卸船機教學模型電氣控制程序設計
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摘要:橋式抓斗卸船機目前已經成為散貨碼頭接卸鐵礦石、煤炭等大宗散貨的主力港機。隨著裝機數量的不斷增加，港口企業對卸船機司機和卸船機維保技術人員的需求也逐步增大。本文從卸船機控制基本原理出發，完整設計一套卸船機電控程序，同時應用到1∶40的卸船機模型當中，實現人員培訓、企業展示、研發平臺等多種功能。
一、控制系統硬件部分
為貼合卸船機本身電控系統結構，模型采用與卸船機電控系統相同的主控PLC型號及配套輸入輸出模塊、通信功能。使用ABB公司AC800M系列主控PLC，利用以太網端口進行編程操作。通過Profibus通信方式實現與各分站模塊CI801以及輸入輸出模塊DI801、DO802等功能硬件的通信功能。動力部分采用24VDC電機，配合直流調速器進行機構驅動功能。并采用干簧管開關、接近開關、微動開關等各類限位開關實現保護和位置檢測功能。
二、主要機構功能
卸船機控制分為起升、開閉、小車、大車等機構運行控制。手動指令由左右機構操作手柄發出，驅動不同電機進行機構動作。控制程序首要解決的問題是驅動電機的同時判斷機構運行的位置和狀態。由于驅動電機尺寸和成本考慮，結合模型機構運動所需的控制精度，控制程序采用計時器加限位來實現機構狀態的判斷功能。即對關鍵位置設置限位進行狀態修正，其他情況通過電機速度和運行時間來計算設備狀態。以抓斗高度S為例:S=k1*(t1-t3)+k2*(t2-t4)+bt1=上升速度1運行時間t2=上升速度2運行時間。t3=下降速度1運行時間t4=下降速度2運行時間。k1、k2、b為調整合適的比例值及常數。其他機構計算方式與上述計算方式相同或更為簡單(只有一種速度):對于抓斗的限位設置，主要使用干簧管開關配合抓斗上安裝的磁鐵，進行關鍵位置的狀態重置，如抓斗起始位，船艙上方，抓斗前極限。同時結合抓斗起升、開閉電機的運行時間，對抓斗起升上限、起升下限、開斗極限、閉斗極限等抓斗極限狀態進行限制，防止出現抓斗繩過松或者抓斗沖頂、觸底事故。對于大車的限位設置，主要是軌道兩側極限位置的接近開關，通過檢測大車兩側行走輪進行安全限制，防止設備出軌。同時結合大車走行電機的運行時間，對大車位置進行計算，根據倉口位置，選擇合適的大車停車、作業位置。其他的輔助機構，如司機室走行、接料板起放等，均使用微動開關進行安全保護和位置確認。機構狀態確認后，可以進行機構運行。機構運行邏輯如下圖:當一種操作模式選中后，鎖定另一種操作模式的指令輸出;再判斷是否起升開閉聯動狀態后，再決定輸出速度。當前模式下無起升上升或下降指令，則程序結束。機構無動作。其他機構動作方式與起升動作方式相同或更為簡單(無聯動模式)。
三、自動運行功能
(一)自動作業程序當自動模式選中并啟動后，PLC程序將自動控制卸船機進行各機構動作，展示一臺卸船機從冷備用狀態開始執行的各種指令(電梯上升，大臂放下，司機室移動，大車移動，循環抓料等)，從而達到自動展示一臺卸船機作業的狀態和各機構動作情況的功能。其運行邏輯如上圖所示:自動模式啟動后，首先判斷卸船機俯仰角度是否為0°。若不是0°則自動進行俯仰下降操作，俯仰角度小于等于0°時停止。當俯仰角度滿足條件后，判斷上機電梯是否位于4層，不滿足則運行電梯;當電梯層級滿足條件后，判斷司機室是否位于倉口上方，不滿足則移動司機室向海側運行;當司機室位置滿足條件后，判斷大車位置是否滿足條件，不滿足則向前行進大車，當大車位置到達設定作業倉口后，繼續判斷接料板狀態，不滿足則自動放下接料板。當卸船機的輔助機構，即俯仰、大車、接料板、司機室等設備的狀態符合運行條件后，就可以根據抓斗狀態，來進行自動抓料程序。正常情況下，抓斗應位于初始位，即抓斗位于格柵上方，且抓斗處于打開狀態。如果抓斗狀態不滿足初始狀態，則不能進行自動抓料程序。需要手動對抓斗位置進行調整，這是為了保護抓斗繩和設備，防止抓斗觸底或者碰觸接料板。當抓斗位于格柵上方時，判斷抓斗是否打開，未打開則自動將抓斗完全打開。同時小車向海側行進，當小車位置超過接料板伸出的安全距離后，抓斗可以進行下降動作，同時小車繼續向海側行進。小車、起升機構聯動運行時，任意機構狀態達到設定值后，即可單獨停止運行。當小車、起升均達到設定位置，即抓斗進入船艙內部料面上方，就可以進行抓料即閉斗操作，抓斗完全閉合后，執行抓斗返回動作。首先抓斗提升，高度超過倉口后小車開始向陸側行進，當抓斗返回格柵上方后，抓斗打開放料。一個抓料流程完成，根據自動模式是否激活，程序可以執行下一輪抓料流程或者停止運行。
(二)自動復位程序自動復位程序作為自動程序的補充部分，其功能為:當自動模式選中、自動復位程序啟動時，卸船機可以以任意作業狀態開始自動執行復位至冷備用狀態(大車位于后停止，俯仰抬起，抓斗位于起始位，司機室位于停止位，接料板抬起等)。復位功能運行邏輯如上圖所示:與自動運行功能類似，當卸船機處于任意作業狀態時，均執行抓斗打開、抓斗提升、小車陸側行進的動作，使抓斗返回格柵上方。當抓斗達到格柵上方后，抓斗下降一定高度，將抓斗放置在格柵上方。同時將輔助機構執行返回動作。
四、結語
卸船機模型制作實際上是相當復雜和煩瑣的過程。其主要難度集中在機械設計和制作上。電氣控制設計作為機械設計的補充，實現機構運行和限位控制。作為司機、技術人員教學和實驗平臺，卸船機教學模型比起傳統現場教學更加安全，也更加直觀。在企業對外展示中，也起到了更加直觀的效果。
參考文獻:
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［4］郭東方．關于橋式抓斗卸船機抓斗超載限制探討．科技風，2016，5．
作者：郭東方 單位：曹妃甸港礦石碼頭股份有限公司