港口装船机PLC与变频控制技术分析

刘岩

（秦皇岛港股份有限公司第六港务分公司，河北 秦皇岛 066000）

装船机是一种用于干散货装船的大型港口机械，一般由皮带机、尾车、门架、俯仰装置、塔架等部分组成。装船机对码头的正常运行来说非常重要，主要负责将散料运输到船舱中。但是，目前装船机的工作环境十分恶劣且存在着大量的安全风险，因此，通过PLC和变频技术能够提高设备的稳定性并降低工作难度。

1 PLC技术应用策略

1.1 PLC设置控制系统

港口装船机利用PLC技术能够对装船机进行远程集控，操作员不必再依靠视觉来观察装船机的实际工作状态，利用PLC技术进行系统设置需要完成以下几个方面。

（1）需要安装一套无死角的视频监控系统，帮助操作员进行远程实时监控。在每台装船机上设置18个高清摄像头，并覆盖装船机的行走部位、溜筒、抛料弯头、臂架、电缆、尾车等重点位置进行监控。监控摄像机的性能需要满足IP67的防护等级和200万的高清像素，同时，也要有红外线夜视功能，保证24小时都能够提供监控服务。监控系统中所有的摄像头都需要单独供电，通过以太网与视频网交换机联系起来，将最终获取的视频信息接入硬盘中进行储存。同时，在操作员的集控室安装视频解码设备，保证操作员能够顺利查看视频。

（2）利用PLC技术设置空间定位系统，设置空间定位系统的目的就是获取装船机的位置信息，并通过定位掌握装船机的位置移动信息以及伸缩位置、俯仰角度等实际作业信息。在每台装船机上设置相应的空间定位设备，将设备连接到空间定位系统中。以某港口装船机的空间定位系统为例，主要设置两套互相补充的定位系统。一套系统是RTK-GNSS差分卫星定位系统，在卫星定位系统中需要在装船机上安装移动站位置检测设备，并选择双线模式，依靠位置天线和定向天线对装船机的位置和姿态进行测算。此卫星定位系统能够接收大部分该港口装船机的信息，但是，存在部分数据误差，在经过修正后能够得到更加精准的数据。装船机上设置的移动位置检测设备可以直接输入所在的位置、角度以及定位数据，最后，通过以太网将这些数据上传到PLC技术系统当中，PLC根据卫星定位系统提供的数据，结合装船机的实际结构和尺寸计算出装船机的实际定位和姿态信息。另一套系统是编码器定位系统，需要在装船机上选择恰当的位置安装俯仰、溜筒、行走、伸缩4个编码设备。这里安装的编码应当选用编程技术和可靠性高的设备，要保证防护等级达到IP67，且能够适应不同的工作环境。由于当前港口受工业污染以及环境因素的影响，所以工作环境比较复杂也比较恶劣，选择合适稳定的编码器能够保证数据传输的安全性和稳定性。在接口处用绝缘性联轴器与主机连接，并采用专门的接头器和接线盒，在这种情况下，编码器几乎不会出现死机、数据异常等情况。

为了避免出现过多误差，在使用前要对编码器的配置进行校对，矫正时将RFID读写头安装到装船机的行走部位上，并通过以太网与PLC技术连接，在工作轨道上安装相关的标签，统一每15m一个的密度安装。在其他部分的编码器矫正时，主要采用磁性开关完成校对。通过这两个系统的互相补充和完善，能够使得PLC控制系统获取更加高质量的位置信息。

1.2 PLC实施安全保护

实施安全保护是进入正常工作的前提，当前装船机的日常工作面临着很多安全风险，很多操作人员的人身安全无法得到保证，利用PLC技术能够设置安全保护系统保证操作人员和装船机的安全。

（1）设置综合防撞保护系统，在行走、溜筒、臂架等部位设置防撞监控设备，对装船机实时发生的碰撞预警信息反馈给PLC技术系统，每当防撞监控系统发现装船机与船只、异物以及其他物品的距离小于设定的安全距离时，系统就会自动开启限速设置甚至停机。在防撞系统中主要设置了两级位置警告，当小于一级距离时，防撞系统会提醒进行限速设置。当小于二级距离时，防撞系统禁止运行或其他运动，以此避免发生碰撞。防撞系统主要是PLC技术系统与雷达系统互相协作实现的，能够获得邻船以及其他物品的位置信息，并计算相隔距离，避免因为距离过近而发生碰撞危险。

（2）设置无线遥控保护系统。无线遥控保护系统是一种对装船机进行紧急停机的保护系统，能够在紧急情况下及时做出停机处理。在无线保护信息系统中，包括无线急停接收设备和遥控器，通过接收设备和遥控器之间的相互协作，能够向PLC技术系统传递急停信息，并进行远程控制。无线急停接收设备主要安装在装船机上，再将输出的信号接入PLC技术系统，通过急停遥控器完成对现场装船机进行急停控制。在无线急停接收器发现安全隐患时，就会向PLC技术传递信号，由PLC程序控制装船机紧急断电并做出停机处理。地面遥控器发出急停指示后，无线接收器会产生信号变化，变化后的信息会先储存到装船机的PLC技术系统中，通过工业以太网传输到总部的PLC技术系统实现对装船机的控制，并通过这一工作过程测试无线急停遥控装置是否处于正常的工作状态中。

