（电力电子与电力传动专业论文）集装箱装卸桥电气控制系统仿真.pdf

a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h ee m p h a s i si a bc o n s t r u c to ft h e p o r t m e c h a n i c a ia n d e l e c t r i c a le q u i p m e n t - - 。t h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e r no ft h ec o n t a i n e rc r a n es i m u l a t o r , t h ep a p e rh a sb e e na 1 1 r o u n da n a l y t i c a li n v e s t i g a t i o nf o rt h ee l e c t r i c a i c o n t r o l s y s t e m o ft h ec o n t a i n e rc r a n es i m u l a t i o n c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a l 时i ns p e c i f i cd e s i g n ，t h et w od i f f e r e n td r i v es y s t e m h a sb e e n d e s i g n e di nt h e e l e c t r i c a ic o n t r o is y s t e m t h i si s ，t h eh o i s ta n d g a n t r yu s e s as e to ft h ea c ( a l t e m 舐n gc u r r e n t ) f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n gd r n es y s t e m ，t h e t r o l l e ya n db o o m u s e sas e to ft h ed c ( d i r e c tc u r r e n t ) a d j u s t i n gv o l t a g ea n dt i m i n g s y s t e m s ot h es t u d e n t su n d e r s t a n dn o to n l yt h ed c d r i v es p e c i a l t ya n dc o n t r o l w a y , b u t a l s ot h ea c f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n gs p e c i a l t ya n d c o n t r o lw a y w i t ha v i e wt o u s i n gt h i n g s o fn u m b e r so fc o n t a i n e rc r a n e s j nh o m e ，t h e p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r 0 1 ) i st h e a m e r i c ag e c o m p a n yp r o d u c t ( 9 0 - 3 0 p l c ) 1 no r d e rt oi m p r o v et h ea d v a n t a g eo ft h ec o n t r o is y s t e m w h e nt h ec o n t r o im o d u l e j n9 0 一3 0 p l ci se x t e n d e d t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei si n c r e a s e d ，s ot h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nc a nb er e a l i z e d t h e p a p e rc o n t a i n s t h em a i nc o n t e n ta sf o l l o w s ： f n t r o d u c et h e p a p e rb a c k g r o u n d a n d t h i n g s o ft h ec o n t a i n e rc r a n e e q u i p m e n ts i m u l a t o r , b r i n gf o r w a r d t h en e ww a ya n dt e c h n o l o g y p r o j e c t ， r e s e a r c ht h em a i nc o n t e n ta n dp u r p o r to ft h ep a p e r d i s c u s st h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t a i n e rc r a n ea n dm a c h i n e t h em o t o f d r i v es y s t e mo ft h ec o n t a i n e rc r a n e t h ec o n t a i n e rc r a n ee l e c t r i c a i c o n t r o l s y s t e m 。