門座起重機(jī)邊下降邊開斗功能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程　粵

龍口港集團(tuán)有限公司

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門座起重機(jī)邊下降邊開斗功能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程粵

龍口港集團(tuán)有限公司

摘要：鑒于粘性較大貨物作業(yè)時(shí)易粘附在抓斗壁上，墜落會(huì)對高壓電纜和船舶設(shè)施造成損壞，需閉斗進(jìn)艙，從而增加操作動(dòng)作和作業(yè)時(shí)間的情況。為優(yōu)化裝卸工藝流程，設(shè)計(jì)了門座式起重機(jī)邊下降邊開斗功能控制系統(tǒng)。作業(yè)測試表明，達(dá)到了降低作業(yè)時(shí)間和提高作業(yè)效率的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：門座起重機(jī)； 粘性； 邊下降邊開斗； 裝卸工藝

1前言

在龍口港大宗散貨中，馬來西亞鋁礬土、印尼鋁礬土、鎳礦等粘性較大貨種年接卸量在800萬t 以上，船型以6～12萬t為主，主要靠泊10萬t碼頭，采用40 t門座起重機(jī)(以下簡稱門機(jī))作業(yè)。門機(jī)主電纜敷設(shè)于碼頭前沿電纜溝內(nèi)，供電電壓10 kV，長190 m，價(jià)值較高。作業(yè)時(shí)為避免粘附在抓斗壁上的貨物墜落砸傷高壓電纜或船舶設(shè)施，需閉斗進(jìn)艙，單臺(tái)設(shè)備作業(yè)效率約280 t/h，遠(yuǎn)低于粘性較小的澳大利亞鋁礬土、鐵礦石、煤炭等貨種的單臺(tái)設(shè)備420 t/h的作業(yè)效率。

2裝卸工藝流程分析

粘性較大貨種作業(yè)工況較差，不易抓取，易粘附于抓斗壁上，抓斗抓取量相對較少，同時(shí)為保護(hù)高壓電纜和船舶設(shè)施，閉斗進(jìn)艙也是影響裝卸效率的主要因素。將大宗散貨按粘性大小分為2類，一類為粘性較大貨種，如馬來西亞鋁礬土、印尼鋁礬土、鎳礦等，此類貨種易粘附在抓斗壁上，需閉斗進(jìn)艙；另一類為粘性較小貨種，如澳大利亞鋁礬土、鐵礦石、煤炭等，此類貨種不易粘附在抓斗壁上，正常作業(yè)即可。

2.1粘性較小貨種裝卸工藝流程

抓斗前沿貨垛上方開斗放貨→向左旋轉(zhuǎn)至船艙上方→下降至船艙內(nèi)貨面→閉斗抓取貨物→抓取貨物后起升至船艙口→向右旋轉(zhuǎn)至前沿貨垛→前沿貨垛上方開斗放貨。如此反復(fù)。

2.2粘性較大貨種作業(yè)工藝流程

抓斗前沿貨垛上方開斗放貨→閉斗同時(shí)向左旋轉(zhuǎn)至船艙上方→下降至船艙內(nèi)貨面→開斗至終點(diǎn)→閉斗抓取貨物→抓取貨物后起升至船艙口→向右旋轉(zhuǎn)至前沿貨垛→前沿貨垛上方開斗放貨。如此反復(fù)。

2.3粘性大小對裝卸工藝流程的影響

對貨種粘性較小和粘性較大的裝卸工藝流程進(jìn)行對比分析，粘性較大的貨種比粘性較小的貨種裝卸工藝流程多了抓斗閉斗和抓斗開斗2個(gè)動(dòng)作。抓斗閉斗是在旋轉(zhuǎn)進(jìn)艙的過程中完成的，實(shí)際操作不會(huì)增加作業(yè)時(shí)間。抓斗開斗動(dòng)作需獨(dú)立完成，增加作業(yè)時(shí)間。

