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      港口起重機系統(tǒng)起升部分的編程與設(shè)計

      2022-07-06 13:29:12
      港口裝卸 2022年3期
      關(guān)鍵詞:程序段制動器鋼絲繩

      韋 俊

      北部灣港欽州碼頭有限公司

      1 引言

      目前,港口起重設(shè)備自動化程度越來越高,可編程序控制器PLC結(jié)合變頻器在港機上大量應(yīng)用,使得港口起重機的裝卸效率大大提高。港口起重機作為港口貨物轉(zhuǎn)移的重要機械,極大減輕了工人的勞動強度,但是設(shè)備自身存在的安全隱患對工人的人身安全傷害也不容忽視。起重機不僅包括其結(jié)構(gòu)上的設(shè)計安全,其系統(tǒng)軟件的設(shè)計對整機的安全同樣至關(guān)重要。

      在對起升機構(gòu)的軟件進行設(shè)計時,其重難點在于抓斗工況。在該工況下,起升機構(gòu)采用兩套機構(gòu),即開閉機構(gòu)和支持機構(gòu),相互配合,實現(xiàn)對抓斗開合和升降的控制[1]。以下重點探討在抓斗工況下港口起重機起升部分的軟件編程。

      2 起升機構(gòu)零位條件保護

      起升主令處于0檔位時,啟動設(shè)備,各機構(gòu)變頻器上電,并通過程序能有效自鎖起升零位條件,PLC方能掃描起升的控制程序,并運行變頻器使機構(gòu)的動作。起升主令不處于0檔位時,啟動設(shè)備,則PLC拒絕掃描起升控制程序,從而在軟件上實現(xiàn)對機構(gòu)的保護(見圖1)。圖1程序段23中,當起升處于0擋位時,常開點H_in[30]通,同時支持零位、開閉零位得電,使得線圈H_tp[22]得電并自鎖,其在程序段24中的常閉點斷,系統(tǒng)將對程序段24以上的程序進行掃描,程序段25中的支持上升命令將發(fā)給變頻器。如果手柄不處于0擋位,則程序段24中的常閉點H_tp[22]通,那么系統(tǒng)將掃描至程序段24結(jié)束。該程序可避免手柄處于0擋位之外啟動設(shè)備,設(shè)備直接運行的情況,起到零位保護的目的。

      圖1 起升零位條件保護

      3 手動抓斗工況

      手動抓斗工況指手動操作抓斗進行貨物抓取時,抓斗的開合大小由司機決定。

      3.1 抓斗工作流程

      開閉電機正向運行,其鋼絲繩上升,支持電機根據(jù)實際情況,正向或反向運行,抓斗實現(xiàn)合斗。合斗完成后,由閉斗階段轉(zhuǎn)慢速上升階段,并在慢速階段進行鋼絲繩受力平衡調(diào)整即速度調(diào)整,完成鋼絲繩受力平衡后立即進入高速運行階段[2]。

      在慢速運行階段,系統(tǒng)對開閉電機降速,最終達到鋼絲繩受力相對平衡,此過程稱為追繩階段。

      在高速運行階段,系統(tǒng)持續(xù)檢測支持電機、開閉電機的電流,實時計算電流差是否超出所設(shè)置的范圍,若超出,表明某機構(gòu)受力過大,系統(tǒng)會及時對受力過大的機構(gòu)進行速度調(diào)整,確保不會出現(xiàn)再次開斗或者支持繩松弛的情況。

      3.2 支持電機的控制

      手動抓斗工況下存在以下特點。

      (1)制動器閉鎖時,抓斗下沉的距離有限,抓斗無法有效地進行深挖作業(yè),出現(xiàn)抓不到貨物的情況。

      (2)制動器打開,支持電機處于自由狀態(tài),抓斗可實現(xiàn)深挖,但在抓斗閉斗結(jié)束的瞬間,支持繩可能過于松弛,后期操作可能會導(dǎo)致鋼絲繩相互纏繞,嚴重的導(dǎo)致鋼絲繩繃出滑輪的事故。

