港口门座式起重机电气控制系统改造设计

■彭文

（福建省港航勘察设计研究院，福州351000）

港口门座式起重机电气控制系统改造设计

■彭文

（福建省港航勘察设计研究院，福州351000）

随着全球化贸易进程的加快，港口吞吐量日益增加，为提高港口装卸效率，对港口老旧设备改造已刻不容缓。本文介绍了门座式起重机结构及其工艺流程，通过对其控制原理及改造原因的分析，提出了其电气控制系统改造方案，最后给出了门座式起重机电气控制系统的硬件组成和软件基本设计方案。

门式起重机PL C电气控制系统改造

港口门座式起重机是港口装卸设备中重要组成部分，广泛用于散杂货码头装卸生产过程中。而绝大多数老旧码头门座式起重机电气控制系统采用继电器、定时器等逻辑开关组成，其有控制精度低、效率低、能耗高、故障率高、稳定性差等缺点。随着电子计算机技术的迅猛发展，PLC、变频器等技术以其可靠性高、运行平稳、功能强大等特点，已广泛应用于港口装卸设备领域。“互联网＋港口”模式将成为未来港口发展新模式，而老旧码头装卸设备电气控制系统的改造将成为码头智能化发展的基础。

1 门机工艺及电气控制系统分析

门座起重机是港口装卸作业的重要起重设备之一，为多用途杂货大型装卸设备，适用于各大型码头、港口、堆场、货站等作业场所，其应用范围广泛、节能、作业效率高、动作平稳可靠、安全性能高。

1.1 门机设备组成及工艺流程

门座式起重机主要由起升、变幅、回转、运行四大机构，臂架、立柱及平衡系统、转台、圆筒门架等主要结构，电气控制系统，司机室、机器房及各安全保护装置等部分组成。门座起重机可以通过起升、变幅、旋转三个机构分别实现货物的升降、径向移动、旋转，再通过运行机构调整作业位置，使其可在较大区域内移动货物。

门座式起重机港口常见的装卸工艺流程：

（1）船←→门座式起重机←→牵引车+平板车←→轮胎吊←→堆场←→轮胎吊←→货主汽车。

（2）船←→门座式起重机←→牵引车+平板车←→叉车←→仓库←→叉车←→货主汽车。

1.2 门机电气控制系统改造原因分析

门座式起重机由起升、变幅、旋转、行走四大机构组成,其中行走机构为非工作性机构,与其它机构连锁,不与其它任何机构同时运行；而起升、变幅、旋转三个机构既可以独立运行,可以根据作业要求同时运行。老旧码头门式起重机起升、变幅、行走及旋转等机构的电气控制系统均采用传统的继电器、接触器相关联的控制方式，且各机构电机采用转子串联切电阻调速方式，随着港口生产量的不断增加，使用频率越来越高，一直满负荷甚至超负荷的作业，伴随使用时间的延长，门式起重机的起升、变幅机构故障率不断上升，经常出现控制回路过流导致继电器、接触器烧坏，或频繁引起控制接触器触头粘连在一起等故障。

1.3 门机电气控制系统改造方案

门座式起重机起升机构、变幅机构原配的绕线式电机更换为起重机变频专用电机，以提升起重机两大运行机构的输出力矩。由于门座式起重机起升机构对变频调速硬度、低频转矩特性及动态快速相应的特殊要求，宜采用变频闭环矢量调速控制方式，而变幅机构采用变频开环控制方式即可满足要求。

电气控制系统采用PLC程序控制，将起升、变幅、旋转及行走机构等设备控制、保护信号引入PLC控制柜。

（1）起升机构、行走机构

起升机构、行走机构的起升单机、开闭单机、抓斗、吊钩、机上行走、机下行走6种运行操作信号。起升机构的电气保护信号有短路及过电流保护、过载保护、失压、缺相及零位保护、大风保护和超速保护等。

（2）变幅机构

变幅机构的电气保护信号有短路保护、过电流保护、过载保护、失压保护、缺相保护等,当变频器出现故障时，必须通过右联动台上的故障复位按钮进行手动复位。

（3）旋转机构

旋转机构电气保护信号有短路保护、过电流保护、过载保护、失压保护、缺相保护等，当变频器出现故障时，必须通过故障复位按钮进行手动复位。

2 门机电气控制系统硬件设计

港口门座式起重机电气控制系统主要由PLC和变频器来实现对起重机的运行、保护及调速等功能。门座式起重机电气控制系统结构框图如图1所示。

图1 门座式起重机电气控制系统结构框图

2.1 触摸屏系统

工业触摸屏选用OMRON的NS10系列彩色触摸操作面板，与PLC控制系统采用工业以太网连接，利用强大的工业触摸屏组态软件进行开发。该系统可实现各种画面的编辑，用以显示设备动作流程、各种状态、参数设定、操作指南、警报信息、统计资料、简易报表等。

