港口起重機系統(tǒng)起升部分的編程與設(shè)計

韋 俊

北部灣港欽州碼頭有限公司

1 引言

目前，港口起重設(shè)備自動化程度越來越高，可編程序控制器PLC結(jié)合變頻器在港機上大量應(yīng)用，使得港口起重機的裝卸效率大大提高。港口起重機作為港口貨物轉(zhuǎn)移的重要機械，極大減輕了工人的勞動強度，但是設(shè)備自身存在的安全隱患對工人的人身安全傷害也不容忽視。起重機不僅包括其結(jié)構(gòu)上的設(shè)計安全，其系統(tǒng)軟件的設(shè)計對整機的安全同樣至關(guān)重要。

在對起升機構(gòu)的軟件進行設(shè)計時，其重難點在于抓斗工況。在該工況下，起升機構(gòu)采用兩套機構(gòu)，即開閉機構(gòu)和支持機構(gòu)，相互配合，實現(xiàn)對抓斗開合和升降的控制[1]。以下重點探討在抓斗工況下港口起重機起升部分的軟件編程。

2 起升機構(gòu)零位條件保護

起升主令處于0檔位時，啟動設(shè)備，各機構(gòu)變頻器上電，并通過程序能有效自鎖起升零位條件，PLC方能掃描起升的控制程序，并運行變頻器使機構(gòu)的動作。起升主令不處于0檔位時，啟動設(shè)備，則PLC拒絕掃描起升控制程序，從而在軟件上實現(xiàn)對機構(gòu)的保護(見圖1)。圖1程序段23中，當起升處于0擋位時，常開點H_in[30]通，同時支持零位、開閉零位得電，使得線圈H_tp[22]得電并自鎖，其在程序段24中的常閉點斷，系統(tǒng)將對程序段24以上的程序進行掃描，程序段25中的支持上升命令將發(fā)給變頻器。如果手柄不處于0擋位，則程序段24中的常閉點H_tp[22]通，那么系統(tǒng)將掃描至程序段24結(jié)束。該程序可避免手柄處于0擋位之外啟動設(shè)備，設(shè)備直接運行的情況，起到零位保護的目的。

圖1 起升零位條件保護

3 手動抓斗工況

手動抓斗工況指手動操作抓斗進行貨物抓取時，抓斗的開合大小由司機決定。

3.1 抓斗工作流程

開閉電機正向運行，其鋼絲繩上升，支持電機根據(jù)實際情況，正向或反向運行，抓斗實現(xiàn)合斗。合斗完成后，由閉斗階段轉(zhuǎn)慢速上升階段，并在慢速階段進行鋼絲繩受力平衡調(diào)整即速度調(diào)整，完成鋼絲繩受力平衡后立即進入高速運行階段[2]。

在慢速運行階段，系統(tǒng)對開閉電機降速，最終達到鋼絲繩受力相對平衡，此過程稱為追繩階段。

在高速運行階段，系統(tǒng)持續(xù)檢測支持電機、開閉電機的電流，實時計算電流差是否超出所設(shè)置的范圍，若超出，表明某機構(gòu)受力過大，系統(tǒng)會及時對受力過大的機構(gòu)進行速度調(diào)整，確保不會出現(xiàn)再次開斗或者支持繩松弛的情況。

3.2 支持電機的控制

手動抓斗工況下存在以下特點。

(1)制動器閉鎖時，抓斗下沉的距離有限，抓斗無法有效地進行深挖作業(yè)，出現(xiàn)抓不到貨物的情況。

(2)制動器打開，支持電機處于自由狀態(tài)，抓斗可實現(xiàn)深挖，但在抓斗閉斗結(jié)束的瞬間，支持繩可能過于松弛，后期操作可能會導(dǎo)致鋼絲繩相互纏繞，嚴重的導(dǎo)致鋼絲繩繃出滑輪的事故。

