基于PLC控制的兩雙橋吊驅動器節能控制方式改造

蘇本知

（青島港灣職業技術學院，青島266404）

集裝箱岸橋是集裝箱裝卸船的專用起重機，布置于集裝箱碼頭前沿，主要包括起升機構、大車機構、小車機構和俯仰機構，并配有專用集裝箱吊具和減搖裝置。與其他的貨物裝卸相比，在裝卸作業時，集裝箱無論是對精度還是速度的要求都要高，這就要求集裝箱岸橋在電氣傳動控制及調速性能等方面的要求比一般港口起重機要高，以保證在集裝箱作業時快速、平穩、可靠。

近年來，由于變頻技術的飛躍發展與日趨成熟，特別是矢量控制技術和直接轉矩控制技術的應用，使變頻技術以其寬廣的調速范圍、較高的穩速精度、快速的動態響應以及能在四象限作可逆運行的性能位居交流傳動之首[1]。本文研究的某集裝箱橋吊電控系統，采用西門子可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和驅動器，為雙起升、雙小車結構（以下簡稱兩雙橋吊），相比于其他型號的橋吊，存在著能耗較大的問題。通過與節能效果較好的ABB（瑞典的阿西亞公司與瑞士的布朗勃法瑞公司，ASEA ＆BBC Brown Boven）電控系統橋吊對比，發現兩種橋吊驅動器控制存在差異，并進行了改造，實現了節能降耗的目的[2]。

1 原因分析

每臺兩雙橋吊的驅動器由2套主起升／大車機構、2套門架起升機構、1套主小車／俯仰機構、1套門架小車機構組成，共6套驅動器。每一套機構包括進線、濾波、整流、變頻4個部分。ABB電控系統的橋吊驅動器進線處安裝有主接觸器，斷開控制電源后，可以通過斷開主接觸器直接切斷驅動器的供電，杜絕驅動器濾波和整流單元空轉耗能，而西門子兩雙橋吊未安裝主接觸器，故造成驅動器空轉耗能較高[3]。如圖1所示。

圖1 西門子驅動器簡略示意圖

驅動器進線單元未安裝主接觸器，停止控制電源后，只是切斷了變頻單元，而驅動器內部濾波、整流單元處于工作狀態，消耗了大量的電能并轉換為熱能，同時，相應地冷卻風機也一直處于工作狀態，使能耗加大，這是造成能耗高的主要原因[4]。

2 改造方案

通過切斷斷路器，并修改相應控制程序，實現主司機室、門架司機室分開控制相應機構驅動器。當門架不動時，可以停止門架起升和門架小車驅動器的運行，以實現主小車裝卸船時能耗的減少；在橋吊不裝卸船時，可以停止對主起升和主小車驅動器供電，實現節能。材料方面，每臺橋吊需增加7個繼電器及50～60 m線纜，其他材料利用車上的備用器件。改造方案中，通過PLC程序的靈活運用，修改了使用程序的內部中間變量，減少了外部繼電器的用量，降低了材料消耗。

3 具體實施

3.1 硬件準備

（1）查找主司機室和門架司機室模塊備用點，查找控制柜備用按鈕，增加風機繼電器和風機控制繼電器，如圖2～4所示。

（2）利用備用的PLC輸出點和中間繼電器，進行外部電氣線路設計，外部接線原理圖如圖5～6所示。

圖2 備用按鈕

圖3 增加的風機接觸器

圖4 增加的風機控制繼電器

圖5 PLC外部接線

圖6 外部電氣線路

3.2 程序改編

（1）改造前的驅動器控制程序

改造前的驅動器合程序如圖7所示。在電氣房按下“驅動器合”按鈕，由驅動器控制所有的繼電器接通。

圖7 改造前驅動器合程序圖

改造前的驅動器斷程序如圖8所示。在電氣房按下“驅動器斷”按鈕，將關斷全部驅動器。

圖8 改造前驅動器斷程序圖

由于驅動器只能在電氣房控制，司機室無法操作驅動器的通斷，無法實現節能。

（2）改造后的驅動器控制程序

圖9為改造后的主司機室驅動器合程序；圖10為改造后的主司機室驅動器斷程序。送上驅動器，20 min內不準停；切斷驅動器后，10 min內不準連送；實現了連鎖，控制驅動器的通斷間隔時間。

