基于ABB PLC的橋式抓斗卸船機實訓平臺設計

鄭淵

（青島港灣職業技術學院電氣工程系，山東青島 266404）

基于ABB PLC的橋式抓斗卸船機實訓平臺設計

鄭淵

（青島港灣職業技術學院電氣工程系，山東青島 266404）

橋式抓斗卸船機是一種典型的煤炭、礦石裝卸機械，對卸船工作效率起著至關重要的作用。卸船機的操作和維修是港機、港電等專業學生必須掌握的實踐技能，但是由于體積巨大、價格昂貴等原因，在校內很難建立有效的實訓室。本設計在保持基本結構不變的基礎上將實際的橋式抓斗卸船機按比例縮小模型化，手柄、按鈕等操作裝置與實際橋式抓斗卸船機基本一致，電氣控制系統采用ABB的AC500 PM582 PLC、ACS355變頻器、CP430觸摸屏以及MODBUS現場總線。通過該實訓平臺，學生能夠更加有效的掌握操作維修橋式抓斗卸船機的實踐技能。

橋式抓斗卸船機；實訓平臺；ABB PLC

橋式抓斗卸船機是一種典型的煤炭、礦石岸邊卸船機械，對煤炭、礦石船舶的卸船效率起著至關重要的作用[1]，港口需要大量能夠操作和維修卸船機的人員。由于橋式抓斗卸船機體積巨大、價格昂貴等原因，在校內很難有效進行操作和維修方面的實訓教學。市場上的模擬駕駛器功能單一且價格昂貴，校內原有的實訓設備只有電氣控制系統而沒有實際的卸船機被控對象，同樣無法達到很好的實訓效果。

本卸船機實訓裝置以實際的橋式抓斗卸船機為藍本，在保持基本結構不變的基礎上按比例縮小模型化，手柄、按鈕、限位等操作和保護裝置與實際橋式抓斗卸船機基本一致，電氣控制系統采用ABB的AC500 PM582 PLC、ACS355變頻器、CP430觸摸屏以及MODBUS現場總線。當實訓裝置處于演示模式時，能夠通過聯動臺控制卸船機模型的起升、小車、俯仰、抓斗等機構實現各種基本動作，實物模型的高度為2米，學生可以很好的練習操作；當實訓裝置處于調試模式時，學生可以通過電氣控制柜上的實驗插孔連接電氣控制線路，還可以自己設計程序并加以調試。

1 實物模型設計

考慮到設計制造的難度，該實訓平臺實物模型各機構的驅動裝置在實際橋式抓斗卸船機的基礎上進行了一定的簡化和調整。

1.1 起升、開閉斗和小車機構

四臺ACS355變頻器分別驅動2臺起升電機和2臺開閉電機，通過減速器和4個鋼絲繩卷筒可以實現抓斗的升降、開閉和小車的前進后退，工況如下：

（1）工況1：起升、開閉卷筒同步向右旋轉時，抓斗上升；

（2）工況2：起升、開閉卷筒同步向左旋轉時，抓斗下降；

（3）工況3：起升、開閉卷筒分別向內相對旋轉時，抓斗小車向右移動；

（4）工況4：起升、開閉卷筒分別向外相對旋轉時，抓斗小車向左移動；

（5）工況5：當起升卷筒剎住不動，開閉卷筒向左旋轉時，抓斗打開；

（6）工況6：當起升卷筒剎住不動，開閉卷筒向右旋轉時，抓斗閉合。

鋼絲繩卷筒軸端裝有速度編碼器用于檢測電機轉速，起升、開閉斗和小車機構設有減速、終點和極限行程保護[1]。

1.2 俯仰機構

俯仰機構由一個交流電機驅動，與開閉1電機共用一個變頻器，通過俯仰/開閉切換開關切換，鋼絲繩卷筒帶速度編碼器，具有上減速、上終點、下減速、下終點4個限位開關。

1.3 大車行走機構

行走機構通過一臺變頻器驅動兩側電機在軌道上運行實現，具有防風錨定裝置及左右行走限位保護，裝有行走聲光報警裝置[2]。

1.4 皮帶輸送機和司機室

通過一臺24 V直流電機驅動輸送帶，皮帶輸送機設有拉繩開關、防跑偏和防撕裂保護開關[3]。司機室通過一臺24 V直流電機驅動，可以沿大梁工字鋼左右移動。

2 電氣柜及聯動臺設計

2.1 電氣控制系統

電氣控制系統采用ABB 的 AC500 PM582PLC、ACS355變頻器、CP430觸摸屏以及MOD?BUS現場總線，系統結構如圖1所示。卸船機模型和電氣柜的PLC、變頻器等電氣設備的接線也引到電氣柜的實驗插孔上，學生可以接線和編程調試。

2.2 聯動臺操作裝置

右聯動臺設有起升手柄、抓斗開閉手柄、控制合按鈕、控制斷按鈕、俯仰/抓斗開閉選擇開關、舵機控制按鈕、試燈按鈕、極限旁路按鈕等。左聯動臺設有大車、小車行走手柄、急停按鈕、故障復位按鈕、電機手動調整按鈕、超重報警指示燈等。

