港口起重機(jī)系統(tǒng)起升部分的編程與設(shè)計(jì)

韋 俊

北部灣港欽州碼頭有限公司

1 引言

目前，港口起重設(shè)備自動(dòng)化程度越來(lái)越高，可編程序控制器PLC結(jié)合變頻器在港機(jī)上大量應(yīng)用，使得港口起重機(jī)的裝卸效率大大提高。港口起重機(jī)作為港口貨物轉(zhuǎn)移的重要機(jī)械，極大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，但是設(shè)備自身存在的安全隱患對(duì)工人的人身安全傷害也不容忽視。起重機(jī)不僅包括其結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)安全，其系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)對(duì)整機(jī)的安全同樣至關(guān)重要。

在對(duì)起升機(jī)構(gòu)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其重難點(diǎn)在于抓斗工況。在該工況下，起升機(jī)構(gòu)采用兩套機(jī)構(gòu)，即開(kāi)閉機(jī)構(gòu)和支持機(jī)構(gòu)，相互配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)抓斗開(kāi)合和升降的控制[1]。以下重點(diǎn)探討在抓斗工況下港口起重機(jī)起升部分的軟件編程。

2 起升機(jī)構(gòu)零位條件保護(hù)

起升主令處于0檔位時(shí)，啟動(dòng)設(shè)備，各機(jī)構(gòu)變頻器上電，并通過(guò)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(yùn)行變頻器使機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。起升主令不處于0檔位時(shí)，啟動(dòng)設(shè)備，則PLC拒絕掃描起升控制程序，從而在軟件上實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的保護(hù)(見(jiàn)圖1)。圖1程序段23中，當(dāng)起升處于0擋位時(shí)，常開(kāi)點(diǎn)H_in[30]通，同時(shí)支持零位、開(kāi)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(diǎn)斷，系統(tǒng)將對(duì)程序段24以上的程序進(jìn)行掃描，程序段25中的支持上升命令將發(fā)給變頻器。如果手柄不處于0擋位，則程序段24中的常閉點(diǎn)H_tp[22]通，那么系統(tǒng)將掃描至程序段24結(jié)束。該程序可避免手柄處于0擋位之外啟動(dòng)設(shè)備，設(shè)備直接運(yùn)行的情況，起到零位保護(hù)的目的。

圖1 起升零位條件保護(hù)

3 手動(dòng)抓斗工況

手動(dòng)抓斗工況指手動(dòng)操作抓斗進(jìn)行貨物抓取時(shí)，抓斗的開(kāi)合大小由司機(jī)決定。

3.1 抓斗工作流程

開(kāi)閉電機(jī)正向運(yùn)行，其鋼絲繩上升，支持電機(jī)根據(jù)實(shí)際情況，正向或反向運(yùn)行，抓斗實(shí)現(xiàn)合斗。合斗完成后，由閉斗階段轉(zhuǎn)慢速上升階段，并在慢速階段進(jìn)行鋼絲繩受力平衡調(diào)整即速度調(diào)整，完成鋼絲繩受力平衡后立即進(jìn)入高速運(yùn)行階段[2]。

在慢速運(yùn)行階段，系統(tǒng)對(duì)開(kāi)閉電機(jī)降速，最終達(dá)到鋼絲繩受力相對(duì)平衡，此過(guò)程稱(chēng)為追繩階段。

在高速運(yùn)行階段，系統(tǒng)持續(xù)檢測(cè)支持電機(jī)、開(kāi)閉電機(jī)的電流，實(shí)時(shí)計(jì)算電流差是否超出所設(shè)置的范圍，若超出，表明某機(jī)構(gòu)受力過(guò)大，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)對(duì)受力過(guò)大的機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度調(diào)整，確保不會(huì)出現(xiàn)再次開(kāi)斗或者支持繩松弛的情況。

3.2 支持電機(jī)的控制

手動(dòng)抓斗工況下存在以下特點(diǎn)。

(1)制動(dòng)器閉鎖時(shí)，抓斗下沉的距離有限，抓斗無(wú)法有效地進(jìn)行深挖作業(yè)，出現(xiàn)抓不到貨物的情況。

(2)制動(dòng)器打開(kāi)，支持電機(jī)處于自由狀態(tài)，抓斗可實(shí)現(xiàn)深挖，但在抓斗閉斗結(jié)束的瞬間，支持繩可能過(guò)于松弛，后期操作可能會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩相互纏繞，嚴(yán)重的導(dǎo)致鋼絲繩繃出滑輪的事故。

(3)制動(dòng)器打開(kāi)，支持電機(jī)處于上升運(yùn)行狀態(tài)，抓斗無(wú)法實(shí)現(xiàn)深挖作業(yè)，導(dǎo)致抓斗無(wú)法抓到貨物。

(4)制動(dòng)器打開(kāi)，支持電機(jī)處于下降運(yùn)行狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)深挖，但容易發(fā)生鋼絲繩相互纏繞的問(wèn)題。

