Gkdq5

港口装卸机械电气控制技术 [10481~2] Created by Kairry

下篇港口装卸机械电气传动与控制
第五章岸边集装箱起重机电气设备

应用在码头前沿的岸边集装箱起重机是港口集装箱装卸设备主要设备之一。其装卸能

力和运行速度直接决定了码头的作业生产率。所以，其起升、小&大车运行、俯仰等各机

构的电气驱动与控制系统至关重要。按功能划分，电控系统主要包括岸桥供电、变频器

电力驱动、PLC 控制、CMS 监控系统。

5.1 岸桥供电系统

一、供电方式

我国港口的供电系统，依据港口规模的不同，大型港口一般设总降压变电所从地区电

力网接受 35KV 或 110KV 的高压电能，经降压为 6～10KV 级的高压配电，再由配电线送

到各前沿变电所，由其向各岸桥供电。

滑触线供电（较少采用）

外接电网供电

电缆供电（普遍使用）卷盘式和卷筒式

岸桥供电方式

岸桥（须配置供油系统）

柴油发电机供电

（可与外接电源组合使用）码头（固定或移动）

电缆卷盘电缆拖放入槽

岸桥供电系统框图如下


二、供电系统的无功功率补偿

对于供电系统，生产活动中的绝多数负荷都是感性负载。港口供电系统也不例外，其

主要用电设备——岸桥（感应式电动机、变压器、电磁制动器等）同样是具有感性特性。

即除需从电网吸取有功功率外，还需从电网获得相当数量的无功功率，以产生这些设备

能正常工作所必需的交变磁场。无功功率的取用过大必至供电系统的功率因数降低，这

会带来怎样的影响呢？简单地说，对供电企业和供电用户会同时受损。
在功率三角形中，有功功率 P 与视在功率 S 的比值，称为功率因数 cosφ

P
cos j =
P + Q 2
2

举例就用户而言，将 1000KVA 变压器的功率因数从 0.8 提高到 0.98 时，前者：

1000×0.8=800KW；后者：1000×0.98=980KW，同样一台 1000KVA 的变压器，功率因数

改变后，它就可以多承担 180KW 的负载。相当于节省了 180KW 负荷的电费。

再举例就供电而言，110KV 线路，传输电阻 12Ω。S=5000j0(KVA)，即此时负荷功率

因数 cosφ=1，如负荷功率因数下降到 0.9 时，功率损失计算如下：

S P 2 + Q 2 5000 2
cosφ=1 时，S=5000j0（KVA）, DP = I 2 R = ( ) 2 R = R= ´ 12 = 24.8( KW )
U U2 2
110

