岸邊集裝箱起重機(jī)DC300直流系統(tǒng)改造

       近年來(lái)，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已在大型起重機(jī)上大量應(yīng)用。為此，在我國(guó)各大岸邊集裝箱起重機(jī)（簡(jiǎn)稱岸橋）上裝備的美國(guó)通用電氣公司（GE）的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)DC-300驅(qū)動(dòng)器也面臨著必要的改造。該直流系統(tǒng)在上世紀(jì)八十年代中期至九十年代中期被廣泛應(yīng)用于港口起重設(shè)備。自1998年起，該系統(tǒng)開始停產(chǎn)。將直流傳動(dòng)系統(tǒng)改造成目前流行的交流系統(tǒng)，都面臨更換電機(jī)，重新敷設(shè)電纜等大量工作，改造成本及時(shí)間都很難滿足碼頭繁重的生產(chǎn)任務(wù)要求。本文結(jié)合振華公司已成功改造項(xiàng)目的技術(shù)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(shù)分析
       如圖l所示，岸橋的2個(gè)起升電機(jī)通常為串聯(lián)，由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制。大車電機(jī)一般是2個(gè)串聯(lián)后再并聯(lián)。為了節(jié)約驅(qū)動(dòng)設(shè)備的費(fèi)用和空間，起重機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都有共享驅(qū)動(dòng)的概念，通常是起升/大車共享一個(gè)驅(qū)動(dòng)器；小車和俯仰共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。需要有外部接觸器和驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的馬達(dá)組別和時(shí)序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)電機(jī)的切換。

       
       對(duì)于高可靠性起重機(jī)的驅(qū)動(dòng)器而言，其起升機(jī)構(gòu)是位勢(shì)載荷，額定載荷一般達(dá)到651t，吊具等本身自重達(dá)20t。對(duì)于機(jī)械制動(dòng)器的控制要求非常嚴(yán)格，應(yīng)具有如下功能：
       1、必須有Torque Proving功能來(lái)保證制動(dòng)器的安全打開，以及性能優(yōu)越的制動(dòng)器控制，主要要求制動(dòng)時(shí)無(wú)明顯沖擊。
       2、恒功率控制在不同載荷時(shí)，能正確計(jì)算載荷，并達(dá)到合理的最大速度。
       3、掛艙保護(hù)發(fā)生時(shí)，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生安全的反相最大電流，從而達(dá)到最快的制動(dòng)時(shí)間。一般實(shí)際測(cè)試為680 ms左右。
       4、不同載荷的情況下，驅(qū)動(dòng)器監(jiān)測(cè)的超速保護(hù)值會(huì)自動(dòng)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)真正的超速保護(hù)。
       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(guò)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(lái)代替，而DC300驅(qū)動(dòng)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(jì)末在上海、南通等項(xiàng)目上應(yīng)用（系統(tǒng)為GE驅(qū)動(dòng)部設(shè)計(jì)），至今運(yùn)行情況非常好。此外，振華港機(jī)還進(jìn)行過(guò)張家港等碼頭的改造項(xiàng)目，目前使用良好。
       用RX3i代替原系列六PLC系統(tǒng)及遠(yuǎn)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(shè)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(dòng)器以及原有外圍硬件部分，但控制線路為實(shí)現(xiàn)如下功能需進(jìn)行修改。
       1、從PLC到DC300的信號(hào)處理
       （1）從PLC輸出模塊接線到DC300，主要信號(hào)有運(yùn)行指令、減速指令、起升經(jīng)濟(jì)磁場(chǎng)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(gè)方向）及手柄給定信號(hào)（模擬量信號(hào)接到驅(qū)動(dòng)器LTB端子25及COM）等。
       （2）從DC300到PLC輸入模塊的主要信號(hào)有主接觸器吸合指令、驅(qū)動(dòng)器故障信號(hào)、制動(dòng)器報(bào)閘點(diǎn)信號(hào)（零速信號(hào)）、轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)通過(guò)反饋信號(hào)、起升磁場(chǎng)過(guò)流信號(hào)及驅(qū)動(dòng)器過(guò)溫信號(hào)等。
       2、從上述信號(hào)分析
       （1）從DC300來(lái)的Torque Proving信號(hào)，在PLC軟件中通過(guò)邏輯保護(hù)后，發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器以保證制動(dòng)器的安全打開；同時(shí)利用DC300反饋給PLC的零速信號(hào)，通過(guò)PLC的邏輯控制，最后實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)無(wú)明顯沖擊。
       （2）恒功率控制和掛艙保護(hù)均在DC300中進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，工作可靠，且與PLC無(wú)關(guān)。
       （3）不同的載荷情況下，驅(qū)動(dòng)器監(jiān)測(cè)的超速保護(hù)值會(huì)自動(dòng)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)真正的超速保護(hù)，也在DC300內(nèi)部控制，且與PLC整改無(wú)關(guān)。