3 主要程序設計

3.1 速度控制程序設計

各機構運行必須滿足主控條件，當變頻器無故障、急停按鈕未拍下、極限限位未動作及PLC電源和通訊正常等條件都滿足時，按下聯動臺“控制合”按鈕，然后通過手柄就可以操縱各機構動作。停止操作時，將手柄回零并按下“控制斷”按鈕將控制電斷開。

大車機構手柄采用正反各四擋位主令控制器，當操作大車手柄時，由低到高的4種轉速通過MODBUS通訊總線傳至ACS355。當大車減速限位動作時，將一個約為額定轉速10%的低速值傳給變頻器。當大車終點限位動作時，將數據0傳給變頻器。

圖1 橋式抓斗卸船機實訓平臺電控系統

其他機構手柄采用絕對值編碼器連至PLC輸入模塊，在程序中首先進行格雷碼二進制碼轉換，然后對速度指令進行線性變換，最后通過COM_MOD_MAST報文處理模塊將速度值賦給變頻器，同時，變頻器也會將電機實際速度值通過MODBUS通訊總線反饋給PM582。當該機構減速限位動作時，將一個約為額定轉速10%的低速值傳給變頻器。當該機構終點限位動作時，將數據0傳給變頻器。若極限限位動作，則該機構立即抱閘制動，必須在排除故障后通過極限旁路按鈕退出。

3.2 起升制動器控制程序優化

為了防止帶重載時“溜鉤”，在設計制動器松閘控制程序時采用了轉矩驗證的方法。在制動器松閘前先通過檢測起升電機電流來間接判斷起升鋼絲繩上向上的轉矩是否達到額定轉矩的50%。如果達到則制動器松閘，否則制動器仍然抱閘。

起升手柄回零時，起升機構是采取變頻器電氣制動和機械抱閘制動相結合的方式來制動的。為了減少制動部件的磨損，變頻器通過裝在電機軸上的速度編碼器檢測電機實際轉速，當電機轉速接近0時才抱閘制動，而且在0 Hz時起升機構也可以輸出額定轉矩。

3.3 皮帶輸送機控制程序設計

在皮帶機沿線每隔一定距離安裝一個拉線急停開關，并用鋼絲繩拉線將這幾個拉線開關的擺桿依次相連，在皮帶任一位置拉動拉線都會使其中一個拉線開關動作。將這三個拉線開關的常閉點串聯控制一個中間繼電器的線圈，然后用這個中繼的常開點連至PLC的輸入點，只要有一個拉線開關動作，PLC程序中的這個信號就會斷開，使皮帶機停機。

在皮帶機上安裝輕度跑偏和重度跑偏兩個跑偏開關，當輕度跑偏開關動作時，跑偏報警燈點亮，但是皮帶機仍然可以運行；當重度跑偏開關動作時，跑偏報警燈點亮的同時皮帶機停止運行。

在皮帶機支架上垂直于皮帶機中心軸線的方向安裝橫向鋼絲繩，當撕裂的皮帶撞擊到鋼絲繩上時，使鋼絲繩所帶動的限位開關動作用以檢測皮帶是否撕裂，一旦皮帶撕裂則皮帶機立即停止。

4 使用效果

該卸船機實訓平臺成本較低，每套不到25萬元，但是通過使用，效果非常突出。由于有比較大的實物模型，可以通過聯動臺操作各機構動作，能夠很好的起到司機崗前培訓的作用。同時，實訓平臺還可以讓學員自己動手接線實現橋式抓斗卸船機的局部或整體控制，能夠很好的提高學員電氣安裝接線、PLC編程、變頻器參數調試和觸摸屏監控畫面設計等實踐能力，得到了校內學生和企業青島港等企業技術人員的一致好評。

［1］葛建民.港口電氣控制［M］.南京：南京大學出版社，2009.

［2］陳淑珍.港口裝卸機械電氣控制技術［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［3］孫洪昌.港口機械電氣控制技術［M］.北京：中國電力出版社，2011.

Design of Bridge Grab Ship Unloader Training Platform Based on ABB PLC

ZHENG Yuan
（Qingdao Harbour Vocational and Technical College，Qingdao266404，China）

Bridge grab ship unloader is a kind of typical coal,ore loading and unloading machinery.It plays a vital role in the discharging efficiency.The operation and maintenance of ship unloader is the practical skills that students major in port machinery,port electricity should master.However,due to reasons such as huge volume,expensive etc,it is difficult to establish effective training rooms in the campus.This design scaling the actual bridge grab ship unloader on the basis of does not change the overall structure and the working condition.The handles,buttons and other devices are the same as the actual bridge type grab ship unloader,electric control system adopts ABB AC500 PLC,ACS355 PM582 inverter,CP430 touch screen and MODBUS.By using the training platform,students can master the operation and maintenance of bridge type grab ship unloader more effectively.

bridge grab ship unloader；training platform；ABB PLC

TP273

A

1009－9492(2014)09－0118－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.032

鄭 淵，男，1978年生，山東惠民人，大學本科，講師。研究領域：港口電氣技術。已發表論文11篇。

(編輯：向 飛)

2014－04－03