大型門式起重機兩機聯合抬吊作業電氣控制系統設計

馬旭俠

(銀川科安特起重機制造有限公司，寧夏銀川，750001)

引言

造船工業近幾年發展很快，帶動了造船龍門起重機的快速發展進步，特別是大跨距、大噸位的大型造船龍門起重機的廣泛應用。在現代化的造船企業大型造船龍門起重機主要用于船塢、船臺等的船體建造場地上，完成船體分段垂直升起和下降、平移行走和空中翻身等功能的吊裝任務。由于其結構龐大，負載噸位都在幾百噸以上，所以它的電氣控制系統必須要精準可靠。

1 設計考慮因素

起重機的電氣控制系統的設計目標，就是控制各個機構按照預定程序，完成造船廠各種物體負載起運，電氣控制系統的設計好與壞直接決定著整臺起重機能否成功投產，是整個大型造船龍門起重機制造的關鍵。在電氣控制系統設計時，應該注意系統的穩定性和安全性這兩個問題：（1）系統的穩定性是起重機的電氣控制系統中首先要考慮的，只有穩定的系統才能夠確保起重機安全穩定運行，進一步地提高起重機的工作效率；（2）起重機的電氣控制系統的安全性是需要注意的另一個問題，起重機的安全運行依賴于電氣控制系統的安全性。因此，電氣控制系統在設計時，就需要在設計中特別考慮對軟硬件分別設置多重保護，依據起重機的安全使用規范，在電氣控制系統中設置相應的保護措施。

2 大型門式起重機兩機聯合抬吊作業電氣控制系統設計

2.1 PLC控制系統

PLC系統能確保其內部擁有穩定的電源，整個操作程序中往往采用循環往復的用戶掃描程序進行工作。CPU從第一條指令開始執行程序，直到最后一條(結束指令)。掃描過程分為三個階段，即輸入采樣(刷新)，用戶程序執行和輸出刷新，這三個階段稱為一個掃描周期。考慮到造船龍門起重機控制系統對安全性和穩定性的要求，同時考慮控制系統中主站、變頻器和編碼器等各個組件之間的通訊要求，本設計的PLC系統由于具備功能升級的CPU以及各種種類齊全的功能模板，因此在龍門起重機控制系統中使用，能使用戶非常方便地搭建出最佳解決方案，進而滿足龍門起重機控制系統的自動化的要求。對造船龍門起重機的邏輯控制，遠程從站將收集的信號反饋給PLC主站，PLC主站執行邏輯控制程序通過現場總線實現對起升、小車、大車變頻器的起動、停止。速度控制通過操作界面實現工作狀態顯示及故障報警，可以使操作人員通過觸摸屏畫面觀察到整機的運行狀態，監控整個系統內的接觸器、斷路器、變頻器等設備的運行狀態，監控變頻器的設定頻率、轉速及當前實際的頻率和轉速、系統工作狀態等。

2.2 交流變頻調速系統

采用交流變頻調速系統和可編程序控制器組成電氣控制系統是目前大型造船龍門起重機的通用設計方案。交流變頻調速系統自身體積小，通用性強，可靠性高，可以明顯提高各機構運行的平穩性，減小制動沖擊，而且有非常好的節能效果。在這個系統中，重點是變頻調速裝置—變頻器，它是一種頻率變換器，通過它可以將交流電網電源的恒定頻率交流電變成頻率可變的交流電，提供給交流異步電動機作為電源，從而實現對電動機的交流調速控制。分為主回路和控制電路，主回路包括整流器、平波回路、逆變器和制動單元。電壓／電流檢測回路≮轉速檢測回路、運算回路、驅動回路和保護回路等構成了系統的控制回路。大型造船龍門起重機的調速系統有三個閉環控制，在變頻器內部有電流閉環調速和速度閉環調速，在速度環之外再附加一個PLC程序的位置環閉環控制。變頻器還具有電動機自動識別機器參數的功能。在安裝調試時，往往可以通過對變頻器的空載運行后產生新的數據，并根據獲得的數據對系統進行優化調試，確保整個電動機處于最佳工作狀態。此外，變頻器還擁有過電壓、過電流、短路、欠電壓、缺相等故障自我保護措施，當發生非常規狀況后，變頻器會自動終止運行，并將其故障的原因顯示在LCD屏幕上。

2.3 電氣控制設計

一是設計思路。首先是要根據技術規格書中造船龍門起重機的相關參數(主要有起吊能力、龍門吊中索具的重量以及各個機械零部件的傳動比率等)，并通過計算求出電動機額定的功率以及電流和轉動速度等，作為下一步選型計算的依據。選型計算的第一步是對電動機的選擇，電動機的選擇分兩部分：一是選擇電動機，二是電動機的校驗。參照變頻電機的產品目錄，選擇參數符合的電動機，之后需要對選擇的電動機實施校驗，試驗在不相同的速度運行下，電動機的功率以及扭轉力矩等是不是能夠符合設備的運行要求。最后還需要經行發動機產生熱量的校驗。經過上述校驗看發動機是不是符合要求。三是供電系統方案設計。經過對此次技術設計中要達到的目標進行分析，在設計最初就要對電力系統的供電種類進行確定，然后再對驅動系統進行組合，主回路選用IT形式供電，選用這種方式供電的好處就是一旦設備出現露電現象，由于該系統中的電源中性點和地面沒有接觸，單項對地面產生的漏電電流也相當小，不會造成電壓平衡的損壞。有較高的供電可靠性和安全性。大型造船龍門起重機的輔助回路大部分采用TN-S供電形式。因為TN-S的供電方式中專用的PE保護性電線同工作時的零線是必須分開的，當系統正常使用的時候，專用保護線中無電流，在工作零線中有不平衡電流。

2.4 利用位移傳感器或限位開關

當剛性腿側和柔性腿側的大車出現歪斜運轉時，主要模塊與柔性腿的夾角會產生變化。把位移傳感器或者是限位開關設置在柔性腿的上部，利用傳感器或者限位開關產生的信息來糾正偏差大車糾正偏差的兩種辦法：自動糾正偏差：在PLC程序中使用位置環管理，智能體現。手動糾偏：司機通過單邊動作，只低速移動剛腿或柔腿來糾偏。制造船只的龍門起重機的大車跨距—大車剛腿與柔腿兩者中間的差距通常都大于70米，本此設計的龍門起重機的跨距是75米。大車的剛腿與主要棟梁是剛性結合；大車柔腿跟主要頂梁的結合允許有小數值的改變。采集剛腿編碼器數值，將剛腿編碼器數值與大車零點基準值作減法；采集柔腿編碼器數值，將柔腿編碼器數值與大車零點基準值作減法；判斷剛柔腿編碼器數值是否異常，若有一組異常，則編碼器故障報警。

3 結束語

大型造船龍門起重機的電氣控制系統就是整臺機器的神經中樞，它保證了起重機可以安全、平穩運行，完成各種動作指令。經過實踐證明，本文雖然完成了對大型造船龍門起重機電氣控制系統的設計，但是所設計的系統還有很多方面需要進一步深入研究，今后在具體實現上還要具體的完善和提高。

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