門座起重機邊下降邊開斗功能控制系統設計

程　粵

龍口港集團有限公司

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門座起重機邊下降邊開斗功能控制系統設計

程粵

龍口港集團有限公司

摘要：鑒于粘性較大貨物作業時易粘附在抓斗壁上，墜落會對高壓電纜和船舶設施造成損壞，需閉斗進艙，從而增加操作動作和作業時間的情況。為優化裝卸工藝流程，設計了門座式起重機邊下降邊開斗功能控制系統。作業測試表明，達到了降低作業時間和提高作業效率的設計目標。

關鍵詞：門座起重機； 粘性； 邊下降邊開斗； 裝卸工藝

1前言

在龍口港大宗散貨中，馬來西亞鋁礬土、印尼鋁礬土、鎳礦等粘性較大貨種年接卸量在800萬t 以上，船型以6～12萬t為主，主要靠泊10萬t碼頭，采用40 t門座起重機(以下簡稱門機)作業。門機主電纜敷設于碼頭前沿電纜溝內，供電電壓10 kV，長190 m，價值較高。作業時為避免粘附在抓斗壁上的貨物墜落砸傷高壓電纜或船舶設施，需閉斗進艙，單臺設備作業效率約280 t/h，遠低于粘性較小的澳大利亞鋁礬土、鐵礦石、煤炭等貨種的單臺設備420 t/h的作業效率。

2裝卸工藝流程分析

粘性較大貨種作業工況較差，不易抓取，易粘附于抓斗壁上，抓斗抓取量相對較少，同時為保護高壓電纜和船舶設施，閉斗進艙也是影響裝卸效率的主要因素。將大宗散貨按粘性大小分為2類，一類為粘性較大貨種，如馬來西亞鋁礬土、印尼鋁礬土、鎳礦等，此類貨種易粘附在抓斗壁上，需閉斗進艙；另一類為粘性較小貨種，如澳大利亞鋁礬土、鐵礦石、煤炭等，此類貨種不易粘附在抓斗壁上，正常作業即可。

2.1粘性較小貨種裝卸工藝流程

抓斗前沿貨垛上方開斗放貨→向左旋轉至船艙上方→下降至船艙內貨面→閉斗抓取貨物→抓取貨物后起升至船艙口→向右旋轉至前沿貨垛→前沿貨垛上方開斗放貨。如此反復。

2.2粘性較大貨種作業工藝流程

抓斗前沿貨垛上方開斗放貨→閉斗同時向左旋轉至船艙上方→下降至船艙內貨面→開斗至終點→閉斗抓取貨物→抓取貨物后起升至船艙口→向右旋轉至前沿貨垛→前沿貨垛上方開斗放貨。如此反復。

2.3粘性大小對裝卸工藝流程的影響

對貨種粘性較小和粘性較大的裝卸工藝流程進行對比分析，粘性較大的貨種比粘性較小的貨種裝卸工藝流程多了抓斗閉斗和抓斗開斗2個動作。抓斗閉斗是在旋轉進艙的過程中完成的，實際操作不會增加作業時間。抓斗開斗動作需獨立完成，增加作業時間。

3粘性較大貨種裝卸工藝流程優化

粘性較大貨種抓斗自船艙口上方至艙內貨面下降的同時完成開斗動作，即抓斗自船艙口至艙內貨面下降的過程中，支持機速度不變或略微減小，開閉機速度增大，在抓斗自船艙口上方至艙內貨面下降的時間內，利用支持機與開閉機相對速度差完成抓斗開斗動作。

3.1MQ40-37門機概況

MQ40-37門機額定起重量40 t(含約60 t的抓斗自重)，工作幅度12～37 m，起升速度50 m/min。PLC采用GE Fanuc90-30，主、從兩站控制。起升機構開閉、支持電機額定功率均為250 kW，采用安川CIMR-G7B 300 kW變頻器驅動。PLC與變頻器之間通過IC693PBM200通訊模塊、變頻器SI-P1通訊卡建立通訊連接，PLC、變頻器和電動機之間的速度給定、力矩給定、力矩補償、輸出電流、輸出頻率、PG速度檢測、速度反饋等以通訊字的形式通信。

