港口門座式起重機電氣控制系統改造設計

■彭文

（福建省港航勘察設計研究院，福州351000）

港口門座式起重機電氣控制系統改造設計

■彭文

（福建省港航勘察設計研究院，福州351000）

隨著全球化貿易進程的加快，港口吞吐量日益增加，為提高港口裝卸效率，對港口老舊設備改造已刻不容緩。本文介紹了門座式起重機結構及其工藝流程，通過對其控制原理及改造原因的分析，提出了其電氣控制系統改造方案，最后給出了門座式起重機電氣控制系統的硬件組成和軟件基本設計方案。

門式起重機PL C電氣控制系統改造

港口門座式起重機是港口裝卸設備中重要組成部分，廣泛用于散雜貨碼頭裝卸生產過程中。而絕大多數老舊碼頭門座式起重機電氣控制系統采用繼電器、定時器等邏輯開關組成，其有控制精度低、效率低、能耗高、故障率高、穩定性差等缺點。隨著電子計算機技術的迅猛發展，PLC、變頻器等技術以其可靠性高、運行平穩、功能強大等特點，已廣泛應用于港口裝卸設備領域。“互聯網＋港口”模式將成為未來港口發展新模式，而老舊碼頭裝卸設備電氣控制系統的改造將成為碼頭智能化發展的基礎。

1 門機工藝及電氣控制系統分析

門座起重機是港口裝卸作業的重要起重設備之一，為多用途雜貨大型裝卸設備，適用于各大型碼頭、港口、堆場、貨站等作業場所，其應用范圍廣泛、節能、作業效率高、動作平穩可靠、安全性能高。

1.1 門機設備組成及工藝流程

門座式起重機主要由起升、變幅、回轉、運行四大機構，臂架、立柱及平衡系統、轉臺、圓筒門架等主要結構，電氣控制系統，司機室、機器房及各安全保護裝置等部分組成。門座起重機可以通過起升、變幅、旋轉三個機構分別實現貨物的升降、徑向移動、旋轉，再通過運行機構調整作業位置，使其可在較大區域內移動貨物。

門座式起重機港口常見的裝卸工藝流程：

（1）船←→門座式起重機←→牽引車+平板車←→輪胎吊←→堆場←→輪胎吊←→貨主汽車。

（2）船←→門座式起重機←→牽引車+平板車←→叉車←→倉庫←→叉車←→貨主汽車。

1.2 門機電氣控制系統改造原因分析

門座式起重機由起升、變幅、旋轉、行走四大機構組成,其中行走機構為非工作性機構,與其它機構連鎖,不與其它任何機構同時運行；而起升、變幅、旋轉三個機構既可以獨立運行,可以根據作業要求同時運行。老舊碼頭門式起重機起升、變幅、行走及旋轉等機構的電氣控制系統均采用傳統的繼電器、接觸器相關聯的控制方式，且各機構電機采用轉子串聯切電阻調速方式，隨著港口生產量的不斷增加，使用頻率越來越高，一直滿負荷甚至超負荷的作業，伴隨使用時間的延長，門式起重機的起升、變幅機構故障率不斷上升，經常出現控制回路過流導致繼電器、接觸器燒壞，或頻繁引起控制接觸器觸頭粘連在一起等故障。

1.3 門機電氣控制系統改造方案

門座式起重機起升機構、變幅機構原配的繞線式電機更換為起重機變頻專用電機，以提升起重機兩大運行機構的輸出力矩。由于門座式起重機起升機構對變頻調速硬度、低頻轉矩特性及動態快速相應的特殊要求，宜采用變頻閉環矢量調速控制方式，而變幅機構采用變頻開環控制方式即可滿足要求。

電氣控制系統采用PLC程序控制，將起升、變幅、旋轉及行走機構等設備控制、保護信號引入PLC控制柜。

（1）起升機構、行走機構

起升機構、行走機構的起升單機、開閉單機、抓斗、吊鉤、機上行走、機下行走6種運行操作信號。起升機構的電氣保護信號有短路及過電流保護、過載保護、失壓、缺相及零位保護、大風保護和超速保護等。

（2）變幅機構

變幅機構的電氣保護信號有短路保護、過電流保護、過載保護、失壓保護、缺相保護等,當變頻器出現故障時，必須通過右聯動臺上的故障復位按鈕進行手動復位。

（3）旋轉機構

旋轉機構電氣保護信號有短路保護、過電流保護、過載保護、失壓保護、缺相保護等，當變頻器出現故障時，必須通過故障復位按鈕進行手動復位。

2 門機電氣控制系統硬件設計

港口門座式起重機電氣控制系統主要由PLC和變頻器來實現對起重機的運行、保護及調速等功能。門座式起重機電氣控制系統結構框圖如圖1所示。

圖1 門座式起重機電氣控制系統結構框圖

2.1 觸摸屏系統

工業觸摸屏選用OMRON的NS10系列彩色觸摸操作面板，與PLC控制系統采用工業以太網連接，利用強大的工業觸摸屏組態軟件進行開發。該系統可實現各種畫面的編輯，用以顯示設備動作流程、各種狀態、參數設定、操作指南、警報信息、統計資料、簡易報表等。

