崔偉

岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱“岸橋”）大車電纜卷盤系統(tǒng)是為岸橋整機(jī)提供動力電源的裝置。作為岸橋大車行走系統(tǒng)的重要組成部分，大車機(jī)構(gòu)和電纜供電裝置是決定岸橋使用率的關(guān)鍵因素。為了降低岸橋大車電纜卷盤系統(tǒng)故障率，提高岸橋整體效率，在系統(tǒng)中引入可編程邏輯控制器（program-mable logic controller，PLC）全變頻閉環(huán)控制模式，實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，從而避免磁滯聯(lián)軸器控制模式下的松纜故障，使岸橋運行更加穩(wěn)定。

1 傳統(tǒng)岸橋大車電纜卷盤系統(tǒng)應(yīng)用

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

岸橋大車電纜卷盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。與滑觸線供電系統(tǒng)相比，岸橋大車電纜卷盤系統(tǒng)不存在接觸不良的問題，并且占用碼頭空間小，能夠與通信光纜組合實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，有效提高維修人員對設(shè)備故障的處理能力，具有結(jié)構(gòu)簡單、清潔環(huán)保、維修點少、噪聲污染小等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。

岸橋大車電纜卷盤系統(tǒng)構(gòu)建及工作流程如下：在岸橋海側(cè)門框處配置電纜卷盤裝置，根據(jù)碼頭需要設(shè)定電纜長度;電纜一端與電纜卷盤集電滑環(huán)連接，另一端盤繞在卷盤上并從卷盤拉出經(jīng)導(dǎo)向架與碼頭前沿的高壓電纜接線箱連接，從而將外接電源傳輸至岸橋;當(dāng)岸橋朝向高壓電纜接線箱運行時，電纜卷盤將電纜卷起;當(dāng)岸橋背向高壓電纜接線箱運行時，電纜卷盤放出電纜，并使電纜始終保持一定張力，保證電纜被拉直平放在碼頭電纜槽內(nèi)，以免電纜擱放混亂或被過往車輛碾壓。岸橋大車電纜卷盤系統(tǒng)的技術(shù)難點是：既要保證卷盤運行速度與岸橋移動速度同步，又要保證卷盤在運行過程中所受的拉力適中。

1.2 磁滯聯(lián)軸器控制模式

傳統(tǒng)的岸橋大車電纜卷盤系統(tǒng)大多采用“電機(jī)+磁滯聯(lián)軸器”控制模式，主要由電機(jī)、磁滯連軸器、減速箱、電纜卷盤等部件組成（見圖2），包括拉纜卷盤機(jī)構(gòu)和儲纜卷盤機(jī)構(gòu)兩部分：拉纜卷盤機(jī)構(gòu)包括1個磁滯聯(lián)軸器和1臺電機(jī)（見圖3）;儲纜卷盤機(jī)構(gòu)包括4個磁滯聯(lián)軸器和1臺電機(jī)（見圖4）。該控制模式的主要特點表現(xiàn)為磁滯聯(lián)軸器的“軟連接”，即磁滯聯(lián)軸器的輸入軸與輸出軸之間通過磁力連接，磁滯聯(lián)軸器介于儲纜電機(jī)與大車電纜卷盤裝置之間，將儲纜電機(jī)的動力通過減速箱傳遞給大車電纜卷盤裝置。

在岸橋作業(yè)過程中，當(dāng)大車手柄給出向左或向右命令時，大車根據(jù)方向限位來判斷收放纜。當(dāng)大車收纜時，儲纜卷盤機(jī)構(gòu)和拉纜卷盤機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動，制動器打開;當(dāng)大車放纜時，所有電機(jī)停止運行，制動器關(guān)閉，電纜依靠自重和磁滯聯(lián)軸器的作用保持一定的張緊力。岸橋海側(cè)機(jī)角位置安裝大車電纜卷盤導(dǎo)纜架裝置（見圖5），其工作原理為：高壓電纜擺動帶動擺錘動作，此時擺桿尾部的擺針撥動相應(yīng)的羊角限位動作，觸發(fā)左右方向信號，并將電纜方向信號傳送至岸橋主控系統(tǒng);導(dǎo)纜架兩側(cè)配置2個檢測電纜過緊的機(jī)械限位，若機(jī)械限位與大車電纜卷盤系統(tǒng)動作不同步，則會造成大車電纜卷盤系統(tǒng)故障，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。

2 傳統(tǒng)岸橋大車電纜卷盤系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題

傳統(tǒng)的磁滯聯(lián)軸器控制模式的岸橋大車電纜卷盤系統(tǒng)投入應(yīng)用至今已經(jīng)10多年，其除了具有“軟連接”特性，能夠保護(hù)電纜外，還具有控制簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點。不過，傳統(tǒng)岸橋大車電纜卷盤系統(tǒng)在應(yīng)用中存在以下問題。

