基于变频的电缆卷盘控制系统设计与应用

裴 宇

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

基于变频的电缆卷盘控制系统设计与应用

裴 宇

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

电缆卷盘是岸桥吊具的重要设备，随着岸桥设备的更新和相关技术的不断发展，对电缆卷盘的控制系统设计提出了越来越高的要求。比较磁滞联轴器驱动方式与变频控制方式的特点，采用变频速度控制设计的一套电缆卷盘控制系统具有明显优势。该系统在ZPMC的新加坡岸桥二期项目上得到成功应用。

电缆卷盘；磁滞联轴器；变频速度控制

0 引 言

随着远洋运输业持续发展，开展现代化集装箱码头装卸工作有着极为重要的意义。岸边集装箱起重机(以下简称“岸桥”)作为搬运集装箱的主要设备，在促进航运发展方面起着重要的作用。

岸桥可按功能划分为起升机构、俯仰机构、运行小车机构和大车行走机构等机构，其中起升机构作为岸桥的核心机构，具有以下发展趋势[1]:

1)提升速度大幅提高；

2)起升高度不断增高；

3)吊具载重量急剧增长。

随着岸桥行业不断发展，对起升机构的电气设计提出越来越高的要求。吊具电缆卷盘控制系统为岸桥吊具提供电源和控制信号，其完好率和自动化程序决定着岸桥的工作效率。

1 电缆卷盘控制系统的组成

吊具电缆卷盘控制系统主要由动力机构、集电器、电缆卷盘及吊具电缆固定装置等4部分组成(见图1)。

1.1动力机构

吊具电缆卷盘控制系统的动力机构包括驱动电机、磁滞联轴器和减速箱等，其驱动方式包括磁滞式控制方式和全变频速度控制方式2种。这2种控制方式的核心驱动机构分别为磁滞联轴器和变频调速装置。

1.1.1 磁滞联轴器

磁滞联轴器是电机与减速箱之间的一种传动装置，通过磁滞力给电缆卷盘提供转矩，其结构相比其他传动结构较为简单，体积、质量及转动惯量都较小[2]。设计时可通过改变联轴器的数量和每只联轴器的输出力矩来调整磁轴联轴器的扭矩，满足各种吊具电缆及电缆长度的需要。因此，磁轴式卷缆系统具有整体灵活、适应能力强及失电时可保护电缆等优点，是一种比较理想的动力张紧装置。

1.1.2 变频调速装置

变频调速装置包括可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)、变频器和变频电机，该控制方式可省略磁滞联轴器，根据 PLC 获取的吊具高度、位置、速度等信息计算出输出扭矩和转速，通过减速箱驱动卷盘运行。全变频调速系统具有响应速度快、跟随效果好和适应范围广等特点，特别适用于速度变化快、提升高度高和电缆自重大的场合，符合当前电缆卷盘系统的发展趋势，是目前较为先进的吊具电缆卷盘驱动技术。

1.2集电器

集电器又称滑环箱，由张力装置和集电刷组成。滑环箱通过电刷与导轨滑动接触，在旋转的情况下保证电缆和供电箱的电气连接，将电能输送给电缆，实现移动供电。

1.3电缆卷盘

在对电缆卷盘进行现场组装时，需调整中间的开档尺寸，以保证电缆能顺利滑动；在设计卷盘时，需保证卷盘宽度在内圈大于电缆外径的10%，在最外圈大于电缆外径2～3 mm，从而确保电缆工作时正确缠绕在电缆卷盘上。

1.4吊具电缆固定装置

吊具电缆固定装置可起到固定电缆和缓冲启动时的电缆冲击的作用，在装置的上方和下放装有过松过紧凸轮限位开关，保证设备安全作业。吊具电缆缓冲装置包括松紧绳式、弹簧式、卷盘式和摆臂式等。

2 电缆卷盘控制方法

2.1电缆卷盘常用的2种驱动控制方法对比

电缆卷盘常用的驱动控制方法有磁滞联轴器驱动和变频速度控制2种，其中磁滞联轴器驱动方式采用磁滞的方式提供力矩，本质上属于力矩控制。力矩控制的缺陷在于低速时电缆容易拉得过紧，高速时会因力矩不足而出现松缆，因为联轴器的电磁力有限，当无法控制电动机和制动器的力矩时，会造成电机的制动器与减速箱脱离，即出现松缆情况，引发事故，因此在设计时往往会留出较大的余量[3]。此外，磁滞式吊具驱动系统的应用范围也受到限制，在起升高度较高、电缆自重较重的情况下，电缆跟随效果不佳，成本大幅增长，这越来越难以满足当今起升高度较高、吊具载重量较重带来的电缆自重较重、提升速度较快的场合的要求。变频速度控制则是直接调节电缆的运行速度，不会出现力矩与速度不匹配的情况，因此这里采用基于变频的速度控制方式。

2.2变频速度电缆卷盘控制系统的工作方式

PLC和变频器安装于变频控制柜内(见图2)，PLC实时采集吊具提升的高度和速度等运动参数(高度通过电缆圈数间接计算得出，速度则结合电缆卷盘的转速和圈数进行计算)，计算出输出转矩和转速给变频器，变频器根据PLC的信息调节输出波形给驱动电机，由电机通过齿轮箱控制卷盘的运动，使之与吊具的实际速度相匹配，并使电缆处在合理的张紧状态，实现对电缆卷盘的闭环控制。具体的控制算法见图3。