5000 2 + 2400
2
cosφ=0.9 时，S=5000j2400（KVA）, DP = 2
´ 12 = 30.5( KW )
110

同样传输 5000KW 的有功功率到用户端，用户负荷功率因数由 1 降到 0.9 时，供电部门要

多损失 30.524.8=5.7KW, 损失增长率达 23%。

所以功率因数是供电部门非常在意的一个参数。用户如果没有达到规定的功率因数，

相对地就是在变相地无偿消耗供电部门的资源，这也是为什么功率因数是一个法规的限

制的原因。目前，国内规定功率因数是必须介于电感性的 0.9～1 之间，低于 0.9 时需要


接受处罚。

由此可见，如何提高港口供电系统功率因数是必须考虑的问题。

功率因数分为瞬时功率因数、自然功率因数和加权平均功率因数。

瞬时功率因数：是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。是任一瞬时平均功率与

视在功率之比。瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻

在变化。

自然功率因数：是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本

身所具有的功率因数。

加权平均功率因数：是指在一定时间段内功率因数的平均值，其计算公式为
W
P
cos j =
WP 2 + WQ 2

可见提高功率因数的方法有两种：提高自然功率因数和进行人工补偿。

① 提高自然功率因数：从设备选择和运行方式上采取措施减少其无功功率需求量，来提

高自然功率因数。如合理选择感应电动机，使其额定功率与负载相匹配；合理分配变

压器负荷，使其在最佳负荷状态下运行；合理安排和调整工艺流程，改善机电设备工

况；控制感性设备的空载运行时间；尽可能使用同步电动机代替感应电动机等。

② 人工补偿：装配专门的无功功率补偿装置。常用的电力电容器，也称并联电容器、移

相电容器、静电电容器等。

教材 P245 的举例是 ZPMC 对其早期产品（采用 SCR 调速系统）所做的功率因数动态补偿

和高次谐波滤除的处理措施。不失为一个人工补偿的实例。这里不作细述。

由于现代岸桥都采用变频调速，（Active Front End）
AFE 主动前端驱动器（整流/回馈）

的应用使这一问题已得到很好的改善。

下面以 SIEMENS 的 Simovert MasterDriver 为例作简单介绍。

事实上通用变频器大都为电压型交-直-交变频器。三相交流电首先通过二极管不控整


流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调

的交流电给电动机供电。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以

在工业中获得广泛应用。

但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速

电梯、高层建筑用升降机、油田磕头机、轧钢机等，港口装卸机械也不例外。因为这些

系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于

再生发电状态。由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧

滤波电容上，产生泵升电压。过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会

破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作。德国西门子公司率先推出了解决电机四象限

运行变频器方案—AFE（Active Front End）主动前端驱动器。

从结构上看，由于采用了 IGBT 功率元件，所以它相当于一个逆变器，不同的是其

输入为交流，输出为直流，因为它位于电源进线侧，所以被称为前端。取主动的含义在

于：与传统的二级管或可控制硅整流技术相比，主动前端不再是被动地将交流转变成直

流，而是具备了很多主动的控制功能。它不仅能消除高次谐波，提高功率因数，而且不

受电网波动的影响，具有卓越的动态特性。

AFE 整流/逆变器在交—直

流环节采用自关断器件

IGBT 作为功率器件的正弦

波 SPWM 控制技术。避免了

