港口集装箱装卸设备驱动控制系统研发.pdf

Port Operation2023.No.3(Serial No.270)港口集装箱装卸设备驱动控制系统研发张昊李宗津赵辉杨溢1天津港（集团）有限公司科信设施部2天津理工大学电气工程与自动化学院摘要：港口集装箱装卸设备的驱动控制系统需满足各个机构的大功率、高转速、高响应运行要求，许多主流装卸设备的驱动系统目前自主化程度较低。针对此问题，研发一种港机设备驱动系统国产化关键技术，并给出驱动控制系统设计要点。通过功率曲线优化技术、起升变频器制动时序控制技术和整机电磁兼容性环境的改善，提升设备安全性及效率；通过势能回收、能耗精细化管理，为港口节能减排提供新的系统解决方案。关键词：集装箱装卸设备；驱动控制系统；功率曲线；时序控制；势能回收Research and Development of Drive and Control Systemfor Port Container Handling EquipmentZhang HaoLi ZongjinZhao Hui?Yang Yi?1 Tianjin Port（G r o u p)Co.,Lt d.Sc i e n c e a n d I n f o r m a t i o n Fa c i l i t i e s D e p a r t m e n t2 School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University of TechnologyAbstract:The drive and control system of port container handling equipment needs to meet the high-power,high-speed and high-response operation requirements of various institutions,but the drive system of many mainstream handlingequipment is currently less autonomous.To address this problem,a key technology for localization of drive system of portequipment is developed and the key points of drive and control system design are given.Through the improvement of thepower curve optimization technology,the brake timing sequence control technology of the hoisting inverter and theelectromagnetic compatibility environment of the whole machine,the safety and efficiency of the equipment are improved;through potential energy recovery and refined management of energy consumption,it provides new system solutions for portenergy conservation and emission reduction.Key words:container handling equipment;drive and control system;power curve;timing sequence control;potential energy recovery（2)驱动器故障率高、备件价格高。1引言（3)不能很好的与各种上位机兼容。随着现代信息技术的发展，自动化集装箱码头（4)故障发现以及处理不及时,存在安全隐患。的功能逐步完善，岸边集装箱起重机（以下简称岸(5)开关闸冲击性较大,磨损严重。桥）自动化系统的自动化能力有了明显的提升，工(6)能量利用率低,能量损耗较大。作效率更高。(7)要求四象限运行，能量需要反馈到电网。集装箱装卸设备的电控系统长期依赖进口，因2集装箱装卸设备对驱动系统的要求此,研究大型集装箱装卸设备驱动系统关键技术国产化,使港口装卸设备在技术上独立自主可控，为港口自动化升级提供最优的系统解决方案是十分必要的。集装箱装卸设备驱动控制系统具有一些特殊的功能要求，目前国内研发的驱动控制系统在港口集装箱装卸设备的应用中还存在一些问题 1(1)目前主流驱动器设备抑制谐波能力低，故障率高（影响自动化敏感器件工作）。42驱动系统需实现起重机恒功率控制。起重机运行过程中，在额定负载的情况下，电机转速为额定转速如果设备负载减少，电机速度也要进行相应的优化与调整 2 。