港口起重機系統起升部分的編程與設計

韋 俊

北部灣港欽州碼頭有限公司

1 引言

目前，港口起重設備自動化程度越來越高，可編程序控制器PLC結合變頻器在港機上大量應用，使得港口起重機的裝卸效率大大提高。港口起重機作為港口貨物轉移的重要機械，極大減輕了工人的勞動強度，但是設備自身存在的安全隱患對工人的人身安全傷害也不容忽視。起重機不僅包括其結構上的設計安全，其系統軟件的設計對整機的安全同樣至關重要。

在對起升機構的軟件進行設計時，其重難點在于抓斗工況。在該工況下，起升機構采用兩套機構，即開閉機構和支持機構，相互配合，實現對抓斗開合和升降的控制[1]。以下重點探討在抓斗工況下港口起重機起升部分的軟件編程。

2 起升機構零位條件保護

起升主令處于0檔位時，啟動設備，各機構變頻器上電，并通過程序能有效自鎖起升零位條件，PLC方能掃描起升的控制程序，并運行變頻器使機構的動作。起升主令不處于0檔位時，啟動設備，則PLC拒絕掃描起升控制程序，從而在軟件上實現對機構的保護(見圖1)。圖1程序段23中，當起升處于0擋位時，常開點H_in[30]通，同時支持零位、開閉零位得電，使得線圈H_tp[22]得電并自鎖，其在程序段24中的常閉點斷，系統將對程序段24以上的程序進行掃描，程序段25中的支持上升命令將發給變頻器。如果手柄不處于0擋位，則程序段24中的常閉點H_tp[22]通，那么系統將掃描至程序段24結束。該程序可避免手柄處于0擋位之外啟動設備，設備直接運行的情況，起到零位保護的目的。

圖1 起升零位條件保護

3 手動抓斗工況

手動抓斗工況指手動操作抓斗進行貨物抓取時，抓斗的開合大小由司機決定。

3.1 抓斗工作流程

開閉電機正向運行，其鋼絲繩上升，支持電機根據實際情況，正向或反向運行，抓斗實現合斗。合斗完成后，由閉斗階段轉慢速上升階段，并在慢速階段進行鋼絲繩受力平衡調整即速度調整，完成鋼絲繩受力平衡后立即進入高速運行階段[2]。

在慢速運行階段，系統對開閉電機降速，最終達到鋼絲繩受力相對平衡，此過程稱為追繩階段。

在高速運行階段，系統持續檢測支持電機、開閉電機的電流，實時計算電流差是否超出所設置的范圍，若超出，表明某機構受力過大，系統會及時對受力過大的機構進行速度調整，確保不會出現再次開斗或者支持繩松弛的情況。

3.2 支持電機的控制

手動抓斗工況下存在以下特點。

(1)制動器閉鎖時，抓斗下沉的距離有限，抓斗無法有效地進行深挖作業，出現抓不到貨物的情況。

(2)制動器打開，支持電機處于自由狀態，抓斗可實現深挖，但在抓斗閉斗結束的瞬間，支持繩可能過于松弛，后期操作可能會導致鋼絲繩相互纏繞，嚴重的導致鋼絲繩繃出滑輪的事故。

(3)制動器打開，支持電機處于上升運行狀態，抓斗無法實現深挖作業，導致抓斗無法抓到貨物。

(4)制動器打開，支持電機處于下降運行狀態，可實現深挖，但容易發生鋼絲繩相互纏繞的問題。

為解決以上問題，在抓取貨物的過程中，支持電機的控制方式由速度控制切換為轉矩控制，同時對其進行速度限制(見圖2)。通過轉矩模式的切換，實現對電機扭矩的控制，給電機施加的扭矩只能克服鋼絲繩的重力上升，但無法拉動抓斗上升，從而保證抓斗抓取貨物的過程中，支持鋼絲繩不會出現過度松弛的現象，避免鋼絲繩相互纏繞的問題，同時可避免追繩時間過長影響效率的問題。

圖2 支持機力矩切換程序段

圖2程序段2中的常開點H_tp[06]抓斗閉斗指令通，進行閉斗操作，力矩切換線圈CW1_H1[08]得電，將變頻器由速度控制切換為轉矩控制，同時，變頻器通過力矩參考R02500得到力矩大小為60，實現對支持機的力矩給定及控制。

3.3 追繩過程中的鋼絲繩力矩平衡

理論上的力矩完全平衡，會必然出現抓斗開斗的情況。因此在追繩過程中，開閉電機電流需略大于支持電機電流，而非相等，才能保持支持鋼絲繩受力略小于開閉鋼絲繩，并維持這個狀態提升貨物，從而避免抓斗再次開斗的問題。因此整個提升過程中，必須對支持機構和開閉機構的電流進行實時監測，實時進行速度的調整。

3.4 平衡過程中的抗干擾問題

由于抓斗提升貨物過程中，可能出現雙機速度的變化不同步，導致支持機或者開閉機其中某一機構受力過大，造成力矩差出現波動，波動在允許的范圍時，并未造成抓斗開斗或合斗，不需要對雙機速度進行調整。力矩平衡過程中的干擾來源于起升機構中的電機速度變化，主要原因有：