      (3)制動器打開,支持電機處于上升運行狀態(tài),抓斗無法實現(xiàn)深挖作業(yè),導(dǎo)致抓斗無法抓到貨物。

      (4)制動器打開,支持電機處于下降運行狀態(tài),可實現(xiàn)深挖,但容易發(fā)生鋼絲繩相互纏繞的問題。

      為解決以上問題,在抓取貨物的過程中,支持電機的控制方式由速度控制切換為轉(zhuǎn)矩控制,同時對其進行速度限制(見圖2)。通過轉(zhuǎn)矩模式的切換,實現(xiàn)對電機扭矩的控制,給電機施加的扭矩只能克服鋼絲繩的重力上升,但無法拉動抓斗上升,從而保證抓斗抓取貨物的過程中,支持鋼絲繩不會出現(xiàn)過度松弛的現(xiàn)象,避免鋼絲繩相互纏繞的問題,同時可避免追繩時間過長影響效率的問題。

      圖2 支持機力矩切換程序段

      圖2程序段2中的常開點H_tp[06]抓斗閉斗指令通,進行閉斗操作,力矩切換線圈CW1_H1[08]得電,將變頻器由速度控制切換為轉(zhuǎn)矩控制,同時,變頻器通過力矩參考R02500得到力矩大小為60,實現(xiàn)對支持機的力矩給定及控制。

      3.3 追繩過程中的鋼絲繩力矩平衡

      理論上的力矩完全平衡,會必然出現(xiàn)抓斗開斗的情況。因此在追繩過程中,開閉電機電流需略大于支持電機電流,而非相等,才能保持支持鋼絲繩受力略小于開閉鋼絲繩,并維持這個狀態(tài)提升貨物,從而避免抓斗再次開斗的問題。因此整個提升過程中,必須對支持機構(gòu)和開閉機構(gòu)的電流進行實時監(jiān)測,實時進行速度的調(diào)整。

      3.4 平衡過程中的抗干擾問題

      由于抓斗提升貨物過程中,可能出現(xiàn)雙機速度的變化不同步,導(dǎo)致支持機或者開閉機其中某一機構(gòu)受力過大,造成力矩差出現(xiàn)波動,波動在允許的范圍時,并未造成抓斗開斗或合斗,不需要對雙機速度進行調(diào)整。力矩平衡過程中的干擾來源于起升機構(gòu)中的電機速度變化,主要原因有:

      (1)制動器剎車片調(diào)整過緊,制動盤與剎車片存在摩擦,在一定程度上會影響機構(gòu)的速度降低,引起力矩不平衡,導(dǎo)致系統(tǒng)反復(fù)對速度進行調(diào)整。

      (2)司機操作原因。抓斗抓取貨物提升過程中的同時,司機操作回轉(zhuǎn)、變幅機構(gòu)同時運行,由于慣性,會引發(fā)了電機電流的變化導(dǎo)致力矩不再平衡,系統(tǒng)反復(fù)對速度進行調(diào)整,影響裝卸效率為解決干擾問題,系統(tǒng)在允許的范圍內(nèi),適當選擇抗干擾的區(qū)間[3]。通過力矩平衡抗干擾區(qū)間程序段(見圖3),可以得出:當力矩差大于300 Nm時,M00902線圈得電,雙機受力不平衡,系統(tǒng)開始調(diào)用追繩程序開始平衡鋼絲繩受力。當力矩差小于300 Nm后,M00902線圈失電,其常閉觸點在程序段8中接通。隨著鋼絲繩繼續(xù)平衡,力矩差小于100 Nm,程序段7中的M00900線圈得電,其常開點M00900在段8中接通,使得M00901線圈得電,達到雙機力矩平衡。根據(jù)程序可得出,可以得到當100 Nm<力矩差<300 Nm時,系統(tǒng)不調(diào)用追繩程序?qū)﹄p機速度作調(diào)整,保持高速提升,可避免調(diào)整過于頻繁造成貨物提升過程的不穩(wěn)定,提高貨物的裝卸效率。該平衡自鎖狀態(tài),直至在隨后的開斗中或力矩差大于300 Nm之后被解除。

      圖3 力矩平衡抗干擾區(qū)間程序段

      4 自動抓斗工況

      4.1 自動抓斗

      自動控制抓斗的其核心是支持機構(gòu)、開閉機構(gòu)引入增量型編碼器,并通過反饋的編碼器脈沖,實時檢測支持機構(gòu)和開閉機構(gòu)的位置,以及閉斗狀態(tài)時的位置差,即繩差。

