上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

隨著港口起重機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，碼頭對生產(chǎn)效率的要求越來越高，起重機(jī)設(shè)備速度的加快，對于電纜卷盤控制系統(tǒng)提出了更高的要求。電纜卷盤系統(tǒng)作為起重機(jī)設(shè)備的從動系統(tǒng)，受到卷盤自身特點(diǎn)及主系統(tǒng)運(yùn)行的影響，要實(shí)現(xiàn)無故障運(yùn)行，必須不斷完善使用過程中出現(xiàn)的問題，優(yōu)化程序邏輯。

現(xiàn)有電纜卷盤控制系統(tǒng)的原理是速度控制加力矩限幅，分6段工況進(jìn)行處理，分別是：收纜加速、收纜勻速、收纜減速、放纜加速、放纜勻速及放纜減速。每一段的速度給定都分別加或者減一定的速度值，使得速度給定與反饋有一定的滑差；每一段都有不同的力矩值根據(jù)圈數(shù)相應(yīng)的變化。這套系統(tǒng)在高速軌道吊中有如下3個不足：①啟動時(shí)力矩過大，導(dǎo)致導(dǎo)纜架晃動；②停止時(shí)不夠穩(wěn)定，電纜時(shí)緊時(shí)松；③原來的緊停工況不適用于高速軌道吊。

為了解決上述問題，提出了2個解決方法：①將原來的速度給定加減定值，改為乘以相應(yīng)的系數(shù)，使得速度滑差隨著速度的增大而增大；②緊停時(shí)，卷盤系統(tǒng)不停止運(yùn)行，制動器不關(guān)閉，用驅(qū)動器的反向拉力使得電纜卷盤穩(wěn)定運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 外圍硬件設(shè)計(jì)

大車電纜卷盤外圍硬件主要由卷盤、減速箱、制動器、聯(lián)軸節(jié)、帶增量編碼器的變頻電機(jī)、高壓滑環(huán)箱和光纜箱組成(見圖1)。

1.卷盤 2.電纜 3.減速箱 4.制動器 5.高壓滑環(huán)箱 6.光纜附件箱 7.聯(lián)軸節(jié) 8.變頻馬達(dá) 9.出線口圖1 大車電纜卷盤外圍硬件圖

2.2 電控總體設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)主要由電氣控制柜(包括PLC、輸入輸出模塊、變頻器及其他電氣元器件)、帶增量編碼器的變頻電機(jī)、絕對值編碼器、制動器和卷盤外圍硬件組成。PLC、輸入輸出模塊、絕對值編碼器及變頻器通過以太網(wǎng)或者Profibus總線進(jìn)行通訊連接，增量編碼器通過專用電纜連接到變頻器控制單元的高速計(jì)數(shù)模塊，經(jīng)通訊傳給PLC后進(jìn)行處理。卷盤電氣控制柜內(nèi)PLC、輸入輸出模塊和變頻器通過通訊與主系統(tǒng)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由主系統(tǒng)PLC給出大車運(yùn)行命令及速度，再由卷盤柜內(nèi)元器件反饋回主PLC運(yùn)行狀態(tài)及故障信息。變頻電機(jī)由卷盤PLC及變頻器控制，輸出相應(yīng)速度及力矩，再通過電機(jī)增量編碼器反饋即時(shí)速度。絕對值編碼器反饋給卷盤PLC實(shí)時(shí)電纜卷盤圈數(shù)。卷盤制動器通過PLC程序控制接觸器來實(shí)現(xiàn)開關(guān)。

2.3 導(dǎo)纜架設(shè)計(jì)

導(dǎo)纜架有左方向、右方向、過緊和預(yù)松纜4個限位,以及油缸和導(dǎo)向架等結(jié)構(gòu)件組成。導(dǎo)纜架主要作用是:用方向限位判斷電纜的運(yùn)行方向；用過緊限位來保護(hù)電纜，避免電纜受到太大的拉力；用預(yù)松纜限位來增加力矩，避免電纜運(yùn)行時(shí)太松導(dǎo)致松纜故障。導(dǎo)纜架的安裝高度對于電纜運(yùn)行的狀態(tài)也至關(guān)重要，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終將導(dǎo)纜架安裝高度定在750 mm。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 線性速度滑差

