（电力电子与电力传动专业论文）集装箱场地吊控制系统仿真.pdf

l 海海事大学硕士论文集装箱场地 吊控制系统仿真 abs tract t h i s p a p e r b e l o n g s t o t h e p r o j e c t s t h a t p o rt s i m u la t io n l a b o r a t o ry o f m a r i n e s im u la t i o n c e n t e r ( m s c ) in s h a n g h a i m a r it im e u n iv e r s it y ( s m u ) u n d e r t a k e s . t h e s e p r o j e c t s a r e s p o n s o r e d b y m i n is t ry o f c o m m u n ic a t io n s . a n d i p a rt ic ip a t e d in t h e s e p r o j e c t s . r u b b e r t y r e d g ant ry c r a n e s ( r t g s ) a r e w id e l y u s e d g o o d - s iz e d l o a d i n g a n d u n l o a d i n g e q u i p m e n t s i n s t a c k y a r d o f p o rt s . t h e p u r p o s e in d e v e l o p i n g t h e s i m u l a t io n s o f t w a r e is t o m o n it o r a n d c o n t r o l r t g s u s i n g m o d e m r e m o t e m o n it o r i n g a n d c o n t r o l m e t h o d s v i a n e t w o r k , t o k n o w t h e r u n n i n g s t a t e o f r t g s , t o im p r o v e s a f e t y and t h e a u t o m a t io n o f c o n t a i n e r - l o a d in g and u n lo a d in g . f u rt h e r m o r e , p o rt e n t e r p r i s e s c a n r e a p t h e b e n e f it o f t h e s o ft w a r e , f o r i n s t a n ce, lo w e r in g c o s t o f m a in t e n a n c e , r a is in g p r o d u c t iv it y a n d i m p r o v i n g t h e i r c o m p e t it i v e a b i l it ie s . b e s id e s , t h e c o l le g e s t u d e n t s c a n h a v e a p e r c e p t u a l k n o w le d g e o f r t g s i n o u r p o rt s im u l a t io n l a b o r a t o ry t u t o r i a l . i n c h a p t e r i i , t h e s t r u c t u r e , p a r a m e t e r s a n d e le c t r ic s i n g l e - l i n e g r a p h o f r t g s i s i n t r o d u c e d . t h e m o d e l i n g p a rt , a s a c a d e m i c b a s e , d e d u c e s t h e r u n n in g c o n t r o l m o d e l , r o t a t e s p e e d c o n t r o l mo d e l , mo t o r mo d e l a n d it s l o a d c h a r a c t e r i s t i c s . c h a p t e r i i i f o c u s e s o n t w o m e t h o d s f o r m o n it o r i n g a n d c o n t r o l li n g r t g s r e m o t e ly v i a n e t w o r k , i . e . p l c c o n t r o l le d s e m i - o b j e c t s i m u l a t io n a n d w h o le s o f t w a r e s i m u la t io