a n dt h el a be l e c t r i c a ic o n t r o ie q u i p m e n t s i m u l a t o r , d i s c u s st h ed ca d j u s tv o l t a g ea n dt i m i n gs y s t e ms i m u l a t o rp r o c e s sa n d w a y o ft h ec o n t a i n e rc r a n e w h i c hc o n t a i n i n gt h ed cm o t o rd r i v ea n dd r i v e r s s e l e c t ，d r i v e r sc o n n e c t i o na n d c o n t r 0 1 d i s c u s st h ea c f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n gs y s t e ms i m u l a t o rp r o c e s sa n d w a yo ft h ec o n t a i n e rc r a n e 。c o n t a i n i n gt h ea cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nm o t o r d r i v ea n dd r i v e r s 。s e l e c t ，d d v e r s c o n n e c t i o na n dc o n t r 0 1 t h ep l cc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t o ro ft h ec o n t a i n e rc r a n e c o n t a i n i n gg e f a n u cs e r i e s9 0 t m9 0 3 0p l cc h a r a c t e r i s t i c t h eg e9 0 3 0p l ch a r d w a r e a n dp l c p r o g r a md e s i g n f o rt h es i m u l a t o r c o n t a i n e rc r a n e t h ee l e c t r i c a ic o n t r o i s y s t e ms i m u l a t i o n a n dp r a c t i c a l t r a i n i n g o ft h e c o n t a i n e rc r a n e i n c l u d i n gt h es t e e ro p e r a t i o nm o d u l ea n dt h ee l e c t d c a lc o n t r o i s y s t e m f a u l td i s p o s a ia n d p r a c t i c a it r a i n i n gw a y o ft h ec o n t a i n e rc r a n e k e y w o r d s ：c o n t a i n e rc r a n e 。s i m u l a t o rm o d u l e ，e l e c t r i c a ls y s t e m d ct i m i n g a c t i m i n g c a i z h i g a n g d i r e c t e d b y g u w e ic h u j i a n x i n 论文独创性声明 9 7 2 s 2 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：墼! ! 日期： 论文使用授权声明 口弓4 - z 本人同意上海海运学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。保密的论 文在解密后遵守此规定。 作者签名：幽导师签名：盈她 日期： 引言 集装箱运输自5 0 年代后半期开始，六七十年代在工业发达国家得到迅速发展， 至今集装箱运输在全世界货运中占有重要的地位，并还在继续发展。随着集装箱运 输业的发展，与之配套的装卸机械也得到了很大的发展，其中有集装箱龙门起重机， 集装箱正面吊、集装箱叉车、集装箱岸边装卸桥等。其中最昂贵的设备是集装箱岸 边装卸桥，每台约几百万美元。在港口集装箱装卸行业中，现已成为主要的装卸机 械。由于设备成本高，工作效率高，故对集装箱装卸桥的维护是设备管理部门的主 要工作任务。