裴 宇

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

基于變頻的電纜卷盤(pán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

裴 宇

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

電纜卷盤(pán)是岸橋吊具的重要設(shè)備，隨著岸橋設(shè)備的更新和相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電纜卷盤(pán)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求。比較磁滯聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)方式與變頻控制方式的特點(diǎn)，采用變頻速度控制設(shè)計(jì)的一套電纜卷盤(pán)控制系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)在ZPMC的新加坡岸橋二期項(xiàng)目上得到成功應(yīng)用。

電纜卷盤(pán)；磁滯聯(lián)軸器；變頻速度控制

0 引 言

隨著遠(yuǎn)洋運(yùn)輸業(yè)持續(xù)發(fā)展，開(kāi)展現(xiàn)代化集裝箱碼頭裝卸工作有著極為重要的意義。岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“岸橋”)作為搬運(yùn)集裝箱的主要設(shè)備，在促進(jìn)航運(yùn)發(fā)展方面起著重要的作用。

岸橋可按功能劃分為起升機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、運(yùn)行小車(chē)機(jī)構(gòu)和大車(chē)行走機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)，其中起升機(jī)構(gòu)作為岸橋的核心機(jī)構(gòu)，具有以下發(fā)展趨勢(shì)[1]:

1)提升速度大幅提高；

2)起升高度不斷增高；

3)吊具載重量急劇增長(zhǎng)。

隨著岸橋行業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)起升機(jī)構(gòu)的電氣設(shè)計(jì)提出越來(lái)越高的要求。吊具電纜卷盤(pán)控制系統(tǒng)為岸橋吊具提供電源和控制信號(hào)，其完好率和自動(dòng)化程序決定著岸橋的工作效率。

1 電纜卷盤(pán)控制系統(tǒng)的組成

吊具電纜卷盤(pán)控制系統(tǒng)主要由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、集電器、電纜卷盤(pán)及吊具電纜固定裝置等4部分組成(見(jiàn)圖1)。

1.1動(dòng)力機(jī)構(gòu)

吊具電纜卷盤(pán)控制系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、磁滯聯(lián)軸器和減速箱等，其驅(qū)動(dòng)方式包括磁滯式控制方式和全變頻速度控制方式2種。這2種控制方式的核心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別為磁滯聯(lián)軸器和變頻調(diào)速裝置。

1.1.1 磁滯聯(lián)軸器

磁滯聯(lián)軸器是電機(jī)與減速箱之間的一種傳動(dòng)裝置，通過(guò)磁滯力給電纜卷盤(pán)提供轉(zhuǎn)矩，其結(jié)構(gòu)相比其他傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，體積、質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都較小[2]。設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)改變聯(lián)軸器的數(shù)量和每只聯(lián)軸器的輸出力矩來(lái)調(diào)整磁軸聯(lián)軸器的扭矩，滿足各種吊具電纜及電纜長(zhǎng)度的需要。因此，磁軸式卷纜系統(tǒng)具有整體靈活、適應(yīng)能力強(qiáng)及失電時(shí)可保護(hù)電纜等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的動(dòng)力張緊裝置。

1.1.2 變頻調(diào)速裝置

變頻調(diào)速裝置包括可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)、變頻器和變頻電機(jī)，該控制方式可省略磁滯聯(lián)軸器，根據(jù) PLC 獲取的吊具高度、位置、速度等信息計(jì)算出輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)運(yùn)行。全變頻調(diào)速系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、跟隨效果好和適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)，特別適用于速度變化快、提升高度高和電纜自重大的場(chǎng)合，符合當(dāng)前電纜卷盤(pán)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，是目前較為先進(jìn)的吊具電纜卷盤(pán)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

1.2集電器

集電器又稱(chēng)滑環(huán)箱，由張力裝置和集電刷組成?；h(huán)箱通過(guò)電刷與導(dǎo)軌滑動(dòng)接觸，在旋轉(zhuǎn)的情況下保證電纜和供電箱的電氣連接，將電能輸送給電纜，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)供電。

1.3電纜卷盤(pán)

在對(duì)電纜卷盤(pán)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)，需調(diào)整中間的開(kāi)檔尺寸，以保證電纜能順利滑動(dòng)；在設(shè)計(jì)卷盤(pán)時(shí)，需保證卷盤(pán)寬度在內(nèi)圈大于電纜外徑的10%，在最外圈大于電纜外徑2～3 mm，從而確保電纜工作時(shí)正確纏繞在電纜卷盤(pán)上。

1.4吊具電纜固定裝置

吊具電纜固定裝置可起到固定電纜和緩沖啟動(dòng)時(shí)的電纜沖擊的作用，在裝置的上方和下放裝有過(guò)松過(guò)緊凸輪限位開(kāi)關(guān)，保證設(shè)備安全作業(yè)。吊具電纜緩沖裝置包括松緊繩式、彈簧式、卷盤(pán)式和擺臂式等。

