港口裝船機PLC與變頻控制技術(shù)分析

劉巖

（秦皇島港股份有限公司第六港務(wù)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(fù)責(zé)將散料運輸?shù)酱撝?。但是，目前裝船機的工作環(huán)境十分惡劣且存在著大量的安全風(fēng)險，因此，通過PLC和變頻技術(shù)能夠提高設(shè)備的穩(wěn)定性并降低工作難度。

1 PLC技術(shù)應(yīng)用策略

1.1 PLC設(shè)置控制系統(tǒng)

港口裝船機利用PLC技術(shù)能夠?qū)ρb船機進(jìn)行遠(yuǎn)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(tài)，利用PLC技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)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(jiān)控系統(tǒng)，幫助操作員進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。在每臺裝船機上設(shè)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(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控攝像機的性能需要滿足IP67的防護(hù)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(jiān)控服務(wù)。監(jiān)控系統(tǒng)中所有的攝像頭都需要單獨供電，通過以太網(wǎng)與視頻網(wǎng)交換機聯(lián)系起來，將最終獲取的視頻信息接入硬盤中進(jìn)行儲存。同時，在操作員的集控室安裝視頻解碼設(shè)備，保證操作員能夠順利查看視頻。

（2）利用PLC技術(shù)設(shè)置空間定位系統(tǒng)，設(shè)置空間定位系統(tǒng)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(yè)信息。在每臺裝船機上設(shè)置相應(yīng)的空間定位設(shè)備，將設(shè)備連接到空間定位系統(tǒng)中。以某港口裝船機的空間定位系統(tǒng)為例，主要設(shè)置兩套互相補充的定位系統(tǒng)。一套系統(tǒng)是RTK-GNSS差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在衛(wèi)星定位系統(tǒng)中需要在裝船機上安裝移動站位置檢測設(shè)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(tài)進(jìn)行測算。此衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠接收大部分該港口裝船機的信息，但是，存在部分?jǐn)?shù)據(jù)誤差，在經(jīng)過修正后能夠得到更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。裝船機上設(shè)置的移動位置檢測設(shè)備可以直接輸入所在的位置、角度以及定位數(shù)據(jù)，最后，通過以太網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)上傳到PLC技術(shù)系統(tǒng)當(dāng)中，PLC根據(jù)衛(wèi)星定位系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，結(jié)合裝船機的實際結(jié)構(gòu)和尺寸計算出裝船機的實際定位和姿態(tài)信息。另一套系統(tǒng)是編碼器定位系統(tǒng)，需要在裝船機上選擇恰當(dāng)?shù)奈恢冒惭b俯仰、溜筒、行走、伸縮4個編碼設(shè)備。這里安裝的編碼應(yīng)當(dāng)選用編程技術(shù)和可靠性高的設(shè)備，要保證防護(hù)等級達(dá)到IP67，且能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境。由于當(dāng)前港口受工業(yè)污染以及環(huán)境因素的影響，所以工作環(huán)境比較復(fù)雜也比較惡劣，選擇合適穩(wěn)定的編碼器能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性。在接口處用絕緣性聯(lián)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(xiàn)死機、數(shù)據(jù)異常等情況。

為了避免出現(xiàn)過多誤差，在使用前要對編碼器的配置進(jìn)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(wǎng)與PLC技術(shù)連接，在工作軌道上安裝相關(guān)的標(biāo)簽，統(tǒng)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(guān)完成校對。通過這兩個系統(tǒng)的互相補充和完善，能夠使得PLC控制系統(tǒng)獲取更加高質(zhì)量的位置信息。

1.2 PLC實施安全保護(hù)

實施安全保護(hù)是進(jìn)入正常工作的前提，當(dāng)前裝船機的日常工作面臨著很多安全風(fēng)險，很多操作人員的人身安全無法得到保證，利用PLC技術(shù)能夠設(shè)置安全保護(hù)系統(tǒng)保證操作人員和裝船機的安全。

