PLC及變頻器在港口起重設備上的應用

摘要：目前，PLC、變頻器以及一些新型電氣元器件已經廣泛運用到港口起重機上，電氣可靠性得到了提高，故障率大大降低，改善了港口起重機的性能，維修起來非常方便。文章分析了PLC、變頻器及周邊電氣器件在港口起重機上運用的選型依據和體會，以提高系統的可靠性。

關鍵詞：PLC；變頻器；電氣元器件；港口起重設備；設備故障；電氣可靠性 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP217 文章編號：1009-2374（2015）28-0054-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.026

可編程邏輯控制器（PLC）在20世紀80年代中期即在我國推廣使用。目前，PLC、變頻器以及一些新型電氣元器件已經廣泛運用到港口起重機上，電氣可靠性得到了提高，故障率降低，大大地改善了港口起重機的性能，維修也變得非常方便。泰州港運集團公司在較早時期采用PLC技術對起重機的控制電路進行改造。當時選用的是日本三菱公司的F1系列PLC，輸入輸出點（I/O）為20～60點，最多可擴展到120點。該機為整體結構，輸入輸出點固定為3∶2。CPU是MCS51系列單片機，主頻和內存都很小，最多允許編程1000步，用簡易編程器編程，這是早期產品。隨著計算機技術的日新月異，PLC也在不斷發展，現在模塊化結構的PLC，輸入輸出模塊配置都很靈活，其中采用通訊組件、主從站結構的模塊的PLC，配置更加靈活。簡單介紹如下：這是一種類似新型彩電I2C結構的技術，即僅由兩根線組成：一根串行時鐘線；一根串行數據線。結構如圖1所示：

這種結構對有行走機構的起重機，如橋吊、門機、臺架式起重機特別合適，可減少很多條控制線和中心受電器的環數，實際線路變得很簡潔。例如泰州楊灣港區一期工程新安裝的10T門機即選用了這種結構，其型號為OMRON的CQM1型的PLC，主機安裝在司機室，從站安裝在各個電器控制單元中，司機室主機到機房控制柜的控制線6根就夠了。具體為2根AC220V控制電源線、2根DC24V控制電源線、2根通訊線。同樣，從司機室主機到大車行走控制柜的控制線經過中心受電器，中心受電器控制回路的環數也只要6道。但如不選擇這種模塊的PLC，則中心受電器控制回路的環數將多達23道，具體見表1：

這樣就使整個系統變得簡潔流暢，更重要的是提高了中心受電器這個電氣薄弱環節的可靠性，從而提高了整機的電氣可靠性。由此可見，這種主從站結構的模塊值得推廣介紹。同時，我們在PLC運用時的線路設計應摒棄傳統繼電器控制線路的模式，以便充分發揮PLC的優越性。例如，有人設計電動機的正反轉電氣聯鎖線路時，采用如圖2所示電路：

將副觸頭與線圈就近接線，這樣雖然達到聯鎖目的，線路也不長，但沒有充分利用PLC有輸入輸出故障顯示、全面控制的優點，降低了可靠性，增加了維修難度。如果將接觸器輔助觸頭作為PLC的輸入信號，在完成電氣聯鎖的同時，又能夠檢測系統工作情況，并通過顯示屏等顯示出故障點，非常有利于故障的發現與排除，如圖3所示：

今后PLC的發展方向除實現單機控制外，還有聯機功能，可將數據上傳給計算機，并與港口局域網相連，全面實現設備自動化管理。

我們在設備安裝了PLC以后，由于其固有的特點，也就對其周邊電氣器件提出了相應的要求，目前港口起重機廣泛使用的輸入電氣元件，如聯動臺、行程開關、過流繼電器等的副觸頭和接觸器付觸頭，其觸點容量大，體積也大。它們都是為分斷電壓AC500V、DC220V，電流5A左右即所謂強電而設計的，造成整個結構粗笨，司機操作不靈活，勞動強度較大。港口起重機使用PLC以后，由于PLC的輸入要求是電壓在DC24V以下，電流僅為5～20mA，即所謂弱電。它要求高靈敏度的觸點或無觸點的電子開關器件，因而聯動臺應選用結構精巧，觸頭靈敏的聯動臺。泰州港楊灣港區一期工程新建的40T-30M臺架起重機就大膽選用了這種新型聯動臺，操縱靈活，減少了勞動強度，可靠性很高，深得司機喜愛。常規行程開關、過流繼電器、中間繼電器等的常閉接點，接到PLC工作一段時間以后，觸頭表面易氧化，造成接觸電阻增大，弱電不能通過，產生誤動作。但在強電環境下，它們工作正常，沒有故障，所以國外有的PLC和變頻器的說明書上特別聲明，它們的輸入點須用高靈敏度的低壓繼電器。具體選用上，如行程開關，可廣泛選用無觸點的接近開關，它可直接與PLC聯結。中間繼電器等選高靈敏度的低壓繼電器。另外，PLC輸出容量較小，一般需要中間繼電器擴容，常規中間繼電器和小容量接觸器體積大，故障率較高。建議選用插座式，一對接點的專用繼電器，可減小體積，提高可靠性，而且更換方便。

下面我們談談有關變頻器運用的體會。集裝箱門式起重機的大小車機構選用變頻器控制，其優點明顯，已被人們接受。如楊灣港區一期工程35T-36M集裝箱門式起重機即采用這種設計。其精確的定位，在裝卸作業生產中得到了充分體現，大大提高了生產率，創造了很好的經濟效益。

門機、臺架式起重機將旋轉機構和大車行走機構合用一個變頻器控制，這也是一個巧妙的設計。這是因為旋轉機構和大車行走機構電機總容量相近，又不同時工作。以上機構選用變頻器控制后，有一個共同的特點：這些機構的負載不太大，變化范圍小，這就在省去了許多接觸器和電阻箱的同時，還可選用普通鼠籠電機。普通鼠籠電機比繞線式電機價格小得多，而較小容量的變頻器價格也不高。如此算來，在總投資增加不多的情況下，可取得較高的性能價格比。

起升機構選用變頻器，目前可能還不能被接受，因為投資額較大。但隨著集裝箱業務增加，大噸位貨種增多，現代起重機運行要求更加平穩，定位要求更加準確。在制動過程中必須自動接入平滑的電氣制動，制動器僅作為停止器使用。能耗制動、渦流制動都有其缺點，不能滿足要求。而近年來變頻技術飛躍發展，特別是矢量控制技術的應用，變頻技術日趨成熟。價格卻逐步下降，目前在0.5～1元/W左右。起升機構選用矢量控制技術的變頻器，再配以變頻電機（變頻電機的價格約是同容量普通鼠籠電機1.8倍，但低于繞線式電機），可滿足對調速硬度、低頻轉矩特性的要求。可以長時間低速運行，能有效防止重載空中溜鉤現象。空鉤或輕載工況的速度可大幅度提高，大大地提高生產率，并具有明顯的節能效果。

總之，起升機構選用變頻器，能夠節能，提高生產率，能延長起重機金屬結構的疲勞壽命及各傳動機構的使用壽命，減輕司機的勞動強度，因而性能價格比也比較高。以上就PLC及變頻器在港口裝卸機械設備上的應用，談了我們一點體會，新技術、新工藝、新材料的采用，對于提高港口裝卸機械的總體性能、改善工人的勞動強度、提高系統的可靠性都有實際意義。

作者簡介：姜霽虹（1973-），女，江蘇泰州人，江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院泰州分院助理工程師，研究方向：起重機械、電梯等特種設備檢測。

（責任編輯：陳 倩）