       （4）手柄給定信號(hào)是將模擬量信號(hào)接到驅(qū)動(dòng)器，硬線連接是最快的信號(hào)傳輸方式（在特定短距離范圍內(nèi)）。在改造過(guò)程中，手柄信號(hào)通過(guò)編碼器傳到模塊，再由輸出模塊接線到驅(qū)動(dòng)器，部分信號(hào)由Genius總線傳送。但通過(guò)分析可以得出，改造后從模塊到驅(qū)動(dòng)器的通訊采用硬線，手柄信號(hào)在驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)只會(huì)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(jī)的性能也會(huì)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(dòng)沒(méi)有通訊，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的監(jiān)控信號(hào)有限。TMEIC GE已經(jīng)推出最新的直流驅(qū)動(dòng)器TMDC，對(duì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的相關(guān)板子和插件，而原來(lái)的可控硅等動(dòng)力回路、電纜及直流電機(jī)等全部保留，改造內(nèi)容很少。
       2、更換直流驅(qū)動(dòng)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(jī)等，由此驅(qū)動(dòng)器得到更新，控制系統(tǒng)優(yōu)化，但外部設(shè)備如電機(jī)和電纜等依然得以保留。
       3、全新的控制柜，包含驅(qū)動(dòng)器和主回路接觸器等所有相關(guān)部件。
       該項(xiàng)目修改了PLC為RX3i，遠(yuǎn)程模塊依然采用Genius通訊，這樣大大減少了通訊電纜的敷設(shè)工作。驅(qū)動(dòng)器采用Profibus和PLC通訊，驅(qū)動(dòng)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(jī)的恒功率和制動(dòng)器控制等全部由最新的控制軟件實(shí)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(shù)的廣泛應(yīng)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(lái)升級(jí)換代，主要原因是其元器件能在市場(chǎng)上容易買到，各單位能集成自己的系統(tǒng)；缺點(diǎn)是人員專業(yè)性不能保證，系統(tǒng)安全性需要評(píng)估。通常由西門子6RA70型直流驅(qū)動(dòng)器替換DC300，S7-300（或S7-400）作為主PLC，ET200M通訊模塊作為遠(yuǎn)程I/O模塊的通訊單元。
該系統(tǒng)中PLC和遠(yuǎn)程模塊的通訊為Profibus總線通訊，PLC和6RA70驅(qū)動(dòng)的通訊也是Profibus通訊。在起重機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，6RA直流驅(qū)動(dòng)器的輸入側(cè)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(jié)構(gòu)緊湊，用于直流電機(jī)電樞和勵(lì)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(diǎn)為體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。門內(nèi)裝有一個(gè)內(nèi)設(shè)主控板電子箱、Profibus通訊卡，并增加起重機(jī)專用T300工藝卡及內(nèi)置專用控制程序。對(duì)于集裝箱起重機(jī)，它的工藝軟件叫“Hoist Gear”，與Master Drive（西門子的交流傳動(dòng)）能夠通用。通過(guò)工藝軟件，能實(shí)現(xiàn)上述一，二方案中的相關(guān)內(nèi)容，保證性能上的一致性。
       但是，Simoreg 6RA70有一個(gè)缺點(diǎn)：對(duì)于磁場(chǎng)控制的線路只有一套。應(yīng)用于如起升/大車共享的機(jī)構(gòu)，則磁場(chǎng)回路需要切換，即在一組電機(jī)上磁場(chǎng)斷電后再通過(guò)接觸器接到另一組電機(jī)上，其切換時(shí)間約7s，影響操作性能。為此，需要通過(guò)增加小型6RA70驅(qū)動(dòng)器，作為其中一組電機(jī)獨(dú)立的磁場(chǎng)控制單元，不僅會(huì)增加成本，對(duì)控制保護(hù)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(shè)備的零部件。更換了整機(jī)PLC及驅(qū)動(dòng)器，而整機(jī)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(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行重新培訓(xùn)學(xué)習(xí)和掌握。
       五、 結(jié)論
       通過(guò)對(duì)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(shí)間節(jié)點(diǎn)、軟件易用性上有明顯優(yōu)勢(shì)，這個(gè)優(yōu)勢(shì)主要是保留相同品牌的PLC的結(jié)果。
       大部分硬件特別是PLC部分均比第3種改造方案改動(dòng)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(jí)，但是思路一致，能直接升級(jí)，便于技術(shù)人員掌握，改造時(shí)間也比前者大大縮短。
       第3種方案其實(shí)是重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可使用各種直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，目前主要是西門子或ABB的直流驅(qū)動(dòng)，還有CT等國(guó)外廠家，國(guó)內(nèi)則沒(méi)有成熟的替代品。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量大，改造時(shí)間長(zhǎng)。采用西門子PLC后，對(duì)工程技術(shù)人員提出了設(shè)計(jì)軟件/硬件和原有起重機(jī)一致性的要求，對(duì)于維修人員則提出了學(xué)習(xí)掌握的要求。
       不同的用戶可采用不同的方式對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改造。對(duì)于擁有岸橋臺(tái)數(shù)較多的碼頭，從1～2臺(tái)DC300換下來(lái)的備件其他設(shè)備就能使用，備件價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)改造1～2臺(tái)所需的費(fèi)用。而改造后的設(shè)備也為維修人員提供了熟悉當(dāng)前最新系統(tǒng)的平臺(tái)，為同類設(shè)備升級(jí)發(fā)展提供了可靠經(jīng)驗(yàn)。另外，不同的碼頭，歷史上選用的產(chǎn)品也非常不同，通常會(huì)同時(shí)存在幾種PLC，只要相關(guān)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(jié)合現(xiàn)代Profibus甚至Profinet等工業(yè)以太網(wǎng)，選擇有港機(jī)應(yīng)用背景的直流驅(qū)動(dòng)品牌，即可達(dá)到滿意的效果。