1 門(mén)座式起重機(jī)技術(shù)參數(shù)要求

此次要進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)研究的對(duì)象為南京港機(jī) 2002 年生產(chǎn)的 MQ25-35 門(mén)座 式起重機(jī)如圖 1 所示。

1.1  舊式門(mén)座式起重機(jī)簡(jiǎn)介

起重機(jī)屬臂架類(lèi)型起重機(jī)，是利用吊鉤或抓斗開(kāi)展散貨或件雜貨裝卸作業(yè)的起 重設(shè)備，該設(shè)備采用四連桿臂架系統(tǒng)，保證貨物在變幅過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)，平 衡系統(tǒng)采用杠桿系統(tǒng)，使變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)。起重機(jī)在利用吊鉤作業(yè)時(shí)當(dāng)額定起重 量為 40T 時(shí)，變幅范圍為：11-27 米，在額定起重量為 25T 時(shí)，變幅范圍為：11- 35 米。該起重機(jī)由：起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)四大機(jī)構(gòu)組成。 該起重機(jī)的起升、變幅、旋轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)可在允許的額定載荷下進(jìn)行單獨(dú)或聯(lián)合作業(yè)， 操作較為方便。其行走機(jī)構(gòu)主要用于起重機(jī)在非工作時(shí)移動(dòng)使用，其主要性能參數(shù) 表如表 1 所示。

1.2  門(mén)機(jī)電氣系統(tǒng)控制存在的缺陷分析

此次要進(jìn)行 PLC 變頻控制系統(tǒng)研究的對(duì)象為南京港機(jī)生產(chǎn)的 MQ25-35 門(mén)座式起 重機(jī)。其起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及行走機(jī)構(gòu)電機(jī)均采用轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻的調(diào) 速方式，隨著現(xiàn)代港口對(duì)生產(chǎn)作業(yè)效率及作業(yè)質(zhì)量的要求，此臺(tái)起重機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿 足生產(chǎn)作業(yè)需求。

1）能耗情況分析

根據(jù)起重機(jī)動(dòng)態(tài)記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：此臺(tái)門(mén)機(jī)年度作業(yè)量約為 60 萬(wàn)噸，總耗電量 為：13.37 萬(wàn)度，設(shè)備單噸耗電量為：0.2227 度/噸，而在普通件雜貨碼頭的 PLC 變頻控制系統(tǒng)的門(mén)座式起重機(jī)的單噸耗電量約為：0.1558 度/噸。也就意味著舊式 門(mén)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的耗電量要比 PLC 變頻控制系統(tǒng)的門(mén)座式其中耗電量高 42.94%。

2）設(shè)備故障情況分析 伴隨設(shè)備使用時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，此門(mén)機(jī)起升機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)的故障率不斷增

加。具體故障體現(xiàn)在繼電器、接觸器故障。此兩種故障導(dǎo)致的原因?yàn)椋嚎刂苹芈烽L(zhǎng)期處于過(guò)流狀態(tài)，導(dǎo)致繼電器或接觸器燒壞，或者出現(xiàn)接觸器觸頭粘連等故障。 3）安全隱患分析 由于繼電器及接觸器的高頻率故障的出現(xiàn)，導(dǎo)致門(mén)機(jī)司機(jī)在作業(yè)時(shí)不僅需要根

據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷抓斗的打開(kāi)或者閉合狀態(tài)，同時(shí)需要頻繁的調(diào)節(jié)開(kāi)閉和支持四根鋼絲繩 的長(zhǎng)度以保持吊鉤或抓斗的平衡。在吊鉤工況作業(yè)下，起升機(jī)構(gòu)頻繁出現(xiàn)溜勾情 況，導(dǎo)致裝卸貨物出現(xiàn)貨損，無(wú)法滿足裝卸質(zhì)量的要求，存在較大的安全隱患，嚴(yán) 重影響港口裝卸服務(wù)形象。

 1.3 PLC 門(mén)座式起重機(jī)變頻控制方法研究的必要性

根據(jù)港機(jī)設(shè)備使用管理規(guī)定，在正常生產(chǎn)作業(yè)情況下，門(mén)座式起重機(jī)的使用壽 命為 20 年。但目前港機(jī)設(shè)備使用管理出臺(tái)了新型政策，并未規(guī)定門(mén)座式起重機(jī)在 使用 20 年后強(qiáng)制進(jìn)行報(bào)廢。而 PLC 變頻控制系統(tǒng)在門(mén)座式起重機(jī)上的應(yīng)用將會(huì)使 得門(mén)座式起重機(jī)重獲新生，其改造涉及費(fèi)用將大大低于更換新型設(shè)備的費(fèi)用。因 此，為使舊式港機(jī)設(shè)備繼續(xù)為港口碼頭生產(chǎn)作業(yè)服役，在起重機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好 的情況下，將 PLC 變頻控制方法應(yīng)用到舊式門(mén)座式起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)中，對(duì) 其進(jìn)行合理的升級(jí)改造，使得舊式起重機(jī)獲得良好的技術(shù)性能，便成為現(xiàn)代港機(jī)設(shè) 備的一大重要課題。

