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【摘 要】针对烟台港大部分门座起重机控制方式过于落后的现状，港内提出了可编程控制器（PLC）+变频器控制的方式。目前已经完成了对烟港35#、36#、21#、23#门机电气控制系统改造，从而提高门机的使用寿命和工作效率。
【关键词】港口门座起重机；PLC；总线适配器；逆变器；晶闸管供电单元；变频器
港口门座起重机（以下简称门机）是沿地面轨道运行，下方可通过其它地面车辆的门型座架式可回转臂架型起重机，被广泛应用于港口码头的机械装卸。超重的勞动强度和大工作量要求它必须具备：起动转矩大、低速满转矩、快速的转矩上升时间和抱闸顺序控制功能、制动平稳、加减速平滑等特点。
目前，我国大多数门机都是采用“继电器+转子串电阻调速”的控制方式。在该系统控制方式下，电机在低速时稳定性差、出力不足；在高速重载下降时要有第三方制动才能保证不溜钩，频繁使用会因电机温度过高而出现绝缘降低的情况，加速电机的老化，既消耗大量的能源，又冲击电机，而且还降低了整机的稳定性，加速机械的疲劳。
近年来，“PLC+变频器调速”的控制系统被逐渐应用于我港门机上，与原控制方式相比，此控制系统有以下好处：电机机械特性变硬，起、制动平滑，运行平稳，定位精确，装卸效率提高，安全性能提高，维护成本下降，机械寿命延长等。
下面，以烟台港35#、36#、21#、23#门机为例，介绍一下应用“PLC+变频器”调速系统改造原始“继电器+转子串电阻调速”系统。
一、可编程控制器（PLC）
PLC首先将扫描到的输入信号存入相应的输入映像寄存器中，然后PLC按一定的算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于现场。
（一）可编程控制器工作原理
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原理设计。
（二）可编程控制器结构
PLC主要是由中央处理器（CPU）、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。它主要控制程序和数据的接收与存储；进行数据传送、逻辑或算术运算；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。存储器用来存储厂家编写的系统程序和存放用户针对任务用规定的语言编写的各种用户程序。输入/输出单元负责接收各种控制信号，然后将信号转换现场需要的信号输出。
总线适配器
将来自可编程控制器的传动控制指令按照要求发给相应传动点，并将每个传动点的状态信息通过光缆反馈给可编程控制器。
概括而言，PLC就是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令执行开始，按一定顺序逐渐执行用户程序，直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描，周而复始。
（三）可编程控制器系统与继电器控制比较
PLC的梯形图与继电器控制的线路图十分相似，同时信号的输入/输出形式及控制功能基本上也是相同的，但PLC控制与继电器控制又有根本的不同，主要表现在以下几个方面：
1.工作方式
继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，属于并行工作方式；PLC控制各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，属于串行工作方式。
2.控制逻辑
继电器控制采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点控制，线路复杂、功耗大、故障高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能很困难；PLC控制采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线”，因此灵活性和扩张性很好。
3.控制速度
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级，另外，机械触点还会出现抖动问题；PLC由程序指令控制半导体电路来实现，属于无触点控制，速度极快，执行时间一般在微秒数量级，且不会出现抖动。
4.定时控制
继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制，受环境影响大、定时精度不高且定时范围窄；PLC使用半导体集成电路做定时器，定时精度高、范围宽且不受环境影响。
5.可靠性和可维护性
继电器控制当触点开闭时受电弧的损坏，磨损大，寿命短；PLC采用微电子技术，无触点，因此寿命长，可靠性高，可维护性好。
