董春徐世民胡志宇

0概述本项目是一种全新技术的研发及应用，科技含量高，技术先进。研制成功投入生产后，可成为高附加值产品。项目利用先进的电气调速控制技术和PLC智能控制技术，研发电差动四卷筒桥式抓斗卸船机代替机械差动四卷筒抓斗卸船机，设置4台完全独立且相同的卷扬机构，此机构采用4台相同的变频调速电机和普通减速器，分别驱动2个起升卷筒和2个开闭卷筒，可避免采用构造复杂且价格昂贵的差动减速器，降低制造成本，增强市场竞争力。项目实施以来，基本达到了上述目的，获得了一系列具有特色的成果。

1机械系统构成1.1电差动试验平台的机械布置结构电差动试验平台的机械布置如图1所示，试验平台主要参数如下：试验额定起重量1.2t，起升速度40m/min，下降速度40m/min，小车运行速度60m/min，前部外伸距8m（从中间立柱中心起），后部外伸距2m（从中间立柱中心起），起升高度5.5m（从抓斗底部到地面），门框结构的轨距跨度10m和5m，门框侧视基距跨度3m。

图1机械布置总图

金属结构采用工字梁作为主体结构支撑形式，制作简单，成本较低，采用门架式的结构形式，经过Ansys结构有限元计算，金属结构能够很好地承受各种载荷。结构上层平台模拟卸船机的大梁结构，焊接方钢作为简易的小车运行轨道，并安装滑轮缠绕系统，用于电差动四卷筒机构牵引小车运行和抓斗开闭。

在试验平台的后部中间层设置电差动系统的四卷筒起升开闭机构，模拟卸船机机房起升开闭机构的布置形式。将起升开闭机构放置在后部偏低的位置，有利于整个试验平台结构的稳定性，以及为后续的调试整改提供更多的便利性。

从图1钢丝绳牵引缠绕图可以看出四卷筒电差动在卷筒布置上与原机械差动的卷筒布置基本类似，左侧的卷筒作为开闭卷筒，右侧的2个卷筒为起升卷筒。但是电差动四卷筒机构采用的是相同规格的4个标准减速器、卷筒、电机和制动器组成，结构形式更加简单，零部件具有很高的通用性和互换性，回避了之前的机械差动减速器，质量轻、成本低、维护性好。

考虑到试验平台的成本和模型的小型化，电差动试验平台的主小车设计了更加轻型简便的形式，实现了主小车的功能，保证了结构的可维护性和经济性。

电差动试验平台采用了1.2t模型抓斗，主要实验物料为黄沙，密度1.5t/m3，抓斗斗容0.48m3，由于模型结构较小，无法采用常规梨形头安装形式，因此试验平台上采用绳套和绳夹固定方式。电差动试验平台在地面设置电气控制房，用于安装该试验平台的电气控制柜和操作系统，具备良好的观察视野，便于控制抓斗和小车的运动轨迹。同时在试验平台上安装简易维护调试通道，以便调试和维护人员的通行。由于此试验平台主要模拟卸船机的起升开闭小车运行，因此，其他机构配置均简化设计或者取消。

1.2电差动四卷筒驱动机构电差动试验平台的核心之一是四卷筒机构的驱动机构，该机构由4套统一的电机、制动器、减速器和卷筒组成。结构布置形式一致，配套件型号一致，仅有对称和卷筒旋向的区别。这一结构形式简单、通用、维护方便、占用空间较小，同时后续备件和保养也具有很大的优势，由于消了原机械差动减速器，整体机构的质量和成本也能为后续项目提供更大的竞争优势。

整个起升开闭机构由4套此机构构成，该机构配置一台4kW、r/min的电动机作为驱动，安装鼓型联轴器和配套的高速制动器。采用单输入、双输出的平行轴卧式减速器，在标准减速器的限位输出轴处安装1:1的分动箱，通过安装在此处的绝对值编码器和凸轮限位，将卷筒转速和圈数信息传递给电气控制系统。

1.3差动减速器凸轮限位检测装置机械差动起升开闭机构，通过差动减速器的逻辑计算配合电气程序的控制，能够实现对抓斗起升和小车运行的机械硬件保护。该机械保护在电差动试验中也是必须的，不能仅靠电气软件的保护。

凸轮限位系统以海陆侧卷筒输出作为此系统的2个输入值，再由差动行星减速器进行机械逻辑运算后输出，凸轮限位可直接与此减速器输出轴连接。由于海陆侧4个卷筒，正常作业时的运转速度和方向均两两一致，因而只需监测一组海陆侧卷筒即可实现对起升动作的保护。

