起重电机之门座式起重机吊具旋转机构变频调速改造

发布时间：2022-08-11 14:33:00 点击：

摘要

起重电机专业生产厂家无锡宏达电机2022年8月11日讯 为克服洋浦国际集装箱码头作业岸线短、前沿设备少等缺点，利用变频调速技术对2台集装箱门座式起重机的吊具旋转机构进行变频改造，使门机吊具旋转实现变频控制，并增加手动微调和自动跟随等功能。根据现场实测数据分析，经变频调速改造后的集装箱门机作业效率显著提高，同时对比传统吊架作业工况，有效降低工班作业人数，在实现设备高效作业的同时进一步降低作业风险。

引言

2018年4月13日，中共中央总书记、国家主席习近平在庆祝海南建省办经济特区30周年大会上郑重宣布，党中央决定支持海南全岛建设自由贸易试验区，支持海南逐步探索、稳步推进中国特色自由贸易港建设，分步骤、分阶段建立自由贸易港政策和制度体系。同年4月14日，《中共中央国务院关于支持海南全面深化改革开放的指导意见》正式对外发布，海南岛迎来全岛建设新时代。2019年11月5日，在上海举行的第二届中国国际进口博览会开幕式上，习总书记明确表示，中国将继续鼓励自由贸易试验区大胆试、大胆闯，加快推进海南自由贸易港建设，打造开放新高地。在新形势背景下，海南省将迎来更多面向东盟、面向世界的发展机遇。海南港口必须顺应发展需要，尽快提高服务集装箱运输的条件和能力，为即将到来的快速发展时期提前布局，更好地适应和服务海南运输更加自由、贸易更加自由的发展新局面。

近年来，各类红利政策相继出台，进一步支持洋浦港吸引国内外货源、发展国际中转运输业务。新形势下，洋浦国际集装箱码头有限公司（以下简称“公司”）积极把握自贸港政策红利，充分利用自身良港资源，加快推进港口能力提升建设，将洋浦国际集装箱码头逐步打造成为面向印度洋、太平洋的国际集装箱枢纽港，对服务海南自由贸易港和西部陆海新通道两大国家战略提供重要支撑。

设备现状

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电机组成，均为AC 380 V/50 Hz工频直接驱动，因此吊具旋转电机仅有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。

为充分挖掘设备潜力，应对当下集装箱业务增量所带来的前沿设备作业压力，公司针对设计缺陷对现有设备操作工况进行调整优化，通过电路优化设计和控制程序的修改，使吊具旋转功能够实现变频驱动、无级变速、吊具旋转和旋转机构自动跟随运行等3大功能，以技术手段保证设备作业的安全性和司机操作的便捷性，为提升港口设备装卸能力做出技术上的积极探索。

改造方案

2.1　控制功能

2.1.1　变频驱动和无极变速

变频驱动和无极变速这2大功能的实现得益于变频器的介入。通过将原有直接工频驱动的2台旋转电机改造为由变频器驱动，增加1套变频器系统与本机PLC进行通信。同时，在司机操作手柄上增设旋转运行按钮，并通过本机PLC处理按钮信号，再将处理信号传输至吊具旋转变频器，最后由变频器输出设定频率以驱动旋转电机，实现吊具左右旋转的微动调整。

2.1.2　自动跟随运行功能

自动跟随运行功能通过起重机旋转变频器与吊具旋转变频器之间的数据传输，实现吊具旋转和起重机旋转保持同步，并保证集装箱吊具的横向轴线始终与起重机轨道保持平行。在初步设定时，通过手动调整将吊具旋转至与轨道平行的位置，当起重机旋转机构动作时，通过PLC将旋转速度上传至系统，系统程序根据起重机实时的旋转速度确定吊具旋转速度，并通过PLC将确定的速度传输至吊具旋转变频器，以控制吊具旋转动作，保证吊具旋转和起重机旋转同步动作，使吊具姿态始终相对于轨道平行。自动控制流程见图1。手动控制流程见图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　硬件设备

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旋转电机和其他辅助电器元件。

2.2.1　安川A1000型变频器

变频器主要由主回路和控制回路等2部分组成，其中：主回路是给异步电动机提供调频调压电源的电力变换部分，主要由整流器、滤波器、逆变器和制动单元等组成；控制回路主要由运算回路、电压/电流检测回路、驱动回路和转速检测回路等4部分组成。

2.2.2　航空手柄

改造选配型号为VNS04FN11AKERUGN（1RD2GN3YE4BL6LWH6RBK）的航空手柄取代机械式手柄，在保留设备主机构操作性的同时，在手柄上增设吊具旋转操作按钮，方便司机在移动主机构的同时微动调整吊具旋转方向，保证吊具旋转精度，节省作业时间，提高装卸效率。

2.3　I/O分配表

改造由于增加吊具操作旋转按钮、变频器故障（准备）和其他控制功能，必须对设备原有电路进行部分改造。改造重在PLC输入/输出点的增加和替换，共增加16个输入点和3个输出点。输入端子分配见表1。输出端子分配见表2。

2.4　电气原理图

本次改造新增的电气元器件主要涉及主回路电气图、辅助回路电气图、PLC输入回路电气图和PLC输出回路电气图等方面。主回路电气图见图3。辅助回路电气图见图4。PLC输入回路电气图见图5。PLC输出回路电气原理图见图6。

改造效果

本次设备技术改造从现场实际作业出发，结合本机运行工况，经过试验和论证，实现吊具旋转自动跟随功能，有效提高单机作业效率，降低用人成本，对于提升岸线作业能力与降低作业风险等方面起到积极作用。

3.1　设备操作

改造将原机配备的机械手柄更换为航空式手柄，并将手柄机械互锁保护更改为按钮式电气互锁。考虑到手柄操作的安全性，按钮位置也满足人机工程学原理，在方便司机操作的同时能够有效避免司机对设备主机构的误操作。

吊具旋转操作按钮和吊具导板动作按钮布置在手柄上方，方便司机在设备主机构运行时对吊具辅助功能进行便捷的操作。

3.2　设备安全

本次设备改造充分考虑设备安全性。针对变频器保护，增加变频器准备和变频器故障等2个输入点。当变频器出现故障时，设备机构无法动作，等待维修人员上机检查修复；当变频器准备未到位时，设备机构也无法动作。

3.3　作业效率和人工成本

3.3.1　数据收集

本次吊具旋转功能改造优化司机作业操作，降低作业过程中的对箱时长，大幅提高集装箱装卸效率。相较于使用传统集装箱吊架进行作业，作业面人工大幅降低，有效减少码头装卸船作业风险，相关数据对比如下。

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　数据分析

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。

文章刊发于《港口科技》2022年第4期；

原文标题：门座式起重机吊具旋转机构变频调速改造

作者：张诚龙，万梓清；洋浦国际集装箱码头有限公司，海南港航控股有限公司

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