轻型集装箱起重机的智能化控制

关键词：智能控制　起重机　CMS 　　 　　 　　 　　随着全球集装箱运输业的发展，各起重机制造商对港口的集装箱装卸起重机设备，都在不断地朝着先进、快速、安全、可靠以及低成本的方向，进行针对性的开发研制，以谋求在激烈的市场竞争环境下，采用先进的技术装备来获取更好的经济效益。上海港机股份有限公司在上世纪末研制成功了轻型岸边集装箱起重机，主要适用于中小型港口以及老码头(由散货转向集装箱装卸)改造等以内贸运输为主的用户。目前已生产了10多台产品，遍及国内近10个港口。 　　 　　 　　 一 起重机及控制系统简介 　　 　　 　　 　　轻型集装箱起重机的主要技术参数如下： 　　 　　负荷起重量(不含吊具)：40T(外伸距30m)，35T(外伸距32m)，30T(外伸距38m)； 　　 　　起升速度：30m/min、45m/min(40T负荷)，60m/min、90m/min(空载)； 　　 　　起升电动机功率：250kW，2×150kW； 　　 　　起升行程：+30m～－15m； 　　 　　小车速度：150m/min； 　　 　　大车速度：30m/min； 　　 　　轨距：22m，16m，10.5m； 　　 　　整机重量：550T。 　　 　　轻型集装箱起重机的电控系统采用了当今世界上该行业最先进的控制技术。起升、小车、俯仰和大车机构均采用交流(矢量)变频驱动器及全能量回馈控制方式，整机系统由PLC集中控制，并保持对系统的各个部分(驱动器、主令手柄、限位等)信号的监控。CMS(Crane Management System)起重机管理系统是当前起重机监控管理先进性的一个标志，可对起重机的运行状况、机构状态进行实时显示与监控，及时地显示出故障信息及解决方法，对装卸作业的生产统计以及对起重机的维修保养方面的数据进行管理等。 　　 　　 　　 二 传动系统 　　 　　 　　 　　交流变频驱动系统是当今被广泛用于包括起重机在内的各个行业的控制传动系统，它的性能优于传统的交直流驱动方式的各类调速控制系统，而且还拥有先进的直流传动不可比喻的高效、节能、电力环保等方面的优势。 　　 　　该轻型集装箱起重机的传动系统采用罗克韦尔自动化A-B公司的1336系列，该系列调速控制器可对功率在7.5～800马力的交流电动机进行调速，其额定输出电流最大可达到983A。起重机的起升和俯仰机构采用的是1336Impact型矢量变频控制器，可对其位势能量负荷进行较好的速度控制和力矩控制；而小车和大车运行平移机构采用的是1336PlusⅡ型(无传感器)矢量变频控制器，更好地对其惯性负荷进行速度特性控制。 　　 　　对应用于起重机的传动系统来说，整流/回馈单元是其重要的组成部分，轻型集装箱起重机先后采用过RGU (Regenerative DC Bus Supply Unit) 2364F系列和1336 Regen系列作为整流/回馈装置，而全部IGBT整流/逆变回馈的公共直流母线型RGU系列，具有很好的电压整流波形和电流逆变回馈波形，同时具有较小的谐波分量及较高的功率因数(0.95以上)的特点也使得整个驱动系统更为完美。 　　 　　轻型集装箱起重机的起升电动机功率为250kW，转速为980/1960r/min，额定电流为445A；选用的变频器型号为1336E-(R)BP450，额定输出电流为531A。 　　 　　起升机构属于位势负荷，即负荷力矩的方向始终一致，因此驱动器除提供满足负荷上升和下降的方向运行力矩外，在机械制动器打开时，以及在整个减速停车过程中，都要提供出足以维持负荷重量的力矩。在每一次起动时(不论上升还是下降)，变频器根据对电动机的自适应检测出所必须提供的力矩，提供出一个状态化适当的电流给电动机，如果变频器读到反馈的电流，则制动器释放、打开；如果变频器读不到反馈电流，则认为力矩检测失败，并提供有关的信息显示。 　　 　　低速制动是所有调速机构的共同特点。实际速度的反馈是通过旋转编码器将速度反馈至变频器，变频器将速度的转换值用通信的形式传递至PLC，PLC进行计算比较，然后控制制动器的动作，在操作手柄回零后，PLC计算出速度的比较值，在速度减至接近于零时，发出制动指令，保证了机构在高速运行及制动过程中的平稳，没有任何冲击负荷的效应。 　　 　　恒功率调速是起升机构进行高效节能广泛应用的控制方式，即在重载时，保持在电动机基速以下的最大恒转矩运行；而在轻载或空载时，利用电动机高速低转矩输出的特性，根据负荷大小所应提供的转矩弱磁提高转速，保持功率恒定，以提高起重机的使用效率。该轻型集装箱桥吊的最高转速是基速的两倍，即频率输出为0～100Hz。负荷的检测是根据提供电流的大小，通过数据通信由变频器传至PLC，然后经过计算比较得出向变频器发出的速度给定指令。 　　 　　轻型集装箱起重机的俯仰电动机功率为55kW，转速为1475r/min，电流为105A，选用的变频器型号为1336E-(R)B100，额定输出电流为150A，俯仰机构的控制特点基本与起升机构一样，除了恒功率之外。 　　 　　