2 電纜卷盤(pán)控制方法

2.1電纜卷盤(pán)常用的2種驅(qū)動(dòng)控制方法對(duì)比

電纜卷盤(pán)常用的驅(qū)動(dòng)控制方法有磁滯聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)和變頻速度控制2種，其中磁滯聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)方式采用磁滯的方式提供力矩，本質(zhì)上屬于力矩控制。力矩控制的缺陷在于低速時(shí)電纜容易拉得過(guò)緊，高速時(shí)會(huì)因力矩不足而出現(xiàn)松纜，因?yàn)槁?lián)軸器的電磁力有限，當(dāng)無(wú)法控制電動(dòng)機(jī)和制動(dòng)器的力矩時(shí)，會(huì)造成電機(jī)的制動(dòng)器與減速箱脫離，即出現(xiàn)松纜情況，引發(fā)事故，因此在設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)留出較大的余量[3]。此外，磁滯式吊具驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也受到限制，在起升高度較高、電纜自重較重的情況下，電纜跟隨效果不佳，成本大幅增長(zhǎng)，這越來(lái)越難以滿足當(dāng)今起升高度較高、吊具載重量較重帶來(lái)的電纜自重較重、提升速度較快的場(chǎng)合的要求。變頻速度控制則是直接調(diào)節(jié)電纜的運(yùn)行速度，不會(huì)出現(xiàn)力矩與速度不匹配的情況，因此這里采用基于變頻的速度控制方式。

2.2變頻速度電纜卷盤(pán)控制系統(tǒng)的工作方式

PLC和變頻器安裝于變頻控制柜內(nèi)(見(jiàn)圖2)，PLC實(shí)時(shí)采集吊具提升的高度和速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)(高度通過(guò)電纜圈數(shù)間接計(jì)算得出，速度則結(jié)合電纜卷盤(pán)的轉(zhuǎn)速和圈數(shù)進(jìn)行計(jì)算)，計(jì)算出輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速給變頻器，變頻器根據(jù)PLC的信息調(diào)節(jié)輸出波形給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由電機(jī)通過(guò)齒輪箱控制卷盤(pán)的運(yùn)動(dòng)，使之與吊具的實(shí)際速度相匹配，并使電纜處在合理的張緊狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜卷盤(pán)的閉環(huán)控制。具體的控制算法見(jiàn)圖3。

2.2.1 主起升上升時(shí)

起升時(shí)起升手柄向上合閘，PLC收到起升信號(hào)后，先進(jìn)行低速正轉(zhuǎn)使電纜張緊；PLC收到手柄命令后，先延時(shí)一段時(shí)間(一般為6 s)再反饋一個(gè)電纜卷盤(pán)運(yùn)行信號(hào)給變頻器；變頻器收到速度使能信號(hào)后，開(kāi)始正常工作。

當(dāng)主起升速度>1%的最大主起升速度時(shí)，判定為卷盤(pán)結(jié)束啟動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)入正常收纜狀態(tài)。此時(shí)，PLC根據(jù)主起升速度和起升高度確定相應(yīng)的電機(jī)所需轉(zhuǎn)速，并給出一個(gè)比所需轉(zhuǎn)速稍大的實(shí)際轉(zhuǎn)速給變頻器，使電纜始終保持在張緊狀態(tài)。

當(dāng)起升手柄回零位時(shí)結(jié)束起升，吊具電纜卷盤(pán)電機(jī)會(huì)以較低的恒定轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)5 s后延時(shí)停止，延時(shí)的目的是避免制動(dòng)器頻繁抱閘。

2.2.2 主起升下降時(shí)

與起升過(guò)程類(lèi)似，起升手柄向下發(fā)出下降信號(hào)，PLC延時(shí)啟動(dòng)，運(yùn)行狀態(tài)下為放纜狀態(tài)，給定轉(zhuǎn)速稍小于PLC計(jì)算出的給定轉(zhuǎn)速，保持電纜張緊。

電纜在下降時(shí)，由于其自重和吊具集裝箱的位能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，此時(shí)電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，變頻器的逆變裝置變成整流裝置，多余的能量會(huì)回饋到母線上，使母線電壓急劇升高，影響系統(tǒng)的正常工作。為避免此類(lèi)情況發(fā)生，當(dāng)母線變頻器的電壓達(dá)到限定值時(shí)，投入運(yùn)行制動(dòng)電阻，將這部分電能通過(guò)電阻發(fā)熱的方式消耗掉，同時(shí)維持直流母線上的電壓為一個(gè)正常值。

2.2.3 主起升停止時(shí)

主起升停止時(shí)，卷盤(pán)制動(dòng)器報(bào)閘，保持電纜處于張緊狀態(tài)；制動(dòng)器的制動(dòng)力矩在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證能維持最長(zhǎng)的懸掛電纜。

