摘要：本文主要介紹了船廠D3560K7門座式起重機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了本電氣系統(tǒng)的傳動(dòng)部分和控制部分的設(shè)計(jì)流程，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試后，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，起制動(dòng)平穩(wěn)，受到業(yè)內(nèi)好評(píng)。

1前言

由我單位自主研發(fā)設(shè)計(jì)的D3560K7門座式起重機(jī)安裝在新加坡船廠內(nèi)，該起重機(jī)主要用在港口和碼頭裝卸貨物，也可用于船廠吊裝金屬結(jié)構(gòu)件，或者用于這些場(chǎng)所的設(shè)備安裝工程及組裝場(chǎng)地的吊運(yùn)工作。本機(jī)電氣系統(tǒng)采用目前國(guó)際上先進(jìn)的“HMI+PLC+變頻器”控制方案，整機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

⑴揚(yáng)程高，變幅范圍大。如圖1所示，本機(jī)的工作幅度為22～60m，最大幅度時(shí)起升高度達(dá)72m（軌上37m，軌下35m）。最小幅度時(shí)起升高度達(dá)75m（其中軌上70m，軌下5m）。

⑵起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和大車機(jī)構(gòu)均采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速性能好，運(yùn)行平穩(wěn)。該變頻器具有多種故障自診

圖1起重特性圖

斷及顯示報(bào)警功能，包括瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù)、瞬時(shí)斷電失壓保護(hù)、接地保護(hù)、冷卻風(fēng)機(jī)異常、超頻（超速）保護(hù)、接觸器粘結(jié)、缺相等。

⑶采用司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)操作，并設(shè)有力矩限制器，該限制器能實(shí)時(shí)顯示起重量噸位及幅度位置，便于司機(jī)操作。

⑷可視化程度高，該電氣系統(tǒng)采用了目前先進(jìn)的觸摸屏監(jiān)控技術(shù)和起重機(jī)動(dòng)畫(huà)模擬顯示技術(shù)，使整機(jī)具有良好的人機(jī)對(duì)話界面和高品質(zhì)的信息處理功能。

⑸采用PLC作為電氣系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)PLC輸入模塊來(lái)采集各種信號(hào)，運(yùn)用PLC內(nèi)部的虛擬觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)整機(jī)的時(shí)序邏輯控制。

⑹完善的安全保護(hù)。本機(jī)除了具有常規(guī)電控系統(tǒng)所必需的短路、過(guò)流、欠流、欠壓等保護(hù)外，還具有力矩保護(hù)、荷重保護(hù)，高度保護(hù)和超速保護(hù)，增減幅限位保護(hù)，防吊鉤沖頂保護(hù)，以及由風(fēng)速儀和防風(fēng)鐵楔組成的防風(fēng)保護(hù)裝置。

2電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括供電系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、變幅系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、大車運(yùn)行系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)。

2.1供電系統(tǒng)

電源回路原理圖如圖2所示，電源由機(jī)上平臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組供電或由外電源為AC415V，50HZ引入經(jīng)電纜卷筒-E1～-E5，至筒身下部的電源切換箱內(nèi)，再經(jīng)中心導(dǎo)電裝置，引到機(jī)房?jī)?nèi)的低壓配電柜，經(jīng)隔離刀開(kāi)關(guān)Q100、斷路器QF100、總接觸器KM1送到各控制柜。柜內(nèi)設(shè)有隔離刀開(kāi)關(guān)和斷路器，刀開(kāi)關(guān)能切斷門機(jī)的所有低壓設(shè)備電源,為安全檢修提供了一個(gè)明顯的斷開(kāi)點(diǎn)；斷路器作短路保護(hù)，一般情況下不動(dòng)作；通常只用總接觸器來(lái)通、斷總電源。斷路器附有分勵(lì)脫扣線圈，由司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的急停按鈕或電源控制柜上的急停按鈕來(lái)控制，只有在總接觸器因某種原因無(wú)法正常切斷電源回路的緊急情況下，才偶然使用一下分勵(lì)脫扣裝置，起到緊急停車的作用。

低壓配電柜門上有電流表、電壓表及切換開(kāi)關(guān)可測(cè)量三相電流、電壓。

圖2電源回路原理圖

2.2起升系統(tǒng)

起升機(jī)構(gòu)載荷為典型的位能負(fù)載，由一臺(tái)YZPFM315M2-8-TH，110KW變

頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用日本安川CIMR-HB4A0304變頻器傳動(dòng)，閉環(huán)控制。起升機(jī)構(gòu)

圖3起升機(jī)構(gòu)原理圖

原理圖如圖3所示

⑴速度要求：輕載：載荷≤10t時(shí)，速度為1.25～25m/min；

重載：載荷＞10t時(shí)，速度為1.25～12.5m/min。

⑵速度給定：由力矩限制器的輸出點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)判斷輕重載,并由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開(kāi)關(guān)的擋位來(lái)決定速度。正反各五擋：輕載時(shí)分別為10%、50%、100%、150%、200%額定速度，其中前三擋為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，第四、五擋為恒功率調(diào)速；重載時(shí)分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。系統(tǒng)采用主令擋位開(kāi)關(guān)量輸入,經(jīng)軟件處理后,再由PLC模擬量輸入輸出模塊輸出電壓信號(hào)(最大DC10V)給變頻器。速度檔可在PLC內(nèi)任意設(shè)定，以滿足使用要求。

