新型抓斗與翻轉集裝箱多功能卸船機電氣設計

羅佩玉

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

國內外大多數散貨碼頭都配備有卸船機，裝船機等多種獨立的裝卸散貨機種設備，卸船機碼頭作業模式是通過橋式卸船機的抓斗把船艙里的散貨卸到卸船機大料斗（或移動漏斗），再通過地面輸送帶（或重型卡車）將散貨運送到后方堆場，裝船機碼頭作業模式是通過地面輸送帶將堆場里的散貨輸送到裝船機，再通過伸縮溜筒把散貨裝到船艙里，同時需要2 種機型實現散貨的裝卸，這樣的配置建設需要更多的資源，設備利用率低下，也增加了碼頭的基建投資。故迫切需要一種起重機設備來實現裝卸散貨一起作業的多功能。針對此類用戶和碼頭，文中介紹了某港口散貨碼頭的多功能卸船機項目，以此來分析電氣設計方案。該項目以岸邊集裝箱起重機的總體結構和驅動機構為設計基礎，采用液壓抓斗與翻轉吊具相結合的設計方案實現裝卸一體化的功能，能高效地完成散貨的裝卸作業。

1 多功能卸船機結構

多功能卸船機（以下簡稱卸船機）作為一種大型多功能散貨碼頭裝卸起重機設備，主要動作機構有起升機構、小車機構、俯仰機構、大車機構、移動漏斗機構、吊具上架機構、翻轉吊具/液壓抓斗等。抓斗模式下總載荷量為75 t，集裝箱模式下總載荷量為44 t，額定載荷起升速度1.25 m/s，空載起升速度2.5 m/s，小車速度2.5 m/s，大車速度0.83 m/s，俯仰上升時間為5 min，軌距24.5 m，總寬度27 m，外伸距44 m，后伸距24 m，軌道面以上起升高度22 m，軌道面以下為18 m，總起升高度40 m，電控部分采用ABB 變頻ACS880 驅動和西門子PLC SIMATIC S-1500F 控制，總體結構如圖1所示。

圖1 多功能卸船機總圖

2 多功能卸船機工況原理

卸船機的作業工況分為裝船過程和卸船過程2部分。

1）裝船過程 司機在操作臺選擇吊具操作模式，起吊碼頭上裝滿散貨物料的360°翻轉的集裝箱，集裝箱上升到工作模式最高點，再運行小車將集裝箱吊到船艙指定位置，操作集裝箱翻轉按鈕，翻轉到合適的傾斜角度把貨物到進船艙，完成一個裝船操作過程。

2）卸船過程 司機在操作臺選擇抓斗操作模式，打開電動液壓抓斗在船艙里抓料，抓料結束后閉合抓斗并起升，讓抓斗上升到工作模式最高點，運行小車到碼頭，抓斗打開，卸載抓斗里的散貨物料到碼頭的移動漏斗，再將散貨物料運送到后方堆場，完成一個卸船操作過程。

3 卸船機電氣控制方案的設計

3.1 卸船機高低壓供電電源選型設計

該卸船機采用13.8 kV/60 Hz/3 PH 高壓電源，該高壓電源通過碼頭高壓電纜和卸船機上的高壓電纜輸送到卸船機上的高壓開關柜的進線柜MH.1，高壓開關柜出線柜MH.2 供電到高壓主驅動整流變壓器，將13.8 kV/60 Hz/3 PH 高壓變成低壓500 VAC/60 Hz/3 PH，供給主機構起升、小車、俯仰、大車的變頻驅動器電源，高壓開關柜MH.3 供電到高壓輔助變壓器，將13.8 kV/60 Hz/3 PH 高壓變成低壓400/230 VAC/60 Hz/3 PH供給卸船機輔助機構，應急機構和照明電源。根據主機構的馬達功率和輔助機構的功率選型計算，選定驅動整流變壓器容量為1 250 kVA、13.8 kVC/500 VAC、60 Hz、D/yn11，輔助電力變壓器容量為：315 kVA、13.8 kVC/400 VAC、60 Hz、D/yn11。

