■彭文

（福建省港航勘察設(shè)計(jì)研究院，福州351000）

港口門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

■彭文

（福建省港航勘察設(shè)計(jì)研究院，福州351000）

隨著全球化貿(mào)易進(jìn)程的加快，港口吞吐量日益增加，為提高港口裝卸效率，對港口老舊設(shè)備改造已刻不容緩。本文介紹了門座式起重機(jī)結(jié)構(gòu)及其工藝流程，通過對其控制原理及改造原因的分析，提出了其電氣控制系統(tǒng)改造方案，最后給出了門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件基本設(shè)計(jì)方案。

門式起重機(jī)PL C電氣控制系統(tǒng)改造

港口門座式起重機(jī)是港口裝卸設(shè)備中重要組成部分，廣泛用于散雜貨碼頭裝卸生產(chǎn)過程中。而絕大多數(shù)老舊碼頭門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用繼電器、定時(shí)器等邏輯開關(guān)組成，其有控制精度低、效率低、能耗高、故障率高、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC、變頻器等技術(shù)以其可靠性高、運(yùn)行平穩(wěn)、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于港口裝卸設(shè)備領(lǐng)域?！盎ヂ?lián)網(wǎng)＋港口”模式將成為未來港口發(fā)展新模式，而老舊碼頭裝卸設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的改造將成為碼頭智能化發(fā)展的基礎(chǔ)。

1 門機(jī)工藝及電氣控制系統(tǒng)分析

門座起重機(jī)是港口裝卸作業(yè)的重要起重設(shè)備之一，為多用途雜貨大型裝卸設(shè)備，適用于各大型碼頭、港口、堆場、貨站等作業(yè)場所，其應(yīng)用范圍廣泛、節(jié)能、作業(yè)效率高、動(dòng)作平穩(wěn)可靠、安全性能高。

1.1 門機(jī)設(shè)備組成及工藝流程

門座式起重機(jī)主要由起升、變幅、回轉(zhuǎn)、運(yùn)行四大機(jī)構(gòu)，臂架、立柱及平衡系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)、圓筒門架等主要結(jié)構(gòu)，電氣控制系統(tǒng)，司機(jī)室、機(jī)器房及各安全保護(hù)裝置等部分組成。門座起重機(jī)可以通過起升、變幅、旋轉(zhuǎn)三個(gè)機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)貨物的升降、徑向移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，再通過運(yùn)行機(jī)構(gòu)調(diào)整作業(yè)位置，使其可在較大區(qū)域內(nèi)移動(dòng)貨物。

門座式起重機(jī)港口常見的裝卸工藝流程：

（1）船←→門座式起重機(jī)←→牽引車+平板車←→輪胎吊←→堆場←→輪胎吊←→貨主汽車。

（2）船←→門座式起重機(jī)←→牽引車+平板車←→叉車←→倉庫←→叉車←→貨主汽車。

1.2 門機(jī)電氣控制系統(tǒng)改造原因分析

門座式起重機(jī)由起升、變幅、旋轉(zhuǎn)、行走四大機(jī)構(gòu)組成,其中行走機(jī)構(gòu)為非工作性機(jī)構(gòu),與其它機(jī)構(gòu)連鎖,不與其它任何機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)行；而起升、變幅、旋轉(zhuǎn)三個(gè)機(jī)構(gòu)既可以獨(dú)立運(yùn)行,可以根據(jù)作業(yè)要求同時(shí)運(yùn)行。老舊碼頭門式起重機(jī)起升、變幅、行走及旋轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)的繼電器、接觸器相關(guān)聯(lián)的控制方式，且各機(jī)構(gòu)電機(jī)采用轉(zhuǎn)子串聯(lián)切電阻調(diào)速方式，隨著港口生產(chǎn)量的不斷增加，使用頻率越來越高，一直滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷的作業(yè)，伴隨使用時(shí)間的延長，門式起重機(jī)的起升、變幅機(jī)構(gòu)故障率不斷上升，經(jīng)常出現(xiàn)控制回路過流導(dǎo)致繼電器、接觸器燒壞，或頻繁引起控制接觸器觸頭粘連在一起等故障。

