岸邊集裝箱起重機DC300直流系統(tǒng)改造

       近年來，交流驅(qū)動系統(tǒng)已在大型起重機上大量應用。為此，在我國各大岸邊集裝箱起重機（簡稱岸橋）上裝備的美國通用電氣公司（GE）的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)DC-300驅(qū)動器也面臨著必要的改造。該直流系統(tǒng)在上世紀八十年代中期至九十年代中期被廣泛應用于港口起重設備。自1998年起，該系統(tǒng)開始停產(chǎn)。將直流傳動系統(tǒng)改造成目前流行的交流系統(tǒng)，都面臨更換電機，重新敷設電纜等大量工作，改造成本及時間都很難滿足碼頭繁重的生產(chǎn)任務要求。本文結合振華公司已成功改造項目的技術分析和成本比較，可為類似的工程改造提供更好的參考。
       一、技術分析
       如圖l所示，岸橋的2個起升電機通常為串聯(lián)，由一個驅(qū)動器控制。大車電機一般是2個串聯(lián)后再并聯(lián)。為了節(jié)約驅(qū)動設備的費用和空間，起重機驅(qū)動系統(tǒng)都有共享驅(qū)動的概念，通常是起升/大車共享一個驅(qū)動器；小車和俯仰共用一個驅(qū)動器。需要有外部接觸器和驅(qū)動器內(nèi)部的馬達組別和時序控制來實現(xiàn)相關電機的切換。

       
       對于高可靠性起重機的驅(qū)動器而言，其起升機構是位勢載荷，額定載荷一般達到651t，吊具等本身自重達20t。對于機械制動器的控制要求非常嚴格，應具有如下功能：
       1、必須有Torque Proving功能來保證制動器的安全打開，以及性能優(yōu)越的制動器控制，主要要求制動時無明顯沖擊。
       2、恒功率控制在不同載荷時，能正確計算載荷，并達到合理的最大速度。
       3、掛艙保護發(fā)生時，驅(qū)動器產(chǎn)生安全的反相最大電流，從而達到最快的制動時間。一般實際測試為680 ms左右。
       4、不同載荷的情況下，驅(qū)動器監(jiān)測的超速保護值會自動計算，從而實現(xiàn)真正的超速保護。
       上述功能在Series Six和DC300系統(tǒng)中，都得到了很好的體現(xiàn)，Series Six和DC300通過Lan通訊傳送/接收數(shù)據(jù)。
       二、改造方案一
       將Series Six改由GE IP的最新RX3i來代替，而DC300驅(qū)動器保留；PLC軟件的主程序框架和外圍模塊及線路均可保留。自上世紀末在上海、南通等項目上應用（系統(tǒng)為GE驅(qū)動部設計），至今運行情況非常好。此外，振華港機還進行過張家港等碼頭的改造項目，目前使用良好。
       用RX3i代替原系列六PLC系統(tǒng)及遠程模塊更改為最新的Versa Max系列，保留Genius通訊，最大程度減少敷設電纜等工作，施工調(diào)試周期控制在2周左右。保留原有DC300驅(qū)動器以及原有外圍硬件部分，但控制線路為實現(xiàn)如下功能需進行修改。
       1、從PLC到DC300的信號處理
       （1）從PLC輸出模塊接線到DC300，主要信號有運行指令、減速指令、起升經(jīng)濟磁場指令、大車模式指令、起升防下墜指令、起升/大車封鎖指令（2個方向）及手柄給定信號（模擬量信號接到驅(qū)動器LTB端子25及COM）等。
       （2）從DC300到PLC輸入模塊的主要信號有主接觸器吸合指令、驅(qū)動器故障信號、制動器報閘點信號（零速信號）、轉(zhuǎn)矩校驗通過反饋信號、起升磁場過流信號及驅(qū)動器過溫信號等。
       2、從上述信號分析
       （1）從DC300來的Torque Proving信號，在PLC軟件中通過邏輯保護后，發(fā)送到驅(qū)動器以保證制動器的安全打開；同時利用DC300反饋給PLC的零速信號，通過PLC的邏輯控制，最后實現(xiàn)制動器制動時無明顯沖擊。
       （2）恒功率控制和掛艙保護均在DC300中進行自動計算，工作可靠，且與PLC無關。
       （3）不同的載荷情況下，驅(qū)動器監(jiān)測的超速保護值會自動計算，從而實現(xiàn)真正的超速保護，也在DC300內(nèi)部控制，且與PLC整改無關。
       （4）手柄給定信號是將模擬量信號接到驅(qū)動器，硬線連接是最快的信號傳輸方式（在特定短距離范圍內(nèi)）。在改造過程中，手柄信號通過編碼器傳到模塊，再由輸出模塊接線到驅(qū)動器，部分信號由Genius總線傳送。但通過分析可以得出，改造后從模塊到驅(qū)動器的通訊采用硬線，手柄信號在驅(qū)動器的響應只會更快。改造后，PLC更新?lián)Q代但修改硬件極少，軟件思路一致，又可以發(fā)揮CMS的作用，而起重機的性能也會有一定程度的提升。
       三、改造方案二