轻型集装箱起重机的小车和大车机构都是电动机平移运行机构，小车电动机功率为2×45kW，转速为1475r/min，电流为2×84A；大车电动机功率为8×11kW，转速为1465r/min，电流为8×22A。其变频器选用的是无测速反馈的1336F-B125型，额定输出电流为173A。与起升和俯仰机构相比，平移运行机构无需在制动器打开前提供维持力矩以及恒功率控制的功能。 　　 　　RGU为IGBT整流/逆变回馈装置，在电动整流过程中，保证电压波形与电流波形相位的绝对一致，所得到的直流分量无任何毛刺现像；而在逆变回馈过程中，又保证电压波形与电流波形相位差达180°，使其功率因数接近1.0的理想状况，而在回馈电网的能量中，电压畸变率小于2%，电流的谐波分量也达到最低。轻型集装箱起重机所选用的RGU型号为系列B，代码M，直流电流达746A。 　　 　　轻型集装箱起重机首次采用国产交流变频电动机配套，其电磁设计、结构设计和绝缘系统设计，除了考虑对变频电源供电和宽范围变频调速的适应能力外，还体现了冶金起重用电动机载荷能力大，机械强度高的特点，并具有较高的效率和功率因数。该类型(YTSZ)电动机与变频器良好的起、制动功能相结合，特别适用于变频调速，短时或断续周期运行，频繁起动和制动的场合。 　　 三 通信 　　 　　快速、准确、可靠的通信方式是当今传动领域的一个重要环节，数字式调速器的所有数据，包括各项指令信息，状态信息等，都是通过数据通信网络进行传递的。轻型集装箱起重机的每一台变频器上都配备有远程I/O通信模块1336GM1，它们与PLC上的通信模块1747-SN用链状的形式通过对绞屏蔽电缆串联起来，在1747-SN和1336GM1模块上的双控开关可方便地设置通信传输特率、通信地址等参数，本套系统设置的特率为230.4kb/s。 　　 　　在PLC应用程序中对1747-SN模块进行编程，将1747-SN模块扫描到的地址划分为0、1、2、3共4个逻辑框架，每个逻辑框架包含0、1、2、3共4个组，将起升机构的通信地址设定在第二个逻辑框架的第零、一组内，小车机构设在第二、三组内；同样将俯仰和大车机构的通信地址设定在第三个逻辑框架。 　　 　　1747-SN与1336-GM1的通信方式是把1747-SN作为一个扫描器，将一个输出地址当作一个控制字(每个字由16位组成)，不同的位是有各自所确定的逻辑功能，PLC通过程序运算，将指令控制字发向变频器，同时变频器也将其状态通过同样的方式发向PLC。除此之外，变频器还有许多可变参数值(如速度、电流、力矩等)可作为数字量寄存在参数链中，1747-SN通过扫描也可读到这些参数，并进行控制与传递至上位机。 　　 　　轻型集装箱起重机所采用的PLC是A-B公司生产的SLC-500系列，CPU为1747-L532，16k存储器，在电气室设有一个主框架和一个直接扩展框架，在司机室设有一个远程扩展框架，主框架上有两块1747-SN模块，一块用于同变频器通信，另一块用于同远程扩展框架通信，在远程扩展框架上有一块1747-ASB通信模块与主框架进行数据通信，其波特率也为230.4kb/s。所有的司机室控制信号都进入远程扩展框架。 　　 　　轻型集装箱起重机的操作主要在司机室进行，主令手柄信号采用8位绝对值脉冲编码器作为速度设定控制信号，将8位输出点作为PLC的输入信号，运用格雷编码原理进行比较运算，得到0至255的数字变量，满足无级速度设定值的控制。 　　 　　 　　 四 CMS功能介绍 　　 　　 　　 　　轻型集装箱起重机为了方便用户对设备的使用、维修和管理，提供了完善的起重机管理系统(CMS)和故障报警显示器。CMS的硬件就是一台上位计算机，通过标准的RS-232或RS-485串行口与PLC进行数据通信；其软件平台为Rockwell Software公司的RS View32人机界面软件，该软件广泛运用于自动化领域，性能优越，功能强大，可与包括A-B公司在内的多家厂商的PLC进行通信及数据传递，而且该软件拥有中文平台支持，所有文字均可用中英文显示。CMS具有动画仿真、警报监视、参数监控、作业统计及打印等多种功能。 　　 　　轻型集装箱起重机的CMS是专门为集装箱起重机开发的专业性软件系统，拥有独立的知识开发产权，并可扩展到其他各类起重机上应用。 　　 　　轻型集装箱起重机的主要作业机构为起升、小车、俯仰和大车4块机构，而起升和小车构成的立体作业运行过程为CMS提供了一个很好的二维动态显示画面。该CMS可以动态模拟起重机的作业状况，包括起升、小车机构运行的动画模拟，吊具装箱、卸箱的动画模拟。其中起升和小车的移动位置和速度完全是根据PLC所提供的计算位置和速度而得到的，并伴有数值显示。此外，还可将吊具的状态(伸缩、开锁销和倾转等)及时地反映在监控画面上。 　　 　　整台起重机在运行过程中可能发生的100多条或更多的故障，都可由CMS进行监视、存储及打印。当某一故障发生时，在监视画面上会即时显示出该故障的描述<