1.3 門機(jī)電氣控制系統(tǒng)改造方案

門座式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)原配的繞線式電機(jī)更換為起重機(jī)變頻專用電機(jī)，以提升起重機(jī)兩大運(yùn)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩。由于門座式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)對變頻調(diào)速硬度、低頻轉(zhuǎn)矩特性及動(dòng)態(tài)快速相應(yīng)的特殊要求，宜采用變頻閉環(huán)矢量調(diào)速控制方式，而變幅機(jī)構(gòu)采用變頻開環(huán)控制方式即可滿足要求。

電氣控制系統(tǒng)采用PLC程序控制，將起升、變幅、旋轉(zhuǎn)及行走機(jī)構(gòu)等設(shè)備控制、保護(hù)信號(hào)引入PLC控制柜。

（1）起升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)的起升單機(jī)、開閉單機(jī)、抓斗、吊鉤、機(jī)上行走、機(jī)下行走6種運(yùn)行操作信號(hào)。起升機(jī)構(gòu)的電氣保護(hù)信號(hào)有短路及過電流保護(hù)、過載保護(hù)、失壓、缺相及零位保護(hù)、大風(fēng)保護(hù)和超速保護(hù)等。

（2）變幅機(jī)構(gòu)

變幅機(jī)構(gòu)的電氣保護(hù)信號(hào)有短路保護(hù)、過電流保護(hù)、過載保護(hù)、失壓保護(hù)、缺相保護(hù)等,當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，必須通過右聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的故障復(fù)位按鈕進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。

（3）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電氣保護(hù)信號(hào)有短路保護(hù)、過電流保護(hù)、過載保護(hù)、失壓保護(hù)、缺相保護(hù)等，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，必須通過故障復(fù)位按鈕進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。

2 門機(jī)電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

港口門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要由PLC和變頻器來實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)的運(yùn)行、保護(hù)及調(diào)速等功能。門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 觸摸屏系統(tǒng)

工業(yè)觸摸屏選用OMRON的NS10系列彩色觸摸操作面板，與PLC控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)連接，利用強(qiáng)大的工業(yè)觸摸屏組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各種畫面的編輯，用以顯示設(shè)備動(dòng)作流程、各種狀態(tài)、參數(shù)設(shè)定、操作指南、警報(bào)信息、統(tǒng)計(jì)資料、簡易報(bào)表等。

觸摸屏主界面包含門座式起重機(jī)整機(jī)、起升、變幅、旋轉(zhuǎn)、行走各個(gè)機(jī)構(gòu)操作按鈕，以及設(shè)備主令手柄位置、模擬量給定值、執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋值、各元件工作狀態(tài)。故障報(bào)警界面用于對故障的檢測及信息提示，便于操作人員及時(shí)的了解故障原因，并按提示自行恢復(fù)，以盡快恢復(fù)作業(yè)。并對故障報(bào)警歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于調(diào)取歷史數(shù)據(jù)。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

為保障設(shè)備運(yùn)行的高效性、穩(wěn)定性，門座式起重機(jī)PLC控制單元選用OMRON CS1D系列，該系列可編程序控制器具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、模塊化、性價(jià)比高等特點(diǎn)。CS1D系列PLC可用梯形圖、語句表和功能塊圖進(jìn)行編程，指令豐富，功能強(qiáng)，操作方便。

根據(jù)門座式起重機(jī)起升、變幅、旋轉(zhuǎn)及行走等機(jī)構(gòu)的輸入輸出信號(hào)數(shù)量和具體的控制要求對OMRON PLC進(jìn)行合理的配置，門座式起重機(jī)PLC選型主要硬件配置如下表1所示：

表1 門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)PLC模塊配置表

2.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)

