船厂门座式起重机节能改造中的关键技术

赵仕兵，胡胜方，杨雪莹

（杭州江河机电装备工程有限公司 浙江省水利水电装备表面工程技术研究重点实验室，浙江杭州 310012）

0 引言

浙江舟山某船厂MQ630/40 t 门座式起重机已使用20 余年，起升机构速度为11.5 m/min。随着我国经济的飞速发展，对设备生产效率和节能环保的要求越来越高，原设备起升机构单一的速度已经远远不能满足生产需求，并且长期使用大吊钩起吊小吨位重物，使电机长期运行在轻载状态，效率和功率因数都极低，从而造成能源的极大浪费，经济性差。所以在该门座机上增加一个副钩系统很有必要。

根据现场勘测，决定保留机房内的原起升机构和变幅机构，同时在机房内增加一套副起升机构，其中原起升机构确定为主起升机构，在人字架的合适位置增加一个导向滑轮，延长臂架并在上面增加滑轮及吊钩，如图1 所示。

图1 门座式起重机

新增的副起升机构采用英威腾变频器驱动，PLC 采用西门子SMART 系列，主副起升机构采用同一个主令控制器。因为增加副起升后会影响整机的起重特性（工作曲线），所以还需要对原有的力矩限制器进行升级改造。基于以上的改造范围重点介绍项目实施中的关键技术。

1 副钩控制系统

新增的副起升机构额定起重量为8 t，属于位能性负载，由一台YZP315S-10 变频电机驱动，额定功率55 kW，额定电流108 A。采用变频器闭环控制（图2）。

图2 副起升机构控制原理

新增副起升机构的上升和下降各5 挡，由联动台上新的主令控制器控制（图3），1～5 挡的全程运行速度为3～60 m/min，其中满载额定速度为30 m/min。由力矩限制器根据副钩实际起吊的重量（可调）来判断是重载还是轻载，重载时各挡速度分别为额定转速的10%、30%、50%、70%、100%；轻载时各挡速度分别为额定转速的10%、50%、100%、140%、200%，共7 段。变频器主要参数（图4）设定后，将根据输入端子状态按设定好的速度运行，其中每挡的速度可在变频器内任意设定，以满足调速要求。

图3 主副起升机构主令控制器

图4 变频器主要参数

2 主副起升主令控制器设计

原司机室联动台上设有2 套主令控制器，其中左边联动台的主令控制器用于操作变幅机构和回转机构，右边联动台的主令控制器用于操作主起升机构和大车机构。改造过程中将左边联动台的主令控制器保留不变，对右边联动台的主令控制器进行整体更换，原起升机构主令控制器触点如图5 所示，控制电压是AC 220 V。新主令控制器用于操作主起升机构、新增的副起升机构和大车机构，两个起升机构之间采用一个转换开关进行选择切换，新主令控制器控制电压为DC 24 V。

图5 原起升机构主令控制器

当转换开关选择“副起升”时，起升主令控制器的挡位开关信号进入PLC，经PLC程序处理后，再由PLC 输出开关量驱动继电器P701～P705。继电器P701、P702 的常开触点分别接入副起升机构变频器的S1、S2 端子，用于上升和下降选择，继电器P703、P704、P705 的常开触点分别接入变频器的S4、HDIA、HDIB 端子，用于多段速控制。

当转换开关选择“主起升”时，起升主令控制器经的挡位开关信号进入PLC，经程序处理后，再由PLC 输出开关量驱动继电器P711～P721，这些继电器将代替原起升机构主令的11 个触点。主起升的控制电源是AC 220 V，控制电源的线号101、117、139、165，经过这些继电器常开触点（图6），输出线号103、113、119、123、131、149、161、163、167，可直接接入主起升的原控制系统。

图6 继电器线路

3 主起升主令控制器编程

在编写主起升挡位的程序时，要根据原起升机构主令控制器来编写（图5），如零位时P711 动作；下降2 挡、3 挡时P712 动作；上升1 挡、2 挡、3挡时P713 动作；下降1 挡、2 挡、3 挡、上升1 挡、2 挡、3 挡时P714 动作，如图7 所示，P715～P721 以此类推。