（1）設(shè)置綜合防撞保護(hù)系統(tǒng)，在行走、溜筒、臂架等部位設(shè)置防撞監(jiān)控設(shè)備，對裝船機實時發(fā)生的碰撞預(yù)警信息反饋給PLC技術(shù)系統(tǒng)，每當(dāng)防撞監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)裝船機與船只、異物以及其他物品的距離小于設(shè)定的安全距離時，系統(tǒng)就會自動開啟限速設(shè)置甚至停機。在防撞系統(tǒng)中主要設(shè)置了兩級位置警告，當(dāng)小于一級距離時，防撞系統(tǒng)會提醒進(jìn)行限速設(shè)置。當(dāng)小于二級距離時，防撞系統(tǒng)禁止運行或其他運動，以此避免發(fā)生碰撞。防撞系統(tǒng)主要是PLC技術(shù)系統(tǒng)與雷達(dá)系統(tǒng)互相協(xié)作實現(xiàn)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(fā)生碰撞危險。

（2）設(shè)置無線遙控保護(hù)系統(tǒng)。無線遙控保護(hù)系統(tǒng)是一種對裝船機進(jìn)行緊急停機的保護(hù)系統(tǒng)，能夠在緊急情況下及時做出停機處理。在無線保護(hù)信息系統(tǒng)中，包括無線急停接收設(shè)備和遙控器，通過接收設(shè)備和遙控器之間的相互協(xié)作，能夠向PLC技術(shù)系統(tǒng)傳遞急停信息，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。無線急停接收設(shè)備主要安裝在裝船機上，再將輸出的信號接入PLC技術(shù)系統(tǒng)，通過急停遙控器完成對現(xiàn)場裝船機進(jìn)行急?？刂?。在無線急停接收器發(fā)現(xiàn)安全隱患時，就會向PLC技術(shù)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(fā)出急停指示后，無線接收器會產(chǎn)生信號變化，變化后的信息會先儲存到裝船機的PLC技術(shù)系統(tǒng)中，通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)娇偛康腜LC技術(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)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(tài)中。

（3）設(shè)置遠(yuǎn)程急停保護(hù)。這一保護(hù)系統(tǒng)是無線急停系統(tǒng)的第二層保護(hù)，將通過集控室的急停按鈕對裝船機的狀態(tài)進(jìn)行控制。這一系統(tǒng)主要通過“硬線”完成對裝船機的遠(yuǎn)程急?？刂?，將集控室的急停按鈕發(fā)出的信息通過觸點接入PLC技術(shù)遠(yuǎn)程控制站，通過中控PLC系統(tǒng)實現(xiàn)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(fā)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(xiàn)失控的狀態(tài)，或是因為失控狀態(tài)而出現(xiàn)安全問題。

（4）設(shè)置通信信息中斷的應(yīng)急保護(hù)系統(tǒng)。裝船機在工作狀態(tài)下，可能會因為出現(xiàn)信息斷聯(lián)導(dǎo)致狀態(tài)失控，這種通信系統(tǒng)一旦出現(xiàn)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(shù)設(shè)置通信中斷保護(hù)系統(tǒng)，通過PLC技術(shù)的組態(tài)設(shè)置，在出現(xiàn)通信中斷情況時能夠由PLC系統(tǒng)匯報故障而做出停機的指令，同時，依靠系統(tǒng)中的其他部分實現(xiàn)暫時的通信供應(yīng)，通過這種手段能夠?qū)ρb船機的通信系統(tǒng)進(jìn)行有效保護(hù)。

（5）設(shè)置監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。這一系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)有一定的聯(lián)系，但在主要功能上又有著很大的不同，監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)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(yù)警和應(yīng)急處理。在這一系統(tǒng)中，主要包括急停系統(tǒng)失靈監(jiān)測預(yù)警、超速監(jiān)測預(yù)警、電纜卷盤異常監(jiān)測預(yù)警以及裝船機動作異常監(jiān)測預(yù)警。

