新型抓斗与翻转集装箱多功能卸船机电气设计

罗佩玉

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

0 引言

国内外大多数散货码头都配备有卸船机，装船机等多种独立的装卸散货机种设备，卸船机码头作业模式是通过桥式卸船机的抓斗把船舱里的散货卸到卸船机大料斗（或移动漏斗），再通过地面输送带（或重型卡车）将散货运送到后方堆场，装船机码头作业模式是通过地面输送带将堆场里的散货输送到装船机，再通过伸缩溜筒把散货装到船舱里，同时需要2 种机型实现散货的装卸，这样的配置建设需要更多的资源，设备利用率低下，也增加了码头的基建投资。故迫切需要一种起重机设备来实现装卸散货一起作业的多功能。针对此类用户和码头，文中介绍了某港口散货码头的多功能卸船机项目，以此来分析电气设计方案。该项目以岸边集装箱起重机的总体结构和驱动机构为设计基础，采用液压抓斗与翻转吊具相结合的设计方案实现装卸一体化的功能，能高效地完成散货的装卸作业。

1 多功能卸船机结构

多功能卸船机（以下简称卸船机）作为一种大型多功能散货码头装卸起重机设备，主要动作机构有起升机构、小车机构、俯仰机构、大车机构、移动漏斗机构、吊具上架机构、翻转吊具/液压抓斗等。抓斗模式下总载荷量为75 t，集装箱模式下总载荷量为44 t，额定载荷起升速度1.25 m/s，空载起升速度2.5 m/s，小车速度2.5 m/s，大车速度0.83 m/s，俯仰上升时间为5 min，轨距24.5 m，总宽度27 m，外伸距44 m，后伸距24 m，轨道面以上起升高度22 m，轨道面以下为18 m，总起升高度40 m，电控部分采用ABB 变频ACS880 驱动和西门子PLC SIMATIC S-1500F 控制，总体结构如图1所示。

图1 多功能卸船机总图

2 多功能卸船机工况原理

卸船机的作业工况分为装船过程和卸船过程2部分。

1）装船过程 司机在操作台选择吊具操作模式，起吊码头上装满散货物料的360°翻转的集装箱，集装箱上升到工作模式最高点，再运行小车将集装箱吊到船舱指定位置，操作集装箱翻转按钮，翻转到合适的倾斜角度把货物到进船舱，完成一个装船操作过程。

2）卸船过程 司机在操作台选择抓斗操作模式，打开电动液压抓斗在船舱里抓料，抓料结束后闭合抓斗并起升，让抓斗上升到工作模式最高点，运行小车到码头，抓斗打开，卸载抓斗里的散货物料到码头的移动漏斗，再将散货物料运送到后方堆场，完成一个卸船操作过程。

3 卸船机电气控制方案的设计

3.1 卸船机高低压供电电源选型设计

该卸船机采用13.8 kV/60 Hz/3 PH 高压电源，该高压电源通过码头高压电缆和卸船机上的高压电缆输送到卸船机上的高压开关柜的进线柜MH.1，高压开关柜出线柜MH.2 供电到高压主驱动整流变压器，将13.8 kV/60 Hz/3 PH 高压变成低压500 VAC/60 Hz/3 PH，供给主机构起升、小车、俯仰、大车的变频驱动器电源，高压开关柜MH.3 供电到高压辅助变压器，将13.8 kV/60 Hz/3 PH 高压变成低压400/230 VAC/60 Hz/3 PH供给卸船机辅助机构，应急机构和照明电源。根据主机构的马达功率和辅助机构的功率选型计算，选定驱动整流变压器容量为1 250 kVA、13.8 kVC/500 VAC、60 Hz、D/yn11，辅助电力变压器容量为：315 kVA、13.8 kVC/400 VAC、60 Hz、D/yn11。

3.2 卸船机主机构变频驱动器的选型设计

该卸船机起升变频电动机基本参数为405 kW、500 VAC、60 Hz、S1，2 台。小车变频电动机基本参数为175 kW、500 VAC、60H z、S1，1 台。俯仰变频电动机基本参数为200 kW、500 VAC、60Hz、S2，1 台。大车变频电动机基本参数为12 kW、500 VAC、60Hz、S2，32 台。在设计时采用ABB 最先进的变频驱动控制方案，根据这些机构的电动机功率和发热量，设计选型变频驱动器的整流单元ISU 型号为ACS880-207-2120A-5。逆变器单元采用4 台逆变器驱动各机构变频电动机，其中主起升电动机1 号和大车电动机1 号～31 号（奇数号电动机）采用一台逆变器控制，选型为ACS880-107-1150A-5；主起升电动机2 号和大车电动机2 号～32 号（偶数号电动机）采用一台逆变器，选型为ACS880-107-1150A-5；小车电动机采用一台逆变器控制，选型为ACS880-107-0590A-5；俯仰电动机采用一台逆变器控制，选型为ACS880-107-0590A-5。主驱动机构电气控制方案单线如图2所示。

