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III
上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT
ABSTRACT
Withthegrowingoftheglobalizationofinternationaltrade,containerservicehasbecomingmoreandmorepopularintheoceantransportation,andcorrespondingly,researchonportfacilitieshasbecomingmorehighlighted.However,ShiptoShoreGantryCrane（STS）isoneoftherequiredtoolsinloadingandunloadingofthecontainer.So,itisveryvaluabletoresearchontheelectricalcontrolsystemofSTS.
TheobjectofresearchisSTSinthispaper.Thereisdetaileddescriptionofthecomponent,controlsystemofSTS.Furthermore,anelectricalcontrolsystemoftheSTSisdesignedandimplemented,justonthebasisofthefrequencyinverterandmotorastherotaryactuator,PLCasthecontroldevice,computermanagementsystemasthemanagementsoftware.
Themainworksinthispaperareasfollows:
1.Todescribethebasiccontrolprinciplesandfeaturesofthevariablefrequencycontrolandtheprinciplesofvectorcontrol,completetheselectionandcalculationofloads,andthecomputationalmethodoffrequencyinverterandmotor.
2.BasedontheanalyzingtotheSTS,researchontheanti-vibrationsystemandtheauto-operationcontrolsystem.
3.OnthebasicofanalyzingtheselectingmethodofPLC,proposethesolutionoftheelectricalcontrolsystem,anddeveloptheCMSoftheSTS.
4.CommissioningandoptimizationoftheSTSelectricalsystem.
Aboveall,ithashighapplicationvaluetoresearchontheSTS.Anditwouldpromotethelocalizationofthismachine.
Keywords:
ShiptoShoreGantryCrane,Anti-vibration,Cranemanagementsystem（CMS）,Auto-operation,Inverter
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：
2009年6月22日
上海交通大学工程硕士论文
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密□。
（请在以上方框内打“√”）
郭宝才 指导教师签名：
潘俊民日期：
2009年6月22日 日期：
2009年6月22 日
上海交通大学硕士学位论文
第一章绪论
第一章 绪论
1.1课题来源及技术背景
集装箱运输自本世纪五十年代后半期开始，六七十年代在工业发达国家得到迅速发展，到现在集装箱运输在全球货运中占有很重要的地位，并且各国还在继续大力发展。
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，有集装箱龙门起重机、集装箱正面吊、集装箱叉车、岸边集装箱桥吊等，其中岸边集装箱桥吊成为这些设备中最昂贵的一种，并成为港口装卸专业化程度以及吞吐能力大小的重要标志。
该机型具有卸船效率高、自动化程度高、可靠性高等特点，现在该机型先进的电气技术和解决方案基本都掌握在一些国际知名电气公司手里，如SIEMENS、ABB等，因此对于岸边集装箱桥吊电气控制系统的研究，具有广泛的实际应用价值和推动该机型电气国产化的意义。
课题来源于本公司的岸边集装箱桥吊项目。
由于集装箱运输的迅猛发展，各个港口对集装箱桥吊的需求也越来越大，各家电气公司在此类机械上的竞争也越来越激烈，降低成本并提高质量也就成了各家电气公司追逐的主要目标。