同时由于它采用了先进的控制设备，故需要有较强技术能力的技术人 员进行维护保养与维修。为了能培养出港口机电设备维护保养与维修适用的技术人 才，应当让学生有一个真实的实训环境，但由于港口装卸作业的繁忙，而且设备的 昂贵及运行费用等问题，不可能让学生能在真实环境下实训。为此我校港口物流设 备与自动控制专业的老师们一直希望有一个仿真的装卸桥实训环境，使相关专业的 学生在工作以前就具有一定的设备维护与维修的实践能力。在上海市教委的支持下， 港口物流设备与自动控制专业作为上海市重点扶持专业，总投资2 0 0 万元人民币的 集装箱装卸桥模拟器正式在我校研制。 在我校研制集装箱装卸桥模拟器之前，国内有些相关单位为了培训或生产制造 的需要，也有些集装箱装卸桥的模拟设备，但一般均不够完整。例如：有公司因早 期制造集装箱装卸桥的需要，能让工程师们做一些编程及测试的需要，在购买电气 控制设备时，有意多购一套控制器及驱动器作为设计及故障处理模拟器。同时也作 为设备交货时用户方技术人员短期培训使用。又如：有学院为了培训学生职业技术 技能及港口装卸桥驾驶的司机，投资了约1 6 0 万元左右研制了一个实物模型驾驶模 拟器，主要用以模拟集装箱驾驶操作，无与实际装卸桥类似的电气控制系统。 在完成集装箱装卸桥模拟器以后，将使学生能够在一个接近真实的实践环境中 进行相关专业技能的训练，提高学生的实际动手能力，提高学校的教学质量。 第1 章概述 1 1 本课题的新思路 我校对集装箱装卸桥模拟器的总体设想是： 1 具有尽量真实的电气控制系统； 2 具有真实的驾驶台； 3 具有尽量真实的虚拟驾驶实景( 由软件访真) 。 本文只涉及集装箱装卸桥模拟器电气控制系统，故以下就此内容适当展开说明。 对于集装箱装卸桥电气控制系统的仿真研制，主要的出发点在于它的实用价值， 同时考虑系统的先进性及一定的发展余地。为此设计的基本思想是：电气控制系统 的构成要与真实集装箱装卸桥电气控制系统尽量一致，即包括以下几大部分： 1 起升与大车行走共用一个驱动系统。 2 小车与臂架俯仰共用一个驱动系统 3 吊具控制系统 在具体设计中考虑到实用性，对四大机构的驱动系统作了适当的调整。即一般 实际情况下，两台驱动系统均采用同一类型驱动器，要么均为直流驱动器，要么均 为交流驱动器。而在我们设计的电气控制系统中采用了两类不同的驱动系统，即起 升与大车共用一套交流变频调速驱动器，小车与臂架俯仰共用一套直流调速驱动器。 这样调整的目的在于，能让学生既能认识直流驱动器的驱动特性及控制方法，也能 让学生认识交流变频器的驱动特性和控制方法。提高了仿真设备的性能价格比。同 时考虑到仿真设备的先进性，我们在交流变频调速控制系统中增加了能量逆变装置， 借此可以模拟起升与下降货物时的负载特性。 在控制器的选择上，考虑到与国内大多数集装箱装卸桥的使用情况，控制计算 机p l c 采用美国g e 公司生产的9 0 3 0 p l c 。同样为了提高控制系统的先进性，在 9 0 3 0 p l c 模块的扩展时增加了网络通信模块，可以实现局域网的通讯。现今在上海 的外高桥集装箱码头的装卸桥正要发展为网络系统维护，即只要在技术人员的办公 室或在家中，就能通过网络了解某台集装箱装卸桥的设备运行情况，能更有效地进 行设备的维护。出于同样的原因，在电气控制系统中，安装了电气控制设备管理器。 2 用一个装在控制柜面板上的触摸屏与p l c 的通信，读取集装箱装卸桥电气控制系统 的有关数据信息，并进行处理显示。能较直观地分析集装箱装卸桥的运行情况，如 驱动器电流，有关检测点的故障情况等。 为了能让学生进行电气控制设备的维护和故障排除的实训，我们计划用5 0 台上 位机与电气控制系统的p l c 进行联网。这样既能进行现场教学，也能让任意一位学 生连接到p l c 上，从p l c 中调出程序进行故障分析和处理。 对于p l c 编程软件，选用m i c r os o f t 公司专为g e 公司开发的v c r s a p r o 软件。 相比之以前使用的d o s 版本的l o g i cm a s t e r 软件具有更好的编程界面，能在 w i n 9 8 ，w i n 2 0 0 0 删t 1 n t 下运行，具更强大的网络通信功能。为了体现电动机驱动系 统的真实性，对两套驱动系统分别配置了电动机和发电机，在电动机与发动机的转 轴上分别安装了光电编码器。通过光电编码器，可对大车的运行位置、小车的运行 位置、吊具的运行位置及运行速度做精确的记录与分析。 1 2 本课题的技术方案 综合考虑到仿真集装箱装卸桥电气控制系统的实用性、性能价格比、先进性、 可扩展性等因素，将仿真集装箱装卸桥电气控制系统配置成以下几个部分： ( 1 ) 配电柜 ( 2 ) 起升大车控制柜 ( 3 ) 小车俯仰控制柜 ( 4 ) 吊具控制柜 ( 5 ) p l c 柜 ( 6 ) 继电器柜 ( 7 ) 驾驶座联动台控制器 ( 8 ) 故障模拟控制屏 ( 9 ) 交流变频调速电动机、交流发电机、制动器及编码器 0 0 ) 直流调压调速电动机、直流发电机、制动器及编码器 0 d 与p l c 联网的上位机5 0 台 集装箱起重机电气控制系统系统结构图如图1 1 图1 1 系统结构图 在集装箱装卸桥电气控制系统的维护中，主要方法是通过p l c 编程器获取电气 控制系统的状态信息，进行故障检查与分析的。