图2 主驱动机构电气单线图

3.3 多功能卸船机整机PLC 通讯系统的设计

该卸船机的电气控制系统PLC 采用西门子SIMATIC S-1500F 系列，通讯协议主要采用Profinet 和Ethernet 通讯协议，其中电气房里总站CPU 到电气房内部分站之间的通讯采用Profinet 通讯，从电气房总站CPU 到司机室，俯仰室，大车模块站，大车操作站这些远程分站采用多模光缆Profinet 通讯协议，具体通讯如图3所示。

图3 整机PROFINET 通讯协议图

CMS、RCMS 和防摇系统采用Ethernet 以太网通讯协议(见图4)。

图4 整机Ethernet 以太网通讯协议图

3.4 卸船机翻转集装箱和液压抓斗互换功能设计

3.4.1 吊具上架机构及电气控制设计

吊具上架采用常规上架，转销采用ISO 浮动转销，上架开闭锁油泵电动机采用1.5 kW/400 VAC/60 Hz 电动机驱动，上架自动插拔电动机采用3 kW/400 VAC/60 Hz电动机驱动，电动插头可以在翻转吊具和抓斗过渡架实现自动插拔。

电气控制设计方案为：

1）上架配置松绳限位、连接闭锁限位、连接开锁限位、顶销限位、自动插拔连接限位、自动插拔脱开限位。上架与翻转吊具处于连接状态，即主控PLC 收到上架连接信号前提下，才可以做自动插拔连接或脱开动作。当自动插拔插头连接后，触动自动插拔连接限位，发送一个自动插拔连接信号和插头连接信号给主控PLC，当自动插拔插头断开后，触动自动插拔断开限位，发送一个自动插拔脱开插头断开信号与给主控PLC。在主控PLC 收到上架顶销信号状态下，才可以做上架开闭锁动作。符合开闭锁动作条件时，司机按下操作台上架闭锁指令开关，上架旋锁转动90°，直到闭锁限位触发，动作停止；此时检测闭锁限位，全部触发则发送闭锁信号。符合开锁动作条件时，司机按下操作台上架开锁指令开关，上架旋锁反向转动90°，直到开锁限位触发，动作停止；此时检测开锁限位，全部触发则发送开锁信号。

2）电气插头设计自动插拔功能，上架与翻转吊具处于连接状态，即主控PLC 收到上架连接信号前提下，才可以做自动插拔连接或脱开动作。吊具上架与吊具符合自动插拔连接动作条件时，司机按下操作台自动插拔连接指令开关，减速电动机通过丝杆驱动浮动插头机构向下运动，压缩弹簧被压缩到一定距离，插头插座对接过程中，首先收到插头连接信号，然后收到自动插拔连接限位信号，2 个信号都收到，认为自动插拔完成连，此时减速电动机立即停止，连接完成。

3）电气插头设计自动插拔断开功能，符合自动插拔断开动作条件时，司机按下操作台自动插拔断开指令开关，减速电动机通过丝杆驱动浮动插头机构向上运动，压缩弹簧被完全释放，插头的插针与插座的插孔断开，感应到上停止限位，减速电动机立即停止，断开完成。

3.4.2 翻转吊具机构及电气控制设计

翻转吊具可以实现360°翻转，规格采用6 058×2 438×2 000 开顶箱，设计方案中采用2 台11 kW 油泵电动机同时工作，翻转装置采用液压回转装置驱动，转销形式采用ISO 浮动转销，靠液压缸驱动，提升机构采用液压缸驱动，导向杆做导向运动，箱盖转销采用ISO 转销，液压缸驱动。具体工作运动工况如表1所示。

表1 具体工作运动工况

电气控制设计方案为

1）吊具设计翻转功能，吊具在吊起翻转集装箱后，司机按下吊具前翻指令开关，吊具内框架带着集装箱做对应方向旋转动作，直到旋转360°。在翻转过程中，如果司机将吊具翻转指令开关打至中间关闭状态，则翻转吊具停止翻转，直至重新按下吊具翻转指令开关，吊具继续翻转。吊具内框架在零位停止后，吊具翻转指令失效，需重新将开关打至中间关闭状态后，再将开关打至吊具翻转指令，吊具重新进行翻转动作，否则吊具保持零位状态。

2）吊具设计开闭锁功能（回转架转销机构），符合闭锁动作条件时，司机按下吊具闭锁指令开关，吊具旋锁转动90°，直到全部闭锁限位触发，动作完成。符合开锁动作条件时，司机按下吊具开锁指令开关，吊具旋锁反向转动90°，直到全部开锁限位触发，吊具停止开锁动作，动作完成。