（1）受磁滯聯(lián)軸器“軟連接”的影響，在岸橋大車主控系統(tǒng)啟動的瞬間，大車電纜卷盤系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，電纜跟隨效果差，易對電纜造成損害。

（2）磁滯聯(lián)軸器由電磁滑差離合器和超越離合器組成（見圖6）。電磁滑差離合器的作用是在控制系統(tǒng)的作用下實現(xiàn)無級變速，以控制收纜張力。超越離合器具有方向自鎖功能，可在放纜時確保電磁滑差離合器處于完全分離狀態(tài)，從而防止電機(jī)反轉(zhuǎn)和電纜松弛;其在收攬時不工作，可通過大車行走拉力作用實現(xiàn)電纜釋放。在實際應(yīng)用過程中，岸橋大車電纜卷盤系統(tǒng)容易因磁滯聯(lián)軸器間隙過大而出現(xiàn)松纜故障。

（3）拉纜卷盤磨損條損壞會造成電纜與卷盤打滑，導(dǎo)致電纜提升力不夠。

（4）大車電纜纏繞在過渡架上，容易造成電纜外皮起皺或扭曲，嚴(yán)重時會導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。

（5）大風(fēng)會造成大車電纜卷盤制動效果下降，容易引發(fā)松纜故障。

當(dāng)岸橋大車處于收纜狀態(tài)時，松纜會導(dǎo)致導(dǎo)纜架無法觸及左行或右行限位，進(jìn)而導(dǎo)致PLC程序因無法判斷是否該收纜而報松纜故障。若不及時處理故障，而單靠簡單的電纜復(fù)位來恢復(fù)大車行走動作，則會導(dǎo)致電纜越來越松;過度松弛的電纜會反向觸碰另一側(cè)的限位開關(guān)，并引起限位開關(guān)動作，使導(dǎo)纜架下方的電纜被反向拖拉成放纜狀態(tài);PLC程序判斷大車松纜動作，指示電纜卷盤放纜，使電纜被反向拖拉后散落在大車軌道側(cè)，并有可能被卷入大車車輪下，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)或火災(zāi)等安全事故。

3 PLC變頻控制在岸橋大車電纜卷盤系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)前文所述，在收纜過程中，岸橋大車電纜卷盤的收纜速度小于大車行走速度（大風(fēng)會使大車行走速度加快）會造成松纜。若采用PLC變頻控制系統(tǒng)，當(dāng)電纜卷盤轉(zhuǎn)矩小于設(shè)定轉(zhuǎn)矩時，則變頻器加快收纜速度;反之，當(dāng)電纜卷盤轉(zhuǎn)矩大于設(shè)定轉(zhuǎn)矩時，則變頻器放慢收纜速度。可見，PLC變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用有助于確保岸橋大車電纜卷盤在大車左右運行時隨大車速度的變化來調(diào)節(jié)收放纜速度，從而使電纜保持恒定的張力。

3.1 大車電纜卷盤PLC變頻控制系統(tǒng)工作原理

岸橋電纜卷盤PLC變頻控制系統(tǒng)基于矢量控制變頻器和PLC，應(yīng)用變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，實現(xiàn)電纜卷盤收放纜時電纜保持恒定張力：當(dāng)變頻調(diào)速頻率在50 Hz以上時為恒功率調(diào)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，大車電纜卷盤收放纜速度加快;當(dāng)變頻調(diào)速頻率在50 Hz以下時為轉(zhuǎn)矩調(diào)速，保證大車電纜卷盤在低頻工作時有足夠的轉(zhuǎn)矩輸出。

大車電纜卷盤系統(tǒng)電機(jī)可在 100%～100%額定轉(zhuǎn)矩之間無級調(diào)節(jié)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時回饋能量至制動電阻器。大車電纜卷盤PLC變頻控制系統(tǒng)程序具有完備的信號診斷功能，主要診斷岸橋主機(jī)系統(tǒng)傳送的大車狀態(tài)信號和系統(tǒng)外圍信號;如果判斷信號有誤，則向主控系統(tǒng)發(fā)出警告，使大車立即停止運行或停止啟動。大車速度信號丟失、大車方向信號丟失、限位信號丟失、限位器通斷等均會引發(fā)系統(tǒng)報故障，從而保障整個系統(tǒng)安全。此外，系統(tǒng)具有過電纜坑減速確認(rèn)功能，能保護(hù)電纜免受意外拉力作用，保證過電纜坑的速度和安全，并且制動器電氣主回路中有2個接觸器，具有兩級保護(hù)功能。

