港口裝船機PLC與變頻控制技術分析

劉巖

（秦皇島港股份有限公司第六港務分公司，河北 秦皇島 066000）

裝船機是一種用于干散貨裝船的大型港口機械，一般由皮帶機、尾車、門架、俯仰裝置、塔架等部分組成。裝船機對碼頭的正常運行來說非常重要，主要負責將散料運輸到船艙中。但是，目前裝船機的工作環境十分惡劣且存在著大量的安全風險，因此，通過PLC和變頻技術能夠提高設備的穩定性并降低工作難度。

1 PLC技術應用策略

1.1 PLC設置控制系統

港口裝船機利用PLC技術能夠對裝船機進行遠程集控，操作員不必再依靠視覺來觀察裝船機的實際工作狀態，利用PLC技術進行系統設置需要完成以下幾個方面。

（1）需要安裝一套無死角的視頻監控系統，幫助操作員進行遠程實時監控。在每臺裝船機上設置18個高清攝像頭，并覆蓋裝船機的行走部位、溜筒、拋料彎頭、臂架、電纜、尾車等重點位置進行監控。監控攝像機的性能需要滿足IP67的防護等級和200萬的高清像素，同時，也要有紅外線夜視功能，保證24小時都能夠提供監控服務。監控系統中所有的攝像頭都需要單獨供電，通過以太網與視頻網交換機聯系起來，將最終獲取的視頻信息接入硬盤中進行儲存。同時，在操作員的集控室安裝視頻解碼設備，保證操作員能夠順利查看視頻。

（2）利用PLC技術設置空間定位系統，設置空間定位系統的目的就是獲取裝船機的位置信息，并通過定位掌握裝船機的位置移動信息以及伸縮位置、俯仰角度等實際作業信息。在每臺裝船機上設置相應的空間定位設備，將設備連接到空間定位系統中。以某港口裝船機的空間定位系統為例，主要設置兩套互相補充的定位系統。一套系統是RTK-GNSS差分衛星定位系統，在衛星定位系統中需要在裝船機上安裝移動站位置檢測設備，并選擇雙線模式，依靠位置天線和定向天線對裝船機的位置和姿態進行測算。此衛星定位系統能夠接收大部分該港口裝船機的信息，但是，存在部分數據誤差，在經過修正后能夠得到更加精準的數據。裝船機上設置的移動位置檢測設備可以直接輸入所在的位置、角度以及定位數據，最后，通過以太網將這些數據上傳到PLC技術系統當中，PLC根據衛星定位系統提供的數據，結合裝船機的實際結構和尺寸計算出裝船機的實際定位和姿態信息。另一套系統是編碼器定位系統，需要在裝船機上選擇恰當的位置安裝俯仰、溜筒、行走、伸縮4個編碼設備。這里安裝的編碼應當選用編程技術和可靠性高的設備，要保證防護等級達到IP67，且能夠適應不同的工作環境。由于當前港口受工業污染以及環境因素的影響，所以工作環境比較復雜也比較惡劣，選擇合適穩定的編碼器能夠保證數據傳輸的安全性和穩定性。在接口處用絕緣性聯軸器與主機連接，并采用專門的接頭器和接線盒，在這種情況下，編碼器幾乎不會出現死機、數據異常等情況。

為了避免出現過多誤差，在使用前要對編碼器的配置進行校對，矯正時將RFID讀寫頭安裝到裝船機的行走部位上，并通過以太網與PLC技術連接，在工作軌道上安裝相關的標簽，統一每15m一個的密度安裝。在其他部分的編碼器矯正時，主要采用磁性開關完成校對。通過這兩個系統的互相補充和完善，能夠使得PLC控制系統獲取更加高質量的位置信息。

1.2 PLC實施安全保護

實施安全保護是進入正常工作的前提，當前裝船機的日常工作面臨著很多安全風險，很多操作人員的人身安全無法得到保證，利用PLC技術能夠設置安全保護系統保證操作人員和裝船機的安全。

