船廠門(mén)座式起重機(jī)節(jié)能改造中的關(guān)鍵技術(shù)

趙仕兵，胡勝方，楊雪瑩

（杭州江河機(jī)電裝備工程有限公司 浙江省水利水電裝備表面工程技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310012）

0 引言

浙江舟山某船廠MQ630/40 t 門(mén)座式起重機(jī)已使用20 余年，起升機(jī)構(gòu)速度為11.5 m/min。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)設(shè)備生產(chǎn)效率和節(jié)能環(huán)保的要求越來(lái)越高，原設(shè)備起升機(jī)構(gòu)單一的速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，并且長(zhǎng)期使用大吊鉤起吊小噸位重物，使電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在輕載狀態(tài)，效率和功率因數(shù)都極低，從而造成能源的極大浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性差。所以在該門(mén)座機(jī)上增加一個(gè)副鉤系統(tǒng)很有必要。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，決定保留機(jī)房?jī)?nèi)的原起升機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)，同時(shí)在機(jī)房?jī)?nèi)增加一套副起升機(jī)構(gòu)，其中原起升機(jī)構(gòu)確定為主起升機(jī)構(gòu)，在人字架的合適位置增加一個(gè)導(dǎo)向滑輪，延長(zhǎng)臂架并在上面增加滑輪及吊鉤，如圖1 所示。

圖1 門(mén)座式起重機(jī)

新增的副起升機(jī)構(gòu)采用英威騰變頻器驅(qū)動(dòng)，PLC 采用西門(mén)子SMART 系列，主副起升機(jī)構(gòu)采用同一個(gè)主令控制器。因?yàn)樵黾痈逼鹕髸?huì)影響整機(jī)的起重特性（工作曲線），所以還需要對(duì)原有的力矩限制器進(jìn)行升級(jí)改造?；谝陨系母脑旆秶攸c(diǎn)介紹項(xiàng)目實(shí)施中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 副鉤控制系統(tǒng)

新增的副起升機(jī)構(gòu)額定起重量為8 t，屬于位能性負(fù)載，由一臺(tái)YZP315S-10 變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，額定功率55 kW，額定電流108 A。采用變頻器閉環(huán)控制（圖2）。

圖2 副起升機(jī)構(gòu)控制原理

新增副起升機(jī)構(gòu)的上升和下降各5 擋，由聯(lián)動(dòng)臺(tái)上新的主令控制器控制（圖3），1～5 擋的全程運(yùn)行速度為3～60 m/min，其中滿(mǎn)載額定速度為30 m/min。由力矩限制器根據(jù)副鉤實(shí)際起吊的重量（可調(diào)）來(lái)判斷是重載還是輕載，重載時(shí)各擋速度分別為額定轉(zhuǎn)速的10%、30%、50%、70%、100%；輕載時(shí)各擋速度分別為額定轉(zhuǎn)速的10%、50%、100%、140%、200%，共7 段。變頻器主要參數(shù)（圖4）設(shè)定后，將根據(jù)輸入端子狀態(tài)按設(shè)定好的速度運(yùn)行，其中每擋的速度可在變頻器內(nèi)任意設(shè)定，以滿(mǎn)足調(diào)速要求。

圖3 主副起升機(jī)構(gòu)主令控制器

圖4 變頻器主要參數(shù)

2 主副起升主令控制器設(shè)計(jì)

原司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上設(shè)有2 套主令控制器，其中左邊聯(lián)動(dòng)臺(tái)的主令控制器用于操作變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，右邊聯(lián)動(dòng)臺(tái)的主令控制器用于操作主起升機(jī)構(gòu)和大車(chē)機(jī)構(gòu)。改造過(guò)程中將左邊聯(lián)動(dòng)臺(tái)的主令控制器保留不變，對(duì)右邊聯(lián)動(dòng)臺(tái)的主令控制器進(jìn)行整體更換，原起升機(jī)構(gòu)主令控制器觸點(diǎn)如圖5 所示，控制電壓是AC 220 V。新主令控制器用于操作主起升機(jī)構(gòu)、新增的副起升機(jī)構(gòu)和大車(chē)機(jī)構(gòu)，兩個(gè)起升機(jī)構(gòu)之間采用一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇切換，新主令控制器控制電壓為DC 24 V。

