卸船机教学模型电气控制程序设计

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摘要:桥式抓斗卸船机目前已经成为散货码头接卸铁矿石、煤炭等大宗散货的主力港机。随着装机数量的不断增加，港口企业对卸船机司机和卸船机维保技术人员的需求也逐步增大。本文从卸船机控制基本原理出发，完整设计一套卸船机电控程序，同时应用到1∶40的卸船机模型当中，实现人员培训、企业展示、研发平台等多种功能。

关键词:港口;电气设备;卸船机;PLC;教学模型

一、控制系统硬件部分

为贴合卸船机本身电控系统结构，模型采用与卸船机电控系统相同的主控PLC型号及配套输入输出模块、通信功能。使用ABB公司AC800M系列主控PLC，利用以太网端口进行编程操作。通过Profibus通信方式实现与各分站模块CI801以及输入输出模块DI801、DO802等功能硬件的通信功能。动力部分采用24VDC电机，配合直流调速器进行机构驱动功能。并采用干簧管开关、接近开关、微动开关等各类限位开关实现保护和位置检测功能。

二、主要机构功能

卸船机控制分为起升、开闭、小车、大车等机构运行控制。手动指令由左右机构操作手柄发出，驱动不同电机进行机构动作。控制程序首要解决的问题是驱动电机的同时判断机构运行的位置和状态。由于驱动电机尺寸和成本考虑，结合模型机构运动所需的控制精度，控制程序采用计时器加限位来实现机构状态的判断功能。即对关键位置设置限位进行状态修正，其他情况通过电机速度和运行时间来计算设备状态。以抓斗高度S为例:S=k1*(t1-t3)+k2*(t2-t4)+bt1=上升速度1运行时间t2=上升速度2运行时间。t3=下降速度1运行时间t4=下降速度2运行时间。k1、k2、b为调整合适的比例值及常数。其他机构计算方式与上述计算方式相同或更为简单(只有一种速度):对于抓斗的限位设置，主要使用干簧管开关配合抓斗上安装的磁铁，进行关键位置的状态重置，如抓斗起始位，船舱上方，抓斗前极限。同时结合抓斗起升、开闭电机的运行时间，对抓斗起升上限、起升下限、开斗极限、闭斗极限等抓斗极限状态进行限制，防止出现抓斗绳过松或者抓斗冲顶、触底事故。对于大车的限位设置，主要是轨道两侧极限位置的接近开关，通过检测大车两侧行走轮进行安全限制，防止设备出轨。同时结合大车走行电机的运行时间，对大车位置进行计算，根据仓口位置，选择合适的大车停车、作业位置。其他的辅助机构，如司机室走行、接料板起放等，均使用微动开关进行安全保护和位置确认。机构状态确认后，可以进行机构运行。机构运行逻辑如下图:当一种操作模式选中后，锁定另一种操作模式的指令输出;再判断是否起升开闭联动状态后，再决定输出速度。当前模式下无起升上升或下降指令，则程序结束。机构无动作。其他机构动作方式与起升动作方式相同或更为简单(无联动模式)。

三、自动运行功能

(一)自动作业程序当自动模式选中并启动后，PLC程序将自动控制卸船机进行各机构动作，展示一台卸船机从冷备用状态开始执行的各种指令(电梯上升，大臂放下，司机室移动，大车移动，循环抓料等)，从而达到自动展示一台卸船机作业的状态和各机构动作情况的功能。其运行逻辑如上图所示:自动模式启动后，首先判断卸船机俯仰角度是否为0°。若不是0°则自动进行俯仰下降操作，俯仰角度小于等于0°时停止。当俯仰角度满足条件后，判断上机电梯是否位于4层，不满足则运行电梯;当电梯层级满足条件后，判断司机室是否位于仓口上方，不满足则移动司机室向海侧运行;当司机室位置满足条件后，判断大车位置是否满足条件，不满足则向前行进大车，当大车位置到达设定作业仓口后，继续判断接料板状态，不满足则自动放下接料板。当卸船机的辅助机构，即俯仰、大车、接料板、司机室等设备的状态符合运行条件后，就可以根据抓斗状态，来进行自动抓料程序。正常情况下，抓斗应位于初始位，即抓斗位于格栅上方，且抓斗处于打开状态。如果抓斗状态不满足初始状态，则不能进行自动抓料程序。需要手动对抓斗位置进行调整，这是为了保护抓斗绳和设备，防止抓斗触底或者碰触接料板。当抓斗位于格栅上方时，判断抓斗是否打开，未打开则自动将抓斗完全打开。同时小车向海侧行进，当小车位置超过接料板伸出的安全距离后，抓斗可以进行下降动作，同时小车继续向海侧行进。小车、起升机构联动运行时，任意机构状态达到设定值后，即可单独停止运行。当小车、起升均达到设定位置，即抓斗进入船舱内部料面上方，就可以进行抓料即闭斗操作，抓斗完全闭合后，执行抓斗返回动作。首先抓斗提升，高度超过仓口后小车开始向陆侧行进，当抓斗返回格栅上方后，抓斗打开放料。一个抓料流程完成，根据自动模式是否激活，程序可以执行下一轮抓料流程或者停止运行。

(二)自动复位程序自动复位程序作为自动程序的补充部分，其功能为:当自动模式选中、自动复位程序启动时，卸船机可以以任意作业状态开始自动执行复位至冷备用状态(大车位于后停止，俯仰抬起，抓斗位于起始位，司机室位于停止位，接料板抬起等)。复位功能运行逻辑如上图所示:与自动运行功能类似，当卸船机处于任意作业状态时，均执行抓斗打开、抓斗提升、小车陆侧行进的动作，使抓斗返回格栅上方。当抓斗达到格栅上方后，抓斗下降一定高度，将抓斗放置在格栅上方。同时将辅助机构执行返回动作。

四、结语

卸船机模型制作实际上是相当复杂和烦琐的过程。其主要难度集中在机械设计和制作上。电气控制设计作为机械设计的补充，实现机构运行和限位控制。作为司机、技术人员教学和实验平台，卸船机教学模型比起传统现场教学更加安全，也更加直观。在企业对外展示中，也起到了更加直观的效果。

参考文献:

［1］王建力．大型桥式抓斗卸船机托绳小车系统的研究．科技风，2018，04．

［2］吝涛．探究港口电气自动化PLC的现状与应用．数字通信世界，2018，04．

［3］刘胜林．解析BIM技术在港口电气设计中的应用．数字通信世界，2018，04．

［4］郭东方．关于桥式抓斗卸船机抓斗超载限制探讨．科技风，2016，5．

作者：郭东方 单位：曹妃甸港矿石码头股份有限公司