为了实现电差动系统的差动检测功能，设计研究了链轮差动减速器凸轮限位检测装置。在4个标准卷筒的尾部轴承座处安装链轮，通过链条传递形式，将卷筒的旋转圈数和旋转方向，传递到一个小型差动减速器处。在差动减速器上配套安装凸轮限位和绝对位置编码器，通过机械差动的逻辑计算得到的圈数变化，经过凸轮限位和绝对位置编码器反馈给电气控制系统，实现设备的硬件安全保护。

2电气系统构成电差动抓斗卸船机试验平台电气系统主要包括电气硬件系统和软件程序功能块等。

2.1电气硬件系统本研究项目选用德国西门子电控产品构成整个电控系统，即西门子S7-系列PLC加西门子SINAMICS系列驱动器，其电气主回路动力单线图见图2。整个系统由一台功率为36kW的SLM整流器作为逆变器的供电单元，其额定输出电流为60A（DC），直流母排电压V（DC）。下端连接了5台逆变单元（其中一台为备用），考虑到通用性问题，所有逆变选择同一功率同一型号，逆变单元输出功率为9.7kW，额定输出电流为18A，输出电压为V（AC）。

图2电气主回路动力单线图

2.2电气系统通讯构成如图3所示，选用CPU-2PN/DP，内置Profibus-DP网络接口和Profinet网络接口；在Profibus-DP网络上设置I/O模块，用于采集所需的按钮、限位、反馈信号等，并输出控制信号用于控制辅助机构的启停等功能。另外选用了2套CU驱动器控制器，用于控制驱动系统。其中一套CU控制器用于控制整流单元，将三相交流V（AC）整流为V（DC）的直流电源。另外一套CU控制器，搭载了起升1、起升2、开闭1、开闭2共计4台逆变器，用于驱动电机的控制。本系统通过集成在驱动电机尾部的脉冲编码器反馈信号来实现速度回路的闭环控制，通过集成在卷筒输出侧的绝对值编码器反馈信号来实现位置回路的闭环控制。

图3PLC及模块通讯

驱动器运算控制器（CU）主要负责接受PLC系统发出的数据链，并结合驱动器本身反馈的数据链，组合成经典的命令/反馈闭环控制模型。机构的运动控制模型全部由驱动运算器负责完成，然后根据模型运算的结果驱动逆变器输出经过运算的安全可靠的电能，最终由电机执行系统完成相对应的机械传动，其构件见图4。

图4CU布置PLC与命令给定系统之间采用Profibus-DP通讯方式，使用总线型拓扑结构进行数据链路交换；主PLC与驱动器运算控制器（CU）之间采用Profinet通讯方式，使用总线型拓扑结构进行数据链路交换；驱动器运算控制器（CU）与电气驱动系统之间采用DriveCLiq通讯方式，使用星型拓扑结构进行数据链路交换。

2.3软件功能块软件功能主要在PLC和CU内构成。1）速度给定模块：通过采集手柄给定信号，通过内部集成的编码转换功能，将给定信号通过各模式下机构运行速度计算以及安全控制模块的限幅后，通过现场总线发送给CU，以实现速度给定。命令给定系统主要由配置在操作台上的起升/开闭手柄、小车手柄、各种操作按钮组成，见图5，其作用为操控起升机构、开闭机构、小车机构进行相应的动作，并完成各种初始设置的任务。

图5司机操作控制台

2）安全控制模块：通过外部信号采集及内部信号换算，对输出给各驱动器的速度给定进行有效的安全限幅。安全控制模块还包含各种紧停模式下的安全停车等功能。

3）位置计算模块：通过采集绝对值编码器反馈信号，经过公式换算后得到各机构实际运行位置值，经过换算后的实际位置值作为重要的信号参与同步控制以及复合运动控制计算。位置计算模块还包含位置清零、位置检测、位置同步等功能。

4）力矩平衡模块：由于CU具备用户自由编程功能，考虑到PI控制器的动态响应与电机机械特性的平衡，因此力矩平衡模块将采用DCC编程模式，编写在CU控制器内部。力矩平衡模块的主要功能是比较单动模式下起升/开闭上升过程中的力矩变化值，计算得出力矩偏差值，将力矩偏差值通过PI调节器的计算得到补偿速度给定，将补偿速度经过内部程序限幅后叠加到开闭机构驱动器，从而实现起升/开闭单动上升过程中的力矩平衡。此功能块的主要目的是当负载起升的时候比较两根轴之间的转矩反馈值，快速调节到平衡状态的功能块。并且可以根据电机机械特性的曲线调节输出参数动态响应时间，达到平衡状态。其功能示意图见图6。