3粘性較大貨種裝卸工藝流程優(yōu)化

粘性較大貨種抓斗自船艙口上方至艙內(nèi)貨面下降的同時(shí)完成開斗動(dòng)作，即抓斗自船艙口至艙內(nèi)貨面下降的過程中，支持機(jī)速度不變或略微減小，開閉機(jī)速度增大，在抓斗自船艙口上方至艙內(nèi)貨面下降的時(shí)間內(nèi)，利用支持機(jī)與開閉機(jī)相對速度差完成抓斗開斗動(dòng)作。

3.1MQ40-37門機(jī)概況

MQ40-37門機(jī)額定起重量40 t(含約60 t的抓斗自重)，工作幅度12～37 m，起升速度50 m/min。PLC采用GE Fanuc90-30，主、從兩站控制。起升機(jī)構(gòu)開閉、支持電機(jī)額定功率均為250 kW，采用安川CIMR-G7B 300 kW變頻器驅(qū)動(dòng)。PLC與變頻器之間通過IC693PBM200通訊模塊、變頻器SI-P1通訊卡建立通訊連接，PLC、變頻器和電動(dòng)機(jī)之間的速度給定、力矩給定、力矩補(bǔ)償、輸出電流、輸出頻率、PG速度檢測、速度反饋等以通訊字的形式通信。

3.2抓斗自動(dòng)開閉斗功能

起升電動(dòng)機(jī)軸流風(fēng)機(jī)側(cè)配有旋轉(zhuǎn)增量式編碼器，與變頻器、電動(dòng)機(jī)共同構(gòu)成閉環(huán)控制回路[1-2]。設(shè)定自動(dòng)開閉斗功能時(shí)，PLC通過IC693APU300分別檢測和計(jì)算抓斗開斗終點(diǎn)、閉斗終點(diǎn)的開閉機(jī)和支持機(jī)編碼器相對位置，并賦值、保存。自動(dòng)開閉斗功能設(shè)定完畢后，在抓斗自動(dòng)狀態(tài)下，抓斗最大開斗幅度和閉斗幅度一定，即抓斗至開斗終點(diǎn)時(shí)，不能繼續(xù)開斗，至閉斗終點(diǎn)時(shí)，不能繼續(xù)閉斗。抓斗幅度大小在0～80% 范圍內(nèi)開閉斗速度為100%，在80%～98% 范圍內(nèi)速度為50%，在98%～100% 范圍內(nèi)速度為0,以減小閉斗速度過快對抓斗底韌板的沖擊。

3.3邊下降邊開斗功能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

(1)操作習(xí)慣：原有功能和動(dòng)作保持不變；易于操作，符合門機(jī)司機(jī)的操作習(xí)慣。

(2)使用功能：能夠自動(dòng)檢測張斗終點(diǎn)，無需操作人員指揮和操作；適型船舶抓斗自船艙口上方至艙內(nèi)貨面的時(shí)間內(nèi)能打開抓斗；對電動(dòng)機(jī)、變頻器等設(shè)備無影響，對使用功能無影響。

(3)安全功能：使用安全，操作簡單，不會(huì)造成誤動(dòng)作[3]。

3.3.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，對邊下降邊開斗功能控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制線路、PLC系統(tǒng)、變頻器系統(tǒng)變更內(nèi)容見表1。

表1　邊下降邊開斗控制系統(tǒng)變更

單機(jī)腳踏開關(guān)：與起升主令手柄操作動(dòng)作配合實(shí)現(xiàn)抓斗開閉斗功能。單機(jī)腳踏開關(guān)與起升主令手柄上升檔同時(shí)動(dòng)作，開閉機(jī)以主令手柄給定速度上升，支持機(jī)制動(dòng)器打開，支持機(jī)電機(jī)不工作，抓斗閉斗；單機(jī)腳踏開關(guān)與起升主令手柄下降檔同時(shí)動(dòng)作，開閉機(jī)以主令手柄給定速度下降，支持機(jī)制動(dòng)器不打開，支持機(jī)電機(jī)不工作，抓斗開斗。