為解決以上問(wèn)題，在抓取貨物的過(guò)程中，支持電機(jī)的控制方式由速度控制切換為轉(zhuǎn)矩控制，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行速度限制(見(jiàn)圖2)。通過(guò)轉(zhuǎn)矩模式的切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)扭矩的控制，給電機(jī)施加的扭矩只能克服鋼絲繩的重力上升，但無(wú)法拉動(dòng)抓斗上升，從而保證抓斗抓取貨物的過(guò)程中，支持鋼絲繩不會(huì)出現(xiàn)過(guò)度松弛的現(xiàn)象，避免鋼絲繩相互纏繞的問(wèn)題，同時(shí)可避免追繩時(shí)間過(guò)長(zhǎng)影響效率的問(wèn)題。

圖2 支持機(jī)力矩切換程序段

圖2程序段2中的常開(kāi)點(diǎn)H_tp[06]抓斗閉斗指令通，進(jìn)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(zhuǎn)矩控制，同時(shí)，變頻器通過(guò)力矩參考R02500得到力矩大小為60，實(shí)現(xiàn)對(duì)支持機(jī)的力矩給定及控制。

3.3 追繩過(guò)程中的鋼絲繩力矩平衡

理論上的力矩完全平衡，會(huì)必然出現(xiàn)抓斗開(kāi)斗的情況。因此在追繩過(guò)程中，開(kāi)閉電機(jī)電流需略大于支持電機(jī)電流，而非相等，才能保持支持鋼絲繩受力略小于開(kāi)閉鋼絲繩，并維持這個(gè)狀態(tài)提升貨物，從而避免抓斗再次開(kāi)斗的問(wèn)題。因此整個(gè)提升過(guò)程中，必須對(duì)支持機(jī)構(gòu)和開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)進(jìn)行速度的調(diào)整。

3.4 平衡過(guò)程中的抗干擾問(wèn)題

由于抓斗提升貨物過(guò)程中，可能出現(xiàn)雙機(jī)速度的變化不同步，導(dǎo)致支持機(jī)或者開(kāi)閉機(jī)其中某一機(jī)構(gòu)受力過(guò)大，造成力矩差出現(xiàn)波動(dòng)，波動(dòng)在允許的范圍時(shí)，并未造成抓斗開(kāi)斗或合斗，不需要對(duì)雙機(jī)速度進(jìn)行調(diào)整。力矩平衡過(guò)程中的干擾來(lái)源于起升機(jī)構(gòu)中的電機(jī)速度變化，主要原因有：

(1)制動(dòng)器剎車(chē)片調(diào)整過(guò)緊，制動(dòng)盤(pán)與剎車(chē)片存在摩擦，在一定程度上會(huì)影響機(jī)構(gòu)的速度降低，引起力矩不平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)反復(fù)對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整。

(2)司機(jī)操作原因。抓斗抓取貨物提升過(guò)程中的同時(shí)，司機(jī)操作回轉(zhuǎn)、變幅機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)行，由于慣性，會(huì)引發(fā)了電機(jī)電流的變化導(dǎo)致力矩不再平衡，系統(tǒng)反復(fù)對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整，影響裝卸效率為解決干擾問(wèn)題，系統(tǒng)在允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)選擇抗干擾的區(qū)間[3]。通過(guò)力矩平衡抗干擾區(qū)間程序段(見(jiàn)圖3)，可以得出：當(dāng)力矩差大于300 Nm時(shí)，M00902線圈得電，雙機(jī)受力不平衡，系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)用追繩程序開(kāi)始平衡鋼絲繩受力。當(dāng)力矩差小于300 Nm后，M00902線圈失電，其常閉觸點(diǎn)在程序段8中接通。隨著鋼絲繩繼續(xù)平衡，力矩差小于100 Nm，程序段7中的M00900線圈得電，其常開(kāi)點(diǎn)M00900在段8中接通，使得M00901線圈得電，達(dá)到雙機(jī)力矩平衡。根據(jù)程序可得出，可以得到當(dāng)100 Nm<力矩差<300 Nm時(shí)，系統(tǒng)不調(diào)用追繩程序?qū)﹄p機(jī)速度作調(diào)整，保持高速提升，可避免調(diào)整過(guò)于頻繁造成貨物提升過(guò)程的不穩(wěn)定，提高貨物的裝卸效率。該平衡自鎖狀態(tài)，直至在隨后的開(kāi)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(qū)間程序段

4 自動(dòng)抓斗工況

4.1 自動(dòng)抓斗

自動(dòng)控制抓斗的其核心是支持機(jī)構(gòu)、開(kāi)閉機(jī)構(gòu)引入增量型編碼器，并通過(guò)反饋的編碼器脈沖，實(shí)時(shí)檢測(cè)支持機(jī)構(gòu)和開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的位置，以及閉斗狀態(tài)時(shí)的位置差，即繩差。

通過(guò)標(biāo)志位的控制實(shí)現(xiàn)抓斗開(kāi)合程度以及開(kāi)合速度在一定范圍內(nèi)由系統(tǒng)軟件控制，抓斗閉合到所設(shè)定位置之后，即使司機(jī)依然操作機(jī)械處于閉斗狀態(tài)，系統(tǒng)自動(dòng)忽略司機(jī)的操作，隨后自動(dòng)完成提升及追繩過(guò)程從而進(jìn)入高速運(yùn)行狀態(tài)(見(jiàn)圖4)。