3）箱盖设计提升功能，符合箱盖提升动作上条件时，司机按下提升机构上指令，提升液压缸缩带动提升框架向上动作，直到提升机构上限位全部触发，液压缸停止动作，提升机构上动作完成。符合箱盖提升下动作条件时，司机按下提升机构下指令，提升液压缸伸带动提升框架向下动作，直到箱盖转销机构中顶销限位全部触发，液压缸停止动作，提升机构下动作完成。符合箱盖转销闭锁动作条件时，司机按下箱盖转销闭锁指令，转销机构动作，带动转销转动90°，直到全部闭锁限位触发，该动作完成。

4）箱盖转销闭锁功能设计，符合箱盖转销闭锁动作条件时，司机按下箱盖转销闭锁指令，转销机构动作，带动转销转动90°，直到全部闭锁限位触发，该动作完成（闭锁电磁阀不关断，闭锁期间闭锁电磁阀常得电）

5）箱盖转销开锁功能设计，箱盖转销开锁动作条件时，司机按下箱盖转销开锁指令，转销机构动作，带动转销转动90°，直到全部闭锁限位触发，机构停止开锁动作，该动作完成。

3.4.3 翻转吊具机构及电气控制设计液压抓斗机构及电气控制设计

液压抓斗机构采用1 台55 kW 的油泵电动机驱动，2 只电磁阀Y1 和Y2 切换控制油路来实现抓斗开闭斗工作。

电气控制设计方案为：司机室操作台上设液压抓斗开斗、闭斗、油泵启动、油泵停止等按钮，首先按油泵启动按钮，启动55 kW 油泵电动机，需要闭合抓斗抓料时按闭斗按钮，PLC 接受到闭斗命令后输出一个信号给闭斗电磁阀，控制闭斗油路让抓斗闭合。需要开斗放料时按开斗按钮，PLC 接受到开斗命令后，输出一个信号给开斗电磁阀，控制开斗油路让抓斗打开。抓斗长时间不工作时，液压抓斗的开闭斗功能是由2 个电磁阀控制，按油泵停止按钮结束工作。液压抓斗电气控制原理如图5所示。

图5 液压抓斗电气控制原理图

3.4.4 翻转吊具和液压抓斗互换功能电气控制设计

选用54×2.5 m2的吊具电缆，该电缆采用储缆框形式从小车架垂缆到吊具上架，跟随吊具同步升降运动，吊具电缆进吊具上架接线箱的一端配置54 芯的HARTING 吊具专用的母插头，吊具上架接线箱配置54芯的HARTING 吊具专用公插座，插头插座相互对接提供吊具上架，翻转吊具和液压抓斗机构动力电源和控制电源，54 芯电缆芯数具体分配为：上架接线箱引出42×2.5 电缆接到抓斗插头，其中36 芯供抓斗液压泵电机提供动力电源，3 芯接地，3 芯供电磁阀电源，液压抓斗过渡架配相对应的插座，以便与抓斗插头对接，抓斗回插插座信号采用1×2.5 电缆。

上架接线箱引出26×2.5 电缆给翻转吊具插头，其中18 芯供翻转吊具油泵电源，2 芯供翻转吊具控制总电源，3 芯供翻转吊具连接信号，2 芯供翻转吊具CANBus 通讯信号。翻转吊具本体配相对应的插座，与翻转吊具插头对接。翻转吊具回插插座信号采用1×2.5电缆。

在液压抓斗和翻转吊具互相切换时，司机室操作台有吊具/抓斗模式切换按钮，当选择吊具模式时，表示翻转吊具在作业状态，上架下挂的是翻转吊具，此时反馈一个吊具连接信号给PLC，抓斗插头回插到上架抓斗回插插座后固定，并反馈给PLC 一个抓斗插头回插信号，PLC 自动识别出抓斗不在作业状态。在翻转吊具模式下，需要满足3 个条件：选择开关在吊具模式，PLC收到吊具插头连接信号和抓斗插座回插信号；当选择抓斗模式时，表示在抓斗在作业状态，上架下挂的是液压抓斗，吊具插头回插到上架吊具回插插座后固定，并反馈给PLC 一个吊具插头回插信号，PLC 自动识别出吊具不在作业状态，在液压抓斗模式下，需要满足选择开关在抓斗模式和PLC 收到吊具插座回插信号2 个条件。翻转吊具/抓斗专用电气插头插座切换图如图6所示。

图6 翻转吊具/抓斗专用电气插头插座切换图

4 结语

该新型抓斗与翻转集装箱多功能卸船机是集装卸功能于一体的大型岸边起重机设备，设备的投产大大地提高了散货物料装卸效率和设备利用率，市场应用前景广阔，是散货码头重要的多功能起重机设备。