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摘要：起重机是散杂货码头最为主要的装卸装备，其被广泛应用到港口企业的现场施工作业之中。本文首先介绍了PLC变频调速技术，接着论述PLC变频调速在港口起重机中的应用。
关键词：港口起重机；PLC；变频控制；应用
中图分类号：TH2文献标识码： A
引言
港口起重机是目前散杂货码头主力的装卸设备，广泛运用于各港口的现场生产。据统计，绝大多数港口九十年代购买的起重机电气控制系统采用传统的接触器、继电器相关联控制方式，起重机各机构驱动电机采用转子串联切电阻的调速方式，这种老旧的电气控制系统结构复杂，控制精度低，效率低，能耗高，故障率高，稳定性差，同时对起重机机械结构震动损伤大。基于目前港口旧起重设备的机械结构仍能够满足装卸作业的要求，而其电气控制系统处于相对落后的状态，本文从旧门座式起重机的电气控制系统出发，通过分析旧起重机在使用中存在电气系统结构复杂，控制精度低，生产效率低、故障多、能耗高等问题，并针对这些具体问题重新设计旧起重机的PLC控制系统、变频调速系统，结合某港口的门座式起重机起升机构、变幅机构电气控制系统的改造，证实PLC控制技术和变频控制技术在旧起重设备电气控制系统中改造的可靠性、可行性，并对比旧起重机电气控制系统改造前后的性能状态、使用效果，通过港口生产检验得出门座式起重机改造后各机构运行平稳，机械震动冲击力明显减小，起重机作业的效率提高、电气故障显著减少，给目前港口相关起重设备电气控制系统升级改造提供参考。
1、PLC变频调速技术的简介
本部分首先对PLC的基本信息进行介绍，在此基础上，介绍PLC变频调速技术的主要优势所在。
1.1、PLC基本信息介绍
PLC即是我们日常中所说的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），PLC采用了一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，同时该存储器执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器硬件结构与微型计算机基本相同，也是由电源、中央控制器（CPU）、存储器（系统程序存储器和用户程序存储器）、输入输出接口电路、功能模块以及通信模块等部分构成。PLC的工作过程一般可以分为三个阶段，即输入采样阶段、用户程序执行极端和输出刷新夹断阶段等三个阶段。
1.2、PLC变频调速技术的优势
PLC变频调速技术可以降低能耗。起重机等各类电力设备存在于在社会经济生产活动的各行各业中，有着极为广泛的使用范围，传统的起重机在工作过程中消耗的电能数量巨大。而PLC变频调速技术可以改善这一现状，因此可以结合PLC变频调速技术对传统的起重机控制系统进一步的进行完善和改进，实现起重机在生产活动中的应用。在起重机控制系统中引入PLC变频调速技术可以解决了传统起重机在工作时的缺陷，可以有效的降低能耗，从而节约电能，既符合现在流行的环保观念，又实现了企业成本的降低。提升工作效率和工作水平，PLC变频调速技术在港口起重机控制系统的应用，使得起重机的电机负载不同，因此可以让起重器可以依据具体的工作环境，做出合适的改变；同时，PLC变频调速技术还可以提高起重机工作的精准程度，缩短起重机在工作过程所需要的间歇时间，最终提高起重机的工作效率。起重机控制系统中应用可编程逻辑控制器变频调速技术，也可以提高工作水平。
2、PLC变频调速在港口起重机中的应用
2.1、PLC选型
可编程控制器，，是专为工业控制场合的应用而设计的，经过数十年的发展由最初单一的逻辑控制发展成为集逻辑控制、运动控制、过程控制于一体或突出某一重点的综合型控制系统，是现代工业的三大支柱之一。随着PLC的广泛应用，其产品种类越来越多、功能越来越完善，其结构、性能、指令系统、存储容量、编程方法、价格等各不相同，有些甚至有很大的差别、应用场合也不完全相同。因此，结合控制系统具体应用的场合合理选择PLC，有利于提高控制系统的可靠性和经济技术指标。PLC选型的基本原则是:在满足生产或控制工艺的情况下，保证控制系统的可靠运行、维护方便以及最佳的性价比。本节将在第3章对控制系统的分析和总体设计的基础上对PLC进行选型.