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设计，调试以及协助最终用户进行保养与维修。
为了更好的降低成本，并将国外先进技术转化吸收并应用，结合现有的项目进行集装箱桥吊电气系统研究就有很实际的意义，这样既能有效的降低人力成本，又能满足客户的实时维修要求，同时也提高了国内技术人员的技术实力。
在完成本项目后，将使同类项目的人力成本降低到原来的50％，初步培养2－3名工程师具有主设计师的技术实力，并将此产品完全国产化。
1.2与课题研究相关的国内外动态
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
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转，岸边集装箱桥吊的起重量、外伸距和起升高度均有了显著变化，运行参数也有了很大提高。
配合集装箱岸桥的发展需要，电气传动系统随着电控技术的飞速发展也发生了重大改革。
岸边集装箱桥吊电控系统从常规的继电器控制方式和发电机－电动机（G－M）拖动转变为如今的可编程控制器（PLC）控制方式和各种交直流驱动器驱动，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。
随着半导体技术的发展，大功率隔离门双极晶体管（IGBT）的产生，特别是计算机技术的发展与应用，变频矢量控制能够用微处理器来实现，这就使交流变频走向位势负载的应用领域。
全交流的岸边集装箱桥吊已经越来越多地得到应用，且直流与交流驱动系统目前在价格水平上已相差不多。
与直流驱动相比，除了交流电动机本身的优势以外，交流驱动还有以下优点：
1.由于使用正弦波脉宽调制（PWM）控制方式，从进线电源处看，功率因数基本上接近1。
2.较小的谐波电流，在进线侧可以不增加谐波滤波装置。
所以在起重机行业交流调速系统在不久的将来将会完全替代直流调速系统。
目前，电控系统的主要发展目标是全面实现岸边集装箱桥吊的单机自动化、
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化。
在现有的集装箱桥吊制造厂中，振华港机业绩遥遥领先，其产品年产量占世
界总产量的60％以上，2008年年中又把上海港机合并，在业内处于霸主的地位。
其余的象大起大重、诺尔和Konecrane等都有一定的知名度，在业内也是专业的制造厂商。
在电控系统集成商中，Siemens、ABB以及Yaskawa等都是极富声名的，各家都有自己的优势和业绩，都在这个行业应用最先进的电控系统，更新换代也非常迅速。
1.3论文的主要研究内容
1.3.1.1论文的主要内容
本论文的主要研究内容有：
介绍岸边集装箱桥吊的结构和传动机构特点；
论述交流变频调速的基本控制方式及特点、矢量控制的基本原理，并根据起重机设
计规范完成工作级别的选择和各类载荷的计算以及电动机容量的计算和校核，阐述变频器和电机的设计计算方法；
在分析岸边集装箱桥吊电气控制系统组成的基础上，研究集装箱吊具防摇系统和集装箱桥吊自动作业控制方案；
介绍选择PLC的原则和方法，提出系统解决方案，研究PLC系统硬件的组态方法和软件的编程；
开发岸边集装箱桥吊的管理系统（CMS），实现变频系统参数设定、画面显示、故障报警、自动报表生成等功能。
1.3.2.2论文结构
论文结构如下：
第一章为绪论，总体论述了本文的研究内容；
第二章为桥吊的总体技术，论述了桥吊的整体特点和关键技术；
第三章为桥吊电气控制系统的方案设计；
第四章从理论设计基础和研究角度论述了交流变频系统与传动系统；
第五章着重就桥吊本身的特点和工艺要求进行了PLC控制系统和CMS系统设计；
第六章为系统调试与结果分析；
第七章就本文的研究内容进行了总结与展望。
第二章岸边集装箱桥吊的总体简介
第二章 岸边集装箱桥吊的总体简介
2.1岸边集装箱桥吊的机械结构
如图2-1为岸边集装箱桥吊的外形图。
岸边集装箱桥吊按其动作特点可分为起升机构、俯仰机构、大车行走机构、小车行走机构。
除此之外还有辅助机构及设施，如吊具、换绳装置、照明系统、防摇装置、载人电梯、电缆卷筒等。
图2-1岸边集装箱桥吊外形图
Fig2-1ShapeofSTS
2.2岸边集装箱桥吊的传动机构特点
岸边集装箱桥吊的传动机构主要是指：
起升机构、俯仰机构、小车运行机构、和大车运行机构。
下面介绍传动机构的特点。
1..起升机构
起升机构是由两卷筒构成，分别由两个电机驱动，卷筒之间通过行星齿轮进行机械耦合，由两个电机同时动作完成吊具的起升和下降。
每个卷筒除了配备双制动器、凸轮限位及必要的润滑系统外，为了能够实现
半自动功能，都需要配置位置传感器、速度测量传感器以及必需安全保护装置等。
2..俯仰机构
俯仰机构是由单卷筒构成，由一个电机驱动。
桥吊不工作时，为了防止大风冲击，以及船舶停靠时为了避免碰撞，通常需要将桥吊悬臂梁收起；