圖5 原起升機(jī)構(gòu)主令控制器

當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇“副起升”時(shí)，起升主令控制器的擋位開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)入PLC，經(jīng)PLC程序處理后，再由PLC 輸出開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)繼電器P701～P705。繼電器P701、P702 的常開(kāi)觸點(diǎn)分別接入副起升機(jī)構(gòu)變頻器的S1、S2 端子，用于上升和下降選擇，繼電器P703、P704、P705 的常開(kāi)觸點(diǎn)分別接入變頻器的S4、HDIA、HDIB 端子，用于多段速控制。

當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇“主起升”時(shí)，起升主令控制器經(jīng)的擋位開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)入PLC，經(jīng)程序處理后，再由PLC 輸出開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)繼電器P711～P721，這些繼電器將代替原起升機(jī)構(gòu)主令的11 個(gè)觸點(diǎn)。主起升的控制電源是AC 220 V，控制電源的線號(hào)101、117、139、165，經(jīng)過(guò)這些繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)（圖6），輸出線號(hào)103、113、119、123、131、149、161、163、167，可直接接入主起升的原控制系統(tǒng)。

圖6 繼電器線路

3 主起升主令控制器編程

在編寫(xiě)主起升擋位的程序時(shí)，要根據(jù)原起升機(jī)構(gòu)主令控制器來(lái)編寫(xiě)（圖5），如零位時(shí)P711 動(dòng)作；下降2 擋、3 擋時(shí)P712 動(dòng)作；上升1 擋、2 擋、3擋時(shí)P713 動(dòng)作；下降1 擋、2 擋、3 擋、上升1 擋、2 擋、3 擋時(shí)P714 動(dòng)作，如圖7 所示，P715～P721 以此類(lèi)推。

圖7 主起升部分程序

主起升的程序編寫(xiě)完成后，送上繼電器P715～P721 的控制電源，選擇“主起升”，操作新主令控制器，記錄繼電器的動(dòng)作情況，如圖8 所示。主起升零位時(shí)，繼電器P711、P717、P719 動(dòng)作；上升1 擋時(shí)，P713、P714、P716、P717、P719 動(dòng)作；上升2 擋時(shí)，P713、P714、P716、P719、P720 動(dòng)作；上升3 擋、4 擋、5 擋 時(shí)，P713、P714、P716、P719、P720、P721動(dòng)作。

圖8 繼電器動(dòng)作表

同理觀察主起升下降1 擋時(shí)，P717、P719 動(dòng)作，下降2 擋時(shí)，P712、P714、P715、P719、P720 動(dòng)作；下降3 擋、4 擋、5 擋時(shí)，P712、P714、P718、P720、P721 動(dòng)作，經(jīng)核對(duì)繼電器的動(dòng)作符合原起升機(jī)構(gòu)主令控制器閉合表。送上主起升機(jī)構(gòu)的主電源和控制電源，選擇“主起升”，操作新主令控制器，逐擋測(cè)試，發(fā)現(xiàn)主鉤運(yùn)行良好，達(dá)到了改造的目的。

需注意的是新主令控制器按5 擋設(shè)計(jì)，原起升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)只使用了前3 擋，所以在程序編寫(xiě)時(shí)需把4 擋5 擋跟第3 擋合并處理，操作員不論操作到3 擋4 擋5 擋，PLC 的輸出均按第3 擋執(zhí)行。

