1 門座式起重機技術(shù)參數(shù)要求

此次要進行電氣控制系統(tǒng)研究的對象為南京港機 2002 年生產(chǎn)的 MQ25-35 門座 式起重機如圖 1 所示。

1.1  舊式門座式起重機簡介

起重機屬臂架類型起重機，是利用吊鉤或抓斗開展散貨或件雜貨裝卸作業(yè)的起 重設(shè)備，該設(shè)備采用四連桿臂架系統(tǒng)，保證貨物在變幅過程中能實現(xiàn)水平移動，平 衡系統(tǒng)采用杠桿系統(tǒng)，使變幅機構(gòu)運行平穩(wěn)。起重機在利用吊鉤作業(yè)時當額定起重 量為 40T 時，變幅范圍為：11-27 米，在額定起重量為 25T 時，變幅范圍為：11- 35 米。該起重機由：起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和行走機構(gòu)四大機構(gòu)組成。 該起重機的起升、變幅、旋轉(zhuǎn)等機構(gòu)可在允許的額定載荷下進行單獨或聯(lián)合作業(yè)， 操作較為方便。其行走機構(gòu)主要用于起重機在非工作時移動使用，其主要性能參數(shù) 表如表 1 所示。

1.2  門機電氣系統(tǒng)控制存在的缺陷分析

此次要進行 PLC 變頻控制系統(tǒng)研究的對象為南京港機生產(chǎn)的 MQ25-35 門座式起 重機。其起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及行走機構(gòu)電機均采用轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻的調(diào) 速方式，隨著現(xiàn)代港口對生產(chǎn)作業(yè)效率及作業(yè)質(zhì)量的要求，此臺起重機已經(jīng)無法滿 足生產(chǎn)作業(yè)需求。

1）能耗情況分析

根據(jù)起重機動態(tài)記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計：此臺門機年度作業(yè)量約為 60 萬噸，總耗電量 為：13.37 萬度，設(shè)備單噸耗電量為：0.2227 度/噸，而在普通件雜貨碼頭的 PLC 變頻控制系統(tǒng)的門座式起重機的單噸耗電量約為：0.1558 度/噸。也就意味著舊式 門機的電氣控制系統(tǒng)的耗電量要比 PLC 變頻控制系統(tǒng)的門座式其中耗電量高 42.94%。

2）設(shè)備故障情況分析 伴隨設(shè)備使用時間的不斷延長，此門機起升機構(gòu)和變幅機構(gòu)的故障率不斷增

加。具體故障體現(xiàn)在繼電器、接觸器故障。此兩種故障導(dǎo)致的原因為：控制回路長期處于過流狀態(tài)，導(dǎo)致繼電器或接觸器燒壞，或者出現(xiàn)接觸器觸頭粘連等故障。 3）安全隱患分析 由于繼電器及接觸器的高頻率故障的出現(xiàn)，導(dǎo)致門機司機在作業(yè)時不僅需要根

據(jù)經(jīng)驗判斷抓斗的打開或者閉合狀態(tài)，同時需要頻繁的調(diào)節(jié)開閉和支持四根鋼絲繩 的長度以保持吊鉤或抓斗的平衡。在吊鉤工況作業(yè)下，起升機構(gòu)頻繁出現(xiàn)溜勾情 況，導(dǎo)致裝卸貨物出現(xiàn)貨損，無法滿足裝卸質(zhì)量的要求，存在較大的安全隱患，嚴 重影響港口裝卸服務(wù)形象。

 1.3 PLC 門座式起重機變頻控制方法研究的必要性

根據(jù)港機設(shè)備使用管理規(guī)定，在正常生產(chǎn)作業(yè)情況下，門座式起重機的使用壽 命為 20 年。但目前港機設(shè)備使用管理出臺了新型政策，并未規(guī)定門座式起重機在 使用 20 年后強制進行報廢。而 PLC 變頻控制系統(tǒng)在門座式起重機上的應(yīng)用將會使 得門座式起重機重獲新生，其改造涉及費用將大大低于更換新型設(shè)備的費用。因 此，為使舊式港機設(shè)備繼續(xù)為港口碼頭生產(chǎn)作業(yè)服役，在起重機機械結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好 的情況下，將 PLC 變頻控制方法應(yīng)用到舊式門座式起重機的電氣控制系統(tǒng)中，對 其進行合理的升級改造，使得舊式起重機獲得良好的技術(shù)性能，便成為現(xiàn)代港機設(shè) 備的一大重要課題。

