浅析微动系统在桥吊门架机构的应用

孙哲

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

在面对有些摆放不正的集装箱时，桥吊主起升机构要想抓箱子时就需要使用左倾、右倾、前倾、后倾、正旋和旋这些动作，而要想实现这些动作就一定要通过后大梁4个油缸的伸缩来完成，由油缸的伸缩来控制起升钢丝绳在上架滑轮上的盘动从而达到倾转与回旋各种工况，这就需要一整套的液压系统。液压系统主要包括电机、电磁阀、比例阀、位移传感器、油管、油缸、阀门等一系列设备，系统比较复杂，所占用的空间也很巨大，而且易产生漏油问题。而门架机构由于其位置的特殊性，并无像主机构一样有后大梁液压站平台，要想像主机构那样实现倾转与回旋的各种工况，就得在吊具上架上做足功课，下文详细介绍了一种门架机构常用的解决倾转与回旋工况的办法——微动系统。

谈到微动系统的组成，首先得明白门架起升结构钢丝绳滑轮与主起升结构钢丝绳滑轮是有很大的不同，一般主起升结构钢丝绳滑轮有4个，上架左右2边各2个，对称分布，后大梁的4个油缸一一通过钢丝绳与滑轮紧密联系起来，通过油缸的伸缩来实现倾转和回旋动作，虽然门架起升结构钢丝绳滑轮也是4个，主要分布在门架上架的四个边，即每个边各1个。这样就造就了起升钢丝绳与主机构起升的不同之处，也就是说，只要让门架吊具上架四边的四个滑轮可以自由运动，就能带动上架实现倾转与回旋各种工况。为了使上架四边滑轮都可自由运动，则需要在上架四边装4个推杆，将滑轮套在推杆上，通过推杆的伸缩来带动滑轮的运动，通过多个滑轮运动从而促使吊具完成倾转与回旋的动作。但是，由于门架吊具上架的空间限制，使用液压系统会带来相当大的不便，所以直接用变频马达转动来驱动推杆的运动比较方便，另外，为了控制电机的移动启停，则需要加制动器，由于电机功率不大，一般的桥吊使用电机自带制动器，这样做的好处是占用空间小，方便安装且接线简单，便于维修。为了准确了解推杆的实时精确位置，一般在推杆的机械结构尾部加一个绝对值编码器，这样可以通过与主PLC系统建立通信来随时读取推杆的实际位置。同时，为了控制推杆的伸缩范围，防止推杆伸缩过多造成的机械卡住损伤，需要在推杆的机械伸缩量程范围的2端分别各加上1个机械保护限位，即前停止限位和后停止限位，来保护推杆的伸缩，避免伸缩过头。另外一般桥吊上的微动电机都是变频电机，需要配备小型变频器，每个电机需要1个变频器，一套微动系统一般需要前后左右4个角共安装4个微动电机（每个电机需自带电机编码器），4个微动电机制动器（一般为电机自带制动器），4个绝对值编码器，8个机械限位以及变频器4个。其中微动电机及其自带编码器，微动电机制动器，绝对值编码器，机械限位因为需要安装在户外，常年有风雨的侵蚀，一般都会安装防雨罩壳，变频器因为空间的限制和环境的需求，不宜安装在门架上架接线箱内，一般安装在门架机房控制柜内，通过门架垂缆连接到对应的微动马达。图1为青岛自动化项目微动系统一角实物图。

图1 青岛自动化项目微动系统一角实物图

微动系统的工作从本质上说是变频器带动马达来带动推杆的横移完成的，总体上说，是操作人员通过按钮发出操作指令后，PLC会相应地输出动作命令给变频器，变频器开始输出电压，电流传送至马达上，马达开始转动来带动推杆的位移，推杆的位移导致滑轮的横移，当多个滑轮一起横移时，门架上架产生相对应倾转和回旋动作，在运行刚开始时，马达制动器也要在得电的一刹那打开，否则，会形成马达的堵转。一般情况下，推杆马达上使用的制动器都是马达自带制动器，这些制动器一般都需要提供额定的直流电压方才打开，而马达一般均为三相交流电，会在马达内部装有一个半波整流块或者全波整流块，将输入的交流电直接转换成制动器所需要的直流电，从控制柜开关和接触器下引出380V交流电或者220V交流电给整流块(整流块的选择需根据马达制动器的额定电压来反向计算选择，在给制动器送电前可测量马达制动器电阻来同厂家铭牌上标识的制动器电阻相比较来判断马达制动器的好坏），程序控制下可以在马达运行的瞬间让制动器得电打开，马达停止的瞬间让制动器关闭。另外，马达自带制动器内都自带制动器打开限位，在制动器打开的情况下，可以给PLC一个打开的反馈信号。需要注意的是，马达自带制动器也可以通过机械方式手动打开以便需要调整制动器间隙所需。另外，电机在动作过程中，其本身的自带增量编码器会将电机的速度信号实时反馈给变频器，一旦有变频器的给定与马达编码器反馈速度不一致或者马达超速等意外情况发生时，变频器会立即发出故障信号，立刻停止电机的运行，保护系统的安全。