(1)制動器剎車片調整過緊，制動盤與剎車片存在摩擦，在一定程度上會影響機構的速度降低，引起力矩不平衡，導致系統反復對速度進行調整。

(2)司機操作原因。抓斗抓取貨物提升過程中的同時，司機操作回轉、變幅機構同時運行，由于慣性，會引發了電機電流的變化導致力矩不再平衡，系統反復對速度進行調整，影響裝卸效率為解決干擾問題，系統在允許的范圍內，適當選擇抗干擾的區間[3]。通過力矩平衡抗干擾區間程序段(見圖3)，可以得出：當力矩差大于300 Nm時，M00902線圈得電，雙機受力不平衡，系統開始調用追繩程序開始平衡鋼絲繩受力。當力矩差小于300 Nm后，M00902線圈失電，其常閉觸點在程序段8中接通。隨著鋼絲繩繼續平衡，力矩差小于100 Nm，程序段7中的M00900線圈得電，其常開點M00900在段8中接通，使得M00901線圈得電，達到雙機力矩平衡。根據程序可得出，可以得到當100 Nm<力矩差<300 Nm時，系統不調用追繩程序對雙機速度作調整，保持高速提升，可避免調整過于頻繁造成貨物提升過程的不穩定，提高貨物的裝卸效率。該平衡自鎖狀態，直至在隨后的開斗中或力矩差大于300 Nm之后被解除。

圖3 力矩平衡抗干擾區間程序段

4 自動抓斗工況

4.1 自動抓斗

自動控制抓斗的其核心是支持機構、開閉機構引入增量型編碼器，并通過反饋的編碼器脈沖，實時檢測支持機構和開閉機構的位置，以及閉斗狀態時的位置差，即繩差。

通過標志位的控制實現抓斗開合程度以及開合速度在一定范圍內由系統軟件控制，抓斗閉合到所設定位置之后，即使司機依然操作機械處于閉斗狀態，系統自動忽略司機的操作，隨后自動完成提升及追繩過程從而進入高速運行狀態(見圖4)。

圖4 系統內部強制減速程序段

自動抓斗工況作業時，POSE—R02416代表抓斗的姿態，當R02416>100時，意味著抓斗合斗結束，閉斗終點m03330線圈得電，其常開點接通，將0速直接送入R02000起升手柄速度，強制起升停止運行，即使此時司機依然操作設備進行閉斗，但是系統自動給0速停止閉斗操作。自動抓斗可在艙深、司機看不到抓斗的情況下，能夠高效率的抓取貨物，有效減少追繩的時間。

4.2 支持電機的控制

支持電機的控制狀態由閉斗前的速度控制模式切換為轉矩控制模式，轉矩給定的大小隨著繩差趨近標尺而逐步變大。通過抓斗姿勢與實際繩差建立關系，繩差改變的同時能夠改變轉矩，目的是在抓斗閉斗結束的瞬間，確保支持繩處于收緊的狀態，減少支持機追繩平衡的時間。

4.3 自動抓斗中的補償速度

在自動抓斗中，補償速度大小隨著繩差趨近標尺而逐步遞減，理想狀態下，補償速度為0，雙機不存在速度調整，鋼絲繩平衡不存在追繩階段。以閉斗為基準，得出繩差相對閉斗位置的基準偏差，當抓斗合斗的姿勢越趨近閉斗終點時，基準偏差越小，速度補償越小，速度調整的幅度越小，抓斗實現力矩的微調(見圖5)。

圖5 自動抓斗速度補償與抓斗姿勢之間關系

5 提升溜鉤問題

正常情況下PLC得到主令手柄的信號后，立即向變頻器和制動系統發送動作指令，變頻器輸出力矩，同時剎車打開。但是此控制方式中的變頻器和制動器之間沒有聯鎖關系，當PLC的指令剛剛發送給變頻器時，制動器打開，如果此時信號受到外界的干擾較大，但變頻器并沒有輸出力矩，就會發生“溜鉤”現象，引發安全事故。

為避免溜鉤現象，可改變控制方式，讓變頻器和制動系統之間產生連鎖關系，在剎車回路串入變頻器運行信號，加裝24 V中間繼電器來檢測變頻器的運行信號，只有在變頻器運行后制動器才能打開。同時對變頻器的電流進行檢測，當變頻器電流達到一定值時，即變頻器的輸出力矩達到100%時，允許制動器打開(見圖6)。

圖6 變頻器于制動器連鎖程序段

圖6程序中，當起升支持機構的升降被啟動即m00138通，如支持電流大于1 100 A，力矩檢測達標，確保支持機構不被貨物反拉。在程序段26中m00609支持制動器打開，即變頻器運行2個條件同時滿足后，才能允許q00010線圈得電，打開制動器。可確保變頻器運行，力矩達標之后，制動器再打開，不發生溜鉤的現象。

6 結語

港口起重設備在安全管理中還存在諸多問題，需要不斷更新技術水平，提高對于設備設計的安全的要求。在抓斗工況下，對港口起重機起升部分的軟件編程進行了介紹，可為同類型設備的控制程序及安全保護程序設計提供參考。