港口門座式起重機電氣控制系統(tǒng)改造設計

■彭文

（福建省港航勘察設計研究院，福州351000）

港口門座式起重機電氣控制系統(tǒng)改造設計

■彭文

（福建省港航勘察設計研究院，福州351000）

隨著全球化貿易進程的加快，港口吞吐量日益增加，為提高港口裝卸效率，對港口老舊設備改造已刻不容緩。本文介紹了門座式起重機結構及其工藝流程，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電氣控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件基本設計方案。

門式起重機PL C電氣控制系統(tǒng)改造

港口門座式起重機是港口裝卸設備中重要組成部分，廣泛用于散雜貨碼頭裝卸生產過程中。而絕大多數(shù)老舊碼頭門座式起重機電氣控制系統(tǒng)采用繼電器、定時器等邏輯開關組成，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。隨著電子計算機技術的迅猛發(fā)展，PLC、變頻器等技術以其可靠性高、運行平穩(wěn)、功能強大等特點，已廣泛應用于港口裝卸設備領域?！盎ヂ?lián)網＋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。

1 門機工藝及電氣控制系統(tǒng)分析

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

1.1 門機設備組成及工藝流程

門座式起重機主要由起升、變幅、回轉、運行四大機構，臂架、立柱及平衡系統(tǒng)、轉臺、圓筒門架等主要結構，電氣控制系統(tǒng)，司機室、機器房及各安全保護裝置等部分組成。門座起重機可以通過起升、變幅、旋轉三個機構分別實現(xiàn)貨物的升降、徑向移動、旋轉，再通過運行機構調整作業(yè)位置，使其可在較大區(qū)域內移動貨物。

門座式起重機港口常見的裝卸工藝流程：

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

1.2 門機電氣控制系統(tǒng)改造原因分析

門座式起重機由起升、變幅、旋轉、行走四大機構組成,其中行走機構為非工作性機構,與其它機構連鎖,不與其它任何機構同時運行；而起升、變幅、旋轉三個機構既可以獨立運行,可以根據作業(yè)要求同時運行。老舊碼頭門式起重機起升、變幅、行走及旋轉等機構的電氣控制系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)的繼電器、接觸器相關聯(lián)的控制方式，且各機構電機采用轉子串聯(lián)切電阻調速方式，隨著港口生產量的不斷增加，使用頻率越來越高，一直滿負荷甚至超負荷的作業(yè)，伴隨使用時間的延長，門式起重機的起升、變幅機構故障率不斷上升，經常出現(xiàn)控制回路過流導致繼電器、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 門機電氣控制系統(tǒng)改造方案

門座式起重機起升機構、變幅機構原配的繞線式電機更換為起重機變頻專用電機，以提升起重機兩大運行機構的輸出力矩。由于門座式起重機起升機構對變頻調速硬度、低頻轉矩特性及動態(tài)快速相應的特殊要求，宜采用變頻閉環(huán)矢量調速控制方式，而變幅機構采用變頻開環(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、旋轉及行走機構等設備控制、保護信號引入PLC控制柜。

（1）起升機構、行走機構

起升機構、行走機構的起升單機、開閉單機、抓斗、吊鉤、機上行走、機下行走6種運行操作信號。起升機構的電氣保護信號有短路及過電流保護、過載保護、失壓、缺相及零位保護、大風保護和超速保護等。

（2）變幅機構

變幅機構的電氣保護信號有短路保護、過電流保護、過載保護、失壓保護、缺相保護等,當變頻器出現(xiàn)故障時，必須通過右聯(lián)動臺上的故障復位按鈕進行手動復位。

（3）旋轉機構

旋轉機構電氣保護信號有短路保護、過電流保護、過載保護、失壓保護、缺相保護等，當變頻器出現(xiàn)故障時，必須通過故障復位按鈕進行手動復位。

2 門機電氣控制系統(tǒng)硬件設計

港口門座式起重機電氣控制系統(tǒng)主要由PLC和變頻器來實現(xiàn)對起重機的運行、保護及調速等功能。門座式起重機電氣控制系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 門座式起重機電氣控制系統(tǒng)結構框圖

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)以太網連接，利用強大的工業(yè)觸摸屏組態(tài)軟件進行開發(fā)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)各種畫面的編輯，用以顯示設備動作流程、各種狀態(tài)、參數(shù)設定、操作指南、警報信息、統(tǒng)計資料、簡易報表等。