6.设计和施工
继电器控制逻辑其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难；PLC在系统设计完成后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，调试和修改都很方便。
由此可见，PLC在性能上比继电器控制优异，特别是抗干扰能力强，可靠性高；控制系统结构简单，通用性强；编程方便，易于使用；功能完善；设计、施工、调试周期短；体积小、功耗低、使用维护方便。但在小系统中使用时，价格要高于继电器控制系统。
二、变频器
（一）变频调速原理
交流电由输入端子进入变频器后，经整流滤波变成直流电。再通过电子开关电路转换成频率和电压均可调的三相交流电，然后滤波输出供给电动机。
变频器具有启动电流小，启动平滑，对电动机具有保护功能，适应电源范围宽（304V-460V），无相序要求，并具有显著的节电效果。 （二）变频器的主要单元由晶闸管供电单元（TSU）、逆变器组成。
晶闸管供电单元（TSU）
晶闸管供电单元的主要元件是两个六脉波晶闸管桥。正桥将三相交流电转换成直流电，然后通过中间的直流环节将电能输送给逆变器，无论何时需要将多余的电机制动能量反馈回给电网时反桥就会将直流电转换成交流电。
逆变器
逆变器将来自供电单元的直流电根据可编程控制器的指令转换成交流电输出到电机。在下降过程中将电机制动产生的能量整流成直流电送回直流母排回馈给供电单元。由于逆变器传动系统采用先进的DTC（直接转矩控制）技术，所以它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制，无需速度反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。
（三）变频调速特点
变频调速系统是通过改变电动机电源频率来实现调速，多级转速切换时，电机转速在加速时间或减速时间内完成。因此，即使电机在反向最高速度突然切换到正向最高速度时，电机也会在减速时间内将转速降至0，再在加速时间内将转速慢慢升高。不会对电动机及任何设备产生冲击。变频器的加减速时间可以分别在0—66秒任意设定。
（四）变频调速优势
1、变频器调速控制系统具有极强的保护功能。可以进行电机软启动，而让电机具有很快的动态响应并且实现无级调速。另外对电机的一些参数进行补偿。对电源的缺相、欠压、过压、过流等能及时检测，自动采取应变措施保护电机。
2、工作可靠性显著提高。电磁制动器寿命可大大延长。原拖动系统在运动状态下进行抱闸，采用变频器后，是在基本停止后进行抱闸，闸皮磨损情况大为改善。控制系统故障率大为降低。原系统为十分复杂的继电器、交流接触器控制，故障率较高。采用变频器，系统大大简化，可靠性提高。
3、节能效果十分可观。绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路外接电阻消耗大量电能。采用变频器后，不但外接电阻消耗的电能可以節约，并且在起重机下放重物时释放的位能反馈给电源。
4、调速质量明显提高。采用变频调速控制后，调速范围宽，速度控制精度高，并且调速平稳，能够长时间低速运行。
烟台港35#、36#、21#、23#门机改造后，由于采用PLC+变频器控制技术，使门机实现了平稳操作、提高了运行效率、改善了超负荷作业、消除了起制动冲击、减少了电气维护、降低了电能消耗、提高了功率因数等，同时该系统还具有过电流、过电压、欠电压、错断相保护以及超温、超载、超速、制动单元过热、I/O故障保护、电动机故障保护等功能。35#、36#、21#、23#门机改造后较改造前具有如下显著特点：
1、调速范围宽，作业时可实现精确定位；
2、软启动、软停止的功能降低了机械传动冲击，可明显改善钢结构的承载性能，延长了起重机的使用寿命；
3、电动机在零速时，能全力矩输出，即使制动器松动或失灵时，也不会出现重物下滑，确保系统安全可靠；
4、具有快速的动态响应，不会出现溜钩现象；
5、真正实现了“轻载快速，重载慢速”的作业要求；
6、能较大提高系统的功率因数和整机工作效率，节能效果显著；
7、具有全中文触摸屏监控系统，通过人机界面进行系统故障自检和处理功能，方便技术人员和操作人员的维护与现场监控，缩短了查找故障时间，并大幅度减少维修费用；
8、具有多重接口，能方便实现电子网络控制和监测；
9、高集成度组件及高可靠性低压电器，有效地解决了门机由于控制方式上的缺陷而引发的故障率高、能耗高的技术难题，不仅降低了系统故障率，而且大大提高了门机的使用寿命和工作效率！
以上四台门机在烟台港集团公司技术处、联合港埠公司技术部、固机公司、海港机械厂、武汉港迪的共同努力下，成功改造并取得良好效果，为我港今后设备改造奠定坚实的基础，并树立坚定的信心。
参考文献：
[1]《起重机械技术检验》.学苑出版社
[2]《通用变频器及其应用》.武汉交通科技大学出版社
