关于电气差动卸船机控制系统综述

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摘要：本文主要分析了电气差动卸船机控制系统的设计,通过对4个电机进行精确的调速控制来实现抓斗和小车的动作,采用专门的算法和技术来实现四卷筒的同步、负载均衡和钢丝绳防松。供同行参考借鉴。关键词：电气差动; 调速控制; 同步；

前言

电气差动式卸船机具有其他类型卸船机所不具备的优点, 已经被越来越多的用户所重视。但是, 由于要将原来由复杂庞大的机械差动减速箱实现的功能改用电气差动的方法来实现, 对电气控制系统的要求较高。由于四卷筒是由 4个电机来分别驱动的, 所以其同步功能的实现显得特别重要。

一、常规的机械差动卸船机

机械四卷筒结构是法国 Caillard公司开发的技术, 其结构形式为: 起升电机、闭合电机与小车行走电机通过 2台特殊设计的行星减速器组合装配,用来驱动 4个卷筒。同侧的 2个卷筒分别绕出 2根钢丝绳, 然后分别绕过桥架头部和尾部的改向滑轮绕向抓斗小车, 再通过抓斗小车上的改向滑轮固定在抓斗上。抓斗起升、闭合、小车行走功能都通过这4个卷筒来实现, 通过 2台行星减速器内圈、外圈的差动实现各种动作组合,起升钢丝绳的 2个卷筒和开闭钢丝绳的 2个卷筒分别由 1套庞大的行星减速器来驱动, 小车机构驱动通过一根浮动轴将 2个行星减速器连接起来实现驱动。针对不同机型, 这套行星减速器都必须专门设计, 设备的通用性不好, 检修维护时间较长, 同时由于受行星减速器尺寸的制约,维护空间非常有限, 不利于日常检修。四卷筒卷扬机行星减速器由于需要差动, 当抓斗小车运行时, 虽然起升电机和闭合电机静止不动,但有一个很大的惰转能量在起升和闭合外齿圈之间流动。设计时必须考虑, 所以整个行星减速器相当笨重。由于起升、开闭、小车都是由单独的电机驱动, 所以四卷筒的同步功能可通过分别控制好单独的电机来实现。

二、电气差动卸船机

机械差动式卸船机需要庞大的行星差动减速器, 其制作及维护成本都很高, 为此, 在机械差动四卷筒牵引小车技术的基础上, 利用先进的电气调速控制技术, 研发出电差动四卷筒牵引小车卸船机。这种卸船机机器房内设置 4台相互独立且相同的卷扬机构, 每台卷扬机构都由交流变频电机驱动, 每个卷筒卷绕 1根钢丝绳。2根钢丝绳通过前大梁端部的滑轮绕到抓斗小车, 另 2根绳通过后大梁端部的滑轮绕到抓斗小车, 采用这种结构形式解决了机械差动式卸船机存在的诸多问题, 但它的电气控制系统比常规机械差动卸船机的电控系统要复杂得多, 实现四卷筒的同步是关键。

1、 控制系统设计研究

(1) 电气系统硬件设计: 包括四卷筒电机驱动变频器、PLC控制系统选型、位置检测编码器以及钢丝绳负载重力传感器的选型, 控制网络组态, 控制柜及操作台设计。

(2) 四卷筒同步功能研究: 对于抓斗起升 /下放动作 (即没有抓斗打开 /闭合, 没有小车移动 ), 所有4个抓斗驱动装置都同步, 以完全相同的速度和相同的卷绕或释放方向运行。对于抓斗打开 /闭合动作 (即没有抓斗起升 /下放, 没有小车移动 ), 只有 2个开闭驱动装置同步,以完全相同的速度和相同的卷绕或释放方向运行,而起升驱动装置保持静止。对于小车横移动作 (即没有抓斗起升下放, 没有抓斗打开 /闭合 ), 所有 4个抓斗驱动装置同步以完全相同的速度运行, 但前驱动装置按合适的卷绕或释放方向运行, 而后驱动装置以相反的方向运行。对于抓斗同时起升 /下放、打开 /闭合和小车横移等更复杂的动作, 对每个抓斗驱动装置的精确速度和方向进行持续的计算以提供需要的结果。