本次項目的研究對象為舊式 MQ25-35 型門座式起重機，電控系統(tǒng)采用 PLC 程 序控制，四大機構(gòu)均采用變頻調(diào)速控制。電氣控制系統(tǒng)中加入 PLC 自診斷功能， 更新起升機構(gòu)的開閉控制柜、支持控制柜，更新變幅、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)控制柜，增加 PLC 控制柜，將各機構(gòu)的控制信號引入 PLC 控制柜內(nèi)，實現(xiàn) PLC 變頻控制系統(tǒng)的 更新。同時將各機構(gòu)的限位保護加入 PLC 程序控制，安裝故障觸摸屏，對起重機 進行各機構(gòu)的故障報警，實現(xiàn)起重機的動態(tài)監(jiān)測。

1.4  變頻控制系統(tǒng)控制的性能要求

根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)需求，考慮舊式起重機機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及機械強度的要求，原 有門機的性能參數(shù)如：起升高度、幅度，起升速度，旋轉(zhuǎn)速度、變幅速度等數(shù)據(jù)不 需要做出調(diào)整。起升機構(gòu)在抓斗及吊鉤工況下的空載及重載速度保持不變。各運行 機構(gòu)的主要參數(shù)要求如表 2 所示。為保障起重機機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，金屬結(jié)構(gòu)的承 載能力，對于起重機的各機構(gòu)主要運行參數(shù)均不作出相關(guān)調(diào)整。但電機速度給定與 力矩要求將會隨著 PLC 變頻控制系統(tǒng)的引入而使速度變化曲線更加平滑，力矩控 制精度將會增加，速度控制的響應(yīng)將會加快。將會使得各機構(gòu)運行平穩(wěn)，速度曲線平滑，貨物裝卸起升力矩增加。

基于安川 PLC 的門座式起重機變頻控制方法的設(shè)計主要由 PLC 控制變頻器， 變頻器給定電機速度及力矩控制信號，從而實現(xiàn) PLC 變頻調(diào)速系統(tǒng)。電氣控制系 統(tǒng)應(yīng)采用 PLC 程序控制，起升、變幅、旋轉(zhuǎn)、及行走機構(gòu)均采用變頻調(diào)速控制 [33]。要求將各類限位保護列入 PLC 控制范圍內(nèi)，安裝 PLC 故障顯示屏，監(jiān)控門機 運行參數(shù)與故障診斷。更新起升機構(gòu)的開閉控制柜、支持控制柜，更新變幅、旋轉(zhuǎn) 機構(gòu)控制柜。為提升起升、變幅機構(gòu)對變頻調(diào)速的硬度、低頻轉(zhuǎn)矩特性及動態(tài)快速 響應(yīng)的要求，起升機構(gòu)與變幅機構(gòu)應(yīng)采用閉環(huán)矢量控制，因旋轉(zhuǎn)機構(gòu)屬于低速運 行，可采用開環(huán)矢量控制即可滿足速度控制需求[38]。關(guān)于變頻調(diào)速控制所需的設(shè)備選型主要涉及：各機構(gòu)電機的選型、各機構(gòu)變頻 器的選型和 PLC 的選型。

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電機是由變頻器控制使用，因此應(yīng)選用 YZP 系列的電動 機（冶金及起重機重用變頻調(diào)速三相異步電動機），為保障生產(chǎn)效率，確保電機能 滿足起升速度及轉(zhuǎn)矩的要求，結(jié)合原有繞線式異步電動機相關(guān)參數(shù)，宜選用力矩大 一級的變頻專用電機。從而實現(xiàn)“減速箱+變頻電機+編碼器+變頻器”無極調(diào)速的 精準控制。變頻電機的選擇應(yīng)具備高速運轉(zhuǎn)、抵抗變頻器高頻電流沖擊，絕緣等級，變頻 調(diào)速范圍，平衡質(zhì)量及抗震等級及較寬范圍恒轉(zhuǎn)矩與功率調(diào)速特性。為確保變頻電 機與變頻器有效的配合，同時考慮生產(chǎn)成本的需求，初步選用意向為國產(chǎn)電機，綜 合考慮現(xiàn)有國產(chǎn)電機的性價比，結(jié)合與進口變頻器的匹配性，最終決定選用大連天 元生產(chǎn)的變頻電機。通過查閱電機選型資料，對比電機轉(zhuǎn)速、電機速度、加速時 間、載荷、總效率及轉(zhuǎn)動慣量等相關(guān)參數(shù)，最終選用了大連天元生產(chǎn)的變頻專用電 機型號為：YZP2-355M2-8MC。