⑶運(yùn)行與制動(dòng)：起升機(jī)構(gòu)有兩套制動(dòng)器，其中一套為工作制動(dòng)器，一套為安全制動(dòng)器。為確保起升機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)工作制動(dòng)器先行制動(dòng)，隔1～2秒后安全制動(dòng)器再制動(dòng)。

2.3變幅系統(tǒng)

變幅機(jī)構(gòu)載荷也為典型的位能負(fù)載，由一臺(tái)YZPFM315S-8-TH，75KW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用日本安川CIMR-HB4A0260變頻器傳動(dòng)，閉環(huán)控制，變幅機(jī)構(gòu)原理圖如圖4所示。

圖4變幅機(jī)構(gòu)原理圖

⑴速度要求：正常工況（最小幅度至最大幅度的區(qū)間）的速度:1.4～14m/min。特殊工況（最大幅度至臂架頂部放置地面）的速度：10%額定速度。

⑵速度給定：首先由聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)選擇“正常/特殊”工況，再由力矩限制器的輸出點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)判斷是否帶載，最后由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開(kāi)關(guān)的擋位來(lái)控制速度。正常工況下正反各五擋，分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度，帶載增幅時(shí)二至五擋速度減半；減速限位動(dòng)作后只能低速運(yùn)行。系統(tǒng)采用主令擋位開(kāi)關(guān)量輸入,經(jīng)軟件處理后,再由PLC模擬量輸入輸出模塊輸出電壓信號(hào)(最大DC10V)給變頻器。速度擋可在PLC內(nèi)任意設(shè)定，以滿足調(diào)速要求。

⑶運(yùn)行與制動(dòng)：變幅機(jī)構(gòu)有兩套制動(dòng)器，其中一套為工作制動(dòng)器，一套為安全制動(dòng)器。為確保變幅機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)工作制動(dòng)器先行制動(dòng)，隔1～2秒后安全制動(dòng)器再制動(dòng)。

2.4回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)載荷為典型的位移負(fù)載，由兩臺(tái)YZPF225S2-8-TH，22KW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用日本安川CIMRHB4A0180變頻器傳動(dòng)，開(kāi)環(huán)控制。調(diào)速范圍為1:10，控制精度為0.5%，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原理圖如圖5所示。

圖5回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原理圖

⑴速度要求：回轉(zhuǎn)速度：0.03～0.3r/min。回轉(zhuǎn)角度：全回轉(zhuǎn)。

⑵速度給定：由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開(kāi)關(guān)擋位來(lái)決定速度。正反各五擋，分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度。系統(tǒng)采用主令擋位開(kāi)關(guān)量輸入PLC,經(jīng)軟件處理后，再由PLC開(kāi)關(guān)量輸出給變頻器，再根據(jù)變頻調(diào)速器的內(nèi)部設(shè)定,輸出相應(yīng)的速度,其速度擋可在變頻器內(nèi)部任意設(shè)定。

⑶運(yùn)行與制動(dòng)：本機(jī)構(gòu)抱閘采用常開(kāi)方式，當(dāng)聯(lián)動(dòng)臺(tái)上制動(dòng)按鈕或腳踏開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，制動(dòng)器得電抱閘，否則制動(dòng)器失電松開(kāi)。

各電機(jī)均設(shè)有熱過(guò)載保護(hù)。

2.5大車運(yùn)行系統(tǒng)

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)載荷為典型的位移負(fù)載，由12臺(tái)YZPFE112M2-4-TH3KW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用日本安川CIMRHB4A0112變頻器傳動(dòng)，開(kāi)環(huán)控制。調(diào)速范圍為1:10，控制精度為0.5%，大車機(jī)構(gòu)原理圖如圖6所示。

圖6大車機(jī)構(gòu)原理圖

⑴速度要求：行走速度：1.6～16m/min；

⑵調(diào)速方式：由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開(kāi)關(guān)擋位來(lái)決定速度。正反各五擋，分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度。系統(tǒng)采用主令擋位開(kāi)關(guān)量輸入PLC，再由PLC開(kāi)關(guān)量輸出給變頻器，再根據(jù)變頻調(diào)速器的內(nèi)部設(shè)定,輸出相應(yīng)的速度,其速度擋可在變頻器內(nèi)部任意設(shè)定。

⑶運(yùn)行與制動(dòng)：本機(jī)構(gòu)設(shè)有4個(gè)電動(dòng)防風(fēng)鐵楔和1個(gè)風(fēng)速儀，當(dāng)防風(fēng)鐵楔退回且風(fēng)速不超過(guò)20米/秒時(shí)，大車機(jī)構(gòu)才可以正常啟動(dòng)。

各電機(jī)均設(shè)有熱過(guò)載保護(hù)。

2.6安全保護(hù)系統(tǒng)