2.1.1、结构选择
PLC按其结构可分为整体式和模块式，小型机常采用整体式，中、大型机常采用模块式。整体式PLC输入输出点数较少，适用于工作环境较好、工艺过程比较固定、控制较简单的场合。根据算的输入输出点数即可确定整体式PLC无法完成系统的控制要求，因此选用模块化PLC。
2.1.2、模塊化PLC可以通过使用端板或使用底板这两种方式组建:一、使用端板，各个功能模块自带插槽和插头，用于与端板或其它功能模块进行连接，GE系列PLC即使用端板进行组建；二、使用底板，将功能模块插在底板上。目前，主要的PLC生产商都提供有丰富的功能模块，用户可根据控制现场具体控制需求选择相应的模块，如开关量/模拟量输入输出模块、位置控制模块、温度控制模块、串行通信模块和用于组网的Ethernet模块等。相比整体式PLC，模块化PLC的控制功能更丰富、更强大，能够适应更加复杂的控制场合，且模块化PLC强大的组网能力使得其能与其它系统组建成更庞大的控制系统。
2.1.3、PLC模块选择
考虑到该门座起重机控制系统属于中型系统，而GE系列PLC具有多种输入输出模块以及丰富的CPU模块和高功能模块可供选择，可构成自动化控制和过程控制为一体的中大型控制系统，符合控制系统的要求，因此选用该系列PLC。
2.2、变频调速原理
变极调速通过改变交流电动机定子绕组的接法来改变磁极对数，进而改变定子旋转磁场的转速。变极调速的主要缺点有:一台电动机只能放两套绕组，一套绕组只能变化两种磁极对数，因此最多只能有四档速度；不管釆用哪一种接法，电动机的效率都会下降，无法使运行效果达到最佳；磁极对数的变化会造成临界转矩的变化，进而改变交流电动机的带载能力；通过改变定子绕组接法实现调速，加大了控制电路实现的复杂度。变转差率调速通过调整绕线式电动机转子电路的参数进行调速，有调压调速、转子串电阻调速、串级调速三种常用的调速方法。调压调速通过改变晶间管的触发角来改变电动机定子的外加电压实现对电动机的调速，其缺点是损耗较大，只适用于小容量的电动机。转子串电阻调速通过在转子回路中串联电阻实现对电动机调速，其损耗很大、效率较低，因而应用较少。串级调速将串电阻调速中消耗在电阻上的功率反馈到电网，并在转子电路上加上附加电势使其频率和转子感应电势频率相同。串级调速是节能型调速方式，在风机和栗类等传动电机上应用广泛。变频调速通过改变电动机的电压频率来改变电机转速，但是仅仅通过改变电源频率是不够的，因为频率参数的变化会对电动机的运行性能产生影响。所以，在变频调速时为了获得所需要的调速特性，通常还需要改变电动机的定子电压。
3、门座式起重机 PLC 运行调试
3.1、起重机起升机构调试
3.1.1、起升机构零位保护
起重机在起升机构工作前，起升操作主令控制器必须处于零位，PLC 控制系统才许可进入工作状态，否则起升机构不能操作运行。
3.1.2、起升机构上升运行
当起重机起升机构主令控制器执行起升动作时，起升机构开闭、支持变频器执行PLC 控制指令并输出频率，且频率方向与操作主令控制器操作相对应，当输出频率达到主令控制器所要求频率时，起升制动器接触器吸合，起重机起升机构上升运行。
3.1.3、起升机构下降运行
当起重机起升主令控制器执行下降动作时，起升机构开闭、支持变频器执行 PLC控制指令并输出频率，且频率方向与操作主令控制器操作相对应。当变频器输出频率达到主令控制器所要求频率时，起升制动器接触器吸合，起重机起升机构下降运行。
3.1.4、起升机构停机
当起重机起升主令控制器从起升或下降回到零位时，起升机构开闭、支持变频器执行 PLC 控制指令并停止运行，起升制动器接触器动作，起升机构开闭、支持电机停止动作，经 5 秒延时后，起升机构开闭、支持电机风机停止运行。
