【文章內(nèi)容簡介】 過裝卸起重機(jī)將船上的集裝箱吊起，然后卸到碼頭，再參賽過集裝箱卡車將卸下來的集裝箱水平運輸?shù)蕉褕?，在堆場?nèi)按照貨物的種類、重量 和要求進(jìn)堆放。集裝箱裝船的過程與卸船相反。由此可見，集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)是由裝卸船作業(yè)、水平動輸作業(yè)和堆場作業(yè)3 部分組成的。圖 是傳統(tǒng)集裝箱裝卸系統(tǒng)的工作流程圖。 集 裝 箱 輪 船 岸 橋 起 重 機(jī) 集 裝 箱 卡 車現(xiàn) 場 調(diào) 度緩 沖 平 臺堆 場起 吊 中 轉(zhuǎn) 平 臺水 平 運 輸龍 門 起 重 機(jī) 圖 傳統(tǒng)集箱裝卸系統(tǒng)的工作流程圖 現(xiàn)在大多數(shù)碼頭的裝卸作業(yè)仍以傳統(tǒng)的勞動密集型作業(yè)為主，整個裝卸作業(yè)主要以人工操作為主，自動化程度低。從輪船裝卸集裝箱的起重機(jī)是單小車單吊具的集裝箱起重機(jī)，需要司機(jī)操作控制裝卸作業(yè)，吊具來回的空車時間較多，嚴(yán)重景響著裝卸效率。集裝箱卡車在碼頭和堆場之間的水平動輸往往對操作人員的要求較高，集裝箱卡車返回時的空車對能源利用效率的影響較大。在集裝箱卡車進(jìn)入堆場時，需要調(diào)度員對卡車進(jìn)行調(diào)度，合理分流集裝箱進(jìn)行堆放，工作效率不 高，越來越不適應(yīng)大型集裝箱輪船的裝卸。此外，集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)中的主要能耗大戶 —— 起重機(jī)通常是用柴油發(fā)電機(jī)供電的，在起吊集裝箱的過程中由于負(fù)載較大，發(fā)電機(jī)常常處于過負(fù)荷狀態(tài)。這將使得柴油發(fā)電機(jī)排氣管冒黑煙，不公污染環(huán)境，而且嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的使用壽命。另一方面，在下放集裝箱的過程中有一定的重力勢能，這部分勢能直接轉(zhuǎn)化成電能回饋給電網(wǎng)，這將引起變頻器直流母線產(chǎn)生泵升電壓，因此，通常采用電阻箱吸收這部能量，使其以熱能的形式散發(fā)掉，但這樣不利于能源的高效利用。 為適應(yīng)集裝箱吞吐量快速增長的需要和集裝箱船舶大型化的趨 勢，進(jìn)一步縮短船舶停泊時間，降低碼頭、船東及貨主的單箱成本，國內(nèi)外一些港口都在裝卸工藝方面進(jìn)行了探索，在裝卸船作業(yè)系統(tǒng)、水平運輸作業(yè)系統(tǒng)和堆場作業(yè)系統(tǒng)方面積累了豐富的經(jīng)驗。但是作為自動化碼頭，上述 3 個系統(tǒng)之間是相互關(guān)聯(lián)的，每一部分的運行都影響其他部分的正常工作，單個環(huán)節(jié)效率的提高對碼頭工作效率提高的影響并不顯著。因此，本設(shè)計提出在集裝箱裝卸上采用雙小車裝卸集裝箱，在水平運輸上用智能化小車來代替集裝箱卡車運輸集裝箱，在堆場作業(yè)上采用優(yōu)化管理方法進(jìn)行自動分流，從而對 3 個部分效率的增高都有江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計 9 促進(jìn)作用，全面實現(xiàn)碼頭自 動化作業(yè)。同時，本設(shè)計針對起重機(jī)提出了基于超級電容的控制系統(tǒng)，既可以減少廢氣的排放，又能夠儲存集裝箱在下放過程中產(chǎn)生的位能，供起重機(jī)起吊物進(jìn)使用，進(jìn)一步實現(xiàn)了自動化碼頭的高效節(jié)能。圖 為采用本設(shè)計的集裝箱自動化碼頭裝卸系統(tǒng)的工作流程圖。 