n . f u rt h e r d is c u s s io n a b o u t l o g i c c o n t ro l b l o c k d ia g r a m a n d t h e c o n tr o l f lo w c h a r t s o f r t g s m a i n o r g a n s a r e p r e s e n t e d la t e r . c h a p t e r iv g iv e s d e t a i ls o f p r o g r a m m i n g f o r t h e c o n t ro l s y s t e m s o f r t g s u s in g g e p l c . m o d u l a r i z a t io n d e s i g n in g i s a p p l i e d . t h e m a i n p ro g r a m c a lls s u b p r o g r a m s t o a c c o m p li s h f u n c t i o n s o f t h r e e m a j o r p a r t s t h a t a r e l o g ic c o n t r o l , d e v i ce s i m u la t io n a n d s i g n a l g e n e r a t o r . a n d s e v e r a l t y p i c a l p l c l a d d e r p r o g r a m s a r e e x p l a i n e d i n d e t a i l s . i n c h a p t e r v , t h e c o n c e p t s o f p l c h u m an m a c h in e i n t e rf a ce ( h m i) a n d t o u c h p a n e l ( t p ) , w h i c h a r e f o llo w e d b y t h e s t e p s in m a k i n g t h e lo c a l m o n it o ri n g i n t e rf a c e s u s i n g t p s o f t w a r e p r o p b 3 , a r e b r o u g ht f o r w a r d fi r s t ly . t h e s e s te p s in cl u d e c o n t r o l in t e r f a ce d r a w in g , p l c a d d r e s s a l lo tt i n g , a n d a n i m a t io n m a k i n g , e t c . a ft e r in tr o d u c i n g t h e h i s t o ry a n d t r e n d o f r e m o t e m o n it o ri n g a n d c o n t r o l s y s t e m s , c h a p t e r v i p u t s f o r w a r d t h e r e m o t e m o n it o ri n g a n d c o n tr o l p r o j e c t s f o r r t g s u s in g c o n fi g u r a t io n s o f t w a r e i n t o u c h . t o d e v e l o p t h e s o f t w a r e , w e t o o k t h e f o l l o w i n g s t e p s : b e i n g f a m i l ia r w it h n e c e s s a ry a p p lic a t io n s o f t w a r e , o 电 ani z i n g t h e w h o le s y s t e m , c o n s t r u c t i n g t h e i n t e r f a ces a n d m a k i n g t h e r e l e v a n t li n k a g e . wh a t is m o r e , t h e a l a r m i n t e rf a c e , t r e n d g r a p h s , c o m m u n i c a t io n s 上 海海事大学硕士论文集装箱场地 吊控制系统仿真 w it h d a t a b a s e a n d p l c a r e a ls o c o n s i d e r e d . a n d t h e s o lv i n g o f s o m e p r o b le m s w e e n c o u n t e r e d i s i ll u s t r a t e d t o o . f i n a l ly , w e b a s i c a l 扮a c h ie v e d o u r a i m a n d a c q u ir e d t h e r e l e v a n t k n o w l e d g e . i b e l i e v e t h e s i m u l a t i o n s o f t w a r e h a s m u c h m e a n in g i n t e c h n ic a l r e n o v a t io n t o p o rt e n t e r p r is e s . b a o o in g lo n g ( p o w e r e le c t r o n ic s a n d d r iv e s ) d ir e c t e d b y p r o f . g u we i a n d p r o f . c h u j ia n x i n k e y wo r d s : r u b b e r t y r e d i n t o u c h c r a n e ( r t g ) , p l c , t o u c h p a n e l 仃p ) , c o n fi g u r a t io n , 2 0 0 4 - 0 7 - 0 9 v 6 4 0 9 3 4 论文独创性声明 本 论 文 是我 个 人 在 导师 指 导下 进 行的 研 究 工 作 及 取 得的 研究 成果。 论文 中 除 了 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 的 地 方 外 ， 不 包 含 其 他 人 或 其 他 机 构 已 经 发 表 或 撰写 过的 研 究 成果。 其 他同 志 对 本 研 究的 启发 和 所 做的 贡 献 均已 在论 文中 作 了明确的声明并表示了谢意。 作 者 签 名 二 .立主日 期: 2 0 0 子2 /o 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保 留 送交论文复印件， 允许论文被查阅 和 借阅; 学校可以 上网 公布论文的全部或 部分内容， 可以采用影印、 缩印 或者其它复制手段保存论文。 保密的论文在解 密后遵守此规定。 作 者 签 名 . k k .- 导 师 签 名日 期:之 0 0 介 7 h 卜 海海事大学硕_ t 论文集装箱场地吊控制系统仿真 第一章引言 1 . 1 港口 大型装卸设备仿真现状 1 . 1 . 1 仿真概述 仿真是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础， 以计算机和各种物理效应设备为工具， 利用系统模型对实际的或假想的系统进行试验 研究的一门综合性技术。所以 从根本上讲， 仿真是一种基于模型 ( m o d e l ) 的活动。 仿真的主要应用领域有系统设计、 系统分析、 教育与训练、 产品开发与制造，以及计 算机集成制造系统c i m s 等， 优点是可以 减少风险， 缩短设计和制造的周期， 节约投 资， 并且不怕破坏、 易修改、 可重用。 计算机仿真是在研究系统过程中， 根据相似原 理， 利用计算机来逼真模仿研究对象， 其步骤是将研究对象进行数学描述， 建立模型， 设计程序并调试， 在计算机中运行实现， 最后分析输出。 计算机仿真技术的发展趋势 主要表现在两个方面: 应用领域的扩大和仿真计算机的智能化。 计算机仿真技术不仅 在传统的工程技术领域继续发展， 而且扩大到社会经济、 生物等许多非工程领域， 此 外， 并行处理、 人工智能、 知识库和专家系统等技术的发展正影响着计算机仿真的发 展。 1 . 1 . 2 大型设备仿真现状 目 前大型设备的仿真系统被广泛研究和开发，常见的大型设备仿真有电站仿真， 航空器仿真等等。 大型变电站的仿真系统一般包括硬件仿真和软件模拟， 硬件有控制 屏、模拟屏、保护柜等;软件有教员台、学员台、工控机、调度仿真机、继电保护、 故障录波机、 操作台、多媒体演示及数据通讯子系统。 建设大型变电站的仿真培训系 统， 为高效、 直观地培训变电 运行人员的操作技能及事故处理技巧提供了可能。 随着 仿真系统的发展， 也涌现出许多新技术、 新特点， 如高度集成化、实时分布式网络数 据库的使用、 先进的教练员功能、 追忆数据的 存取、 先进的评分系统、 高度的开放性， 以及一体化、 开放性的图 形建模方法、 在线调试功能、 自 适应模型及算法、 三维动画、 虚拟现实等等。 1 . 1 . 3 港口 仿真现状 港口仿真包括集装箱码头装卸系统仿真( 用来实现装卸船流程运行的中央控制模 拟和相关子系统的操作模拟) 、港口 航道与船舶交通管制模拟 ( 实现港口 航道、船舶 进出港、靠离码头作业的控制模拟) 、现代港口物流仿真、散货码头仿真等。目 前港 口、 堆场规划中 采用的数学模型有多 种， 如先进的遗传算法 ( a g o s t i n o b r u z z o n e 对此 上海海事大学硕士论文集装箱场地 吊控制系统仿真 曾 做过 深入 研究， 可 参 看附 录 文献【 1 ) 、 神经网 络等， 所 采用的软 件语言 有v b , v c , c , j a v a , m a t l a b 等， 三维 建模多 用v e g a , m o d e l g e n , m u l t i g e n , l y n x 等软 件。 