港口集裝箱起重機模擬訓練系統(tǒng)設計

戴孟業(yè) 郭小強 黃大志

摘要：港口集裝箱起重機模擬訓練系統(tǒng)是一款適用于訓練港口岸橋起重機操作和維護的實驗設備，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)及無線電磁鐵系統(tǒng)等組成，主要以模擬重點作業(yè)設備（場橋、岸橋）的運行工況為基礎，人為干預為外部條件，干預結果為研究對象，開展針對性設備工況及故障研究。各部位可人為制造故障，以培訓、考核技術人員的操作技能，提高其實際維修保養(yǎng)設備的能力。

關鍵詞：集裝箱起重機;PLC控制;電氣控制;模擬仿真

0 引言

經濟全球化趨勢下，國際貿易愈加頻繁，港口起重機大型化發(fā)展速度越來越快。集裝箱起重機（Container Crane）作為港口裝卸貨物的主要工具，主要由全數字化控制驅動裝置、可編程序控制器、故障診斷及數據管理系統(tǒng)、數字化操縱給定檢測等設備組成[1]，其對港口的快速發(fā)展及裝卸效率的提升起著重要作用。

港口大型起重機規(guī)格龐大，故障維修難度大、風險高、成本高，為了解決技術人員培訓以及故障維修方面的難題，本文設計了一套港口集裝箱起重機縮小比例（1：66）模擬訓練系統(tǒng)，使技術人員能夠熟悉起重機結構和工作原理，掌握集裝箱起重機的實際操作方法，從而便于室內技術人員培訓、故障排除等。

該設計集合了電氣控制技術、PLC控制技術、計算機技術、起重機運動學與動力學等眾多學科知識，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)及無線電磁鐵系統(tǒng)，對核心控制系統(tǒng)與原系統(tǒng)相同的模擬訓練控制系統(tǒng)進行設計與構建，同時運用SolidWorks軟件對訓練系統(tǒng)模型進行三維設計與搭建，并進行仿真模擬及可行性分析。最后在此基礎上制作港口集裝箱起重機模擬訓練系統(tǒng)樣機，并對其性能進行分析。

1 方案設計

該設計主要是在全面了解港口起重機的結構、運行原理和現(xiàn)場需求后，為了解決操作人員室內培訓問題，進行的模擬訓練系統(tǒng)的研究。港口起重機主要分為集裝箱起重機、港口門座起重機、臺架式起重機、固定式起重機等，本課題考察的是連云港40 t集裝箱起重機。

集裝箱起重機模擬訓練系統(tǒng)構造包括動力移動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和全景視頻定位輔助系統(tǒng)。動力移動系統(tǒng)由小車、大車、大臂、吊具等構成，系統(tǒng)的主要運動包括大小車的移動、吊具的升降和大臂的抬起、放下動作;小車移動距離為1 360 mm;大車在既定路徑下，電機與減速機配合讓大車保持穩(wěn)定工作;大臂抬起角度為0°～85°;吊具可自由升降，跟隨小車水平移動至既定位置。傳動系統(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個攝像頭，每個攝像頭捕捉到的畫面通過軟件合成一個全景視圖且無變形，最后呈現(xiàn)在工作臺屏幕上，便于工人實時觀察吊具的位置以及周圍環(huán)境的變化，改善司機操作條件，保證作業(yè)安全，提高自動化控制程度和擴大遠距離控制系統(tǒng)的使用范圍[2]。

2 機械系統(tǒng)與模型設計分析

2.1? ? 起重機模型結構初步設計

模型制作包括形體設計、比例設計、材料選購和表面處理等。起重機模型設計的主要參數：起重量61 kg，跨度0.45 m，起升高度1 m，起升速度1.2 m/min，小車運行速度v=1.2 m/min，大車運行速度Vdc=0.6 m/min，小車重量約0.65 kg，起重機模型質量約100 kg，模型總體外觀尺寸為1 690 mm×460 mm×1 006 mm（長×寬×高），起重機基本結構如圖1所示。

2.2? ? 大車運行機構計算

已知起重機的起重量M=61 kg，橋架跨度L=0.45 m，大車運行速度Vdc=0.6 m/min，機構運行持續(xù)率為JC=25%，起重機的估計重量G=100 kg，小車的重量為Gxc=0.65 kg。