通过变频器自动检测负载转矩,并依据转矩变化使恒功率保持在良好的输出状态。变频器输入和输出电流中具有高次谐波成分，这一高次谐波成分会产生较强的电磁干扰，必须采港口装卸2 0 2 3 年第3 期（总第2 7 0 期）取一定的措施降低驱动系统的谐波成分，为自动化线，各个逆变器在PLC及上位机的控制下将直流母系统稳定运行提供更优的电磁环境线中的直流电逆变为交流电输出给负责不同工作的应用PLC控制开闸时,会产生一定的冲击性，各个电机。这会增加制动器磨损和设备损耗，并且会降低安全下面在港口集装箱装卸设备驱动控制系统的硬性。港口装卸设备需要频繁地运输和装卸货物，如件之中，选出较为关键的有源整流单元、逆变器、电果不设法降低冲击性，会造成较大损失，降低效率，机、PLC和整流/逆变HCU控制器进行说明。也不利于设备的安全运行。3.1.1有源整流单元使用汇川MD880-40系列有源整流器，包含3驱动控制系统设计400V和6 9 0 V两个电压等级，单机额定功率从3.1硬件设计394kW到6 3 9 kW。通过多个模块的并联可以实港口集装箱装卸设备驱动控制系统框图见现更高的额定输出功率，最大额定输出功率为图1，三相交流电源经过变压器进人有源整流单元，6069kW，可为后续1 个或多个逆变模块或其他有源整流单元将交流电整流变为直流电进入直流母负载提供所需功率。SOP-20智能操作起重机管理系统面板口工业以太网上位机PLCAC810Profibus-DP整流HCU控制器HCU控制器变压器8H8BICH8直流母线开闭逆变器从站支持大车逆器变幅逆变器回转逆变器有源整流单元开闭电机支持电机大车电机变幅电机图1 港口集装箱装卸设备驱动控制系统框图集装箱装卸设备在制动过程特别是带集装箱下降过程中，电机处于发电状态，为避免电压叠加引起直流侧母线电压过高，一般通过能耗制动电阻发热的方式消耗掉这一部分由势能转换而来的电能。该方式不仅浪费能源，而且耗能过程产生大量热量污染环境，不符合节能减排的要求。采用有源整流单元，其AFE势能回馈装置可以将电机在制动过程中产生的能量回馈到电网，供电网上其他装卸设备使用。有源整流滤波模块厂MMMMMM回转电机有源整流是四象限运行的整流系统，主要由有源整流模块、有源整流滤波模块组合在一起,并搭配必要的预充电回路、HCU控制模块及扩展模块组成（见图2）。有源整流装置将三相交流电整流为稳定的直流电，供直流母线上的电机等负载使用，同时将电机等负载回馈的能量回馈给电网。有源整流滤波模块为LCL滤波器，用于抑制交流电压和电流谐波,可以将网侧的电压和电流谐波控制在一个较低的水平。有源整流模块直流测熔断器三相交流输、入交流测熔断器R1S1/T1L10000001图2 有源整流单机主电路图43设定电压Port Operation2023.No.3(Serial No.270)3.1.2逆变器使用汇川MD880-50系列逆变器，单机功率3.7 710kW,并联可实现5 6 0 0 kW驱动能力。所有逆变模块均为书本型结构,具有功率密度大、结构紧凑、可靠性高等特点，可以实现电机的V/F控制、无编码器矢量控制(SVC)和有编码器矢量控制（FVC）。3.1.3电机岸桥各工作机构目前大多使用交直流驱动电机，但随着交流变频技术的日益完善和推广应用，港口应用交流变频拖动系统已呈上升趋势。交流电机结构简单、体积小、惯量小、造价低、维修容易、耐用，和直流电机相比，调速较容易、节能，为此选用交流变频电动机。3.1.4可编程逻辑控制器PLC的性能将直接影响到港口集装箱装卸设备工作的效率和安全，因此需要选用具有好的可靠性、经济性、实时性和发展兼容性的PLC。汇川AC810系列PLC具有良好的算力平台基础以及通讯兼容能力，整体通讯架构采用光纤+网线形式进行数据交互,其通讯网络有较强的抗干扰性能。PLC采用EtherCAT工业总线，设备数据采集实时性较强，自动化衔接通畅,设备的安全性能较好，可以实现双起升主从控制下的PIP负荷分配、俯仰自动挂钩控制算法等，符合港口集装箱装卸设备的工作需求。3.1.5整流/逆变HCU控制器HCU控制单元是一种变频调速系统的主控制器,采用2 4V直流电源,用于控制基本整流、有源整启动命令OFF1运行允许命令辅接触器控制信号RO3(NO)主断路器控制信号RO1(NO)主断路器反馈信号DI3直流电压状态机开机准备预充电准备图3 有源整流启动时序图收到急停命令后将无条件封锁IGBT（I n s u l a t e d3.2.2起升变频器时序控制Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管）输出，电子防摇和半自动系统应用于岸桥后，可以提高系统分闸。急停属于低电平有效,即装置的OFF2装卸效率,同时实现自动化。然而，吊具与集装箱以为0 时,装置将急停。OFF2有多个来源,当多个及集装箱与地面之间,可能会因速度过快发生碰撞，OFF2来源中,存在任意OFF2来源为0 时,则整流因此需要通过起升机构时序控制来防止冲击 3 。器进行急停。