基于四卷筒组合技术的集装箱门式起重机联合运行控制

1　常规集装箱门式起重机与四卷筒型式

集装箱门式起重机的小车形式比较

1.1　常规集装箱门式起重机的小车形式

集装箱起重机的小车布置形式对整机性能有十分重要的影响。常规集装箱门式起重机，如通用型轮胎式集装箱门式起重机、轨道式集装箱门式起重机等，均采用自行式小车，起升机构和小车运行机构为2套独立机构，起升机构和小车机构的电机、减速器、制动器、卷筒等均布置在小车上。这样的布置形式导致小车的承载质量较大，对小车架结构的强度和刚性要求较高。通用型轮胎式集装箱门式起重机小车及其机构（见图1）的质量可达，小车结构和整机的质量也相应较大。另外，通用型轮胎式集装箱门式起重机小车架上布置的机构较多，且其外形尺寸较大，小车机构与起升机构相互独立，只需同时控制两者的驱动电机即可实现对小车机构与起升机构的联合运行控制。

1.2　四卷筒型式集装箱门式起重机的小车形式

为减轻整机的质量，四卷筒型式集装箱门式起重机的起升机构和小车运行机构采用四卷筒运行控制方式，起升机构与小车运行机构共用驱动装置，驱动机构安装在两侧底梁上。如图2所示，在主梁轨道运行的小车上装有起升滑轮组、小车车轮和水平轮，不设驱动装置，大大减轻小车及其机构的质量（仅），进而减轻整机的质量，增加整机的稳定性。小车车轮为钢制、双轮缘车轮，踏面经加硬处理，轨道外侧布置水平轮，水平轮导向不仅能防止产生啃轨现象，同时起到防止小车脱轨坠落的作用，大大提高起重机工作的可靠性。

四卷筒型式集装箱门式起重机的起升机构与小车运行机构共用2套驱动装置，相对门框对称布置在结构架下面的底梁上。这2套驱动装置均由电动机、联轴器、减速器、制动器、低速轴联轴器、卷筒等组成，采用变频控制，分别驱动，通过两侧卷筒的不同转向对钢丝绳进行收放，配合特别设计的钢丝绳缠绕系统实现货物的升降和平移。起升机构与小车运行机构的一体化控制技术是一项创新性技术设计，能够实现整机结构的轻型化。

2　基于四卷筒组合技术的集装箱门式起重机联合运行控制

2.1　联合运行工作原理

如图3所示，四卷筒型式集装箱门式起重机起升机构和小车机构的驱动系统分别由左侧的卷筒1、卷筒2和右侧的卷筒3、卷筒4及相应的驱动机构构成。由图3可知四卷筒型式集装箱门式起重机吊具升降运动与卷筒运动之间的关系，由此得出方程组

（1）

式中：vy为吊具垂直方向的速度；vx为吊具水平方向的速度；v1为卷筒1所牵引的钢丝绳卷取速度；v2为卷筒2所牵引的钢丝绳卷取速度。

由式（1）可知：当两侧电机分别驱动2个卷筒以同一速度卷起，两侧转向相反，此时仅吊具作升降运动，小车不动作，即vx＝0，vy＝v1＝v2；当一侧电机驱动2个卷筒卷起，另一侧电机驱动2个卷筒以同一速度下放，此时仅小车作前后运动，无起升运动，即vy＝0，vx＝v2＝　v1；当需要同时进行吊具起升/下降、小车前进/后退操作时，可通过控制两侧卷筒驱动速度实现起升机构与小车机构的联合运行。

