浅谈自动化控制在桥式抓斗卸船机上的应用

乔宏琦　范宵祎　王鑫

摘要：桥式抓斗卸船机电气控制系统、AC800M可编程逻辑控制器、桥式抓斗卸船机的组成、ACS800多传动变频器的组成及特点。

关键词：桥式抓斗卸船机；自动化；控制

在改革开放政策和经济全球化的推动下，港口成为与国际连接通道的重要节点，是区域加入经济全球化和社会分工的基础，国内和国际贸易快速增长带动了海上大宗散货运输量的快速增长。随之而来的对港口的装卸能力也提出更高的要求，卸船机的工作效率也在逐渐提高，在这个过程中自动化控制起到了关键性作用。在过去很长一段时间里，国内的桥式抓斗卸船机完全依靠手动操作，所以，司机的劳动强度很大，卸船效率不高，安全性也较差。近年来，随着控制技术的发展，国内的桥式抓斗卸船机陆续装上了防止抓斗摆动的自动控制系统，以缩短工作循环周期，提高卸船效率和安全性，降低司机的劳动强度。本文以唐山曹妃甸矿石码头三期的桥式抓斗卸船机为例，浅谈一下自动化控制在桥上抓斗卸船机上的应用。桥式抓斗卸船机主要有起升支持机构、起升开闭机构、小车平移机构、俯仰机构和大车行走机构等五大机构组成。其中起升支持和起升开闭机构完成抓斗的升降，开闭和深挖等功能，小车机构完成抓斗的平移，俯仰机构完成大臂梁的收放，大车行走机构完成整台卸船机的移动。桥式抓斗卸船机除了以上五个主要机构外，与控制相关的还有一些辅助机构，如电缆卷筒，振动给料器，输料皮带系统、司机室平移、照明和称重装置等，这些辅助机构在控制上较为简单，容易实现。

自动化控制有半自动与全自动化：全自动化控制是人只需要作为操作员，确定控制的要求和程序，不用直接参与生产过程的控制技术；半自动化控制要人通过设施、设备、机械、仪器或手工等劳动力的参与。全自动化控制在桥式抓斗卸船上的应用还在发展初期没有应用到各个散货码头上还较少，本文着重介绍一下半自动化控制在桥式卸船上的应用。

从（图1）中我们可以看到这个电气控制系统主要包括：PLC、变频器、CMS、OPC、I/O、通讯技术。为了方便理解本文将其分为三部分，即执行部分，控制部分，监控管理部分。

第一，执行部分是控制系统中最直观的一部分，它看得见、摸得着。其主要由交直流电动机、限位、传感器、电磁阀、编码器等组成。执行部分的动作精度能体现出控制部分的好坏，同时也影响控制部分的控制命令。因其执行控制命令的同时也反馈信号。为了实现高速精确的信息传递，必须借助I/O模块和现场总线技术。

第二，控制部分是控制系统的大脑，整台设备的动作都由它统一控制，是控制系统的核心。其主要由驱动器（交直流调速器）和可编程序逻辑控制器（PLC）组成，控制部分设备之间通过现场总线技术完成信息交换；在曹妃甸矿石三期主要采用PROFIBUS总线和DRIVERBUS总线。

目前在卸船机应用主流的PLC有西门子、ABB、ALSTOM、OMRON等。

本文以ABB的AC800M系统进行详细说明（如图2）。AC800M控制器是导轨安装式模块化控制器家族，其中包括CPU、通讯模块、电源模块和各种附件。可供的CPU模块根据其处理能力、内存大小及是否支持冗余分成几类。每个CPU模块配备有两个以太网端口，用于连接操作员站、工程师站、管理站及更高层次的应用。这两个以太网端口可配置成冗余，用于提搞系统的可利用性。另外还配备了两个RS-232C端口，可供CPU与编程/调试工具以第三方系统和设备之间进行通讯。

交流变频调速系统在控制系统中起到重要作用，目前在卸船机上应用的有西门子、ABB、ALSTOM、OMRON等。本文以ABB的ACS800系列多传动R8模块为例来进行详细阐述（如图3）。ACS800变频器核心技术就是直接转矩控制（DTC），是目前工业应用中先进的交流异步电机控制方式。DTC的杰出的性能及ABB针对各种工业应用的专用控制宏，使得ACS800变频器适用于各种领域并有着杰出的表现。ACS800主要由传动部分和控制部分组成。传动部分主要由ISU（IGBT供电单元）、以及多个INU（逆变单元）组成。控制部分主要由ACU（辅助控制单元）ICU（进线控制单元）和DCU（传动控制单元）组成。ACS 800多传动基本设计理念：（1）公共直流母排；（2）单一输入功率连接；（3）不带制动斩波器或不带再生式供电单元时，驱动电机的逆变器之间内部分配能量，有发电，有电动；（4）降低输入线电流；（5）多个逆变器可采用公共的制动方式；（6）节约电缆、安装、维护成本；（7）不需要使用独立的MCC（马达控制中心）。ABB多传动产品特点：（1）只需要更少的备件；（2）革命性创新设计；（3）并联模块具有冗余性；（4）每一台模块都是一台完整的三相逆变器；（5）如果一台模块故障，能继续轻载运行；（6）减少故障停机时间，恢复快。

第三，监控管理部分是控制系统和设备维修管理人员与操作人员进行人机对话。人性化的CMS界面可以方便设备操作人员和设备维修管理人员对设备的了解。CMS系统是一套基于PC的人机交互的起重机维护工作站系统，他一般被放置在起重机的电气房中。CMS系统作为起重机的维护平台，为用户和维护人员提供了详尽、实时的状态和事件信息。简单的说，该系统具有两个基本功能：（1）提供在线调试诊断的工具；（2）方便地收集和存储系统信息。监控部分设备通过现场总线技术与控制层交换信息，完成设备级的故障检测，显示及处理，系统状态动态显示、历史记录的生成及报表输出打印等功能。

第四，结束语

全文总结本文以曹妃甸矿石码头三期桥式抓斗卸船机为背景，浅谈桥式抓斗卸船机电气控制系统研究，分析了桥式抓斗卸船机的结构及特点、电气控制系统的组成。研究展望：（1）进一步完善卸船机的自动控制；（2）更精细故障诊断系统；（3）更先进的监控及管理系统。

参考文献

[1]思超良.抓斗卸船机控制系统问题分析与改进[J].港口装卸，2004年第二期（总第154期）.

[2]徐雄炳.桥式卸船机抓斗自动控制功能的应用研究[D].上海：上海交通大学.