多驅(qū)動(dòng)備援切換系統(tǒng)在岸邊集裝箱起重機(jī)上的應(yīng)用

周圣杰

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

隨著海運(yùn)集裝箱遠(yuǎn)洋輪的吞吐量不斷增大，對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡稱岸橋)參數(shù)及效率要求的不斷提高。起升高度更高、海陸側(cè)跨距更寬、載重更大、故障率更低等變化，使岸橋核心組成部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也隨之更新?lián)Q代。簡述驅(qū)動(dòng)器在岸橋上的進(jìn)化歷程，論述了交流變頻驅(qū)動(dòng)器及備援切換系統(tǒng)在岸橋上的作用。

2 驅(qū)動(dòng)器的更迭

早期主流的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是模擬量系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)控制有磁場(chǎng)線圈的直流電動(dòng)機(jī)。磁場(chǎng)以獨(dú)立的磁場(chǎng)供應(yīng)器控制磁場(chǎng)電流，驅(qū)動(dòng)器控制電動(dòng)機(jī)的電樞。當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)沒有PLC(可編輯邏輯控制器)，以傳統(tǒng)繼電器組合控制線路，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則是使用SCR(可控硅整流元件)作為開關(guān)元件，將三相交流電源整流變換為直流，來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。這種驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn)是：線路、電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，維修保養(yǎng)工作量較大。

隨著PLC控制系統(tǒng)的成熟，取代了復(fù)雜的繼電器控制回路，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)為有電力回生的四象限驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不但免除了體積大發(fā)熱高且容易過熱失效的能耗電阻，還節(jié)省了電力能源的消耗。此時(shí)的岸橋的操作界面與邏輯控制由PLC系統(tǒng)的數(shù)字模塊和模擬量模塊組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力控制仍然是模擬量的系統(tǒng)，由PLC的模擬量模塊輸出不同電壓，來控制驅(qū)動(dòng)器的輸出電流。速度的計(jì)算與控制完全由PLC系統(tǒng)負(fù)責(zé)并給出控制電流的信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)器變換出大功率的電流，用以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，可實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)化的設(shè)定與控制，且系統(tǒng)的控制和性能也更為穩(wěn)定，由此發(fā)展出新的控制架構(gòu)。岸橋不再完全由PLC處理所有信號(hào)，而是由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)速度反饋的閉環(huán)回路計(jì)算與電流的控制。這種驅(qū)動(dòng)方式由PLC給出速度命令，驅(qū)動(dòng)器計(jì)算及監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的電流、電壓以及速度，以符合PLC系統(tǒng)的要求。此外，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)建多組參數(shù)功能，并可由PLC通信快速切換不同的電動(dòng)機(jī)參數(shù)組以及控制參數(shù)組，PLC程序簡單不易出錯(cuò)，對(duì)于機(jī)構(gòu)及電動(dòng)機(jī)的控制也更加平順。

3 交流變頻驅(qū)動(dòng)器及多驅(qū)動(dòng)備援切換的應(yīng)用

近年來，隨著微處理器和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，矢量控制的交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)開始成熟，逐漸取代直流驅(qū)動(dòng)器，以變頻驅(qū)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)[1]。交流變頻調(diào)速理論不斷發(fā)展，大功率變頻驅(qū)動(dòng)器的性能和可靠性不斷提髙，使岸橋在控制上越來越多的使用交流變頻技術(shù)。

3.1 交流變頻驅(qū)動(dòng)器原理

交流變頻驅(qū)動(dòng)器是一種通過變換電機(jī)電源的頻率來實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)電力的設(shè)備，其主要組成包括：整流、濾波、逆變器、驅(qū)動(dòng)單元、制動(dòng)單元、微處理單元、檢測(cè)單元等[2]。由控制單元控制主電路，整流單元把交流電轉(zhuǎn)變成直流電，對(duì)直流電進(jìn)行梳理，輸出平滑的濾波，最終逆變器再把直流電變回可控的交流電[3]。通過這一系列的操作實(shí)現(xiàn)調(diào)速，根據(jù)電機(jī)需要電量按量輸出，避免浪費(fèi),可大幅降低交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①交流電動(dòng)機(jī)不需要整流子和調(diào)換電刷，減少了維護(hù)工作量、提高了防護(hù)等級(jí)、節(jié)省了大量維修費(fèi)用和維護(hù)時(shí)間[4]；②交流變頻驅(qū)動(dòng)器加裝直流電抗器后，整個(gè)系統(tǒng)的功率因素高于0.9，如采用正弦波濾波器，功率因素近乎于1，幾乎沒有無功功率，效率高；③相比直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，交流系統(tǒng)有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，且隨大容量主電路元件的開發(fā)運(yùn)用，變頻驅(qū)動(dòng)的價(jià)格尚有較大的下降空間，未來成本會(huì)比直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本低很多。

3.2 多驅(qū)動(dòng)備援切換系統(tǒng)

