基于ABB PLC的桥式抓斗卸船机实训平台设计

郑渊

（青岛港湾职业技术学院电气工程系，山东青岛 266404）

基于ABB PLC的桥式抓斗卸船机实训平台设计

郑渊

（青岛港湾职业技术学院电气工程系，山东青岛 266404）

桥式抓斗卸船机是一种典型的煤炭、矿石装卸机械，对卸船工作效率起着至关重要的作用。卸船机的操作和维修是港机、港电等专业学生必须掌握的实践技能，但是由于体积巨大、价格昂贵等原因，在校内很难建立有效的实训室。本设计在保持基本结构不变的基础上将实际的桥式抓斗卸船机按比例缩小模型化，手柄、按钮等操作装置与实际桥式抓斗卸船机基本一致，电气控制系统采用ABB的AC500 PM582 PLC、ACS355变频器、CP430触摸屏以及MODBUS现场总线。通过该实训平台，学生能够更加有效的掌握操作维修桥式抓斗卸船机的实践技能。

桥式抓斗卸船机；实训平台；ABB PLC

桥式抓斗卸船机是一种典型的煤炭、矿石岸边卸船机械，对煤炭、矿石船舶的卸船效率起着至关重要的作用[1]，港口需要大量能够操作和维修卸船机的人员。由于桥式抓斗卸船机体积巨大、价格昂贵等原因，在校内很难有效进行操作和维修方面的实训教学。市场上的模拟驾驶器功能单一且价格昂贵，校内原有的实训设备只有电气控制系统而没有实际的卸船机被控对象，同样无法达到很好的实训效果。

本卸船机实训装置以实际的桥式抓斗卸船机为蓝本，在保持基本结构不变的基础上按比例缩小模型化，手柄、按钮、限位等操作和保护装置与实际桥式抓斗卸船机基本一致，电气控制系统采用ABB的AC500 PM582 PLC、ACS355变频器、CP430触摸屏以及MODBUS现场总线。当实训装置处于演示模式时，能够通过联动台控制卸船机模型的起升、小车、俯仰、抓斗等机构实现各种基本动作，实物模型的高度为2米，学生可以很好的练习操作；当实训装置处于调试模式时，学生可以通过电气控制柜上的实验插孔连接电气控制线路，还可以自己设计程序并加以调试。

1 实物模型设计

考虑到设计制造的难度，该实训平台实物模型各机构的驱动装置在实际桥式抓斗卸船机的基础上进行了一定的简化和调整。

1.1 起升、开闭斗和小车机构

四台ACS355变频器分别驱动2台起升电机和2台开闭电机，通过减速器和4个钢丝绳卷筒可以实现抓斗的升降、开闭和小车的前进后退，工况如下：

（1）工况1：起升、开闭卷筒同步向右旋转时，抓斗上升；

（2）工况2：起升、开闭卷筒同步向左旋转时，抓斗下降；

（3）工况3：起升、开闭卷筒分别向内相对旋转时，抓斗小车向右移动；

（4）工况4：起升、开闭卷筒分别向外相对旋转时，抓斗小车向左移动；

（5）工况5：当起升卷筒刹住不动，开闭卷筒向左旋转时，抓斗打开；

（6）工况6：当起升卷筒刹住不动，开闭卷筒向右旋转时，抓斗闭合。

钢丝绳卷筒轴端装有速度编码器用于检测电机转速，起升、开闭斗和小车机构设有减速、终点和极限行程保护[1]。

1.2 俯仰机构

俯仰机构由一个交流电机驱动，与开闭1电机共用一个变频器，通过俯仰/开闭切换开关切换，钢丝绳卷筒带速度编码器，具有上减速、上终点、下减速、下终点4个限位开关。

1.3 大车行走机构

行走机构通过一台变频器驱动两侧电机在轨道上运行实现，具有防风锚定装置及左右行走限位保护，装有行走声光报警装置[2]。

1.4 皮带输送机和司机室

通过一台24 V直流电机驱动输送带，皮带输送机设有拉绳开关、防跑偏和防撕裂保护开关[3]。司机室通过一台24 V直流电机驱动，可以沿大梁工字钢左右移动。

2 电气柜及联动台设计

2.1 电气控制系统

电气控制系统采用ABB 的 AC500 PM582PLC、ACS355变频器、CP430触摸屏以及MOD⁃BUS现场总线，系统结构如图1所示。卸船机模型和电气柜的PLC、变频器等电气设备的接线也引到电气柜的实验插孔上，学生可以接线和编程调试。

2.2 联动台操作装置

右联动台设有起升手柄、抓斗开闭手柄、控制合按钮、控制断按钮、俯仰/抓斗开闭选择开关、舵机控制按钮、试灯按钮、极限旁路按钮等。左联动台设有大车、小车行走手柄、急停按钮、故障复位按钮、电机手动调整按钮、超重报警指示灯等。