本次項(xiàng)目的研究對(duì)象為舊式 MQ25-35 型門(mén)座式起重機(jī)，電控系統(tǒng)采用 PLC 程 序控制，四大機(jī)構(gòu)均采用變頻調(diào)速控制。電氣控制系統(tǒng)中加入 PLC 自診斷功能， 更新起升機(jī)構(gòu)的開(kāi)閉控制柜、支持控制柜，更新變幅、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制柜，增加 PLC 控制柜，將各機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)引入 PLC 控制柜內(nèi)，實(shí)現(xiàn) PLC 變頻控制系統(tǒng)的 更新。同時(shí)將各機(jī)構(gòu)的限位保護(hù)加入 PLC 程序控制，安裝故障觸摸屏，對(duì)起重機(jī) 進(jìn)行各機(jī)構(gòu)的故障報(bào)警，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

1.4  變頻控制系統(tǒng)控制的性能要求

根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)需求，考慮舊式起重機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度的要求，原 有門(mén)機(jī)的性能參數(shù)如：起升高度、幅度，起升速度，旋轉(zhuǎn)速度、變幅速度等數(shù)據(jù)不 需要做出調(diào)整。起升機(jī)構(gòu)在抓斗及吊鉤工況下的空載及重載速度保持不變。各運(yùn)行 機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)要求如表 2 所示。為保障起重機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，金屬結(jié)構(gòu)的承 載能力，對(duì)于起重機(jī)的各機(jī)構(gòu)主要運(yùn)行參數(shù)均不作出相關(guān)調(diào)整。但電機(jī)速度給定與 力矩要求將會(huì)隨著 PLC 變頻控制系統(tǒng)的引入而使速度變化曲線更加平滑，力矩控 制精度將會(huì)增加，速度控制的響應(yīng)將會(huì)加快。將會(huì)使得各機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，速度曲線平滑，貨物裝卸起升力矩增加。

基于安川 PLC 的門(mén)座式起重機(jī)變頻控制方法的設(shè)計(jì)主要由 PLC 控制變頻器， 變頻器給定電機(jī)速度及力矩控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn) PLC 變頻調(diào)速系統(tǒng)。電氣控制系 統(tǒng)應(yīng)采用 PLC 程序控制，起升、變幅、旋轉(zhuǎn)、及行走機(jī)構(gòu)均采用變頻調(diào)速控制 [33]。要求將各類(lèi)限位保護(hù)列入 PLC 控制范圍內(nèi)，安裝 PLC 故障顯示屏，監(jiān)控門(mén)機(jī) 運(yùn)行參數(shù)與故障診斷。更新起升機(jī)構(gòu)的開(kāi)閉控制柜、支持控制柜，更新變幅、旋轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)控制柜。為提升起升、變幅機(jī)構(gòu)對(duì)變頻調(diào)速的硬度、低頻轉(zhuǎn)矩特性及動(dòng)態(tài)快速 響應(yīng)的要求，起升機(jī)構(gòu)與變幅機(jī)構(gòu)應(yīng)采用閉環(huán)矢量控制，因旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)屬于低速運(yùn) 行，可采用開(kāi)環(huán)矢量控制即可滿足速度控制需求[38]。關(guān)于變頻調(diào)速控制所需的設(shè)備選型主要涉及：各機(jī)構(gòu)電機(jī)的選型、各機(jī)構(gòu)變頻 器的選型和 PLC 的選型。

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)是由變頻器控制使用，因此應(yīng)選用 YZP 系列的電動(dòng) 機(jī)（冶金及起重機(jī)重用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)），為保障生產(chǎn)效率，確保電機(jī)能 滿足起升速度及轉(zhuǎn)矩的要求，結(jié)合原有繞線式異步電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)，宜選用力矩大 一級(jí)的變頻專(zhuān)用電機(jī)。從而實(shí)現(xiàn)“減速箱+變頻電機(jī)+編碼器+變頻器”無(wú)極調(diào)速的 精準(zhǔn)控制。變頻電機(jī)的選擇應(yīng)具備高速運(yùn)轉(zhuǎn)、抵抗變頻器高頻電流沖擊，絕緣等級(jí)，變頻 調(diào)速范圍，平衡質(zhì)量及抗震等級(jí)及較寬范圍恒轉(zhuǎn)矩與功率調(diào)速特性。為確保變頻電 機(jī)與變頻器有效的配合，同時(shí)考慮生產(chǎn)成本的需求，初步選用意向?yàn)閲?guó)產(chǎn)電機(jī)，綜 合考慮現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)電機(jī)的性?xún)r(jià)比，結(jié)合與進(jìn)口變頻器的匹配性，最終決定選用大連天 元生產(chǎn)的變頻電機(jī)。通過(guò)查閱電機(jī)選型資料，對(duì)比電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)速度、加速時(shí) 間、載荷、總效率及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等相關(guān)參數(shù)，最終選用了大連天元生產(chǎn)的變頻專(zhuān)用電 機(jī)型號(hào)為：YZP2-355M2-8MC。