正常工作时，又需要将悬臂梁下放至水平，悬臂梁的收放由俯仰电动机完成。
通常悬臂梁收起后，为保证机械安全，由机械挂钩锁定，该挂钩称安全钩。
此外为了减少钢丝绳的机械疲劳，当悬臂梁收起和下放至水平位置时，需将钢丝绳放松。
所以电气控制系统中有俯仰收放的半自动控制流程，完成悬臂梁的自动平稳升降、安全钩自动抬起落下、钢丝绳放松到位等联动控制，为保证安全，此操作在俯仰操作室由操作员监控完成。
俯仰机构的安全级别跟起升机构一样，通常要配备双制动器。
由于该机构的工作频率很低，又是单动系统，所以在电气控制上往往与小车运行机构的控制系统合在一起，共用一套电气传动系统。
其余传感器等配备跟起升机构基本一致。
3..小车运行机构
小车运行机构由单卷筒构成，由一个电机驱动。
由于是平移机构，小车的制动器为单制动器，传感器通常也只配备增量式编码器、速度传感器和减速、停止、极限限位，位置也可以经计算得出，与增量式编码器的数据互为校验。
为保障小车机构及操作员的安全性，小车车行走机构设有锚定装置和停车位保护。
4..大车运行机构
桥吊正常运行时，经常需要将整机平移，该运动由大车行走机构完成。
大车行走机构通常由一组多台电动机共同传动，每台电动机配置一套制动器，通常都是电动机、制动器、速度与位置测量通常由两个传感器完成，海侧和陆侧各装一个。
大车运行时，电气控制系统同时要控制电缆卷筒运行，以保证上机电缆同步收放。
为保障整机的安全性，大车行走机构要有防撞连锁，并设置锚定、夹轨器及防风拉索等装置。
2.3矢量控制的基本原理
交流电动机矢量控制原理是1971年由F.Blaschke提出的，其基本思想是设法模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制，使之能够象直流电动机
调速系统一样具有良好的动、静态性能，直流电机调速性能好的根本原因是由于其磁通Φ和转矩T能很容易通过调节励磁电流Ia和电枢电流If分别得到控制。
以他励直流电动机为例，其电磁转矩T表达式如下式所示
T=CmfIa
式（2-1）中：
T表示电磁转矩；
Cm表示转矩系数；
Φ表示磁通；
Ia表示电枢电流。
由于电枢电流Ia所产生的电枢磁通Φa和励磁磁通Φ是相互垂直的，如图2-2
所示，再加上一定的补偿以后，电枢反应对主磁场祛磁的实际影响是很小的。
因此，可以认为，Φ和Ia是互不相关的独立变量，磁通Φ只与励磁电流If
有关。
如果保持If不变，即Φ不变，由于Te与Ia成正比，调节和控制电枢电流
Ia也就直接调节和控制了电磁转矩T，从而使转矩控制具有良好的动态性能。
图2-2直流电机磁势图
Fig2-2DCmotormagnetism
异步电动机与直流电机不同，异步电动机的电磁转矩表达式如下式所示
（2-1）
T=CfI'
cosj'
e TJm2 2
（2-2）
2
式（2-2）中：
CTJ表示异步电动机转矩系数；
Φm表示异步电动机每极气隙磁通；
I'
表示转子电流折算值；
cosj'
表示转子电路的功率因数。
由于转子阻抗角，异步电动机的转矩不仅与转子电流折算值I'
和气隙磁通
fm有关，而且与转速（转差率s）有关，I'
和fm两个量既不成直角，又不是两
个独立变量，因此不能以简单的方法进行磁通和转矩的单独控制，在动态中准确地控制转矩显然比较困难。
要解决这个问题，一种办法是从根本上改造交流电机，改变其产生转矩的规律，迄今为止，在这方面的研究成效尚少。
另一种办法是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电机控制转矩的规律，通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定坐标系转换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。
即如果在调速过程中始终维持定子电流的磁场电流分量不变，而控制转矩电流分量，它就相当于直流电机中维持励磁不变，而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，能使系统具有较好的动态特性。
这就是矢量控制或称矢量变换控制的基本思想。
众所周知，对三相静止的对称绕组A、B、C通以三相正弦交流IA、IB、IC时，便产生转速为w1的旋转磁场，磁通为1。
如图2-3（a）所示。
然而，旋转磁场被
不一定非要三相不可，两项、四相等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁场。
图2-3（b）是两相静止绕组 和 （空间位置相差900），通以两相平衡电流Ia和Ib（时间上差900）时所产生的旋转磁场，磁通为2。
当
图2-3（a）和2-3（b）中所示的旋转磁场的大小和转速都相同时，则两套绕组等效，再看图2-3（c）中的两个匝数相等且互相垂直的绕组M和T，
图2-3等效的交流电动机绕组与直流电动机绕组