3 主要程序设计

3.1 速度控制程序设计

各机构运行必须满足主控条件，当变频器无故障、急停按钮未拍下、极限限位未动作及PLC电源和通讯正常等条件都满足时，按下联动台“控制合”按钮，然后通过手柄就可以操纵各机构动作。停止操作时，将手柄回零并按下“控制断”按钮将控制电断开。

大车机构手柄采用正反各四挡位主令控制器，当操作大车手柄时，由低到高的4种转速通过MODBUS通讯总线传至ACS355。当大车减速限位动作时，将一个约为额定转速10%的低速值传给变频器。当大车终点限位动作时，将数据0传给变频器。

图1 桥式抓斗卸船机实训平台电控系统

其他机构手柄采用绝对值编码器连至PLC输入模块，在程序中首先进行格雷码二进制码转换，然后对速度指令进行线性变换，最后通过COM_MOD_MAST报文处理模块将速度值赋给变频器，同时，变频器也会将电机实际速度值通过MODBUS通讯总线反馈给PM582。当该机构减速限位动作时，将一个约为额定转速10%的低速值传给变频器。当该机构终点限位动作时，将数据0传给变频器。若极限限位动作，则该机构立即抱闸制动，必须在排除故障后通过极限旁路按钮退出。

3.2 起升制动器控制程序优化

为了防止带重载时“溜钩”，在设计制动器松闸控制程序时采用了转矩验证的方法。在制动器松闸前先通过检测起升电机电流来间接判断起升钢丝绳上向上的转矩是否达到额定转矩的50%。如果达到则制动器松闸，否则制动器仍然抱闸。

起升手柄回零时，起升机构是采取变频器电气制动和机械抱闸制动相结合的方式来制动的。为了减少制动部件的磨损，变频器通过装在电机轴上的速度编码器检测电机实际转速，当电机转速接近0时才抱闸制动，而且在0 Hz时起升机构也可以输出额定转矩。

3.3 皮带输送机控制程序设计

在皮带机沿线每隔一定距离安装一个拉线急停开关，并用钢丝绳拉线将这几个拉线开关的摆杆依次相连，在皮带任一位置拉动拉线都会使其中一个拉线开关动作。将这三个拉线开关的常闭点串联控制一个中间继电器的线圈，然后用这个中继的常开点连至PLC的输入点，只要有一个拉线开关动作，PLC程序中的这个信号就会断开，使皮带机停机。

在皮带机上安装轻度跑偏和重度跑偏两个跑偏开关，当轻度跑偏开关动作时，跑偏报警灯点亮，但是皮带机仍然可以运行；当重度跑偏开关动作时，跑偏报警灯点亮的同时皮带机停止运行。

在皮带机支架上垂直于皮带机中心轴线的方向安装横向钢丝绳，当撕裂的皮带撞击到钢丝绳上时，使钢丝绳所带动的限位开关动作用以检测皮带是否撕裂，一旦皮带撕裂则皮带机立即停止。

4 使用效果

该卸船机实训平台成本较低，每套不到25万元，但是通过使用，效果非常突出。由于有比较大的实物模型，可以通过联动台操作各机构动作，能够很好的起到司机岗前培训的作用。同时，实训平台还可以让学员自己动手接线实现桥式抓斗卸船机的局部或整体控制，能够很好的提高学员电气安装接线、PLC编程、变频器参数调试和触摸屏监控画面设计等实践能力，得到了校内学生和企业青岛港等企业技术人员的一致好评。

［1］葛建民.港口电气控制［M］.南京：南京大学出版社，2009.

［2］陈淑珍.港口装卸机械电气控制技术［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［3］孙洪昌.港口机械电气控制技术［M］.北京：中国电力出版社，2011.

Design of Bridge Grab Ship Unloader Training Platform Based on ABB PLC

ZHENG Yuan
（Qingdao Harbour Vocational and Technical College，Qingdao266404，China）

Bridge grab ship unloader is a kind of typical coal,ore loading and unloading machinery.It plays a vital role in the discharging efficiency.The operation and maintenance of ship unloader is the practical skills that students major in port machinery,port electricity should master.However,due to reasons such as huge volume,expensive etc,it is difficult to establish effective training rooms in the campus.This design scaling the actual bridge grab ship unloader on the basis of does not change the overall structure and the working condition.The handles,buttons and other devices are the same as the actual bridge type grab ship unloader,electric control system adopts ABB AC500 PLC,ACS355 PM582 inverter,CP430 touch screen and MODBUS.By using the training platform,students can master the operation and maintenance of bridge type grab ship unloader more effectively.

bridge grab ship unloader；training platform；ABB PLC

TP273

A

1009－9492(2014)09－0118－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.032

郑 渊，男，1978年生，山东惠民人，大学本科，讲师。研究领域：港口电气技术。已发表论文11篇。

(编辑：向 飞)

2014－04－03