4 副起升變頻器調(diào)試說(shuō)明

副起升機(jī)構(gòu)采用Goodrive350-19 系列起重專(zhuān)用變頻器驅(qū)動(dòng)。Goodrive350-19 系列是新一代起重專(zhuān)用變頻器，具有優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩性能，集成抱閘控制、零伺服、快速停車(chē)、主從控制、多套電機(jī)參數(shù)、預(yù)勵(lì)磁、輕載升速、松繩檢測(cè)、限位等專(zhuān)用功能，保證起重設(shè)備的安全性、可靠性和高效性。

在Goodrive350-19 系列起重專(zhuān)用變頻器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套副起升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，總結(jié)了主要參數(shù)設(shè)置，在現(xiàn)場(chǎng)取得了良好的應(yīng)用效果。

在設(shè)置的參數(shù)的過(guò)程中，若報(bào)tpf，即轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證故障，可將P90.14 和P90.15 暫時(shí)修改為0，等以上參數(shù)設(shè)置完畢后，將電機(jī)連接至減速機(jī)上，然后再適當(dāng)增大P90.14 和P90.15。若在使用過(guò)程中需臨時(shí)修改成開(kāi)環(huán)控制，只需修改P00.00，注意不要修改P90.00，否則變頻器的輸入輸出端子將恢復(fù)成默認(rèn)值。

5 更換力矩限制器

副起升機(jī)構(gòu)的重量檢測(cè)跟主起升一樣采用拉式傳感器，安裝在臂架頭部鋼絲繩端頭。幅度檢測(cè)傳感器安裝在臂架根部，力矩限制器主機(jī)和顯示器都安裝在司機(jī)室。

門(mén)座式起重機(jī)改造后因增加了副起升的吊鉤、滑輪、鋼絲繩以及延長(zhǎng)臂架等因素，相當(dāng)于增加了臂架的自重，所以原起重機(jī)的工作特性會(huì)有相應(yīng)的變動(dòng)。經(jīng)計(jì)算主起升的工作特性曲線將發(fā)生如下改變：最大起重量40 t 的工作幅度由原來(lái)的14～15.75 m 減少至14～15 m，起吊40 t 的幅度范圍將減少0.75 m；曲線的工作幅度由原來(lái)的15.75～35 m 調(diào)整到15～35 m，如圖9 所示。

圖9 工作特性曲線對(duì)比

主起升機(jī)構(gòu)的整個(gè)工作特性往左移動(dòng)，對(duì)于任一幅度而言，允許起吊的重量將有所減小；副起升機(jī)構(gòu)的工作特性曲線是全幅度17.5～39 m，最大起吊能力都是8 t。

根據(jù)改造以后門(mén)座機(jī)的工作特性曲線，重新訂制了力矩限制器，以滿(mǎn)足對(duì)門(mén)座機(jī)的保護(hù)要求。新力矩限制器的力矩保護(hù)動(dòng)作值根據(jù)主、副起升的實(shí)際力矩之和來(lái)確定，可防止用戶(hù)在使用中過(guò)程主、副鉤同時(shí)起吊重物導(dǎo)致傾覆。

6 結(jié)束語(yǔ)

近年無(wú)論是港口門(mén)座式起重機(jī)，還是船廠門(mén)座式起重機(jī)，大都面臨著使用久、效率低、能耗高、安全性差等諸多問(wèn)題，為徹底解決這些問(wèn)題，針對(duì)門(mén)座式起重機(jī)的節(jié)能改造將擁有較大的市場(chǎng)。本文結(jié)合浙江舟山某船廠門(mén)座式起重機(jī)的節(jié)能改造為背景，融入最新的PLC 和變頻器等先進(jìn)控制技術(shù)，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了改造目的，順利通過(guò)了當(dāng)?shù)靥胤N設(shè)備檢驗(yàn)部門(mén)的驗(yàn)收，得到了各界的認(rèn)可，為后續(xù)類(lèi)似門(mén)座式起重機(jī)的節(jié)能改造提供了良好的借鑒作用。