Fig2-3ACmotorwindingandDCmotorwinding
分别通以直流电流IM和IT，产生位置固定的磁通f3。
如果使两个绕组同时以同步转速w1旋转，磁通f3自然随着旋转起来，而成为旋转磁场，并可以和图2-3
（a）、（b）中的绕组等效。
但如果观察者站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，M、T是两个通以直流的互相垂直的静止绕组。
如果取消磁通f3的位置和M
绕组的平面正交，就和等效的直流电动机绕组没有差别了，这样，以产生同样的旋转磁场为准则，图2-3（a）中的三相绕组，（b）中的两相绕组和（c）中的直流绕组等效。
IA、IB、IC与Ia、Ib及IM、IT之间存在着确定的关系，即矢量变换
关系。
这样只要按照某个规律去控制三相电流IA、IB、IC就可以等效地控制IM和
IT来达到所需控制转矩的目的。
2.4本章小结
本章分析了岸边集装箱桥吊的机械组成结构，并阐述了岸边集装箱桥吊的传动机构及传动机构的特点，介绍了矢量控制的原理。
在功能上电气控制系统能满足以上机械工艺需求就可设计制造出合格的岸边集装箱桥吊。
第三章岸边集装箱桥吊电气控制系统的方案设计
3.11岸边集装箱桥吊电气控制系统的组成
3.1.1.1岸边集装箱桥吊电气控制系统结构
岸边集装箱桥吊电气控制系统结构如图3-1所示。
电气控制系统主要由执行层、控制层、监控层和管理层四层结构组成。
图3-1 岸边集装箱桥吊电气控制系统结构图
Fig3-1STSelectricalcontrolsystemstructurediagram
其中，执行层主要是交流电动机、检测元件和传感器等；
控制层主要是交流驱动器、可编程逻辑控制器（PLC），控制层设备间通过现场总线完成信息交换；
监控层主要是触摸屏和上位计算机等，岸边集装箱桥吊装备监控及管理系统完成设备级故障检测、显示、处理以及系统状态显示、设备工作信息采集及报表输出等；
监控层通过监控级工业网络与控制层交换信息；
管理层主要是企业管理级计算机及网络，完成企业级信息采集、分析及管理，甚至可以通过INTERNET进行远程监视与维护。
本岸边集装箱桥吊电气控制系统中只由执行层、控制层及监控层组成，但已预留与管理层的硬件借口，以适应企业发展的需要。
3.1.2.2岸边集装箱桥吊电气控制系统的主要硬件组成
1.驱动装置
本桥吊采用交流驱动装置。
整个传动装置采用西门子交流全变频调速系统控制。
考虑到本设备的工作特点，使用能量回馈系统将电能逆变回电网，以利用吊具下放时产生的能量。
2.控制装置
控制装置核心控制器采用西门子公司S7-400PLC，它的集成度高，可靠性好，坚固耐用，结构灵活，操作系统固化在硬件中，具有简单易操作的优点。
编程语言采用符合国际标准IEC1131-3的梯形图语言。
控制装置之间及与传动装置间通过PROFIBUS-DP现场总线连接，控制装置与工控机间通过工业以太网连接。
3.监控装置
监控装置主要有两类：
工业触摸屏和岸边集装箱桥吊监控及管理系统。
4.检测装置及传感器
（1）起升机构
包括一个机械超高限位，凸轮保护限位：
上下超程、上下停止、上下减速、编码器检测限位，超速开关，脉冲编码器，增量式编码器，制动器打开/关闭限位，电动机热敏开关等。
（2）小车机构
包括海陆侧超程限位，凸轮限位：
停止限位、减速限位、编码器检测限位，小车停车位，脉冲编码器，增量式编码器，制动器打开/关闭限位，锚定限位，电动机热敏开关等。
（3）俯仰机构
包括上下超程限位，超速开关，凸轮限位：
停止限位、减速限位、编码器检测限位，俯仰水平位，脉冲编码器，增量式编码器，制动器打开/关闭限位，电动机热敏开关，松绳限位和挂钩限位等。
（4）大车行走机构
包括防撞限位，停止限位，减速限位，脉冲编码器，制动器打开/关闭限位，电动机热敏开关，夹轨器，锚定限位，防风限位，电缆卷筒限位，声光报警等。
（5）其它
吊具保护限位，倾转电机限位、编码器等，重量传感器等。
3.1.3.3岸边集装箱桥吊电气控制系统的控制柜组成
岸边集装箱桥吊的地面供电为中压交流电源，经电缆卷筒输往中压开关柜，中压开关柜通常是一路进线，两路出线。
一路出线输往主变压器，为主要传动机构提供电源；
另一路出线输往辅助变压器，为其它辅助机构及照明系统等提供电源。
辅助电源为380V/50Hz，主电源电压与主要传动机构电动机额定电压相匹配。
低压控制柜由低压配电保护柜、起升控制柜、小车/俯仰控制柜、大车控制柜、整流/逆变柜、电抗器柜、CMS柜以及辅助控制柜等组成。
司机室内配置操作联动台以及司机室控制柜。
此外，为方便设备的操作与维护，还配置了俯仰机构操作箱、大车操作箱和机器房操作箱等。
1.低压配电保护柜与PLC控制柜
低压配电保护柜内安装主断路器开关、主接触器、各机构供电断路器以及变压器、控制电源与辅助电源等配电开关。
对系统工作影响较大的开关、断路器等配备了状态指示触点，触电信号输入到PLC内，方便及时向维护人员指示故障点。
PLC的CPU机架所在的
升级会员 