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(wěn)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(yè)務，公司的卸船作業(yè)主要依賴兩臺橋吊和四臺門機設備，裝卸機械設備狀態(tài)的好壞，直接影響到公司卸船作業(yè)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(gòu)采用繞線轉(zhuǎn)子異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，這種調(diào)速方法的缺點是調(diào)速電阻發(fā)熱嚴重，導致環(huán)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(huán)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(tài)性能差而且耗能高。可編程控制器采用日立八十年代的產(chǎn)品，只能處理簡單的開關量，掃描時間長，導致機械作業(yè)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(diào)速，控制上升級成現(xiàn)在較先進的PLC 。
電控新技術在門機上應用后，與原系統(tǒng)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(wěn)，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(xiàn)，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(zhuǎn)子異步電機的調(diào)速電阻拆除；短接集電環(huán)把繞線轉(zhuǎn)子異步電機當作鼠籠電機使用，節(jié)約了更換電機的成本。
6） 交流接觸器大量減少，電機實現(xiàn)無級調(diào)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(jié)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(tǒng)的穩(wěn)定性。
8） 原PLC備件廠家已經(jīng)停產(chǎn)，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(zhuǎn)矩，通常超過額定轉(zhuǎn)矩的150%。
2） 當抓斗下降時，電機將處于再生發(fā)電狀態(tài)，其能量要向電源側(cè)回饋。
3） 起升、開閉機構(gòu)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(xiàn)象。
5） 變幅機構(gòu)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(gòu)的調(diào)速通過觸點式手柄完成調(diào)速電阻切換，切換時電機電流突變，沖擊較大。
三、改造后的構(gòu)成
根據(jù)門機的運行特點，同時為了滿足門機高起動轉(zhuǎn)矩、低速滿轉(zhuǎn)矩、快速的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)。結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，占用空間小、維護方便。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖一。
圖一 系統(tǒng)構(gòu)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(shù)據(jù)通訊等。能通過DRIVEBUS（傳動總線）控制各個傳動機構(gòu)。
2、 NDBU-85總線適配器
將來自AC80的傳動控制指令按照要求發(fā)給相應傳動點，并將每個傳動點的狀態(tài)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?qū)⑷嘟涣麟娹D(zhuǎn)換成直流電，然后通過中間的直流環(huán)節(jié)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(wǎng)時反橋就會將直流電轉(zhuǎn)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(jù)AC80的控制指令轉(zhuǎn)換成交流輸出到電機。在抓斗下降過程中將電機制動產(chǎn)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(tǒng)采用先進的DTC(直接轉(zhuǎn)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(xiàn)電機速度和轉(zhuǎn)矩的精確控制。
在變幅機構(gòu)（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(gòu)安全穩(wěn)定運行。
圖三 變幅機構(gòu)圖
四、改造及調(diào)試
1、拆除原來的電控系統(tǒng)中的PLC、調(diào)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(zhuǎn)子集電環(huán)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(gòu)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(tǒng)上電并將編寫好的程序?qū)懭隤LC；
8、測試PLC的輸入、輸出信號并設置變頻器參數(shù)；
9、對電機進行參數(shù)識別運行 ；
10、 調(diào)試變頻器啟停功能、調(diào)速功能并確定電動機轉(zhuǎn)向;
11、 調(diào)試控制回路的連鎖、保護功能;
12、 整機空載調(diào)試,正常后進行重載調(diào)試.
五、改造效果
我們經(jīng)過現(xiàn)場實驗方法分別檢測SU2的變幅、起升、開閉的穩(wěn)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(xiàn)準確數(shù)字化。在抓斗滿負荷三檔起升下降時能準確停止，無墜斗現(xiàn)象。抓斗、變幅加速減速平穩(wěn)，基本實現(xiàn)無級調(diào)速。變幅鶴嘴準確停止在9米，到目前尚未發(fā)現(xiàn)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(fā)電狀態(tài)，改造后實現(xiàn)能量回饋電網(wǎng)，節(jié)電效果明顯。我們統(tǒng)計改造前和改造后的用電情況后發(fā)現(xiàn)改造后系統(tǒng)比原來系統(tǒng)省電30%。
表2 SU2用電情況對比統(tǒng)計表
改造前的系統(tǒng)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(jié)省了維護成本。
表3 2002年第一季度成本節(jié)約統(tǒng)計表
由上表可以看出，系統(tǒng)改造后每個季度可以為公司節(jié)省成本12萬多元，大大提高了我公司的經(jīng)濟效益。
六、結(jié)束語
此次改造將SU2起升、開閉、變幅三大機構(gòu)創(chuàng)造性地提升為全變頻調(diào)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(jié)構(gòu)簡單，而且調(diào)速范圍可連續(xù)無級調(diào)速。即使起升、開閉機構(gòu)在開環(huán)控制下也有較高的精度，機構(gòu)運行平穩(wěn)，減少沖擊，延長了金屬結(jié)構(gòu)壽命。比較徹底地改變這三大機構(gòu)由于控制方式上的缺陷，引發(fā)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。