3.2 卸船機主機構變頻驅動器的選型設計

該卸船機起升變頻電動機基本參數為405 kW、500 VAC、60 Hz、S1，2 臺。小車變頻電動機基本參數為175 kW、500 VAC、60H z、S1，1 臺。俯仰變頻電動機基本參數為200 kW、500 VAC、60Hz、S2，1 臺。大車變頻電動機基本參數為12 kW、500 VAC、60Hz、S2，32 臺。在設計時采用ABB 最先進的變頻驅動控制方案，根據這些機構的電動機功率和發熱量，設計選型變頻驅動器的整流單元ISU 型號為ACS880-207-2120A-5。逆變器單元采用4 臺逆變器驅動各機構變頻電動機，其中主起升電動機1 號和大車電動機1 號～31 號（奇數號電動機）采用一臺逆變器控制，選型為ACS880-107-1150A-5；主起升電動機2 號和大車電動機2 號～32 號（偶數號電動機）采用一臺逆變器，選型為ACS880-107-1150A-5；小車電動機采用一臺逆變器控制，選型為ACS880-107-0590A-5；俯仰電動機采用一臺逆變器控制，選型為ACS880-107-0590A-5。主驅動機構電氣控制方案單線如圖2所示。

圖2 主驅動機構電氣單線圖

3.3 多功能卸船機整機PLC 通訊系統的設計

該卸船機的電氣控制系統PLC 采用西門子SIMATIC S-1500F 系列，通訊協議主要采用Profinet 和Ethernet 通訊協議，其中電氣房里總站CPU 到電氣房內部分站之間的通訊采用Profinet 通訊，從電氣房總站CPU 到司機室，俯仰室，大車模塊站，大車操作站這些遠程分站采用多模光纜Profinet 通訊協議，具體通訊如圖3所示。

圖3 整機PROFINET 通訊協議圖

CMS、RCMS 和防搖系統采用Ethernet 以太網通訊協議(見圖4)。

圖4 整機Ethernet 以太網通訊協議圖

3.4 卸船機翻轉集裝箱和液壓抓斗互換功能設計

3.4.1 吊具上架機構及電氣控制設計

吊具上架采用常規上架，轉銷采用ISO 浮動轉銷，上架開閉鎖油泵電動機采用1.5 kW/400 VAC/60 Hz 電動機驅動，上架自動插拔電動機采用3 kW/400 VAC/60 Hz電動機驅動，電動插頭可以在翻轉吊具和抓斗過渡架實現自動插拔。

電氣控制設計方案為：

1）上架配置松繩限位、連接閉鎖限位、連接開鎖限位、頂銷限位、自動插拔連接限位、自動插拔脫開限位。上架與翻轉吊具處于連接狀態，即主控PLC 收到上架連接信號前提下，才可以做自動插拔連接或脫開動作。當自動插拔插頭連接后，觸動自動插拔連接限位，發送一個自動插拔連接信號和插頭連接信號給主控PLC，當自動插拔插頭斷開后，觸動自動插拔斷開限位，發送一個自動插拔脫開插頭斷開信號與給主控PLC。在主控PLC 收到上架頂銷信號狀態下，才可以做上架開閉鎖動作。符合開閉鎖動作條件時，司機按下操作臺上架閉鎖指令開關，上架旋鎖轉動90°，直到閉鎖限位觸發，動作停止；此時檢測閉鎖限位，全部觸發則發送閉鎖信號。符合開鎖動作條件時，司機按下操作臺上架開鎖指令開關，上架旋鎖反向轉動90°，直到開鎖限位觸發，動作停止；此時檢測開鎖限位，全部觸發則發送開鎖信號。