采用这种方法要求技术人员具有很 多的电气控制系统知识并对相应电气控制设备状况非常熟悉，特别是p l c 的软件系 统知识，才能得到故障点较准确的判断。鉴于这方面的原因，在仿真集装箱装卸电 气控制系统平台上，p l c 的软件的仿真研制显得特别重要，所以在硬件仿真配合下 的p l c 软件的仿真一定要与实际集装箱装卸桥电气控制系统软件一致。 在整个集装箱装卸桥电气控制系统仿真研究中，因为仿真电气控制系统终究不 是真正的应用系统，从真实感方面来说，如实物大小、器件的形状、器件品牌等方 面均会有较大的差异，这是无法弥补的。但对于电气控制系统的核心，即仿真系统 的控制计算机p l c 是与实际系统的实物是完全一致的，相应的p l c 程序也采用成 熟集装箱装卸桥使用的软件，修改后用于仿真电气控制系统。另一方面，仿真电气 控制系统的传感器信号不可能与实际情况一致，为弥补这一不足，安装了一套模拟 位置监测装置，同时也可作为故障设置使用，增加仿真电气控制系统信号监测的真 实性。 4 第2 章仿真对象及电气控制设备 2 1 集装箱装卸桥概况 集装箱运输在第二次世界以后被看作为运输业发生的一场技术革命，目前集装 箱运输已在世界各国越来越普及。随着集装箱运输的发展，出现了各种类型的集装 箱装卸机械，其中有集装箱铲车、叉车、桥吊、龙门式起重机、跨运车等等，其中 的集装箱卸桥是在现代港口应用最普遍的集装箱装卸机械。 集装箱装卸桥是装卸集装箱的专用机械设备，被广泛用于码头、场地、车站的 集装箱装卸。集装箱装卸桥种类很多，在港口一般按工作场所可分为： 1 、场地集装箱吊车，又称为场地龙门式集装箱吊车，用于将集装箱卡车上装卸 的集装箱卸下来堆放在场地上，或将场地上的集装箱装在集装箱卡车上运往别处。 2 、码头集装箱吊车，又称岸边集装箱装卸桥，用于将船上装截的集装箱卸下来， 或将码头上的集装箱装到船上。 集装箱运输船的大型化、超大型化促进了岸边集装箱装卸桥的发展。自上世纪 五十年代开始集装箱海上运输业务以来，到目前集装箱运输船已发展成为海运物流 业的最主要船种，同时，集装箱装卸机械经过四十多年的发展，机型、规格和数量 越来越多：在性能、速度、效率以及电气传动技术方面不断得到发展、提高和改进。 从我国主要集装箱码头所装备的机械看，为适应运输船舶的大型化、标准化，缩短 船期，加快周转，岸边集装箱装卸桥的起重量、外伸距和起升高度均有了显著增加， 运行参数也有了很大提高。 配合集装箱装卸桥的发展需要，电气传动系统随着电控技术的飞速发展也发生 了重大的变革。岸边集装箱装卸桥电控系统从常规的继电控制方式和发电机一电动机 ( g m ) 拖动转变为如今的可编程程序控制器( p l c ) 控制方式和各种交直流驱动 器动，有力地保证了集装箱装卸机械性能的改善，适应生产发展的需要。 目前，电控系统的主要发展目标是全面实现岸边集装箱装卸桥的单机自动化、 良好的控制和管理功能，不断提高整机的通讯能力，促进码头计算机管理。 本论文只涉及集装箱岸边吊电气系统的仿真，以下简单介绍岸边集装箱装卸桥 整体结构。 如图2 1 为岸边集装箱装卸桥的外形图。 为起升机构、臂架俯仰机构、大车行走机构、 之外还有许多辅助机构及设旖，如吊具装置、 明通讯、载人电梯等。 岸边集装箱装卸桥按其动作特点可分 小车行走机构( 俗称四大机构) 。除此 防摇装置、夹轨装置、换绳装置、照 1 电缆卷筒；2 集装箱：3 吊具；4 行走机构；5 一载人升降机； 6 金属构架( 门腿) ；7 - 小车横行机构；8 机器房；9 臂架； 1 0 驾驶( 操纵) 室；1 1 起升机构；1 2 臂架操纵室 图2 1岸边集装箱装卸桥外形图 岸边集装箱装卸桥的一般技术参数如表2 1 。 ( 注：数据取自y a s k a w a 某型号的岸边集装箱装卸桥) 表2 1岸边集装箱装卸桥的一般技术参数 额定起升重量带吊具3 5 6 吨 起升高度轨道以上3 5 米轨道以下1 2 米 起升速度额定负载5 0 m m i n空载1 2 0 m m i n 大车行走速度4 5 m m i n 小车行走速度 1 6 0 m m i n 臂架起落 8 m i n c y c l e 6 2 2 岸边集装箱装卸桥电机拖动系统 在集装箱装卸桥的发展过程中主要有以下几种电动机拖动系统。 2 2 1g - m 直流电动机调速控制系统。 如图2 2 ，它用交流电动机作为直流发电机的动力，通过调节直流发电机的激 磁电流来调节直流发电机的输出电压，从而达到直流电动机的调速控制。这种调速 方法现已很少用于岸边式集装箱装卸桥。 图2 2g - m 直流电动机调速控制系统 2 2 2 晶闸管变流器直流驱动系统 如图2 3 ，由双向四象限晶闸管变流装置替代g - m 系统中的变流机组，从而达到 直流电动机的调速控制。这种调速方法现常用于直流电动机调速控制的岸边式集装 箱装卸桥。在实验室的仿真电气控制装置中也有这一驱动方法，具体分析见第四章。 7 ) 、一4 1 5 v d f l 叫 图2 3 晶闸管变流器直流驱动系统 2 2 3 交流变频调速驱动系统 如图2 4 ，通过控制系统进行a c d c - a c 变换，使交流电的输出电压及频率变化， 从而达到交流变频电动机的调速控制。这种调速方法现常用于交流变频电动机调速 控制的岸边式集装箱装卸桥。