3.2、起重机变幅、旋转机构调试
3.2.1、零位保护
起重机旋转机构在工作前，旋转操作主令控制器必须处于零位，PLC 控制系统才许可进入工作状态，否则旋转机构不能操作运行。 在起重机控制系统正常，且旋转操作主令控制器处于零位条件下，旋转主接触器吸合。操作旋转主令控制器左旋时，左旋接触器吸合，起重机执行左旋动作；操作旋转主令控制器右旋时，右旋接触器吸合，起重机执行右旋动作。
3.2.2、变幅机构增幅运行
由于起重机旋转机构、变幅机构共用它操作主令控制器，变幅主令控制器的操作与起重机旋转机构类似，当变幅主令控制器执行增幅动作时，变幅变频器执行 PLC 控制指令并输出频率，且频率方向与操作主令控制器操作相对应，当输出频率达到主令控制器所要求频率时，变幅制动器接触器吸合，变幅机构增幅运行；当变幅机构运行至幅度减速限位后，起重机减速运行；当变幅机构运行至极限限位后，起重机控制系统锁定，并禁止增幅动作，监控触摸屏显示变幅超幅度故障。
4、结语
港口起重机是港口、码头必不可少的大型机械，对于社会经济发展起着极为重要的作用。PLC变频调速技术以其独特的优势可以解决现在港口起重机高耗能、灵活性低以及工作效率地下等缺陷，其在起重机系统中有着极为广阔的应用前景。
参考文献
[1]程思学.基于PLC及变频器的集成控制方法研究及其应用[D].沈阳工业大学,2007.
[2]王向辉.基于PLC控制的水电站起重机变频调速系统应用研究[D].重庆大学,2007.
[3]丁东方.港口起重机电气故障可视化研究[D].武汉理工大学,2010.
[4]刘普.基于PLC和变频器的港口门座起重机控制系统研究[D].南京理工大学,2014.
关键词：港口起重机；PLC；变频控制；应用
中图分类号：TH2文献标识码： A
引言
港口起重机是目前散杂货码头主力的装卸设备，广泛运用于各港口的现场生产。据统计，绝大多数港口九十年代购买的起重机电气控制系统采用传统的接触器、继电器相关联控制方式，起重机各机构驱动电机采用转子串联切电阻的调速方式，这种老旧的电气控制系统结构复杂，控制精度低，效率低，能耗高，故障率高，稳定性差，同时对起重机机械结构震动损伤大。基于目前港口旧起重设备的机械结构仍能够满足装卸作业的要求，而其电气控制系统处于相对落后的状态，本文从旧门座式起重机的电气控制系统出发，通过分析旧起重机在使用中存在电气系统结构复杂，控制精度低，生产效率低、故障多、能耗高等问题，并针对这些具体问题重新设计旧起重机的PLC控制系统、变频调速系统，结合某港口的门座式起重机起升机构、变幅机构电气控制系统的改造，证实PLC控制技术和变频控制技术在旧起重设备电气控制系统中改造的可靠性、可行性，并对比旧起重机电气控制系统改造前后的性能状态、使用效果，通过港口生产检验得出门座式起重机改造后各机构运行平稳，机械震动冲击力明显减小，起重机作业的效率提高、电气故障显著减少，给目前港口相关起重设备电气控制系统升级改造提供参考。
1、PLC变频调速技术的简介
本部分首先对PLC的基本信息进行介绍，在此基础上，介绍PLC变频调速技术的主要优势所在。
1.1、PLC基本信息介绍
PLC即是我们日常中所说的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），PLC采用了一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，同时该存储器执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器硬件结构与微型计算机基本相同，也是由电源、中央控制器（CPU）、存储器（系统程序存储器和用户程序存储器）、输入输出接口电路、功能模块以及通信模块等部分构成。PLC的工作过程一般可以分为三个阶段，即输入采样阶段、用户程序执行极端和输出刷新夹断阶段等三个阶段。