       僅修改PLC的方案雖然成本較低，效果也較好，但畢竟PLC和驅(qū)動沒有通訊，對驅(qū)動器的監(jiān)控信號有限。TMEIC GE已經(jīng)推出最新的直流驅(qū)動器TMDC，對驅(qū)動器的幾種改造形式可滿足客戶的不同需要。
       1、可以只更換驅(qū)動器的相關板子和插件，而原來的可控硅等動力回路、電纜及直流電機等全部保留，改造內(nèi)容很少。
       2、更換直流驅(qū)動器整體，但保留控制屏本體和外部切換接觸器、外部電纜及直流電機等，由此驅(qū)動器得到更新，控制系統(tǒng)優(yōu)化，但外部設備如電機和電纜等依然得以保留。
       3、全新的控制柜，包含驅(qū)動器和主回路接觸器等所有相關部件。
       該項目修改了PLC為RX3i，遠程模塊依然采用Genius通訊，這樣大大減少了通訊電纜的敷設工作。驅(qū)動器采用Profibus和PLC通訊，驅(qū)動器的監(jiān)控和軟件管理則采用最新的工業(yè)以太網(wǎng)通訊。上述起重機的恒功率和制動器控制等全部由最新的控制軟件實現(xiàn)，而改造前后的控制概念是完全一致的。由于工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術的廣泛應用，控制系統(tǒng)及監(jiān)控管理都得到了極大的提升。
       四、改造方案三
       目前很多碼頭使用西門子的產(chǎn)品來升級換代，主要原因是其元器件能在市場上容易買到，各單位能集成自己的系統(tǒng)；缺點是人員專業(yè)性不能保證，系統(tǒng)安全性需要評估。通常由西門子6RA70型直流驅(qū)動器替換DC300，S7-300（或S7-400）作為主PLC，ET200M通訊模塊作為遠程I/O模塊的通訊單元。
該系統(tǒng)中PLC和遠程模塊的通訊為Profibus總線通訊，PLC和6RA70驅(qū)動的通訊也是Profibus通訊。在起重機系統(tǒng)設計中，6RA直流驅(qū)動器的輸入側要注意輸入電抗器的選擇。
       Simoreg 6RA70系列整流裝置為三相交流電源直接供電的全數(shù)字控制裝置，其結構緊湊，用于直流電機電樞和勵磁供電及調(diào)速控制，額定電流范圍為15～2000A。Simoreg 6RA70系列整流裝置特點為體積小，結構緊湊。門內(nèi)裝有一個內(nèi)設主控板電子箱、Profibus通訊卡，并增加起重機專用T300工藝卡及內(nèi)置專用控制程序。對于集裝箱起重機，它的工藝軟件叫“Hoist Gear”，與Master Drive（西門子的交流傳動）能夠通用。通過工藝軟件，能實現(xiàn)上述一，二方案中的相關內(nèi)容，保證性能上的一致性。
       但是，Simoreg 6RA70有一個缺點：對于磁場控制的線路只有一套。應用于如起升/大車共享的機構，則磁場回路需要切換，即在一組電機上磁場斷電后再通過接觸器接到另一組電機上，其切換時間約7s，影響操作性能。為此，需要通過增加小型6RA70驅(qū)動器，作為其中一組電機獨立的磁場控制單元，不僅會增加成本，對控制保護也需提出要求。
       該方案改造后，仍保留了接觸器、繼電器等外圍設備的零部件。更換了整機PLC及驅(qū)動器，而整機軟件系統(tǒng)由GE改造成西門子系統(tǒng)，這種改造方案需要對PLC系統(tǒng)進行重新培訓學習和掌握。
       五、 結論
       通過對以上3種改造方案的比較，發(fā)現(xiàn)前2種方案比后一種在時間節(jié)點、軟件易用性上有明顯優(yōu)勢，這個優(yōu)勢主要是保留相同品牌的PLC的結果。
       大部分硬件特別是PLC部分均比第3種改造方案改動少，且通訊線路也得以保留。PLC軟件仍為GE IP的軟件，雖然也有升級，但是思路一致，能直接升級，便于技術人員掌握，改造時間也比前者大大縮短。
       第3種方案其實是重新設計系統(tǒng)，可使用各種直流驅(qū)動系統(tǒng)，目前主要是西門子或ABB的直流驅(qū)動，還有CT等國外廠家，國內(nèi)則沒有成熟的替代品。系統(tǒng)設計的工作量大，改造時間長。采用西門子PLC后，對工程技術人員提出了設計軟件/硬件和原有起重機一致性的要求，對于維修人員則提出了學習掌握的要求。
       不同的用戶可采用不同的方式對該系統(tǒng)進行改造。對于擁有岸橋臺數(shù)較多的碼頭，從1～2臺DC300換下來的備件其他設備就能使用，備件價值遠遠超過改造1～2臺所需的費用。而改造后的設備也為維修人員提供了熟悉當前最新系統(tǒng)的平臺，為同類設備升級發(fā)展提供了可靠經(jīng)驗。另外，不同的碼頭，歷史上選用的產(chǎn)品也非常不同，通常會同時存在幾種PLC，只要相關的PLC為維修人員所熟悉，上述主要品牌的PLC都可選擇使用，結合現(xiàn)代Profibus甚至Profinet等工業(yè)以太網(wǎng)，選擇有港機應用背景的直流驅(qū)動品牌，即可達到滿意的效果。