3.3.3邊下降邊開斗功能

作業(yè)前，抓斗開斗至需要的開斗幅度，按駕駛室操縱臺(tái)“開斗設(shè)定”按鈕，PLC對此時(shí)的開閉機(jī)與支持機(jī)相對位置進(jìn)行檢測、計(jì)算、賦值和記憶。邊下降邊開斗腳踏開關(guān)與起升主令手柄下降檔同時(shí)動(dòng)作，抓斗以35 Hz相對速度開斗(開閉機(jī)80 Hz速度運(yùn)行，支持機(jī)45 Hz速度運(yùn)行)，至抓斗設(shè)定的開斗幅度后，支持機(jī)、開閉機(jī)改由50 Hz同速運(yùn)行，直至起升動(dòng)作停止。

3.4邊下降邊開斗功能實(shí)施后粘性較大貨種作業(yè)工藝流程

抓斗前沿貨垛上方開斗放貨→閉斗同時(shí)向左旋轉(zhuǎn)至船艙上方→邊下降邊開斗→閉斗抓取貨物→抓取貨物后起升至船艙口→向右旋轉(zhuǎn)至前沿貨垛→前沿貨垛上方開斗放貨。如此反復(fù)。

對粘性較大貨種新的裝卸工藝流程與粘性較小貨種裝卸工藝流程進(jìn)行比較，粘性較大貨種“閉斗同時(shí)向左旋轉(zhuǎn)至船艙上方→邊下降邊開斗”與粘性較小貨種“向左旋轉(zhuǎn)至船艙上方→下降至船艙內(nèi)貨面”不同，“閉斗同時(shí)向左旋轉(zhuǎn)至船艙上方”中閉斗是在旋轉(zhuǎn)進(jìn)艙的過程中完成的，實(shí)際操作不會(huì)增加作業(yè)時(shí)間。“邊下降邊開斗”與“下降至船艙內(nèi)貨面”所用時(shí)間基本相同，因此邊下降邊開斗功能實(shí)施后，粘性較大貨種作業(yè)工藝流程與粘性較小貨種裝卸工藝流程所用時(shí)間基本相同。

4可行性分析

4.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則符合性

(1)操作習(xí)慣：作業(yè)前設(shè)定開斗幅度，與抓斗自動(dòng)開閉斗功能設(shè)定相同；抓斗開斗是單機(jī)腳踏開關(guān)動(dòng)作與主令手柄下降檔動(dòng)作，邊下降邊開斗功能是邊下降邊開斗腳踏開關(guān)與主令手柄下降檔動(dòng)作，2個(gè)功能都是開斗操作，操作方式相同。

(2)使用功能：單機(jī)腳踏開關(guān)常開點(diǎn)為PLC功能輸入點(diǎn)保持不變，常閉點(diǎn)與邊下降邊開斗腳踏開關(guān)常開點(diǎn)串聯(lián)作為PLC功能輸入點(diǎn)，2個(gè)功能由各自的腳踏開關(guān)獨(dú)立、聯(lián)鎖控制；在抓斗自船艙口上方至船艙貨面下降過程中，能夠邊下降邊開斗至設(shè)定的開度，并自動(dòng)檢測、執(zhí)行支持機(jī)和開閉機(jī)同時(shí)全速運(yùn)行。

(3)安全功能：使用安全，操作簡單；在邊下降邊開斗腳踏開關(guān)和主令手柄下降檔同時(shí)動(dòng)作時(shí)，該功能方可實(shí)現(xiàn)，上升和閉斗等其他動(dòng)作無此功能，對其他使用功能也無影響。

4.2電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速

異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢有效值

E1=4.44f1N1knφm

其中：E1為定子每相繞組有效匝數(shù)；f1為電動(dòng)機(jī)定子電源頻率；φm為磁通量；kn為定子繞組系數(shù)。

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩

其中：PN為電動(dòng)機(jī)額定功率；nN為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；P為電動(dòng)機(jī)極數(shù)；f為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率；s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。

