鄭淵

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，山東青島 266404）

基于ABB PLC的橋式抓斗卸船機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

鄭淵

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，山東青島 266404）

橋式抓斗卸船機(jī)是一種典型的煤炭、礦石裝卸機(jī)械，對(duì)卸船工作效率起著至關(guān)重要的作用。卸船機(jī)的操作和維修是港機(jī)、港電等專業(yè)學(xué)生必須掌握的實(shí)踐技能，但是由于體積巨大、價(jià)格昂貴等原因，在校內(nèi)很難建立有效的實(shí)訓(xùn)室。本設(shè)計(jì)在保持基本結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上將實(shí)際的橋式抓斗卸船機(jī)按比例縮小模型化，手柄、按鈕等操作裝置與實(shí)際橋式抓斗卸船機(jī)基本一致，電氣控制系統(tǒng)采用ABB的AC500 PM582 PLC、ACS355變頻器、CP430觸摸屏以及MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線。通過該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，學(xué)生能夠更加有效的掌握操作維修橋式抓斗卸船機(jī)的實(shí)踐技能。

橋式抓斗卸船機(jī)；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；ABB PLC

橋式抓斗卸船機(jī)是一種典型的煤炭、礦石岸邊卸船機(jī)械，對(duì)煤炭、礦石船舶的卸船效率起著至關(guān)重要的作用[1]，港口需要大量能夠操作和維修卸船機(jī)的人員。由于橋式抓斗卸船機(jī)體積巨大、價(jià)格昂貴等原因，在校內(nèi)很難有效進(jìn)行操作和維修方面的實(shí)訓(xùn)教學(xué)。市場(chǎng)上的模擬駕駛器功能單一且價(jià)格昂貴，校內(nèi)原有的實(shí)訓(xùn)設(shè)備只有電氣控制系統(tǒng)而沒有實(shí)際的卸船機(jī)被控對(duì)象，同樣無法達(dá)到很好的實(shí)訓(xùn)效果。

本卸船機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置以實(shí)際的橋式抓斗卸船機(jī)為藍(lán)本，在保持基本結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上按比例縮小模型化，手柄、按鈕、限位等操作和保護(hù)裝置與實(shí)際橋式抓斗卸船機(jī)基本一致，電氣控制系統(tǒng)采用ABB的AC500 PM582 PLC、ACS355變頻器、CP430觸摸屏以及MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線。當(dāng)實(shí)訓(xùn)裝置處于演示模式時(shí)，能夠通過聯(lián)動(dòng)臺(tái)控制卸船機(jī)模型的起升、小車、俯仰、抓斗等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各種基本動(dòng)作，實(shí)物模型的高度為2米，學(xué)生可以很好的練習(xí)操作；當(dāng)實(shí)訓(xùn)裝置處于調(diào)試模式時(shí)，學(xué)生可以通過電氣控制柜上的實(shí)驗(yàn)插孔連接電氣控制線路，還可以自己設(shè)計(jì)程序并加以調(diào)試。

1 實(shí)物模型設(shè)計(jì)

考慮到設(shè)計(jì)制造的難度，該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)物模型各機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置在實(shí)際橋式抓斗卸船機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化和調(diào)整。

1.1 起升、開閉斗和小車機(jī)構(gòu)

四臺(tái)ACS355變頻器分別驅(qū)動(dòng)2臺(tái)起升電機(jī)和2臺(tái)開閉電機(jī)，通過減速器和4個(gè)鋼絲繩卷筒可以實(shí)現(xiàn)抓斗的升降、開閉和小車的前進(jìn)后退，工況如下：

（1）工況1：起升、開閉卷筒同步向右旋轉(zhuǎn)時(shí)，抓斗上升；

（2）工況2：起升、開閉卷筒同步向左旋轉(zhuǎn)時(shí)，抓斗下降；

（3）工況3：起升、開閉卷筒分別向內(nèi)相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，抓斗小車向右移動(dòng)；

（4）工況4：起升、開閉卷筒分別向外相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，抓斗小車向左移動(dòng)；

（5）工況5：當(dāng)起升卷筒剎住不動(dòng)，開閉卷筒向左旋轉(zhuǎn)時(shí)，抓斗打開；

（6）工況6：當(dāng)起升卷筒剎住不動(dòng)，開閉卷筒向右旋轉(zhuǎn)時(shí)，抓斗閉合。

鋼絲繩卷筒軸端裝有速度編碼器用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，起升、開閉斗和小車機(jī)構(gòu)設(shè)有減速、終點(diǎn)和極限行程保護(hù)[1]。

