摘要：本文主要介紹了船廠D3560K7門座式起重機電氣系統的設計，詳細介紹了本電氣系統的傳動部分和控制部分的設計流程，經現場安裝調試后，該系統運行穩定，起制動平穩，受到業內好評。

1前言

由我單位自主研發設計的D3560K7門座式起重機安裝在新加坡船廠內，該起重機主要用在港口和碼頭裝卸貨物，也可用于船廠吊裝金屬結構件，或者用于這些場所的設備安裝工程及組裝場地的吊運工作。本機電氣系統采用目前國際上先進的“HMI+PLC+變頻器”控制方案，整機具有以下優點：

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

⑵起升機構、變幅機構、回轉機構和大車機構均采用變頻調速系統，調速性能好，運行平穩。該變頻器具有多種故障自診

圖1起重特性圖

斷及顯示報警功能，包括瞬時過電流保護、瞬時斷電失壓保護、接地保護、冷卻風機異常、超頻（超速）保護、接觸器粘結、缺相等。

⑶采用司機室聯動臺操作，并設有力矩限制器，該限制器能實時顯示起重量噸位及幅度位置，便于司機操作。

⑷可視化程度高，該電氣系統采用了目前先進的觸摸屏監控技術和起重機動畫模擬顯示技術，使整機具有良好的人機對話界面和高品質的信息處理功能。

⑸采用PLC作為電氣系統的控制核心，通過PLC輸入模塊來采集各種信號，運用PLC內部的虛擬觸點來實現整機的時序邏輯控制。

⑹完善的安全保護。本機除了具有常規電控系統所必需的短路、過流、欠流、欠壓等保護外，還具有力矩保護、荷重保護，高度保護和超速保護，增減幅限位保護，防吊鉤沖頂保護，以及由風速儀和防風鐵楔組成的防風保護裝置。

2電氣傳動系統的設計

本機的電氣傳動系統主要包括供電系統、起升系統、變幅系統、回轉系統、大車運行系統、安全保護系統。

2.1供電系統

電源回路原理圖如圖2所示，電源由機上平臺柴油發電機組供電或由外電源為AC415V，50HZ引入經電纜卷筒-E1～-E5，至筒身下部的電源切換箱內，再經中心導電裝置，引到機房內的低壓配電柜，經隔離刀開關Q100、斷路器QF100、總接觸器KM1送到各控制柜。柜內設有隔離刀開關和斷路器，刀開關能切斷門機的所有低壓設備電源,為安全檢修提供了一個明顯的斷開點；斷路器作短路保護，一般情況下不動作；通常只用總接觸器來通、斷總電源。斷路器附有分勵脫扣線圈，由司機室聯動臺上的急停按鈕或電源控制柜上的急停按鈕來控制，只有在總接觸器因某種原因無法正常切斷電源回路的緊急情況下，才偶然使用一下分勵脫扣裝置，起到緊急停車的作用。

低壓配電柜門上有電流表、電壓表及切換開關可測量三相電流、電壓。

圖2電源回路原理圖

2.2起升系統

起升機構載荷為典型的位能負載，由一臺YZPFM315M2-8-TH，110KW變

頻電機驅動，采用日本安川CIMR-HB4A0304變頻器傳動，閉環控制。起升機構

圖3起升機構原理圖

原理圖如圖3所示

⑴速度要求：輕載：載荷≤10t時，速度為1.25～25m/min；

重載：載荷＞10t時，速度為1.25～12.5m/min。

⑵速度給定：由力矩限制器的輸出點的狀態來判斷輕重載,并由聯動臺主令開關的擋位來決定速度。正反各五擋：輕載時分別為10%、50%、100%、150%、200%額定速度，其中前三擋為恒轉矩調速，第四、五擋為恒功率調速；重載時分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度，為恒轉矩調速。系統采用主令擋位開關量輸入,經軟件處理后,再由PLC模擬量輸入輸出模塊輸出電壓信號(最大DC10V)給變頻器。速度檔可在PLC內任意設定，以滿足使用要求。

⑶運行與制動：起升機構有兩套制動器，其中一套為工作制動器，一套為安全制動器。為確保起升機構的平穩制動，制動時工作制動器先行制動，隔1～2秒后安全制動器再制動。

2.3變幅系統

變幅機構載荷也為典型的位能負載，由一臺YZPFM315S-8-TH，75KW變頻電機驅動，采用日本安川CIMR-HB4A0260變頻器傳動，閉環控制，變幅機構原理圖如圖4所示。

圖4變幅機構原理圖

⑴速度要求：正常工況（最小幅度至最大幅度的區間）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：首先由聯動臺上的轉換開關來選擇“正常/特殊”工況，再由力矩限制器的輸出點的狀態來判斷是否帶載，最后由聯動臺主令開關的擋位來控制速度。正常工況下正反各五擋，分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度，帶載增幅時二至五擋速度減半；減速限位動作后只能低速運行。系統采用主令擋位開關量輸入,經軟件處理后,再由PLC模擬量輸入輸出模塊輸出電壓信號(最大DC10V)給變頻器。速度擋可在PLC內任意設定，以滿足調速要求。