可控硅类功率元件的整流/

回馈单元逆变颠覆及波形畸

变等弊端。它可对交流电流

的大小和相位进行控制（高速矢量控制）
，并通过前端的各滤波、储能环节使交流输入电

流接近正弦波。能将直流母线电压保持在恒定的给定值上。既可以作为整流器工作，也


可用作逆变器工作，为电源侧的 4 象限运行。

由于 AFE 整流/逆变器前端的电压与电流波形均已滤波成正弦波形，电压与电流正弦

波形间的相位差角可以按需要在一定范围内设定，因此功率因数可调。

VSB 模块是 AFE 整流/逆变器的重要部件，它实时检测 AFE 整流器前端的进线电压

相位信号，其工作原理类似于编码器测量电机轴的角位移，作为控制的基本依据之一。

三、岸桥的供电系统保护装置

电气设备的绝缘损坏或线路发生故障时，都可能造成短路事故。很大的短路电流和电

动力冲击可能使电气设备损坏或引发人员伤害和财产损失等重大事故。因此要求一旦发

生短路故障时，控制电路应能迅速、可靠地切断电路进行保护，并且保护装置不应受起

动电流及干扰信号的影响而误动作。

岸桥的供电系统的保护装置主要有：熔断器、自动开关、继电保护。

熔断器价格便宜，断弧能力强，所以一般电路几乎无例外地使用它作短路保护。在供

电系统的一次和二次线路中都有应用。

自动开关又称自动空气熔断器，它有短路、过载和欠压保护。这种开关能在线路发生

短路故障时，其电流线圈动作会自动跳闸，将三相电源同时切断。主要应用在岸桥的低

压侧供电线路中。

继电保护装置用在岸桥供电系统的二次回路，具有对一次系统进行监测、控制和保护

等功能。过负荷时动作通常发出警示，以告知值班人员。而短路时动作迅速使一次高压


断路器跳闸，将故障部分线路切除。

岸桥的 10KV 供电系统包含一次和二次系统①。相较而言，一次系统简单直观，保护

设置和参数整定较容易。而二次系统要复杂许多，它包括众多的继电保护装置、自动装

置和二次回路。所以，岸桥的供电继电保护的关键在供电系统的二次系统。必须正确地

设置继电保护装置。

1）带时限的过电流保护（Time Overcurrent Protection）

按动作时间特性分为：定时限（speciffied time）和反时限（inverse time）过电流保护两种。

所谓定时限是指过电流保护动作时间按整定的动作时间固定不变，与故障电流大小无关；

反时限是指过电流保护动作时间与故障电流大小成反比。

左图为两相两继电器式定时限过电流保护接线与

原理图。此种接线，如果一次电路发生三相或任意

两相短路都至少有一个过电流继电器动作，从而使

一次电路的断路器跳闸。KT 是时间继电器用于预

定延时动作时间。
防止震动的偶然因素使 LJ
反时限过电流保护的接线与原理图如下常闭触点断开的跳闸误动
作

LJ 为反时限过电流继电器，它根据过电流的程度按反时限特性动作，且必须严格按“先

合后断”方式转换触点，否则，继电器将失电返回不起保护作用，且电流互感器二次侧

开路是绝对不允许的。

①
变电所中承担输送和分配电能任务的电路称一次电路（回路）
。凡用来控制、指示、监测和保护一次设备运行的电路

称二次电路（回路）。


2）电流速断保护（Current Quickbreak Protection）

继电保护的基本要求有三点：可靠性、选择性和快速性。即无故障无误动作；只切除故

障部分的线路以免影响其它线路的供电；短路故障发生时，跳闸动作要迅速，以免使线

路和电气设备遭受过大的短路电流冲击而损坏。而实现这个基本要求的方法就是时间原

则和电流原则。

而由上述的带时限过电流保护有一个明显的缺陷：越靠近电源的线路过电流保护，其

动作时限越长。而实际上越靠近电源的短路

电流，其值越大，危害也越严重。这是相矛

盾的。故 GB500621992 规定，在过电流保

护动作时间超过 0.5~0.7s 时，应装设瞬动的

电流速断保护装置。

电流原则就是采用电流速断动作电流的特

殊整定值来保证保护的选择性。即电流速断保护的动作电流 Iqb
（速断电流），应按躲过它
(3)
所保护的线路末端的最大短路电流（三相短路电流 I d.max）来整定。如上图示例中，前一

段线路 11 末端 d1 点的三相短路电流实际上与后一段线路 12 首端 d2 点的三相短路电
(3) (3)
流差不多相等（距离很近）。1DL 的速断电流 Iqb.1DL 只有躲过 I d1，才能躲过 I d2，防止

