變頻器是工業(yè)控制領(lǐng)域較為通用的自動(dòng)化控制裝置，性能穩(wěn)定，可靠。變頻器應(yīng)用于集裝箱裝卸系統(tǒng)，可以大大提高其運(yùn)行性能和可靠性，是目前集裝箱裝卸系統(tǒng)較為理想的設(shè)計(jì)模式。

1、引言

集裝箱裝卸機(jī)是集裝箱專(zhuān)用裝卸設(shè)備之一，可用于20ˊ、40ˊ國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)及堆放等作業(yè)。其作業(yè)高度可以達(dá)到“堆六過(guò)七”。傳統(tǒng)的集裝箱裝卸機(jī)為了提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，通過(guò)鼓形凸輪控制器的操作改變其轉(zhuǎn)子所串電阻調(diào)速。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展和矢量控制技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)在人們普遍采用變頻器作為調(diào)速電源，用多極變頻異步電機(jī)取代原來(lái)的繞線式異步電動(dòng)機(jī)，用PLC作為控制裝置進(jìn)行無(wú)觸點(diǎn)控制。從而改善了調(diào)速性能，增加了系統(tǒng)的可靠性。本文以新科瑞電氣SC890在蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司的成功應(yīng)用為例，闡述集裝箱裝卸機(jī)的變頻調(diào)速過(guò)程。

2、系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1集裝箱裝卸機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)成。

主要由三部分組成：大車(chē)拖動(dòng)系統(tǒng)、小車(chē)拖動(dòng)系統(tǒng)、吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)。

(1)大車(chē)拖動(dòng)系統(tǒng)拖動(dòng)整臺(tái)起重機(jī)順著車(chē)間方向左右移動(dòng)(以司機(jī)的坐向?yàn)閰⒖?

(2)小車(chē)拖動(dòng)系統(tǒng)拖動(dòng)吊鉤及重物順著橋架作前后運(yùn)動(dòng)。

(3)吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)拖動(dòng)重物作吊起或放下的上下運(yùn)動(dòng)，下面這種介紹吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)。

2.2負(fù)荷特點(diǎn)

集裝箱裝卸機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)均屬于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)負(fù)載，且其吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)為位能性負(fù)載，當(dāng)?shù)蹉^吊起重物下降或者快速減速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。需要將電能通過(guò)反饋裝置反送給電網(wǎng)或者消耗在制動(dòng)電阻上，以防止母線電壓過(guò)沖，變頻器過(guò)壓。

3、控制要求

3.1吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)。能夠?qū)崿F(xiàn)正反運(yùn)行且要有超載、限位、限流等多種保護(hù)。

3.2吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)在啟、停過(guò)程中容易出現(xiàn)“溜鉤”問(wèn)題。

由于制動(dòng)器從抱緊到松開(kāi)，以及從松開(kāi)到抱緊的動(dòng)作過(guò)程需要時(shí)間(約0.6s)，從而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生或消失，是在通電或斷電瞬間就立刻反應(yīng)的。因此，制動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)在動(dòng)作的配合上極易出現(xiàn)問(wèn)題。如電動(dòng)機(jī)已經(jīng)通電，而制動(dòng)器尚未松開(kāi)，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過(guò)載;反之，如電動(dòng)機(jī)已經(jīng)斷電，而制動(dòng)器尚未抱緊，則重物必將下滑，即出現(xiàn)所謂的“溜鉤”現(xiàn)象。因此要有相應(yīng)的防止措施。

3.3吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)中要有機(jī)械抱閘裝置(機(jī)械制動(dòng)器)。當(dāng)重物吊在空中出現(xiàn)突然停電的情況，如果不加裝機(jī)械抱閘裝置，重物就會(huì)有下滑的危險(xiǎn)。因此，吊鉤電動(dòng)機(jī)軸上必須加裝制動(dòng)器。常用的有電磁鐵制動(dòng)器和液壓電磁制動(dòng)器等。