圖4 系統(tǒng)內(nèi)部強(qiáng)制減速程序段

自動(dòng)抓斗工況作業(yè)時(shí)，POSE—R02416代表抓斗的姿態(tài)，當(dāng)R02416>100時(shí)，意味著抓斗合斗結(jié)束，閉斗終點(diǎn)m03330線圈得電，其常開(kāi)點(diǎn)接通，將0速直接送入R02000起升手柄速度，強(qiáng)制起升停止運(yùn)行，即使此時(shí)司機(jī)依然操作設(shè)備進(jìn)行閉斗，但是系統(tǒng)自動(dòng)給0速停止閉斗操作。自動(dòng)抓斗可在艙深、司機(jī)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(shí)間。

4.2 支持電機(jī)的控制

支持電機(jī)的控制狀態(tài)由閉斗前的速度控制模式切換為轉(zhuǎn)矩控制模式，轉(zhuǎn)矩給定的大小隨著繩差趨近標(biāo)尺而逐步變大。通過(guò)抓斗姿勢(shì)與實(shí)際繩差建立關(guān)系，繩差改變的同時(shí)能夠改變轉(zhuǎn)矩，目的是在抓斗閉斗結(jié)束的瞬間，確保支持繩處于收緊的狀態(tài)，減少支持機(jī)追繩平衡的時(shí)間。

4.3 自動(dòng)抓斗中的補(bǔ)償速度

在自動(dòng)抓斗中，補(bǔ)償速度大小隨著繩差趨近標(biāo)尺而逐步遞減，理想狀態(tài)下，補(bǔ)償速度為0，雙機(jī)不存在速度調(diào)整，鋼絲繩平衡不存在追繩階段。以閉斗為基準(zhǔn)，得出繩差相對(duì)閉斗位置的基準(zhǔn)偏差，當(dāng)抓斗合斗的姿勢(shì)越趨近閉斗終點(diǎn)時(shí)，基準(zhǔn)偏差越小，速度補(bǔ)償越小，速度調(diào)整的幅度越小，抓斗實(shí)現(xiàn)力矩的微調(diào)(見(jiàn)圖5)。

圖5 自動(dòng)抓斗速度補(bǔ)償與抓斗姿勢(shì)之間關(guān)系

5 提升溜鉤問(wèn)題

正常情況下PLC得到主令手柄的信號(hào)后，立即向變頻器和制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送動(dòng)作指令，變頻器輸出力矩，同時(shí)剎車(chē)打開(kāi)。但是此控制方式中的變頻器和制動(dòng)器之間沒(méi)有聯(lián)鎖關(guān)系，當(dāng)PLC的指令剛剛發(fā)送給變頻器時(shí)，制動(dòng)器打開(kāi)，如果此時(shí)信號(hào)受到外界的干擾較大，但變頻器并沒(méi)有輸出力矩，就會(huì)發(fā)生“溜鉤”現(xiàn)象，引發(fā)安全事故。

為避免溜鉤現(xiàn)象，可改變控制方式，讓變頻器和制動(dòng)系統(tǒng)之間產(chǎn)生連鎖關(guān)系，在剎車(chē)回路串入變頻器運(yùn)行信號(hào)，加裝24 V中間繼電器來(lái)檢測(cè)變頻器的運(yùn)行信號(hào)，只有在變頻器運(yùn)行后制動(dòng)器才能打開(kāi)。同時(shí)對(duì)變頻器的電流進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)變頻器電流達(dá)到一定值時(shí)，即變頻器的輸出力矩達(dá)到100%時(shí)，允許制動(dòng)器打開(kāi)(見(jiàn)圖6)。

圖6 變頻器于制動(dòng)器連鎖程序段

圖6程序中，當(dāng)起升支持機(jī)構(gòu)的升降被啟動(dòng)即m00138通，如支持電流大于1 100 A，力矩檢測(cè)達(dá)標(biāo)，確保支持機(jī)構(gòu)不被貨物反拉。在程序段26中m00609支持制動(dòng)器打開(kāi)，即變頻器運(yùn)行2個(gè)條件同時(shí)滿足后，才能允許q00010線圈得電，打開(kāi)制動(dòng)器。可確保變頻器運(yùn)行，力矩達(dá)標(biāo)之后，制動(dòng)器再打開(kāi)，不發(fā)生溜鉤的現(xiàn)象。

6 結(jié)語(yǔ)

港口起重設(shè)備在安全管理中還存在諸多問(wèn)題，需要不斷更新技術(shù)水平，提高對(duì)于設(shè)備設(shè)計(jì)的安全的要求。在抓斗工況下，對(duì)港口起重機(jī)起升部分的軟件編程進(jìn)行了介紹，可為同類(lèi)型設(shè)備的控制程序及安全保護(hù)程序設(shè)計(jì)提供參考。