集 装箱港口仿真系统硬件环境完全兼容于现代集散控制系统 ( d c s ) ，在不同软件环境 下可模拟船舶机舱、电站系统、 环保系统、 空调系统等大型机电设备系统。 集装箱场 地吊仿真作为港口 仿真的一个组成部分，是本文研究的对象。 1 . 2 1 _ 2 . 1 大型设备远程监控的发展与仿真 集散控制系统与远程监控 大型设备的监控系统属于d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ) ，即 集散控制系统， 它是计算机技术、 控制技术和网络技术高度结合的产物。d c s通常采用若千个控制 器 ( 过程站) 对一个生产过程中的众多控制点进行控制， 各控制器间通过网络连接并 可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据， 传达操作指令。典型的集散型控制系统 ( d c s )由过程控制级、 控制管理级和生产管 理级三层组成。集散控制系统主要特点就是分散控制、集中管理。 1 . 2 . 2 大型装卸设备监控技术的发展 传统意义上对大型设备系统进行实时状态监控一般建立在近距离条件下， 即近程 监控。这种监控方式主要是通过 r s 2 3 2 或者 r s 4 8 5 物理接口进行数据通信，利用手 动方式监控系统的各种状态及参数， 包括修改参数和查看参数。 这种方式要求每个维 护点都要配备一定的维护人员， 实行轮班值守。 传统的设备维修流程是用户报修， 值 班人员排除。 若值班人员无法排除， 将故障分类后， 通知相关工程师， 工程师赶到现 场进行诊断。 如果用户发现故障时， 情况己很严重; 如果故障发生在深夜等不方便的 时间; 如果故障分类错误导致故障不属于赶来工程师的维修范围， 这些都会耽误生产， 造成重大经济损失， 而且维护人员劳动强度大， 管理水平不高，已经不能适应现代化 经济发展的要求。 现代远程监控模式， 最显著特点是现场的采样设备将各种传感器获取的设备状态 信息转变为数字信号后， 通过网络传送给远程诊断工程师。 远程诊断工程师再利用计 算机和现代数字信号处理技术对收到的数字信号进行分析处理，对设备状态进行评 估， 给出诊断结论并将结果返回给现场人员。由于数字信号远程传输的保真度高， 不 受时间和空间影响， 因此诊断结论可靠性高， 可以实现真正意义上的实时在线远程监 控与诊断。对比传统方式，现代监控方式中计算机2 4 小时不间断监测各种设备工作 情况， 一旦设备异常立即报警， 并自 动对故障进行分类分级， 立刻通知相关人员， 效 率大为提高。 近年来，以太网/ 互联网 ( e t h e me t / i n t e m e t ) 等网络架构已逐渐在自 动化 领域内被广泛采用， 取代传统的串口通信而成为自 动化系统通信的主流。 在这种趋势 上 海海事大学硕士论文集装箱场地吊控制系统仿真 下，以t c p a p 和e t h e r n e t 为代表、成熟度较高的开放式网络技术，正逐步被应用在 各个自 动化系统，连接并控制所有设备。 将i n t e r n e t 技术引入控制领域， 通过连接不 同的网络， 形成一致的网络结构可以十分自 然地将网络规范应用于控制设备领域， 将 i n f r a n e t 与i n t r a n e t , i n t e r n e t 相连接，实现信息资源的完整共享。在我国，目 前在码 头企业方面己 有大连港、上海外高桥部分设备采用了 远程监控系统。 集装箱场地吊在集装箱码头中的地位非常重要， 仅次于集装箱装卸桥， 为了保证 它的正常运行， 要求对其进行有效的监控， 采取的监控方式多为通过e t h e r n e t 或现场 总线连接场地吊上的 p l c主站进行访问监控。随着现代化机械设备日 益大型化，复 杂化和自 动化， 设备的故障也日益复杂。 如今正快速发展的基于网络的远程监控系统， 即设备在线监控和在线故障诊断技术与i n t e r n e t 相结合，是现代远程监控的研究和发 展方向。由于管控一体化、 综合自 动化技术的发展， 对大型设备进行现代化管理， 以 及港口企业提高生产效益的最终目的都要求对大型港机设备进行远程监控。 本实验室 实施的远程监控采用成熟的工业组态软件i n t o u c h 通过e t h e r n e t 进行监控的方式， 而 对于集装箱场地吊设备的仿真采取 p l c和纯软件两种仿真方式 ( 前者的控制命令部 分结合触摸屏) ，所以需要设计两套监控软件。 1 . 3 课题经济背景 党中央要把上海建成国际航运中心，核心就是要把上海港建成国际集装箱枢纽 港。目前斧山、高雄、 大坂等港口纷纷竞争东北亚国际集装箱枢纽港的地位，竞争的 焦点体现在集装箱码头建造的数量和集装箱处理能力的质量上。2 0 0 4年完工的外高 桥五期集装箱码头有5 个泊位，明年完工的洋山港 1 期有9 个泊位，2 期有2 0个泊 位。