大型門式起重機兩機聯(lián)合抬吊作業(yè)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

馬旭俠

(銀川科安特起重機制造有限公司，寧夏銀川，750001)

引言

造船工業(yè)近幾年發(fā)展很快，帶動了造船龍門起重機的快速發(fā)展進步，特別是大跨距、大噸位的大型造船龍門起重機的廣泛應用。在現(xiàn)代化的造船企業(yè)大型造船龍門起重機主要用于船塢、船臺等的船體建造場地上，完成船體分段垂直升起和下降、平移行走和空中翻身等功能的吊裝任務。由于其結(jié)構(gòu)龐大，負載噸位都在幾百噸以上，所以它的電氣控制系統(tǒng)必須要精準可靠。

1 設(shè)計考慮因素

起重機的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計目標，就是控制各個機構(gòu)按照預定程序，完成造船廠各種物體負載起運，電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計好與壞直接決定著整臺起重機能否成功投產(chǎn)，是整個大型造船龍門起重機制造的關(guān)鍵。在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計時，應該注意系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性這兩個問題：（1）系統(tǒng)的穩(wěn)定性是起重機的電氣控制系統(tǒng)中首先要考慮的，只有穩(wěn)定的系統(tǒng)才能夠確保起重機安全穩(wěn)定運行，進一步地提高起重機的工作效率；（2）起重機的電氣控制系統(tǒng)的安全性是需要注意的另一個問題，起重機的安全運行依賴于電氣控制系統(tǒng)的安全性。因此，電氣控制系統(tǒng)在設(shè)計時，就需要在設(shè)計中特別考慮對軟硬件分別設(shè)置多重保護，依據(jù)起重機的安全使用規(guī)范，在電氣控制系統(tǒng)中設(shè)置相應的保護措施。

2 大型門式起重機兩機聯(lián)合抬吊作業(yè)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 PLC控制系統(tǒng)

PLC系統(tǒng)能確保其內(nèi)部擁有穩(wěn)定的電源，整個操作程序中往往采用循環(huán)往復的用戶掃描程序進行工作。CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到最后一條(結(jié)束指令)。掃描過程分為三個階段，即輸入采樣(刷新)，用戶程序執(zhí)行和輸出刷新，這三個階段稱為一個掃描周期。考慮到造船龍門起重機控制系統(tǒng)對安全性和穩(wěn)定性的要求，同時考慮控制系統(tǒng)中主站、變頻器和編碼器等各個組件之間的通訊要求，本設(shè)計的PLC系統(tǒng)由于具備功能升級的CPU以及各種種類齊全的功能模板，因此在龍門起重機控制系統(tǒng)中使用，能使用戶非常方便地搭建出最佳解決方案，進而滿足龍門起重機控制系統(tǒng)的自動化的要求。對造船龍門起重機的邏輯控制，遠程從站將收集的信號反饋給PLC主站，PLC主站執(zhí)行邏輯控制程序通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)對起升、小車、大車變頻器的起動、停止。速度控制通過操作界面實現(xiàn)工作狀態(tài)顯示及故障報警，可以使操作人員通過觸摸屏畫面觀察到整機的運行狀態(tài)，監(jiān)控整個系統(tǒng)內(nèi)的接觸器、斷路器、變頻器等設(shè)備的運行狀態(tài)，監(jiān)控變頻器的設(shè)定頻率、轉(zhuǎn)速及當前實際的頻率和轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)工作狀態(tài)等。

2.2 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)

采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)和可編程序控制器組成電氣控制系統(tǒng)是目前大型造船龍門起重機的通用設(shè)計方案。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)自身體積小，通用性強，可靠性高，可以明顯提高各機構(gòu)運行的平穩(wěn)性，減小制動沖擊，而且有非常好的節(jié)能效果。在這個系統(tǒng)中，重點是變頻調(diào)速裝置—變頻器，它是一種頻率變換器，通過它可以將交流電網(wǎng)電源的恒定頻率交流電變成頻率可變的交流電，提供給交流異步電動機作為電源，從而實現(xiàn)對電動機的交流調(diào)速控制。分為主回路和控制電路，主回路包括整流器、平波回路、逆變器和制動單元。電壓／電流檢測回路≮轉(zhuǎn)速檢測回路、運算回路、驅(qū)動回路和保護回路等構(gòu)成了系統(tǒng)的控制回路。大型造船龍門起重機的調(diào)速系統(tǒng)有三個閉環(huán)控制，在變頻器內(nèi)部有電流閉環(huán)調(diào)速和速度閉環(huán)調(diào)速，在速度環(huán)之外再附加一個PLC程序的位置環(huán)閉環(huán)控制。變頻器還具有電動機自動識別機器參數(shù)的功能。在安裝調(diào)試時，往往可以通過對變頻器的空載運行后產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)，并根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)試，確保整個電動機處于最佳工作狀態(tài)。此外，變頻器還擁有過電壓、過電流、短路、欠電壓、缺相等故障自我保護措施，當發(fā)生非常規(guī)狀況后，變頻器會自動終止運行，并將其故障的原因顯示在LCD屏幕上。