触摸屏主界面包含门座式起重机整机、起升、变幅、旋转、行走各个机构操作按钮，以及设备主令手柄位置、模拟量给定值、执行机构反馈值、各元件工作状态。故障报警界面用于对故障的检测及信息提示，便于操作人员及时的了解故障原因，并按提示自行恢复，以尽快恢复作业。并对故障报警历史数据进行存储，便于调取历史数据。

2.2 PLC控制系统

为保障设备运行的高效性、稳定性，门座式起重机PLC控制单元选用OMRON CS1D系列，该系列可编程序控制器具有可靠性高、抗干扰能力强、模块化、性价比高等特点。CS1D系列PLC可用梯形图、语句表和功能块图进行编程，指令丰富，功能强，操作方便。

根据门座式起重机起升、变幅、旋转及行走等机构的输入输出信号数量和具体的控制要求对OMRON PLC进行合理的配置，门座式起重机PLC选型主要硬件配置如下表1所示：

表1 门座式起重机电气控制系统PLC模块配置表

2.3 变频调速系统

门座式起重机变频调速系统采用日本安川公司生产的H1000系列重负载高性能专用变频器，为保证门座式起重机控制系统有足够的调速范围，较高的调速硬度及较好的低频转矩特性，变频调速系统采用闭环矢量控制，采用增量式脉冲编码器实现闭环控制的速度反馈。同时该系列变频器具有限流作用，

可以减少启动时对电网冲击，有利于港口其它设备正常运行。其接线端子有RS485通讯接口，配备相应的通讯模块，可以与PLC实现联网集中控制。

3 门机电气控制系统软件设计

门座起重机电气控制系统软件设计以OMROAN公司的CX-Programmer软件为平台进行开发设计，控制程序采用梯形图语言进行编写，程序主要包含对门座起重机各个机构的逻辑控制，并与触摸屏一同实现对PLC、变频器、开关等元器件的状态监测和故障的判断、显示、报警等功能。

门座起重机控制系统程序主要实现起升、变幅、旋转、行走四大机构的控制功能和运行状态监控功能。程序采用模块化设计，主要包括起升控制模块、变幅控制模块、旋转运行控制模块、行走运行控制模块。

图2 门座式起重机电气控制系统程序设计流程图

4 门机电气控制系统调试方案设计

门座式起重机电气系统改造完成后，需对设备各机构进行单机输入、输出调试、空载运行调试、轻载荷及额定载荷调试，确认运行正常后即可投入生产。

4.1 电气控制系统运行前检查

（1）门座式起重机电气控制系统电源柜、控制柜等柜内设备安装牢固，电缆连接端子符合规范，中文标识清晰，接地可靠。

（2）门座式起重机电气控制系统电源柜内三相之间、相与零线之间、相与地之间的绝缘满足规范要求。

（3）门座式起重机电气控制系统电源柜仪表运行正常，驾驶室内空调、照明设备正常。

4.2 电气控制系统运行调试

（1）空载运行调试

在系统运行前检查完成正常后，测试空载状态下起升机构、变幅、旋转机构等设备启动、运行、制动是否正常。

（2）额定载荷运行调试

在空载试车正常条件下，对门座式起重机进行额定载荷调试。对起升机构上升、下降、停机等动作测试；对门座式起重机变幅机构增运行、减幅运行、停止运行等测试。

4.3 电气控制系统保护测试

（1）对门座式起重机电气控制系统零位保护、电源保护进行测试。

（2）对起升机构限位保护、超载保护进行测试。

5 结束语

门座式起重机完成电气控制系统改造后，将PLC、变频器和触摸屏等控制技术应用于门座式起重机电气控制系统中。港口装卸作业效率明显提高，电气控制系统运行稳定可靠，运行过程中故障较少，工作时机械结构震动明显减弱，生产过程中以往出现的“开斗”、“溜钩”等故障彻底解决。改造后的门座式起重机电气控制系统不仅使港口生产效率得到极大的提高，并且也降低了生产能耗，具有良好的市场推广价值，为港口互联网+应用奠定坚实的基础。

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