淺談集裝箱裝卸橋起升機構的控制方式

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械，可以說是集裝箱港口中最重要的設備，通常由五部分組成：即起升機構、大車行走機構、俯仰機構、小車機構和吊具。其中起升機構由于其對可靠性要求極高、控制難度大、控制精度高、電機功率大的特性，屬于最核心的機構。

集裝箱裝卸橋起升機構較為普遍的電氣配置是：變頻專用電機2 臺，起升變頻器2 臺，編碼器3 個（其中2 個增量型編碼器與電機同軸安裝，1 個絕對值編碼器安裝在卷筒上），PLC 一臺。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用較為普遍，下面介紹起升機構的控制方式。

2 閉環矢量控制

起升機構一般選擇閉環矢量控制方式，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 控制方式的基本關系式：

E1=4.44f1N1KΦmU1=E1+i1（r1+x1）

E1為定子每相感應電動勢有效值；f1為定子頻率；N1為定子每相串聯匝數；K 為基波繞組系數；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。

繞組里面的電動勢一般是難以直接測量和控制的，所以在定子電勢較高時，可以忽略定子繞組中的漏阻抗壓降，使用定子電動勢來代替定子電壓，這樣就形成了恒定壓頻比的控制方式。但是當電機運行在低頻段時，定子繞組中的漏阻抗壓降就無法忽略不計了，如果繼續按照該方式進行控制就會引起磁通減小，從而使得電動機在低頻時的轉矩減小。為了彌補這種減小的作用，一般采用在低頻段提高電壓的方法，來減低低頻段的轉矩抵消漏阻壓降的影響[1]。但是這種轉矩補償的方式依然有其局限性，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矩[2]。而起升機構屬于位能性負載，它的一個重要特性就是要在沒有轉速時也有負載轉矩的存在，并且是全部的負載轉矩，因此在低速和零速的情況下，也要求電動機的轉矩輸出能夠滿足全部的負載轉矩。這樣恒定壓頻比的控制方式就不適應起升機構，因為起升機構一般需要滿轉矩啟動以防止“自流”，并且經常需要進行“點動”微調操作，所以，基本上都是采用閉環矢量控制的方式來適應起升機構的特殊工況，從而實現“額定轉矩啟動”和“零速控制”。

在進行閉環矢量控制方式調速的前提下，大部分的變頻器的調速比能夠達到1:1000，調整精度能夠達到±0.01%，可以較好地滿足起升機構的工況。

3 主從控制模式

集裝箱裝卸橋的起升機構一般由兩臺電機同步驅動，這兩臺電機通過聯軸器與減速箱相連。而異步電機的特性決定了在兩臺或兩臺以上電機同時驅動一個剛性負載時，會發生負載分配不均勻的現象，嚴重的甚至可能在輕負載狀態下發生一臺電機拖著另一臺電機工作（即一臺處于電動狀態一臺處于發電狀態）的情況。為了避免這種情況，使負載均勻分配，起升機構通常采用主從的控制方式。所謂主從控制，就是將某一套驅動控制器的速度(或轉矩)設定值，傳送給另一套驅動控制器上，并以此作為這套驅動控制器的速度(或轉矩)設定值，進而達到分配各個電機間的負荷使其達到均勻平衡，以滿足對驅動系統的控制精度的目的。那么接受速度設定值的驅動控制器則就稱為“從驅動”，發送速度設定值的驅動控制器則就是稱為“主驅動”。

現在大部分變頻器均能夠使用硬件（不使用PLC 直接參與控制）來實現主從控制，如西門子公司的6SE70 系列變頻器分別在主從驅動裝置上加裝SCB2 接口板和T300 工藝卡, 使兩臺變頻器之間實現動態和穩態負載的自動平衡分配[3]；ABB 公司的ACS600 變頻器將主從驅動器的CH2 口用光纖相連，并工作在直接轉矩控制模式（DTC），“主驅動”為速度控制，“從驅動”為力矩控制的方式可以實現主從控制等等[4]。