大車卷盤采用速度控制方式，電纜卷盤根據(jù)大車速度和電纜卷盤的外徑變化跟隨大車進(jìn)行收放纜，收纜時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，放纜時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。卷盤電機(jī)速度由大車速度轉(zhuǎn)化而來。卷盤馬達(dá)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

n=VI/πd

(1)

式中，V為線速度，即大車行駛的速度；I為減速箱減速比；d為電纜卷盤的外直徑；n為角速度，即馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

實(shí)際控制時(shí)，收纜方向的速度給定要比計(jì)算出的馬達(dá)所需速度大一些，放纜方向的速度給定要比計(jì)算出的馬達(dá)所需速度小一些，這樣可以始終保持電纜的張緊。

對于低速大車卷盤項(xiàng)目，在3段收纜工況中，分別加100 r/min左右的定值(根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié))，使得速度給定超過大車實(shí)際速度；在3段放纜工況中，分別減100 r/min左右的定值(根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié))，使得速度給定小于大車實(shí)際速度，目的是為了讓卷盤速度與反饋之間有一定的速度滑差，能夠讓變頻器輸出在程序中設(shè)置的力矩值。

在高速軌道吊大車卷盤項(xiàng)目中，將收放纜加減速6段工況的速度給定分別乘以不同的系數(shù)。比如收纜加速過程中，速度給定為1.05n，即給定與反饋之間的速度滑差會隨著速度的增大而增大，這樣可使卷盤啟動或者停止的瞬間更加柔和，避免慣性太大導(dǎo)致過緊或過松故障。

3.2 分段力矩限幅

為了使電纜所受拉力始終處于許可值范圍內(nèi)，在采用速度控制的同時(shí)，根據(jù)不同的工況對力矩進(jìn)行動態(tài)限制[1]。在制動器處于打開狀態(tài)而卷盤沒有實(shí)際運(yùn)行時(shí)，讓變頻器輸出一個Holding的力矩，防止電纜墜落；當(dāng)卷盤正在運(yùn)行中并且處于6種工況中時(shí)，PLC程序根據(jù)不同工況讓變頻器輸出不同力矩。

3.3 絕對值編碼器計(jì)算圈數(shù)

在大車電纜卷盤系統(tǒng)中，速度與力矩給定都與卷盤中電纜的實(shí)際圈數(shù)有關(guān)，所以電纜圈數(shù)的正確與否十分重要。一般用絕對值編碼器來輸出電纜的實(shí)際圈數(shù)。首先，確認(rèn)卷盤上的實(shí)際圈數(shù)C，將公式C×4 096×1.9(1.9為鏈條傳動比)計(jì)算出的數(shù)值寫入計(jì)算圈數(shù)的程序中，查看得出的圈數(shù)是否與實(shí)際圈數(shù)一致。然后通過跑多點(diǎn)距離來驗(yàn)證絕對值編碼器圈數(shù)與實(shí)際電纜圈數(shù)是否一致，若差距始終在±0.5 圈以內(nèi)就表明圈數(shù)設(shè)置完成。

3.4 加減速時(shí)間及距離

電纜卷盤的加減速時(shí)間是按照大車的加減速時(shí)間來設(shè)置的，一般情況下比大車響應(yīng)略快，以最大限度地緊跟大車運(yùn)行。電纜卷盤的加速距離按照式(2)計(jì)算：

S=v0t+1/2at2

(2)

式中，S為距離；v0為初始速度；t為行駛時(shí)間；a為加速度。

4 結(jié)語

隨著各個自動化碼頭的興起，高速軌道吊在無人自動化堆場中的運(yùn)用越來越多。新型電纜卷盤控制系統(tǒng)在高速軌道吊中的成功運(yùn)用，能夠顯著提高自動化作業(yè)的效率，大幅降低由于卷盤故障而出現(xiàn)的人工介入次數(shù)，提高碼頭生產(chǎn)效率。