每个泊位装备集装箱岸边装卸桥 2 -3台 ( 2 0 0 0 -3 0 0 0万元一台) ，集装箱场地 吊3 - 4台 ( 1 0 0 1) 万元一台) 。如何使上海集装箱作业整体技术与其在国际大港中的 地位相适应， 从技术上为实现上海建成国际航运中心打下基础， 创新现代集装箱码头 智能化生产关键技术就显得十分重要。 信息化带动传统产业的发展是大势所趋。传统的港口 集装箱作业无论从装卸工 艺、 生产管理、 设备管理还是信息服务都己 经成为发展的瓶颈。 如果不采取果断的措 施来发展上海港集装箱业务， 很可能制约上海乃至整个华东地区的经济发展。 依靠技 术进步来提高港口 集装箱处理能力是捷径之一。 国际大港如香港、 鹿特丹、 汉堡等早 在九十年代就实现了 集装箱作业的计算机管理， 以后又不断向自 动化发展。 近年来国 内港口也纷纷通过合资的方式引进了国际上先进的集装箱计算机管理系统， 并对此进 行了不少改进和完善。 _ l 海港作为中国集装箱吞吐量第一大港， 世界集装箱吞吐量第 三大港， 理应通过智能化、数字化的手段，力求在工艺创新、 技术创新和管理创新上 上海海事大学硕士论文集装箱场地吊控制系统仿真 走在前列，实现跨越式的发展。 1 . 4 本课硬的要求、任务与意义 ( 1 )分析集装箱场地吊控制系统，并编制场地吊p l c仿真程序，利用 p l c对虚拟 的集装箱场地吊设备进行直接仿真控制。 ( 2 )采用触摸屏软件结合p l c开发本地监控人机界面。 ( 3 )利用组态软件i n t o u c h 开发两套上位机监控程序，分别实现对p l c半实物化仿 真的场地吊的远程监控和利用纯软件产生数据的场地吊虚拟设备的远程监控。 希望通过我们所做的集装箱场地吊的仿真与远程监控系统， 能够为港口 现有大型 装卸设备的改造、 创新提供一定的借鉴， 促进港机企业的科技进步， 提高集装箱作业 效率和港口 综合竞争力，将来为本实验室的科研教学有一定的帮助。 上海海事大学硕士论文集装箱场地吊控制系统仿真 第二章 集装箱场地吊运动控制系统 2 . 1 集装箱场地吊介绍 2 . 1 . 1 集装箱场地吊结构图与原理 这里 研究的 控制 对象全 称是轮 胎 式集装箱龙门 起重机， 英文 r t g ( r u b b e r t y r e d g a n t r y c r a n e ) ，因多在堆场作业， 故 简称集装箱场地吊 ( 或场桥、 轮胎吊) 。 通过移 动大车，集装箱场地吊的吊 具可以 在三维空间运动，主要用在港口、码头的堆场等， 进行集装箱的装卸作业。 1 5 . 通道 、 1 1 . 吊具 .大车运行机构 梯子与平台 2 . 防台风固定缆绳 6 . 载重铭牌 1 3 . 电器单元 7 . 小车 3 . 大车框架 8 . 供电系统 4 . 柴油机房 9 . 小车限位 l 0 . h e a d b l o c k 1 2 电器房1 4 . 供电单元1 5 . 液压系统 图2 一1集装箱场地吊结构图 如图2 -1 所示， 底部轮胎起支撑整个场地吊 和行走的作用，柴油机房4 内主要 有柴油发电 机组和p l c从站，与柴油机房对应的是电器房，见1 2 , 1 3 ，电器房内 有 电 器设 备 和p l c 主站。 顶部 大梁的 右 端的 脱铃电 缆给 在大梁 ( g i r d e r ) 上行 走的 小车 8 提供电源。 小车机构沿大梁水平行走， 正下方是吊具机构1 1 ， 负责吊箱作业。 小车 平台上还载有供起升机构的电机和小车机构的电机，其下随小车一起移动的是驾驶 室，内有操控台、触摸屏和 p l c从站，驾驶员可以 在室内俯视下面的吊具进行远程 操 作。 作 业 流 程一 般 是， 岸 边 集 装 箱 装 卸 桥( q u a y s i d e c o n t a i n e r c r a n e ) 将 集装 箱 从 轮船上卸载到集卡上，由集卡托运到右侧标有5 1 8 0 ( m m)的车道，然后由 场地吊进 卜 海海事大学硕士论文集装箱场地吊控制系统仿真 行集装箱堆场的作业， 如堆箱、卸箱和翻箱。 控制过程从主令到p l c . 驱动器， 最后 去控制电动机。 2 . 1 . 2 主要参数及说明 基 本 参 数 额定起重量 4 0 t 驱 动 电 机 参 数 起升电机 数量 1 功率 1 5 0 k w 起升高度 1 5 . 2 4 m 转速7 5 0 / 1 6 9 0 r p m跨度2 3 . 4 7 m 小车电机 数量 2 堆箱层数 5 功率2 * 2 5 k w过箱层数4 转速1 7 6 5 r p m 起升速度 满载2 0 m p m 大车电机 数量 2 空载4 5 0 m p m 功率2 * 4 5 k w 大车速度 满载2 5 m p m 转速1 7 0 0 r p m 空载1 2 0 m p m 小车速度7 0 m p m 图2 -2 集装箱场地吊主要参数 以上是主要技术参数表，简要分类说明一下: 1 .额定起重量:额定起重量分吊具和起升货物的重量，习惯上不包括集装箱吊具在 内。 2 .尺寸参数: 起升高度指最大起升高度时吊具底端距离地面的距离;跨度指两侧轮 胎中心线之间的最大跨距;堆箱层数和过箱层数是最多可以堆放集装箱的层数和 吊具吊起集装箱时可以跨越的集装箱层数。 3 .