戴孟業(yè) 郭小強(qiáng) 黃大志

摘要：港口集裝箱起重機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是一款適用于訓(xùn)練港口岸橋起重機(jī)操作和維護(hù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，由電氣控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、鋼絲繩系統(tǒng)、視頻定位系統(tǒng)及無(wú)線電磁鐵系統(tǒng)等組成，主要以模擬重點(diǎn)作業(yè)設(shè)備（場(chǎng)橋、岸橋）的運(yùn)行工況為基礎(chǔ)，人為干預(yù)為外部條件，干預(yù)結(jié)果為研究對(duì)象，開(kāi)展針對(duì)性設(shè)備工況及故障研究。各部位可人為制造故障，以培訓(xùn)、考核技術(shù)人員的操作技能，提高其實(shí)際維修保養(yǎng)設(shè)備的能力。

關(guān)鍵詞：集裝箱起重機(jī);PLC控制;電氣控制;模擬仿真

0 引言

經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)下，國(guó)際貿(mào)易愈加頻繁，港口起重機(jī)大型化發(fā)展速度越來(lái)越快。集裝箱起重機(jī)（Container Crane）作為港口裝卸貨物的主要工具，主要由全數(shù)字化控制驅(qū)動(dòng)裝置、可編程序控制器、故障診斷及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)字化操縱給定檢測(cè)等設(shè)備組成[1]，其對(duì)港口的快速發(fā)展及裝卸效率的提升起著重要作用。

港口大型起重機(jī)規(guī)格龐大，故障維修難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、成本高，為了解決技術(shù)人員培訓(xùn)以及故障維修方面的難題，本文設(shè)計(jì)了一套港口集裝箱起重機(jī)縮小比例（1：66）模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，使技術(shù)人員能夠熟悉起重機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握集裝箱起重機(jī)的實(shí)際操作方法，從而便于室內(nèi)技術(shù)人員培訓(xùn)、故障排除等。

該設(shè)計(jì)集合了電氣控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、起重機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)等眾多學(xué)科知識(shí)，基于電氣控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、鋼絲繩系統(tǒng)、視頻定位系統(tǒng)及無(wú)線電磁鐵系統(tǒng)，對(duì)核心控制系統(tǒng)與原系統(tǒng)相同的模擬訓(xùn)練控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與構(gòu)建，同時(shí)運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)訓(xùn)練系統(tǒng)模型進(jìn)行三維設(shè)計(jì)與搭建，并進(jìn)行仿真模擬及可行性分析。最后在此基礎(chǔ)上制作港口集裝箱起重機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)樣機(jī)，并對(duì)其性能進(jìn)行分析。

1 方案設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)主要是在全面了解港口起重機(jī)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理和現(xiàn)場(chǎng)需求后，為了解決操作人員室內(nèi)培訓(xùn)問(wèn)題，進(jìn)行的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研究。港口起重機(jī)主要分為集裝箱起重機(jī)、港口門(mén)座起重機(jī)、臺(tái)架式起重機(jī)、固定式起重機(jī)等，本課題考察的是連云港40 t集裝箱起重機(jī)。

集裝箱起重機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)造包括動(dòng)力移動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和全景視頻定位輔助系統(tǒng)。動(dòng)力移動(dòng)系統(tǒng)由小車(chē)、大車(chē)、大臂、吊具等構(gòu)成，系統(tǒng)的主要運(yùn)動(dòng)包括大小車(chē)的移動(dòng)、吊具的升降和大臂的抬起、放下動(dòng)作;小車(chē)移動(dòng)距離為1 360 mm;大車(chē)在既定路徑下，電機(jī)與減速機(jī)配合讓大車(chē)保持穩(wěn)定工作;大臂抬起角度為0°～85°;吊具可自由升降，跟隨小車(chē)水平移動(dòng)至既定位置。傳動(dòng)系統(tǒng)主要由齒輪、齒條、滑輪、鋼絲繩組成。全景視頻定位輔助系統(tǒng)包括4個(gè)攝像頭，每個(gè)攝像頭捕捉到的畫(huà)面通過(guò)軟件合成一個(gè)全景視圖且無(wú)變形，最后呈現(xiàn)在工作臺(tái)屏幕上，便于工人實(shí)時(shí)觀察吊具的位置以及周?chē)h(huán)境的變化，改善司機(jī)操作條件，保證作業(yè)安全，提高自動(dòng)化控制程度和擴(kuò)大遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)的使用范圍[2]。

2 機(jī)械系統(tǒng)與模型設(shè)計(jì)分析

2.1? ? 起重機(jī)模型結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

模型制作包括形體設(shè)計(jì)、比例設(shè)計(jì)、材料選購(gòu)和表面處理等。起重機(jī)模型設(shè)計(jì)的主要參數(shù)：起重量61 kg，跨度0.45 m，起升高度1 m，起升速度1.2 m/min，小車(chē)運(yùn)行速度v=1.2 m/min，大車(chē)運(yùn)行速度Vdc=0.6 m/min，小車(chē)重量約0.65 kg，起重機(jī)模型質(zhì)量約100 kg，模型總體外觀尺寸為1 690 mm×460 mm×1 006 mm（長(zhǎng)×寬×高），起重機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2? ? 大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)計(jì)算

