新型電纜卷盤控制系統在高速軌道吊中的應用

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

隨著港口起重機技術的不斷發展，碼頭對生產效率的要求越來越高，起重機設備速度的加快，對于電纜卷盤控制系統提出了更高的要求。電纜卷盤系統作為起重機設備的從動系統，受到卷盤自身特點及主系統運行的影響，要實現無故障運行，必須不斷完善使用過程中出現的問題，優化程序邏輯。

現有電纜卷盤控制系統的原理是速度控制加力矩限幅，分6段工況進行處理，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圈數相應的變化。這套系統在高速軌道吊中有如下3個不足：①啟動時力矩過大，導致導纜架晃動；②停止時不夠穩定，電纜時緊時松；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，改為乘以相應的系數，使得速度滑差隨著速度的增大而增大；②緊停時，卷盤系統不停止運行，制動器不關閉，用驅動器的反向拉力使得電纜卷盤穩定運行。

2 系統硬件設計

2.1 外圍硬件設計

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

1.卷盤 2.電纜 3.減速箱 4.制動器 5.高壓滑環箱 6.光纜附件箱 7.聯軸節 8.變頻馬達 9.出線口圖1 大車電纜卷盤外圍硬件圖

2.2 電控總體設計

電控系統主要由電氣控制柜(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、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或者Profibus總線進行通訊連接，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數模塊，經通訊傳給PLC后進行處理。卷盤電氣控制柜內PLC、輸入輸出模塊和變頻器通過通訊與主系統PLC進行數據交換，由主系統PLC給出大車運行命令及速度，再由卷盤柜內元器件反饋回主PLC運行狀態及故障信息。變頻電機由卷盤PLC及變頻器控制，輸出相應速度及力矩，再通過電機增量編碼器反饋即時速度。絕對值編碼器反饋給卷盤PLC實時電纜卷盤圈數。卷盤制動器通過PLC程序控制接觸器來實現開關。

2.3 導纜架設計

導纜架有左方向、右方向、過緊和預松纜4個限位,以及油缸和導向架等結構件組成。導纜架主要作用是:用方向限位判斷電纜的運行方向；用過緊限位來保護電纜，避免電纜受到太大的拉力；用預松纜限位來增加力矩，避免電纜運行時太松導致松纜故障。導纜架的安裝高度對于電纜運行的狀態也至關重要，經過反復實驗，最終將導纜架安裝高度定在750 mm。

3 系統軟件設計

3.1 線性速度滑差

大車卷盤采用速度控制方式，電纜卷盤根據大車速度和電纜卷盤的外徑變化跟隨大車進行收放纜，收纜時電機正轉，放纜時電機反轉。卷盤電機速度由大車速度轉化而來。卷盤馬達轉速計算公式為：

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，即馬達轉速。

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

對于低速大車卷盤項目，在3段收纜工況中，分別加100 r/min左右的定值(根據實際情況調節)，使得速度給定超過大車實際速度；在3段放纜工況中，分別減100 r/min左右的定值(根據實際情況調節)，使得速度給定小于大車實際速度，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置的力矩值。

在高速軌道吊大車卷盤項目中，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。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，在采用速度控制的同時，根據不同的工況對力矩進行動態限制[1]。在制動器處于打開狀態而卷盤沒有實際運行時，讓變頻器輸出一個Holding的力矩，防止電纜墜落；當卷盤正在運行中并且處于6種工況中時，PLC程序根據不同工況讓變頻器輸出不同力矩。

3.3 絕對值編碼器計算圈數

在大車電纜卷盤系統中，速度與力矩給定都與卷盤中電纜的實際圈數有關，所以電纜圈數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際圈數。首先，確認卷盤上的實際圈數C，將公式C×4 096×1.9(1.9為鏈條傳動比)計算出的數值寫入計算圈數的程序中，查看得出的圈數是否與實際圈數一致。然后通過跑多點距離來驗證絕對值編碼器圈數與實際電纜圈數是否一致，若差距始終在±0.5 圈以內就表明圈數設置完成。

3.4 加減速時間及距離

電纜卷盤的加減速時間是按照大車的加減速時間來設置的，一般情況下比大車響應略快，以最大限度地緊跟大車運行。電纜卷盤的加速距離按照式(2)計算：

S=v0t+1/2at2

(2)

式中，S為距離；v0為初始速度；t為行駛時間；a為加速度。

4 結語

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用越來越多。新型電纜卷盤控制系統在高速軌道吊中的成功運用，能夠顯著提高自動化作業的效率，大幅降低由于卷盤故障而出現的人工介入次數，提高碼頭生產效率。