正常情況下，大車電纜卷盤有勻速收放電纜、加速收放電纜、減速收放電纜等運動狀態(tài)。電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值根據(jù)電纜卷盤上的電纜圈數(shù)，結(jié)合不同運動狀態(tài)，根據(jù)計算書理論計算并實施微調(diào)。正常情況下，岸橋主機(jī)PLC收到大車手柄信號后向電纜卷盤系統(tǒng)發(fā)出啟動指令，電纜卷盤系統(tǒng)變頻器立即啟動轉(zhuǎn)矩控制（同時制動器打開），并向主機(jī)系統(tǒng)反饋電纜卷盤系統(tǒng)運行信號;大車停車后，電纜卷盤系統(tǒng)停止運行。

3.2 大車電纜卷盤PLC變頻控制系統(tǒng)組成

岸橋大車電纜卷盤PLC變頻控制系統(tǒng)參數(shù)如下：大車最大行程350 m ;大車最高速度45 m/min;大車加減速時間8 s;電纜卷盤內(nèi)徑2.5 m。大車電纜卷盤變頻調(diào)速裝置包括減速箱、高壓滑環(huán)箱、變頻電機(jī)、凸輪限位和三菱電控系統(tǒng)，其中，電控系統(tǒng)包括變頻器和PLC等。岸橋大車電纜卷盤PLC變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。岸橋大車電纜卷盤PLC變頻控制系統(tǒng)原理如圖8所示。

3.3 大車電纜卷盤PLC變頻控制流程

岸橋大車電纜卷盤PLC變頻控制流程見圖9。

（1）制動器的主回路由2個接觸器控制。正常情況下，輔接觸器始終處于吸合狀態(tài);當(dāng)大車電纜卷盤控制系統(tǒng)監(jiān)測到故障或主接觸器存在誤動作時，輔接觸器立即斷開。另配有電流繼電器，以檢測制動器線圈得電情況，保證制動器可靠動作。

（2）不同運動狀態(tài)需要的力矩不一樣，不同圈數(shù)的電纜對力矩的要求也有差異。在控制力矩給定的過程中：一方面，要考慮大車工況;另一方面，要利用凸輪限位來檢測電纜所在位置，并根據(jù)電纜圈數(shù)將卷盤上的電纜分為4段，20圈至滿盤為段1，15～20圈為段2，9～15圈為段3，3～9圈為段4，不同的段使用不同的凸輪片來控制。此外，還須經(jīng)過準(zhǔn)確的計算來確定各種狀態(tài)下的力矩需求，最終在實際調(diào)試的過程中找到合適的力矩給定值。

（3）如果在以上動作過程中發(fā)生少量松纜，電纜卷盤系統(tǒng)會報警，大車停止啟動。此時，司機(jī)在司機(jī)室內(nèi)操作復(fù)位，使電纜慢速收緊直到系統(tǒng)監(jiān)測不到松纜，或者利用電纜卷盤手動操作站也可將電纜收緊。

（4）電纜卷盤放纜時需要克服制動器的阻力，因此，制動器靜態(tài)制動力矩折算到電纜上的力不得超過電纜的最大抗拉力。如果大車朝收纜方向行走，勢必會松纜;但電纜卷盤PLC控制系統(tǒng)一旦得電，便能判斷是否松纜，從而指令電纜卷盤收纜。

3.4 大車電纜卷盤PLC變頻控制程序

由于大車電纜自重隨電纜長度增加而增加，為了更好地控制電纜在大車運行過程中的張力，變頻控制模式下的大車電纜卷盤由凸輪限位分4段控制，每段中的PLC程序均設(shè)定固定的扭矩，以保持電纜張緊度。導(dǎo)纜架、大車方向、電纜松纜、電纜過緊等限位為控制系統(tǒng)提供大車方向信號（電纜坑左邊或右邊）和電纜所受張力信號。電纜卷盤凸輪限位為控制系統(tǒng)提供電纜卷盤滿盤和空盤位置信號。電機(jī)尾部安裝增量型編碼器，將位置和速度信號反饋至變頻器，以便變頻器對大車實施速度、轉(zhuǎn)矩、制動等基本控制。當(dāng)電纜過松或過緊時，大車電纜卷盤PLC程序可通過增加或減小扭矩值來調(diào)整電纜張緊度。岸橋大車電纜卷盤PLC力矩調(diào)整程序見圖10。

4 岸橋大車電纜卷盤磁滯聯(lián)軸器控制模式與PLC變頻控制模式比較

岸橋大車電纜卷盤磁滯聯(lián)軸器控制模式與PLC變頻控制模式比較見表1。

5 結(jié)束語

岸橋大車電纜卷盤PLC變頻控制模式的應(yīng)用有助于提升設(shè)備運行穩(wěn)定性和動作響應(yīng)可靠性，具體應(yīng)用效果表現(xiàn)為：大車啟動平滑，操作更加方便;岸橋速度控制更加靈活，響應(yīng)更快;適應(yīng)現(xiàn)代港口發(fā)展需求，滿足滿載低速、空載高速大車軌道橫向運行的需求;有利于提高設(shè)備作業(yè)效率和降低設(shè)備故障頻次，便于設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-04-17）