2）電氣插頭設計自動插拔功能，上架與翻轉吊具處于連接狀態，即主控PLC 收到上架連接信號前提下，才可以做自動插拔連接或脫開動作。吊具上架與吊具符合自動插拔連接動作條件時，司機按下操作臺自動插拔連接指令開關，減速電動機通過絲桿驅動浮動插頭機構向下運動，壓縮彈簧被壓縮到一定距離，插頭插座對接過程中，首先收到插頭連接信號，然后收到自動插拔連接限位信號，2 個信號都收到，認為自動插拔完成連，此時減速電動機立即停止，連接完成。

3）電氣插頭設計自動插拔斷開功能，符合自動插拔斷開動作條件時，司機按下操作臺自動插拔斷開指令開關，減速電動機通過絲桿驅動浮動插頭機構向上運動，壓縮彈簧被完全釋放，插頭的插針與插座的插孔斷開，感應到上停止限位，減速電動機立即停止，斷開完成。

3.4.2 翻轉吊具機構及電氣控制設計

翻轉吊具可以實現360°翻轉，規格采用6 058×2 438×2 000 開頂箱，設計方案中采用2 臺11 kW 油泵電動機同時工作，翻轉裝置采用液壓回轉裝置驅動，轉銷形式采用ISO 浮動轉銷，靠液壓缸驅動，提升機構采用液壓缸驅動，導向桿做導向運動，箱蓋轉銷采用ISO 轉銷，液壓缸驅動。具體工作運動工況如表1所示。

表1 具體工作運動工況

電氣控制設計方案為

1）吊具設計翻轉功能，吊具在吊起翻轉集裝箱后，司機按下吊具前翻指令開關，吊具內框架帶著集裝箱做對應方向旋轉動作，直到旋轉360°。在翻轉過程中，如果司機將吊具翻轉指令開關打至中間關閉狀態，則翻轉吊具停止翻轉，直至重新按下吊具翻轉指令開關，吊具繼續翻轉。吊具內框架在零位停止后，吊具翻轉指令失效，需重新將開關打至中間關閉狀態后，再將開關打至吊具翻轉指令，吊具重新進行翻轉動作，否則吊具保持零位狀態。

2）吊具設計開閉鎖功能（回轉架轉銷機構），符合閉鎖動作條件時，司機按下吊具閉鎖指令開關，吊具旋鎖轉動90°，直到全部閉鎖限位觸發，動作完成。符合開鎖動作條件時，司機按下吊具開鎖指令開關，吊具旋鎖反向轉動90°，直到全部開鎖限位觸發，吊具停止開鎖動作，動作完成。

3）箱蓋設計提升功能，符合箱蓋提升動作上條件時，司機按下提升機構上指令，提升液壓缸縮帶動提升框架向上動作，直到提升機構上限位全部觸發，液壓缸停止動作，提升機構上動作完成。符合箱蓋提升下動作條件時，司機按下提升機構下指令，提升液壓缸伸帶動提升框架向下動作，直到箱蓋轉銷機構中頂銷限位全部觸發，液壓缸停止動作，提升機構下動作完成。符合箱蓋轉銷閉鎖動作條件時，司機按下箱蓋轉銷閉鎖指令，轉銷機構動作，帶動轉銷轉動90°，直到全部閉鎖限位觸發，該動作完成。

4）箱蓋轉銷閉鎖功能設計，符合箱蓋轉銷閉鎖動作條件時，司機按下箱蓋轉銷閉鎖指令，轉銷機構動作，帶動轉銷轉動90°，直到全部閉鎖限位觸發，該動作完成（閉鎖電磁閥不關斷，閉鎖期間閉鎖電磁閥常得電）

5）箱蓋轉銷開鎖功能設計，箱蓋轉銷開鎖動作條件時，司機按下箱蓋轉銷開鎖指令，轉銷機構動作，帶動轉銷轉動90°，直到全部閉鎖限位觸發，機構停止開鎖動作，該動作完成。