4、系統(tǒng)構(gòu)成與控制原理

4.1系統(tǒng)構(gòu)成

4.1.1變頻器的選擇。

集裝箱裝卸機(jī)的大、小車(chē)(平移機(jī)構(gòu))拖動(dòng)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的性能要求不高，為了節(jié)省成本，選用V/F控制方式的通用變頻器SC500即可滿足要求。(本文從簡(jiǎn));裝卸機(jī)吊鉤(提升機(jī)構(gòu))拖動(dòng)系統(tǒng)要求有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和調(diào)速性能，必須采用矢量控制型變頻器。本文采用SC890系列矢量變頻器。SC890系列變頻器具有以下特點(diǎn)：

4.1.1.1 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：無(wú)PG矢量控制0.5Hz/150%(SVC);有PG矢量控制0Hz/200%(VC)(零速全轉(zhuǎn)矩功能，又稱零伺服功能，即零速是電動(dòng)機(jī)仍然能輸出200%的額定轉(zhuǎn)矩，使重物停在空中)。

4.1.1.2過(guò)載能力：150%額定電流60s;180%額定電流10s

4.1.1.3調(diào)速比：無(wú)PG矢量控制：1：100;有PG矢量控制：1：1000

4.1.1.4速度控制精度：無(wú)PG矢量控制：±0.5%最高速度;有PG矢量控制：±0.1%最高速度。

4.1.1.5頻率+力矩組合的抱閘控制邏輯，確保系統(tǒng)更加安全可靠。

吊鉤提升電機(jī)的功率為：75kw。為了保證足夠的起動(dòng)和運(yùn)行力矩，故將變頻器的容量放大一個(gè)規(guī)格。選用新科瑞SC890-090G/110P-4T型變頻器。為了節(jié)省成本，精簡(jiǎn)控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用無(wú)PG矢量的控制方式

4.1.2 PLC、HMI的選擇

日本三菱的FX2N-40MR;臺(tái)灣“威綸”觸摸屏 MT506LV

4.1.3制動(dòng)單元的選擇

變頻器的制動(dòng)單元應(yīng)加大一個(gè)檔次，以便允許有較大的制動(dòng)電流，縮短制動(dòng)過(guò)程;制動(dòng)電阻的額定功率應(yīng)加大一倍。故選用新科瑞電氣150A的制動(dòng)單元：SDU-150-4、制動(dòng)電阻選擇：6?/20KW(1個(gè))。

4.2系統(tǒng)控制原理

4.2系統(tǒng)控制原理說(shuō)明

4.2.1主令開(kāi)關(guān)、超載、限位開(kāi)關(guān)及變頻器的繼電器輸出信號(hào)1(故障輸出)，作為三菱FX2N plc的輸入信號(hào)。

4.2.2 PLC的輸出信號(hào)控制變頻器的多功能輸入端子(控制變頻器的正反轉(zhuǎn)、多段速、故障復(fù)位、緊急停止等。)和主電源電路的通斷。

4.2.3 觸摸屏和PLC通過(guò)RS422串行接口相連，PLC中的接口程序在PLC中為觸摸屏設(shè)立數(shù)據(jù)讀取區(qū)及相關(guān)狀態(tài)標(biāo)志，用于監(jiān)視主鉤的高度、載荷、運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等。

(1-1)

系統(tǒng)控制原理圖

5、變頻器接線、調(diào)試要點(diǎn)及參數(shù)設(shè)置

5.1變頻器接線說(shuō)明

5.1.1變頻器多功能輸入端子X(jué)1-X7、HDI用于控制變頻器的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、多段速、故障復(fù)位、緊急停止。

5.1.2繼電器1輸出作為“故障輸出”;繼電器2作為“抱閘/松閘”(頻率+力矩組合的方式)輸出。

5.1.3變頻器直流母線上并聯(lián)SDU-150-4制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，用以消耗吊鉤下行過(guò)程中產(chǎn)生的能量，實(shí)現(xiàn)變頻器的四象限運(yùn)行。　　

(1-2)

變頻器接線圖

5.2調(diào)試要點(diǎn)

5.2.1靜態(tài)自學(xué)習(xí)。采用無(wú)PG矢量控制，變頻器控制性能的優(yōu)劣基于電機(jī)模型的精確程度，因此在首次運(yùn)行電機(jī)前，需要對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行自學(xué)習(xí)：

將功能參數(shù)F0.01設(shè)置為0(操作面板命令通道)，其他參數(shù)請(qǐng)按出廠參數(shù)。然后請(qǐng)按電機(jī)銘牌參數(shù)輸入下面的參數(shù)：