图6力矩平衡功能块示意图

5）位置同步功能块：当机构运行在复合运动模式下，为了保证复合运动上升过程的抓斗角度恒定，将位置模块计算得到的实时位置值（抓斗角度值），与抓斗设定的闭斗位置值（复合运动抓斗上升过程）或者开斗位置设置值（复合运动抓斗下降过程）进行比较，从而得到偏差值，将偏差值通过PI调节得到补偿速度给定，将补偿速度经过内部程序限幅后叠加到开闭机构驱动器。从而实现复合运动过程中，在保持抓斗紧闭状态（上升）或抓斗开斗状态（下降）下，起升钢丝绳和开闭钢丝绳受力平衡。位置同步功能块与力矩平衡功能块通过模式切换进行切换互锁。考虑到动态响应问题，此功能块集成在CU内，通过DCC方式进行编程，所需的位置信号等信号源由现场总线传输到CU。此功能块的主要目的是运动过程中比较两根轴之间的位置反馈值，快速调节两根轴的位置到同步状态。并且可以根据电机机械特性曲线调节输出参数动态响应时间，达到快速同步状态。其功能示意图见图7。

图7位置同步功能块示意图

6）模式控制功能块：通过采集手柄、限位、按钮等组合信号，根据各种工况得到不同的模式。模式将作为重要的信号参与机构运动过程控制。模式共分为维修模式、正常模式、半自动模式、单动模式、复合运动模式。

7）机构运行速度功能块：此功能块的主要作用是接受速度给定模块的手柄给定值，然后根据式信号，分别将发送到起升1、起升2、开闭1、开闭2的速度给定，根据公式计算进行相应的叠加或者方向取反。

8）位置环路计算功能块：此功能块的主要功能是根据机构的实时位置与目标位置的差值来计算得到机构所需的加速度给定值与加速时间。同时位置控制的计算输出值受到手柄给定速度的限幅。位置环路控制模式的优点在于定位更加精确，是实现半自动功能的重要前提。

9）运动控制功能块：运动控制功能块是以位置环路标定来计算速度给定的一种算法模型，此模型被大量应用在机器人以及数控机床等同步响应要求很高的机械运动领域，其模型放弃了传统以“手柄给定”作为速度给定的计算模式。采用以“位移差”作为速度给定的方式，以“手柄”给定作为正反馈信号进行限幅的计算模型。该模型的优点在于大幅提升定位精度和同步控制精度，由于本系统采用此控制方式，控制精度由厘米级大幅提升到30mm以内的水平。图8为功能示意图。

图8位置环路计算功能块示意图

10）抓斗快停功能块：在抓斗接触料面的情况下，为了保证钢丝绳松绳的张紧度，通过PI控制器的调节计算得到的速度附加给定值来规避减速停止所需的时间差，实现抓斗在满足机械特性的情况下，快速停止抓斗下降过程，从而为后面的深挖功能提供可控的下沉空间。此功能块主要是在检测到抓斗负载变成空载后，自动输出下降停止命令，以停止起升机构的工作。图9为功能示意图。

图9抓斗快停功能块示意图

11）深挖功能块：深挖功能块主要实现抓斗在取料过程中，抓斗起升钢丝绳在保持一定力矩的情况下，有控制地下沉，以实现抓取更多物料的目的。当抓斗在物料上方闭斗的过程中，自动实现抓斗钢丝绳在长紧的状态下自动下沉，以达到抓取更多物料、提高作业效率的目的。其动态响应根据电机特性可调，图10为功能示意图。

图10抓斗快停功能块示意图

12）闭斗堵转功能：当抓斗在闭斗取料过程中遇到硬物无法闭合时，抓斗能实现小幅度自动上提动作，直到闭斗完成，从而避免抓斗损坏。

图11小车防摇功能块示意图

13）半自动控制功能块：半自动模式下，在设定好相应的目标位置后，卸船机可以根据特定的轨迹进行复合运动，从而替换手动控制模式，降低司机劳动强度。

14）小车防摇功能块：此功能主要满足小车机构运动过程中，抓斗摆斗控制，上文所述PLC内半自动程序集内，通过通讯将ControlEnabl、LengthofHoistRope、TrolleyRefOfJoystick、TargetPosition、ActPosition、RampUpTime、RampDownTime等信号送入CU控制器，通过内置在控制器内的算法，计算出小车机构实现防摇目的所需的速度给定。图11为功能示意图。

3结束语本项目实现了四卷筒抓斗卸船机软件差动系统钢丝绳自动同步技术的研发和软件差动系统半自动运行功能的研发，软件差动系统完全替代传统机械差动系统的功能。桥式抓斗卸船机电差动控制技术保留了机械差动的全部优点，取消了差动行星齿轮箱和小车机构，机房结构紧凑，维护方便，整机自重减轻，将会成为抓斗卸船机电控技术发展的方向。