觸摸屏主界面包含門座式起重機整機、起升、變幅、旋轉、行走各個機構操作按鈕，以及設備主令手柄位置、模擬量給定值、執(zhí)行機構反饋值、各元件工作狀態(tài)。故障報警界面用于對故障的檢測及信息提示，便于操作人員及時的了解故障原因，并按提示自行恢復，以盡快恢復作業(yè)。并對故障報警歷史數(shù)據進行存儲，便于調取歷史數(shù)據。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

為保障設備運行的高效性、穩(wěn)定性，門座式起重機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、模塊化、性價比高等特點。CS1D系列PLC可用梯形圖、語句表和功能塊圖進行編程，指令豐富，功能強，操作方便。

根據門座式起重機起升、變幅、旋轉及行走等機構的輸入輸出信號數(shù)量和具體的控制要求對OMRON PLC進行合理的配置，門座式起重機PLC選型主要硬件配置如下表1所示：

表1 門座式起重機電氣控制系統(tǒng)PLC模塊配置表

2.3 變頻調速系統(tǒng)

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

可以減少啟動時對電網沖擊，有利于港口其它設備正常運行。其接線端子有RS485通訊接口，配備相應的通訊模塊，可以與PLC實現(xiàn)聯(lián)網集中控制。

3 門機電氣控制系統(tǒng)軟件設計

門座起重機電氣控制系統(tǒng)軟件設計以OMROAN公司的CX-Programmer軟件為平臺進行開發(fā)設計，控制程序采用梯形圖語言進行編寫，程序主要包含對門座起重機各個機構的邏輯控制，并與觸摸屏一同實現(xiàn)對PLC、變頻器、開關等元器件的狀態(tài)監(jiān)測和故障的判斷、顯示、報警等功能。

門座起重機控制系統(tǒng)程序主要實現(xiàn)起升、變幅、旋轉、行走四大機構的控制功能和運行狀態(tài)監(jiān)控功能。程序采用模塊化設計，主要包括起升控制模塊、變幅控制模塊、旋轉運行控制模塊、行走運行控制模塊。

圖2 門座式起重機電氣控制系統(tǒng)程序設計流程圖

4 門機電氣控制系統(tǒng)調試方案設計

門座式起重機電氣系統(tǒng)改造完成后，需對設備各機構進行單機輸入、輸出調試、空載運行調試、輕載荷及額定載荷調試，確認運行正常后即可投入生產。

4.1 電氣控制系統(tǒng)運行前檢查

（1）門座式起重機電氣控制系統(tǒng)電源柜、控制柜等柜內設備安裝牢固，電纜連接端子符合規(guī)范，中文標識清晰，接地可靠。

（2）門座式起重機電氣控制系統(tǒng)電源柜內三相之間、相與零線之間、相與地之間的絕緣滿足規(guī)范要求。

（3）門座式起重機電氣控制系統(tǒng)電源柜儀表運行正常，駕駛室內空調、照明設備正常。

4.2 電氣控制系統(tǒng)運行調試

（1）空載運行調試

在系統(tǒng)運行前檢查完成正常后，測試空載狀態(tài)下起升機構、變幅、旋轉機構等設備啟動、運行、制動是否正常。

（2）額定載荷運行調試

在空載試車正常條件下，對門座式起重機進行額定載荷調試。對起升機構上升、下降、停機等動作測試；對門座式起重機變幅機構增運行、減幅運行、停止運行等測試。

4.3 電氣控制系統(tǒng)保護測試

（1）對門座式起重機電氣控制系統(tǒng)零位保護、電源保護進行測試。

（2）對起升機構限位保護、超載保護進行測試。

5 結束語

門座式起重機完成電氣控制系統(tǒng)改造后，將PLC、變頻器和觸摸屏等控制技術應用于門座式起重機電氣控制系統(tǒng)中。港口裝卸作業(yè)效率明顯提高，電氣控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，運行過程中故障較少，工作時機械結構震動明顯減弱，生產過程中以往出現(xiàn)的“開斗”、“溜鉤”等故障徹底解決。改造后的門座式起重機電氣控制系統(tǒng)不僅使港口生產效率得到極大的提高，并且也降低了生產能耗，具有良好的市場推廣價值，為港口互聯(lián)網+應用奠定堅實的基礎。

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