[3]《港口电动机械电气设备》.交通职工教育研究会
[4]《起重机械安装使用维修检验手册》.冶金工业出版社
[5]《现代电气控制及PLC应用技术》
【关键词】港口门座起重机；PLC；总线适配器；逆变器；晶闸管供电单元；变频器
港口门座起重机（以下简称门机）是沿地面轨道运行，下方可通过其它地面车辆的门型座架式可回转臂架型起重机，被广泛应用于港口码头的机械装卸。超重的勞动强度和大工作量要求它必须具备：起动转矩大、低速满转矩、快速的转矩上升时间和抱闸顺序控制功能、制动平稳、加减速平滑等特点。
目前，我国大多数门机都是采用“继电器+转子串电阻调速”的控制方式。在该系统控制方式下，电机在低速时稳定性差、出力不足；在高速重载下降时要有第三方制动才能保证不溜钩，频繁使用会因电机温度过高而出现绝缘降低的情况，加速电机的老化，既消耗大量的能源，又冲击电机，而且还降低了整机的稳定性，加速机械的疲劳。
近年来，“PLC+变频器调速”的控制系统被逐渐应用于我港门机上，与原控制方式相比，此控制系统有以下好处：电机机械特性变硬，起、制动平滑，运行平稳，定位精确，装卸效率提高，安全性能提高，维护成本下降，机械寿命延长等。
下面，以烟台港35#、36#、21#、23#门机为例，介绍一下应用“PLC+变频器”调速系统改造原始“继电器+转子串电阻调速”系统。
一、可编程控制器（PLC）
PLC首先将扫描到的输入信号存入相应的输入映像寄存器中，然后PLC按一定的算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于现场。
（一）可编程控制器工作原理
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原理设计。
（二）可编程控制器结构
PLC主要是由中央处理器（CPU）、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。它主要控制程序和数据的接收与存储；进行数据传送、逻辑或算术运算；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。存储器用来存储厂家编写的系统程序和存放用户针对任务用规定的语言编写的各种用户程序。输入/输出单元负责接收各种控制信号，然后将信号转换现场需要的信号输出。
总线适配器
将来自可编程控制器的传动控制指令按照要求发给相应传动点，并将每个传动点的状态信息通过光缆反馈给可编程控制器。
概括而言，PLC就是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令执行开始，按一定顺序逐渐执行用户程序，直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描，周而复始。
（三）可编程控制器系统与继电器控制比较
PLC的梯形图与继电器控制的线路图十分相似，同时信号的输入/输出形式及控制功能基本上也是相同的，但PLC控制与继电器控制又有根本的不同，主要表现在以下几个方面：
1.工作方式
继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，属于并行工作方式；PLC控制各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，属于串行工作方式。
2.控制逻辑
继电器控制采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点控制，线路复杂、功耗大、故障高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能很困难；PLC控制采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线”，因此灵活性和扩张性很好。
3.控制速度
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级，另外，机械触点还会出现抖动问题；PLC由程序指令控制半导体电路来实现，属于无触点控制，速度极快，执行时间一般在微秒数量级，且不会出现抖动。
4.定时控制
继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制，受环境影响大、定时精度不高且定时范围窄；PLC使用半导体集成电路做定时器，定时精度高、范围宽且不受环境影响。
5.可靠性和可维护性
继电器控制当触点开闭时受电弧的损坏，磨损大，寿命短；PLC采用微电子技术，无触点，因此寿命长，可靠性高，可维护性好。
6.设计和施工
继电器控制逻辑其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难；PLC在系统设计完成后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，调试和修改都很方便。
