摘要：
針對門式起重機的相關設備的老化情況，分析了起重機的運行特性，提出起重機的一種先進的改造方案，提高了設備的運行效率和穩定性。
關鍵詞：
門式起重機 變頻器 可編程控制器
一、前言
廣州港西基港務公司主要從事煤炭的裝卸業務，公司的卸船作業主要依賴兩臺橋吊和四臺門機設備，裝卸機械設備狀態的好壞，直接影響到公司卸船作業效率。2號帶斗門機（SU2）電控是1985年引進日本日立公司的設備，起升、開閉、變幅機構采用繞線轉子異步電機轉子串電阻調速，這種調速方法的缺點是調速電阻發熱嚴重，導致環境溫度迅速上升，綜合性能指標差，效率低；異步電機有集電環和電刷，要求定期維護。再加上大量繼電器、接觸器的使用，導致故障頻繁，維護量大。電氣制動采用渦流電機制動，動態性能差而且耗能高。可編程控制器采用日立八十年代的產品，只能處理簡單的開關量，掃描時間長，導致機械作業效率低。為此決定對該設備進行全面升級改造，傳動上升級為變頻調速，控制上升級成現在較先進的PLC 。
電控新技術在門機上應用后，與原系統相比可帶來以下效益。
1） 電動機機械特性變硬，定位精確，可以提高卸船效率。
2） 運行平穩，起、制動平緩，運行中加、減速時對整機的沖擊減小，安全性提高，延長了機械的使用壽命。
3） 拆除渦流制動裝置，電氣制動由變頻器實現，降低了能耗同時也減少了維護量。
4） 機械制動在電機速度接近零速時投入，所以機械剎車的制動片壽命大大延長，維護費用下降。
5） 將原來的繞線轉子異步電機的調速電阻拆除；短接集電環把繞線轉子異步電機當作鼠籠電機使用，節約了更換電機的成本。
6） 交流接觸器大量減少，電機實現無級調速；避免了因接觸器觸頭頻繁動作而燒毀以及由此引起的電機損壞故障。
7） 結合功能強大的PLC以及變頻器自身的保護、檢測、故障報警等功能，可大幅提高電控系統的穩定性。
8） 原PLC備件廠家已經停產，只能按照圖紙另請廠家定制，成本高昂。升級后PLC價格合理，備件充足，降低了設備風險。
二、帶斗門機的運行特點
1） 門機在起動時應具有大的起動轉矩，通常超過額定轉矩的150%。
2） 當抓斗下降時，電機將處于再生發電狀態，其能量要向電源側回饋。
3） 起升、開閉機構在抓斗滿載突然打開和由空載挖煤時負載會急劇變化。
4） 由于機械制動的存在，電氣制動與機械制動之間存在切換，切換不能平滑完成，時有墜斗現象。
5） 變幅機構的變幅巴桿嘴在35米處和9米處準確停止，在8米處緊急停止。
6） 起升、開閉、變幅機構的調速通過觸點式手柄完成調速電阻切換，切換時電機電流突變，沖擊較大。
三、改造后的構成
根據門機的運行特點，同時為了滿足門機高起動轉矩、低速滿轉矩、快速的轉矩上升時間和抱閘順序控制功能的要求，我們選擇了ABB的ACS600系列直接轉矩控制變頻器，相應地為了與變頻器匹配選擇ABB的AC80（Advant controller）PLC，用PLC和變頻器組成一個多傳動控制系統。結構簡單、緊湊，占用空間小、維護方便。系統結構如圖一。
圖一 系統構成NDBU-85—總線適配器 TSU—晶閘管供電單元
1、 AC80可編程控制器
AC80（Advance controller）是專為傳動設計的高性能PLC，負責整個設備的邏輯控制、開關量處理、數據通訊等。能通過DRIVEBUS（傳動總線）控制各個傳動機構。
2、 NDBU-85總線適配器
將來自AC80的傳動控制指令按照要求發給相應傳動點，并將每個傳動點的狀態信息通過光纜反饋給AC80。
