淺談自動化控制在橋式抓斗卸船機上的應用

喬宏琦　范宵祎　王鑫

摘要：橋式抓斗卸船機電氣控制系統、AC800M可編程邏輯控制器、橋式抓斗卸船機的組成、ACS800多傳動變頻器的組成及特點。

關鍵詞：橋式抓斗卸船機；自動化；控制

在改革開放政策和經濟全球化的推動下，港口成為與國際連接通道的重要節點，是區域加入經濟全球化和社會分工的基礎，國內和國際貿易快速增長帶動了海上大宗散貨運輸量的快速增長。隨之而來的對港口的裝卸能力也提出更高的要求，卸船機的工作效率也在逐漸提高，在這個過程中自動化控制起到了關鍵性作用。在過去很長一段時間里，國內的橋式抓斗卸船機完全依靠手動操作，所以，司機的勞動強度很大，卸船效率不高，安全性也較差。近年來，隨著控制技術的發展，國內的橋式抓斗卸船機陸續裝上了防止抓斗擺動的自動控制系統，以縮短工作循環周期，提高卸船效率和安全性，降低司機的勞動強度。本文以唐山曹妃甸礦石碼頭三期的橋式抓斗卸船機為例，淺談一下自動化控制在橋上抓斗卸船機上的應用。橋式抓斗卸船機主要有起升支持機構、起升開閉機構、小車平移機構、俯仰機構和大車行走機構等五大機構組成。其中起升支持和起升開閉機構完成抓斗的升降，開閉和深挖等功能，小車機構完成抓斗的平移，俯仰機構完成大臂梁的收放，大車行走機構完成整臺卸船機的移動。橋式抓斗卸船機除了以上五個主要機構外，與控制相關的還有一些輔助機構，如電纜卷筒，振動給料器，輸料皮帶系統、司機室平移、照明和稱重裝置等，這些輔助機構在控制上較為簡單，容易實現。

自動化控制有半自動與全自動化：全自動化控制是人只需要作為操作員，確定控制的要求和程序，不用直接參與生產過程的控制技術；半自動化控制要人通過設施、設備、機械、儀器或手工等勞動力的參與。全自動化控制在橋式抓斗卸船上的應用還在發展初期沒有應用到各個散貨碼頭上還較少，本文著重介紹一下半自動化控制在橋式卸船上的應用。

從（圖1）中我們可以看到這個電氣控制系統主要包括：PLC、變頻器、CMS、OPC、I/O、通訊技術。為了方便理解本文將其分為三部分，即執行部分，控制部分，監控管理部分。

第一，執行部分是控制系統中最直觀的一部分，它看得見、摸得著。其主要由交直流電動機、限位、傳感器、電磁閥、編碼器等組成。執行部分的動作精度能體現出控制部分的好壞，同時也影響控制部分的控制命令。因其執行控制命令的同時也反饋信號。為了實現高速精確的信息傳遞，必須借助I/O模塊和現場總線技術。

第二，控制部分是控制系統的大腦，整臺設備的動作都由它統一控制，是控制系統的核心。其主要由驅動器（交直流調速器）和可編程序邏輯控制器（PLC）組成，控制部分設備之間通過現場總線技術完成信息交換；在曹妃甸礦石三期主要采用PROFIBUS總線和DRIVERBUS總線。

目前在卸船機應用主流的PLC有西門子、ABB、ALSTOM、OMRON等。

本文以ABB的AC800M系統進行詳細說明（如圖2）。AC800M控制器是導軌安裝式模塊化控制器家族，其中包括CPU、通訊模塊、電源模塊和各種附件。可供的CPU模塊根據其處理能力、內存大小及是否支持冗余分成幾類。每個CPU模塊配備有兩個以太網端口，用于連接操作員站、工程師站、管理站及更高層次的應用。這兩個以太網端口可配置成冗余，用于提搞系統的可利用性。另外還配備了兩個RS-232C端口，可供CPU與編程/調試工具以第三方系統和設備之間進行通訊。

交流變頻調速系統在控制系統中起到重要作用，目前在卸船機上應用的有西門子、ABB、ALSTOM、OMRON等。本文以ABB的ACS800系列多傳動R8模塊為例來進行詳細闡述（如圖3）。ACS800變頻器核心技術就是直接轉矩控制（DTC），是目前工業應用中先進的交流異步電機控制方式。DTC的杰出的性能及ABB針對各種工業應用的專用控制宏，使得ACS800變頻器適用于各種領域并有著杰出的表現。ACS800主要由傳動部分和控制部分組成。傳動部分主要由ISU（IGBT供電單元）、以及多個INU（逆變單元）組成。控制部分主要由ACU（輔助控制單元）ICU（進線控制單元）和DCU（傳動控制單元）組成。ACS 800多傳動基本設計理念：（1）公共直流母排；（2）單一輸入功率連接；（3）不帶制動斬波器或不帶再生式供電單元時，驅動電機的逆變器之間內部分配能量，有發電，有電動；（4）降低輸入線電流；（5）多個逆變器可采用公共的制動方式；（6）節約電纜、安裝、維護成本；（7）不需要使用獨立的MCC（馬達控制中心）。ABB多傳動產品特點：（1）只需要更少的備件；（2）革命性創新設計；（3）并聯模塊具有冗余性；（4）每一臺模塊都是一臺完整的三相逆變器；（5）如果一臺模塊故障，能繼續輕載運行；（6）減少故障停機時間，恢復快。

第三，監控管理部分是控制系統和設備維修管理人員與操作人員進行人機對話。人性化的CMS界面可以方便設備操作人員和設備維修管理人員對設備的了解。CMS系統是一套基于PC的人機交互的起重機維護工作站系統，他一般被放置在起重機的電氣房中。CMS系統作為起重機的維護平臺，為用戶和維護人員提供了詳盡、實時的狀態和事件信息。簡單的說，該系統具有兩個基本功能：（1）提供在線調試診斷的工具；（2）方便地收集和存儲系統信息。監控部分設備通過現場總線技術與控制層交換信息，完成設備級的故障檢測，顯示及處理，系統狀態動態顯示、歷史記錄的生成及報表輸出打印等功能。

第四，結束語

全文總結本文以曹妃甸礦石碼頭三期橋式抓斗卸船機為背景，淺談橋式抓斗卸船機電氣控制系統研究，分析了橋式抓斗卸船機的結構及特點、電氣控制系統的組成。研究展望：（1）進一步完善卸船機的自動控制；（2）更精細故障診斷系統；（3）更先進的監控及管理系統。

參考文獻

[1]思超良.抓斗卸船機控制系統問題分析與改進[J].港口裝卸，2004年第二期（總第154期）.

[2]徐雄炳.橋式卸船機抓斗自動控制功能的應用研究[D].上海：上海交通大學.