而在有PLC 直接參與控制的情況下，實現方式則較為簡單：以安川系統為例，兩臺變頻器均采用速度控制模式，由PLC收集兩臺變頻器的速度反饋值、內部轉矩給定的反饋值等，然后實時給出速度指令（兩臺變頻器的加減速時間均設定為0，這意味著變頻器需要實時響應PLC 給出的速度指令，而所有加減速曲線的計算均由PLC 完成），主從變頻器的速度給定均為相同數值，以保證兩臺電機在相同的速度運轉，不會出現“頂牛”的現象；“主驅動”的轉矩補償給定值是當電機的轉速接近為0，沒有起升下降命令，同時制動器依然打開，即電機處于穩態瞬間的內部轉矩給定，這個時候的內部轉矩給定是等于負載轉矩的；而“從驅動”轉矩補償給定值則為“主驅動”的內部轉矩給定值，這樣可以保證兩臺變頻器的實際輸出轉矩較為接近，不會出現負載分配不均勻的情況。同時需要注意的是采用PI 控制的速度環，在主從模式下兩臺電機的響應速度（P 給定）可以設定為不同數值，一般來說“主驅動”在重載時的響應速度設定略大于“從驅動”的響應速度；而且“主驅動”一般采用PI 控制，而“從驅動”采用P 控制以防止出現振動。

4 無沖擊控制

圖1 無沖擊控制對比圖

集裝箱裝卸橋現在普遍采用了無沖擊控制，圖1 為無沖擊控制對比圖，在傳統控制模式中未采用無沖擊控制，所以在點動操作的時候，A 點和B 點處因為這兩個時間段速度給定為0，所以這兩處的電機輸出力矩為0，制動器的狀態為閉合的，這樣在進行點動操作的時候，就存在了電機起動制動的過程，不僅增加了制動器的損耗，而且降低了作業效率。

在采用無沖擊控制的情況下，在A 點和B 點，制動器均為打開狀態，電機轉速為0，當吊具為開鎖狀態（即空載）時電機輸出的電磁轉矩固定為30%額定轉矩，吊具閉鎖狀態（即重載）時電磁轉矩計算方法是：在電機的轉速接近為0，沒有起升下降命令，同時制動器依然打開，即電機處于穩態的瞬間的最初0.4S內，PLC 在每個掃描周期，根據懸停時的內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載力矩相當，不會發生“自流”等失控的情況。對大部分變頻器來說，在帶速度傳感器的矢量控制條件下，這種空中懸停的狀態一般可以保持幾秒鐘。在此期間，如果需要進行點動操作，電機能夠迅速作出反應，不用等待制動器狀態的改變，這樣就有很快的反應速度。

5 自動減速

集裝箱裝卸橋起升系統自動減速控制的目的是對設備提供必要的保護。保護鋼結構免受強力碰撞和慣性沖擊，同時也保護操作人員安全。自動減速的工作原理是根據起升電機當前的速度反饋由PLC 計算出減速點，當計算出的減速點大于等于（正向運行）或小于等于（反向運行）設定的減速點后程序會按預定的減速曲線控制驅動器減速運行直至設定的速度值。

因為有卷筒軸上安裝的絕對值編碼器實時反饋起升高度數據，有變頻器實時反饋的起升機構的速度，同時還有設定好的加減速時間，于是自動判斷現在所處的位置是否需要減速就變得十分簡單。在正向運行時，程序會不斷的根據起升機構當前的運行速度計算在這個速度下需要的減速距離，然后加到該機構的當前位置上，再檢測這個結果是不是大于等于常數表中設定的減速點，一旦條件滿足，就開始減速運行；在反向運行時，程序會不斷的根據機構當前的運行速度計算在這個速度下需要的減速距離，然后用該機構的當前位置減去前面計算的減速距離，再檢測這個結果是不是小于等于常數表中設定的減速點，一旦條件滿足，就開始減速運行，整個過程是在動態狀態下自動完成的。

減速點的設置也根據具體工況的不同進行計算。比如，在下減速點的位置上，如果吊具為閉鎖狀態，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高度等。