集 裝 箱 輪 船 岸 橋 小 車 1 岸 橋 小 車 2速 度速 度小 車位 置壓 力小 車位 置壓 力緩 沖 平 臺 超 級 電 容堆 場起 吊 中 轉(zhuǎn) 平 臺水 平 運 輸軌 道 監(jiān) 測 模 塊 1軌 道 監(jiān) 測 模 塊 2龍 門 起 重 機(jī) 環(huán) 保 節(jié) 能 圖 自動化碼頭裝卸系統(tǒng)的工作流程圖 本次設(shè)計的目的和意義 在全球經(jīng)濟(jì)一體化的現(xiàn)代社會，各國之間的貿(mào)易活動越來越多，相應(yīng)的集裝箱運輸業(yè)也越來越發(fā)達(dá)，因此，碼頭自動化裝卸系統(tǒng)的研究對促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展 有著重大意義。在經(jīng)濟(jì)方面考慮，大型集裝箱輪船的誕生可以減少運輸成本，增加運輸?shù)陌踩?，適應(yīng)跨國公司的大運輸量。自動化碼頭的投入可以解放大量的勞動力，并極大地提高工作效率和能源使用效率。雖然自動化碼頭的先期投入成本較大，但從長遠(yuǎn)利益考慮，利大于弊。 從社會發(fā)展方面考慮，自動化碼頭的研究需要各方面專業(yè)人員共同參與，從而可以培養(yǎng)和鍛煉這方面專業(yè)人才。我國港口產(chǎn)業(yè)處于世界領(lǐng)先地位，自動化碼頭的成功研制有利于增強(qiáng)我國制造業(yè)的科技實力，增強(qiáng)我國的綜合國力。從科技發(fā)展方面考慮，自動化碼頭的研究需要各方面專業(yè)人員共同參與， 從而可以培養(yǎng)和鍛煉這方面的專業(yè)人士。我國港口產(chǎn)業(yè)處于世界領(lǐng)先地位，自動化碼頭的成功研制有利于增強(qiáng)我國制造業(yè)的科技實力，增強(qiáng)我國的綜合國力。 2 基于超級電容的節(jié)能 設(shè)計與 裝卸作業(yè)系統(tǒng) 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計 10 設(shè)計 設(shè)計 概述 超級電容是一種能蓄和瞬時充放電的特殊電容，它之所以有巨大的電容量，是由于超級電容是以將電荷分開的方式儲存能量的。儲存電荷的面積越大，電荷被隔離的距離越小，電容量越大。超級電容采用多孔碳基電極材料來儲存電荷，這種材料的多孔結(jié)構(gòu)使它每克重量的表面積可達(dá) 2021 ㎡。而超級 電容中電荷分隔的距離是由電解質(zhì)中離子的大小決定的，其值小于 10197。（ 1197。= m）。巨大的表面積加上電荷之間非常小的距離，使得超級電容有很大的電容量。一個超級電容的電容量，可以從 1F 至幾千法。 本系統(tǒng)正是利用超級電容快速充放電的特性來節(jié)能的，當(dāng)下放重物時，電動機(jī)工作在反向轉(zhuǎn)動狀態(tài)下，因此電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)運行，可通過回饋制動的方式將電能回饋到超級電容中。在直流母線端設(shè)計超級電容，把集裝箱下放過程中的勢能收集起來，在下一次提升集裝箱的過程中補(bǔ)充柴油發(fā)電機(jī)的供電，減少其負(fù)荷。這樣既可以回收集裝箱的勢能，又可以解決柴油 發(fā)電機(jī)冒黑煙的問題，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。傳統(tǒng)堆場起重機(jī)和采用超級電容的起重機(jī)的工作流程對比如圖 所示。 柴 油 發(fā) 電 機(jī)三 相 交 流 電 經(jīng)變 頻 器 后 傳 輸給 交 流 電 動 機(jī)負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 過 大 ，使 得 轉(zhuǎn) 速 過 低 ，柴 油 發(fā) 電 機(jī)過 負(fù) 荷 運 行柴 油 發(fā) 電 機(jī) 冒 黑煙 ， 污 染 環(huán) 境 ， 縮短 壽 命外 接 電 阻 以 能耗 制 動 形 式 降低 泵 升 電 壓直 流 母 線 端 產(chǎn)生 泵 升 電 壓集 裝 箱 下 放 （ a）傳統(tǒng)堆場起重機(jī)工作流程 集 裝 箱 下 放電 動 機(jī) 處 于回 饋 制 動 