大車傳動機構如圖2所示。

通過選擇軸承，分別計算空載和滿載時的運行阻力矩，然后計算電動機的功率，根據功率進行選型，最后驗算電動機的發(fā)熱功率條件，確定電動機型號為2IK6GN-U。

3 電控及監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1? ? 主控制器設計

主控制器主要采用計算機結構，包括CPU、存儲器、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構如圖3所示。

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

3.2? ? 硬件電路和梯形圖程序設計

本系統(tǒng)的輸入口包括主回路啟停、主令控制器各電動機啟停、限位、故障輸入、過電流保護、急停、復位等;輸出口包括主電路電源、復位輸出、急停輸出、各電動機的電源、正反轉和變頻器輸出、過電流保護輸出等。

當PLC上電工作時，接通SM0.0，完成初始化。同時在總電路開關中，當接通啟動開關I0.0，停止開關I0.1及閉合過電流保護開關I0.7常閉觸頭時，總電源輸出開關Q0.0打開并自保持，整個電路將通電，等待啟動相關按鈕及其對應子程序[4]。

4 模擬訓練系統(tǒng)模型仿真實驗分析

4.1? ? 機電系統(tǒng)聯(lián)調

電機是一種含有耦合磁場、磁耦合電路，實現(xiàn)機電能量轉換或傳遞的電磁裝置。在絕大多數場合，集裝箱起重機是以三相交流感應電機為動力源[5]。

在訓練系統(tǒng)模擬實驗平臺中，采用6 W/380 V的微型交流電光軸電機作為大車、小車、懸臂梁和吊具的動力來源。集裝箱起重機一次工作流程分為調試準備、開始作業(yè)、停止作業(yè)、結束。起重機吊具的額定載荷為610 N，吊具在上升與下降過程中受到重物的拉力，對受力地方進行應力分析，吊具受到的應力法向力大約為610 N。

4.2? ? 模擬訓練系統(tǒng)仿真

港口起重機工作循環(huán)周期如圖4所示。

由圖4可以看出，從T0～T12可以將工作過程分離出7種運動組合[6]，分別為：起升加速階段、加速起升和小車回程加速階段、勻速起升和小車回程加速階段、勻速起升和小車勻速階段、減速起升和小車回程勻速階段、小車回程減速階段、卸載階段。

通過對起重機模擬訓練系統(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力學結構分析，進行了實際操作演示，對仿真結果進行了驗證，證實了起重機理論分析的合理性[7]。

5 結論

港口集裝箱起重機模擬訓練系統(tǒng)設計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)及無線電磁鐵系統(tǒng)，對核心控制系統(tǒng)與原系統(tǒng)相同的模擬訓練控制系統(tǒng)進行了設計與構建，同時運用SolidWorks軟件對訓練系統(tǒng)模型進行三維設計與搭建，并進行仿真模擬及可行性分析，取得了以下相應成果：

（1）制定出模擬系統(tǒng)的總體方案。根據大型起重機實際功能進行初步研究，確定了以1：66比例進行模型搭建，經過各種數據分析計算，制定出了一套模擬訓練系統(tǒng)實物，經過仿真模擬實驗，認定該方案可行。

（2）選定了驅動電機、控制裝置等，通過PLC實驗控制平臺，實現(xiàn)了遠程操控起重機工作。通過360°全景監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對大車、小車、吊具等的實時在線監(jiān)測功能。

（3）通過檢測系統(tǒng)，控制交流電機的轉速，滿足了大車、小車的速度調節(jié)和懸臂梁的角度監(jiān)測需求，使起重機工作效率得到有效提升。

[參考文獻]

[1] 王國利.起重運輸機械發(fā)展趨勢[J].中國水運，2005，12（3）：42-43.

[2] 吳曉青.PLC控制的變頻器調速系統(tǒng)在起重機的應用[D].廣州：華南理工大學，2005.

[3] 張萬忠，劉明芹.電器與PLC控制技術[M].2版.北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[4] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[5] 張楠.淺析橋式起重機故障診斷及維修維護[J].中國設備工程，2017（18）：84-85.

[6] 王金諾，張質文，程文明，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1998.

[7] 邱進東.研究航空活塞發(fā)動機維修成本控制及其管理模式[J].內燃機與配件，2019（5）：182-184.

收稿日期：2020-06-08

作者簡介：戴孟業(yè)（1999—），男，江蘇淮安人，研究方向：機械電子。

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。