一、引言

1.1 研究背景

随着一带一路沿边国家贸易的蓬勃发展以及扩大内需的当下，港口作为货物运输的关键枢纽，其集装箱吞吐量不断攀升，2024年前11个月我国港口集装箱吞吐量增速7.3%。集装箱门式起重机（以下简称龙门吊）作为集装箱装卸的核心设备，其性能直接影响港口作业效率和经济效益。然而早期投入的龙门吊，其电气控制多采用传统的技术，能耗高，控制精度低，检修维护成本高，在如此长时间高强度的运转下，逐渐显露出诸多问题，难以满足现代港口高效、智能、绿色的发展需求。

1.2 研究目的和意义

本研究旨在通过对龙门吊电控系统的改造，提升龙门吊的整体性能，满足不断发展的需求。可通过采用变频驱动系统和储能回馈系统，优化PLC控制系统和状态监控系统，提高龙门吊的作业精度和稳定性，提高装卸效率，降低能耗，降低使用和维护成本，助力港口实现绿色目标。这不仅有助于单个港口提升作业能力，也能促进整个港口行业的技术进步与可持续发展。

二、传统电控系统现状分析

2.1调速系统问题

传统的龙门吊部分机构采用绕线式异步电动机串电阻控制方式，存在调速范围窄、连续性差、精度低、能耗较高等缺点。通过串接多级电阻分级调速，通常仅能实现3-5个固定速度档位，加减速过程中出现明显的台阶式速度变化。这不仅会对起升钢丝绳、滑轮组等部件造成严重的磨损，缩短其寿命，频繁的冲击还会致使货物晃动，极大地增加了货物坠落的风险。此外转速的不连续性还会使操作人员难以精确控制龙门吊的运行速度，影响装卸作业的平稳性与高效性。且该控制方式能耗较高，约35%能量损耗在电阻上。

2.2能量管理问题

在龙门吊主要机构下降和制动过程中，电动机处于发电状态，会产生大量的再生能量。传统电控系统缺乏有效的能量回馈机制，这些再生能量通常通过制动电阻以发热的形式消耗掉，造成能源的极大浪费。典型工况下35-45%的电能转化为电阻发热损耗。长期运行下来，这种能耗较高的问题会增加龙门吊的运行成本，同时也不符合现代工业对节能减排的要求

2.3 PLC 控制系统问题

早期的 PLC 控制系统功能相对单一，处理速度较慢。随着港口作业量的急剧增加，老旧PLC系统性能滞后，无法满足控制需求。PLC 系统的处理速度甚至会导致机构动作出现明显延迟，影响作业效率。此外老旧 PLC 系统兼容性差，通信接口有限，难以与新的设备和系统进行集成，限制了龙门吊自动化和智能化的升级。

2.4状态监控问题

早期的龙门吊一般无状态监控系统，主要依赖人工巡检。人工巡检不仅效率低，而且容易因人为因素导致故障漏检。由于缺乏实时全面的状态监控系统，无法及时发现设备潜在的故障隐患，一旦发生故障，通常会造成较长时间的停机，影响业主的生产效益。

三、电控系统改造方案

4.1 变频器改造

传统龙门吊部分机构采用串电阻控制方式，这种控制方法存在调速范围窄、连续性差、控制精度低等缺点。当前龙门吊驱动基本都为变频器控制方案。变频器可实现输出频率在0-300Hz之间的无极调速，调速精度可达±0.1%，显著提高了电机转速的稳定性。

变频器控制主要采用矢量控制方式，通过精确控制电机的转矩，实现快速响应和高精度调速。这种控制方式不仅提高了起重机的运行效率，还减少了机械冲击，延长了设备使用寿命。实际应用表明，变频器改造后，起重机的起升和平移控制更加平稳，作业效率提高了15%-20%，同时降低了约30%的能耗。

4.2 能量回收系统改造

传统单传动驱动系统采用制动电阻消耗制动能量，造成大量电能浪费。为提高能量利用率，有两种优化方案：整流回馈系统和超级电容储能系统。

4.2.1整流回馈系统

多传动整流回馈系统改造方案通过在驱动器前端增加整流回馈装置，将各机构的逆变器通过直流母排并联。这种设计使得起升下放和大小车减速制动产生的能量可通过直流母排回馈至电网，实现能量回收。系统能量利用率可提高20%-30%，显著降低了运营成本。整流单元前端一般还配置有滤波装置，可以减少高次谐波，以及增大系统的功率因数。

4.2.2超级电容储能系统

超级电容储能方案则在不改变变频器驱动结构的前提下，在变频器的直流出线端并入超级电容。该方案将制动能量储存于超级电容中，当机构需要电能时，超级电容可提供补充能量，从而减少电网电能消耗。这种方案特别适用于频繁启停的工况，可进一步提高能量利用效率。

该方案的优点在于可以保留原制动电阻的能量消耗方式，在超级电容储能故障或者电量充满时，多余的能量能够通过制动电阻模式转换成热量消耗掉，从而保证系统在再生制动状态下的可靠性。超级电容储能系统的成本低于整流回馈系统，但是储能的容量有限，部分能量还是会通过制动电阻消耗，无法利用所有制动再生能量。

4.3 PLC控制系统改造

龙门吊电控系统的另一核心部件是PLC。龙门吊经过长期使用，PLC控制系统会存在以下问题：①元件老化及控制系统落后：元件老化导致性能下降、故障率上升，维修成本高且影响作业效率。②兼容性不足：旧系统通讯协议落后，速率低、干扰大，难以适配新型传感器及港口设备，无法满足高效作业需求。③维护成本高，旧系统技术资料缺失，专业维护人员减少，停产备件难以获取，元件更换成本高。

PLC控制系统改造前需充分收集用户反馈及需求，技术评估后选择性能稳定、兼容性好的PLC产品，如西门子S7-1500系列或和利时LK220系列，确保支持多种通讯协议并满足扩展需求。控制系统的升级包括PLC模块、电源、交换机及其他相关电气元件，并对限位、传感器进行升级。优化布线，升级通讯协议（如PN、DP等），可采用光纤通讯，减少干扰。最后需根据新PLC硬件重新开发模块化控制程序，确保龙门吊安全高效运行，提升龙门吊的整体运行效率和可靠性。

4.4 状态监控系统改造

状态监控系统通常涉及到故障监控触摸屏HMI和起重机安全监控系统CMS。改造时需对HMI优化升级，能实时显示龙门吊状态（如起重量、各机构位置、风速等）、IO点状态和故障信息。CMS系统集成更多状态监控，如吊具状态检测、振动检测等，以提高故障预警能力。此外CMS还配置有故障查询和分析功能、历史状态回放、运行维护功能，可对元件的损耗、事项的周期性维护保养情况进行记录，用户可自行设置周期，提醒用户进行设备维护保养。

改造中还应考虑系统的兼容性和扩展性，并预留远控和自动化接口，为后续升级提供基础。通过HMI和CMS系统，可实现设备健康状态的监控和预警，降低非计划停机风险，提升龙门吊的安全性和作业效率。

六、结论与展望

本文通过研究龙门吊电控系统的改造，有助解决传统电气系统存在的问题，提升起重机性能，满足现代港口高效、智能、绿色需求。未来，随着技术进步和港口业务发展，电气系统可在高效能量管理、智能化控制、可靠状态监控等方面继续优化，为港口可持续发展提供技术支持。