速度参数:场地吊的 起升和小车运行的工作速度对装卸效率的影响最大， 而大车 和俯仰机构属于非工作性速度。起升和大车速度通常设计满载和空载两种速度， 单 位是 米每 秒( m p m ) ; 小 车 水平 在 大 梁 上的 移 动 距 离 在2 0 米以 内 ， 速度7 0 m p m o 4 .驱动电机参数:起升、小车和大车机构都采用交流异步电动机，采用的数量、功 率和转速见表，转速分额定负载和空载两种情况。 因仿真用到的监控、检测点较多，所以不提供监控点列表。 2 . 1 . 3 d -g 独立供电系统框图 因为集装箱场地吊需要经常移动作业地点， 所以 供电采用柴油机一发电 机组的这 种灵活的供电方式. 柴油机通过燃烧将化学能转化为热能， 推动活塞运动进而转化为 上海海事大学硕士论文集装箱场地吊控制系统仿真 机械能，再由 直线往复运动转化为圆周旋转运动，最终通过交流发电机转化为电能。 设定转速 ( 频率) 图2 - 3 d - g独立供电系统框图 由图2 -3 可知， d-g独立供电系统 ( d i e s e l - g e n e r a t o r )的输入是给定转速 ( 频 率) ，沿前向 通路经过电子调速器调速后，转为调节柴油发动机的油门开度，柴油发 动机将燃料化学能通过热能转化为动能， 发动机输出一方面引出作为转速反馈与输入 给定比较产生偏差 e作为控制信号，构成闭环控制系统使输出转速稳定跟随给定转 速， 另一方面， 柴油发动机输出作为同步发电机的输入， 将机械能转化为电能， 最终 产生三相交流电进入电网， 给场地吊 提供电 源。 另外， 为使输出交流电稳定， 常采用 自 动调压装置检测同步发电机输出并进行调压。 2 . 1 . 4 集装箱场地吊电气单线图 s x 3 x 万 3汀 3 其它 ups 照咧 操拉台 ( 联动台) 控创上令 . 、 “ 1 1 7 1产 八j 各安全份护 3汀 3 3j 3 u3 rym3 -m3 -k3 - u3 - p lcm pbo p l cw a 1 小牟2 小车1 大车2 大车1 柔起升 图2 - 4 集装箱场地吊电气单线图 由图2 -4 电气单线图可以看出， 此系统主要包括起升运行机构、 大车运行机构、 上海海事大学硕士论文集装箱场地吊控制系统仿真 小车运行机构和转向机构四大运行机构， 以及吊具机构。 粗线是电力能量供应， 细线 是信号线走向。 先看电力供应， 最上面虚线框内 是柴油发电 机组， 产生三相交流电 作 为电源，电能流向: 1 .通过4 0 0 / 2 3 0 v电压变换，给操控台、触摸屏、p l c , u p s 、照明等设备供电; 2 .三相交流电经整流后再经直交逆变给运行机构的三相电动机作变频电源: 3 .直接供给转向 和吊具的交流电机; 4 .经三相星形三角形变换，并整流后给闸提供直流电。 再看信号线， 驾驶室联动台给p l c发出命令 ( p l c主站带三个从站) ， p l c的输 入还包括各种安全保护限位， p l c的输出作为驱动器的输入， 驱动器主要起变频控制 器的作用，经过内部矢量变换处理后最终去控制异步电动机进行拖动作业。 2 . 1 . 5 各主要机构说明 下 面简要论述集装箱场地吊主要机构。 1 )起升机构 ( h o i s t ) 起升机构由电动机、高/ 低速轴联轴器、制动器、 减速器、卷筒、 导向滑轮、滑 轮组、 钢丝绳等组成， 此外还常设有重量限制器， 起升高度限位器等安全装置。电动 机经过减速器减速后带动钢丝绳卷筒转动， 从而使吊具升降。 卷筒正反转 ( 引起吊具 的上升或下降) 是通过改变电机的转向来达到的。 制动器通常安装在高速轴， 即电机 轴上。 这样所需的制动力矩小，因而制动器的尺寸小、 重量轻。动滑轮、静滑轮与钢 丝绳等组成了省力滑轮组。 以上是机械结构，电气信号包括: 输入:场地吊 准备就绪、起升上升厅 降命令、停止命令、大车/ 转向工作允许、主回 路4 0 0 v a c电源供电、2 4 v d c直流供电无故障、大车电动机接触器 1 / 2 ,驱 动器g 2 1 运 行 典升 / 大 车 ) 、 线圈 得电 起升 上升 / 下降 停止限 位、 起 升 保 护限 位、 己着床限位、吊具前/ 后位置碰箱、大车电动机接触器线圈、故障复位、起升 速度参考 ( 即主令)等 输出: 起升工作允许、 起升安全回路正常、 起升接触器的控制、 制动器松闸信号、 起 升速度设定 ( 给变频器) 、起升电机电流等 操控台主令给 p l c , p l c一方面通过斜坡函数跟随速度主令信号，另一方面检 测各限位、保护，给出起升机构运行允许和输出控制等信号，再经过变频驱动装置， 最后控制起升电动机作业。 2 )大车运行机构 ( g a n t r y ) 上 海海事大学硕士论文集装箱场地吊控制系统仿真 运行机构有两方面作用: 一是用来驱动车轮转动， 使起重机沿着轨道在水平方向 运行， 这个任务由机构的驱动装置来完成， 它包括电 动机、 制动器、 减速器和车轮组 件等组成; 二是起支承整台 场地吊的作用， 将场地吊上所承受的外载荷及起重机的自 重传递给轨道， 该任务是由 机构的支承装置来实现的， 它包括横梁、 均衡梁、 销轴和 车轮组件等。 