關于門座式起重機自動開閉斗改造應用

摘要：門座式起重機抓斗作業，在采用抓頭作業時，經常因鋼絲繩過松或過緊而導致電機過載或鋼絲繩纏繞損壞，經過長時間觀察發現，鋼絲繩的過緊和過松主要原因是司機在開閉斗作業時，主要以個人的熟練程度和目測估計來進行操作，不能準確控制自動開閉斗時機。為解決此現象，通過改造門機控制程序，用起升電機編碼器做鋼絲繩位置檢測，利用開閉繩差，實現抓斗的自動控制，解決起升電機的過載和鋼絲繩纏繞損壞。

神華黃驊港1633門座式起重機采用先進的電控系統。該機起升、變幅、回轉、運行機構均采用變頻調速，起升機構采用閉環控制，應用PLC集中控制和檢測。調速性能優良，起、制動運行平穩、快速。

關鍵詞：門座式起重機 自動開閉斗

1 設備狀態及原理

設備簡介：起升機構由兩部單獨的絞車組成。兩部絞車可以單獨或聯合動作，便于起重機使用四索抓斗裝卸散貨或使用吊鉤裝卸件貨。每部絞車均由電動機、聯軸節、減速器、長閉式制動器、電機風機及鋼絲繩卷筒組成。起升支持電機與行走電機共用一個變頻器，支持和開閉電機都帶脈沖編碼器（渡邊增量式編碼器）、電機上配備有編碼器，雙機采用閉環控制。

起升機構原理：起升機構由兩臺變頻器CIMR-G5-4220分別控制兩臺YZP355M2-10，160KW電機進行起、制動運行，保證機構的安全、正常運行。起升機構通過選擇開關2SA2可實現單雙機運行，單機狀態時，通過配合腳踏開關，可實現單機開閉抓斗和雙機起升， 每臺電機配備了一臺風機以保證變頻電機的散熱。

PLC控制原理：手柄在零位，風速儀風速在正常范圍內，超負荷過流正常，不作行走運行，起升無故障時，機構允許升降。若在正常上升范圍內，不超負荷，上升操作允許；在正常下降范圍內，不作能耗運行，下降操作允許。PLC和變頻器之間通過SI-P1卡進行數據通訊。

主要設備型號：起升電機（160kw）為大連伯頓生產的起重及治金用變頻調速三相異步電動機，可實現無級調速、變頻器采用日本安川公司Vairspeed G5A4220、PLC采用OMRON C200HE系列。

2 工況概述及改造原因

支持和開閉運動通過一個主令控制器進行控制。

支持鋼絲繩：a 、d 開閉鋼絲繩：b 、c

通過一個主令控制器可以得到下列運動工況：

支持鋼絲繩靜止，開閉鋼絲繩下降時打開抓斗

支持鋼絲繩靜止，開閉鋼絲繩上升時閉合抓斗

原有1633門機抓斗工況作業時，現有控制系統沒有抓斗自動開閉斗功能，每個循環抓取作業，因個人操作熟練程度、抓斗在船艙中視線不清等問題，開閉繩的閉合時機總不能及時把握，需要操作司機來調整鋼絲繩的長度以讓開閉繩與支持繩保持平衡，確保電機受力平均。

原有控制系統存在以下幾個缺點：①因調整鋼絲繩導致作業時間增長。②人為調整開閉與支持之間的平衡，很難達到真正平衡，易導致個別電機超載，減少壽命。③易造成開閉鋼絲繩與支持繩纏繞。

通過改造門機起升機構自動開閉斗控制，可以有效的避免以上此情況的發生。

3 自動開閉斗原理

3.1 主要通訊原理

主令控制器發出控制指令，PLC得到控制信號，通過變頻器驅動起升電機運行，同時通過起升電機軸端脈沖編碼器對電機速度和位置進行檢測并反饋給PLC高速計數模塊，PLC通過高速計數模塊所得到的換算值來得到開閉與支持繩的實時繩差，控制起升電機運行，以實現自動開閉斗控制。

3.2 目的

通過編碼器可以隨時知道支持繩和開閉繩的位置差，因此便可以知道抓斗打開的程度。因抓斗開閉過程中支持繩靜止，故可以支持繩為相對參考點，通過支持與開閉繩差的大小來決定開閉繩的各種限制位置，同時可以定義抓斗的開閉和開閉過程中的減速位置。通過程序軟限位來實現開閉斗的減速，避免抓斗鋼結構撞擊和鋼絲繩因慣性造成的纏繞。