1.2、PLC变频调速技术的优势
PLC变频调速技术可以降低能耗。起重机等各类电力设备存在于在社会经济生产活动的各行各业中，有着极为广泛的使用范围，传统的起重机在工作过程中消耗的电能数量巨大。而PLC变频调速技术可以改善这一现状，因此可以结合PLC变频调速技术对传统的起重机控制系统进一步的进行完善和改进，实现起重机在生产活动中的应用。在起重机控制系统中引入PLC变频调速技术可以解决了传统起重机在工作时的缺陷，可以有效的降低能耗，从而节约电能，既符合现在流行的环保观念，又实现了企业成本的降低。提升工作效率和工作水平，PLC变频调速技术在港口起重机控制系统的应用，使得起重机的电机负载不同，因此可以让起重器可以依据具体的工作环境，做出合适的改变；同时，PLC变频调速技术还可以提高起重机工作的精准程度，缩短起重机在工作过程所需要的间歇时间，最终提高起重机的工作效率。起重机控制系统中应用可编程逻辑控制器变频调速技术，也可以提高工作水平。
2、PLC变频调速在港口起重机中的应用
2.1、PLC选型
可编程控制器，，是专为工业控制场合的应用而设计的，经过数十年的发展由最初单一的逻辑控制发展成为集逻辑控制、运动控制、过程控制于一体或突出某一重点的综合型控制系统，是现代工业的三大支柱之一。随着PLC的广泛应用，其产品种类越来越多、功能越来越完善，其结构、性能、指令系统、存储容量、编程方法、价格等各不相同，有些甚至有很大的差别、应用场合也不完全相同。因此，结合控制系统具体应用的场合合理选择PLC，有利于提高控制系统的可靠性和经济技术指标。PLC选型的基本原则是:在满足生产或控制工艺的情况下，保证控制系统的可靠运行、维护方便以及最佳的性价比。本节将在第3章对控制系统的分析和总体设计的基础上对PLC进行选型.
2.1.1、结构选择
PLC按其结构可分为整体式和模块式，小型机常采用整体式，中、大型机常采用模块式。整体式PLC输入输出点数较少，适用于工作环境较好、工艺过程比较固定、控制较简单的场合。根据算的输入输出点数即可确定整体式PLC无法完成系统的控制要求，因此选用模块化PLC。
2.1.2、模塊化PLC可以通过使用端板或使用底板这两种方式组建:一、使用端板，各个功能模块自带插槽和插头，用于与端板或其它功能模块进行连接，GE系列PLC即使用端板进行组建；二、使用底板，将功能模块插在底板上。目前，主要的PLC生产商都提供有丰富的功能模块，用户可根据控制现场具体控制需求选择相应的模块，如开关量/模拟量输入输出模块、位置控制模块、温度控制模块、串行通信模块和用于组网的Ethernet模块等。相比整体式PLC，模块化PLC的控制功能更丰富、更强大，能够适应更加复杂的控制场合，且模块化PLC强大的组网能力使得其能与其它系统组建成更庞大的控制系统。
2.1.3、PLC模块选择
考虑到该门座起重机控制系统属于中型系统，而GE系列PLC具有多种输入输出模块以及丰富的CPU模块和高功能模块可供选择，可构成自动化控制和过程控制为一体的中大型控制系统，符合控制系统的要求，因此选用该系列PLC。
2.2、变频调速原理