在实验室的仿真电气控制装置中也有这一驱动方法， 具体的分析见第五章。 8 图2 4 交流变频调速驱动系统 2 3 岸边集装箱装卸桥电气控制系统 2 3 1 供电与配电设备 ( 1 ) 供电电压： 进线总电源电压：1 0 k v 主驱动交流电动机额定电压：3 8 0 v 9 3 相5 0 h z 3 相5 0 h z 辅机额定电压： 控制回路电压： 照明电压： p l c 工作电压： 电磁阀电压： ( 2 ) 配电设备 3 8 0 v 2 2 0 l l o v 2 2 0 v 2 2 0 v 2 2 0 v 3 相5 0 h z 单相5 0 h z 单相5 0 h z 单相5 0 h z 单相5 0 h z 集装箱装卸桥的供电系统由码头电源接线箱。电缆卷筒集、电器、配电柜及联 动控制台组成。 码头电源接线箱：根据各码头的具体情况基本可分为钟罩式和地面接线箱式 两种，也有采用高压密封直接接头形式的。 电缆卷筒：电缆卷简由驱动装置和受电器组成，电缆卷筒受电部分为滑环接 触式受电器，电缆卷筒装置一般安装在海侧门架上。电缆卷筒的驱动装置形式选用 磁滞联轴节形式，使电缆始终受到恒力矩的张力。电机单向运转能长期堵转，有自 制动功能。电缆卷筒驱动装置所使用的电机为鼠笼电机。驱动电机数量根据卷筒取 电缆的长度和规格而定，常见集装箱装卸桥所配备的电机数量为2 5 台，1 5 k w ， 3 8 0 v a c 。 配电柜：集装箱装卸桥的配电柜由高压负荷开关柜( 通常单独放置) 、低压 配电柜、机构驱动控制柜、p l c 控制柜( 放置在封闭式电气房内) 及吊具控制柜( 放 置在司机室) 等组成。 2 3 2 电动机及驱动设备 ( 1 ) 电动机 集装箱装卸桥的各机构电动机为冶金及起重用电动机，过载能力大，机械强度 高的特点，并具有较高的效率和功率因数，电动机与驱动器良好的起、制动功能相 结合，特别适用于要求调速，短时或断续周期运行，频繁起动和制动的场合。 电动机工作制一般选用外通风式连续工作制，电机可在额定电压波动1 0 的范 围内正常工作，可进行恒功率控制。在集装箱装卸桥上除用于驱动机构的电动机外， 还配有一些辅助用的交流电动机，如机构制动器，液压泵电机，电缆卷简驱动电机 等，这些电机都一般均采用标准鼠笼异步电动机。 l o ( 2 ) 驱动调速控制器 集装箱装卸桥调速驱动器常见的有直流驱动器和交流变频驱动器，常用的种类 有：日本安川公司的6 1 6 h 5 系列；美国a b 公司的i m p a c t 和p l u s i i 系列；美国 g e 公司的d c 2 0 0 0 系列；英国c t 公司的u d 和m o n t o r 系列等。 第3 章集装箱装卸桥电气控制装置的仿真 要在实验室里模拟集装箱装卸桥的机械结构是有困难的，如果在实验室中建一 个实物模型，也不能反映集装箱装卸桥实际工作状态。介于这样的因素考虑，我们 在实验室中主要设计安排了三大块内容，即为：电气控制系统、驾驶室、虚拟驾驶 实景( 由软件访真) 及演示。具体布置如图3 1 。 对于集装箱装卸桥电气控制系统的仿真研制，主要的出发点在于它的实用价值， 同时考虑系统的先进性及一定的发展余地。要使电气控制系统的构成与真实集装箱 装卸桥电气控制系统尽量一致，即主要包括以下几大部分： 1 、起升与大车行走。 2 、小车与臂架俯仰 3 、吊具控制 3 1 起升大车机构电气控制系统 实验室采用的是英国c t 公司的u d 驱动器，其中起重机的起升和大车机构共用 一台驱动控制系统，另一台驱动器作为逆变装置，与其他控制电器包括主断路器， 进线电抗器，线路熔断器，接触器等均安装在控制柜中。此外，在实际应用的控制 电器中还配备的辅助控制元件有： 测速反馈脉冲编码器 超速限制开关 - 凸轮式旋转限位开关 负荷传感器和重量放大控制器 起升大车驱动器的控制软件包括以下内容： 力矩提供：起升大车机构在机械制动器即将打开之前，变频器检测出所必须提 供的力矩容量，它将提供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 提供有关信息显示。 低速制动：变频器通过其参数化读数将速度信号反馈至p l c ，在操作手柄回零 后，p l c 计算出速度比较值，当实际速度低于5 额定速度时，发出制动指令。 2 图3 1实验室布置平面图 3 2 小车俯仰机构电气控制系统 实验室中采用的是英国c t 公司的m o n t o r 系列直流驱动器，小车和俯仰机构 共用一台驱动控制系统。m o n t o r i i 作为驱动器与其他控制电器包括主断路器、线 路接触器、电抗器、熔断器均安装在控制柜中。此外，在应用的控制电器中还配备 的辅助控制元件有： 测速反馈脉冲编码器 超速限制开关 凸轮式旋转限位开关 3 3 限位开关 限位开关的作用是在设备运行到预定的位置或限度范围时，开关触点打开或闭 合发出电气控制或指示信号。起升和俯仰机构行程限位采用凸轮旋转式限位开关， 该类型开关具有调整方便，控制机动等优点。限位开关与传动机构采用弹性联轴节 连接。小车机构的限位开关大部分安装在前后大梁上，装有小车运行终点、极限等 滚轮式限为位开关；运行减速，海陆侧鉴别等多个接近限位开关。实验室中将一些 常见的限位开关列于模拟限位开关箱中。 