3.2抓斗自動開閉斗功能

起升電動機軸流風機側配有旋轉增量式編碼器，與變頻器、電動機共同構成閉環控制回路[1-2]。設定自動開閉斗功能時，PLC通過IC693APU300分別檢測和計算抓斗開斗終點、閉斗終點的開閉機和支持機編碼器相對位置，并賦值、保存。自動開閉斗功能設定完畢后，在抓斗自動狀態下，抓斗最大開斗幅度和閉斗幅度一定，即抓斗至開斗終點時，不能繼續開斗，至閉斗終點時，不能繼續閉斗。抓斗幅度大小在0～80% 范圍內開閉斗速度為100%，在80%～98% 范圍內速度為50%，在98%～100% 范圍內速度為0,以減小閉斗速度過快對抓斗底韌板的沖擊。

3.3邊下降邊開斗功能控制系統設計

3.3.1控制系統設計原則

(1)操作習慣：原有功能和動作保持不變；易于操作，符合門機司機的操作習慣。

(2)使用功能：能夠自動檢測張斗終點，無需操作人員指揮和操作；適型船舶抓斗自船艙口上方至艙內貨面的時間內能打開抓斗；對電動機、變頻器等設備無影響，對使用功能無影響。

(3)安全功能：使用安全，操作簡單，不會造成誤動作[3]。

3.3.2控制系統設計

按照控制系統設計原則，對邊下降邊開斗功能控制系統進行設計，控制線路、PLC系統、變頻器系統變更內容見表1。

表1　邊下降邊開斗控制系統變更

單機腳踏開關：與起升主令手柄操作動作配合實現抓斗開閉斗功能。單機腳踏開關與起升主令手柄上升檔同時動作，開閉機以主令手柄給定速度上升，支持機制動器打開，支持機電機不工作，抓斗閉斗；單機腳踏開關與起升主令手柄下降檔同時動作，開閉機以主令手柄給定速度下降，支持機制動器不打開，支持機電機不工作，抓斗開斗。

3.3.3邊下降邊開斗功能

作業前，抓斗開斗至需要的開斗幅度，按駕駛室操縱臺“開斗設定”按鈕，PLC對此時的開閉機與支持機相對位置進行檢測、計算、賦值和記憶。邊下降邊開斗腳踏開關與起升主令手柄下降檔同時動作，抓斗以35 Hz相對速度開斗(開閉機80 Hz速度運行，支持機45 Hz速度運行)，至抓斗設定的開斗幅度后，支持機、開閉機改由50 Hz同速運行，直至起升動作停止。

3.4邊下降邊開斗功能實施后粘性較大貨種作業工藝流程

抓斗前沿貨垛上方開斗放貨→閉斗同時向左旋轉至船艙上方→邊下降邊開斗→閉斗抓取貨物→抓取貨物后起升至船艙口→向右旋轉至前沿貨垛→前沿貨垛上方開斗放貨。如此反復。

對粘性較大貨種新的裝卸工藝流程與粘性較小貨種裝卸工藝流程進行比較，粘性較大貨種“閉斗同時向左旋轉至船艙上方→邊下降邊開斗”與粘性較小貨種“向左旋轉至船艙上方→下降至船艙內貨面”不同，“閉斗同時向左旋轉至船艙上方”中閉斗是在旋轉進艙的過程中完成的，實際操作不會增加作業時間。“邊下降邊開斗”與“下降至船艙內貨面”所用時間基本相同，因此邊下降邊開斗功能實施后，粘性較大貨種作業工藝流程與粘性較小貨種裝卸工藝流程所用時間基本相同。

4可行性分析

4.1控制系統設計原則符合性

(1)操作習慣：作業前設定開斗幅度，與抓斗自動開閉斗功能設定相同；抓斗開斗是單機腳踏開關動作與主令手柄下降檔動作，邊下降邊開斗功能是邊下降邊開斗腳踏開關與主令手柄下降檔動作，2個功能都是開斗操作，操作方式相同。

(2)使用功能：單機腳踏開關常開點為PLC功能輸入點保持不變，常閉點與邊下降邊開斗腳踏開關常開點串聯作為PLC功能輸入點，2個功能由各自的腳踏開關獨立、聯鎖控制；在抓斗自船艙口上方至船艙貨面下降過程中，能夠邊下降邊開斗至設定的開度，并自動檢測、執行支持機和開閉機同時全速運行。

