淺談集裝箱裝卸橋起升機(jī)構(gòu)的控制方式

吳哲

（廣州港股份有限公司，廣東 廣州527325）

1 概述

集裝箱裝卸橋是集裝箱碼頭前沿裝卸集裝箱船舶的專用起重機(jī)械，可以說是集裝箱港口中最重要的設(shè)備，通常由五部分組成：即起升機(jī)構(gòu)、大車行走機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)和吊具。其中起升機(jī)構(gòu)由于其對(duì)可靠性要求極高、控制難度大、控制精度高、電機(jī)功率大的特性，屬于最核心的機(jī)構(gòu)。

集裝箱裝卸橋起升機(jī)構(gòu)較為普遍的電氣配置是：變頻專用電機(jī)2 臺(tái)，起升變頻器2 臺(tái)，編碼器3 個(gè)（其中2 個(gè)增量型編碼器與電機(jī)同軸安裝，1 個(gè)絕對(duì)值編碼器安裝在卷筒上），PLC 一臺(tái)。其中以SIEMENS（S7-400+6SE70）、ABB（AC500+ACS800）及YASKAWA（CP-317+H1000）在集裝箱裝卸橋中的應(yīng)用較為普遍，下面介紹起升機(jī)構(gòu)的控制方式。

2 閉環(huán)矢量控制

起升機(jī)構(gòu)一般選擇閉環(huán)矢量控制方式，而不選擇V/F 控制方式，這是由其特殊的工況決定的。下面為V/F 控制方式的基本關(guān)系式：

E1=4.44f1N1KΦmU1=E1+i1（r1+x1）

E1為定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值；f1為定子頻率；N1為定子每相串聯(lián)匝數(shù)；K 為基波繞組系數(shù)；Φm為每極氣隙磁通；U1為定子電壓；i1為定子電流；r1為定子電阻；x1為定子漏電感。

繞組里面的電動(dòng)勢(shì)一般是難以直接測(cè)量和控制的，所以在定子電勢(shì)較高時(shí)，可以忽略定子繞組中的漏阻抗壓降，使用定子電動(dòng)勢(shì)來代替定子電壓，這樣就形成了恒定壓頻比的控制方式。但是當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在低頻段時(shí)，定子繞組中的漏阻抗壓降就無法忽略不計(jì)了，如果繼續(xù)按照該方式進(jìn)行控制就會(huì)引起磁通減小，從而使得電動(dòng)機(jī)在低頻時(shí)的轉(zhuǎn)矩減小。為了彌補(bǔ)這種減小的作用，一般采用在低頻段提高電壓的方法，來減低低頻段的轉(zhuǎn)矩抵消漏阻壓降的影響[1]。但是這種轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)姆绞揭廊挥衅渚窒扌?，一般來說，變頻器輸出頻率要提升到3HZ 以上才能提供理想的轉(zhuǎn)矩[2]。而起升機(jī)構(gòu)屬于位能性負(fù)載，它的一個(gè)重要特性就是要在沒有轉(zhuǎn)速時(shí)也有負(fù)載轉(zhuǎn)矩的存在，并且是全部的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此在低速和零速的情況下，也要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能夠滿足全部的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。這樣恒定壓頻比的控制方式就不適應(yīng)起升機(jī)構(gòu)，因?yàn)槠鹕龣C(jī)構(gòu)一般需要滿轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)以防止“自流”，并且經(jīng)常需要進(jìn)行“點(diǎn)動(dòng)”微調(diào)操作，所以，基本上都是采用閉環(huán)矢量控制的方式來適應(yīng)起升機(jī)構(gòu)的特殊工況，從而實(shí)現(xiàn)“額定轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)”和“零速控制”。

在進(jìn)行閉環(huán)矢量控制方式調(diào)速的前提下，大部分的變頻器的調(diào)速比能夠達(dá)到1:1000，調(diào)整精度能夠達(dá)到±0.01%，可以較好地滿足起升機(jī)構(gòu)的工況。