狀態(tài)直 流 母 線 端超 級 電 容 儲能超 級 電 容 補(bǔ)充 供 電集 裝 箱 起 吊柴 油 發(fā) 電 機(jī)供 電 (b)采用超級電容的起重機(jī)工作流程 圖 在三相電動機(jī)工作過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)差率 s0 時，電動機(jī)工作在提升重物階段，此時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略小于同步轉(zhuǎn)速；當(dāng)下放重物時，由于位能負(fù)載作用，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為負(fù)，異步電動機(jī) 由軸上輸入機(jī)械功率?；仞佒苿訒r，異步電動機(jī)的機(jī)械特性工作在第四象限，當(dāng)電動機(jī)的制動轉(zhuǎn)矩與負(fù)載位能轉(zhuǎn)矩平衡時，電動機(jī)立即穩(wěn)定運行。 異步電動機(jī)通過電磁感應(yīng)由定子向超級電容輸送電功率，處于發(fā)電狀態(tài)。 本系統(tǒng)設(shè)計中考慮到，由于一般單個超級電容的耐壓為 ，為了達(dá)到 680～ 700V 的江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計 11 耐壓，可將 450個超級電容串聯(lián)起來形成一個具有一定耐壓的大電容。系統(tǒng)將此電容同主回路連接在一起，通過兩個 IGBT 和續(xù)流二極管的并聯(lián)，形成相反方向的一對降壓斬波電路和升壓斬波電路。在重物下降過程中，電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)運行的回饋制動狀態(tài)必 然使直流母線上蝗電壓升高，當(dāng)該電壓升高到一定值時，通過電壓互感器檢測，觸發(fā)降壓斬波電路中的 IGBT，再由降壓電路將電能回送到并聯(lián)的 IGBT 中。在提升重物時，若直流母線電壓過低，則通過電壓互感器將超級電容中儲存的電能釋放出來，然后通過升壓電路提供給直流母線，與發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能一起用來提升重物。這樣在起重機(jī)起升電機(jī)的直流母線端通過升 、降壓斬波電路就實現(xiàn)了超級電容的充放電。 系統(tǒng)工作原理 圖 為采用超級電容的系統(tǒng)工作原理，超級電容通過雙向雙重 DC/DC 變換器與變頻器的直流母線相連，由單片機(jī)控制， 產(chǎn)生 PWM 信號，驅(qū)動雙向雙重 DC/DC 變換器，實現(xiàn)大電流快速充放電。針對充電與放電的特性不同，母線電壓和電容電壓也是時變參數(shù)，可采用不同的優(yōu)化控制策略。 圖 雙向雙重 DC/DC 變換器的作用是將超級電容的充、放電電路合二為一進(jìn)行儲能和釋能控制。圖 所示為非隔離型 Buckboost 雙向雙重 DC/DC 變換器，可作為超級電容的儲能變換裝置。每套電路采用一個電感實現(xiàn)雙向變換中的儲能，減少了占裝置主要重量的電感的重量，該 DC/DC 變換器為雙向雙重結(jié)構(gòu)，由 VT VD VT VD2 及 L1 構(gòu)成一套雙向變換電路，其中由 VT1 控制降壓變換， VT2 控制升壓變換；由 VT VD VTVD4 及 L2 構(gòu)成另一套雙向變換電路，其中由 VT3 控制降壓變換； VT4 控制升壓變換。兩套電路采用雙重化工作模式并聯(lián)運行。功率開關(guān)器件 IGBT 均采用 RCD 緩沖電路。當(dāng)降壓工作時，在 VT VD VT VD2 及 L1 構(gòu)成的雙向變換電路中， VT2 截止， VT1 以 PWM方式工作，變換器處于降壓工作狀態(tài)。此時，直流母線的電能通過 VT1 對超級電容充電，因此，處于降壓工作狀態(tài)的變換器等效于降壓變換器，相應(yīng)的電壓變換關(guān) 系為： ?DCUU α （式 21） 式中： DU 為直流母線電壓， CU 為超級電容端電壓， α 為 VT1 信號的占空比。