输入:场地吊准备就绪、大车左千 对右行命令、停止命令、起升/ 0向工作允许、主回 路4 0 0 v a c电源供电、大车碰撞开关四角限位、吊具前/ 后位置碰箱、故障复 位、2 4 v d c直流供电无故障、大车速度参考 ( 即主令)等 输出:大车工作允许、大车接触器的控制、 大车安全回路正常、 制动器松闸信号、 大 车速度设定 ( 给变频器) 、大车电机电流等 场地吊大车和小车机构控制流程基本与起升相同， 不再赘述。 大车运行方向是通 过大车电动机正反转的改变来达到的。 3 )小车运行机构 ( m r o l l e y ) 使小 车 沿着 铺设 在主 梁 ( g ir d e r ) 上的 轨 道运 行的 机 构称 之为 小车 运行 机 构。 起 重小车由小车架及安装在其上的起升机构和小车运行机构组成，其驱动装置由电动 机、制动器、减速装置和车轮等组成。制动器常采用短行程交流电磁铁块式制动器。 输入: 场地吊 准备就绪、 小车前行 / 后行命令、 停止命令、 转向 工作允许、 主回路4 0 0 v a c电源供电、小车前行/ 后行保护限位、吊 具前 / 后位置碰箱、大车电动机接 触器线圈、故障复位、2 4 v d c直流供电无故障、小车速度参考 ( 即主令)等 输出:小车工作允许、小车接触器的控制、 小车安全回路正常、制动器松闸信号、小 车速度设定 ( 给变频器) 、小车电机电流等 场地吊小车的前行、后行是通过小车电动机正反转的改变来达到的。 4 )转向 机构 ( t u r n i n g ) 转向机构可使集装箱场地吊从一个堆场转移到另一个堆场， 使场地吊有一定的活 动范围。值得注意的是，集装箱场地吊只能沿0 度和9 0 度方向行走，也就是说，当 需要转向时，集装箱场地吊 先开车轮锁允许转向后，再旋转00度， 等转向完毕后再 次上锁以保证车轮前进直线运动。 转向 机构的驱动装置是液压装置。 输入:场地吊 准备就绪、司机室转向0 / 9 0度、大车转向 停泊位置命令、停止命令、 起升/ 小勒大车工作允许、主回路4 0 0 v a c电源供电、气缸 1 / 2 / 3 / 4 的0 / 9 0 度 限位、气缸1 / 2 / 3 / 4 开/ 闭锁限位、 停泊位置限位、 故障复位、 2 4 v d c直流供电 无故障、t u r n r e mo t e / l o c a l等 输出: 转向工作允许、转向安全回路正常、 转向油泵控制、转向油泵接触器、转向油 l 海海事大学硕士论文 集装箱场地 吊控制系统仿真 泵电机、气缸 1 ! 2 1 3 1 4 开/ 闭锁等 联动台对p l c发出命令，p l c检测其它机构运行及某些限位状态，判断出转向 运行允许等信号， 并根据命令控制电磁阀 和电机运转， 电机进一步带动泵等液压设备。 5 )吊 具机构 ( s p r e a d e r ) 吊具不属于四大运行机构，这里将它作为一个独立的机构表述。吊具包括导向、 连接、 悬挂、吊具前后倾斜及操纵控制装置等部件。 导向装置在吊具接近集装箱时 起 定位作用。 连接装置设有一个可以转动的旋锁， 挂住集装箱进行吊运。吊具通过金属 构架上的滑轮组和起升钢丝绳相连， 实现吊具的升降。 吊具回转装置允许吊 具在左右 作一定角度的倾斜，以便对准集装箱锁孔，所以常设有+5 o 的吊具倾斜装置。 至于吊具机构相关的各种电气信号、 限位等己在四大机构中用到， 并不单列说明. 2 . 1 . 6 电力驱动示意图 电湃 控制设备1七 二 之 9驱动器 c ; n 电 动机翩工作机构 图2 -5 电力驱动系统示意图 由图2 - 5 可见， 集装箱场地吊的电力拖动装置可分为电源、 控制设备、 驱动器、 电动机及工作机构五个组成部分，起升、小车和大车机构多采用这种电流驱动方式。 集装箱场地吊的电源采用主 ( 或辅) 柴油发动机带发电 机的d -g系统， 控制设备主 要是 p l c和控制台，变频驱动器给电 动机提供变频电 源，电动机采用三相鼠笼式交 流变频异步电 动机，工作机构指具体的各种机械运动机构。 2 . 1 . 7 液压驱动示意图 图2 -6 液压驱动系统示意图 l 海海事大学硕士论文集装箱场地吊控制系统仿真 此种方式拖动装置由电源、 控制设备、 液压装置和工作机构四个组成部分， 转向 和吊具机构采用该w动方式。 电网经接触器控制后， 驱动油泵把电能转换成为液体压 力能， 通过管线系统把油压经各种电 磁阀 件控制后传至各工作机构的液压马达或工作 油缸. 再把液体压力能转换成回转运动或直线往复运动的机械能， 最终实现吊具开闭 锁、车轮转向 等液压机构的动作。 所以液压装置输入为电能 ( 功率p ， 或电压电流) ， 输出为液压油的压力p o 2 . 2 仿真系统的建模 2 . 2 . 1 运行控制模型 场地吊控制系统中p l c 的功能主要包括逻辑控制和模拟量的解算。 p l c 主要特长 就是逻辑控制， 逻辑控制律根据命令信号和各种限位及条件产生允许、 使能等判断和 控制输出，相当于一个矩阵控制器。 输 入 : 主 令 控 制 器 ， 各 保 护 电 器 、 限 位 电 器 等( x x z 一了 = x ( 2 - 1 ) 输 出 : 控 制 量( 如 允 许 、 动 作 等 )( y , y z .y j= y ( 2 - 2 ) 逻辑控制律: y = a x ( 2 -3 ) ( 2 -3 )中关联矩阵a固定，它是一个布尔型逻辑矩阵，其中关联元素: 当x中对应元素有关联时 ( 2 -4 ) 当x 中对应元素无关联时 ，毛八钊 厂jt -一 社 a 通过不同的输入x ，可以得到不同的输出y 随着大型设备控制要求的提高， 操 纵控制律也越来越复杂，其中包括延时、计数、脉冲控制及模糊控制等。