岸边集装箱起重机DC300直流系统改造

       近年来，交流驱动系统已在大型起重机上大量应用。为此，在我国各大岸边集装箱起重机（简称岸桥）上装备的美国通用电气公司（GE）的数字直流调速系统DC-300驱动器也面临着必要的改造。该直流系统在上世纪八十年代中期至九十年代中期被广泛应用于港口起重设备。自1998年起，该系统开始停产。将直流传动系统改造成目前流行的交流系统，都面临更换电机，重新敷设电缆等大量工作，改造成本及时间都很难满足码头繁重的生产任务要求。本文结合振华公司已成功改造项目的技术分析和成本比较，可为类似的工程改造提供更好的参考。
       一、技术分析
       如图l所示，岸桥的2个起升电机通常为串联，由一个驱动器控制。大车电机一般是2个串联后再并联。为了节约驱动设备的费用和空间，起重机驱动系统都有共享驱动的概念，通常是起升/大车共享一个驱动器；小车和俯仰共用一个驱动器。需要有外部接触器和驱动器内部的马达组别和时序控制来实现相关电机的切换。

       
       对于高可靠性起重机的驱动器而言，其起升机构是位势载荷，额定载荷一般达到651t，吊具等本身自重达20t。对于机械制动器的控制要求非常严格，应具有如下功能：
       1、必须有Torque Proving功能来保证制动器的安全打开，以及性能优越的制动器控制，主要要求制动时无明显冲击。
       2、恒功率控制在不同载荷时，能正确计算载荷，并达到合理的最大速度。
       3、挂舱保护发生时，驱动器产生安全的反相最大电流，从而达到最快的制动时间。一般实际测试为680 ms左右。
       4、不同载荷的情况下，驱动器监测的超速保护值会自动计算，从而实现真正的超速保护。
       上述功能在Series Six和DC300系统中，都得到了很好的体现，Series Six和DC300通过Lan通讯传送/接收数据。
       二、改造方案一
       将Series Six改由GE IP的最新RX3i来代替，而DC300驱动器保留；PLC软件的主程序框架和外围模块及线路均可保留。自上世纪末在上海、南通等项目上应用（系统为GE驱动部设计），至今运行情况非常好。此外，振华港机还进行过张家港等码头的改造项目，目前使用良好。
       用RX3i代替原系列六PLC系统及远程模块更改为最新的Versa Max系列，保留Genius通讯，最大程度减少敷设电缆等工作，施工调试周期控制在2周左右。保留原有DC300驱动器以及原有外围硬件部分，但控制线路为实现如下功能需进行修改。
       1、从PLC到DC300的信号处理
       （1）从PLC输出模块接线到DC300，主要信号有运行指令、减速指令、起升经济磁场指令、大车模式指令、起升防下坠指令、起升/大车封锁指令（2个方向）及手柄给定信号（模拟量信号接到驱动器LTB端子25及COM）等。
       （2）从DC300到PLC输入模块的主要信号有主接触器吸合指令、驱动器故障信号、制动器报闸点信号（零速信号）、转矩校验通过反馈信号、起升磁场过流信号及驱动器过温信号等。
       2、从上述信号分析
       （1）从DC300来的Torque Proving信号，在PLC软件中通过逻辑保护后，发送到驱动器以保证制动器的安全打开；同时利用DC300反馈给PLC的零速信号，通过PLC的逻辑控制，最后实现制动器制动时无明显冲击。
       （2）恒功率控制和挂舱保护均在DC300中进行自动计算，工作可靠，且与PLC无关。
       （3）不同的载荷情况下，驱动器监测的超速保护值会自动计算，从而实现真正的超速保护，也在DC300内部控制，且与PLC整改无关。
       （4）手柄给定信号是将模拟量信号接到驱动器，硬线连接是最快的信号传输方式（在特定短距离范围内）。在改造过程中，手柄信号通过编码器传到模块，再由输出模块接线到驱动器，部分信号由Genius总线传送。但通过分析可以得出，改造后从模块到驱动器的通讯采用硬线，手柄信号在驱动器的响应只会更快。改造后，PLC更新换代但修改硬件极少，软件思路一致，又可以发挥CMS的作用，而起重机的性能也会有一定程度的提升。
       三、改造方案二
