摘要：變頻器是工業(yè)控制領(lǐng)域較為通用的自動化控制裝置，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)計模式。

　　關(guān)鍵詞：頻率+力矩組合的抱閘邏輯、矢量變頻器(SVC、VC)、集裝箱裝卸機(jī)

　　1、引言

　　集裝箱裝卸機(jī)是集裝箱專用裝卸設(shè)備之一，可用于20ˊ、40ˊ國際標(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“堆六過七”。傳統(tǒng)的集裝箱裝卸機(jī)為了提高起動轉(zhuǎn)矩，采用繞線式異步電動機(jī)拖動，通過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)取代原來的繞線式異步電動機(jī)，用PLC作為控制裝置進(jìn)行無觸點控制。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)速過程。

　　2、系統(tǒng)簡介

　　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：大車拖動系統(tǒng)、小車拖動系統(tǒng)、吊鉤拖動系統(tǒng)。

　　(1)大車拖動系統(tǒng)拖動整臺起重機(jī)順著車間方向左右移動(以司機(jī)的坐向為參考)

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

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

　　2.2負(fù)荷特點

　　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，電動機(jī)處于再生發(fā)電制動狀態(tài)。需要將電能通過反饋裝置反送給電網(wǎng)或者消耗在制動電阻上，以防止母線電壓過沖，變頻器過壓。

　　3、控制要求

　　3.1吊鉤拖動系統(tǒng)要求起動轉(zhuǎn)矩大，起動運(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吊鉤拖動系統(tǒng)在啟、停過程中容易出現(xiàn)“溜鉤”問題。

　　由于制動器從抱緊到松開，以及從松開到抱緊的動作過程需要時間(約0.6s)，從而電動機(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，制動器和電動機(jī)在動作的配合上極易出現(xiàn)問題。如電動機(jī)已經(jīng)通電，而制動器尚未松開，將導(dǎo)致電動機(jī)嚴(yán)重過載;反之，如電動機(jī)已經(jīng)斷電，而制動器尚未抱緊，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吊鉤拖動系統(tǒng)中要有機(jī)械抱閘裝置(機(jī)械制動器)。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，重物就會有下滑的危險。因此，吊鉤電動機(jī)軸上必須加裝制動器。常用的有電磁鐵制動器和液壓電磁制動器等。

　　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(平移機(jī)構(gòu))拖動系統(tǒng)對系統(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);裝卸機(jī)吊鉤(提升機(jī)構(gòu))拖動系統(tǒng)要求有較高的起動轉(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：

　　4.1.1.1 起動轉(zhuǎn)矩：無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過載能力：150%額定電流60s;180%額定電流10s

　　4.1.1.3調(diào)速比：無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和運(yùn)行力矩，故將變頻器的容量放大一個規(guī)格。選用新科瑞SC890-090G/110P-4T型變頻器。為了節(jié)省成本，精簡控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用無PG矢量的控制方式

　　4.1.2 PLC、HMI的選擇

　　日本三菱的FX2N-40MR;臺灣“威綸”觸摸屏 MT506LV

　　4.1.3制動單元的選擇

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

　　4.2系統(tǒng)控制原理

　　4.2系統(tǒng)控制原理說明

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

　　4.2.2 PLC的輸出信號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)試要點及參數(shù)設(shè)置

　　5.1變頻器接線說明

　　5.1.1變頻器多功能輸入端子X1-X7、HDI用于控制變頻器的啟動、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制動單元和制動電阻，用以消耗吊鉤下行過程中產(chǎn)生的能量，實現(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

　　5.2.1靜態(tài)自學(xué)習(xí)。采用無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)請按出廠參數(shù)。然后請按電機(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(由于無法完全脫離負(fù)載，故采用靜態(tài)自學(xué)習(xí))，然后按鍵盤面板上RUN鍵，變頻器會自動算出電機(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，鍵盤面板顯示“TURE”表示進(jìn)入自學(xué)習(xí)狀態(tài)了，然后按鍵盤面板上RUN鍵，鍵盤面板上“RUN”指示燈亮，電機(jī)會轉(zhuǎn)動，表示在自學(xué)習(xí)中，當(dāng)鍵盤面板上“RUN”指示燈滅了，鍵盤面板顯示“50.00”時，表示自學(xué)習(xí)已完成。

　　5.2.2抱閘與松閘的控制。無PG矢量控制方式在“0” Hz運(yùn)行時無法達(dá)到額定輸出轉(zhuǎn)矩，故需要借助一個FDT電平(繼電器2輸出)功能，來提升控制功能。即：設(shè)置一個合適的FDT電平檢測值，讓變頻器運(yùn)行到一定頻率后才打開機(jī)械抱閘裝置。FDT電平檢測值設(shè)置過高，容易跳“過載”或“過流”故障;FDT電平設(shè)置過低又不能提起重物，此處最終設(shè)定的FDT電平檢測值為2Hz。若采用有PG矢量控制方式則可以在“0” Hz運(yùn)行時輸出一個控制信號去打開機(jī)械抱閘裝置。

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

　　5.3參數(shù)設(shè)置

　　F0.00 0 無PG矢量控制

　　F0.01 1 端子指令通道

　　F0.11 1 加速時間0

　　F0.12 0.1 減速時間 0

　　F0.14 3 載波頻率設(shè)定

　　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

　　F2.06 0.58 電機(jī)定子電阻

　　F2.07 0.58 電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻

　　F2.08 17.4 電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電感

　　F2.09 18.5 電機(jī)定、轉(zhuǎn)子互感

　　F2.10 38.22 電機(jī)空載電流

　　F3.10 170 轉(zhuǎn)矩上限設(shè)定

　　F5.01 1 正轉(zhuǎn)運(yùn)行

　　F5.02 2 反轉(zhuǎn)運(yùn)行

　　F5.03 13 多段速端子1

　　F5.04 14 多段速端子2

　　F5.05 15 多段速端子3

　　F5.06 7 故障復(fù)位

　　F5.07 6 緊急停止

　　F5.08 16 多段速端子4

　　F6.04 4 故障輸出

　　F6.05 5 頻率+力矩抱閘松閘輸出

　　Fb.13 6 故障自動復(fù)位次數(shù)

　　Fb.14 0.1 故障自動復(fù)位間隔時間

　　F8.16 2 抱閘松閘頻率

　　FA.02 40% 多段速2

　　FA.06 60% 多段速6

　　FA.07 80% 多段速7

　　FA.15 100% 多段速15

　　6、系統(tǒng)保護(hù)

　　該系統(tǒng)中，變頻器本身具有短路、過載、過壓、缺相、失速等多種保護(hù)和故障輸出功能，對吊鉤拖動機(jī)構(gòu)來說，變頻器驅(qū)動一臺電動機(jī)，所以變頻器的輸出可以直接連接電動機(jī)而不必接熱繼電器作過載保護(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、過載、欠壓等多種保護(hù)。司機(jī)可以通過聯(lián)動臺中的啟停按鈕控制總接觸器進(jìn)而控制總電源的通斷，在無法用接觸器通斷電路的情況下，可以通過急停開關(guān)接通總斷路器分勵脫扣線圈來斷開電源電路。另外在總電源控制回路中還串有門限位開關(guān)和鑰匙開關(guān)作為安全保護(hù)措施。

　　7、結(jié)束語

　　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)計模式，應(yīng)用越來越廣泛。