起升变频器时序控制流程图见图4，程序由44流和逆变功率单元，可以通过光纤通信把控制信息下传到功率单元，并且接收功率单元上传的运行参数、模块故障、工作状态等信息。有源整流单元应用HCU-40整流控制器，进行主接触器/主断路器、缓冲接触器控制和状态检测，上电逻辑控制，整流单元输出，直流母线电压调节，能量回馈电网控制。逆变单元应用HCU-50逆变控制器，用于控制逆变功率单元输出，为相连电机提供匹配的电压和可变频率，也可接受控制信息进而对输出进行相应调整。3.2软件设计为了使整个港口集装箱装卸系统安全、可靠、稳定运行，驱动系统需要拥有内置软件，包括整流模块、时序控制、功率曲线优化及制动力检测等功能。3.2.1有源整流模块有源整流启动时序见图3。整流控制器在接收到启动命令（OFF1）后，首先控制辅接触器闭合，此时三相交流输入通过缓冲回路对直流母线进行充电，使得直流电压逐渐上升。充电完成后，控制主断路器闭合，等待主断路器闭合完成,接收到主断路器闭合反馈信号（DI3)后,断开辅接触器,等待预设时间E0-00（默认为2.5 s）。等待时间到达后，如果运行允许命令有效，则有源整流器进入正常运行模式。当主断路器闭合延迟时间T。超过设定时间（默认为5 s）,或者关断延迟时间T超过设定时间（默认为2 s)时,则报主断路器反馈异常故障。_TonTof;Eo-00 1运行运行！正常运行开机准备准备！港口装卸2 0 2 3 年第3 期（总第2 7 0 期）PLC编写并置人系统之中。当抓取集装箱时,起升PA机构空钩下降，当吊具下降到距离集装箱4m以下时，机构只允许三档以下速度运行；当继续下降到2m以下时只允许一档以下速度运行,其他档机构将低速运行。当吊具着箱后顶销到位，控制起升机构停止，从而防止钢丝绳过松。吊具闭锁后，为了防止起升时由于钢丝绳突然绷紧，钢丝绳与大梁相碰击，同时避免因集装箱未打开锁而造成机构连船舶一起吊的恶性事故，机构在吊具未起钩之前将低速运行，直到吊具脱离集装箱或钢丝绳绷紧后方允许机构正常运行。当机构带着集装箱上升到顶点时，起升机构停止。开始俯仰上升/下降上升起升机构低速上升文是否脱离集装箱地面？Y起升机构正常速度上升吊具距离顶端 4m?Y起升机构低速上升吊具到达顶端？Y图4起升变频器时序控制流程图3.2.3功率曲线优化技术起重机起升机构有升降重物及空钩4个工作阶段，大车和小车有平移空钩以及重物2 个工作阶段,2 个装卸货阶段，整个工作流程不超过1 0 min(见图5）。变频器利用闭环控制自动检测负载转矩，并且依据转矩变化确保恒功率保持在良好的输出状态。机构在提升重物或者下放较重的物品时，会进人重载出力模式，PLC给定9 5%速度，驱动器输出9 5%提升提升平移下放重物重物重物卸货空勾空钩0T10min图5 起重机负载图的速度。机构在下放较轻重物或者上下调整空钩时，会进人轻载高速模式，即PLC给定1 0 0%速度，而驱动器输出1 6 0%的速度。3.3运行情况目前该系统已在山东青威港岸桥、鄂州电厂卸船机以及天津港门座起重机投入使用，保证了起升、小车、俯仰、大车等机构大功率、高转速、高响应的运下降行。通过四象限运行，电机制动时的能源浪费大大机构是否连接集装箱？起升机构正常速度下降NN离集装箱吊具距4m?Y起升机构3挡以下速度运行NN离集装箱2m?Y起升机构1档以下速度运行NN连接？Y起升机构停止下放空钩提升平移降低,能耗减少。另外,在输出功率较之前不变的情况下,网侧的电压和电流谐波维持在一个较低的水起升机构平。通过制动时序的应用，减小各个机构在制动时正常速度下降文距离地面集装箱4m?起升机构3档以下速度运行吊具距集装箱距离离地面2m起升机构1档以下速度运行N吊具集装箱接触地面Y重物装货的冲击，设备磨损减少。N4结语国产化港口集装箱装卸设备驱动控制系统，可以解决原系统部件故障率高、备件价格高等问题，满足装卸设备的起升、小车、俯仰、大车等机构的运行N要求；轻载高速、功率曲线优化技术，提升了设备安全性及效率性；应用起升变频器制动时序控制,缓解了原系统PLC控制开闸的冲击性,降低了制动器磨损，保护了设备安全；系统拥有较高的EMC(Electro-magnetic Compatibility,电磁兼容性）特性，为自动化系统稳定运行提供更优的电磁环境。研发高质量、高水平的国产化电控系统，在国内将拥有广阔的应用前景。参考文献1任伟.港口设备电气自动化技术分析J.今日自动化,2 0 2 2(2):1 0 5-1 0 7.2胡颖华.岸桥电气驱动和控制系统研究 J.造纸装备及材料,2 0 2 1,5 0(1 1):1 1-1 3.3刘杰强.集装箱装卸桥起升机构防冲击电控系统设计J.集装箱化,2 0 0 4(2):2 0-2 2.赵辉：3 0 0 3 8 4，天津市西青区宾水西道3 9 1 号收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 9D0I:10.3963/j.issn.1000-8969.2023.03.01445