0引言

隨著遠(yuǎn)洋運(yùn)輸業(yè)持續(xù)發(fā)展，開展現(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“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)行小車機(jī)構(gòu)和大車行走機(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)提出越來越高的要求。吊具電纜卷盤控制系統(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電纜卷盤控制系統(tǒng)的組成

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

1．1動(dòng)力機(jī)構(gòu)

吊具電纜卷盤控制系統(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，通過磁滯力給電纜卷盤提供轉(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)慣量都小‘2[。設(shè)計(jì)時(shí)可通過改變聯(lián)軸器的數(shù)量和每只聯(lián)軸器的輸出力矩來調(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(ProgrammableLogicController，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，通過減速箱驅(qū)動(dòng)卷盤運(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)的吊具電纜卷盤驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

1．2集電器

集電器又稱滑環(huán)箱，由張力裝置和集電刷組成。滑環(huán)箱通過電刷與導(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

在對(duì)電纜卷盤進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)，需調(diào)整中間的開檔尺寸，以保證電纜能順利滑動(dòng)；在設(shè)計(jì)卷盤時(shí)，需保證卷盤寬度在內(nèi)圈大于電纜外徑的10％，在*外圈大于電纜外徑2～3電纜卷盤上。

1．4

吊具電纜固定裝置mm，從而確保電纜工作時(shí)正確纏繞在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松過緊凸輪限位開關(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、卷盤式和擺臂式等。

2電纜卷盤控制方法

2.1電纜卷盤常用的2種驅(qū)動(dòng)控制方法對(duì)比

電纜卷盤常用的驅(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)電纜容易拉得過緊，而高速時(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)，這越來越難以滿足當(dāng)今起升高度較高、吊具載重量較重帶來的電纜自重較重、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變頻速度電纜卷盤控制系統(tǒng)的工作方式

PI。C和變頻器安裝于變頻控制柜內(nèi)(見圖2)，PI。C實(shí)時(shí)采集吊具提升的高度和速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)(高度通過電纜圈數(shù)間接計(jì)算得出，速度則結(jié)合電纜卷盤的轉(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)PI。C的信息調(diào)節(jié)輸出波形給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由電機(jī)通過齒輪箱控制卷盤的運(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)電纜卷盤的閉環(huán)控制。具體的控制算法見圖3。

2．2．1主起升上升時(shí)

起升時(shí)起升手柄向上合閘，PI。C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

常工作。

s)再反饋一個(gè)電纜卷盤運(yùn)行信號(hào)給變頻器；變頻器收到速度使能信號(hào)后，開始正

當(dāng)主起升速度>1％的*大主起升速度時(shí)，判定為卷盤結(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)速稍快的實(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，吊具電纜卷盤電機(jī)會(huì)以較低的恒定轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)5

的是避免制動(dòng)器頻繁抱閘。

2．2．2主起升下降時(shí)

s后延時(shí)停止，延時(shí)的目與起升過程類似，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)速稍慢于PI。C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*長(zhǎng)的懸掛電纜。

吊具上架緩沖器的上部有過緊限位保護(hù)，當(dāng)發(fā)生掛艙故障或電纜過緊時(shí)，會(huì)觸發(fā)該信號(hào)，PI。C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

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

吊具電纜卷盤變頻控制柜一般安放在控制室內(nèi)，距離電纜卷盤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。輸人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。PI。C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)溫度過高時(shí)，開啟風(fēng)扇降溫；當(dāng)溫度過低或濕度過高時(shí)，開啟電加熱器，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(見圖4)，確保柜體能長(zhǎng)期正常工作。

4結(jié)語

該電纜卷盤控制系統(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)氐母邷亍⒏邼瘛⒏邏涵h(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。