摘要：门座式起重机抓斗作业，在采用抓头作业时，经常因钢丝绳过松或过紧而导致电机过载或钢丝绳缠绕损坏，经过长时间观察发现，钢丝绳的过紧和过松主要原因是司机在开闭斗作业时，主要以个人的熟练程度和目测估计来进行操作，不能准确控制自动开闭斗时机。为解决此现象，通过改造门机控制程序，用起升电机编码器做钢丝绳位置检测，利用开闭绳差，实现抓斗的自动控制，解决起升电机的过载和钢丝绳缠绕损坏。
神华黄骅港1633门座式起重机采用先进的电控系统。该机起升、变幅、回转、运行机构均采用变频调速，起升机构采用闭环控制，应用PLC集中控制和检测。调速性能优良，起、制动运行平稳、快速。
关键词：门座式起重机 自动开闭斗
1 设备状态及原理
设备简介：起升机构由两部单独的绞车组成。两部绞车可以单独或联合动作，便于起重机使用四索抓斗装卸散货或使用吊钩装卸件货。每部绞车均由电动机、联轴节、减速器、长闭式制动器、电机风机及钢丝绳卷筒组成。起升支持电机与行走电机共用一个变频器，支持和开闭电机都带脉冲编码器（渡边增量式编码器）、电机上配备有编码器，双机采用闭环控制。
起升机构原理：起升机构由两台变频器CIMR-G5-4220分别控制两台YZP355M2-10，160KW电机进行起、制动运行，保证机构的安全、正常运行。起升机构通过选择开关2SA2可实现单双机运行，单机状态时，通过配合脚踏开关，可实现单机开闭抓斗和双机起升， 每台电机配备了一台风机以保证变频电机的散热。
PLC控制原理：手柄在零位，风速仪风速在正常范围内，超负荷过流正常，不作行走运行，起升无故障时，机构允许升降。若在正常上升范围内，不超负荷，上升操作允许；在正常下降范围内，不作能耗运行，下降操作允许。PLC和变频器之间通过SI-P1卡进行数据通讯。
主要设备型号：起升电机（160kw）为大连伯顿生产的起重及治金用变频调速三相异步电动机，可实现无级调速、变频器采用日本安川公司Vairspeed G5A4220、PLC采用OMRON C200HE系列。
2 工况概述及改造原因
支持和开闭运动通过一个主令控制器进行控制。
支持钢丝绳：a 、d 开闭钢丝绳：b 、c
通过一个主令控制器可以得到下列运动工况：
支持钢丝绳静止，开闭钢丝绳下降时打开抓斗
支持钢丝绳静止，开闭钢丝绳上升时闭合抓斗
原有1633门机抓斗工况作业时，现有控制系统没有抓斗自动开闭斗功能，每个循环抓取作业，因个人操作熟练程度、抓斗在船舱中视线不清等问题，开闭绳的闭合时机总不能及时把握，需要操作司机来调整钢丝绳的长度以让开闭绳与支持绳保持平衡，确保电机受力平均。
原有控制系统存在以下几个缺点：①因调整钢丝绳导致作业时间增长。②人为调整开闭与支持之间的平衡，很难达到真正平衡，易导致个别电机超载，减少寿命。③易造成开闭钢丝绳与支持绳缠绕。
通过改造门机起升机构自动开闭斗控制，可以有效的避免以上此情况的发生。
3 自动开闭斗原理
3.1 主要通讯原理
主令控制器发出控制指令，PLC得到控制信号，通过变频器驱动起升电机运行，同时通过起升电机轴端脉冲编码器对电机速度和位置进行检测并反馈给PLC高速计数模块，PLC通过高速计数模块所得到的换算值来得到开闭与支持绳的实时绳差，控制起升电机运行，以实现自动开闭斗控制。
3.2 目的
通过编码器可以随时知道支持绳和开闭绳的位置差，因此便可以知道抓斗打开的程度。因抓斗开闭过程中支持绳静止，故可以支持绳为相对参考点，通过支持与开闭绳差的大小来决定开闭绳的各种限制位置，同时可以定义抓斗的开闭和开闭过程中的减速位置。通过程序软限位来实现开闭斗的减速，避免抓斗钢结构撞击和钢丝绳因惯性造成的缠绕。
3.3 计数方法
①支持计数器：
支持计数器以支持上升终点限位为计数基准。
②开闭计数器：
开闭计数器的基准是通过计算当抓斗物理闭合时支持计数器的值而得到的。
③定义瞬间位置差Px：