⑶運行與制動：變幅機構有兩套制動器，其中一套為工作制動器，一套為安全制動器。為確保變幅機構的平穩制動，制動時工作制動器先行制動，隔1～2秒后安全制動器再制動。

2.4回轉系統

回轉機構載荷為典型的位移負載，由兩臺YZPF225S2-8-TH，22KW變頻電機驅動，采用日本安川CIMRHB4A0180變頻器傳動，開環控制。調速范圍為1:10，控制精度為0.5%，回轉機構原理圖如圖5所示。

圖5回轉機構原理圖

⑴速度要求：回轉速度：0.03～0.3r/min?；剞D角度：全回轉。

⑵速度給定：由聯動臺主令開關擋位來決定速度。正反各五擋，分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度。系統采用主令擋位開關量輸入PLC,經軟件處理后，再由PLC開關量輸出給變頻器，再根據變頻調速器的內部設定,輸出相應的速度,其速度擋可在變頻器內部任意設定。

⑶運行與制動：本機構抱閘采用常開方式，當聯動臺上制動按鈕或腳踏開關動作時，制動器得電抱閘，否則制動器失電松開。

各電機均設有熱過載保護。

2.5大車運行系統

大車運行機構載荷為典型的位移負載，由12臺YZPFE112M2-4-TH3KW變頻電機驅動，采用日本安川CIMRHB4A0112變頻器傳動，開環控制。調速范圍為1:10，控制精度為0.5%，大車機構原理圖如圖6所示。

圖6大車機構原理圖

⑴速度要求：行走速度：1.6～16m/min；

⑵調速方式：由聯動臺主令開關擋位來決定速度。正反各五擋，分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度。系統采用主令擋位開關量輸入PLC，再由PLC開關量輸出給變頻器，再根據變頻調速器的內部設定,輸出相應的速度,其速度擋可在變頻器內部任意設定。

⑶運行與制動：本機構設有4個電動防風鐵楔和1個風速儀，當防風鐵楔退回且風速不超過20米/秒時，大車機構才可以正常啟動。

各電機均設有熱過載保護。

2.6安全保護系統

⑴本門機設有綜合力矩保護裝置（儀表電源AC220V），主要起超載和超幅保護。起重量發送裝置裝于臂架頭部，幅度發送裝置安裝在臂架根部。當實際起重量為額定起重量的90%時預報警，當達到105%時切斷起升電源，限制起升并報警，能限制工作時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有減速限位，同時在起升機構卷筒軸上還設有一套機械高度限位裝置，它與綜合力矩保護裝置共同作用，起到了雙重保護的目的。另外本機還裝有LED顯示屏，用來顯示吊鉤的載荷。

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

⑶門機人字架頂部設有風速儀傳感器，當風速超過20米/秒，自動報警,并禁止大車運行，同時使電動防風鐵楔自動插入軌道，以防止大風將起重機吹走。

⑷運行機構設有終點限位開關,限制起重機行走范圍,以防發生出軌事故。

⑸本機設有電鈴，在各機構工作前，均鳴響電鈴。

⑹本機設有聲光警示器，在大車機構工作時，均鳴響警示器。

⑺本機設有電動防風鐵楔，停機時可楔住軌道。防風鐵楔上設有限位開關，保證防風鐵楔未開啟時大車運行機構不能運行。

⑻本機的機臺尾部還設有兩個防撞報警的超聲波開關。

⑼本機設有兩個錨定裝置，在停機時需手動錨定，以防事故發生。

3電氣系統控制部分的設計

3.1電氣系統控制部分的硬件設計

西門子S7-200系列PLC出色表現在以下幾個方面：極高的可靠性；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的內置集成功能；實時特性；強勁的通訊能力，以及豐富的擴展模塊。

基于S7-200PLC的以上優點，本機采用S7-200PLC作為控制核心。整個PLC控制系統由一塊CPU226、三塊數字量輸入輸出模塊EM223、一塊數字量輸入模塊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。數字量輸入輸出模塊用來接收外部各種故障信號、各機構的運行狀態信號、聯動臺的輸入信號以及輸出各機構的控制命令，以完成各運行機構的啟動、運行，制動。而模擬量模塊EM235主要接收各機構的速度和電流信號，這些信號由PLC模塊處理后經過MPI網傳輸至司機室觸摸屏，以便司機及時的了解本機的整個工作況。

3.2電氣控制部分的軟件設計

由于本門機采用西門子S7-200作為控制系統的核心，編程采用Step7Microwin4.0軟件，編程時，根據程序控制流程對電源、起升、變幅、回轉和行走各機構分別進行編程，具體的程序控制流程如圖7所示.通過Winccflexible2008軟件對觸摸屏MP277進行編程，以便對本機所有機構的運行狀態及故障信息實時監控與處理。

圖7程序控制流程圖

4結束語

經過長時間的研發、調試，我單位自主設計的電氣系統已成功運用在新加坡船廠D3560K7門座式起重機上，如圖8所示。經現場測試：整機運行平穩，起動、制動沖擊小。受到業主的一致好評。

圖8整機圖

水利部杭州機械設計研究所起重機械運輸事業部

姓名：趙仕兵