門座式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用日本安川公司生產(chǎn)的H1000系列重負(fù)載高性能專用變頻器，為保證門座式起重機(jī)控制系統(tǒng)有足夠的調(diào)速范圍，較高的調(diào)速硬度及較好的低頻轉(zhuǎn)矩特性，變頻調(diào)速系統(tǒng)采用閉環(huán)矢量控制，采用增量式脈沖編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的速度反饋。同時(shí)該系列變頻器具有限流作用，

可以減少啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)沖擊，有利于港口其它設(shè)備正常運(yùn)行。其接線端子有RS485通訊接口，配備相應(yīng)的通訊模塊，可以與PLC實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)集中控制。

3 門機(jī)電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

門座起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以O(shè)MROAN公司的CX-Programmer軟件為平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，控制程序采用梯形圖語言進(jìn)行編寫，程序主要包含對門座起重機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的邏輯控制，并與觸摸屏一同實(shí)現(xiàn)對PLC、變頻器、開關(guān)等元器件的狀態(tài)監(jiān)測和故障的判斷、顯示、報(bào)警等功能。

門座起重機(jī)控制系統(tǒng)程序主要實(shí)現(xiàn)起升、變幅、旋轉(zhuǎn)、行走四大機(jī)構(gòu)的控制功能和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控功能。程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括起升控制模塊、變幅控制模塊、旋轉(zhuǎn)運(yùn)行控制模塊、行走運(yùn)行控制模塊。

圖2 門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖

4 門機(jī)電氣控制系統(tǒng)調(diào)試方案設(shè)計(jì)

門座式起重機(jī)電氣系統(tǒng)改造完成后，需對設(shè)備各機(jī)構(gòu)進(jìn)行單機(jī)輸入、輸出調(diào)試、空載運(yùn)行調(diào)試、輕載荷及額定載荷調(diào)試，確認(rèn)運(yùn)行正常后即可投入生產(chǎn)。

4.1 電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行前檢查

（1）門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)電源柜、控制柜等柜內(nèi)設(shè)備安裝牢固，電纜連接端子符合規(guī)范，中文標(biāo)識(shí)清晰，接地可靠。

（2）門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)電源柜內(nèi)三相之間、相與零線之間、相與地之間的絕緣滿足規(guī)范要求。

（3）門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)電源柜儀表運(yùn)行正常，駕駛室內(nèi)空調(diào)、照明設(shè)備正常。

4.2 電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

（1）空載運(yùn)行調(diào)試

在系統(tǒng)運(yùn)行前檢查完成正常后，測試空載狀態(tài)下起升機(jī)構(gòu)、變幅、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等設(shè)備啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)是否正常。

（2）額定載荷運(yùn)行調(diào)試

在空載試車正常條件下，對門座式起重機(jī)進(jìn)行額定載荷調(diào)試。對起升機(jī)構(gòu)上升、下降、停機(jī)等動(dòng)作測試；對門座式起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)增運(yùn)行、減幅運(yùn)行、停止運(yùn)行等測試。

4.3 電氣控制系統(tǒng)保護(hù)測試

（1）對門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)零位保護(hù)、電源保護(hù)進(jìn)行測試。

（2）對起升機(jī)構(gòu)限位保護(hù)、超載保護(hù)進(jìn)行測試。

5 結(jié)束語

門座式起重機(jī)完成電氣控制系統(tǒng)改造后，將PLC、變頻器和觸摸屏等控制技術(shù)應(yīng)用于門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)中。港口裝卸作業(yè)效率明顯提高，電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，運(yùn)行過程中故障較少，工作時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)震動(dòng)明顯減弱，生產(chǎn)過程中以往出現(xiàn)的“開斗”、“溜鉤”等故障徹底解決。改造后的門座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)不僅使港口生產(chǎn)效率得到極大的提高，并且也降低了生產(chǎn)能耗，具有良好的市場推廣價(jià)值，為港口互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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