3.4.3 翻轉吊具機構及電氣控制設計液壓抓斗機構及電氣控制設計

液壓抓斗機構采用1 臺55 kW 的油泵電動機驅動，2 只電磁閥Y1 和Y2 切換控制油路來實現抓斗開閉斗工作。

電氣控制設計方案為：司機室操作臺上設液壓抓斗開斗、閉斗、油泵啟動、油泵停止等按鈕，首先按油泵啟動按鈕，啟動55 kW 油泵電動機，需要閉合抓斗抓料時按閉斗按鈕，PLC 接受到閉斗命令后輸出一個信號給閉斗電磁閥，控制閉斗油路讓抓斗閉合。需要開斗放料時按開斗按鈕，PLC 接受到開斗命令后，輸出一個信號給開斗電磁閥，控制開斗油路讓抓斗打開。抓斗長時間不工作時，液壓抓斗的開閉斗功能是由2 個電磁閥控制，按油泵停止按鈕結束工作。液壓抓斗電氣控制原理如圖5所示。

圖5 液壓抓斗電氣控制原理圖

3.4.4 翻轉吊具和液壓抓斗互換功能電氣控制設計

選用54×2.5 m2的吊具電纜，該電纜采用儲纜框形式從小車架垂纜到吊具上架，跟隨吊具同步升降運動，吊具電纜進吊具上架接線箱的一端配置54 芯的HARTING 吊具專用的母插頭，吊具上架接線箱配置54芯的HARTING 吊具專用公插座，插頭插座相互對接提供吊具上架，翻轉吊具和液壓抓斗機構動力電源和控制電源，54 芯電纜芯數具體分配為：上架接線箱引出42×2.5 電纜接到抓斗插頭，其中36 芯供抓斗液壓泵電機提供動力電源，3 芯接地，3 芯供電磁閥電源，液壓抓斗過渡架配相對應的插座，以便與抓斗插頭對接，抓斗回插插座信號采用1×2.5 電纜。

上架接線箱引出26×2.5 電纜給翻轉吊具插頭，其中18 芯供翻轉吊具油泵電源，2 芯供翻轉吊具控制總電源，3 芯供翻轉吊具連接信號，2 芯供翻轉吊具CANBus 通訊信號。翻轉吊具本體配相對應的插座，與翻轉吊具插頭對接。翻轉吊具回插插座信號采用1×2.5電纜。

在液壓抓斗和翻轉吊具互相切換時，司機室操作臺有吊具/抓斗模式切換按鈕，當選擇吊具模式時，表示翻轉吊具在作業狀態，上架下掛的是翻轉吊具，此時反饋一個吊具連接信號給PLC，抓斗插頭回插到上架抓斗回插插座后固定，并反饋給PLC 一個抓斗插頭回插信號，PLC 自動識別出抓斗不在作業狀態。在翻轉吊具模式下，需要滿足3 個條件：選擇開關在吊具模式，PLC收到吊具插頭連接信號和抓斗插座回插信號；當選擇抓斗模式時，表示在抓斗在作業狀態，上架下掛的是液壓抓斗，吊具插頭回插到上架吊具回插插座后固定，并反饋給PLC 一個吊具插頭回插信號，PLC 自動識別出吊具不在作業狀態，在液壓抓斗模式下，需要滿足選擇開關在抓斗模式和PLC 收到吊具插座回插信號2 個條件。翻轉吊具/抓斗專用電氣插頭插座切換圖如圖6所示。

圖6 翻轉吊具/抓斗專用電氣插頭插座切換圖

4 結語

該新型抓斗與翻轉集裝箱多功能卸船機是集裝卸功能于一體的大型岸邊起重機設備，設備的投產大大地提高了散貨物料裝卸效率和設備利用率，市場應用前景廣闊，是散貨碼頭重要的多功能起重機設備。