d2 点故障时 1DL 动作。

虽然这样实现了保护的选择性，但会存在下面的问题： 1-1 靠近末端的一段线路发生

的不一定是最大短路电流（如两相短路电流）时，电流速断 1DL 就不会动作，也就是说

电流速断保护不能保护线路的全长即存在保护“死区”
。所以，为弥补死区问题，规定凡

是装有电流速断保护的线路，必须配备带时限的过电流保护。其时限至少比电流速断保

护延长一个时间级差Δt=0.5~0.7s。且前后过电流保护的动作时限需按“阶梯原则”。

由此可见，在速断保护区内，速断为主保护，过电流为后备保护；在速断保护死区内，

过电流保护为基本保护。


5.2 岸桥电气系统实例说明

一、电源

供电电源：三相 10kVAC，50Hz。

起升/大车/小车/俯仰机构动力电源：三相 400 或 500VAC，50Hz。

辅助动力电源: 400VAC，50HZ 三相四线。

控制电源：220、110VAC，50Hz 单相，24VDC。

照明电源：380/220VAC，50Hz。

二、主要电气设备

1）高压设备

高压进线柜——包括高压进线端子，高压负荷开关，柜面板上安装有电压表、电流表

及电源指示灯。柜内安装功率因数表、相序检测器及电度表（显示驱动机构耗电量）等。

高压动力配电柜——包括动力变压器用高压真空断路器及控制线路和继电保护装置。

柜面板上安装有电流表，操作按钮及电源指示灯。

高压辅助配电柜——包括辅助变压器用高压真空断路器及控制线路，柜面板上安装有

电流表，操作按钮及电源指示灯。

主变压器——三相电力干式变压器 2000KVA，
10000/500V, D/d 连接，提供主驱动电源。

辅助变压器——10000/400V，D/yn 三相四线，提供整机辅助机构、控制和照明电源。

2）电动机

起升 630kW×2 台、大车 17.3kW×20 台、小车 250kW、俯仰 250kW 等四大机构电动

机均采用变频交流电动机。

3）控制屏柜

· PLC 柜：PLC 控制器、各从站电源开关、通讯光缆接口、电子防摇接口等。

· 辅助柜：低压电源总开关、司机室电源开关、辅助机构（照明、风机、倾转、油

泵等）控制、应急装置等。


· 起升/大车驱动柜：提供起升/大车电机变频电源，还包括驱动器散热风机、电

机编码器输入接口等。

· 小车/俯仰驱动柜：提供俯仰/小车电机变频电源，还包括驱动器散热风机、电机编

码器输入接口等。

· 切换柜：分为小车/俯仰切换柜以及两个起升/大车切换柜共三部分，提供电机连线

铜排，负责电机电源的切换。

· 吊具控制柜：包括吊具控制电源开关、吊具油泵开关及吊具控制用继电器等。

· 吊具电缆卷筒柜：包括吊具电缆卷筒开关、变频器及控制继电器等。

4）操作站

①左操作台

按钮：导板上，导板下，小车浮点控制，电笛控制，总旁路。

带灯按钮：吊具归零，倾转角度设定，小车停车位置, 起升陆侧减速设定，吊具 20/40/45

英尺选择，中锁上升，中锁下降，中锁位置记忆等。

操作杆：可动作的导板选择，倾转动作。

选择开关：吊具回旋。

操作手柄：小车主令操作手柄。

②右操作台

按钮：紧停，控制关断，故障复位，开锁，闭锁，起升浮点控制。。

带灯按钮：控制合，顶轨/夹轮，松轮/松轮。

选择开关：喷淋/雨刮器开关，电子防摇，电子防摇校正，中锁伸缩。

操作杆：大车点动。

指示灯：大车锚定

操作手柄：起升/大车主令操作手柄。

③俯仰操作站


按钮：紧停，控制关断，故障复位，俯仰停止，指示灯测试。

选择开关：俯仰快速/慢速，俯仰手动/自动。

指示灯：俯仰水平, 安全钩进钩，俯仰应急制动器释放，紧停动作，故障指示。

带灯按钮：控制合, 俯仰上升，俯仰下降，安全钩抬钩，钩区投光灯控制。

④地面操作站

按钮：紧停, 控制关断, 故障复位，指示灯测试，总旁路，大车右行，大车左行，大

车右行点动，大车左行点动，走道灯控制。

钥匙选择开关：大车制动器与电缆卷筒旁路，电缆卷筒限位旁路。

带灯按钮：控制合，顶轨/夹轮，松轮/松轮，各投光灯控制。

指示灯：故障显示。

2 套起升驱动、大车驱动与起升驱动共用；
俯仰与小车机构共用 1 套 AFE。起升/大车、
俯仰/小车之间可切换。

SIEMENS 岸桥供电系统单线图

高压柜控制屏柜 PLC 柜


三、各机构运行过程

岸桥的四大机构运行及辅助机构运行是由 PLC 系统进行集中控制的。四大机构的运行

过程具有相同的程序。见下图。

通过 PLC 程序进行逻辑判断后，需将产生的运行命令和运行速度通过现

场总线传输给各机构的变频器，由变频器驱动电机实现机构的相应运行。

1）起升机构控制

起升机构由两套并行连接的变频驱动装置与机械传动装置组成（电机、减速箱）。运

行时采用电气同步方式，即两套起升变频器运行时同步。

电机与减速箱之间装设高速制动器（液压推杆盘式制动器），