由于采用 p l c 对场地吊 进行控制或仿真， 所以 逻辑控制的仿真只要设计成与实际控制一致即可 达到目的。具体应用实例在第四章p l c 程序中介绍。 2 . 2 . 2 驱动器模型 ( 转速控制模型) 集装箱场地吊的大车、 小车和起升机构的电机采用变频驱动， 驱动装置称为驱动 器 ( d r i v e ) ， 用来控制电 机运转并完成变频调速的功能。 采用变频调速是为了满足不 同的生产要求， 电 机拖动生产设备运行时经常需要在电力拖动系统中人为或自 动地改 变电动机的转速， 亦即电 机调速。 从电动机机械特性来看， 调速就是通过改变电动机 的参数、 结构或改变供电电 源的参数来改变它与工作机械的机械特性交点。 先来看交 流异步电动机转子转速n 公式 ( 2 -5 ) : n = n o ( 1 - s ) = 6 0 f ( 1 - s ) / n p ( 2 - 5 ) 式中:f ; 定子供电电 源的频率; 七 海海事大学硕士论文 集装箱场地吊控制系统仿真 n , 电 动 机 的 极 对 数 ; s电动机的转差率。 分别改变上述三个参数对应着三种调速方式， 其中变频调速是笼式异步电动机获 取最佳调速性能所采取的方式， 变极调速和能耗转差调速这里都不再介绍。 变频调速 时 可 平 滑 地改 变f ， 即 可改 变 转 速。 . 采 用变 频调 速， 优点 是 可以 得 到很 大的 调 速范 围、良 好的调速平滑性和足够硬度的 机械特性， 缺点是需配各专用变频电 源， 低速段 电动机过载倍数大为降低。变频调速技术的关键是如何调制出可变频率的正弦波电 源。以上说明了为什么要采用变频调速。 实际的变频装置在驱动器内， 采用先进的矢量控制方式驱动异步电机。 变频调速 中发电 机的三相交流电经过整流器后变为直流， 然后通过脉冲宽度调制p w m 逆变器输 出频率可调的交流电，输出电压受逆变器中电力电子开关器件输入信号的控制。 再看一下变频技术的发展，它经历了变压变频 ( v v v f ) 、矢量变换控制 ( t r a n s v e c t o r c o n t r o l ) 、 直 接 转 矩 控 制( 交 一 直一 交) 和 矩阵 式 交 一交 变 频 的 过 程 。 交流驱动器的现状与趋势主要表现在: ( 1 ) 主电路功率开关元件的自 关断化、模块化、集成化，开关频率不断提高，开关损 耗进一步降低，体积更紧凑 ( 2 ) 各种d s p 微处理器大量使用， 可靠性提高， 整体性能增强 ( 3 ) 交流电动机变频控制主要体现在由 标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩 控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面 ( 4 ) 驱动器的易用性提高，安装及初始设置简单化 ( 5 ) 驱动器智能化，可编程，通讯选件丰富 图2 - 7 是场地吊的驱动器模型， 输入是p l c的速度给定命令， 经过速度给定选 择、限幅、 滤波环节处理后， 进入斜坡函数处理环节， 此环节内 有正、反向的加、 减 速a选择，实现程序化的软起动和软制动。 速度环包括速度比较、逻辑判断、 计算控 故障f 言 号 安全保护控脱 图2 -7 驱动器模型 制规律。 速度环的输出作为电流环的输入， 经过电 流矢量控制环节后最终控制电 机的 转速。 电 流矢量控制和电机需要用到变频器定序和定时器， 比如p wm控制等。 同时， 上海海事大学硕士论文集装箱场地吊控制系统仿真 如果有故障信号. 前四个环节还要有相应的故障处理， 而电机还需要p l c , 驱动器的 安全保护控制。 驱动器可以四象限运行，根据指令和当前电机状态自 动控制i g b t的触发信号， 当电机高速运行时， 控制手令减速或停车或反向运行， 驱动器自 动控制反向i g b t的 导通，并根据设定的最大制动电流值和减速时间的要求控制导通角让电 流流回电网， 完成回馈制动。当指令为零时， 驱动器判断电机转速是否回零，如转速较高， 则进行 回馈制动， 等到电机转速接近为零 ( 2 %的额定转速) 时， 驱动器输出制动逻辑信号， 控制电 机机械抱闸制动。 在抱闸 信号确认后，电 流才恢复为0 ，即i g b t 关断. 如减 速时间超过设定时间， p l c 立即控制制动，使电 机停止运行。 场地吊p l c的模拟量解算主要是转速控制， 起升、 大车和小车机构的数学模型是 类似的，这里以小车机构为例说明。 图2 -8 小车机构的驱动电机运动控制模型 由图2 -8 知，集装箱场地吊实际输入是控制台上的命令按钮和主令控制器 ( 万 向 操作杆) ，本仿真中输入由上位机组态软件的输入和触摸屏输入模拟实现.从数学 模型总体来看， 是一个典型的转速、电 流的双闭环调速系统。输入命令先给 p l c , p l c主要完成逻辑控制和转速