3 主從控制模式

集裝箱裝卸橋的起升機(jī)構(gòu)一般由兩臺(tái)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，這兩臺(tái)電機(jī)通過聯(lián)軸器與減速箱相連。而異步電機(jī)的特性決定了在兩臺(tái)或兩臺(tái)以上電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)剛性負(fù)載時(shí)，會(huì)發(fā)生負(fù)載分配不均勻的現(xiàn)象，嚴(yán)重的甚至可能在輕負(fù)載狀態(tài)下發(fā)生一臺(tái)電機(jī)拖著另一臺(tái)電機(jī)工作（即一臺(tái)處于電動(dòng)狀態(tài)一臺(tái)處于發(fā)電狀態(tài)）的情況。為了避免這種情況，使負(fù)載均勻分配，起升機(jī)構(gòu)通常采用主從的控制方式。所謂主從控制，就是將某一套驅(qū)動(dòng)控制器的速度(或轉(zhuǎn)矩)設(shè)定值，傳送給另一套驅(qū)動(dòng)控制器上，并以此作為這套驅(qū)動(dòng)控制器的速度(或轉(zhuǎn)矩)設(shè)定值，進(jìn)而達(dá)到分配各個(gè)電機(jī)間的負(fù)荷使其達(dá)到均勻平衡，以滿足對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制精度的目的。那么接受速度設(shè)定值的驅(qū)動(dòng)控制器則就稱為“從驅(qū)動(dòng)”，發(fā)送速度設(shè)定值的驅(qū)動(dòng)控制器則就是稱為“主驅(qū)動(dòng)”。

現(xiàn)在大部分變頻器均能夠使用硬件（不使用PLC 直接參與控制）來實(shí)現(xiàn)主從控制，如西門子公司的6SE70 系列變頻器分別在主從驅(qū)動(dòng)裝置上加裝SCB2 接口板和T300 工藝卡, 使兩臺(tái)變頻器之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)負(fù)載的自動(dòng)平衡分配[3]；ABB 公司的ACS600 變頻器將主從驅(qū)動(dòng)器的CH2 口用光纖相連，并工作在直接轉(zhuǎn)矩控制模式（DTC），“主驅(qū)動(dòng)”為速度控制，“從驅(qū)動(dòng)”為力矩控制的方式可以實(shí)現(xiàn)主從控制等等[4]。

而在有PLC 直接參與控制的情況下，實(shí)現(xiàn)方式則較為簡(jiǎn)單：以安川系統(tǒng)為例，兩臺(tái)變頻器均采用速度控制模式，由PLC收集兩臺(tái)變頻器的速度反饋值、內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定的反饋值等，然后實(shí)時(shí)給出速度指令（兩臺(tái)變頻器的加減速時(shí)間均設(shè)定為0，這意味著變頻器需要實(shí)時(shí)響應(yīng)PLC 給出的速度指令，而所有加減速曲線的計(jì)算均由PLC 完成），主從變頻器的速度給定均為相同數(shù)值，以保證兩臺(tái)電機(jī)在相同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，不會(huì)出現(xiàn)“頂牛”的現(xiàn)象；“主驅(qū)動(dòng)”的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償給定值是當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速接近為0，沒有起升下降命令，同時(shí)制動(dòng)器依然打開，即電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)瞬間的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定，這個(gè)時(shí)候的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定是等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的；而“從驅(qū)動(dòng)”轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償給定值則為“主驅(qū)動(dòng)”的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定值，這樣可以保證兩臺(tái)變頻器的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩較為接近，不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載分配不均勻的情況。同時(shí)需要注意的是采用PI 控制的速度環(huán)，在主從模式下兩臺(tái)電機(jī)的響應(yīng)速度（P 給定）可以設(shè)定為不同數(shù)值，一般來說“主驅(qū)動(dòng)”在重載時(shí)的響應(yīng)速度設(shè)定略大于“從驅(qū)動(dòng)”的響應(yīng)速度；而且“主驅(qū)動(dòng)”一般采用PI 控制，而“從驅(qū)動(dòng)”采用P 控制以防止出現(xiàn)振動(dòng)。

4 無沖擊控制

圖1 無沖擊控制對(duì)比圖

集裝箱裝卸橋現(xiàn)在普遍采用了無沖擊控制，圖1 為無沖擊控制對(duì)比圖，在傳統(tǒng)控制模式中未采用無沖擊控制，所以在點(diǎn)動(dòng)操作的時(shí)候，A 點(diǎn)和B 點(diǎn)處因?yàn)檫@兩個(gè)時(shí)間段速度給定為0，所以這兩處的電機(jī)輸出力矩為0，制動(dòng)器的狀態(tài)為閉合的，這樣在進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)操作的時(shí)候，就存在了電機(jī)起動(dòng)制動(dòng)的過程，不僅增加了制動(dòng)器的損耗，而且降低了作業(yè)效率。

