大型门式起重机两机联合抬吊作业电气控制系统设计

马旭侠

(银川科安特起重机制造有限公司，宁夏银川，750001)

引言

造船工业近几年发展很快，带动了造船龙门起重机的快速发展进步，特别是大跨距、大吨位的大型造船龙门起重机的广泛应用。在现代化的造船企业大型造船龙门起重机主要用于船坞、船台等的船体建造场地上，完成船体分段垂直升起和下降、平移行走和空中翻身等功能的吊装任务。由于其结构庞大，负载吨位都在几百吨以上，所以它的电气控制系统必须要精准可靠。

1 设计考虑因素

起重机的电气控制系统的设计目标，就是控制各个机构按照预定程序，完成造船厂各种物体负载起运，电气控制系统的设计好与坏直接决定着整台起重机能否成功投产，是整个大型造船龙门起重机制造的关键。在电气控制系统设计时，应该注意系统的稳定性和安全性这两个问题：（1）系统的稳定性是起重机的电气控制系统中首先要考虑的，只有稳定的系统才能够确保起重机安全稳定运行，进一步地提高起重机的工作效率；（2）起重机的电气控制系统的安全性是需要注意的另一个问题，起重机的安全运行依赖于电气控制系统的安全性。因此，电气控制系统在设计时，就需要在设计中特别考虑对软硬件分别设置多重保护，依据起重机的安全使用规范，在电气控制系统中设置相应的保护措施。

2 大型门式起重机两机联合抬吊作业电气控制系统设计

2.1 PLC控制系统

PLC系统能确保其内部拥有稳定的电源，整个操作程序中往往采用循环往复的用户扫描程序进行工作。CPU从第一条指令开始执行程序，直到最后一条(结束指令)。扫描过程分为三个阶段，即输入采样(刷新)，用户程序执行和输出刷新，这三个阶段称为一个扫描周期。考虑到造船龙门起重机控制系统对安全性和稳定性的要求，同时考虑控制系统中主站、变频器和编码器等各个组件之间的通讯要求，本设计的PLC系统由于具备功能升级的CPU以及各种种类齐全的功能模板，因此在龙门起重机控制系统中使用，能使用户非常方便地搭建出最佳解决方案，进而满足龙门起重机控制系统的自动化的要求。对造船龙门起重机的逻辑控制，远程从站将收集的信号反馈给PLC主站，PLC主站执行逻辑控制程序通过现场总线实现对起升、小车、大车变频器的起动、停止。速度控制通过操作界面实现工作状态显示及故障报警，可以使操作人员通过触摸屏画面观察到整机的运行状态，监控整个系统内的接触器、断路器、变频器等设备的运行状态，监控变频器的设定频率、转速及当前实际的频率和转速、系统工作状态等。

2.2 交流变频调速系统

采用交流变频调速系统和可编程序控制器组成电气控制系统是目前大型造船龙门起重机的通用设计方案。交流变频调速系统自身体积小，通用性强，可靠性高，可以明显提高各机构运行的平稳性，减小制动冲击，而且有非常好的节能效果。在这个系统中，重点是变频调速装置—变频器，它是一种频率变换器，通过它可以将交流电网电源的恒定频率交流电变成频率可变的交流电，提供给交流异步电动机作为电源，从而实现对电动机的交流调速控制。分为主回路和控制电路，主回路包括整流器、平波回路、逆变器和制动单元。电压／电流检测回路≮转速检测回路、运算回路、驱动回路和保护回路等构成了系统的控制回路。大型造船龙门起重机的调速系统有三个闭环控制，在变频器内部有电流闭环调速和速度闭环调速，在速度环之外再附加一个PLC程序的位置环闭环控制。变频器还具有电动机自动识别机器参数的功能。在安装调试时，往往可以通过对变频器的空载运行后产生新的数据，并根据获得的数据对系统进行优化调试，确保整个电动机处于最佳工作状态。此外，变频器还拥有过电压、过电流、短路、欠电压、缺相等故障自我保护措施，当发生非常规状况后，变频器会自动终止运行，并将其故障的原因显示在LCD屏幕上。

2.3 电气控制设计

一是设计思路。首先是要根据技术规格书中造船龙门起重机的相关参数(主要有起吊能力、龙门吊中索具的重量以及各个机械零部件的传动比率等)，并通过计算求出电动机额定的功率以及电流和转动速度等，作为下一步选型计算的依据。选型计算的第一步是对电动机的选择，电动机的选择分两部分：一是选择电动机，二是电动机的校验。参照变频电机的产品目录，选择参数符合的电动机，之后需要对选择的电动机实施校验，试验在不相同的速度运行下，电动机的功率以及扭转力矩等是不是能够符合设备的运行要求。最后还需要经行发动机产生热量的校验。经过上述校验看发动机是不是符合要求。三是供电系统方案设计。经过对此次技术设计中要达到的目标进行分析，在设计最初就要对电力系统的供电种类进行确定，然后再对驱动系统进行组合，主回路选用IT形式供电，选用这种方式供电的好处就是一旦设备出现露电现象，由于该系统中的电源中性点和地面没有接触，单项对地面产生的漏电电流也相当小，不会造成电压平衡的损坏。有较高的供电可靠性和安全性。大型造船龙门起重机的辅助回路大部分采用TN-S供电形式。因为TN-S的供电方式中专用的PE保护性电线同工作时的零线是必须分开的，当系统正常使用的时候，专用保护线中无电流，在工作零线中有不平衡电流。

2.4 利用位移传感器或限位开关

当刚性腿侧和柔性腿侧的大车出现歪斜运转时，主要模块与柔性腿的夹角会产生变化。把位移传感器或者是限位开关设置在柔性腿的上部，利用传感器或者限位开关产生的信息来纠正偏差大车纠正偏差的两种办法：自动纠正偏差：在PLC程序中使用位置环管理，智能体现。手动纠偏：司机通过单边动作，只低速移动刚腿或柔腿来纠偏。制造船只的龙门起重机的大车跨距—大车刚腿与柔腿两者中间的差距通常都大于70米，本此设计的龙门起重机的跨距是75米。大车的刚腿与主要栋梁是刚性结合；大车柔腿跟主要顶梁的结合允许有小数值的改变。采集刚腿编码器数值，将刚腿编码器数值与大车零点基准值作减法；采集柔腿编码器数值，将柔腿编码器数值与大车零点基准值作减法；判断刚柔腿编码器数值是否异常，若有一组异常，则编码器故障报警。

3 结束语

大型造船龙门起重机的电气控制系统就是整台机器的神经中枢，它保证了起重机可以安全、平稳运行，完成各种动作指令。经过实践证明，本文虽然完成了对大型造船龙门起重机电气控制系统的设计，但是所设计的系统还有很多方面需要进一步深入研究，今后在具体实现上还要具体的完善和提高。

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