起重電機之門座式起重機吊具旋轉機構變頻調速改造

发布时间：2022-08-11 14:33:00 点击：

摘要

起重電機專業生産廠家無錫宏達電機2022年8月11日訊 爲克服洋浦國際集裝箱碼頭作業岸線短、前沿設備少等缺點，利用變頻調速技術對2台集裝箱門座式起重機的吊具旋轉機構進行變頻改造，使門機吊具旋轉實現變頻控制，並增加手動微調和自動跟隨等功能。根據現場實測數據分析，經變頻調速改造後的集裝箱門機作業效率顯著提高，同時對比傳統吊架作業工況，有效降低工班作業人數，在實現設備高效作業的同時進一步降低作業風險。

引言

2018年4月13日，中共中央總書記、國家主席習近平在慶祝海南建省辦經濟特區30周年大會上鄭重宣布，黨中央決定支持海南全島建設自由貿易試驗區，支持海南逐步探索、穩步推進中國特色自由貿易港建設，分步驟、分階段建立自由貿易港政策和制度體系。同年4月14日，《中共中央國務院關于支持海南全面深化改革開放的指導意見》正式對外發布，海南島迎來全島建設新時代。2019年11月5日，在上海舉行的第二屆中國國際進口博覽會開幕式上，習總書記明確表示，中國將繼續鼓勵自由貿易試驗區大膽試、大膽闖，加快推進海南自由貿易港建設，打造開放新高地。在新形勢背景下，海南省將迎來更多面向東盟、面向世界的發展機遇。海南港口必須順應發展需要，盡快提高服務集裝箱運輸的條件和能力，爲即將到來的快速發展時期提前布局，更好地適應和服務海南運輸更加自由、貿易更加自由的發展新局面。

近年來，各類紅利政策相繼出台，進一步支持洋浦港吸引國內外貨源、發展國際中轉運輸業務。新形勢下，洋浦國際集裝箱碼頭有限公司（以下簡稱“公司”）積極把握自貿港政策紅利，充分利用自身良港資源，加快推進港口能力提升建設，將洋浦國際集裝箱碼頭逐步打造成爲面向印度洋、太平洋的國際集裝箱樞紐港，對服務海南自由貿易港和西部陸海新通道兩大國家戰略提供重要支撐。

設備現狀

洋浦国际集装箱码头现有8台65 t-55 m型集装箱岸桥、30台轮胎式场地吊、2台轨道式场地吊、4台多用途门机，其中2台45 t-35 m型多用途门机配置360°全回转集装箱吊具。在作业时，吊具旋转和起重机旋转应保持同步，保证集装箱吊具横向轴线始终与起重机轨道保持平行。但在实际作业中，会出现吊具摇晃幅度较大、吊具姿态难以控制、对箱操作困难等情况，严重影响单机作业效率和现场作业安全。通过对设备程序的深入研究和多方咨询，得知该吊具旋转功能存在一定设计缺陷，吊具旋转机构主要由2台1.5 kW電機组成，均为AC 380 V/50 Hz工频直接驱动，因此吊具旋转電機仅有1个额定转速，且调整速度过快，不能实现快/慢速切换，从而导致其无法有效控制吊具姿态和旋转角度。

爲充分挖掘設備潛力，應對當下集裝箱業務增量所帶來的前沿設備作業壓力，公司針對設計缺陷對現有設備操作工況進行調整優化，通過電路優化設計和控制程序的修改，使吊具旋轉功能夠實現變頻驅動、無級變速、吊具旋轉和旋轉機構自動跟隨運行等3大功能，以技術手段保證設備作業的安全性和司機操作的便捷性，爲提升港口設備裝卸能力做出技術上的積極探索。

改造方案

2.1　控制功能

2.1.1　變頻驅動和無極變速

變頻驅動和無極變速這2大功能的實現得益于變頻器的介入。通過將原有直接工頻驅動的2台旋轉電機改造爲由變頻器驅動，增加1套變頻器系統與本機PLC進行通信。同時，在司機操作手柄上增設旋轉運行按鈕，並通過本機PLC處理按鈕信號，再將處理信號傳輸至吊具旋轉變頻器，最後由變頻器輸出設定頻率以驅動旋轉電機，實現吊具左右旋轉的微動調整。

2.1.2　自動跟隨運行功能

自動跟隨運行功能通過起重機旋轉變頻器與吊具旋轉變頻器之間的數據傳輸，實現吊具旋轉和起重機旋轉保持同步，並保證集裝箱吊具的橫向軸線始終與起重機軌道保持平行。在初步設定時，通過手動調整將吊具旋轉至與軌道平行的位置，當起重機旋轉機構動作時，通過PLC將旋轉速度上傳至系統，系統程序根據起重機實時的旋轉速度確定吊具旋轉速度，並通過PLC將確定的速度傳輸至吊具旋轉變頻器，以控制吊具旋轉動作，保證吊具旋轉和起重機旋轉同步動作，使吊具姿態始終相對于軌道平行。自動控制流程見圖1。手動控制流程見圖2。