(3)制動器打開，支持電機處于上升運行狀態(tài)，抓斗無法實現(xiàn)深挖作業(yè)，導(dǎo)致抓斗無法抓到貨物。

(4)制動器打開，支持電機處于下降運行狀態(tài)，可實現(xiàn)深挖，但容易發(fā)生鋼絲繩相互纏繞的問題。

為解決以上問題，在抓取貨物的過程中，支持電機的控制方式由速度控制切換為轉(zhuǎn)矩控制，同時對其進行速度限制(見圖2)。通過轉(zhuǎn)矩模式的切換，實現(xiàn)對電機扭矩的控制，給電機施加的扭矩只能克服鋼絲繩的重力上升，但無法拉動抓斗上升，從而保證抓斗抓取貨物的過程中，支持鋼絲繩不會出現(xiàn)過度松弛的現(xiàn)象，避免鋼絲繩相互纏繞的問題，同時可避免追繩時間過長影響效率的問題。

圖2 支持機力矩切換程序段

圖2程序段2中的常開點H_tp[06]抓斗閉斗指令通，進行閉斗操作，力矩切換線圈CW1_H1[08]得電，將變頻器由速度控制切換為轉(zhuǎn)矩控制，同時，變頻器通過力矩參考R02500得到力矩大小為60，實現(xiàn)對支持機的力矩給定及控制。

3.3 追繩過程中的鋼絲繩力矩平衡

理論上的力矩完全平衡，會必然出現(xiàn)抓斗開斗的情況。因此在追繩過程中，開閉電機電流需略大于支持電機電流，而非相等，才能保持支持鋼絲繩受力略小于開閉鋼絲繩，并維持這個狀態(tài)提升貨物，從而避免抓斗再次開斗的問題。因此整個提升過程中，必須對支持機構(gòu)和開閉機構(gòu)的電流進行實時監(jiān)測，實時進行速度的調(diào)整。

3.4 平衡過程中的抗干擾問題

由于抓斗提升貨物過程中，可能出現(xiàn)雙機速度的變化不同步，導(dǎo)致支持機或者開閉機其中某一機構(gòu)受力過大，造成力矩差出現(xiàn)波動，波動在允許的范圍時，并未造成抓斗開斗或合斗，不需要對雙機速度進行調(diào)整。力矩平衡過程中的干擾來源于起升機構(gòu)中的電機速度變化，主要原因有：

(1)制動器剎車片調(diào)整過緊，制動盤與剎車片存在摩擦，在一定程度上會影響機構(gòu)的速度降低，引起力矩不平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)反復(fù)對速度進行調(diào)整。

(2)司機操作原因。抓斗抓取貨物提升過程中的同時，司機操作回轉(zhuǎn)、變幅機構(gòu)同時運行，由于慣性，會引發(fā)了電機電流的變化導(dǎo)致力矩不再平衡，系統(tǒng)反復(fù)對速度進行調(diào)整，影響裝卸效率為解決干擾問題，系統(tǒng)在允許的范圍內(nèi)，適當選擇抗干擾的區(qū)間[3]。通過力矩平衡抗干擾區(qū)間程序段(見圖3)，可以得出：當力矩差大于300 Nm時，M00902線圈得電，雙機受力不平衡，系統(tǒng)開始調(diào)用追繩程序開始平衡鋼絲繩受力。當力矩差小于300 Nm后，M00902線圈失電，其常閉觸點在程序段8中接通。隨著鋼絲繩繼續(xù)平衡，力矩差小于100 Nm，程序段7中的M00900線圈得電，其常開點M00900在段8中接通，使得M00901線圈得電，達到雙機力矩平衡。根據(jù)程序可得出，可以得到當100 Nm<力矩差<300 Nm時，系統(tǒng)不調(diào)用追繩程序?qū)﹄p機速度作調(diào)整，保持高速提升，可避免調(diào)整過于頻繁造成貨物提升過程的不穩(wěn)定，提高貨物的裝卸效率。該平衡自鎖狀態(tài)，直至在隨后的開斗中或力矩差大于300 Nm之后被解除。

圖3 力矩平衡抗干擾區(qū)間程序段

4 自動抓斗工況

4.1 自動抓斗

自動控制抓斗的其核心是支持機構(gòu)、開閉機構(gòu)引入增量型編碼器，并通過反饋的編碼器脈沖，實時檢測支持機構(gòu)和開閉機構(gòu)的位置，以及閉斗狀態(tài)時的位置差，即繩差。