Px = |开闭计数值-支持计数值|
④抓斗开斗设定：
当抓斗打开并且按下开斗按钮，Px的值被送到开闭计数器，此Px定义为P0，值为0。
PDK：抓斗打开位置
⑤抓斗闭合设定：
当抓斗闭合并且按下闭斗按钮，位置差Px的值被送到开闭计数器，此Px定义为Pz，值为正常作业的开闭绳差。
PBH：抓斗开斗位置
⑥抓斗位置清零：
当需要重新设定时，同时按下开闭斗按钮，对抓斗位置清零。
⑦终点和减速位置确定：
抓斗已闭合
如果Px=Pz，可以确定抓斗现已闭合，虽然对于计数器来说，瞬间位置绳差和Pz绝对相等，但因抓斗存在一定惯性，并且钢丝绳为软连接，故外部抓斗闭合位置不会绝对相符，会存在一定误差，但不会影响作业。
抓斗已打开
如果Px=P0，可以确定抓斗现已打开，虽然对于计数器来说，瞬间位置绳差和P0相等，但因抓斗存在一定惯性，并且钢丝绳为软连接，故外部抓斗打开位置不会绝对相符，会存在一定误差，但不会影响作业。
抓斗打开减速
通过长时间的调试和总结，当瞬间位置绳差等于Pz的15%时，可以确定开斗减速软限位位置，不同工况可以根据现场进行调试，值定义为PDKJ。
抓斗闭合减速
通过长时间的调试和总结，当瞬间位置绳差等于Pz的85%时，可以确定闭斗减速软限位位置，不同工况可以根据现场进行调试，值定义为PBHJ。
3.4 电流限制
①抓料过程开始阶段：
支持电机电流限制在10%最大电流，以便使抓斗插入到货物中。
②当抓斗闭合到减速位置（PBHJ）： 为了抓斗闭合时不发生撞击，可以轻微地增加支持电机电流限制值。
③当抓斗到达闭合位置（Pz）：
支持电机电流限制值增加到50%最大电流（等于开闭电机电流限制值），这一步用来均衡两电机电流。
④当检查到电流平衡
支持电机和开闭电机的电流限制值都为最大电流限制值（Imax）。
注：当检测到抓斗到闭合位置时，一短延时开始计数，它能掩饰电机平衡过程，以便确认闭斗上升过程。
在闭斗过程中可以调节支持电机的电流限制值，以防止抓斗插入货堆过深或者抓斗在闭合过程中被拉起。
4 程序实现
本港1633门机变频器与PLC之间的通讯方式为Profibus通信，此通信具有减少线路接线、PLC多方位采集变频器对电机的控制数据和反馈数据、抗干扰能力强等特点，他们之间的通讯需要在变频器端装SI-P通讯卡，PLC安装PRM21通讯卡，通过通讯卡进行数值的转换和处理，以便PLC软件来实时采集电机运行的各种相关数据。钢丝绳位置的确认是通过装在电机高速端的渡边编码器与PLC高速计数模块CT021之间的通讯来获得，通过PLC程序对数值信号进行转换处理，来定义外部开闭绳的位置绳差。
当打开抓斗，按下开斗设定按钮时，PLC高速计数模块就会读取编码器的脉冲数值并把读取到的脉冲数值存入PLC数据存储器DM中，经过自动开闭斗程序的计算，将结果作为控制指令发出，并触发开斗控制指示灯显示。
程序的开始部分设置高速计数130.09和130.11为触发位，当数值为1时，开始计数。
当按下开斗设定时，130.08和130.10置1，同时编码器清零。当按下闭斗设定时，把由DM430低位，DM431高位的十六进制数值送入DM432和DM433数据存储器中。自动开闭斗设定完成。
当司机踩下脚踏限位时，抓斗打开，当DM430中的数值与DM464的数值相等时，确认开斗结束，程序触发40.01位同时置1，发出控制指令确认开斗结束。
当司机踩下脚踏限位时，抓斗闭合，当DM430中的数值与DM476的数值相等时，确认闭斗结束，程序触发40.03位同时置1，发出控制指令确认闭斗结束。
自动开闭斗的减速软限位原理同上。
自黄骅港物流中心1633门座式起重机通过该方案改造后，使用情况良好，钢丝绳缠绕现象极少发生，不但对设备起到保护作用，同时也提高作业效率，减轻司机的疲劳作业度，为高效安全生产奠定基础。
参考文献：
[1]《起重运输机械》、《港口科技》.