为安全起见有些应还装设低速制动器（在卷筒侧）电机的非
。

输出轴端安装测速编码器和超速限位，在卷筒侧安装凸轮限

位及绝对值编码器。

起升机构的驱动器无论何时都必须提供满足重物起升或下降运行时所需的力矩，特别

是在制动器打开时，必须具有防下坠功能。在每次起动（不论上升或下降），变频器根据

对电机的自适应检测出所必须提供的力矩，提供一对应的电流给电动机并检测，若为真

则制动器释放，否则发出力矩输出失败信号。

驱动器的控制方式都是采用重载恒转矩控制；轻载恒功率控制。负载的检测是根据提

供的电流大小，通过数据通讯从变频器传至 PLC，经过计算比较得出发还变频器的速度


指令。

岸桥起升机构的运行过程分为海侧和陆侧，通过安装在大梁绞点处的电磁限位或由小

车位置编码器来检测鉴别。

起升机构通过司机室联动台上的起升手柄手动操作，

手柄的方向触点触发运行方向命令，手柄动作时，数字式

主令手柄通过绝对值光电编码器发送一个格雷码至 PLC

远程输入/输出模块。此信号通过 PLC 软件运算，被校准

为：对应手柄零位为 0、手柄最大为如 10000 的数，此数

值范围为10000 到+10000，与手柄编码器发送的格雷码数据一一对应，经过匀加减速运

算（加减速时间在程序中设定）后送到起升变频器。起升电机通过旋转编码器将电机转

速反馈给起升变频器，而将转速、电流、转矩等信号发送至 PLC，在 PLC 中进行运算，

再反过来控制电机，以期达到较佳控制效果。

2）小车机构控制

小车机构由一台 250kW 交流鼠笼式变频电机驱动。小车电机和俯仰电机由一套变频

器控制，为防止二个机构在同一时刻运行，采取先到先行原则（即先操作的机构先运行, 只

有当一个退出运行后, 另一个机构才能运行），

小车为平移机构故不需起升机构中的防下坠

功能。其为带 PG 的矢量控制但不带超速限位。

其它控制方式与前述相同。


3）大车机构控制
# #
大车行走机构由 20 台交流鼠笼式电机驱动（海、陆侧各 10 台）
。与起升 1 和 2 电机

共用两台变频器切换使用。同样采用先到先服务原则。同小车机构相似，大车行走机构

也是平移机构。

目前，国内大车机构的控制方式如下：

① 一般采用开环控制即可省去测速与位置编码器；故可采用不带 PG 的开环 V/F 控制。

② 一台起升变频器同时驱动海陆两侧大车电机，另一台后备；或两台起升变频器分别控

制海陆侧大车电机，如果其中一台故障则转为前一方式；

③ 可两地操作（司机室和地面操作站）；

④ 俯仰机构挂钩时，只允许慢速运行。

另外，大车电缆卷筒由两台力矩式电机拖

动，一台收揽电机，一台放缆电机，通过两台电机要使电缆一直保持张

紧的状态。电缆卷筒上有空缆、满缆限位。下侧有左右过紧限位，用来

限制电缆张紧程度。另外还有左右鉴别限位，用来判断大车行走方向。

4）俯仰机构控制

俯仰机构由一台 250kW 交流变频鼠笼式电机驱动，和小

车电机共用一台变频器，采取先到先行原则，为带 PG 矢量

控制。所以其控制方式与起升机构相似。岸桥停止作业时，

俯仰机构上抬至某角度后，俯仰安全钩会将俯仰机构挂住可

使钢丝绳放松。俯仰安全钩设有检测限位，可在程序中联锁。

5）吊具电缆卷筒机构控制

现代集装箱岸桥的起升速度都有很大提高，以往传统的电缆收放方式是在吊具上设置

电缆储缆框，这种吊具电缆卷取装置结构简单，吊具电缆依靠自重盘入储缆框并提供张

紧力,无需外部动力,但随着岸桥起升高度增加，尤其是吊具在钢丝绳牵引下快速升降的过


程中,由于吊具前后摆动或风大等原因，吊具电缆极易跑出喇叭口，从而造成电缆损坏，

甚至断裂，严重影响岸桥的性能与正常工作。因此，这种方式很难适应吊具的快速运动

和大风天气作业。

替而代之的是吊具电缆动力卷筒装置，它由驱动控制、减速器传动、电缆卷筒、卷筒

滑环和吊具电缆固定装置等组成。

驱动控制部分有两种方式

① 采用力矩电动机、磁滞联轴器、变频器控制方式。

磁滞联轴器：在两个相同直径的圆盘上，按照 NS 极交叉的方式安装磁铁。使用时，把两

个圆盘分别安装到主动轴和从动轴上，中间留有一定气隙。由于 A 磁体的 N 极吸引对面

B 磁体的 S 极，同时排斥 B 磁体两侧的 N 极，从而保证在一定力矩范围内，从动轴与主

动轴保持同步转动。

实际工作中，真正 NS 相对的状态，只存在于无力矩输出的状态下。只要有力矩产生，

从动盘就会与主动盘存在一定的相位夹角。这种角向的错动，一直保持并增加到力矩足

够大到 N 极与对面的 N 极相对，然后传动器发生“打滑” 两个转盘旋转错动，跳向下
，

一对耦合状态。由于上述特性，磁力传动虽然可以做到同步，但是不能实现精密的同步

传动。这种平面性传动器，结构简单，安装时对两个轴的同轴度要求不高。由于采用平

面相吸的原理，因此气隙越小，扭矩越大。但同时，在磁场的作用下，轴向力(互相吸引)