（1）設置綜合防撞保護系統，在行走、溜筒、臂架等部位設置防撞監控設備，對裝船機實時發生的碰撞預警信息反饋給PLC技術系統，每當防撞監控系統發現裝船機與船只、異物以及其他物品的距離小于設定的安全距離時，系統就會自動開啟限速設置甚至停機。在防撞系統中主要設置了兩級位置警告，當小于一級距離時，防撞系統會提醒進行限速設置。當小于二級距離時，防撞系統禁止運行或其他運動，以此避免發生碰撞。防撞系統主要是PLC技術系統與雷達系統互相協作實現的，能夠獲得鄰船以及其他物品的位置信息，并計算相隔距離，避免因為距離過近而發生碰撞危險。

（2）設置無線遙控保護系統。無線遙控保護系統是一種對裝船機進行緊急停機的保護系統，能夠在緊急情況下及時做出停機處理。在無線保護信息系統中，包括無線急停接收設備和遙控器，通過接收設備和遙控器之間的相互協作，能夠向PLC技術系統傳遞急停信息，并進行遠程控制。無線急停接收設備主要安裝在裝船機上，再將輸出的信號接入PLC技術系統，通過急停遙控器完成對現場裝船機進行急停控制。在無線急停接收器發現安全隱患時，就會向PLC技術傳遞信號，由PLC程序控制裝船機緊急斷電并做出停機處理。地面遙控器發出急停指示后，無線接收器會產生信號變化，變化后的信息會先儲存到裝船機的PLC技術系統中，通過工業以太網傳輸到總部的PLC技術系統實現對裝船機的控制，并通過這一工作過程測試無線急停遙控裝置是否處于正常的工作狀態中。

（3）設置遠程急停保護。這一保護系統是無線急停系統的第二層保護，將通過集控室的急停按鈕對裝船機的狀態進行控制。這一系統主要通過“硬線”完成對裝船機的遠程急停控制，將集控室的急停按鈕發出的信息通過觸點接入PLC技術遠程控制站，通過中控PLC系統實現對程序的控制。除此之外，還可以通過“軟線”傳遞急停信息對裝船機發出急停指令。這兩條線路是相互獨立又相互補充的，共同工作能夠保證裝船機工作的安全性，能夠有效避免裝船機出現失控的狀態，或是因為失控狀態而出現安全問題。

（4）設置通信信息中斷的應急保護系統。裝船機在工作狀態下，可能會因為出現信息斷聯導致狀態失控，這種通信系統一旦出現通信中斷的問題，就會直接移除裝船機的所有工作動作。因此，通過PLC技術設置通信中斷保護系統，通過PLC技術的組態設置，在出現通信中斷情況時能夠由PLC系統匯報故障而做出停機的指令，同時，依靠系統中的其他部分實現暫時的通信供應，通過這種手段能夠對裝船機的通信系統進行有效保護。

（5）設置監控預警系統。這一系統與監控系統有一定的聯系，但在主要功能上又有著很大的不同，監控預警系統主要通過檢測裝船機的信號以及信號的變化趨勢，通過分析信號的變化趨勢來判斷裝船機是否存在安全隱患，并及時做出預警和應急處理。在這一系統中，主要包括急停系統失靈監測預警、超速監測預警、電纜卷盤異常監測預警以及裝船機動作異常監測預警。

2 變頻技術的應用策略

2.1 實現智能變頻驅動

在裝船機上使用變頻技術主要是采用智能控制變頻驅動設備完成的，在每個裝船機上建立PLC控制系統與各機構變頻驅動系統之間基于專用通訊網絡的數據交互，兩者共同合作，在通信網絡外又實現硬線的連鎖。每臺裝船機都可以實現智能控制和對數據的采集，最后通過光纖環網來將控制器獲取的信息連接到機上PLC站點，由機上PLC實現智能變頻控制。