3 4 可编程序控制器( p l c ) 集装箱装卸桥的所有控制系统均由p l c 来完成，p l c 系统具有较高的编程能力 和灵活的数据运算及逻辑处理能力。存储器具有后备锂电池保护系统，在系统掉电 后，后备电池可在较长时间内保存存储器内的信息。i o 模块的电平信号采用光电隔 离，输入、输出点的通断及工作状态都有指示灯指示，所有的i o 模块输入输出点 数还具备实际使用量的1 0 作为备用。p l c 采用的编程语言为标准梯形图语言，可 以通过编程器实现程序编制，改变直观检查程序语言以及调整计时器和计数器的设 定值，检查各输和输出点的状态包括启动和停止程序。 桥吊实验装置采用美国g e9 0 3 0 系列p l c 控制器，p l c 控制器由主框架，直接 扩展框架和远程扩展框架等组成，p l c 控制器编程软件是一个在微软w i n d o w s9 8 下的编程软件包v e r s a p r 0 2 0 ，具有强大的功能，高级诊断能力，可靠的通讯，以及 方便易用的界面。 1 4 3 5 联动操作控制台 联动操作控制台安装在司机室内，带有航空座椅，左右控制台上分别装有主令 手柄控制器、开关按钮和指示灯等。 主令手柄控制器：起重机上使用的主令手柄为双座标自复位式。左联动台上的 主令控制器用作小车和俯仰机构控制，右联动台上的主令控制器用作起升和大车行 走机构控制。 其他控制装置：在联动控制台上还设有以下控制开关、按钮和信号指示灯。其 中有主控制通断开关；各机构正常指示灯；各机构终点限位指示灯；顶轨器压轨松 轨开关，指示灯；旁路按钮；紧急停止按钮；吊具油泵启动，停止：吊具伸缩开关； 吊具锁销开销开关；吊具导板指令；灯试验按纽等。 3 6 安全保护装置 3 6 1 机构保护装置 起升机构上升超极限保护：在小车上装有重锤式上升超极限保护限位开关，一 旦吊架上升到达超极限位置时，吊架的上端撞上重锤开关的撞杆，开关动作，即紧 停控制回路被切断。 起升机构行程终点保护：在起升机构钢丝绳卷筒同轴装有旋转式凸轮限位开关。 终点前减速保护：在终点前设置减速保护是非常有必要的。减速后速度为额定 速度的1 0 ，减速点分别设在上升、陆侧下降和海侧下降的终点停止前约5 米处。 超速保护：在起升机构的高速轴上( 与电动机同转速) 装有一只离心式超速保 护开关，它是运用旋转离心原理检测电动机的转速，当电动机超过其设定转速的1 0 时，产生超速控制、报警。 制动器限位检测：起升机构装有二台制动器，每台制动器上都装有一只制动器 检测限位开关，当制动器打开时，限位开关动作，确认制动器处于开闸状态，为变频 器输出力矩提供检测信号。 机构互锁：根据桥式起重机的设计规范规定，起升机构不能与俯仰和大车机构 同时运行，此外，俯仰机构处在抬起位置对，起升也不能运行。 小车终点极限保护：在小车行程的海陆侧分别设有撞杆式终点极限保护限位， 一旦小车撞到极限限位开关时，起重机实现紧停控制功能。 小车终点限位：在小车行程的海陆侧正常停车位置分别设有撞杆式终点限位开 关，该限位开关保证小车在有效的行程内正常运行。 小车减速限位：小车减速限位分别设在停止限位前6 米处，减速后速度为额定 速度的1 0 。 小车海陆侧鉴别保护：在大梁上设有小车海陆侧鉴别保护限位开关。 小车停车和门限位：小车停车限位开关为电磁式接近开关，在通往小车司机室 的走道门上装有门限位，通道门处在打开位置时，小车不能运行。 制动器限位检测：小车驱动机构装有制动器，每台制动器上都装有一只制动器 检测限位开关，当制动器打开时，限位开关动作小车方可运行。 机构互锁保护：小车机构可与起升或大车机构同时运行，不可与俯仰机构一起 工作。当俯仰处在抬起位置时，小车也不能运行。 俯仰机构抬起超极限保护：在梯形架上装有俯仰机构抬起超极限保护限位开关， 一旦该开关动作，系统处于紧停状态。 俯仰机构行程终点保护：在俯仰机构钢丝绳卷筒的同轴，装有旋转式凸轮限位开 关，俯仰机构的抬起终点限位分别设在8 0 度( 挂钩) 和6 0 度( 移舱) 以及臂架水 平( 零度) 位置。 俯仰机构行终点前减速保护：在臂架抬起终点保护限位前2 米处和臂架下放终 点保护限位前2 米处，以及臂架抬起至6 0 度前1 米处分别设有终点前减速限位，减 速后的速度为额定速度的1 0 。 俯仰机构行钩区及安全钩限位：臂架在抬起到7 0 度以上时处在钩区位置，凸轮 限位开关将检测到这一位置，在钩区位置时，安全钩操作有效；在臂架进入钩区后， 安全钩拾起检测限位将决定臂架能否下放。 俯仰超速保护：在俯仰轴上装有一只离心式超速保护开关，当电动机转速超过 其设定的最大转速的1 0 时，产生超速控制和报警。 制动器限位检测：在俯仰高速制动器上装有一只制动器检测限位开关，当制动 器打开时，限位开关动作，确认制动器处于开闸状态，为驱动器输出力矩提供检测 信号。 行走机构行程终点保护：行走机构的终点行程开关分别设在行走台车的左右二 头。 1 6 电缆卷筒终点保护：电缆卷筒装置设有旋转式终点限位保护，一般情况下终点限 位开关设在电缆在卷筒上留有二圈保留圈处。电缆卷筒终点限位将使行走机构锁定 无法运行。 夹轨器限位保护：起重机的夹轨的操作分为手动和自动二种，只有在夹轨器的 夹轨限位完全释放后，才允许行走机构动作。 3 6 2 电气安全保护 电气控制系统除对集装箱装卸桥的各机构、机械进行保护外，还对电气系统本 身具有多种类型，多种形式和多种功能的保护。 