船廠門座式起重機節能改造中的關鍵技術

趙仕兵，胡勝方，楊雪瑩

（杭州江河機電裝備工程有限公司 浙江省水利水電裝備表面工程技術研究重點實驗室，浙江杭州 310012）

0 引言

浙江舟山某船廠MQ630/40 t 門座式起重機已使用20 余年，起升機構速度為11.5 m/min。隨著我國經濟的飛速發展，對設備生產效率和節能環保的要求越來越高，原設備起升機構單一的速度已經遠遠不能滿足生產需求，并且長期使用大吊鉤起吊小噸位重物，使電機長期運行在輕載狀態，效率和功率因數都極低，從而造成能源的極大浪費，經濟性差。所以在該門座機上增加一個副鉤系統很有必要。

根據現場勘測，決定保留機房內的原起升機構和變幅機構，同時在機房內增加一套副起升機構，其中原起升機構確定為主起升機構，在人字架的合適位置增加一個導向滑輪，延長臂架并在上面增加滑輪及吊鉤，如圖1 所示。

圖1 門座式起重機

新增的副起升機構采用英威騰變頻器驅動，PLC 采用西門子SMART 系列，主副起升機構采用同一個主令控制器。因為增加副起升后會影響整機的起重特性（工作曲線），所以還需要對原有的力矩限制器進行升級改造。基于以上的改造范圍重點介紹項目實施中的關鍵技術。

1 副鉤控制系統

新增的副起升機構額定起重量為8 t，屬于位能性負載，由一臺YZP315S-10 變頻電機驅動，額定功率55 kW，額定電流108 A。采用變頻器閉環控制（圖2）。

圖2 副起升機構控制原理

新增副起升機構的上升和下降各5 擋，由聯動臺上新的主令控制器控制（圖3），1～5 擋的全程運行速度為3～60 m/min，其中滿載額定速度為30 m/min。由力矩限制器根據副鉤實際起吊的重量（可調）來判斷是重載還是輕載，重載時各擋速度分別為額定轉速的10%、30%、50%、70%、100%；輕載時各擋速度分別為額定轉速的10%、50%、100%、140%、200%，共7 段。變頻器主要參數（圖4）設定后，將根據輸入端子狀態按設定好的速度運行，其中每擋的速度可在變頻器內任意設定，以滿足調速要求。

圖3 主副起升機構主令控制器

圖4 變頻器主要參數

2 主副起升主令控制器設計

原司機室聯動臺上設有2 套主令控制器，其中左邊聯動臺的主令控制器用于操作變幅機構和回轉機構，右邊聯動臺的主令控制器用于操作主起升機構和大車機構。改造過程中將左邊聯動臺的主令控制器保留不變，對右邊聯動臺的主令控制器進行整體更換，原起升機構主令控制器觸點如圖5 所示，控制電壓是AC 220 V。新主令控制器用于操作主起升機構、新增的副起升機構和大車機構，兩個起升機構之間采用一個轉換開關進行選擇切換，新主令控制器控制電壓為DC 24 V。

圖5 原起升機構主令控制器

當轉換開關選擇“副起升”時，起升主令控制器的擋位開關信號進入PLC，經PLC程序處理后，再由PLC 輸出開關量驅動繼電器P701～P705。繼電器P701、P702 的常開觸點分別接入副起升機構變頻器的S1、S2 端子，用于上升和下降選擇，繼電器P703、P704、P705 的常開觸點分別接入變頻器的S4、HDIA、HDIB 端子，用于多段速控制。

當轉換開關選擇“主起升”時，起升主令控制器經的擋位開關信號進入PLC，經程序處理后，再由PLC 輸出開關量驅動繼電器P711～P721，這些繼電器將代替原起升機構主令的11 個觸點。主起升的控制電源是AC 220 V，控制電源的線號101、117、139、165，經過這些繼電器常開觸點（圖6），輸出線號103、113、119、123、131、149、161、163、167，可直接接入主起升的原控制系統。

圖6 繼電器線路

3 主起升主令控制器編程

在編寫主起升擋位的程序時，要根據原起升機構主令控制器來編寫（圖5），如零位時P711 動作；下降2 擋、3 擋時P712 動作；上升1 擋、2 擋、3擋時P713 動作；下降1 擋、2 擋、3 擋、上升1 擋、2 擋、3 擋時P714 動作，如圖7 所示，P715～P721 以此類推。

