摘要：科技在不断的发展，社会在不断的进步，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。
关键词：桥式起重机；模块化；选型；接口；设计
引言
桥式起重机朝着大型化、高速化、专用化方向的发展是伴随着工业规模的不断扩大、市场竞争力的不断增强而逐渐产生的。由于该发展不仅是提高生产作业效率的有效手段，而且也大大降低了生产成本，使整个经济效益得到一定的提升，从而提高了企业在市场竞争中的地位。根据分析用户对桥式起重机的功能、结构、用途不同，将其合理的模块进行配置进而实现用户所需产品的个性化，产品配置平台系统即是利用该原理，将已有的配置模块进行选用、变型以及推陈出新，以达到对用户需求的快速响应。
1起重机模块化设计的发展
模块化设计是以有限的模块组成多样的产品，既满足用户对产品的个性需求，又保证批量生产从而降低成本。以模块化思路替代传统的整机设计方法来进行桥机的设计，用已有模块或设计制造少量的标准模块，通过不同模块的相互组合，可在较短时间内形成不同规格的起重机，满足用户要求，缩短供货周期。模块化方法可减少设计人员的重复性计算建模等繁重工作，实现精细设计，提高产品质量。模块化产品便于运输、安装和维修，节省人力物力。因此，模块化不仅是设计方法的改革，更是推动整个仁厂技术、生产、管理及组织体制的改革。国外知名起重机公司都早已应用模块化设计方法，取得了显著的效益。德国德马格（DEMAG）公司采用模块化思想设计制造的单梁起重机，其设计费仅为单件设计时的12%，生产成本则降为45%，经济效益显著且提高了产品的竞争力。在国内，北京起重运输机械设计研究院采用模块化理念，对QD桥机系列产品的运行机构、卷筒和钢丝绳、端梁以及车轮组进行模块化设计，完成了5一100t，A3-A6共340个规格系列模块化的设计工作，其研究成果适用于批量化生产模式，大大缩短了生产周期，提高生产效率。
2桥式起重机电气模块化划分原则
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桥式起重机需求分析-功能结构图构建与配置模块划分
在分析用户对产品的需求时，需要将客户对于产品的每个需求与产品的功能一一对应，如果想要所需功能能够实现，还需实体结构来对其进行表达。根据已有知识以及客户对产品的需求，对产品功能进行映射，从而构建产品的功能-结构模型，从而实现产品的用户域-功能域-结构域三者之间的映射关系。对桥式起重机进行了功能-结构之间映射关系的绘制。根据以上的映射关系，中所介绍对桥式起重机的模块划分，现对其进行配置模块划分如下：标准模块：联轴器、轴承、螺栓；可选模块：电动机、减速器、制动器、减速器、缓冲器；参数化变型模块：滑轮组、卷筒组、吊钩组、端梁、斜梯等。
2.3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。⑤PLC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。
图1电气图纸模块化设计框架
图2PLC模块框架结构图
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。
结语
本文对轻量化桥机的桥架附属结构传动侧走台、栏杆以及司机室与桥架之间的斜梯进行了模块化设计。通过模块化设计，在桥架附属结构设计时仅需单独设计少量零件和参数，并根据规格要求直接调用多个标准单元模块即可，实现了快速设计、出图，极大减少了设计工作量及时间，化定制设计为预设计，提高了设计效率。同时标准单元模块的设计可实现桥架附属结构主要零部件的大批量预生产，大大提高了生产效率，缩短供货周期，降低成本并节约能耗，可提高企业的经济效益和产品的市场竞争力。
参考文献：
[1]程贤福，李骏，徐尤南，等.基于公理设计的机械系统稳健性分析及应用[J].中国机械工程，2015，6（26）：721-728.
[2]李振兴.桥式起重机小车配置设计技术研究[D].中北大学，2013.
[3]朱启航.面向可适应性的桥式起重机产品平台规划[D].华东交通大学，2015.
[4]辛立娜，曹旭阳，许滨，等.基于KBE技术的桥式起重机模块化设计系统[J].起重运输机械，2013（4）：30-34.
论文作者:袁锋
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
标签：模块论文; 起重机论文; 功能论文; 桥式起重机论文; 电气论文; 变频器论文; 产品论文; 《电力设备》2018年第26期论文;