傳統(tǒng)岸橋一般采用雙驅(qū)動(dòng)切換，并以接觸器和繼電器輔助完成切換工作。繼電器切換信號(hào)線路復(fù)雜、易受干擾、可靠度低，不易實(shí)現(xiàn)多驅(qū)動(dòng)切換。如今世界各大港口年吞吐量大幅增加，這便需要岸橋運(yùn)行作業(yè)更穩(wěn)定可靠，故對(duì)其配備的驅(qū)動(dòng)器切換需求由節(jié)省空間、降低成本，變成增加可靠性、減少甚至避免驅(qū)動(dòng)故障而停機(jī)。驅(qū)動(dòng)器備援(Backup)系統(tǒng)以驅(qū)動(dòng)器一對(duì)三切換，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器備用援助。其初期架構(gòu)是增加一組驅(qū)動(dòng)器備援其他驅(qū)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是架構(gòu)簡單，但缺點(diǎn)是該方式需要額外的驅(qū)動(dòng)器以及安裝空間，并且所需動(dòng)力線路較長，切換機(jī)構(gòu)所占空間大。另外，備援驅(qū)動(dòng)器正常情況不使用，維護(hù)及可用性難以掌握。鑒于以上弊端，重新設(shè)計(jì)備援驅(qū)動(dòng)切換方案，不增加驅(qū)動(dòng)器數(shù)量，僅將大車驅(qū)動(dòng)器的選型放大至與起升相同。正常工作時(shí)各驅(qū)動(dòng)器不切換，任一驅(qū)動(dòng)器故障時(shí)，由其他驅(qū)動(dòng)器切換做備援。

正常工況下，Trolley/Boom driver切換驅(qū)動(dòng)小車和俯仰電動(dòng)機(jī)，Hoist 1 driver驅(qū)動(dòng)起升1電動(dòng)機(jī)，Hoist 2 driver驅(qū)動(dòng)起升2電動(dòng)機(jī)，Gantry driver驅(qū)動(dòng)大車電動(dòng)機(jī)(見圖1)。

圖1 正常工況

當(dāng)Hoist 1 driver故障時(shí)，Hoist 2 driver驅(qū)動(dòng)起升1電動(dòng)機(jī)，Gantry driver切換驅(qū)動(dòng)起升2和大車電動(dòng)機(jī)，其余不變(見圖2)。詳見圖2起升一號(hào)驅(qū)動(dòng)故障。

圖2 起升1號(hào)驅(qū)動(dòng)故障

當(dāng)Hoist 2 driver故障時(shí)，Gantry driver切換驅(qū)動(dòng)起升2和大車電動(dòng)機(jī)，其余不變(見圖3)。

圖3 起升2號(hào)驅(qū)動(dòng)故障

當(dāng)Gantry driver故障時(shí)，Hoist 2 driver切換驅(qū)動(dòng)起升2和大車電動(dòng)機(jī)，其余不變(見圖4)。

圖4 大車驅(qū)動(dòng)故障

當(dāng)Trolley/Boom driver故障時(shí)，Hoist 1 driver切換驅(qū)動(dòng)小車/俯仰電動(dòng)機(jī)，Hoist 2 driver驅(qū)動(dòng)起升1電動(dòng)機(jī)，Gantry driver切換驅(qū)動(dòng)起升2和大車電動(dòng)機(jī)(見圖5)。

圖5 小車/俯仰驅(qū)動(dòng)故障

使用該多驅(qū)動(dòng)切換系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：①不額外增加驅(qū)動(dòng)器，減少設(shè)計(jì)成本和電氣柜空間；②各驅(qū)動(dòng)器正常情況下一直在使用運(yùn)行，保證了切換的可實(shí)現(xiàn)性；③動(dòng)力元件壽命周期一致，便于維修管理。當(dāng)岸橋作業(yè)時(shí)，如某個(gè)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器報(bào)故障且操作人員多次復(fù)位后仍無法消除故障，將無法繼續(xù)進(jìn)行裝卸作業(yè)，需搶修排查故障并解決后才能恢復(fù)，將嚴(yán)重影響作業(yè)效率。配備多驅(qū)動(dòng)備援切換系統(tǒng)后，當(dāng)發(fā)生驅(qū)動(dòng)器故障時(shí)，維修人員可以第一時(shí)間切換備援驅(qū)動(dòng)器以保證裝卸作業(yè)繼續(xù)進(jìn)行。完成裝卸作業(yè)后，再對(duì)故障驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行維修檢查。這將使岸橋作業(yè)更加高效。

4 結(jié)語

岸橋多驅(qū)動(dòng)備援切換系統(tǒng)已成功投入使用。目前系統(tǒng)采用切換開關(guān)搭配接觸器的方式，仍然需要人工介入切換。未來可增加遙測(cè)及監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、自動(dòng)備援切換，進(jìn)一步縮短驅(qū)動(dòng)器故障處理時(shí)間，提高作業(yè)效率。