也成正比变化。轴向力是平面型传动器的主要缺点。另外，由于传递的扭矩大小与圆盘

面积有关，因此，限于尺寸的原因，这种传动器的扭矩通常较小。而具有较大扭矩的采

用教材 P259 所示的同轴型（最大扭矩可达几千 N.m）


② 直接力矩控制式——由直接力矩控制器、鼠笼电机、制动器组成。

需根据卷筒卷绕工作时各种变化的参数（如电缆单位重量、卷绕量、吊具加减速度及

停止位置等）与设定的参考信号值比较，计算出电机最佳的输出扭矩和转速值来进行控

制。其驱动力矩可以全程无级连续调节，且用起升高度这一变量对电缆张力不断地进行

修正。使得作用在电缆上的拉力几乎恒定且最小，使起升机构突然启动时，系统无冲击

现象；起升机构减速时也没有电缆过度松弛的现象。从而延长了电缆的使用寿命并大大

提高了卷绕系统的可靠性。

类似的还有大车电缆卷盘系统。

四、岸桥保护系统

岸桥上有一套完整的保护系统。一是各设备自身带有的继电保护（硬保护）；另一是

由 PLC 的逻辑控制功能所实现的检测保护（软保护）
。两种保护同时作用保证了岸桥的极

高可靠性和连续运行能力。

1）整机控制保护

① 电气保护岸桥一般都具有以下电气保护

· 岸桥总电源开关有失压保护；

· 所有电源开关均有过载及短路保护；

· 各类电机均有短路、过流和缺相保护；

· 维修开关带漏电保护

② 零位保护

必须先将控制手柄置于零位时，才能送控制电源。

③ 过温保护

电气房、变频器、电机均设有温度传感器进行过温保护。

④ 大风保护

在梯形架上安装一套风向风速测量仪。在司机室装有指示、报警器。


n 风 >16m/s 灯光报警；n 风到达 20m/s 时，声光报警、四大机构不能工作；

n 风 >20m/s 大车轮制动、提供岸桥安全保护。

⑤ 控制系统保护

岸桥的整机控制电源都设有电源继电器（UVA），将诸如极限限位、超速限位、变压

器过热、PLC 故障等均串如其控制回路中。各机构正常时，按复位按钮可使 UVA 吸合，

四大机构可正常运行。按急停按钮可使 UVA 断开，停止各机构运行。在岸桥多处设有急

停按钮。

2）四大机构联锁保护

这些保护由电动机端部的相对值编码器、卷筒侧的绝对值编码器、机械凸轮限位等完成。

① 起升机构的限位保护

· 上升停止限位起升最高点

· 上升终点前减速限位起升高速自动减速

· 陆侧下降终点前减速限位陆侧下降高速自动减速

· 陆侧下降停止限位陆侧下降的停止位（可设定）

· 海侧下降终点前减速限位海侧下降高速自动减速

· 海侧下降停止限位吊具下降的最低点

· 门框下横梁高度限位防止吊具带箱作业时碰到门框下横梁。

起升机构的联锁保护

· 上升极限位置限位（重锤式）吊架冲顶（超过停止位，凸轮限位和位置编码器同

时失灵）切断控制电源。作为故障处理，须按极限旁路按钮方可复位。

· 吊具与起升机构的联锁限位由 PLC 完成。

· 超速限位设定为起升机构最高工作转速的 115%，动作于控制回路，须复位重启。

· 超负荷保护装设重量传感器检测起升负荷。设定 110%额定负荷，动作于报警及

停止上升操作。


· 挂舱保护采用电子防挂舱保护装置，动作于吊具上升动作。

吊具在舱内上升的过程中可能发生挂带现象——挂舱，控制系统切断电源后，机械系

统尚存有巨大惯性能量，可能将使与之相关联部件损坏。另外，超负荷保护指令通常在

超负荷延时 2s 才发出（考虑到可能的虚假冲击超负荷）。但若真是很大的超负荷，2s 的

延时却极可能引发事故，故又设置 120%额定负载的瞬动超负荷保护。尽管如此，如果此

时发生的是挂舱故障或吊具冲顶故障或是吊具没有解锁，由于速度很快，仍然会导致起

升钢丝绳拉力和起升负荷急剧增加，危及岸桥安全。故必须采取挂舱保护措施，限制钢

丝绳拉力的增加值。早前使用较多的是液压防挂舱装置。

② 小车机构的限位

· 海陆侧终点停止限位（机械式）及编码器设定的终点停止位置。

· 海陆侧终点前减速限位（接近式）
。

· 小车横行海侧梁内侧限位（编码器设定）和海陆侧鉴别限位。

· 海陆侧终点极限停止限位（机械式），作为故障处理。

· 司机室通道门联锁限位。门未关，小车不允许运行。

· 防风锚定限位。

③ 大车机构的联锁

· 轮边制动器限位（松开时允许大车动作）
。

· 防风锚定限位

· 红外线防撞减速限位

· 减速限位及停止限位（机械式）


· 电缆卷盘限位（满槽/空槽等信号）

· 导缆架左右限位（电缆过紧信号）

④ 俯仰机构的限位

· 前大梁上升终点与水平终点停止限位（凸轮式）与编码器的设定同时起保护作用。

· 前大梁上升终点与水平终点停止前减速限位（凸轮式）。

· 前大梁上升终点停止限位（机械式），安全钩抬钩时使用。

· 安全钩抬起限位（机械式）。

· 钢丝绳过松限位（设在梯形架滑轮组的下方），动作时俯仰动作停止。

· 前大梁俯仰上升终点极限限位（机械式）
，防止上升终点极限失效。属故障限位。

· 前大梁钩区位置联锁限位（挂钩完毕信号）
。

俯仰机构的联锁