3、 ACS600 TSU（晶閘管供電單元）
如圖二所示，晶閘管供電單元的主要元件是兩個六脈波晶閘管橋。正橋將三相交流電轉換成直流電，然后通過中間的直流環節將電能輸送給傳動部分（逆變器）。無論何時需要將多余的電機制動能量反饋回給電網時反橋就會將直流電轉換成交流電。
3a:正橋3b:反橋L:中間電路電抗器 V11-V16:正橋晶閘管V21-V26:反橋晶閘管 Ud: 晶閘管供電單元直流電壓 Uc:中間直流電路電壓 圖二 TSU主電路
4、 ACS600逆變器
逆變器將來自供電單元的直流根據AC80的控制指令轉換成交流輸出到電機。在抓斗下降過程中將電機制動產生的能量整流成直流送回直流母排回饋給供電單元。由于ACS600多傳動系統采用先進的DTC(直接轉矩控制)技術，它可以對所有交流電機的核心變量進行直接控制，無需速度反饋就可以實現電機速度和轉矩的精確控制。
在變幅機構（圖三）上為了保證控制精度，準確定位變幅距離，在原來凸輪限位的基礎上加裝了絕對值編碼器和光電感應開關，保證該機構安全穩定運行。
圖三 變幅機構圖
四、改造及調試
1、拆除原來的電控系統中的PLC、調速電阻、渦流制動電機、接觸器和中間繼電器，將繞線異步電機轉子集電環短接；
2、 除原來的觸點式手柄更換成編碼器信號輸入的手柄；
3、 安裝變幅機構的光電感應開關和編碼器；
4、 安裝PLC控制柜和變頻器柜并鋪設控制電纜；
5、 鋪設動力電纜，完成動力回路的接線工作；
6、 檢查控制回路、動力回路接線是否正確；
7、 系統上電并將編寫好的程序寫入PLC；
8、測試PLC的輸入、輸出信號并設置變頻器參數；
9、對電機進行參數識別運行 ；
10、 調試變頻器啟停功能、調速功能并確定電動機轉向;
11、 調試控制回路的連鎖、保護功能;
12、 整機空載調試,正常后進行重載調試.
五、改造效果
我們經過現場實驗方法分別檢測SU2的變幅、起升、開閉的穩定性。抓斗額定負荷16噸，設定超負荷能力為120%，當負荷達到110%×16T時報警，達到118%×16T一檔起升1.5秒停止起起升，抓斗超負荷保護實現準確數字化。在抓斗滿負荷三檔起升下降時能準確停止，無墜斗現象。抓斗、變幅加速減速平穩，基本實現無級調速。變幅鶴嘴準確停止在9米，到目前尚未發現一起因變幅沖8米造成的故障維修。
抓斗是位能性負載，在下降制動過程中起升開閉電機處于發電狀態，改造后實現能量回饋電網，節電效果明顯。我們統計改造前和改造后的用電情況后發現改造后系統比原來系統省電30%。
表2 SU2用電情況對比統計表
改造前的系統需要每個季度更換一次主接觸器和輔助接觸器的觸頭,這些觸頭費用昂貴并且安裝時消耗大量人力，維護花費達到30000元/月。改造后只需要對變頻器定期清理維護，節省了維護成本。
表3 2002年第一季度成本節約統計表
由上表可以看出，系統改造后每個季度可以為公司節省成本12萬多元，大大提高了我公司的經濟效益。
六、結束語
此次改造將SU2起升、開閉、變幅三大機構創造性地提升為全變頻調速,作為位能性負載,這種提升在港口機械上的應用是少見的。這次改造汲取了直流控制的精確和交流控制的結構簡單，而且調速范圍可連續無級調速。即使起升、開閉機構在開環控制下也有較高的精度，機構運行平穩，減少沖擊，延長了金屬結構壽命。比較徹底地改變這三大機構由于控制方式上的缺陷，引發故障率高，能耗高的技術難題，為我公司的其它三臺門機的改造提供了很好的樣本。