岸橋大車電纜卷盤PLC變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用

崔偉

岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“岸橋”）大車電纜卷盤系統(tǒng)是為岸橋整機(jī)提供動(dòng)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(shí)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(yùn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，有效提高維修人員對(duì)設(shè)備故障的處理能力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清潔環(huán)保、維修點(diǎn)少、噪聲污染小等優(yōu)點(diǎn)，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(zhǎng)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(yùn)行時(shí)，電纜卷盤將電纜卷起;當(dāng)岸橋背向高壓電纜接線箱運(yùn)行時(shí)，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(diǎn)是：既要保證卷盤運(yùn)行速度與岸橋移動(dòng)速度同步，又要保證卷盤在運(yùn)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(chǔ)纜卷盤機(jī)構(gòu)兩部分：拉纜卷盤機(jī)構(gòu)包括1個(gè)磁滯聯(lián)軸器和1臺(tái)電機(jī)（見圖3）;儲(chǔ)纜卷盤機(jī)構(gòu)包括4個(gè)磁滯聯(lián)軸器和1臺(tái)電機(jī)（見圖4）。該控制模式的主要特點(diǎn)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(chǔ)纜電機(jī)與大車電纜卷盤裝置之間，將儲(chǔ)纜電機(jī)的動(dòng)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(shí)，大車根據(jù)方向限位來判斷收放纜。當(dāng)大車收纜時(shí)，儲(chǔ)纜卷盤機(jī)構(gòu)和拉纜卷盤機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，制動(dòng)器打開;當(dāng)大車放纜時(shí)，所有電機(jī)停止運(yùn)行，制動(dòng)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(dòng)帶動(dòng)擺錘動(dòng)作，此時(shí)擺桿尾部的擺針撥動(dòng)相應(yīng)的羊角限位動(dòng)作，觸發(fā)左右方向信號(hào)，并將電纜方向信號(hào)傳送至岸橋主控系統(tǒng);導(dǎo)纜架兩側(cè)配置2個(gè)檢測(cè)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(dòng)作不同步，則會(huì)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(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)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(duì)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(shí)現(xiàn)無級(jí)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(shí)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(shí)不工作，可通過大車行走拉力作用實(shí)現(xiàn)電纜釋放。在實(shí)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(huì)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(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。

（5）大風(fēng)會(huì)造成大車電纜卷盤制動(dòng)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(shí)，松纜會(huì)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(bào)松纜故障。若不及時(shí)處理故障，而單靠簡(jiǎn)單的電纜復(fù)位來恢復(fù)大車行走動(dòng)作，則會(huì)導(dǎo)致電纜越來越松;過度松弛的電纜會(huì)反向觸碰另一側(cè)的限位開關(guān)，并引起限位開關(guān)動(dòng)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(dòng)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(huì)使大車行走速度加快）會(huì)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(shí)，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(shí)，則變頻器放慢收纜速度?？梢?，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(yùn)行時(shí)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(shí)現(xiàn)電纜卷盤收放纜時(shí)電纜保持恒定張力：當(dāng)變頻調(diào)速頻率在50 Hz以上時(shí)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(shí)為轉(zhuǎn)矩調(diào)速，保證大車電纜卷盤在低頻工作時(shí)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(jí)調(diào)節(jié)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)回饋能量至制動(dòng)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(hào)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(hào)和系統(tǒng)外圍信號(hào);如果判斷信號(hào)有誤，則向主控系統(tǒng)發(fā)出警告，使大車立即停止運(yùn)行或停止啟動(dòng)。大車速度信號(hào)丟失、大車方向信號(hào)丟失、限位信號(hào)丟失、限位器通斷等均會(huì)引發(fā)系統(tǒng)報(bào)故障，從而保障整個(gè)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(dòng)器電氣主回路中有2個(gè)接觸器，具有兩級(jí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)計(jì)算書理論計(jì)算并實(shí)施微調(diào)。正常情況下，岸橋主機(jī)PLC收到大車手柄信號(hào)后向電纜卷盤系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)指令，電纜卷盤系統(tǒng)變頻器立即啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制（同時(shí)制動(dòng)器打開），并向主機(jī)系統(tǒng)反饋電纜卷盤系統(tǒng)運(yùn)行信號(hào);大車停車后，電纜卷盤系統(tǒng)停止運(yùn)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(shí)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(dòng)器的主回路由2個(gè)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(cè)到故障或主接觸器存在誤動(dòng)作時(shí)，輔接觸器立即斷開。另配有電流繼電器，以檢測(cè)制動(dòng)器線圈得電情況，保證制動(dòng)器可靠動(dòng)作。

（2）不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要的力矩不一樣，不同圈數(shù)的電纜對(duì)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(cè)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(jì)算來確定各種狀態(tài)下的力矩需求，最終在實(shí)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(dòng)作過程中發(fā)生少量松纜，電纜卷盤系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，大車停止啟動(dòng)。此時(shí)，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(cè)不到松纜，或者利用電纜卷盤手動(dòng)操作站也可將電纜收緊。

（4）電纜卷盤放纜時(shí)需要克服制動(dòng)器的阻力，因此，制動(dòng)器靜態(tài)制動(dòng)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(shì)必會(huì)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(zhǎng)度增加而增加，為了更好地控制電纜在大車運(yùn)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(hào)（電纜坑左邊或右邊）和電纜所受張力信號(hào)。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(hào)。電機(jī)尾部安裝增量型編碼器，將位置和速度信號(hào)反饋至變頻器，以便變頻器對(duì)大車實(shí)施速度、轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)等基本控制。當(dāng)電纜過松或過緊時(shí)，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(yùn)行穩(wěn)定性和動(dòng)作響應(yīng)可靠性，具體應(yīng)用效果表現(xiàn)為：大車啟動(dòng)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(yùn)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）