當(dāng)升壓工作時，在上述電路中， VT1 截止， VT2 以 PWM 方式工作，變換器處于升壓工作狀態(tài)。此時，超級電容的電能通過 VD2 對直流母線放電，釋放能量。因此，處于升壓工作狀態(tài)的江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計 12 變換器等效于升壓變 換器，相應(yīng)的電壓變換關(guān)系為： CDUU =?1 （式 22） 式中：DU為直流母線電壓， CU 為超級電容端電壓， β為 VT2 的升壓比（ β=1α）。 圖 為雙向雙重 DC/DC 變換器工作原理圖 。圖 和圖 所示分別為單片機(jī)控制回路的組成和單 片 機(jī)控制系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu) 。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 8 M a y 2 0 1 0 S h e e t o f F i l e : F : \ P r o g r a m F i l e s \ D e s i gn E x p l o r e r 9 9 S E \ E xa m pl e s \ h e w e i \ 電路圖 . d d bD r a w n B y :V D1V D2L1L2V T 2V T 4V T 1V T 3V D4V D3UcU直流母線D 圖 雙向雙重 DC/DC變換器工作原理圖柴 油 發(fā) 電 機(jī)單 片 機(jī) 控 制 電 路超 級 電 容整 流 電 路電 動 機(jī)超 級 電 容 主 回 路逆 變電 路變 頻 器 直流 母 線控制 采集 圖 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計 13 雙 向 D C / D C變 換 器驅(qū) 動 電 路P W M 控 制電 流 調(diào) 節(jié)電 壓 調(diào) 節(jié)負(fù) 載采樣保持器電 流 檢 測電 壓 檢 測U i U oU g 圖 單片機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 電路設(shè)計 如圖 所示，一個 IGBT 和一個續(xù)流二極管配合使用，再加上旁路阻容吸收設(shè)備，這樣就構(gòu)成了升壓或降壓斬波電路的一個開關(guān)。阻容吸收的作用是這樣的：當(dāng)相應(yīng)的 IGBT關(guān)閉時，續(xù)流二極管工作，電源將不可避免地與二極管形成通路，系統(tǒng)設(shè)計了阻容吸收設(shè)備后， 電容就可以與續(xù)流二極管形成回路。在所設(shè)計的電路中有兩組這樣的開關(guān)，分別起到了升壓和降壓的作用。 圖 IGBT及其續(xù)流二極管 現(xiàn)在來分析一組開關(guān)的開關(guān)過程?，F(xiàn)將一組中的兩個 IGBT 分別標(biāo)為 T11 和 T12，則另外一組為 T21 與 T22，如 所示。當(dāng)下放重物時，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，并且回饋制動，此時IN 端輸入電能。當(dāng)電流經(jīng)過直線母線時，直流母線上產(chǎn)生了較高的電壓，可能達(dá)到 600V左右。位于直流母線上的電壓互感器 TA11 檢測到該電壓后，控制器產(chǎn)生脈沖信號，控制T11 工作。這時 T12 處于常通狀態(tài)。 當(dāng) T11 開通進(jìn)，負(fù)載端電壓為直流母線上的電壓 U，而 T11 關(guān)斷時，負(fù)載端電壓為零（此為降壓斬波過程），此時能在集裝箱下降時持續(xù)地給江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計 14 超級電容充電。 同理，當(dāng)提升集裝箱時，直