淺談自動化控制在橋式抓斗卸船機上的應(yīng)用

喬宏琦　范宵祎　王鑫

摘要：橋式抓斗卸船機電氣控制系統(tǒng)、AC800M可編程邏輯控制器、橋式抓斗卸船機的組成、ACS800多傳動變頻器的組成及特點。

關(guān)鍵詞：橋式抓斗卸船機；自動化；控制

在改革開放政策和經(jīng)濟全球化的推動下，港口成為與國際連接通道的重要節(jié)點，是區(qū)域加入經(jīng)濟全球化和社會分工的基礎(chǔ)，國內(nèi)和國際貿(mào)易快速增長帶動了海上大宗散貨運輸量的快速增長。隨之而來的對港口的裝卸能力也提出更高的要求，卸船機的工作效率也在逐漸提高，在這個過程中自動化控制起到了關(guān)鍵性作用。在過去很長一段時間里，國內(nèi)的橋式抓斗卸船機完全依靠手動操作，所以，司機的勞動強度很大，卸船效率不高，安全性也較差。近年來，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)的橋式抓斗卸船機陸續(xù)裝上了防止抓斗擺動的自動控制系統(tǒng)，以縮短工作循環(huán)周期，提高卸船效率和安全性，降低司機的勞動強度。本文以唐山曹妃甸礦石碼頭三期的橋式抓斗卸船機為例，淺談一下自動化控制在橋上抓斗卸船機上的應(yīng)用。橋式抓斗卸船機主要有起升支持機構(gòu)、起升開閉機構(gòu)、小車平移機構(gòu)、俯仰機構(gòu)和大車行走機構(gòu)等五大機構(gòu)組成。其中起升支持和起升開閉機構(gòu)完成抓斗的升降，開閉和深挖等功能，小車機構(gòu)完成抓斗的平移，俯仰機構(gòu)完成大臂梁的收放，大車行走機構(gòu)完成整臺卸船機的移動。橋式抓斗卸船機除了以上五個主要機構(gòu)外，與控制相關(guān)的還有一些輔助機構(gòu)，如電纜卷筒，振動給料器，輸料皮帶系統(tǒng)、司機室平移、照明和稱重裝置等，這些輔助機構(gòu)在控制上較為簡單，容易實現(xiàn)。

自動化控制有半自動與全自動化：全自動化控制是人只需要作為操作員，確定控制的要求和程序，不用直接參與生產(chǎn)過程的控制技術(shù)；半自動化控制要人通過設(shè)施、設(shè)備、機械、儀器或手工等勞動力的參與。全自動化控制在橋式抓斗卸船上的應(yīng)用還在發(fā)展初期沒有應(yīng)用到各個散貨碼頭上還較少，本文著重介紹一下半自動化控制在橋式卸船上的應(yīng)用。

從（圖1）中我們可以看到這個電氣控制系統(tǒng)主要包括：PLC、變頻器、CMS、OPC、I/O、通訊技術(shù)。為了方便理解本文將其分為三部分，即執(zhí)行部分，控制部分，監(jiān)控管理部分。

第一，執(zhí)行部分是控制系統(tǒng)中最直觀的一部分，它看得見、摸得著。其主要由交直流電動機、限位、傳感器、電磁閥、編碼器等組成。執(zhí)行部分的動作精度能體現(xiàn)出控制部分的好壞，同時也影響控制部分的控制命令。因其執(zhí)行控制命令的同時也反饋信號。為了實現(xiàn)高速精確的信息傳遞，必須借助I/O模塊和現(xiàn)場總線技術(shù)。

第二，控制部分是控制系統(tǒng)的大腦，整臺設(shè)備的動作都由它統(tǒng)一控制，是控制系統(tǒng)的核心。其主要由驅(qū)動器（交直流調(diào)速器）和可編程序邏輯控制器（PLC）組成，控制部分設(shè)備之間通過現(xiàn)場總線技術(shù)完成信息交換；在曹妃甸礦石三期主要采用PROFIBUS總線和DRIVERBUS總線。