由于电机长时间在户外运行，采购电机时需注意其IP防护等级，电机内一般都会配置温控和加热器，当出现马达过温的情况下，可以及时地将过温信号发给PLC，让其即刻停止马达运转，加热器一般会在桥吊系统控制断的情况下给马达加热，防止因户外恶劣条件下雨水的侵入导致马达内的潮湿引发的短路绝缘故障。另外，每个推杆尾部的绝对值编码器与PLC系统本身通过PROFIBUS DP线或者PROFINET线连接（通信电缆的屏蔽线需合理接地，另通信电缆户外布线走线需要与马达，马达自带制动器，加热器的电缆分隔开，控制柜内布线走线需要尽量远离380V交流电等相对高压电源，以防止通信干扰），在调试过程中，通过调试绝对值编码器来正确读取推杆位移数值，并设置好推杆的零位与前停止、后停止的软件位置，推杆的零位一般设置在推杆的中心位置，而前停止的软件位置与后停止的软件位置要在触发前停止限位以及后停止限位之前触发，否则，会失去保护的意义，另外，部分项目里也会设置软件的前减速与后减速位置，推杆的位置触发了前减速和后减速位置后，即便司机给了全速命令，PLC程序内也会限定推杆的速度，以便推杆可以及时刹住车，能够在停止限位的前面及时停止，在这里，值得注意的是，门架吊具左右2侧推杆是对应的，前后2侧推杆也是对应的，所以发出一个命令的时刻，左右2边或者前后2个推杆的动作可能相反，其前停止和后停止的限位是不一样的，这在调试过程中要值得注意。而推杆前停止限位和后停止限位作为推杆最重要的保护点，也是推杆伸缩的最后一道防线，一旦触发，PLC会给出变频器紧急停止的命令，让推杆在最短的时间内尽快停住，以免引起机械碰撞损伤。若因机械问题或程序故障等各种原因出现推杆冲出了停止限位的情况，这时需人员到门架上架上检查推杆的实际情况，检查系统有无机械损伤，检查停止限位是否能正常工作，若无大碍，则可以反向运行推杆退到中间零位位置，若出现推杆因机械故障卡住而不能动的情况，则需要拆掉推杆头部的机械机构，检查内部机械是否存在卡住的情况，需手动恢复推杆到正常状态，再以反向运行推杆退到中间零位位置。

另外，若推杆绝对值编码器出现通信故障或者位置丢失错误故障，推杆编码器前停止软件点位置，后停止软件点位置将失去对推杆的保护功能，这时需要慢速向后运行推杆电机至后停止限位使其触发以达到程序里让绝对值编码器重新清零的目的（清零即将绝对值编码器设定到初始调试时编码器在该位置的数值），然后才可正常运行微动系统。

3.1 微动系统的优势

微动系统由于采用了变频器加PLC控制，相较主机构液压加PLC控制，优势之处有：节省了能源，提高了电机的使用寿命，同时，系统可根据变频器设定的参数达到精确控制，在增量编码器，绝对值编码器和计算机技术下支持下实现更高精度控制，避免了采用液压系统产生的液压油流动过程中的局部损失和漏泄损失，放宽了高温和低温条件的限制，能够在更广泛的温度范围内运转，再者，为防止漏油以及满足某些性能上的要求，液压元器件制造精度要求高，给使用和维护保养带来了一定困难，机器在运行一段时间就得为系统加油保养，而当机器发生故障时也不易检查。

3.2 微动系统的不足之处

微动系统的不足之处有：微动系统在单位重量的输出功率和单位尺寸的输出功率是最好的，在传递相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑、布局灵活等。从工作性能上看，其速度，功率均可无级调节，动作响应性快，能迅速换向和变速，调速范围宽；
从使用维护上看，液压元件的自润滑性高，容易实现过载保护和保压，安全可靠性较高，同时，由于前者采用了变频器，而对于采用2线制通信的门架吊具而言，从门架机房到门架吊具的通信容易受到微动电机的干扰，在走线布线的时候需注意。

随着微动系统在门架机构的推广应用，最近不少桥吊将其原理运用到主机构上，在小车架陆侧面左右2侧各装有一个马达，将左右2侧的2个起升滑轮通过机械结构连接到马达传动的推杆上，有人命名它为防扭机构，通过PLC运行指令传递到防扭机构变频器，再传递到小车架左右2侧扭转马达，通过防扭马达的运转来前后运行推杆，通过推杆尾端的绝对值编码器来告知PLC推杆的位置，以推杆清零点的软件位置、前停止的软件位置、后停止的软件位置、前停止限位、后停止限位来保护推杆，通过左右推杆的运行来推动左右滑轮的前进和后退，从而达到让主机构吊具上架前后防扭的功能，其原理与微动系统十分相似。

综上所述，微动系统在有限的空间内，基本上满足了门架上架的倾转和回旋功能，使门架机构能像主机构一样即便面对复杂的集装箱情况也可正常工作，系统开发者很好地应用了电动传动的原理，解决了门架机构的倾转和回旋问题，值得推广。

当下，随着工业4.0的到来，越来越多的港口开始走向无人化、自动化，无人双小车自动化桥吊越来越得到市场的青睐，市场也越来越广，作为无人双小车自动化桥吊的一部分，门架微动系统亦不可或缺。希望有更多的创新可以加入未来的桥吊中，让桥吊越来越靠近工业4.0的目标。