(3)安全功能：使用安全，操作簡單；在邊下降邊開斗腳踏開關和主令手柄下降檔同時動作時，該功能方可實現，上升和閉斗等其他動作無此功能，對其他使用功能也無影響。

4.2電動機變頻調速

異步電動機定子每相電動勢有效值

E1=4.44f1N1knφm

其中：E1為定子每相繞組有效匝數；f1為電動機定子電源頻率；φm為磁通量；kn為定子繞組系數。

異步電動機轉矩

其中：PN為電動機額定功率；nN為電動機的額定轉速；P為電動機極數；f為電動機運行頻率；s為電動機轉差率。

MQ40-37門機起升電動機額定功率250 kW，變頻范圍1～100 Hz，電動機極數6極，額定轉速990 r/min。

根據異步電動機轉矩公式，分別對50 Hz和80 Hz時的電機轉矩進行計算。

50 Hz時電動機轉矩

80 Hz時電動機轉矩

4.3電動機變頻調速

電動機基頻以下為恒轉矩調速，主磁通Φm保持不變，感應電動勢E1/電源頻率f1為定值，以保證電動機負載能力；基頻以上為恒功率調速，感應電動勢E1保持380 V不變，主磁通Φm/電源頻率f1為定值。

電動機輸出轉矩：抓斗抓滿貨(貨物加抓斗重40 t)時電動機扭矩為1 840 Nm，抓斗空斗(抓斗重約16 t)時電動機扭矩為335.9 Nm。電動機50 Hz以下為恒轉矩調速，電動機轉矩為2 411 Nm，50～80 Hz為恒功率調速，電動機額定轉矩由2 411 Nm逐漸降至1 507 Nm，符合要求。

電動機工作頻率：電動機工作頻率范圍為15～80 Hz，在電動機運行允許的1～100 Hz工作范圍內。

5結語

對同一船舶、同一貨種、同一工況的門機作業情況進行測試(持續作業12 h后測試，1臺門機正常作業，1臺門機使用邊下降邊開斗功能)，電動機、變頻器運行和作業情況良好，符合設備性能和裝卸作業要求。電動機工作電流正常作業時200 A(50 Hz), 使用邊下降邊開斗功能時120 A(80 Hz)。電動機工作電壓正常作業時380 V(50 Hz)，使用邊下降邊開斗功能時380 V(50～80 Hz)。電動機表面溫度正常作業時37 ℃，使用邊下降邊開斗功能時36 ℃。

對粘性較小和粘性較大貨種作業進行測試，粘性較小貨種單次作業循環時間約138 s，粘性較大貨種單次作業循環時間約154 s，抓斗開斗動作時間約14 s；使用邊下降邊開斗功能后，粘性較大貨種單次作業循環時間約142 s，作業效率310 t/h，作業效率提高約10%，達到了預期要求。

參 考 文 獻

[1]程粵. 基于PLC的圓盤鋸石機自動化改造[J]. 機床電器, 2008(6)：42-43.

[2]程粵. 全自動硫磺灌包機防堵轉系統設計[J].機床電器, 2010(1)：53-55.

[3]朱學軍. PLC順序控制方法研究[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2003(11)：31-39.

[4]Pavlovic, R. Pinger and M. Kollmann, “Automated Formal Verification of PLC Programs Written in IL,”Conference on Automated Deduction (CADE), Bremen, July 2007：152-163.

程粵： 265700 ， 山東省龍口市環海路1899號

Design of the Control System for Opening Portal Crane′s Grab While Descending

Long Kou Port Group Co.,Ltd.Cheng Yue

Abstract:Cargos with viscosity can easily adhere to the grab bucket and a falling cargo can do damage to the high voltage cable and ships. In this case the grab should be closed when moving into the cabin, which increases the operation step and time. To optimizing the handling process, a control system which can realize the opening of the grab while descending, is designed for the portal crane. Operation tests show that the design goal of reducing the operation time and increasing the working performance is reached .

Key words:portal crane； viscous； opening the grab while descending; cargo handling technology

收稿日期：2015-11-10

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.03.008