1.2 俯仰機(jī)構(gòu)

俯仰機(jī)構(gòu)由一個(gè)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，與開閉1電機(jī)共用一個(gè)變頻器，通過俯仰/開閉切換開關(guān)切換，鋼絲繩卷筒帶速度編碼器，具有上減速、上終點(diǎn)、下減速、下終點(diǎn)4個(gè)限位開關(guān)。

1.3 大車行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)通過一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)兩側(cè)電機(jī)在軌道上運(yùn)行實(shí)現(xiàn)，具有防風(fēng)錨定裝置及左右行走限位保護(hù)，裝有行走聲光報(bào)警裝置[2]。

1.4 皮帶輸送機(jī)和司機(jī)室

通過一臺(tái)24 V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送帶，皮帶輸送機(jī)設(shè)有拉繩開關(guān)、防跑偏和防撕裂保護(hù)開關(guān)[3]。司機(jī)室通過一臺(tái)24 V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以沿大梁工字鋼左右移動(dòng)。

2 電氣柜及聯(lián)動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用ABB 的 AC500 PM582PLC、ACS355變頻器、CP430觸摸屏以及MOD?BUS現(xiàn)場(chǎng)總線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。卸船機(jī)模型和電氣柜的PLC、變頻器等電氣設(shè)備的接線也引到電氣柜的實(shí)驗(yàn)插孔上，學(xué)生可以接線和編程調(diào)試。

2.2 聯(lián)動(dòng)臺(tái)操作裝置

右聯(lián)動(dòng)臺(tái)設(shè)有起升手柄、抓斗開閉手柄、控制合按鈕、控制斷按鈕、俯仰/抓斗開閉選擇開關(guān)、舵機(jī)控制按鈕、試燈按鈕、極限旁路按鈕等。左聯(lián)動(dòng)臺(tái)設(shè)有大車、小車行走手柄、急停按鈕、故障復(fù)位按鈕、電機(jī)手動(dòng)調(diào)整按鈕、超重報(bào)警指示燈等。

3 主要程序設(shè)計(jì)

3.1 速度控制程序設(shè)計(jì)

各機(jī)構(gòu)運(yùn)行必須滿足主控條件，當(dāng)變頻器無故障、急停按鈕未拍下、極限限位未動(dòng)作及PLC電源和通訊正常等條件都滿足時(shí)，按下聯(lián)動(dòng)臺(tái)“控制合”按鈕，然后通過手柄就可以操縱各機(jī)構(gòu)動(dòng)作。停止操作時(shí)，將手柄回零并按下“控制斷”按鈕將控制電斷開。

大車機(jī)構(gòu)手柄采用正反各四擋位主令控制器，當(dāng)操作大車手柄時(shí)，由低到高的4種轉(zhuǎn)速通過MODBUS通訊總線傳至ACS355。當(dāng)大車減速限位動(dòng)作時(shí)，將一個(gè)約為額定轉(zhuǎn)速10%的低速值傳給變頻器。當(dāng)大車終點(diǎn)限位動(dòng)作時(shí)，將數(shù)據(jù)0傳給變頻器。

圖1 橋式抓斗卸船機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)電控系統(tǒng)

其他機(jī)構(gòu)手柄采用絕對(duì)值編碼器連至PLC輸入模塊，在程序中首先進(jìn)行格雷碼二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換，然后對(duì)速度指令進(jìn)行線性變換，最后通過COM_MOD_MAST報(bào)文處理模塊將速度值賦給變頻器，同時(shí)，變頻器也會(huì)將電機(jī)實(shí)際速度值通過MODBUS通訊總線反饋給PM582。當(dāng)該機(jī)構(gòu)減速限位動(dòng)作時(shí)，將一個(gè)約為額定轉(zhuǎn)速10%的低速值傳給變頻器。當(dāng)該機(jī)構(gòu)終點(diǎn)限位動(dòng)作時(shí)，將數(shù)據(jù)0傳給變頻器。若極限限位動(dòng)作，則該機(jī)構(gòu)立即抱閘制動(dòng)，必須在排除故障后通過極限旁路按鈕退出。

3.2 起升制動(dòng)器控制程序優(yōu)化

為了防止帶重載時(shí)“溜鉤”，在設(shè)計(jì)制動(dòng)器松閘控制程序時(shí)采用了轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證的方法。在制動(dòng)器松閘前先通過檢測(cè)起升電機(jī)電流來間接判斷起升鋼絲繩上向上的轉(zhuǎn)矩是否達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的50%。如果達(dá)到則制動(dòng)器松閘，否則制動(dòng)器仍然抱閘。