（3）设置远程急停保护。这一保护系统是无线急停系统的第二层保护，将通过集控室的急停按钮对装船机的状态进行控制。这一系统主要通过“硬线”完成对装船机的远程急停控制，将集控室的急停按钮发出的信息通过触点接入PLC技术远程控制站，通过中控PLC系统实现对程序的控制。除此之外，还可以通过“软线”传递急停信息对装船机发出急停指令。这两条线路是相互独立又相互补充的，共同工作能够保证装船机工作的安全性，能够有效避免装船机出现失控的状态，或是因为失控状态而出现安全问题。

（4）设置通信信息中断的应急保护系统。装船机在工作状态下，可能会因为出现信息断联导致状态失控，这种通信系统一旦出现通信中断的问题，就会直接移除装船机的所有工作动作。因此，通过PLC技术设置通信中断保护系统，通过PLC技术的组态设置，在出现通信中断情况时能够由PLC系统汇报故障而做出停机的指令，同时，依靠系统中的其他部分实现暂时的通信供应，通过这种手段能够对装船机的通信系统进行有效保护。

（5）设置监控预警系统。这一系统与监控系统有一定的联系，但在主要功能上又有着很大的不同，监控预警系统主要通过检测装船机的信号以及信号的变化趋势，通过分析信号的变化趋势来判断装船机是否存在安全隐患，并及时做出预警和应急处理。在这一系统中，主要包括急停系统失灵监测预警、超速监测预警、电缆卷盘异常监测预警以及装船机动作异常监测预警。

2 变频技术的应用策略

2.1 实现智能变频驱动

在装船机上使用变频技术主要是采用智能控制变频驱动设备完成的，在每个装船机上建立PLC控制系统与各机构变频驱动系统之间基于专用通讯网络的数据交互，两者共同合作，在通信网络外又实现硬线的连锁。每台装船机都可以实现智能控制和对数据的采集，最后通过光纤环网来将控制器获取的信息连接到机上PLC站点，由机上PLC实现智能变频控制。

智能变频驱动主要就是依靠单机控制完成的，基于多传感器融合数据对变频驱动系统实现精准通知，在装船机工作的过程中根据实际工作速度、输出转矩等，调节变频器输出频率，改变实际装船机的运行速度，保证装船机能够始终以高效又安全的状态运行。因为，如果装船机使用轻载的状态运行会导致能源浪费，而装船机使用超载状态运行时会对装船机本身的质量产生影响并出现安全问题。因此，当装船机处于额定功率运行时，能够保持最佳的工作状态，这样不仅能够减少能源浪费，还能够保证工作效率和工作的安全度。具体装船机的工作电机功率，如表1所示。

表1 装船机工作时的电机功率

2.2 利用变频技术实现节能降耗

影响装船机工作耗能的主要因素有电动机的功率和工作效率，由于负荷率和效率之间的联系，电动机的损耗存在不变和可变两种部分，当电机的负荷率较小时，出现可变损耗的可能性就较小，如果电机的负载是从0开始产生，会使得整体的损耗速度比较慢。如果不变损耗与可变损耗相等，电机的工作效率会达到最大。想要利用变频技术实现节能降耗，主要是通过变频器驱动电机完成节能，主要有以下几个途径：

（1）降低启动时的通过电流，变频器在完成启动工作时，往往会将启动电流控制在额定电流的两倍以内，在这种情况下，同样也能够保证启动转矩在额定转矩的1.5倍以上，因此，利用变频器驱动电机不仅能够满足装船机的载重启动要求，还能够实现在启动时降低耗能。一般来说，在装船机的工作中应用变频器降低启动电流能够节约大概2%的电能，同时，也能够在一定程度上提高工作效率。

（2）通过变频器驱动装船机运行，不采用传统的液力耦合器。利用变频器驱动能够有效提高系统的工作效率，也能够减少耗电量，一般能够节约8%左右的电能。

（3）通过变频器调节输出的频率，利用变频器调整装船机实时的运行状态，在电机长时间运行时，通过变频器进行调节，不仅能够提高电机的运行效率，还能够起到节能的作用。

2.3 PLC与变频相连接

PLC与变频器连接成信息网络后，不仅需要在PLC系统中进行自动化编程，还需要对变频器的相关参数进行设置适应实际工作需求，连接通信电缆后，能够在变频器启动后对各项通信参数进行校正。这种信息网络不依赖任何一个生产厂家，同时，也能够适应各种不同的工作环境和设备实现高效率的信息交换。在目前大部分工程当中使用PLC与变频器，大多通过非常简单的方式连接，应用起来也比较方便，但是，在实际应用时，依旧存在一些问题。

（1）开关指令的输入是否能够完成。在变频器中能够输入的信号包括运行、正传、微转、反转等状态的信号模式，变频器主要是通过继电器接点或晶体管完成与PLC的连接，以此得到运行指令，但是，在实际工作中，常会出现继电器接触不良导致的误动作。在使用连接晶体管时，应当注重晶体管自身的电压和电流容量是否能够应对正常信息传输需求，保证信息传输系统的稳定性和安全性。

（2）数值信号的输入常会出现偏差，变频器中存在一些如频率和电压的数值指令输入，主要由数字输入和模拟输入两种类型组成。在使用PLC控制信息时，由于CPU处理数据需要一定的时间，所以会存在PLC信息处理延迟，因此，在实际工作中，将两者连接时应当注意考虑时间误差。

3 结语

通过PLC技术与变频控制技术相结合，不仅能够实现对各类装船机进行远程控制，还能够保证装船机运行过程中的工作效率和工作安全性。目前，很多港务公司都开始纷纷利用这一技术，明显改善了现有装船机在恶劣的工作环境中的工作效率，也减轻了操控人员的工作压力，提高了工作安全性。