2.2　联合运行硬件系统

四卷筒型式集装箱门式起重机起升机构与小车机构联合运行控制系统可编程逻辑控制器（Programmable　Logic　Controller，PLC）的选择依据实时性、可靠性、经济性原则，选用西门子公司的S7-300系列中型PLC。S7-300系列PLC基于STEP-7编程软件的编程指令十分丰富，能够实现结构复杂的程序编写，并具有功能强大的通信网络。PLC为模块化结构，其中央处理器带有过程现场总线接口，设在司机室内PLC控制柜中。PLC控制柜中另有4块数字量输入模块和2块数字量输出模块，主要处理联动台的主令控制器、按钮、指示灯、超负荷限制器、风速仪等控制信号以及吊具上的吊具电磁阀、限位等控制信号。电气室电控屏内的模块为远程站，使用ET200M接口模块，另有4块数字量输入模块和2块数字量输出模块，主要处理断路器、接触器和限位等的控制信号。起重机机上、机下各机构的操作指令信号和检测指令信号均由PLC统一处理。PLC与个人电脑之间的通信通过中央处理器模块上的通信口，采用MPI电缆与个人电脑的串口通信连接。

驱动系统采用2台日本安川公司生产的高性能通用VS系列变频器，均配有制动单元及制动电阻，分别驱动两侧的起升机构电机和小车机构电机；采用PG矢量控制方式，以达到较高的速度控制精度；调速比可达1∶50，调整精度为1%，调整平稳，长时期低速运行时具有稳定的调速性能和精度。四卷筒型式集装箱门式起重机起升机构与小车机构联合运行控制及驱动系统硬件构成如图4所示。

小车机构联合运行控制及驱动系统硬件构成

四卷筒型式集装箱门式起重机起升机构和小车机构分别由2台交流变频器驱动，采用带PG闭环矢量控制方式，实现全变频范围内的全转矩控制，避免起升机构的溜钩现象。在变频器内部设置2套驱动参数分别适用于起升/小车机构电机和大车电机，工作时通过切换可以实现用1台变频器驱动2套工作机构，从而节约1套变频器装置。每台变频器都配有能耗制动组件，用来实现对位置势能和制动能量的消耗。

为提高起升机构的效率，起升机构采用恒功率调速方式，驱动机构采用交流变频驱动方式，由于频率是连续变化的，各机构在启、制动时相当平稳；同时，由于在制动时加入电制动，使制动器的损耗减小，制动时产生的冲击减小。变频器各挡速度的设置十分方便，可以根据不同需要修正起重机的速度，以适应不同工况的需要。在起升和下降过程中，变频调速起重机的耗能量与速度和负载几乎成正比，具有较高的功率因素。

与其他电控系统相比，变频调速电控系统使用电控器件的数量较少，不仅性价比较高，而且结构简单。变频调速起重机可以通过变频器设置输入、输出电源的欠压、过压、缺相保护和过电流保护，变频器、制动单元和电动机的过热保护，以及变频器故障保护和抗干扰保护等。由于起升机构中的变频器设置为闭环矢量控制，因而还可以设置转速偏差过大、超速及过力矩保护信号。

2.3　联合运行控制系统

四卷筒型式集装箱门式起重机的起升机构与小车机构联合运行控制系统软件采用西门子公司的STEP-7编程软件编制，其基本控制流程如图5所示。

小车机构联合运行控制流程

由起重机司机室内联动台面板上的主令手柄发出吊具起升/下降、小车前进/后退运行指令，其速度一般用电机额定频率来表示。根据式（1）可以得出吊具起升/下降以及小车前进/后退时2台电机各自的速度方向及大小。吊具起升/下降和小车前进/后退指令通过输入/输出模块输入中央处理器，由中央处理器对运行方向及速度大小作出判断和处理。运算后的复合速度通过过程现场总线协议传输到变频器，变频器将其作为各台电机的速度给定。变频器利用速度给定和编码器的反馈值构成速度外环，并采用矢量变频控制方式运行。

3　结束语

四卷筒组合技术的应用不仅减轻起重机自身的质量，实现节能减排，而且降低码头使用起重机的条件，有利于减少码头基础设施和设备投资，具有广泛的应用前景。试验研究和样机模拟运行结果表明，通过控制两侧卷筒驱动速度实现起重机小车机构与起升机构的联合运行是可行的，且在技术上是可靠的，不仅能够满足操作者不同操作习惯的需要，而且有助于提升作业效率。

（编辑：曹莉琼　收稿日期：2012-09-11）