起升手柄回零時(shí)，起升機(jī)構(gòu)是采取變頻器電氣制動(dòng)和機(jī)械抱閘制動(dòng)相結(jié)合的方式來制動(dòng)的。為了減少制動(dòng)部件的磨損，變頻器通過裝在電機(jī)軸上的速度編碼器檢測(cè)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近0時(shí)才抱閘制動(dòng)，而且在0 Hz時(shí)起升機(jī)構(gòu)也可以輸出額定轉(zhuǎn)矩。

3.3 皮帶輸送機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

在皮帶機(jī)沿線每隔一定距離安裝一個(gè)拉線急停開關(guān)，并用鋼絲繩拉線將這幾個(gè)拉線開關(guān)的擺桿依次相連，在皮帶任一位置拉動(dòng)拉線都會(huì)使其中一個(gè)拉線開關(guān)動(dòng)作。將這三個(gè)拉線開關(guān)的常閉點(diǎn)串聯(lián)控制一個(gè)中間繼電器的線圈，然后用這個(gè)中繼的常開點(diǎn)連至PLC的輸入點(diǎn)，只要有一個(gè)拉線開關(guān)動(dòng)作，PLC程序中的這個(gè)信號(hào)就會(huì)斷開，使皮帶機(jī)停機(jī)。

在皮帶機(jī)上安裝輕度跑偏和重度跑偏兩個(gè)跑偏開關(guān)，當(dāng)輕度跑偏開關(guān)動(dòng)作時(shí)，跑偏報(bào)警燈點(diǎn)亮，但是皮帶機(jī)仍然可以運(yùn)行；當(dāng)重度跑偏開關(guān)動(dòng)作時(shí)，跑偏報(bào)警燈點(diǎn)亮的同時(shí)皮帶機(jī)停止運(yùn)行。

在皮帶機(jī)支架上垂直于皮帶機(jī)中心軸線的方向安裝橫向鋼絲繩，當(dāng)撕裂的皮帶撞擊到鋼絲繩上時(shí)，使鋼絲繩所帶動(dòng)的限位開關(guān)動(dòng)作用以檢測(cè)皮帶是否撕裂，一旦皮帶撕裂則皮帶機(jī)立即停止。

4 使用效果

該卸船機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)成本較低，每套不到25萬元，但是通過使用，效果非常突出。由于有比較大的實(shí)物模型，可以通過聯(lián)動(dòng)臺(tái)操作各機(jī)構(gòu)動(dòng)作，能夠很好的起到司機(jī)崗前培訓(xùn)的作用。同時(shí)，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)還可以讓學(xué)員自己動(dòng)手接線實(shí)現(xiàn)橋式抓斗卸船機(jī)的局部或整體控制，能夠很好的提高學(xué)員電氣安裝接線、PLC編程、變頻器參數(shù)調(diào)試和觸摸屏監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)等實(shí)踐能力，得到了校內(nèi)學(xué)生和企業(yè)青島港等企業(yè)技術(shù)人員的一致好評(píng)。

［1］葛建民.港口電氣控制［M］.南京：南京大學(xué)出版社，2009.

［2］陳淑珍.港口裝卸機(jī)械電氣控制技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［3］孫洪昌.港口機(jī)械電氣控制技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2011.

Design of Bridge Grab Ship Unloader Training Platform Based on ABB PLC

ZHENG Yuan
（Qingdao Harbour Vocational and Technical College，Qingdao266404，China）

Bridge grab ship unloader is a kind of typical coal,ore loading and unloading machinery.It plays a vital role in the discharging efficiency.The operation and maintenance of ship unloader is the practical skills that students major in port machinery,port electricity should master.However,due to reasons such as huge volume,expensive etc,it is difficult to establish effective training rooms in the campus.This design scaling the actual bridge grab ship unloader on the basis of does not change the overall structure and the working condition.The handles,buttons and other devices are the same as the actual bridge type grab ship unloader,electric control system adopts ABB AC500 PLC,ACS355 PM582 inverter,CP430 touch screen and MODBUS.By using the training platform,students can master the operation and maintenance of bridge type grab ship unloader more effectively.

bridge grab ship unloader；training platform；ABB PLC

TP273

A

1009－9492(2014)09－0118－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.032

鄭 淵，男，1978年生，山東惠民人，大學(xué)本科，講師。研究領(lǐng)域：港口電氣技術(shù)。已發(fā)表論文11篇。

(編輯：向 飛)

2014－04－03