3.3 計數方法

①支持計數器：

支持計數器以支持上升終點限位為計數基準。

②開閉計數器：

開閉計數器的基準是通過計算當抓斗物理閉合時支持計數器的值而得到的。

③定義瞬間位置差Px：

Px = |開閉計數值-支持計數值|

④抓斗開斗設定：

當抓斗打開并且按下開斗按鈕，Px的值被送到開閉計數器，此Px定義為P0，值為0。

PDK：抓斗打開位置

⑤抓斗閉合設定：

當抓斗閉合并且按下閉斗按鈕，位置差Px的值被送到開閉計數器，此Px定義為Pz，值為正常作業的開閉繩差。

PBH：抓斗開斗位置

⑥抓斗位置清零：

當需要重新設定時，同時按下開閉斗按鈕，對抓斗位置清零。

⑦終點和減速位置確定：

抓斗已閉合

如果Px=Pz，可以確定抓斗現已閉合，雖然對于計數器來說，瞬間位置繩差和Pz絕對相等，但因抓斗存在一定慣性，并且鋼絲繩為軟連接，故外部抓斗閉合位置不會絕對相符，會存在一定誤差，但不會影響作業。

抓斗已打開

如果Px=P0，可以確定抓斗現已打開，雖然對于計數器來說，瞬間位置繩差和P0相等，但因抓斗存在一定慣性，并且鋼絲繩為軟連接，故外部抓斗打開位置不會絕對相符，會存在一定誤差，但不會影響作業。

抓斗打開減速

通過長時間的調試和總結，當瞬間位置繩差等于Pz的15%時，可以確定開斗減速軟限位位置，不同工況可以根據現場進行調試，值定義為PDKJ。

抓斗閉合減速

通過長時間的調試和總結，當瞬間位置繩差等于Pz的85%時，可以確定閉斗減速軟限位位置，不同工況可以根據現場進行調試，值定義為PBHJ。

3.4 電流限制

①抓料過程開始階段：

支持電機電流限制在10%最大電流，以便使抓斗插入到貨物中。

②當抓斗閉合到減速位置（PBHJ）：

為了抓斗閉合時不發生撞擊，可以輕微地增加支持電機電流限制值。

③當抓斗到達閉合位置（Pz）：

支持電機電流限制值增加到50%最大電流（等于開閉電機電流限制值），這一步用來均衡兩電機電流。

④當檢查到電流平衡

支持電機和開閉電機的電流限制值都為最大電流限制值（Imax）。

注：當檢測到抓斗到閉合位置時，一短延時開始計數，它能掩飾電機平衡過程，以便確認閉斗上升過程。

在閉斗過程中可以調節支持電機的電流限制值，以防止抓斗插入貨堆過深或者抓斗在閉合過程中被拉起。

4 程序實現

本港1633門機變頻器與PLC之間的通訊方式為Profibus通信，此通信具有減少線路接線、PLC多方位采集變頻器對電機的控制數據和反饋數據、抗干擾能力強等特點，他們之間的通訊需要在變頻器端裝SI-P通訊卡，PLC安裝PRM21通訊卡，通過通訊卡進行數值的轉換和處理，以便PLC軟件來實時采集電機運行的各種相關數據。鋼絲繩位置的確認是通過裝在電機高速端的渡邊編碼器與PLC高速計數模塊CT021之間的通訊來獲得，通過PLC程序對數值信號進行轉換處理，來定義外部開閉繩的位置繩差。

當打開抓斗，按下開斗設定按鈕時，PLC高速計數模塊就會讀取編碼器的脈沖數值并把讀取到的脈沖數值存入PLC數據存儲器DM中，經過自動開閉斗程序的計算，將結果作為控制指令發出，并觸發開斗控制指示燈顯示。

程序的開始部分設置高速計數130.09和130.11為觸發位，當數值為1時，開始計數。

當按下開斗設定時，130.08和130.10置1，同時編碼器清零。當按下閉斗設定時，把由DM430低位，DM431高位的十六進制數值送入DM432和DM433數據存儲器中。自動開閉斗設定完成。

當司機踩下腳踏限位時，抓斗打開，當DM430中的數值與DM464的數值相等時，確認開斗結束，程序觸發40.01位同時置1，發出控制指令確認開斗結束。

當司機踩下腳踏限位時，抓斗閉合，當DM430中的數值與DM476的數值相等時，確認閉斗結束，程序觸發40.03位同時置1，發出控制指令確認閉斗結束。

自動開閉斗的減速軟限位原理同上。

自黃驊港物流中心1633門座式起重機通過該方案改造后，使用情況良好，鋼絲繩纏繞現象極少發生，不但對設備起到保護作用，同時也提高作業效率，減輕司機的疲勞作業度，為高效安全生產奠定基礎。

參考文獻：

[1]《起重運輸機械》、《港口科技》.