智能變頻驅動主要就是依靠單機控制完成的，基于多傳感器融合數據對變頻驅動系統實現精準通知，在裝船機工作的過程中根據實際工作速度、輸出轉矩等，調節變頻器輸出頻率，改變實際裝船機的運行速度，保證裝船機能夠始終以高效又安全的狀態運行。因為，如果裝船機使用輕載的狀態運行會導致能源浪費，而裝船機使用超載狀態運行時會對裝船機本身的質量產生影響并出現安全問題。因此，當裝船機處于額定功率運行時，能夠保持最佳的工作狀態，這樣不僅能夠減少能源浪費，還能夠保證工作效率和工作的安全度。具體裝船機的工作電機功率，如表1所示。

表1 裝船機工作時的電機功率

2.2 利用變頻技術實現節能降耗

影響裝船機工作耗能的主要因素有電動機的功率和工作效率，由于負荷率和效率之間的聯系，電動機的損耗存在不變和可變兩種部分，當電機的負荷率較小時，出現可變損耗的可能性就較小，如果電機的負載是從0開始產生，會使得整體的損耗速度比較慢。如果不變損耗與可變損耗相等，電機的工作效率會達到最大。想要利用變頻技術實現節能降耗，主要是通過變頻器驅動電機完成節能，主要有以下幾個途徑：

（1）降低啟動時的通過電流，變頻器在完成啟動工作時，往往會將啟動電流控制在額定電流的兩倍以內，在這種情況下，同樣也能夠保證啟動轉矩在額定轉矩的1.5倍以上，因此，利用變頻器驅動電機不僅能夠滿足裝船機的載重啟動要求，還能夠實現在啟動時降低耗能。一般來說，在裝船機的工作中應用變頻器降低啟動電流能夠節約大概2%的電能，同時，也能夠在一定程度上提高工作效率。

（2）通過變頻器驅動裝船機運行，不采用傳統的液力耦合器。利用變頻器驅動能夠有效提高系統的工作效率，也能夠減少耗電量，一般能夠節約8%左右的電能。

（3）通過變頻器調節輸出的頻率，利用變頻器調整裝船機實時的運行狀態，在電機長時間運行時，通過變頻器進行調節，不僅能夠提高電機的運行效率，還能夠起到節能的作用。

2.3 PLC與變頻相連接

PLC與變頻器連接成信息網絡后，不僅需要在PLC系統中進行自動化編程，還需要對變頻器的相關參數進行設置適應實際工作需求，連接通信電纜后，能夠在變頻器啟動后對各項通信參數進行校正。這種信息網絡不依賴任何一個生產廠家，同時，也能夠適應各種不同的工作環境和設備實現高效率的信息交換。在目前大部分工程當中使用PLC與變頻器，大多通過非常簡單的方式連接，應用起來也比較方便，但是，在實際應用時，依舊存在一些問題。

（1）開關指令的輸入是否能夠完成。在變頻器中能夠輸入的信號包括運行、正傳、微轉、反轉等狀態的信號模式，變頻器主要是通過繼電器接點或晶體管完成與PLC的連接，以此得到運行指令，但是，在實際工作中，常會出現繼電器接觸不良導致的誤動作。在使用連接晶體管時，應當注重晶體管自身的電壓和電流容量是否能夠應對正常信息傳輸需求，保證信息傳輸系統的穩定性和安全性。

（2）數值信號的輸入常會出現偏差，變頻器中存在一些如頻率和電壓的數值指令輸入，主要由數字輸入和模擬輸入兩種類型組成。在使用PLC控制信息時，由于CPU處理數據需要一定的時間，所以會存在PLC信息處理延遲，因此，在實際工作中，將兩者連接時應當注意考慮時間誤差。

3 結語

通過PLC技術與變頻控制技術相結合，不僅能夠實現對各類裝船機進行遠程控制，還能夠保證裝船機運行過程中的工作效率和工作安全性。目前，很多港務公司都開始紛紛利用這一技術，明顯改善了現有裝船機在惡劣的工作環境中的工作效率，也減輕了操控人員的工作壓力，提高了工作安全性。