由此可见，PLC在性能上比继电器控制优异，特别是抗干扰能力强，可靠性高；控制系统结构简单，通用性强；编程方便，易于使用；功能完善；设计、施工、调试周期短；体积小、功耗低、使用维护方便。但在小系统中使用时，价格要高于继电器控制系统。
二、变频器
（一）变频调速原理
交流电由输入端子进入变频器后，经整流滤波变成直流电。再通过电子开关电路转换成频率和电压均可调的三相交流电，然后滤波输出供给电动机。
变频器具有启动电流小，启动平滑，对电动机具有保护功能，适应电源范围宽（304V-460V），无相序要求，并具有显著的节电效果。 （二）变频器的主要单元由晶闸管供电单元（TSU）、逆变器组成。
晶闸管供电单元（TSU）
晶闸管供电单元的主要元件是两个六脉波晶闸管桥。正桥将三相交流电转换成直流电，然后通过中间的直流环节将电能输送给逆变器，无论何时需要将多余的电机制动能量反馈回给电网时反桥就会将直流电转换成交流电。
逆变器
逆变器将来自供电单元的直流电根据可编程控制器的指令转换成交流电输出到电机。在下降过程中将电机制动产生的能量整流成直流电送回直流母排回馈给供电单元。由于逆变器传动系统采用先进的DTC（直接转矩控制）技术，所以它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制，无需速度反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。
（三）变频调速特点
变频调速系统是通过改变电动机电源频率来实现调速，多级转速切换时，电机转速在加速时间或减速时间内完成。因此，即使电机在反向最高速度突然切换到正向最高速度时，电机也会在减速时间内将转速降至0，再在加速时间内将转速慢慢升高。不会对电动机及任何设备产生冲击。变频器的加减速时间可以分别在0—66秒任意设定。
（四）变频调速优势
1、变频器调速控制系统具有极强的保护功能。可以进行电机软启动，而让电机具有很快的动态响应并且实现无级调速。另外对电机的一些参数进行补偿。对电源的缺相、欠压、过压、过流等能及时检测，自动采取应变措施保护电机。
2、工作可靠性显著提高。电磁制动器寿命可大大延长。原拖动系统在运动状态下进行抱闸，采用变频器后，是在基本停止后进行抱闸，闸皮磨损情况大为改善。控制系统故障率大为降低。原系统为十分复杂的继电器、交流接触器控制，故障率较高。采用变频器，系统大大简化，可靠性提高。
3、节能效果十分可观。绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路外接电阻消耗大量电能。采用变频器后，不但外接电阻消耗的电能可以節约，并且在起重机下放重物时释放的位能反馈给电源。
4、调速质量明显提高。采用变频调速控制后，调速范围宽，速度控制精度高，并且调速平稳，能够长时间低速运行。
烟台港35#、36#、21#、23#门机改造后，由于采用PLC+变频器控制技术，使门机实现了平稳操作、提高了运行效率、改善了超负荷作业、消除了起制动冲击、减少了电气维护、降低了电能消耗、提高了功率因数等，同时该系统还具有过电流、过电压、欠电压、错断相保护以及超温、超载、超速、制动单元过热、I/O故障保护、电动机故障保护等功能。35#、36#、21#、23#门机改造后较改造前具有如下显著特点：
1、调速范围宽，作业时可实现精确定位；
2、软启动、软停止的功能降低了机械传动冲击，可明显改善钢结构的承载性能，延长了起重机的使用寿命；
3、电动机在零速时，能全力矩输出，即使制动器松动或失灵时，也不会出现重物下滑，确保系统安全可靠；
4、具有快速的动态响应，不会出现溜钩现象；
5、真正实现了“轻载快速，重载慢速”的作业要求；
6、能较大提高系统的功率因数和整机工作效率，节能效果显著；
7、具有全中文触摸屏监控系统，通过人机界面进行系统故障自检和处理功能，方便技术人员和操作人员的维护与现场监控，缩短了查找故障时间，并大幅度减少维修费用；
8、具有多重接口，能方便实现电子网络控制和监测；
9、高集成度组件及高可靠性低压电器，有效地解决了门机由于控制方式上的缺陷而引发的故障率高、能耗高的技术难题，不仅降低了系统故障率，而且大大提高了门机的使用寿命和工作效率！
以上四台门机在烟台港集团公司技术处、联合港埠公司技术部、固机公司、海港机械厂、武汉港迪的共同努力下，成功改造并取得良好效果，为我港今后设备改造奠定坚实的基础，并树立坚定的信心。
参考文献：
[1]《起重机械技术检验》.学苑出版社
[2]《通用变频器及其应用》.武汉交通科技大学出版社
[3]《港口电动机械电气设备》.交通职工教育研究会
[4]《起重机械安装使用维修检验手册》.冶金工业出版社
[5]《现代电气控制及PLC应用技术》