· 超速保护（离心式开关）俯仰速度超过额度值 15%时紧急制动，重启须复位。

· 与另三大机构联锁（挂钩后，起升只能空载低速运行、大车只能低速行驶、小车不

能运行。

五、变频器的保护

变频器自身有丰富的异常故障显示及保护功能，保护功能动作于变频器跳闸并显

示故障代码及记录故障信息。常见的保护功能有：过电流保护、过载保护、欠压保护、

过压保护及接地保护等。见 P264。

六、电气原理图

1、符号表


2、四大机构主回路


小车/俯仰主回路与起升/大车相类似。

3、控制系统原理图

为防止高压或变压器部分发生故障，可采用来至码头的应急电源给岸桥应急供电。但

两线路决不能同时接入。故辅电开关 NCB 与岸电开关 SCB 须机械联锁和电气联锁。


① 电源分配图


② 主控系统图

UVA（AC UnderVoltage）主控系统

实际上就是岸桥四大机构运行允许。由 10 个急停开关常闭触点、2 个超速开关常闭触

点串联于 UVA 线圈回路组成。UVA 吸合，其触点闭合，110V 电源 AC3 才能输出。

急停开关的另一常闭触点接入 PLC，由程序检测其通断。R7（复位）、R8（合闸）由

PLC 程序控制模块输出，同时动作。

HGSP（Hoist/Gantry Stop Relay）控制系统

起升、大车停止继电器一旦断开，起升与大车即无法运行。

TBSP（Trolley/Boom Stop Relay）控制系统

俯仰、小车停止继电器一旦断开，俯仰与小车即无法运行。

需要说明的是，四大机构的制动均采用 380V 电动机带动液力推杆式制动器。起升 4

个、小车 2 个、俯仰 1 个、大车 20 个。


PLC 停止信号

应急起升控制

起升极限限位

变频器故障信号
应急起升控制

变频器故障信号

旁路继电器

PLC 停止信号

俯仰应急控制
前行极限限位
上升极限限位

小车应急控制

俯仰、小车应急控制

变频器故障

后行极限限位


③ PLC 控制系统图

前面曾给出了 PLC 控制系统方框图，
由于各部分图比较多，此处从略， P281~P291。
见

④ 制动器控制原理图

该岸桥采用电动液力推杆式制动器，根据实际工况需要，起升机构的两套装置装有 4

个制动器、小车机构装有 2 个、俯仰机构 1 个、大车须 20 个，共计 27 套。

制动器由制动架和相匹配液压推力器两大部分组成(左图)。制动

架由制动瓦块、主弹簧、制动臂、杠杆等组成。液压推力器的上

部为一个小型电动机，下部为离心式油泵，油泵的活塞与其上部

的推杆相连。

当电动机旋转后带动油泵，油泵产生油压推动塞，连同推杆一起向上移动，通过制动器

推杆和杠杆等机构使制动瓦块动作而达到松开的目的；当电动机断电停止旋转时，靠主


弹簧使活塞、推杆向下移动，通过杠杆和制动臂等机构使制动瓦块动作而达到制动的

目的。

上图起升机构的每个制动器都有释放限位监测其动作状况，限位信号反馈给 PLC 系

统（限位信号都为常开触点，触点在限位动作后闭合）。变频器通过接触器控制推杆制动

器的动作，接触器的动作信号再反馈给变频器。如果制动器的释放限位信号或接触器的

反馈信号与制动器的实际动作命令不符，系统立即进行安全停车。在制动器限位释放信

号回复之前，起升动作被禁止。另外、起升制动器还配有盘式应急制动器，由 PLC 控制。

4、应急控制系统

当变频器发生故障时，可通过应急电机临时驱动起升、小车、俯仰三大机构。为此设

置应急控制系统。

由应急控制原理图可知，应急驱动只能运行除大车外的三大机构，均由同一台电机提

供动力，由控制回路的选择开关控制哪一机构运行。

应急起升和俯仰运行时，必须先打开低速制动器，

低速制动器也是液力式，由接触器 HBHBC 控制，故其

必须吸合，等液压达到一定值后，低速制动器打开，制

动器释放限位 HYDRE/BYDRE 动作，等待运行。

由于传动是电动机通过链条—齿轮箱直接拖动。故

须有链条感应限位信号 HCLH、BCLH、TCLH 以判断

哪一机构驱动部分安装到位。


主开关

热保护


5、辅助控制系统

主要包括吊具倾转机构、吊具电缆卷绕机构、大车卷缆机构的控制系统。

① 吊具倾转机构控制原理图

在上篇第一章里我们了解到吊具的倾转动作是为方便吊具对箱而设的功能。实现该功

能的基本原理是通过微量收放 4 根起升钢丝绳的长度来获得的。

倾转机构通常设在前大梁头部，多数由 3 套独立的倾转装置来完成前后倾、左右倾和

水平回转 3 个动作。倾转装置有电动、液压两种方式。

采用电动方式的主要由螺杆传动装置、滑轮组、重量传感器及托辊等组成。螺杆传动

装置由带制动器电机、减速器、螺杆组成。

倾转动作状态表（1~3#倾转装置、A~E 螺杆移动方向、 R1~R4 吊具上架滑轮）

1# 2# 3# R1 R2 R3 R4 动作
A C F ↓ ↑ ↓ ↑ 前倾
B D E ↑ ↓ ↑ ↓ 后倾
A C E ↓ ↓ ↑ ↑ 左倾
B D F ↑ ↑ ↓ ↓ 右倾
A D 微松微松左旋
B C 微紧微紧右旋