       仅修改PLC的方案虽然成本较低，效果也较好，但毕竟PLC和驱动没有通讯，对驱动器的监控信号有限。TMEIC GE已经推出最新的直流驱动器TMDC，对驱动器的几种改造形式可满足客户的不同需要。
       1、可以只更换驱动器的相关板子和插件，而原来的可控硅等动力回路、电缆及直流电机等全部保留，改造内容很少。
       2、更换直流驱动器整体，但保留控制屏本体和外部切换接触器、外部电缆及直流电机等，由此驱动器得到更新，控制系统优化，但外部设备如电机和电缆等依然得以保留。
       3、全新的控制柜，包含驱动器和主回路接触器等所有相关部件。
       该项目修改了PLC为RX3i，远程模块依然采用Genius通讯，这样大大减少了通讯电缆的敷设工作。驱动器采用Profibus和PLC通讯，驱动器的监控和软件管理则采用最新的工业以太网通讯。上述起重机的恒功率和制动器控制等全部由最新的控制软件实现，而改造前后的控制概念是完全一致的。由于工业以太网通讯技术的广泛应用，控制系统及监控管理都得到了极大的提升。
       四、改造方案三
       目前很多码头使用西门子的产品来升级换代，主要原因是其元器件能在市场上容易买到，各单位能集成自己的系统；缺点是人员专业性不能保证，系统安全性需要评估。通常由西门子6RA70型直流驱动器替换DC300，S7-300（或S7-400）作为主PLC，ET200M通讯模块作为远程I/O模块的通讯单元。
该系统中PLC和远程模块的通讯为Profibus总线通讯，PLC和6RA70驱动的通讯也是Profibus通讯。在起重机系统设计中，6RA直流驱动器的输入侧要注意输入电抗器的选择。
       Simoreg 6RA70系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电及调速控制，额定电流范围为15～2000A。Simoreg 6RA70系列整流装置特点为体积小，结构紧凑。门内装有一个内设主控板电子箱、Profibus通讯卡，并增加起重机专用T300工艺卡及内置专用控制程序。对于集装箱起重机，它的工艺软件叫“Hoist Gear”，与Master Drive（西门子的交流传动）能够通用。通过工艺软件，能实现上述一，二方案中的相关内容，保证性能上的一致性。
       但是，Simoreg 6RA70有一个缺点：对于磁场控制的线路只有一套。应用于如起升/大车共享的机构，则磁场回路需要切换，即在一组电机上磁场断电后再通过接触器接到另一组电机上，其切换时间约7s，影响操作性能。为此，需要通过增加小型6RA70驱动器，作为其中一组电机独立的磁场控制单元，不仅会增加成本，对控制保护也需提出要求。
       该方案改造后，仍保留了接触器、继电器等外围设备的零部件。更换了整机PLC及驱动器，而整机软件系统由GE改造成西门子系统，这种改造方案需要对PLC系统进行重新培训学习和掌握。
       五、 结论
       通过对以上3种改造方案的比较，发现前2种方案比后一种在时间节点、软件易用性上有明显优势，这个优势主要是保留相同品牌的PLC的结果。
       大部分硬件特别是PLC部分均比第3种改造方案改动少，且通讯线路也得以保留。PLC软件仍为GE IP的软件，虽然也有升级，但是思路一致，能直接升级，便于技术人员掌握，改造时间也比前者大大缩短。
       第3种方案其实是重新设计系统，可使用各种直流驱动系统，目前主要是西门子或ABB的直流驱动，还有CT等国外厂家，国内则没有成熟的替代品。系统设计的工作量大，改造时间长。采用西门子PLC后，对工程技术人员提出了设计软件/硬件和原有起重机一致性的要求，对于维修人员则提出了学习掌握的要求。
       不同的用户可采用不同的方式对该系统进行改造。对于拥有岸桥台数较多的码头，从1～2台DC300换下来的备件其他设备就能使用，备件价值远远超过改造1～2台所需的费用。而改造后的设备也为维修人员提供了熟悉当前最新系统的平台，为同类设备升级发展提供了可靠经验。另外，不同的码头，历史上选用的产品也非常不同，通常会同时存在几种PLC，只要相关的PLC为维修人员所熟悉，上述主要品牌的PLC都可选择使用，结合现代Profibus甚至Profinet等工业以太网，选择有港机应用背景的直流驱动品牌，即可达到满意的效果。