MQ40-37門機(jī)起升電動(dòng)機(jī)額定功率250 kW，變頻范圍1～100 Hz，電動(dòng)機(jī)極數(shù)6極，額定轉(zhuǎn)速990 r/min。

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩公式，分別對50 Hz和80 Hz時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算。

50 Hz時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩

80 Hz時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩

4.3電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速

電動(dòng)機(jī)基頻以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，主磁通Φm保持不變，感應(yīng)電動(dòng)勢E1/電源頻率f1為定值，以保證電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力；基頻以上為恒功率調(diào)速，感應(yīng)電動(dòng)勢E1保持380 V不變，主磁通Φm/電源頻率f1為定值。

電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩：抓斗抓滿貨(貨物加抓斗重40 t)時(shí)電動(dòng)機(jī)扭矩為1 840 Nm，抓斗空斗(抓斗重約16 t)時(shí)電動(dòng)機(jī)扭矩為335.9 Nm。電動(dòng)機(jī)50 Hz以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為2 411 Nm，50～80 Hz為恒功率調(diào)速，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩由2 411 Nm逐漸降至1 507 Nm，符合要求。

電動(dòng)機(jī)工作頻率：電動(dòng)機(jī)工作頻率范圍為15～80 Hz，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行允許的1～100 Hz工作范圍內(nèi)。

5結(jié)語

對同一船舶、同一貨種、同一工況的門機(jī)作業(yè)情況進(jìn)行測試(持續(xù)作業(yè)12 h后測試，1臺(tái)門機(jī)正常作業(yè)，1臺(tái)門機(jī)使用邊下降邊開斗功能)，電動(dòng)機(jī)、變頻器運(yùn)行和作業(yè)情況良好，符合設(shè)備性能和裝卸作業(yè)要求。電動(dòng)機(jī)工作電流正常作業(yè)時(shí)200 A(50 Hz), 使用邊下降邊開斗功能時(shí)120 A(80 Hz)。電動(dòng)機(jī)工作電壓正常作業(yè)時(shí)380 V(50 Hz)，使用邊下降邊開斗功能時(shí)380 V(50～80 Hz)。電動(dòng)機(jī)表面溫度正常作業(yè)時(shí)37 ℃，使用邊下降邊開斗功能時(shí)36 ℃。

對粘性較小和粘性較大貨種作業(yè)進(jìn)行測試，粘性較小貨種單次作業(yè)循環(huán)時(shí)間約138 s，粘性較大貨種單次作業(yè)循環(huán)時(shí)間約154 s，抓斗開斗動(dòng)作時(shí)間約14 s；使用邊下降邊開斗功能后，粘性較大貨種單次作業(yè)循環(huán)時(shí)間約142 s，作業(yè)效率310 t/h，作業(yè)效率提高約10%，達(dá)到了預(yù)期要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]程粵. 基于PLC的圓盤鋸石機(jī)自動(dòng)化改造[J]. 機(jī)床電器, 2008(6)：42-43.

[2]程粵. 全自動(dòng)硫磺灌包機(jī)防堵轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床電器, 2010(1)：53-55.

[3]朱學(xué)軍. PLC順序控制方法研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2003(11)：31-39.

[4]Pavlovic, R. Pinger and M. Kollmann, “Automated Formal Verification of PLC Programs Written in IL,”Conference on Automated Deduction (CADE), Bremen, July 2007：152-163.

程粵： 265700 ， 山東省龍口市環(huán)海路1899號

Design of the Control System for Opening Portal Crane′s Grab While Descending

Long Kou Port Group Co.,Ltd.Cheng Yue

Abstract:Cargos with viscosity can easily adhere to the grab bucket and a falling cargo can do damage to the high voltage cable and ships. In this case the grab should be closed when moving into the cabin, which increases the operation step and time. To optimizing the handling process, a control system which can realize the opening of the grab while descending, is designed for the portal crane. Operation tests show that the design goal of reducing the operation time and increasing the working performance is reached .

Key words:portal crane； viscous； opening the grab while descending; cargo handling technology

收稿日期：2015-11-10

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.03.008