变极调速通过改变交流电动机定子绕组的接法来改变磁极对数，进而改变定子旋转磁场的转速。变极调速的主要缺点有:一台电动机只能放两套绕组，一套绕组只能变化两种磁极对数，因此最多只能有四档速度；不管釆用哪一种接法，电动机的效率都会下降，无法使运行效果达到最佳；磁极对数的变化会造成临界转矩的变化，进而改变交流电动机的带载能力；通过改变定子绕组接法实现调速，加大了控制电路实现的复杂度。变转差率调速通过调整绕线式电动机转子电路的参数进行调速，有调压调速、转子串电阻调速、串级调速三种常用的调速方法。调压调速通过改变晶间管的触发角来改变电动机定子的外加电压实现对电动机的调速，其缺点是损耗较大，只适用于小容量的电动机。转子串电阻调速通过在转子回路中串联电阻实现对电动机调速，其损耗很大、效率较低，因而应用较少。串级调速将串电阻调速中消耗在电阻上的功率反馈到电网，并在转子电路上加上附加电势使其频率和转子感应电势频率相同。串级调速是节能型调速方式，在风机和栗类等传动电机上应用广泛。变频调速通过改变电动机的电压频率来改变电机转速，但是仅仅通过改变电源频率是不够的，因为频率参数的变化会对电动机的运行性能产生影响。所以，在变频调速时为了获得所需要的调速特性，通常还需要改变电动机的定子电压。
3、门座式起重机 PLC 运行调试
3.1、起重机起升机构调试
3.1.1、起升机构零位保护
起重机在起升机构工作前，起升操作主令控制器必须处于零位，PLC 控制系统才许可进入工作状态，否则起升机构不能操作运行。
3.1.2、起升机构上升运行
当起重机起升机构主令控制器执行起升动作时，起升机构开闭、支持变频器执行PLC 控制指令并输出频率，且频率方向与操作主令控制器操作相对应，当输出频率达到主令控制器所要求频率时，起升制动器接触器吸合，起重机起升机构上升运行。
3.1.3、起升机构下降运行
当起重机起升主令控制器执行下降动作时，起升机构开闭、支持变频器执行 PLC控制指令并输出频率，且频率方向与操作主令控制器操作相对应。当变频器输出频率达到主令控制器所要求频率时，起升制动器接触器吸合，起重机起升机构下降运行。
3.1.4、起升机构停机
当起重机起升主令控制器从起升或下降回到零位时，起升机构开闭、支持变频器执行 PLC 控制指令并停止运行，起升制动器接触器动作，起升机构开闭、支持电机停止动作，经 5 秒延时后，起升机构开闭、支持电机风机停止运行。
3.2、起重机变幅、旋转机构调试
3.2.1、零位保护
起重机旋转机构在工作前，旋转操作主令控制器必须处于零位，PLC 控制系统才许可进入工作状态，否则旋转机构不能操作运行。 在起重机控制系统正常，且旋转操作主令控制器处于零位条件下，旋转主接触器吸合。操作旋转主令控制器左旋时，左旋接触器吸合，起重机执行左旋动作；操作旋转主令控制器右旋时，右旋接触器吸合，起重机执行右旋动作。
3.2.2、变幅机构增幅运行
由于起重机旋转机构、变幅机构共用它操作主令控制器，变幅主令控制器的操作与起重机旋转机构类似，当变幅主令控制器执行增幅动作时，变幅变频器执行 PLC 控制指令并输出频率，且频率方向与操作主令控制器操作相对应，当输出频率达到主令控制器所要求频率时，变幅制动器接触器吸合，变幅机构增幅运行；当变幅机构运行至幅度减速限位后，起重机减速运行；当变幅机构运行至极限限位后，起重机控制系统锁定，并禁止增幅动作，监控触摸屏显示变幅超幅度故障。
4、结语
港口起重机是港口、码头必不可少的大型机械，对于社会经济发展起着极为重要的作用。PLC变频调速技术以其独特的优势可以解决现在港口起重机高耗能、灵活性低以及工作效率地下等缺陷，其在起重机系统中有着极为广阔的应用前景。
参考文献
[1]程思学.基于PLC及变频器的集成控制方法研究及其应用[D].沈阳工业大学,2007.
[2]王向辉.基于PLC控制的水电站起重机变频调速系统应用研究[D].重庆大学,2007.
[3]丁东方.港口起重机电气故障可视化研究[D].武汉理工大学,2010.
[4]刘普.基于PLC和变频器的港口门座起重机控制系统研究[D].南京理工大学,2014.