已知起重機(jī)的起重量M=61 kg，橋架跨度L=0.45 m，大車(chē)運(yùn)行速度Vdc=0.6 m/min，機(jī)構(gòu)運(yùn)行持續(xù)率為JC=25%，起重機(jī)的估計(jì)重量G=100 kg，小車(chē)的重量為Gxc=0.65 kg。

大車(chē)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。

通過(guò)選擇軸承，分別計(jì)算空載和滿載時(shí)的運(yùn)行阻力矩，然后計(jì)算電動(dòng)機(jī)的功率，根據(jù)功率進(jìn)行選型，最后驗(yàn)算電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率條件，確定電動(dòng)機(jī)型號(hào)為2IK6GN-U。

3 電控及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? ? 主控制器設(shè)計(jì)

主控制器主要采用計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，包括CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口及模塊、通信接口及模塊、編程器和電源[3]?？删幊炭刂破骰窘Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

本系統(tǒng)采用Siemens的可編程控制器，型號(hào)為ES7312-1AE14-0AB0，采用Siemens的變頻器，型號(hào)為V20，采用增量型的角度編碼器，型號(hào)為E6B2-CWZ5B。

3.2? ? 硬件電路和梯形圖程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的輸入口包括主回路啟停、主令控制器各電動(dòng)機(jī)啟停、限位、故障輸入、過(guò)電流保護(hù)、急停、復(fù)位等;輸出口包括主電路電源、復(fù)位輸出、急停輸出、各電動(dòng)機(jī)的電源、正反轉(zhuǎn)和變頻器輸出、過(guò)電流保護(hù)輸出等。

當(dāng)PLC上電工作時(shí)，接通SM0.0，完成初始化。同時(shí)在總電路開(kāi)關(guān)中，當(dāng)接通啟動(dòng)開(kāi)關(guān)I0.0，停止開(kāi)關(guān)I0.1及閉合過(guò)電流保護(hù)開(kāi)關(guān)I0.7常閉觸頭時(shí)，總電源輸出開(kāi)關(guān)Q0.0打開(kāi)并自保持，整個(gè)電路將通電，等待啟動(dòng)相關(guān)按鈕及其對(duì)應(yīng)子程序[4]。

4 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)模型仿真實(shí)驗(yàn)分析

4.1? ? 機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

電機(jī)是一種含有耦合磁場(chǎng)、磁耦合電路，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換或傳遞的電磁裝置。在絕大多數(shù)場(chǎng)合，集裝箱起重機(jī)是以三相交流感應(yīng)電機(jī)為動(dòng)力源[5]。

在訓(xùn)練系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，采用6 W/380 V的微型交流電光軸電機(jī)作為大車(chē)、小車(chē)、懸臂梁和吊具的動(dòng)力來(lái)源。集裝箱起重機(jī)一次工作流程分為調(diào)試準(zhǔn)備、開(kāi)始作業(yè)、停止作業(yè)、結(jié)束。起重機(jī)吊具的額定載荷為610 N，吊具在上升與下降過(guò)程中受到重物的拉力，對(duì)受力地方進(jìn)行應(yīng)力分析，吊具受到的應(yīng)力法向力大約為610 N。

4.2? ? 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)仿真

港口起重機(jī)工作循環(huán)周期如圖4所示。

由圖4可以看出，從T0～T12可以將工作過(guò)程分離出7種運(yùn)動(dòng)組合[6]，分別為：起升加速階段、加速起升和小車(chē)回程加速階段、勻速起升和小車(chē)回程加速階段、勻速起升和小車(chē)勻速階段、減速起升和小車(chē)回程勻速階段、小車(chē)回程減速階段、卸載階段。

通過(guò)對(duì)起重機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)載重工作狀態(tài)、空載工作狀態(tài)、停止工作狀態(tài)下的模擬仿真以及部分動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)行了實(shí)際操作演示，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，證實(shí)了起重機(jī)理論分析的合理性[7]。

5 結(jié)論

港口集裝箱起重機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于電氣控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、鋼絲繩系統(tǒng)、視頻定位系統(tǒng)及無(wú)線電磁鐵系統(tǒng)，對(duì)核心控制系統(tǒng)與原系統(tǒng)相同的模擬訓(xùn)練控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與構(gòu)建，同時(shí)運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)訓(xùn)練系統(tǒng)模型進(jìn)行三維設(shè)計(jì)與搭建，并進(jìn)行仿真模擬及可行性分析，取得了以下相應(yīng)成果：

（1）制定出模擬系統(tǒng)的總體方案。根據(jù)大型起重機(jī)實(shí)際功能進(jìn)行初步研究，確定了以1：66比例進(jìn)行模型搭建，經(jīng)過(guò)各種數(shù)據(jù)分析計(jì)算，制定出了一套模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)物，經(jīng)過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)，認(rèn)定該方案可行。

（2）選定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制裝置等，通過(guò)PLC實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控起重機(jī)工作。通過(guò)360°全景監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大車(chē)、小車(chē)、吊具等的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能。

（3）通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)，控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足了大車(chē)、小車(chē)的速度調(diào)節(jié)和懸臂梁的角度監(jiān)測(cè)需求，使起重機(jī)工作效率得到有效提升。

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收稿日期：2020-06-08

作者簡(jiǎn)介：戴孟業(yè)（1999—），男，江蘇淮安人，研究方向：機(jī)械電子。

通信作者：黃大志（1977—），男，河南新野人，副教授，研究方向：增材制造。