480T門式起重機系統改造優化

文/張洪波 張東岳 鄭鷺

480T 門式起重機位于某船廠，于1997年開始設計，2000年投產運行，為我國自主研發自主設計并投入使用的第一臺造船用門式起重機，現其電控部分已運行十幾年，存在著設備老化、技術落后的現象，使用期間故障頻發，維護困難，差錯現象頻繁。設備電控系統中，PLC、直流調速器、低壓元件等主要部件均已停產，已無法找到備品備件，為此現需要使用新型產品元件替代，從而保證設備穩定運行，實現設備智能化控制，從而提高了控制精度。

480T 門式起重機改造工程具體方案主要分為直流傳動系統、和PLC系統改造兩個部分。

1 直流拖動部分改造方案（直流調速器）

采用ABB 品牌DCS800 系列直流調速器，一對一替換原施耐德直流調速器。

在更換之前，先參照原圖紙，摸清原施耐德直流調速器的輸入輸出回路及各個控制端口的功能和命名，并參照ABB 品牌DCS800 系列直流調速器說明書，搞清輸入輸出回路及各個控制端口的功能和命名。同時對照原圖紙，作出更換ABB 直流調速器后的電氣控制原理圖，調出原施耐德直流調速器的各項參數，并充分理解加以分析。對于新的ABB DCS800直流調速器，了解各個功能及固件，熟悉各個參數的意義。并根據現場實際工藝要求及原有施耐德直流調速器的各個參數，對ABB DCS800 直流調速器進行參數設定。

更換后將直流調速器及勵磁單元上電。確保上電后，直流調速器畫面顯示正常。并根據現場實際需求，將原有的參數一一輸入進新ABB DCS800 直流調速器中。此過程包括如下步驟：

（1）傳動單元通電后等待 10 秒鐘，確保所有的電路板已經通電并且應用程序已經正常運行。

（2）按下CDP 上的Local/Remote 按鈕，使傳動單元進入本地控制模式。

（3）選擇提升機宏。

（4）輸入參數組中的所有電機銘牌數據。

（5）選擇方向為 Request。

（6）執行電機辨識運行。

（7）選擇鍵盤給定值選項 。

（8）設置參數組中的轉速、轉矩、和電流限值。

設置完參數后給定運行指令，正轉指令，反轉指令及多段速指令，確保給定指令后直流調速器能夠正常運行。觀察面板和觸摸屏中顯示的運行電流，確保兩者的數值一致，同時確保機械運行的方向與實際要求給定的方向相同。

更換直流調速器后較原直流調速器增加了定位功能，計算負載的實際位置較原直流調速器提高了運算精度。同時也照原直流調速器增加了軸同步功能在使主從傳動同步的過程中使用該功能。現有的直流調速器可直接與編碼器連接，直接啟動位置計算功能，也可定義脈沖編碼器和實際位置之間的換算因子，從而解決了原直流調速器必須通過一系列復雜計算后方可控制直流調速器。

定義轉速修正用的基本數據

例：如果參數78.02 SYNCRO GAIN 設置為 0.1，主從傳動之間的位置誤差是1 個單位，那么從傳動中的速度修正是 (0.1 * 78.08 SYNC CORR SCALE) rpm 。

計算起升鋼絲繩線速度

鋼絲繩的線速度可以通過下面的公式計算：

例：

如果鋼絲繩卷筒的直徑=1000 mm

齒輪速比 =2.5

那么可以得出線速度=（3.1416 * 1000 * 500）/ 2.5=628320mm/min

改造優化，對于在兩鉤同時運行或者三鉤同時運行時，必須保證起吊重物的高度，起升下降速度的同步一致，為此采用雙電機的同步模式，如圖1所示。

更換直流調速器后，ABB DCS800 系列直流調速器相比原有的施耐德直流調速器增加了轉矩驗證功能。轉矩驗證用于確認在松開抱閘和開始提升運行之前傳動能夠產生轉矩，抱閘沒有打滑。該功能模塊主要用于起重機傳動，但也可以用于其它帶有編碼器反饋的起重場合。此功能本質上是一個電氣提升系統檢測。

當機械制動仍然起作用時，轉矩驗證給出一個正的轉矩給定值。如果轉矩驗證成功，即傳動單元實際轉矩達到了給定值，傳動單元將控制機械制動打開并開始啟動過程中的下一步驟。

執行轉矩驗證過程的時間非常短，（周期時間大約為20ms）。通過參數TORQ PROV FLT TD 可以設置轉矩驗證的最大允許時間。轉矩驗證中變頻器需要等待一段時間，如果轉矩驗證沒有成功，變頻器會由于TORQ PROVE FLT 跳閘。

由于ABB DCS800 系列直流調速器可直接連接增量型編碼器，為此改造后增加了速度監控及速度匹配的功能。速度監控功能用來對電機的轉速進行監控，在電機超速時使傳動跳閘。如果電機轉速超過了傳動參數定義的限值，傳動將由于超速故障跳閘，變流器封鎖，并且機械制動投入工作。

歷史學習有著一定的時間限制，由于事件發生的時間相對較遠，學生對當時的社會狀況缺少一定的認識，不能對歷史進行充分理解。但是科學技術的發展為教育教學提供了多媒體教學設備，教師可以通過多媒體信息技術為學生提供相關的歷史視頻與音頻資料。例如在學習中國抗戰勝利，中華人民共和國成立的課程內容時，教師可以通過視頻資料的播放，讓學生身臨其境地感受祖國的偉大勝利。