目前在卸船機應(yīng)用主流的PLC有西門子、ABB、ALSTOM、OMRON等。

本文以ABB的AC800M系統(tǒng)進行詳細說明（如圖2）。AC800M控制器是導(dǎo)軌安裝式模塊化控制器家族，其中包括CPU、通訊模塊、電源模塊和各種附件?？晒┑腃PU模塊根據(jù)其處理能力、內(nèi)存大小及是否支持冗余分成幾類。每個CPU模塊配備有兩個以太網(wǎng)端口，用于連接操作員站、工程師站、管理站及更高層次的應(yīng)用。這兩個以太網(wǎng)端口可配置成冗余，用于提搞系統(tǒng)的可利用性。另外還配備了兩個RS-232C端口，可供CPU與編程/調(diào)試工具以第三方系統(tǒng)和設(shè)備之間進行通訊。

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中起到重要作用，目前在卸船機上應(yīng)用的有西門子、ABB、ALSTOM、OMRON等。本文以ABB的ACS800系列多傳動R8模塊為例來進行詳細闡述（如圖3）。ACS800變頻器核心技術(shù)就是直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），是目前工業(yè)應(yīng)用中先進的交流異步電機控制方式。DTC的杰出的性能及ABB針對各種工業(yè)應(yīng)用的專用控制宏，使得ACS800變頻器適用于各種領(lǐng)域并有著杰出的表現(xiàn)。ACS800主要由傳動部分和控制部分組成。傳動部分主要由ISU（IGBT供電單元）、以及多個INU（逆變單元）組成。控制部分主要由ACU（輔助控制單元）ICU（進線控制單元）和DCU（傳動控制單元）組成。ACS 800多傳動基本設(shè)計理念：（1）公共直流母排；（2）單一輸入功率連接；（3）不帶制動斬波器或不帶再生式供電單元時，驅(qū)動電機的逆變器之間內(nèi)部分配能量，有發(fā)電，有電動；（4）降低輸入線電流；（5）多個逆變器可采用公共的制動方式；（6）節(jié)約電纜、安裝、維護成本；（7）不需要使用獨立的MCC（馬達控制中心）。ABB多傳動產(chǎn)品特點：（1）只需要更少的備件；（2）革命性創(chuàng)新設(shè)計；（3）并聯(lián)模塊具有冗余性；（4）每一臺模塊都是一臺完整的三相逆變器；（5）如果一臺模塊故障，能繼續(xù)輕載運行；（6）減少故障停機時間，恢復(fù)快。

第三，監(jiān)控管理部分是控制系統(tǒng)和設(shè)備維修管理人員與操作人員進行人機對話。人性化的CMS界面可以方便設(shè)備操作人員和設(shè)備維修管理人員對設(shè)備的了解。CMS系統(tǒng)是一套基于PC的人機交互的起重機維護工作站系統(tǒng)，他一般被放置在起重機的電氣房中。CMS系統(tǒng)作為起重機的維護平臺，為用戶和維護人員提供了詳盡、實時的狀態(tài)和事件信息。簡單的說，該系統(tǒng)具有兩個基本功能：（1）提供在線調(diào)試診斷的工具；（2）方便地收集和存儲系統(tǒng)信息。監(jiān)控部分設(shè)備通過現(xiàn)場總線技術(shù)與控制層交換信息，完成設(shè)備級的故障檢測，顯示及處理，系統(tǒng)狀態(tài)動態(tài)顯示、歷史記錄的生成及報表輸出打印等功能。

第四，結(jié)束語

全文總結(jié)本文以曹妃甸礦石碼頭三期橋式抓斗卸船機為背景，淺談橋式抓斗卸船機電氣控制系統(tǒng)研究，分析了橋式抓斗卸船機的結(jié)構(gòu)及特點、電氣控制系統(tǒng)的組成。研究展望：（1）進一步完善卸船機的自動控制；（2）更精細故障診斷系統(tǒng)；（3）更先進的監(jiān)控及管理系統(tǒng)。

參考文獻

[1]思超良.抓斗卸船機控制系統(tǒng)問題分析與改進[J].港口裝卸，2004年第二期（總第154期）.

[2]徐雄炳.橋式卸船機抓斗自動控制功能的應(yīng)用研究[D].上海：上海交通大學(xué).