本文选自《起重运输机械》杂志，未经许可，不得转载。

作者：赵丽媛常中龙郝鹏飞

摘 要：以桥式起重机为对象，运用模块化设计的思路和方法，针对桥式起重机“变频器+PLC 控制方式”提出电气模块化设计方案。根据选型方法和功能不同，电气设计模块化主要划分为选型模块、电气图纸模块和信息接口模块，其中电气图纸模块又根据电路功能不同，分为多个子模块，通过各子模块之间组合，提高电气设计的灵活性、可应用性及高效性。Abstract: The paper presents an electrical design scheme for bridge crane based on “inverter + PLC control mode” from the perspective of modularization design. The modularization design mainly involves selection module, electrical drawing module and information interface module, which is determined by selection methods and functions. The electrical drawing module is further divided into multiple sub-modules on the basis of circuit functions. Electrical design becomes more flexible, applicable and efficient through various combinations of these sub-modules.关键词：桥式起重机；模块化；选型；接口；设计Keywords: bridge crane; modularization; selection; interface; design0 引言

随着工业生产规模越来越大，人工成本越来越高， 对自动化要求亦随之提高，故起重机在自动化生产过程中担任的物料装卸搬运的角色也越来越重要，同时对起重机的安全性、控制性、定位准确性等要求也越来越高， 起重机进入到了大批量生产及定制的时代。

“模块化设计”的概念和方法于 20 世纪 50 年由欧美国家提出以来，经过了快速的发展，已经进入到各行各业，如建筑、机械、家电、家具等。模块化设计的理念简单概述为：将相同功能单元设计为具有不同用途或性能的、可以互换的模块 [1]。起重机电气模块化设计的理念源于模块化设计的理念，起重机电气设计涉及众多元器件的选型、控制电路设计，容量校验，控制柜的设计等，应用模块化的理念，将各部分进行模块化设计， 减少不必要的重复性设计工作，提高设计效率，而模块化后形成标准产品，可缩短制造周期，降低制造费用。1 起重机电气设计目前现状

对于起重机械电气驱动采用调节转子电阻的控制方式，调速比不超过 3:1，前人已经设计了标准系列， QR1-2S、QR1-6Y 和 QR1Z 系列控制柜屏。对于高调速性能要求的起重机械，电气传动控制方案主要有自励动力制动调速、涡流制动、脉冲调速、晶闸管定子调压调速和变频调速等。其中前 4 种调速方式应用最早最广泛， 形成了标准的线路图和控制柜屏。变频调速控制方式起步相对较晚，但由于此控制方式调速比较高（可达 10:1～ 20:1），且可进行能量回馈，对于节约成本、绿色制造、可持续发展有重要推动作用。随着电子技术的飞速发展， 计算机控制技术广泛应用，可编程序控制器也越来越多的应用在起重机上，而变频器＋可编程序控制器（PLC） 控制模式可对市场需求做出迅速反应，实现起重机智能化、绿色化、定制化。然而，该模式目前市场还未形成标准系列，电气设计方法，是根据起重机的参数，进行电气设计，电气图纸、各大主要元器件的选型没有进行标准化，导致图纸的通用性差、设计效率低，生产周期慢， 无法满足大批量生产的需求。同时设计与项目运营没有联动，工作独立，容易出错，且效率低下。因此，本文主要针对桥式起重机“变频调速+PLC”电气调速方案， 研究模块化设计思路。2 桥式起重机电气模块化划分原则

桥式起重机电气模块化设计主要分为选型模块、图纸设计模块、与 SAP 与 ERP 系统接口和导入导出模块等部分。2.1 选型设计模块化

选型模块主要依赖于起重机参数和具体工艺，虽然起重机参数不同，选型不同，但选型方法不变，故按照选型方法设计模块。起重机电气涉及的元器件种类、数量繁多，电动机、变频器、继电器、接触器、断路器、变压器等。本文仅针对电动机和变频器这两大电气部件进行模块化设计。

电动机选型模块主要根据起重机的参数对电动机进行过载校验和发热校验。变频器选型模块主要针对变频器的容量、额定电流、最大电流、额定功率进行计算。根据桥式起重机机械型谱，通过公式计算，建立桥式起重机电气型谱数据库。

根据历史项目经验及在役桥式起重机使用情况，建立现场数据库，采集各元件的使用比，量化记录使用情况，范围包括但不限于品牌、价格、库存、供货周期、历史故障率、危险失效的平均时间 (MTTFd) 等。

1）元件选型校验模块

元件选型校验主要针对电动机容量校验、包括过载校验、发热校验；变频器容量、电流、功率校验；总空开容量校验；总接触器容量校验。通过输入信息，如设计参数、使用偏好、元件类型（PNP/NPN）等，根据电气型谱数据库，对元件做出初选型，计算出各元件的使用比和匹配率，给出可选参数范围。