F2.00= 0 G型變頻器 F2.01= 75 電機(jī)額定功率

F2.02= 50 電機(jī)額定頻率 F2.03= 585 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速

F2.04= 380 電機(jī)額定電壓 F2.05= 163 電機(jī)額定電流

3、再將功能參數(shù)F0.16設(shè)置為1(由于無(wú)法完全脫離負(fù)載，故采用靜態(tài)自學(xué)習(xí))，然后按鍵盤(pán)面板上RUN鍵，變頻器會(huì)自動(dòng)算出電機(jī)的下列參數(shù)：

F2.06：電機(jī)定子電阻 F2.07：電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻 F2.08：電機(jī)定轉(zhuǎn)子電感

F2.09：電機(jī)定轉(zhuǎn)子互感 F2.10：電機(jī)空載電流

當(dāng)變頻器P0.16設(shè)置為“2”確定后，鍵盤(pán)面板顯示“TURE”表示進(jìn)入自學(xué)習(xí)狀態(tài)了，然后按鍵盤(pán)面板上RUN鍵，鍵盤(pán)面板上“RUN”指示燈亮，電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，表示在自學(xué)習(xí)中，當(dāng)鍵盤(pán)面板上“RUN”指示燈滅了，鍵盤(pán)面板顯示“50.00”時(shí)，表示自學(xué)習(xí)已完成。

5.2.2抱閘與松閘的控制。無(wú)PG矢量控制方式在“0” Hz運(yùn)行時(shí)無(wú)法達(dá)到額定輸出轉(zhuǎn)矩，故需要借助一個(gè)FDT電平(繼電器2輸出)功能，來(lái)提升控制功能。即：設(shè)置一個(gè)合適的FDT電平檢測(cè)值，讓變頻器運(yùn)行到一定頻率后才打開(kāi)機(jī)械抱閘裝置。FDT電平檢測(cè)值設(shè)置過(guò)高，容易跳“過(guò)載”或“過(guò)流”故障;FDT電平設(shè)置過(guò)低又不能提起重物，此處最終設(shè)定的FDT電平檢測(cè)值為2Hz。若采用有PG矢量控制方式則可以在“0” Hz運(yùn)行時(shí)輸出一個(gè)控制信號(hào)去打開(kāi)機(jī)械抱閘裝置。

5.2.3溜鉤問(wèn)題處理。為了減少系統(tǒng)的“溜鉤”時(shí)間，盡量把減速時(shí)間設(shè)置得短些，此處設(shè)為0.1s。此外，PLC和變頻器時(shí)序邏輯的配合也相當(dāng)重要。　6、系統(tǒng)保護(hù)

該系統(tǒng)中，變頻器本身具有短路、過(guò)載、過(guò)壓、缺相、失速等多種保護(hù)和故障輸出功能，對(duì)吊鉤拖動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，所以變頻器的輸出可以直接連接電動(dòng)機(jī)而不必接熱繼電器作過(guò)載保護(hù)。線路主回路中接有總接觸器和分接觸器，它們除了通斷線路的作用外，還兼有短路、過(guò)載、欠壓等多種保護(hù)。司機(jī)可以通過(guò)聯(lián)動(dòng)臺(tái)中的啟停按鈕控制總接觸器進(jìn)而控制總電源的通斷，在無(wú)法用接觸器通斷電路的情況下，可以通過(guò)急停開(kāi)關(guān)接通總斷路器分勵(lì)脫扣線圈來(lái)斷開(kāi)電源電路。另外在總電源控制回路中還串有門(mén)限位開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)作為安全保護(hù)措施。

7、結(jié)束語(yǔ)

有了功能完善、性能穩(wěn)定可靠的變頻器和PLC的有力支持，集裝箱裝卸機(jī)在可靠性、調(diào)速性能、節(jié)能和運(yùn)行效率等方面與傳統(tǒng)的集裝箱裝卸機(jī)相比有了很大的提高，變頻器和PLC構(gòu)成的集裝箱裝卸機(jī)系統(tǒng)成為目前集裝箱裝卸機(jī)的典型設(shè)計(jì)模式，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

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編輯：黃飛

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