2.2.1 主起升上升时

起升时起升手柄向上合闸，PLC收到起升信号后，先进行低速正转使电缆张紧；PLC收到手柄命令后，先延时一段时间(一般为6 s)再反馈一个电缆卷盘运行信号给变频器；变频器收到速度使能信号后，开始正常工作。

当主起升速度>1%的最大主起升速度时，判定为卷盘结束启动状态，进入正常收缆状态。此时，PLC根据主起升速度和起升高度确定相应的电机所需转速，并给出一个比所需转速稍大的实际转速给变频器，使电缆始终保持在张紧状态。

当起升手柄回零位时结束起升，吊具电缆卷盘电机会以较低的恒定转速正转5 s后延时停止，延时的目的是避免制动器频繁抱闸。

2.2.2 主起升下降时

与起升过程类似，起升手柄向下发出下降信号，PLC延时启动，运行状态下为放缆状态，给定转速稍小于PLC计算出的给定转速，保持电缆张紧。

电缆在下降时，由于其自重和吊具集装箱的位能转化为动能，此时电动机变成发电机，动能转化为电能，变频器的逆变装置变成整流装置，多余的能量会回馈到母线上，使母线电压急剧升高，影响系统的正常工作。为避免此类情况发生，当母线变频器的电压达到限定值时，投入运行制动电阻，将这部分电能通过电阻发热的方式消耗掉，同时维持直流母线上的电压为一个正常值。

2.2.3 主起升停止时

主起升停止时，卷盘制动器报闸，保持电缆处于张紧状态；制动器的制动力矩在设计时必须保证能维持最长的悬挂电缆。

吊具上架缓冲器的上部有过紧限位保护，当发生挂舱故障或电缆过紧时，会触发该信号，PLC收到该信号后控制制动器工作，对电缆实施紧停，直至恢复正常状态。

3 电缆卷盘控制系统的控制柜设计的关键点

电缆卷盘控制系统全部由电子控制，对电磁兼容性和环境变化的要求相比磁滞联轴器驱动方式更高。因此，在控制系统的设计上需考虑到这些因素的影响。

3.1电磁干扰与电磁抗干扰设计

吊具电缆卷盘变频控制柜一般安放在控制室内，距离电缆卷盘本体有几十米至上百米的长度，需在变频器的输入端和输出端加装电抗器。输入电抗器可抑制浪涌电压和浪涌电流，抑制高次谐波和波形畸变，防止变频器污染岸桥的供电系统，保护电网质量；输出电抗器可有效抑制变频器的逆变器模块在开关时产生的峰值电压，调节功率因数，降低长距离下电缆分布电容对电机的影响及电机的噪声和涡流损耗。

PLC与变频器的通信线采用屏蔽线，不仅可防止辐射信号对通信信号造成干扰，而且能防止通信信号散发出辐射信号，干扰其他系统的正常工作。

3.2温湿度设计

码头处在海边，气候环境较为恶劣(属于高湿环境)。因此，需在电气柜内部安装风扇、电加热器和温湿度传感器。当温度过高时，开启风扇降温；当温度过低或湿度过高时，开启电加热器，进行加热和除湿。

制动电阻为易发热元件，不能安装在电气控制柜内，一般安装在电气控制柜顶部或电缆卷盘边上。

3.3抗盐雾腐蚀设计

海边属于盐雾环境，对金属有较高的腐蚀性，因此采取的对应措施有向电缆镀银、向端子搭接处接触面涂敷导电膏、对紧固件采用不锈钢材质及柜体根据IP65的标准设计等(见图4)，确保柜体能长期正常工作。

4 结 语

该电缆卷盘控制系统已在ZPMC的新加坡岸桥二期项目中得到成功应用(见图5)。实践证明，该套控制方法完全可满足码头集装箱搬运的要求。在当地的高温、高湿、高压环境下能保持电气系统正常工作，各项性能指标优于目前的其他同类产品。由于采用全变频控制方式大幅减少了接触器，使得集电器的端子信号也大大降低了施工强度和运营维护成本。

随着全球一体化的不断深入和经济的不断发展，港口运输业将日益繁荣。随着市场的不断扩大和新技术的持续发展，全变频速度控制电缆卷盘控制系统将得到不断的改进和提高，并得到更加广泛的应用。

[1] 费海波, 彭传圣. 岸边集装箱起重机大型化趋势分析[J]. 港口装卸,2010(4):4-6.

[2] 彭晓光. 岸桥CAVOTEC 吊具电缆系统的技术改造[J]. 港口装卸,2005(5):114-116.

[3] 周芒. 岸桥动力电缆松缆的改造[J]. 港口科技,2006(5):31-33.

CableReelSystemwithFrequencyConversionSpeedControl

PEIYu

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

The cable reel is an important equipment of the quay crane. And as the development of the quay crane equipment, the automation of the cable reel has become the focus of the development. This paper compares the characteristics of the magnetic coupling drive and frequency conversion speed control, and designs a cable reel control system by variable frequency speed control, The system has been successfully applied in ZPMC quay crane, the second of the Singapore project.

cable reel; hysteresis coupling; frequency conversion speed control

U691

A

2017-06-22

裴 宇(1990—)，男，四川宜宾人，助理工程师，主要从事船舶自动化研究工作。

1674-5949(2017)03-0050-04