2.3 電氣控制設(shè)計

一是設(shè)計思路。首先是要根據(jù)技術(shù)規(guī)格書中造船龍門起重機的相關(guān)參數(shù)(主要有起吊能力、龍門吊中索具的重量以及各個機械零部件的傳動比率等)，并通過計算求出電動機額定的功率以及電流和轉(zhuǎn)動速度等，作為下一步選型計算的依據(jù)。選型計算的第一步是對電動機的選擇，電動機的選擇分兩部分：一是選擇電動機，二是電動機的校驗。參照變頻電機的產(chǎn)品目錄，選擇參數(shù)符合的電動機，之后需要對選擇的電動機實施校驗，試驗在不相同的速度運行下，電動機的功率以及扭轉(zhuǎn)力矩等是不是能夠符合設(shè)備的運行要求。最后還需要經(jīng)行發(fā)動機產(chǎn)生熱量的校驗。經(jīng)過上述校驗看發(fā)動機是不是符合要求。三是供電系統(tǒng)方案設(shè)計。經(jīng)過對此次技術(shù)設(shè)計中要達到的目標進行分析，在設(shè)計最初就要對電力系統(tǒng)的供電種類進行確定，然后再對驅(qū)動系統(tǒng)進行組合，主回路選用IT形式供電，選用這種方式供電的好處就是一旦設(shè)備出現(xiàn)露電現(xiàn)象，由于該系統(tǒng)中的電源中性點和地面沒有接觸，單項對地面產(chǎn)生的漏電電流也相當小，不會造成電壓平衡的損壞。有較高的供電可靠性和安全性。大型造船龍門起重機的輔助回路大部分采用TN-S供電形式。因為TN-S的供電方式中專用的PE保護性電線同工作時的零線是必須分開的，當系統(tǒng)正常使用的時候，專用保護線中無電流，在工作零線中有不平衡電流。

2.4 利用位移傳感器或限位開關(guān)

當剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的大車出現(xiàn)歪斜運轉(zhuǎn)時，主要模塊與柔性腿的夾角會產(chǎn)生變化。把位移傳感器或者是限位開關(guān)設(shè)置在柔性腿的上部，利用傳感器或者限位開關(guān)產(chǎn)生的信息來糾正偏差大車糾正偏差的兩種辦法：自動糾正偏差：在PLC程序中使用位置環(huán)管理，智能體現(xiàn)。手動糾偏：司機通過單邊動作，只低速移動剛腿或柔腿來糾偏。制造船只的龍門起重機的大車跨距—大車剛腿與柔腿兩者中間的差距通常都大于70米，本此設(shè)計的龍門起重機的跨距是75米。大車的剛腿與主要棟梁是剛性結(jié)合；大車柔腿跟主要頂梁的結(jié)合允許有小數(shù)值的改變。采集剛腿編碼器數(shù)值，將剛腿編碼器數(shù)值與大車零點基準值作減法；采集柔腿編碼器數(shù)值，將柔腿編碼器數(shù)值與大車零點基準值作減法；判斷剛?cè)嵬染幋a器數(shù)值是否異常，若有一組異常，則編碼器故障報警。

3 結(jié)束語

大型造船龍門起重機的電氣控制系統(tǒng)就是整臺機器的神經(jīng)中樞，它保證了起重機可以安全、平穩(wěn)運行，完成各種動作指令。經(jīng)過實踐證明，本文雖然完成了對大型造船龍門起重機電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，但是所設(shè)計的系統(tǒng)還有很多方面需要進一步深入研究，今后在具體實現(xiàn)上還要具體的完善和提高。

[1]肖雄亮.造船龍門起重機設(shè)計與主梁優(yōu)化[D].湖南大學, 2016.

[2]王吉明.造船龍門起重機電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計與應用[D].華東理工大學, 2015.

[3]魏道新.大型門市起重機兩機聯(lián)合抬吊作業(yè)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計[D].中國科技成果, 2017, 18(11).

[4]李柳群, 馬朋飛.大型龍門起重機的吊裝設(shè)計[D].中國科技信息, 2016,(7).

[5]郭剛.新技術(shù)在起重機機械控制中的應用[D].成鐵科技, 2008, (2): 40.