2）工艺校验模块

根据数据库比较类似工艺，计算与理论的偏差值， 例如定位精度，控制精度，计算工艺条件稳定性，合理设置试验条件，综合实际，选取最优值。

3）成本校验模块

根据输入参数，利用数据库进行成本校验，结合历史数据，给出最佳设计方案，合理控制成本。

4）以上内容采用运筹学，根据参考因子考虑选型参数。权重和参考因子可调整，也具备优先开关以完成非标设计和例外情况。

选型模块的建立主要基于计算机高级语言编程开发的软件。通过软件的 GUI 界面和内置的运算公式，选型需要输入相关的参数和偏好生成部件清单和配置表， 该表格还带有各个器件的耦合信息。2.2 图纸设计模块化

起重机电气图纸的模块化设计不依赖于起重机的参数及性能，仅取决于起重机的功能或用途，因此按照功能进行模块化。电气图纸模块化设计框架见图 1。

1）原理图模块

对桥式起重机原理图进行模块化设计是电气模块化设计的关键，通过模块化的分块设计，优化整体布局， 合理化布置各机构功能、位置，使设计在满足规范要求的同时，减少器件、设备的数量，提高资源的使用率； 综合考虑施工布线问题，优化端子的布置，易于施工接线；模块化设计应具有一定的兼容性和可扩展性，方便进行设计的小范围变更、修改，提高工作效率；同时需要考虑可删除性。电气模块化设计时先考虑最复杂的情况，预留一部分合理的扩展部分，形成功能最全的模块。设计时需要考虑不同品牌器件之间的差异，优先选用市场主流品牌；同时综合各项因素，考虑全局变量，使设计的各模块根据市场需求进行组合，快速实现原理图设计，凸显模块化设计的优势，进而提高工作效率，同时节省人力、资源等各项成本。

①控制传动模块 该模块是在桥式起重机电气设计中最基本的模块，不同的机构都需要反复调用该模块。该模块主要包括变频器控制电动机电路及其辅助控制电路。

②安全功能模块 该模块可划分为基本安全功能模块和辅助安全功能模块。其中，基本安全功能模块是起重机标准或规范要求的必须设计的一些安全保护等，该模块不可缺少，且可以反复调用，基本不变。辅助安全功能模块是根据不同的安装现场设计的辅助安全功能， 主要考虑起重机运行至边界安全性、避让障碍物的安全功能等。安全功能模块通过子模块的划分，在设计上具有一定的灵活性。

③定位功能模块 该模块主要针对特殊点、特殊位置而设计，为了完善起重机的性能，如精准定位吊装载荷。

④特殊功能模块 该模块主要针对客户的特殊需求设计。

⑤ PLC 模块该模块主要采集信息点和输出信号， 是起重机实现智能化的核心。PLC 模块设计时需要考虑可扩展性，预留一定合理余量。PLC 模块的框架结构如图 2 所示。

2）接线图模块

该模块主要借助于 CAD/E 辅助设计，采用 AutoCADLisp 语言将部件表的信息导入导出，根据原理图，自动生成接线图 / 接线表。

3）操作界面模块化

操作界面主要采用触摸屏HMI。人机交互就加方便，该方案也可节省 IO，用户定制化功能也容易被满足。

4）控制柜的模块化

各控制柜模块设计时主要考虑变频器、变频器进线侧空开的尺寸。控制柜布置需要考虑不同品牌的元器件构造和所占用的空间大小，优化布局，合理布线，充分利用电气柜内空间进行系列化设计。

该模块的设计主要借助于计算机技术，采用高级编程语言（C# 与 C++），同时对 AutoCAD 软件进行二次开发设计，对于基本元器件进行模拟装配，最后再根据实际需要就行修正。2.3 SAP 与 ERP 系统接口和导入导出模块

该模块可与 SAP 与 ERP 系统联动，部件的存货和技术信息更新可自动完成，并提供采购清单导入以便快捷订购和安排生产。这样可以减少人力成本，批量采购的也可以与供应商取得更好的议价权和减低库存。3 总结

本文对桥式起重机电气模块化设计提供了一种思路，提出了起重机电气模块化如何划分，通过模块化的设计，提高选型设计的效率，提高设计图纸的通用性， 同时缩短生产周期，降低制造成本。电气模块化是一种新的设计方法，以模块化为核心的技术是应对起重机大批量定制的必由之路。参考文献

[1] 王永福 . 模块化设计理论及其在桥式起重机设计中的应用

[D]. 大连：大连理工大学，2004.

[2] 傅德源 . 实用起重机电气技术手册 [M]. 第 2 版 . 北京：机械工业出版社，2011.

作者：赵丽媛