2种控制方式都以吊具旋转变频器与本机PLC的通信为基础，其中：PLC主要负责读取、处理设备硬件数据并传输至吊具旋转变频器；吊具旋转变频器经过读取处理后输出额定频率和动作时间，控制吊具旋转动作。改造采用的吊具旋转变频器为安川A1000型变频器（5.5 kW），机上PLC型号为安川CP317。选择同品牌产品使本次改造在通信协议、通信方式上的技术难度和操作难度明显降低。

2.2　硬件設備

改造在硬件设备方面主要增加1套安川A1000变频器、2套航空操作手柄、2台1.5 kW旋转電機和其他辅助电器元件。

2.2.1　安川A1000型變頻器

變頻器主要由主回路和控制回路等2部分組成，其中：主回路是給異步電動機提供調頻調壓電源的電力變換部分，主要由整流器、濾波器、逆變器和制動單元等組成；控制回路主要由運算回路、電壓/電流檢測回路、驅動回路和轉速檢測回路等4部分組成。

2.2.2　航空手柄

改造選配型號爲VNS04FN11AKERUGN（1RD2GN3YE4BL6LWH6RBK）的航空手柄取代機械式手柄，在保留設備主機構操作性的同時，在手柄上增設吊具旋轉操作按鈕，方便司機在移動主機構的同時微動調整吊具旋轉方向，保證吊具旋轉精度，節省作業時間，提高裝卸效率。

2.3　I/O分配表

改造由于增加吊具操作旋轉按鈕、變頻器故障（准備）和其他控制功能，必須對設備原有電路進行部分改造。改造重在PLC輸入/輸出點的增加和替換，共增加16個輸入點和3個輸出點。輸入端子分配見表1。輸出端子分配見表2。

2.4　電氣原理圖

本次改造新增的電氣元器件主要涉及主回路電氣圖、輔助回路電氣圖、PLC輸入回路電氣圖和PLC輸出回路電氣圖等方面。主回路電氣圖見圖3。輔助回路電氣圖見圖4。PLC輸入回路電氣圖見圖5。PLC輸出回路電氣原理圖見圖6。

改造效果

本次設備技術改造從現場實際作業出發，結合本機運行工況，經過試驗和論證，實現吊具旋轉自動跟隨功能，有效提高單機作業效率，降低用人成本，對于提升岸線作業能力與降低作業風險等方面起到積極作用。

3.1　設備操作

改造將原機配備的機械手柄更換爲航空式手柄，並將手柄機械互鎖保護更改爲按鈕式電氣互鎖。考慮到手柄操作的安全性，按鈕位置也滿足人機工程學原理，在方便司機操作的同時能夠有效避免司機對設備主機構的誤操作。

吊具旋轉操作按鈕和吊具導板動作按鈕布置在手柄上方，方便司機在設備主機構運行時對吊具輔助功能進行便捷的操作。

3.2　設備安全

本次設備改造充分考慮設備安全性。針對變頻器保護，增加變頻器准備和變頻器故障等2個輸入點。當變頻器出現故障時，設備機構無法動作，等待維修人員上機檢查修複；當變頻器准備未到位時，設備機構也無法動作。

3.3　作業效率和人工成本

3.3.1　數據收集

本次吊具旋轉功能改造優化司機作業操作，降低作業過程中的對箱時長，大幅提高集裝箱裝卸效率。相較于使用傳統集裝箱吊架進行作業，作業面人工大幅降低，有效減少碼頭裝卸船作業風險，相關數據對比如下。

改造前。取2017年12月份作业数据，平均作业效率为10.7 TEU/h。2017年12月门机作业效率见表3。

改造后。取2020年7月上旬作业数据，平均作业效率为15.61 TEU/h。取2021年8月下旬作业数据，平均作业效率为17.31 TEU/h。取2022年2月中旬作业数据，平均作业效率为17.46 TEU/h。2020年7月门机作业效率见表4。2021年8月门机作业效率见表5。2022年2月门机作业效率见表6。

3.3.2　數據分析

针对本次抽取的4组实际数据进行分析，发现改造后的作业效率从10.70 TEU/h提升至约16.79 TEU/h，效率提高56.92%。相较于传统门架作业，在作业效率基本持平的情况下，作业人数由6人减少到3人，用工人数降低50%。改造前后作业效率和工班人数对比见表7。

综上所述，2台45 t-35 m型多用途门机在实施吊具旋转功能改造后，集装箱装卸船作业效率显著提高，同时对比传统吊架作业工况，用工成本和码头前沿作业风险明显降低。

文章刊發于《港口科技》2022年第4期；

原文標題：門座式起重機吊具旋轉機構變頻調速改造

作者：張誠龍，萬梓清；洋浦國際集裝箱碼頭有限公司，海南港航控股有限公司

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