圖7 主起升部分程序

主起升的程序編寫完成后，送上繼電器P715～P721 的控制電源，選擇“主起升”，操作新主令控制器，記錄繼電器的動作情況，如圖8 所示。主起升零位時，繼電器P711、P717、P719 動作；上升1 擋時，P713、P714、P716、P717、P719 動作；上升2 擋時，P713、P714、P716、P719、P720 動作；上升3 擋、4 擋、5 擋 時，P713、P714、P716、P719、P720、P721動作。

圖8 繼電器動作表

同理觀察主起升下降1 擋時，P717、P719 動作，下降2 擋時，P712、P714、P715、P719、P720 動作；下降3 擋、4 擋、5 擋時，P712、P714、P718、P720、P721 動作，經核對繼電器的動作符合原起升機構主令控制器閉合表。送上主起升機構的主電源和控制電源，選擇“主起升”，操作新主令控制器，逐擋測試，發現主鉤運行良好，達到了改造的目的。

需注意的是新主令控制器按5 擋設計，原起升機構系統只使用了前3 擋，所以在程序編寫時需把4 擋5 擋跟第3 擋合并處理，操作員不論操作到3 擋4 擋5 擋，PLC 的輸出均按第3 擋執行。

4 副起升變頻器調試說明

副起升機構采用Goodrive350-19 系列起重專用變頻器驅動。Goodrive350-19 系列是新一代起重專用變頻器，具有優異的轉矩性能，集成抱閘控制、零伺服、快速停車、主從控制、多套電機參數、預勵磁、輕載升速、松繩檢測、限位等專用功能，保證起重設備的安全性、可靠性和高效性。

在Goodrive350-19 系列起重專用變頻器的基礎上，設計一套副起升機構控制系統。經過實驗室測試，總結了主要參數設置，在現場取得了良好的應用效果。

在設置的參數的過程中，若報tpf，即轉矩驗證故障，可將P90.14 和P90.15 暫時修改為0，等以上參數設置完畢后，將電機連接至減速機上，然后再適當增大P90.14 和P90.15。若在使用過程中需臨時修改成開環控制，只需修改P00.00，注意不要修改P90.00，否則變頻器的輸入輸出端子將恢復成默認值。

5 更換力矩限制器

副起升機構的重量檢測跟主起升一樣采用拉式傳感器，安裝在臂架頭部鋼絲繩端頭。幅度檢測傳感器安裝在臂架根部，力矩限制器主機和顯示器都安裝在司機室。

門座式起重機改造后因增加了副起升的吊鉤、滑輪、鋼絲繩以及延長臂架等因素，相當于增加了臂架的自重，所以原起重機的工作特性會有相應的變動。經計算主起升的工作特性曲線將發生如下改變：最大起重量40 t 的工作幅度由原來的14～15.75 m 減少至14～15 m，起吊40 t 的幅度范圍將減少0.75 m；曲線的工作幅度由原來的15.75～35 m 調整到15～35 m，如圖9 所示。

圖9 工作特性曲線對比

主起升機構的整個工作特性往左移動，對于任一幅度而言，允許起吊的重量將有所減小；副起升機構的工作特性曲線是全幅度17.5～39 m，最大起吊能力都是8 t。

根據改造以后門座機的工作特性曲線，重新訂制了力矩限制器，以滿足對門座機的保護要求。新力矩限制器的力矩保護動作值根據主、副起升的實際力矩之和來確定，可防止用戶在使用中過程主、副鉤同時起吊重物導致傾覆。

6 結束語

近年無論是港口門座式起重機，還是船廠門座式起重機，大都面臨著使用久、效率低、能耗高、安全性差等諸多問題，為徹底解決這些問題，針對門座式起重機的節能改造將擁有較大的市場。本文結合浙江舟山某船廠門座式起重機的節能改造為背景，融入最新的PLC 和變頻器等先進控制技術，以較低的成本實現了改造目的，順利通過了當地特種設備檢驗部門的驗收，得到了各界的認可，為后續類似門座式起重機的節能改造提供了良好的借鑒作用。