供电保护：电源开关柜设有线路过流和短路保护。在联动台上设有紧停按钮， 操作员在紧急情况下通过该按钮切断整机供电电源。 主驱动装置供电保护：在每一套驱动控制柜( 起升、小车、俯仰和大车) 的进 线端都设有一只线路断路器作为驱动柜的电源分断和过流、短路保护。驱动控制柜 内控制电源都有独立供电断路器。其控制器由独立的控制变压器供电。 辅助供电保护：辅助电源供电所有配电回路都有独立的线路断路器进行分段和 保护。 主驱动电动机保护：驱动控制柜对电动机具有完善可靠的保护功能。由于采用 数字式调节控制及检测，即可对电动机及变频器等具备以下保护；电动机速度反馈 丢失、过温度、过载、超速、失速、过电流、过电压。驱动器的i g b t 过温度，直 流电压过高。 辅助交流电动机保护：对所有的辅助交流电动机均按机构( 起升、小车、俯仰、 大车等) 及类型( 风机、制动器、夹轨器、电缆卷筒等) 分类进行线路断路器和接 触器分断保护控制。 控制系统保护：电气控制系统是起重机的控制中心，系统控制包含了有p l c 的 c p u 和各驱动器的应用控制器的工作状况，以及通讯网络是否正常；各机构的极限 限位开关，超速开关，紧停按扭是否正常。 工况控制保护：在集装箱桥式起重机的操作控制中，有许多工况的控制是有条 件联锁保护的。 集装箱电气控制系统电气布置位置示意图如图3 2 1 7 囤幅憔腿q鼬恬扩脚螺峨毒锱扩世瀑臻球 n 囤 第4 章集装箱装卸桥直流调压调速系统仿真 4 1 直流电机传动及驱动器选择 由于直流传动具有优越的调速性能，在早期高性能的电动机调速一般均采用直 流电机调速。直流调速系统的种类很多，按不同的方式可分成直流单闭环调速系统 和直流多闭环调速系统，可逆调速系统和不可逆调速系统，有静差和无静差调速系 统以及模拟调速系统和数字调速系统等。对于调速性能要求较高的场合，通常采用 多闭环调速系统，其中应用广泛而且比较典型的是转速、电流双闭环调速系统，该 系统的静、动态特性较好，抗干扰能力强，能够实现转速的无静差，对整个系统能 够起到安全保护作用。 随着微电子技术、微处理机以及计算机软件技术的飞速发展，使直流调速控制 的各种功能均可通过微处理器，借助软件来实现。从8 0 年代起，美国、英国、德国、 日本、法国等国家的一些公司相继推出了各自的全数字直流调速系统，如g e 公司 的d c 系列、t e 公司的r e c t i v e r 系列、a b b 公司的d c s 系列、s i e m e n s 公司 的6 r a ( 6 r m ) 系列、a v t r o n 公司的a d d - - 3 2 系列、c t 公司的m e n t o r 。 全数字直流调速系统采用了最新的计算机技术和数据处理技术，集成度高，硬 件结构简单，分离元件和相应的连线大大减少，因而从根本上消除了模拟直流调速 系统中多发故障的根源，系统运行的可靠性大大提高。 全数字直流调速系统具有很强的通信功能，不仅可与上一级计算机通信，而且 与其它直流调速系统之间、p l c 之间、交流调速系统之间都可以通过局域网进行快 速的数据交换，构成分布式计算机控制系统，实现港口生产过程的全局自动化。 从调速技术来讲，虽然近几年来交流电机调速技术迅猛发展，在许多方面正向 直流电机调速技术领域扩展，但是直流调速的一些理论仍然是交流调速的基础。对 于直流调速系统来说，以微处理器作为调速系统的核心部件，并具有控制、检测、 监视、故障诊断及故障处理等多功能的全数字直流调速系统也正在不断地更新和发 展，并已广泛地应用于港口装卸机械的直流调速系统中。 1 9 4 1 1 转速、电流双闭环调速系统 在单闭环调速系统中，实际上是用一个调节器完成两种调节任务，即正常负载 时实现转速调节，过负载时进行电流限制。要把两个反馈信号在一个调节器上进行 综合，则很难调整调节器的参数，保证两种调节过程同时具有良好的动态品质。为 了达到既有转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段起作用，需采 用转速、电流双闭环调速系统。 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分 别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图4 1 所示。这就是说，把转速调 节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发装 置。为了获得良好的静动态性能，双闭环调速系统的两个调节器a s r 和a c r 一般 都采用p i 调节器。 图4 1 转速、电流双闭环调速系统 a s r 一转速调节器a c r - 电流调节器t g 一测速发电机 t a 一一电流互感器 g t 一触发装置v 一可控硅整流装置 + 9，卜、li 4 1 2 双闭环调速系统的稳态结构图和静特性 为了分析双闭环调速系统的静特性，先绘出它的稳态结构图，如图4 2 所示。 