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

周圣杰

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

隨著海運集裝箱遠洋輪的吞吐量不斷增大，對岸邊集裝箱起重機(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驅(qū)動器也隨之更新?lián)Q代。簡述驅(qū)動器在岸橋上的進化歷程，論述了交流變頻驅(qū)動器及備援切換系統(tǒng)在岸橋上的作用。

2 驅(qū)動器的更迭

早期主流的驅(qū)動系統(tǒng)是模擬量系統(tǒng)，驅(qū)動控制有磁場線圈的直流電動機。磁場以獨立的磁場供應(yīng)器控制磁場電流，驅(qū)動器控制電動機的電樞。當時的系統(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)動直流電動機。這種驅(qū)動方式的缺點是：線路、電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，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)動系統(tǒng)升級為有電力回生的四象限驅(qū)動系統(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)動系統(tǒng)的動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)動器的輸出電流。速度的計算與控制完全由PLC系統(tǒng)負責并給出控制電流的信號，由驅(qū)動器變換出大功率的電流，用以驅(qū)動電動機。

當驅(qū)動器進入數(shù)字時代，可實現(xiàn)更為精細化的設(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，而是由驅(qū)動系統(tǒng)負責速度反饋的閉環(huán)回路計算與電流的控制。這種驅(qū)動方式由PLC給出速度命令，驅(qū)動器計算及監(jiān)控電動機的電流、電壓以及速度，以符合PLC系統(tǒng)的要求。此外，驅(qū)動系統(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機參數(shù)組以及控制參數(shù)組，PLC程序簡單不易出錯，對于機構(gòu)及電動機的控制也更加平順。

3 交流變頻驅(qū)動器及多驅(qū)動備援切換的應(yīng)用

近年來，隨著微處理器和半導體技術(shù)的發(fā)展，矢量控制的交流驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)開始成熟，逐漸取代直流驅(qū)動器，以變頻驅(qū)動的方式驅(qū)動交流感應(yīng)電動機[1]。交流變頻調(diào)速理論不斷發(fā)展，大功率變頻驅(qū)動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)動器原理

交流變頻驅(qū)動器是一種通過變換電機電源的頻率來實現(xiàn)控制電機電力的設(shè)備，其主要組成包括：整流、濾波、逆變器、驅(qū)動單元、制動單元、微處理單元、檢測單元等[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，對直流電進行梳理，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現(xiàn)調(diào)速，根據(jù)電機需要電量按量輸出，避免浪費,可大幅降低交流驅(qū)動系統(tǒng)的成本。實踐證明，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①交流電動機不需要整流子和調(diào)換電刷，減少了維護工作量、提高了防護等級、節(jié)省了大量維修費用和維護時間[4]；②交流變頻驅(qū)動器加裝直流電抗器后，整個系統(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)動系統(tǒng)，交流系統(tǒng)有一定的價格優(yōu)勢，且隨大容量主電路元件的開發(fā)運用，變頻驅(qū)動的價格尚有較大的下降空間，未來成本會比直流驅(qū)動系統(tǒng)成本低很多。

3.2 多驅(qū)動備援切換系統(tǒng)

傳統(tǒng)岸橋一般采用雙驅(qū)動切換，并以接觸器和繼電器輔助完成切換工作。繼電器切換信號線路復(fù)雜、易受干擾、可靠度低，不易實現(xiàn)多驅(qū)動切換。如今世界各大港口年吞吐量大幅增加，這便需要岸橋運行作業(yè)更穩(wěn)定可靠，故對其配備的驅(qū)動器切換需求由節(jié)省空間、降低成本，變成增加可靠性、減少甚至避免驅(qū)動故障而停機。驅(qū)動器備援(Backup)系統(tǒng)以驅(qū)動器一對三切換，實現(xiàn)驅(qū)動器備用援助。其初期架構(gòu)是增加一組驅(qū)動器備援其他驅(qū)動。優(yōu)點是架構(gòu)簡單，但缺點是該方式需要額外的驅(qū)動器以及安裝空間，并且所需動力線路較長，切換機構(gòu)所占空間大。另外，備援驅(qū)動器正常情況不使用，維護及可用性難以掌握。鑒于以上弊端，重新設(shè)計備援驅(qū)動切換方案，不增加驅(qū)動器數(shù)量，僅將大車驅(qū)動器的選型放大至與起升相同。正常工作時各驅(qū)動器不切換，任一驅(qū)動器故障時，由其他驅(qū)動器切換做備援。

正常工況下，Trolley/Boom driver切換驅(qū)動小車和俯仰電動機，Hoist 1 driver驅(qū)動起升1電動機，Hoist 2 driver驅(qū)動起升2電動機，Gantry driver驅(qū)動大車電動機(見圖1)。

圖1 正常工況

當Hoist 1 driver故障時，Hoist 2 driver驅(qū)動起升1電動機，Gantry driver切換驅(qū)動起升2和大車電動機，其余不變(見圖2)。詳見圖2起升一號驅(qū)動故障。

圖2 起升1號驅(qū)動故障

當Hoist 2 driver故障時，Gantry driver切換驅(qū)動起升2和大車電動機，其余不變(見圖3)。

圖3 起升2號驅(qū)動故障

當Gantry driver故障時，Hoist 2 driver切換驅(qū)動起升2和大車電動機，其余不變(見圖4)。

圖4 大車驅(qū)動故障

當Trolley/Boom driver故障時，Hoist 1 driver切換驅(qū)動小車/俯仰電動機，Hoist 2 driver驅(qū)動起升1電動機，Gantry driver切換驅(qū)動起升2和大車電動機(見圖5)。

圖5 小車/俯仰驅(qū)動故障

使用該多驅(qū)動切換系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：①不額外增加驅(qū)動器，減少設(shè)計成本和電氣柜空間；②各驅(qū)動器正常情況下一直在使用運行，保證了切換的可實現(xiàn)性；③動力元件壽命周期一致，便于維修管理。當岸橋作業(yè)時，如某個機構(gòu)驅(qū)動器報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)進行裝卸作業(yè)，需搶修排查故障并解決后才能恢復(fù)，將嚴重影響作業(yè)效率。配備多驅(qū)動備援切換系統(tǒng)后，當發(fā)生驅(qū)動器故障時，維修人員可以第一時間切換備援驅(qū)動器以保證裝卸作業(yè)繼續(xù)進行。完成裝卸作業(yè)后，再對故障驅(qū)動器進行維修檢查。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。未來可增加遙測及監(jiān)控裝置，實現(xiàn)遠程、自動備援切換，進一步縮短驅(qū)動器故障處理時間，提高作業(yè)效率。