(3)钢丝绳防松和起升开闭负载均衡研究: 通过实时读取四卷筒 4根钢丝绳的载荷, 通过专门的算法来防止单根钢丝绳松弛和保证起升开闭负载均衡。

(4)抓斗自动沉降功能研究: 为了使抓斗在物料上闭斗时能够自动沉降, 抓取足够的物料, 采取转矩控制模式。

(5)半自动和抓斗防摇功能研究。

2、同步功能实现

在抓斗部分打开或完全打开并在无开闭动作的状态下, 为保证抓斗在提升和下降过程中不会自行关闭或打开, 需要对起升和开闭机构进行同步控制。对于常规卸船机, 可计算抓斗在打开状态下起升和开闭机构的位置差异值, 并将此值作为同步控制中的基准值, 在程序中自动记忆。当抓斗提升或下降时, 实时计算起升和开闭机构的位置差异值并与上述基准值比较, 若位置差值大于基准值, 则调整开闭机构的速度给定值, 以将位置差异调整到基准值。

电差动四卷筒卸船机起升和开闭机构的同步控制分为两个部分: 一部分是抓斗无开闭动作, 保证抓斗开度不变, 只有起升和小车复合运动的四卷筒同步; 另一部分是抓斗无起升动作, 保证抓斗起升高度不变时的四卷筒同步。当抓斗无开闭动作时, 以动作前抓斗的开度值作为基准值, 在起升和小车动作时, 比较抓斗实时开度和基准值之间的偏差, 并且结合当前起升及小车的速度给定值及反馈值, 判断各种工况, 实时计算相应机构的同步调整值并叠加到速度给定值中, 调节相应机构电动机的转速, 以实现起升和小车复合运动的四卷筒同步运行。当抓斗无起升动作时, 以动作前抓斗的高度值作为基准值, 用同样的方法来实现抓斗起升高度不变的四卷筒同步运行。

3、研究方法及设计原则

电差动卸船机由于要用电气差动的方法来实现机械差动齿轮箱的功能, 所以程序结构很复杂。它包括 8 个子程序模块。每个子程序功能都实现模块化设计, 对外都实现功能封装, 通过主程序调用, 可以适应不同机型8个子程序功能模块包含具体的计算, 主要功能如下:

(1)速度给定控制模块。通过操作主令、控制按钮采集输入信号, 采用专用计算模块计算积分值, 保证输出平滑。

(2)四卷筒钢丝绳载荷计算模块。通过四卷筒钢丝绳滑轮高精度重力传感器采集载荷信号, 采用专用计算模块计算每根钢丝绳的受力。

(3)四卷筒位置计算模块。通过四卷筒低速端绝对值编码器采集独立卷筒位置信号, 由专用计算模块得出抓斗和小车位置值。

(4)位置校正和极限检测模块。每个循环周期对抓斗和小车位置值进行检测, 防止位置值丢失。

(5)四卷筒同步控制模块。通过专用模块保证抓斗和小车动作时的四卷筒动作协调和同步。

(6)负载均衡控制模块。保证抓斗带载提升时 4根钢丝绳受力均匀, 同时不开斗洒料。

(7)防摇控制模块。计算抓斗摇摆周期, 通过专用功能模块防止抓斗摇摆。

(8)半自动轨迹控制模块。计算抓斗最优的半自动轨迹。

三、结语

桥式抓斗卸船机主要有牵引式主辅小车卸船机、自行小车式卸船机、机械差动四卷筒卸船机和电气差动四卷筒卸船机几种形式其中自行小车式及主辅小车形式的卸船机已逐步退出了市场。电气差动四卷筒牵引小车卸船机是在机械差动四卷筒牵引小车卸船机基础上发展起来的, 其技术较为先进。它的主要特点是:( 1) 机构更少, 腿压更小。( 2) 只有 4根钢丝绳, 钢丝绳缠绕简单, 检修维护方便。( 3) 没有小车横移钢丝绳及横移机构, 减少了维护量和备件量。( 4) 抓斗驱动机构采用 4 个完全相同的卷扬机, 可减少备件。电差动四卷筒卸船机与机械差动卸船机相比, 不仅在整机制造成本上有优势, 而且技术先进, 可靠性高, 减少了现场维护工作量。此外, 独立的四卷筒机构包括其驱动电动机均为标准产品, 且规格完全相同, 备件及维护成本将大大降低。

参考文献

[ 1] 张奇兴. 四卷筒牵引桥式抓斗卸船机 [ J] . 港口装卸,1999( 6)

[ 2] 彭传圣, 范翠玉. 桥式抓斗卸船机的新发展 [ J]. 港口装卸, 1999( 3)

[ 3] 季承中. 桥式抓斗卸船机四卷筒电气差动控制系统的研究 [ J]. 港口装卸, 2006( 6)