圖11為改造后的門架司機室驅動器合程序；圖12為改造后的門架司機室驅動器斷程序。驅動器運行后，20 min內不準停；切斷驅動器后，10 min內不準再運行；實現連鎖，控制驅動器的通斷間隔時間。

圖9 改造后主司機室驅動器合程序

圖10 改造后主司機室驅動器斷程序

圖11 改造后門架司機室驅動器合程序

圖12 改造后門架司機室驅動器斷程序

圖13為改造后的主司機室控制的主起升1、主起升2和主小車驅動器閉合程序。

圖13 主司機室控制的主起升1、主起升2和主小車驅動器程序

圖14為改造后的門架司機室控制的門架起升1、門架起升2和門架小車驅動器閉合程序。

圖14 門架司機室控制的門架起升1、門架起升2和門架小車驅動器程序

圖15為改造后的驅動器斷控制程序。

圖15 驅動器斷控制程序

上述程序增加了主司機室和門架司機室的“驅動器合”、“驅動器斷”按鈕，并在程序上進行修改，實現主司機室“驅動器合”、“驅動器斷”按鈕通斷主起升、主小車驅動器；實現門架司機室“驅動器合”、“驅動器斷”按鈕通斷門架起升、門架小車驅動器。這樣，在電氣房就可以實現完全控制所有的驅動器。

在司機室可合、斷驅動器電源，程序中設計了部分聯鎖，防止司機誤動作。包括：① 若驅動器主電源不接通，則控制電不能接通；② 若合上驅動器，則20 min內不能停驅動器；③ 若斷開驅動器，則10 min內不能再接通驅動器。

圖14為門架司機室控制合指示和驅動器控制狀態聯鎖程序[5]。

圖16 門架司機室控制合指示和驅動器控制狀態聯鎖程序

圖17為門架司機室“驅動器合”帶燈指示按鈕程序。

圖17 門架司機室“驅動器合”帶燈指示按鈕程序

圖18為風機延時斷開程序。斷開控制電源后驅動器風機再工作12 min，充分散熱，保護電子元件（見圖17中T768）。在天氣潮濕和高溫季節，若不工作，則增加一段程序，使風機每2.5 h接通一次（見圖17中T769），10 min后再斷開（見圖17中T770），這樣可有效除濕和降溫，最大限度地保護電器元件。

圖18 風機延時斷開程序

4 結 語

本文修改了某集裝箱橋吊電控系統中驅動器的控制程序。通過切斷斷路器，實現主司機室、門架司機室分開控制相應機構驅動器。門架不動時，可以停止門架起升和門架小車驅動器的運行。在橋吊不裝卸時，停止對主起升和主小車驅動器的供電。經過一段時間的使用，節能效果非常顯著。單就電氣房內環境溫度而言，就發生了很大變化。通常，電氣房內空調溫度設置在22℃。未改造前，只用主小車作業時，電氣房內門架驅動器附近溫度可達33℃，盛夏時節甚至達到40℃；改造后，停止門架驅動器電源，門架驅動器附近溫度維持在空調設置溫度。說明改造消除了驅動器的空轉能耗，改造是成功的。同時，也降低了空調壓縮機的運轉頻率，實現了節能。在電氣房，當維修人員需要檢修驅動器時，還可以實現控制全部驅動器的通斷。

[1] 葛學民.電機與拖動[M].濟南：山東科學技術出版社，2009：252－254.

[2] 趙婉瑩.集裝箱裝卸橋yaskawa電控系統分析研究與遠程監控技術[D].上海：上海海運學院，2000：23.

[3] 葛建民.港口電氣控制[M].南京：南京大學出版社，2009：114－136.

[4] 陶 權.變頻器應用技術[M].廣州：華南理工大學出版社，2007：8－12.

[5] 陳瑞陽.西門子工業自動化項目設計實踐[M].北京：機械工業出版社，2009：59－61.