图4 2 双闭环调速系统稳态结构图 稳态特征一般存在两种状况：饱和输出达到限副值；不饱和输出未达 到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影晌输出，除非有反 向的输入信号使调节器退出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出 间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，p i 作用使输入偏差电压u 在稳态时总是零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因 此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 4 1 3 双闭环调速系统的动态特性 调速系统的动态特性主要是指系统对阶跃给定的跟随性能及抗扰性能，两者结 合在一起就能完整地表征一个调速系统的动态性能。 ( 1 ) 双闭环调速系统的动态数学模型 在单闭环调速系统的动态数学模型的基础上，结合双闭环控制的结构图，绘出 双闭环调速系统的动态结构图，如图4 3 所示。 图4 3 双闭环调速系统的动态结构图 2 l ( 2 ) 双闭环调速系统的起动过程 双闭环调速系统突加给定电压u + 后，由静止状态起动时转速和电流的过渡过程 波形示于图4 4 中。由于在起动过程中转速调节器a s r 经历了不饱和、饱和、退出 饱和三个阶段，因此，整个过渡过程也分成三段，即电流上升阶段、恒流升速阶段 和转速调节阶段，在图中分别标以i 、i i 、i i i 。 - i 从 历 p h净i b ht 【：l i - ：； 一 ，y - 一_ ) 、 图4 4 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形 ( 3 ) 双闭环调速系统的动态性能 一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。由图4 4 可以看出，双 闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表 现出很快的动态跟随性能。对于电流内环来说，在设计调节器时应强调有良好的跟 随性能。负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此， 在突加负载时，必然会引起动态速降。为了减少动态速降，必须在设计a s r 时，要 求系统具有较好的抗扰性能指标；对于a c r 的设计来说，只要电流环具有良好的跟 随性能就可以了。 4 1 4 仿真直流电机及驱动器选择 因实验室场地面积及实验室建设经费限制，选择直流电动机不能过大但应能达 到基本表现电动机常规特性。在这一前提下选择了上海南洋电机厂生产的直流电机， 型号为z 4 1 1 2 2 1 的直流电动机。z 4 系列直流电机广泛用作各类机械的传动源，诸 如冶金工业轧机传动，金属切削机床、造纸、印刷、纺织、印染、水泥、塑料挤出 机械等等。电动机可用三相全控桥式整流电源，以及不外接平波电抗器而长期工作。 额定电压为1 6 0 v 的电机由单相桥式电源供电，此时电枢回路须接入电抗器以抑制 脉动电流。电动机标准额定电压为1 6 0 v , 4 4 0 v 。减小电枢电压为恒转矩调速，减小 励磁电压为恒功率调速。调速范围见技术数据表4 1 。 衷4 1 z 4 11 2 2 1 直流电动机技术参数表 额定转速电枢励磁电枢回电枢回磁场 额定功率弱磁转速效率 4 4 0 v 电流功率路电阻路电感电感 2 8 k w1 3 4 0 r m i n3 0 0 0 r m i n9 1 a3 2 0 w6 q5 9 m h1 7 h7 1 2 依据表4 - l 的技术参数，综合考虑价格及安装尺寸，选用英国c t 公司的m e n t o r i i 全数字式直流电机四象限调速控制驱动器，型号为m 2 5 r ，技术指标见表4 2 。 表4 2m e n t o r i im 2 5 r 技术指标 直流功率交流功率 最大额定连续直流电流 电枢电压4 0 0 v交流电压5 0 0 v 输入输出 7 5 k w9 k w2 1 a2 5 a m e n t o ri i 特点有： l 、m e n t o r l l 配有系列参数，提供对各种工业应用要求的最大适应性。参数 编入菜单中，形成一种使用户方便快速访问参数的最简便方法。每个菜单中，那些 仅在非常复杂应用中才需要用户设定的参数称之不可见参数，一般情况下不能对其 进行访问，除非进行过高级别密码的解密。如果仅对低级别密码解密，这些不可见 参数并不在参数窗口显示。这样大大缩短了菜单的视在长度，为常规应用提供了极 大的方便，并对那些特殊应用中才需设定的参数提供了最大限度的保护。 2 、电源相序丢相自动检测，驱动器运行与相序无关。 3 、输出六脉冲触发输出可控硅，可配置成十二脉冲( 串联) 操作方式。 4 、速度反馈可由电机电枢e g 玉, 、测速电机、编码器( 脉冲测速器) 、p i d 速度坏 算法。 5 、速度给定为：一1 0 v - 一- 1 0 v 或0 1 0 v ；4 2 0 m a ：编码器数字输入或内部产 生的数字给定。 6 、串行通讯：r s 4 8 5 串行通讯接口，光电隔离。 7 、速度精度如表4 3 ： 表4 3m e n t o r i i 速度精度 给定精度反馈精度综合精度 模拟0 0 2 5 v电枢电压0 8 3 v0 8