⑴本門機(jī)設(shè)有綜合力矩保護(hù)裝置（儀表電源AC220V），主要起超載和超幅保護(hù)。起重量發(fā)送裝置裝于臂架頭部，幅度發(fā)送裝置安裝在臂架根部。當(dāng)實(shí)際起重量為額定起重量的90%時(shí)預(yù)報(bào)警，當(dāng)達(dá)到105%時(shí)切斷起升電源，限制起升并報(bào)警，能限制工作時(shí)的傾覆力矩不至超出起重特性曲線的允許值，最大幅度和最小幅度前都設(shè)有減速限位，同時(shí)在起升機(jī)構(gòu)卷筒軸上還設(shè)有一套機(jī)械高度限位裝置，它與綜合力矩保護(hù)裝置共同作用，起到了雙重保護(hù)的目的。另外本機(jī)還裝有LED顯示屏，用來(lái)顯示吊鉤的載荷。

⑵變幅機(jī)構(gòu)在卷筒軸上也設(shè)有一套機(jī)械幅度限位裝置，它與綜合力矩保護(hù)裝置共同作用，起到了雙重保護(hù)的目的。另外在臂架與人字架防后傾支撐架間裝有防后傾限位。

⑶門機(jī)人字架頂部設(shè)有風(fēng)速儀傳感器，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)20米/秒，自動(dòng)報(bào)警,并禁止大車運(yùn)行，同時(shí)使電動(dòng)防風(fēng)鐵楔自動(dòng)插入軌道，以防止大風(fēng)將起重機(jī)吹走。

⑷運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)有終點(diǎn)限位開(kāi)關(guān),限制起重機(jī)行走范圍,以防發(fā)生出軌事故。

⑸本機(jī)設(shè)有電鈴，在各機(jī)構(gòu)工作前，均鳴響電鈴。

⑹本機(jī)設(shè)有聲光警示器，在大車機(jī)構(gòu)工作時(shí)，均鳴響警示器。

⑺本機(jī)設(shè)有電動(dòng)防風(fēng)鐵楔，停機(jī)時(shí)可楔住軌道。防風(fēng)鐵楔上設(shè)有限位開(kāi)關(guān)，保證防風(fēng)鐵楔未開(kāi)啟時(shí)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)不能運(yùn)行。

⑻本機(jī)的機(jī)臺(tái)尾部還設(shè)有兩個(gè)防撞報(bào)警的超聲波開(kāi)關(guān)。

⑼本機(jī)設(shè)有兩個(gè)錨定裝置，在停機(jī)時(shí)需手動(dòng)錨定，以防事故發(fā)生。

3電氣系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)

3.1電氣系統(tǒng)控制部分的硬件設(shè)計(jì)

西門子S7-200系列PLC出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：極高的可靠性；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的內(nèi)置集成功能；實(shí)時(shí)特性；強(qiáng)勁的通訊能力，以及豐富的擴(kuò)展模塊。

基于S7-200PLC的以上優(yōu)點(diǎn)，本機(jī)采用S7-200PLC作為控制核心。整個(gè)PLC控制系統(tǒng)由一塊CPU226、三塊數(shù)字量輸入輸出模塊EM223、一塊數(shù)字量輸入模塊EM221以及三塊模擬量輸入輸出模塊EM235組成。其中CPU226為中央處理器，處理由外部輸入的各種信息。數(shù)字量輸入輸出模塊用來(lái)接收外部各種故障信號(hào)、各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、聯(lián)動(dòng)臺(tái)的輸入信號(hào)以及輸出各機(jī)構(gòu)的控制命令，以完成各運(yùn)行機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)、運(yùn)行，制動(dòng)。而模擬量模塊EM235主要接收各機(jī)構(gòu)的速度和電流信號(hào)，這些信號(hào)由PLC模塊處理后經(jīng)過(guò)MPI網(wǎng)傳輸至司機(jī)室觸摸屏，以便司機(jī)及時(shí)的了解本機(jī)的整個(gè)工作況。

3.2電氣控制部分的軟件設(shè)計(jì)

由于本門機(jī)采用西門子S7-200作為控制系統(tǒng)的核心，編程采用Step7Microwin4.0軟件，編程時(shí)，根據(jù)程序控制流程對(duì)電源、起升、變幅、回轉(zhuǎn)和行走各機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行編程，具體的程序控制流程如圖7所示.通過(guò)Winccflexible2008軟件對(duì)觸摸屏MP277進(jìn)行編程，以便對(duì)本機(jī)所有機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息實(shí)時(shí)監(jiān)控與處理。

圖7程序控制流程圖

4結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)、調(diào)試，我單位自主設(shè)計(jì)的電氣系統(tǒng)已成功運(yùn)用在新加坡船廠D3560K7門座式起重機(jī)上，如圖8所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試：整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，起動(dòng)、制動(dòng)沖擊小。受到業(yè)主的一致好評(píng)。

圖8整機(jī)圖

水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所起重機(jī)械運(yùn)輸事業(yè)部

姓名：趙仕兵