觸摸屏主界面包含門座式起重機整機、起升、變幅、旋轉、行走各個機構操作按鈕，以及設備主令手柄位置、模擬量給定值、執行機構反饋值、各元件工作狀態。故障報警界面用于對故障的檢測及信息提示，便于操作人員及時的了解故障原因，并按提示自行恢復，以盡快恢復作業。并對故障報警歷史數據進行存儲，便于調取歷史數據。

2.2 PLC控制系統

為保障設備運行的高效性、穩定性，門座式起重機PLC控制單元選用OMRON CS1D系列，該系列可編程序控制器具有可靠性高、抗干擾能力強、模塊化、性價比高等特點。CS1D系列PLC可用梯形圖、語句表和功能塊圖進行編程，指令豐富，功能強，操作方便。

根據門座式起重機起升、變幅、旋轉及行走等機構的輸入輸出信號數量和具體的控制要求對OMRON PLC進行合理的配置，門座式起重機PLC選型主要硬件配置如下表1所示：

表1 門座式起重機電氣控制系統PLC模塊配置表

2.3 變頻調速系統

門座式起重機變頻調速系統采用日本安川公司生產的H1000系列重負載高性能專用變頻器，為保證門座式起重機控制系統有足夠的調速范圍，較高的調速硬度及較好的低頻轉矩特性，變頻調速系統采用閉環矢量控制，采用增量式脈沖編碼器實現閉環控制的速度反饋。同時該系列變頻器具有限流作用，

可以減少啟動時對電網沖擊，有利于港口其它設備正常運行。其接線端子有RS485通訊接口，配備相應的通訊模塊，可以與PLC實現聯網集中控制。

3 門機電氣控制系統軟件設計

門座起重機電氣控制系統軟件設計以OMROAN公司的CX-Programmer軟件為平臺進行開發設計，控制程序采用梯形圖語言進行編寫，程序主要包含對門座起重機各個機構的邏輯控制，并與觸摸屏一同實現對PLC、變頻器、開關等元器件的狀態監測和故障的判斷、顯示、報警等功能。

門座起重機控制系統程序主要實現起升、變幅、旋轉、行走四大機構的控制功能和運行狀態監控功能。程序采用模塊化設計，主要包括起升控制模塊、變幅控制模塊、旋轉運行控制模塊、行走運行控制模塊。

圖2 門座式起重機電氣控制系統程序設計流程圖

4 門機電氣控制系統調試方案設計

門座式起重機電氣系統改造完成后，需對設備各機構進行單機輸入、輸出調試、空載運行調試、輕載荷及額定載荷調試，確認運行正常后即可投入生產。

4.1 電氣控制系統運行前檢查

（1）門座式起重機電氣控制系統電源柜、控制柜等柜內設備安裝牢固，電纜連接端子符合規范，中文標識清晰，接地可靠。

（2）門座式起重機電氣控制系統電源柜內三相之間、相與零線之間、相與地之間的絕緣滿足規范要求。

（3）門座式起重機電氣控制系統電源柜儀表運行正常，駕駛室內空調、照明設備正常。

4.2 電氣控制系統運行調試

（1）空載運行調試

在系統運行前檢查完成正常后，測試空載狀態下起升機構、變幅、旋轉機構等設備啟動、運行、制動是否正常。

（2）額定載荷運行調試

在空載試車正常條件下，對門座式起重機進行額定載荷調試。對起升機構上升、下降、停機等動作測試；對門座式起重機變幅機構增運行、減幅運行、停止運行等測試。

4.3 電氣控制系統保護測試

（1）對門座式起重機電氣控制系統零位保護、電源保護進行測試。

（2）對起升機構限位保護、超載保護進行測試。

5 結束語

門座式起重機完成電氣控制系統改造后，將PLC、變頻器和觸摸屏等控制技術應用于門座式起重機電氣控制系統中。港口裝卸作業效率明顯提高，電氣控制系統運行穩定可靠，運行過程中故障較少，工作時機械結構震動明顯減弱，生產過程中以往出現的“開斗”、“溜鉤”等故障徹底解決。改造后的門座式起重機電氣控制系統不僅使港口生產效率得到極大的提高，并且也降低了生產能耗，具有良好的市場推廣價值，為港口互聯網+應用奠定堅實的基礎。

[1]宗蓓華,真虹.港口裝卸工藝學[M].北京:人民交通出版社,2003:52-53.

[2]陶生桂,葉云魁.變頻器在起重機改造中的應用[J].電氣時代,2004（10）:53-56.

[3]董雪琴,陳紅.起重機電氣調速系統的改造[J].武漢科技大學學報, 2004,27（04）28-30.

[4]歐姆龍工業自動化.CS1_CJ1_CJ1M編程手冊.

[5]肖蘭.電機與拖動[M].北京:中國水利水電出版社,2004.