通過標志位的控制實現(xiàn)抓斗開合程度以及開合速度在一定范圍內(nèi)由系統(tǒng)軟件控制，抓斗閉合到所設(shè)定位置之后，即使司機依然操作機械處于閉斗狀態(tài)，系統(tǒng)自動忽略司機的操作，隨后自動完成提升及追繩過程從而進入高速運行狀態(tài)(見圖4)。

圖4 系統(tǒng)內(nèi)部強制減速程序段

自動抓斗工況作業(yè)時，POSE—R02416代表抓斗的姿態(tài)，當R02416>100時，意味著抓斗合斗結(jié)束，閉斗終點m03330線圈得電，其常開點接通，將0速直接送入R02000起升手柄速度，強制起升停止運行，即使此時司機依然操作設(shè)備進行閉斗，但是系統(tǒng)自動給0速停止閉斗操作。自動抓斗可在艙深、司機看不到抓斗的情況下，能夠高效率的抓取貨物，有效減少追繩的時間。

4.2 支持電機的控制

支持電機的控制狀態(tài)由閉斗前的速度控制模式切換為轉(zhuǎn)矩控制模式，轉(zhuǎn)矩給定的大小隨著繩差趨近標尺而逐步變大。通過抓斗姿勢與實際繩差建立關(guān)系，繩差改變的同時能夠改變轉(zhuǎn)矩，目的是在抓斗閉斗結(jié)束的瞬間，確保支持繩處于收緊的狀態(tài)，減少支持機追繩平衡的時間。

4.3 自動抓斗中的補償速度

在自動抓斗中，補償速度大小隨著繩差趨近標尺而逐步遞減，理想狀態(tài)下，補償速度為0，雙機不存在速度調(diào)整，鋼絲繩平衡不存在追繩階段。以閉斗為基準，得出繩差相對閉斗位置的基準偏差，當抓斗合斗的姿勢越趨近閉斗終點時，基準偏差越小，速度補償越小，速度調(diào)整的幅度越小，抓斗實現(xiàn)力矩的微調(diào)(見圖5)。

圖5 自動抓斗速度補償與抓斗姿勢之間關(guān)系

5 提升溜鉤問題

正常情況下PLC得到主令手柄的信號后，立即向變頻器和制動系統(tǒng)發(fā)送動作指令，變頻器輸出力矩，同時剎車打開。但是此控制方式中的變頻器和制動器之間沒有聯(lián)鎖關(guān)系，當PLC的指令剛剛發(fā)送給變頻器時，制動器打開，如果此時信號受到外界的干擾較大，但變頻器并沒有輸出力矩，就會發(fā)生“溜鉤”現(xiàn)象，引發(fā)安全事故。

為避免溜鉤現(xiàn)象，可改變控制方式，讓變頻器和制動系統(tǒng)之間產(chǎn)生連鎖關(guān)系，在剎車回路串入變頻器運行信號，加裝24 V中間繼電器來檢測變頻器的運行信號，只有在變頻器運行后制動器才能打開。同時對變頻器的電流進行檢測，當變頻器電流達到一定值時，即變頻器的輸出力矩達到100%時，允許制動器打開(見圖6)。

圖6 變頻器于制動器連鎖程序段

圖6程序中，當起升支持機構(gòu)的升降被啟動即m00138通，如支持電流大于1 100 A，力矩檢測達標，確保支持機構(gòu)不被貨物反拉。在程序段26中m00609支持制動器打開，即變頻器運行2個條件同時滿足后，才能允許q00010線圈得電，打開制動器。可確保變頻器運行，力矩達標之后，制動器再打開，不發(fā)生溜鉤的現(xiàn)象。

6 結(jié)語

港口起重設(shè)備在安全管理中還存在諸多問題，需要不斷更新技術(shù)水平，提高對于設(shè)備設(shè)計的安全的要求。在抓斗工況下，對港口起重機起升部分的軟件編程進行了介紹，可為同類型設(shè)備的控制程序及安全保護程序設(shè)計提供參考。