吊具上架緩沖器的上部有過(guò)緊限位保護(hù)，當(dāng)發(fā)生掛艙故障或電纜過(guò)緊時(shí)，會(huì)觸發(fā)該信號(hào)，PLC收到該信號(hào)后控制制動(dòng)器工作，對(duì)電纜實(shí)施緊停，直至恢復(fù)正常狀態(tài)。

3 電纜卷盤(pán)控制系統(tǒng)的控制柜設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

電纜卷盤(pán)控制系統(tǒng)全部由電子控制，對(duì)電磁兼容性和環(huán)境變化的要求相比磁滯聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)方式更高。因此，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上需考慮到這些因素的影響。

3.1電磁干擾與電磁抗干擾設(shè)計(jì)

吊具電纜卷盤(pán)變頻控制柜一般安放在控制室內(nèi)，距離電纜卷盤(pán)本體有幾十米至上百米的長(zhǎng)度，需在變頻器的輸入端和輸出端加裝電抗器。輸入電抗器可抑制浪涌電壓和浪涌電流，抑制高次諧波和波形畸變，防止變頻器污染岸橋的供電系統(tǒng)，保護(hù)電網(wǎng)質(zhì)量；輸出電抗器可有效抑制變頻器的逆變器模塊在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的峰值電壓，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，降低長(zhǎng)距離下電纜分布電容對(duì)電機(jī)的影響及電機(jī)的噪聲和渦流損耗。

PLC與變頻器的通信線采用屏蔽線，不僅可防止輻射信號(hào)對(duì)通信信號(hào)造成干擾，而且能防止通信信號(hào)散發(fā)出輻射信號(hào)，干擾其他系統(tǒng)的正常工作。

3.2溫濕度設(shè)計(jì)

碼頭處在海邊，氣候環(huán)境較為惡劣(屬于高濕環(huán)境)。因此，需在電氣柜內(nèi)部安裝風(fēng)扇、電加熱器和溫濕度傳感器。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，開(kāi)啟風(fēng)扇降溫；當(dāng)溫度過(guò)低或濕度過(guò)高時(shí)，開(kāi)啟電加熱器，進(jìn)行加熱和除濕。

制動(dòng)電阻為易發(fā)熱元件，不能安裝在電氣控制柜內(nèi)，一般安裝在電氣控制柜頂部或電纜卷盤(pán)邊上。

3.3抗鹽霧腐蝕設(shè)計(jì)

海邊屬于鹽霧環(huán)境，對(duì)金屬有較高的腐蝕性，因此采取的對(duì)應(yīng)措施有向電纜鍍銀、向端子搭接處接觸面涂敷導(dǎo)電膏、對(duì)緊固件采用不銹鋼材質(zhì)及柜體根據(jù)IP65的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)等(見(jiàn)圖4)，確保柜體能長(zhǎng)期正常工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

該電纜卷盤(pán)控制系統(tǒng)已在ZPMC的新加坡岸橋二期項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用(見(jiàn)圖5)。實(shí)踐證明，該套控制方法完全可滿足碼頭集裝箱搬運(yùn)的要求。在當(dāng)?shù)氐母邷?、高濕、高壓環(huán)境下能保持電氣系統(tǒng)正常工作，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于目前的其他同類(lèi)產(chǎn)品。由于采用全變頻控制方式大幅減少了接觸器，使得集電器的端子信號(hào)也大大降低了施工強(qiáng)度和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

隨著全球一體化的不斷深入和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，港口運(yùn)輸業(yè)將日益繁榮。隨著市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大和新技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，全變頻速度控制電纜卷盤(pán)控制系統(tǒng)將得到不斷的改進(jìn)和提高，并得到更加廣泛的應(yīng)用。

[1] 費(fèi)海波, 彭傳圣. 岸邊集裝箱起重機(jī)大型化趨勢(shì)分析[J]. 港口裝卸,2010(4):4-6.

[2] 彭曉光. 岸橋CAVOTEC 吊具電纜系統(tǒng)的技術(shù)改造[J]. 港口裝卸,2005(5):114-116.

[3] 周芒. 岸橋動(dòng)力電纜松纜的改造[J]. 港口科技,2006(5):31-33.

CableReelSystemwithFrequencyConversionSpeedControl

PEIYu

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

The cable reel is an important equipment of the quay crane. And as the development of the quay crane equipment, the automation of the cable reel has become the focus of the development. This paper compares the characteristics of the magnetic coupling drive and frequency conversion speed control, and designs a cable reel control system by variable frequency speed control, The system has been successfully applied in ZPMC quay crane, the second of the Singapore project.

cable reel; hysteresis coupling; frequency conversion speed control

U691

A

2017-06-22

裴 宇(1990—)，男，四川宜賓人，助理工程師，主要從事船舶自動(dòng)化研究工作。

1674-5949(2017)03-0050-04