速度匹配功能用來監視電機的轉矩。該功能用來檢查電機的速度是否與給定值相符，在加速和減速以及恒速運行過程中速度是否超出了允許的誤差。有兩個參數定義這個功能。一個是加減速期間的，另一個是恒速期間的。參數SPD DEV LEV 監控電機靜態運行的速度偏差，用MAX SPEED 的% 表示。

參數SPD CHG PER SEC 是實際速度每秒改變的比率。在加速和減速運行中，只要電機速度的實際改變比率與給定變化率的差異高于參數 SPD CHG PER SEC 的設置值，且時間長于MATCH FLT TD，那么傳動跳閘，顯示SPD MATCH FLT 。

2 PLC系統改造方案

根據現有情況，PLC 系統改造主體分兩步進行。此次改造使用AB 1756 系列PLC 替代原AB 1771 系列PLC，系統處理速度得到提高，電氣室與操作室之間的通信電纜由同軸電纜通信替代多芯雙絞線將通信速率提高到5Mbps。

在更換前期將現運行PLC 程序上載到電腦中，分析現運行程序。根據程序和相關操作過程以及相關工藝指導詳細摸清480T 門式起重機設備的實際工作過程和運行工藝。了解設備現運行中存在的問題。然后根據原有PLC程序，進行新PLC 的編程。同時進行觸摸屏畫面制做。程序編制完成后，進行相關模擬和邏輯測試。

圖1

圖2：480 噸吊車電控系統結構拓撲圖

運用RSEmu 軟件，對新編制的PLC 程序進行模擬仿真測試，確保程序中的各項邏輯、保護和報警完全正常，以保證程序安全可靠。聯合甲方對編制好的程序進行模擬仿真測試，同時討論程序各部分邏輯、保護和報警功能，根據實際現場工藝情況，模擬可能發生的事故和相關報警，直接查看PLC 邏輯保護程序，確保相關保護動做正常合理.

2.1 具體方案

2.1.1 程序模擬運行和可行性討論

帶著已編制好的新PLC 程序到船廠，聯合船廠相關人員（人數根據現場確定）通過大屏幕的方式，模擬現場相應故障和保護，觀察產生的相關聯鎖動做，確體動作有效，正常。同時集合現場人員對程序邏輯和保護進行討論，提出相關改進意見。確保程序能安全可靠運行。

2.1.2 更換PLC 模塊和相關編碼器

程序經過討論，確定可行之后，開始對PLC 模塊進行一對一更換，將原有 PLC 5/40 更換為新的Control Logix 系列PLC，更換過程保持原控制柜不動，運用原柜體，只更改PLC 相對應通道接線，柜內配線不做改動，以降低風險。

編碼器更換采用相同位置安裝，減少相關工作量，同時完全使用舊電纜進行，以降低風險！

2.1.3 設備調試

模塊更換完成后，將新程序下載到PLC中，然后對設備進行總體的調試，逐一對PLC通道的采點進行測試，確保PLC 能正常接收到現場實際反回的每一個點（特別是保護相關的極限開關）以確保設備在運行過程中出現緊急事故時的保護正常。

2.1.4 改善了基于PLC 增量編碼器為控制核心的大車行走自動糾偏裝置

在原系統中，大車行走使用增量型編碼器，編碼器脈沖為100PPR，大車在行走過程中跟隨能力不足，糾偏功能不強，導致經常出現超差現象，在超差后必須停止大車行走后，通過手動慢速調整的方式進行人工糾偏。

現將增量編碼器改為5000PPR，分辨率增加使得大車行走自動糾偏功能更加強大完善化，能夠使兩側車輪行程差在允許的差值內，從而保證大車正常行走。在沒有達到行程差值的極限時，采用剛性腿保持原速前進，柔性腿加速的方式進行自動糾偏，從而使兩腿之間相對地面的位置保持相等，從而行走平衡。

為了檢測大車兩側車輪行走的差值，在兩側從動輪上分別安裝兩臺高分辨率增量編碼器，用來檢測大車每一側車輪的行程值。為了防止車輪打滑造成編碼器反饋數值誤差，將編碼器安裝在從動車輪上。兩側車輪的直流驅動電機的制動器由PLC 進行控制。PLC 分別采集兩側電機的編碼器脈沖數進行比較，由于編碼器分辨率的提高使得兩者脈沖數出現誤差范圍減小，PLC 輸出信號至直流調速器開始對行走電機進行調速糾偏，PLC 實時監測兩側車輪的脈沖數，當達到允許的范圍之內時，糾偏結束。

為了將兩側車輪的誤差控制在允許的范圍內，PLC 內設置兩個數值，當行程差大于規定值時，輸出信號進行糾偏，當行程差小于規定值時，糾偏停止。

整個糾偏過程在大車行走的過程中循環往復，保證大車走直線。

3 結語

本系統自2015年12月投入運行以來，運行穩定，狀況良好，顯示、控制功能正確，大大提高系統控制精度和穩定性，實現了智能化控制，為管理人員、操作人員帶來了極大的方便。特別是本系統投資少，實用性強，在實際應用中取得了良好的效果。