dòng)臂式塔式起重機(jī)上;電動(dòng)機(jī)動(dòng)力源的以改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)調(diào)速控制技術(shù)、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、渦流制動(dòng)器調(diào)速以及可控硅串級(jí)調(diào)速等傳統(tǒng)的電氣控制技術(shù)在近年來(lái)的塔機(jī)控制系統(tǒng)中早已淘汰或不再使用，取而代之主要是交流變頻控制技術(shù)和直流調(diào)速控制技術(shù)，其兩者在控制方式上存在一定的差異，直流調(diào)速對(duì)直流電機(jī)的工藝制造成本及維護(hù)成本相對(duì)較高，其調(diào)速范圍也遠(yuǎn)不如變頻調(diào)速，交流變頻控制技術(shù)也是近幾年來(lái)使用較成熟的技術(shù)之一，以變頻器為主要控制載體，對(duì)電機(jī)的要求不高，采用普通鼠籠型異步電機(jī)即可，其制造工藝簡(jiǎn)單，維護(hù)成本便宜方便，無(wú)論是老塔機(jī)改造還是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，變頻調(diào)速都是優(yōu)選方案。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，技術(shù)的不斷革新，交流變頻調(diào)速技術(shù)日益顯現(xiàn)出優(yōu)異的控制盒調(diào)速性能，且效率高易維護(hù)，同時(shí)近年來(lái)各個(gè)變頻器制造廠家在變頻器制造成本上的不斷控制，采購(gòu)價(jià)格的下降，向著普通客戶都能接受的趨勢(shì)發(fā)展，使得變頻調(diào)速技術(shù)成為塔式起重機(jī)一種優(yōu)選的調(diào)速方案。應(yīng)用變頻控制技術(shù)的塔式起重機(jī)，針對(duì)其使用特點(diǎn)，在前期的計(jì)算、選型及優(yōu)化相應(yīng)的附件，以增強(qiáng)設(shè)備的安全可靠性，同時(shí)減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，為企業(yè)和社會(huì)節(jié)省了大量的電能，在建筑起重行業(yè)里具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

五、塔式起重機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前時(shí)代是一個(gè)信息爆炸的時(shí)代，也是一個(gè)技術(shù)爆炸的時(shí)代?？茖W(xué)技術(shù)正在不斷地突破和創(chuàng)新。新的科學(xué)技術(shù)使得現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的各個(gè)行業(yè)都更加地精確和先進(jìn)?；ヂ?lián)網(wǎng)以及電子信息技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了我們生活的方方面，起重機(jī)控制系統(tǒng)也變得更加智能?，F(xiàn)如今新技術(shù)如雨后春筍般涌現(xiàn)了出來(lái)，比如圖像識(shí)別和處理技術(shù)、熱成像感應(yīng)技術(shù)、人臉識(shí)別技術(shù)、無(wú)人駕駛技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)、傳感和遙控技術(shù)以及新型材料的應(yīng)用[3]。21世紀(jì)是信息發(fā)展的時(shí)代，電子信息技術(shù)正在以一種令人驚訝的速度發(fā)展，于是智能技術(shù)得到了很多突破性的進(jìn)展。與此同時(shí)人工智能技術(shù)也在當(dāng)下的時(shí)代掀起了風(fēng)浪，也逐步應(yīng)用到了現(xiàn)實(shí)生活中的各個(gè)行業(yè)。與此同時(shí)，智能技術(shù)的水平高低和自動(dòng)化控制水平的高低密切相關(guān)，智能技術(shù)得到良好的發(fā)展，起重機(jī)產(chǎn)品就會(huì)變得更加優(yōu)良和先進(jìn)，從而就能夠推動(dòng)中國(guó)工業(yè)化的發(fā)展。

六、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，工作人員在起重機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，必須要嚴(yán)格按照施工的規(guī)章制度進(jìn)行工作。另外，工作人員必須要有深厚的專業(yè)知識(shí)，高超的專業(yè)水平，靈活的隨機(jī)應(yīng)變能力以及對(duì)基本電氣故障進(jìn)行解決的能力。所以當(dāng)工作人員在操作起重機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，一旦發(fā)生故障就需要工作人員對(duì)所發(fā)生的故障進(jìn)行反應(yīng)，以降低任何情況下所可能產(chǎn)生的安全危害和經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)起重機(jī)的定期檢查也十分重要，要及時(shí)發(fā)現(xiàn)起重機(jī)的安全問(wèn)題，從而保證工作人員的人身安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊欣. 起重機(jī)械電氣與控制系統(tǒng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析[J]. 華東科技（綜合）， 2020（2）：0261-0261.

[2] 張瑞峰，高劍釗. 基于CAN總線的移動(dòng)式港口起重機(jī)分布式電氣控制系統(tǒng)[J]. 機(jī)械工程師， 2020， No.351（09）：89-91+94.

[3] 顧菁. Z公司集裝箱起重機(jī)系統(tǒng)客戶服務(wù)的優(yōu)化研究[D]. 東華大學(xué)， 2020.