可见通过三套螺杆六个不同方向的运动，就可实现吊具的三种倾转动作。需要指出的

是，位于小车上的起升钢丝绳前后滑轮的间距比吊具上的前后滑轮的间距大，所以吊具

上前后两根钢丝绳之间形成一个三角形的夹角，两根钢丝绳分别有一个向前或向后的分

力。正是由于这个偏角，当钢丝绳微量伸缩时，使吊具实现水平回转运动。

由控制原理图，三台倾转电机的正反转实现三套倾转螺杆六个方向的动作，每个螺杆


均设有终点停止限位；且在减速箱低速侧装有绝对值编码器，设置倾转机构的中点和

终点，引入到 PLC 程序中，实现倾转的自动归零和停止功能。编码器终点先于机械终点，

构成二级保护。

② 吊具电缆卷绕控制系统

吊具电缆卷绕装置有单排多层和多排单层两种形式，由于其所带负载是吊具电缆（位

能性），不受主起升负荷的影响。故多采用一套相对独立的起升机构来控制。本教材所举

ZPMC 制造的卷盘装置采用由一台变频器输出至两台并列连接的异步电动机驱动方式。

变频器速度控制信号 4~20mA，由岸桥主 PLC 给出。下放位能时，电动机处于发电运

行状态，故必须外接制动电阻强制消耗。电气控制原理图见 P305。


从上面电气控制原理图可见，该系统虽采用 PLC+变频器控制方式，但并没有转速或

卷绕量的检测装置，故它只是跟随主起升运行的开环控制方式。


③ 大车卷缆装置控制系统

大车卷缆的控制方式与吊具卷缆控制类似，除上面所述变频器驱动控制方式外，还有

采用磁滞联轴器直接驱动方式。本例为较简单的后者。所用卷绕电机 2 台，其后部安装

制动盘，制动线圈为 DC200W/1A，通过电流检测器，将制动状态信号送人岸桥 PLC。导

缆机构设 4 个限位开关，分别用于方向判别和电缆过紧限位。

卷缆时电机运转，卷盘收缆；放缆时电机不转，依靠磁滞联轴器的磁滞力保持电缆具

有一定的张紧力放缆。电气控制原理图见 P312，这里从略。

七、岸桥 PLC 程序分析

前面已提及到有多种 PLC 程序设计语言，如最常用的梯形图（LAD）顺序功能图
、（SFL）

及语句表（STL）等。在其他课程里，有专门这方面知识的学习，本课程仅简要举例说明。

岸桥 PLC 是其控制系统的中枢，程序涉及岸桥的各个工作机构。这里仅举两例以窥之。

① UVA 控制合程序

主控系统即所谓“控制合”，是岸桥各项运行准备工作就

绪的状态，各变频器等待指令运行。其流程图见右。

程序中须注意两个重要的条件：

四大机构运行指令手柄零位；

四大机构制动器处于制动状态。

完成该任务的是 ALCMOFF 程序，见下图。


UVA 继电器的吸合标志着“控制合”的完成。所以在主控系统中，其吸合与否至关重

要。为此，程序中设置 UVA 故障检测环节，以确认该事件。

② 先到先行程序

在 H/G、T/B 驱动中，都采用了共用变频器驱动方式，驱动哪一机构由 PLC 控制程序

完成，即所谓“先到先行服务”程序。下面以 T/B 为例予以说明，H/G 与此相似。

由程序图可见，运用 PLC 内部的 RS 触发器来实现该功能。


当出现 Boom 运行请求，FCFSB 置 1，俯仰主接触器吸合，变频器驱动俯仰机构。

当出现 Trolley 运行请求，FCFSB 置 0，小车主接触器吸合，变频器驱动小车机构。

显见，只有当一个机构停止时，另一个机构的运行请求才被响应。

用 FCFSB 信号构建 TBSP 控制程序，前面已说明 TBSP 对小车/俯仰机构运行极为重要。

TBSP 不吸合，小车/俯仰机构就无法运行。所以也设置 TBSP 故障检测 TBSPFL，这一点

与前面所述的 UVA 相类似。

本课程内容讲解到这里。

思考题
1、简述目前岸桥的供电方式？对于岸桥不同的拖动方式，港口供电系统如何考虑哪些主要问题？
2、什么是 AFE？请说明其工作原理和特点？
3、简单说明港口供电系统的继电保护原则。
4、集装箱岸桥有哪些主要电气设备？设有哪些保护？
5、简述集装箱岸桥四大机构运行过程，并用图表示。
6、读懂 ZPMC 岸桥电气图，说明 ‘防下坠’‘UVA’‘防挂舱’
、、 ‘先到先行’‘倾转控制’解决什么问题？如何实
、
现？
7、经过本课程的学习，你感觉哪方面收获更大些？

同学们

尤其同学的父辈们感谢！让大家能聚在这一课堂一起学习的人们！

祝同学们取得好成绩，丰富宝贵的学习经历！

Gkdq5

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (12)

Viewers also liked

Viewers also liked (20)

Similar to Gkdq5

Similar to Gkdq5 (20)

More from kairry

More from kairry (15)

Recently uploaded

Recently uploaded (7)

Gkdq5