图7 主起升部分程序

主起升的程序编写完成后，送上继电器P715～P721 的控制电源，选择“主起升”，操作新主令控制器，记录继电器的动作情况，如图8 所示。主起升零位时，继电器P711、P717、P719 动作；上升1 挡时，P713、P714、P716、P717、P719 动作；上升2 挡时，P713、P714、P716、P719、P720 动作；上升3 挡、4 挡、5 挡 时，P713、P714、P716、P719、P720、P721动作。

图8 继电器动作表

同理观察主起升下降1 挡时，P717、P719 动作，下降2 挡时，P712、P714、P715、P719、P720 动作；下降3 挡、4 挡、5 挡时，P712、P714、P718、P720、P721 动作，经核对继电器的动作符合原起升机构主令控制器闭合表。送上主起升机构的主电源和控制电源，选择“主起升”，操作新主令控制器，逐挡测试，发现主钩运行良好，达到了改造的目的。

需注意的是新主令控制器按5 挡设计，原起升机构系统只使用了前3 挡，所以在程序编写时需把4 挡5 挡跟第3 挡合并处理，操作员不论操作到3 挡4 挡5 挡，PLC 的输出均按第3 挡执行。

4 副起升变频器调试说明

副起升机构采用Goodrive350-19 系列起重专用变频器驱动。Goodrive350-19 系列是新一代起重专用变频器，具有优异的转矩性能，集成抱闸控制、零伺服、快速停车、主从控制、多套电机参数、预励磁、轻载升速、松绳检测、限位等专用功能，保证起重设备的安全性、可靠性和高效性。

在Goodrive350-19 系列起重专用变频器的基础上，设计一套副起升机构控制系统。经过实验室测试，总结了主要参数设置，在现场取得了良好的应用效果。

在设置的参数的过程中，若报tpf，即转矩验证故障，可将P90.14 和P90.15 暂时修改为0，等以上参数设置完毕后，将电机连接至减速机上，然后再适当增大P90.14 和P90.15。若在使用过程中需临时修改成开环控制，只需修改P00.00，注意不要修改P90.00，否则变频器的输入输出端子将恢复成默认值。

5 更换力矩限制器

副起升机构的重量检测跟主起升一样采用拉式传感器，安装在臂架头部钢丝绳端头。幅度检测传感器安装在臂架根部，力矩限制器主机和显示器都安装在司机室。

门座式起重机改造后因增加了副起升的吊钩、滑轮、钢丝绳以及延长臂架等因素，相当于增加了臂架的自重，所以原起重机的工作特性会有相应的变动。经计算主起升的工作特性曲线将发生如下改变：最大起重量40 t 的工作幅度由原来的14～15.75 m 减少至14～15 m，起吊40 t 的幅度范围将减少0.75 m；曲线的工作幅度由原来的15.75～35 m 调整到15～35 m，如图9 所示。

图9 工作特性曲线对比

主起升机构的整个工作特性往左移动，对于任一幅度而言，允许起吊的重量将有所减小；副起升机构的工作特性曲线是全幅度17.5～39 m，最大起吊能力都是8 t。

根据改造以后门座机的工作特性曲线，重新订制了力矩限制器，以满足对门座机的保护要求。新力矩限制器的力矩保护动作值根据主、副起升的实际力矩之和来确定，可防止用户在使用中过程主、副钩同时起吊重物导致倾覆。

6 结束语

近年无论是港口门座式起重机，还是船厂门座式起重机，大都面临着使用久、效率低、能耗高、安全性差等诸多问题，为彻底解决这些问题，针对门座式起重机的节能改造将拥有较大的市场。本文结合浙江舟山某船厂门座式起重机的节能改造为背景，融入最新的PLC 和变频器等先进控制技术，以较低的成本实现了改造目的，顺利通过了当地特种设备检验部门的验收，得到了各界的认可，为后续类似门座式起重机的节能改造提供了良好的借鉴作用。