在采用無沖擊控制的情況下，在A 點(diǎn)和B 點(diǎn)，制動(dòng)器均為打開狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為0，當(dāng)?shù)蹙邽殚_鎖狀態(tài)（即空載）時(shí)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩固定為30%額定轉(zhuǎn)矩，吊具閉鎖狀態(tài)（即重載）時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法是：在電機(jī)的轉(zhuǎn)速接近為0，沒有起升下降命令，同時(shí)制動(dòng)器依然打開，即電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)的瞬間的最初0.4S內(nèi)，PLC 在每個(gè)掃描周期，根據(jù)懸停時(shí)的內(nèi)部力矩給定值的采樣平均值來確定懸停期間的輸出力矩，以保持輸出力矩能夠與負(fù)載力矩相當(dāng)，不會(huì)發(fā)生“自流”等失控的情況。對(duì)大部分變頻器來說，在帶速度傳感器的矢量控制條件下，這種空中懸停的狀態(tài)一般可以保持幾秒鐘。在此期間，如果需要進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)操作，電機(jī)能夠迅速作出反應(yīng)，不用等待制動(dòng)器狀態(tài)的改變，這樣就有很快的反應(yīng)速度。

5 自動(dòng)減速

集裝箱裝卸橋起升系統(tǒng)自動(dòng)減速控制的目的是對(duì)設(shè)備提供必要的保護(hù)。保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)免受強(qiáng)力碰撞和慣性沖擊，同時(shí)也保護(hù)操作人員安全。自動(dòng)減速的工作原理是根據(jù)起升電機(jī)當(dāng)前的速度反饋由PLC 計(jì)算出減速點(diǎn)，當(dāng)計(jì)算出的減速點(diǎn)大于等于（正向運(yùn)行）或小于等于（反向運(yùn)行）設(shè)定的減速點(diǎn)后程序會(huì)按預(yù)定的減速曲線控制驅(qū)動(dòng)器減速運(yùn)行直至設(shè)定的速度值。

因?yàn)橛芯硗草S上安裝的絕對(duì)值編碼器實(shí)時(shí)反饋起升高度數(shù)據(jù)，有變頻器實(shí)時(shí)反饋的起升機(jī)構(gòu)的速度，同時(shí)還有設(shè)定好的加減速時(shí)間，于是自動(dòng)判斷現(xiàn)在所處的位置是否需要減速就變得十分簡(jiǎn)單。在正向運(yùn)行時(shí)，程序會(huì)不斷的根據(jù)起升機(jī)構(gòu)當(dāng)前的運(yùn)行速度計(jì)算在這個(gè)速度下需要的減速距離，然后加到該機(jī)構(gòu)的當(dāng)前位置上，再檢測(cè)這個(gè)結(jié)果是不是大于等于常數(shù)表中設(shè)定的減速點(diǎn)，一旦條件滿足，就開始減速運(yùn)行；在反向運(yùn)行時(shí)，程序會(huì)不斷的根據(jù)機(jī)構(gòu)當(dāng)前的運(yùn)行速度計(jì)算在這個(gè)速度下需要的減速距離，然后用該機(jī)構(gòu)的當(dāng)前位置減去前面計(jì)算的減速距離，再檢測(cè)這個(gè)結(jié)果是不是小于等于常數(shù)表中設(shè)定的減速點(diǎn)，一旦條件滿足，就開始減速運(yùn)行，整個(gè)過程是在動(dòng)態(tài)狀態(tài)下自動(dòng)完成的。

減速點(diǎn)的設(shè)置也根據(jù)具體工況的不同進(jìn)行計(jì)算。比如，在下減速點(diǎn)的位置上，如果吊具為閉鎖狀態(tài)，則要考慮減去吊具下方集卡和集裝箱的高度（一般集卡保留1.5 米，箱體高度保留2.5 米），如果在鞍梁位置則還需要減去鞍梁的相應(yīng)高度等。