2 變頻技術(shù)的應(yīng)用策略

2.1 實現(xiàn)智能變頻驅(qū)動

在裝船機上使用變頻技術(shù)主要是采用智能控制變頻驅(qū)動設(shè)備完成的，在每個裝船機上建立PLC控制系統(tǒng)與各機構(gòu)變頻驅(qū)動系統(tǒng)之間基于專用通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互，兩者共同合作，在通信網(wǎng)絡(luò)外又實現(xiàn)硬線的連鎖。每臺裝船機都可以實現(xiàn)智能控制和對數(shù)據(jù)的采集，最后通過光纖環(huán)網(wǎng)來將控制器獲取的信息連接到機上PLC站點，由機上PLC實現(xiàn)智能變頻控制。

智能變頻驅(qū)動主要就是依靠單機控制完成的，基于多傳感器融合數(shù)據(jù)對變頻驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)精準(zhǔn)通知，在裝船機工作的過程中根據(jù)實際工作速度、輸出轉(zhuǎn)矩等，調(diào)節(jié)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(tài)運行。因為，如果裝船機使用輕載的狀態(tài)運行會導(dǎo)致能源浪費，而裝船機使用超載狀態(tài)運行時會對裝船機本身的質(zhì)量產(chǎn)生影響并出現(xiàn)安全問題。因此，當(dāng)裝船機處于額定功率運行時，能夠保持最佳的工作狀態(tài)，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(shù)實現(xiàn)節(jié)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(fù)荷率和效率之間的聯(lián)系，電動機的損耗存在不變和可變兩種部分，當(dāng)電機的負(fù)荷率較小時，出現(xiàn)可變損耗的可能性就較小，如果電機的負(fù)載是從0開始產(chǎn)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(dá)到最大。想要利用變頻技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能降耗，主要是通過變頻器驅(qū)動電機完成節(jié)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(nèi)，在這種情況下，同樣也能夠保證啟動轉(zhuǎn)矩在額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍以上，因此，利用變頻器驅(qū)動電機不僅能夠滿足裝船機的載重啟動要求，還能夠?qū)崿F(xiàn)在啟動時降低耗能。一般來說，在裝船機的工作中應(yīng)用變頻器降低啟動電流能夠節(jié)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(qū)動裝船機運行，不采用傳統(tǒng)的液力耦合器。利用變頻器驅(qū)動能夠有效提高系統(tǒng)的工作效率，也能夠減少耗電量，一般能夠節(jié)約8%左右的電能。

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

2.3 PLC與變頻相連接

PLC與變頻器連接成信息網(wǎng)絡(luò)后，不僅需要在PLC系統(tǒng)中進(jìn)行自動化編程，還需要對變頻器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置適應(yīng)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(shù)進(jìn)行校正。這種信息網(wǎng)絡(luò)不依賴任何一個生產(chǎn)廠家，同時，也能夠適應(yīng)各種不同的工作環(huán)境和設(shè)備實現(xiàn)高效率的信息交換。在目前大部分工程當(dāng)中使用PLC與變頻器，大多通過非常簡單的方式連接，應(yīng)用起來也比較方便，但是，在實際應(yīng)用時，依舊存在一些問題。

（1）開關(guān)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(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等狀態(tài)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(xiàn)繼電器接觸不良導(dǎo)致的誤動作。在使用連接晶體管時，應(yīng)當(dāng)注重晶體管自身的電壓和電流容量是否能夠應(yīng)對正常信息傳輸需求，保證信息傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

（2）數(shù)值信號的輸入常會出現(xiàn)偏差，變頻器中存在一些如頻率和電壓的數(shù)值指令輸入，主要由數(shù)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(shù)據(jù)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(yīng)當(dāng)注意考慮時間誤差。

3 結(jié)語

通過PLC技術(shù)與變頻控制技術(shù)相結(jié)合，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對各類裝船機進(jìn)行遠(yuǎn)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(wù)公司都開始紛紛利用這一技術(shù)，明顯改善了現(xiàn)有裝船機在惡劣的工作環(huán)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。