      通過標志位的控制實現(xiàn)抓斗開合程度以及開合速度在一定范圍內(nèi)由系統(tǒng)軟件控制,抓斗閉合到所設(shè)定位置之后,即使司機依然操作機械處于閉斗狀態(tài),系統(tǒng)自動忽略司機的操作,隨后自動完成提升及追繩過程從而進入高速運行狀態(tài)(見圖4)。

      圖4 系統(tǒng)內(nèi)部強制減速程序段

      自動抓斗工況作業(yè)時,POSE—R02416代表抓斗的姿態(tài),當R02416>100時,意味著抓斗合斗結(jié)束,閉斗終點m03330線圈得電,其常開點接通,將0速直接送入R02000起升手柄速度,強制起升停止運行,即使此時司機依然操作設(shè)備進行閉斗,但是系統(tǒng)自動給0速停止閉斗操作。自動抓斗可在艙深、司機看不到抓斗的情況下,能夠高效率的抓取貨物,有效減少追繩的時間。

      4.2 支持電機的控制

      支持電機的控制狀態(tài)由閉斗前的速度控制模式切換為轉(zhuǎn)矩控制模式,轉(zhuǎn)矩給定的大小隨著繩差趨近標尺而逐步變大。通過抓斗姿勢與實際繩差建立關(guān)系,繩差改變的同時能夠改變轉(zhuǎn)矩,目的是在抓斗閉斗結(jié)束的瞬間,確保支持繩處于收緊的狀態(tài),減少支持機追繩平衡的時間。

      4.3 自動抓斗中的補償速度

      在自動抓斗中,補償速度大小隨著繩差趨近標尺而逐步遞減,理想狀態(tài)下,補償速度為0,雙機不存在速度調(diào)整,鋼絲繩平衡不存在追繩階段。以閉斗為基準,得出繩差相對閉斗位置的基準偏差,當抓斗合斗的姿勢越趨近閉斗終點時,基準偏差越小,速度補償越小,速度調(diào)整的幅度越小,抓斗實現(xiàn)力矩的微調(diào)(見圖5)。

      圖5 自動抓斗速度補償與抓斗姿勢之間關(guān)系

      5 提升溜鉤問題

      正常情況下PLC得到主令手柄的信號后,立即向變頻器和制動系統(tǒng)發(fā)送動作指令,變頻器輸出力矩,同時剎車打開。但是此控制方式中的變頻器和制動器之間沒有聯(lián)鎖關(guān)系,當PLC的指令剛剛發(fā)送給變頻器時,制動器打開,如果此時信號受到外界的干擾較大,但變頻器并沒有輸出力矩,就會發(fā)生“溜鉤”現(xiàn)象,引發(fā)安全事故。

      為避免溜鉤現(xiàn)象,可改變控制方式,讓變頻器和制動系統(tǒng)之間產(chǎn)生連鎖關(guān)系,在剎車回路串入變頻器運行信號,加裝24 V中間繼電器來檢測變頻器的運行信號,只有在變頻器運行后制動器才能打開。同時對變頻器的電流進行檢測,當變頻器電流達到一定值時,即變頻器的輸出力矩達到100%時,允許制動器打開(見圖6)。

      圖6 變頻器于制動器連鎖程序段

      圖6程序中,當起升支持機構(gòu)的升降被啟動即m00138通,如支持電流大于1 100 A,力矩檢測達標,確保支持機構(gòu)不被貨物反拉。在程序段26中m00609支持制動器打開,即變頻器運行2個條件同時滿足后,才能允許q00010線圈得電,打開制動器。可確保變頻器運行,力矩達標之后,制動器再打開,不發(fā)生溜鉤的現(xiàn)象。

      6 結(jié)語

      港口起重設(shè)備在安全管理中還存在諸多問題,需要不斷更新技術(shù)水平,提高對于設(shè)備設(shè)計的安全的要求。在抓斗工況下,對港口起重機起升部分的軟件編程進行了介紹,可為同類型設(shè)備的控制程序及安全保護程序設(shè)計提供參考。

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