（轮机工程专业论文）船舶起货机plc复合控制的实现.pdf

中文摘要 摘要 船舶起货机是远洋船舶甲板机械最典型的设备之一。如果能够提供船舶电动 起货机现有设备的完整描述和所需性能的定量信息，将船舶电动起货机的工作过 程作为一个整体应用于轮机工程课程的项目教学，尽量实现真实的情境，达到理 论实践一体化，将使船舶电动起货机的工作原理、特点及其控制过程更加直观。 船舶电动起货机由起升( h o i s t i n g ) 、变幅( l u f f i n g ) 、旋转( s l e w i n g ) = 大 主要机构组成，h o i s t i n g 由m i c r o m a s t e r4 4 0 和交流异步电动机实现， l u f f i n g 由f m 3 5 4 和交流伺服电动机实现，s l e w i n g 由f m 3 5 3 和步进电机实 现。基于s 7 3 0 0 p l c 的船用电动起货机控制系统采用了先进的现场总线p r o f i b u s 技术，把变频器、功能模块、c p u 、人机界面t p 2 7 0 通过一根总线互连在起， 实现集中控制和管理。 船舶电动起货机p l c 复合控制系统的连续p i d 应用于h o i s t i n g ，步进p i d 应用于s l e w i n g ，脉冲宽度调制p i d 应用于l u f f i n g 。整个系统具有逐级平滑 起动、三级自动制动、逆转矩控制、操作频度限制、限位保护、联锁控制和防止 货物跌落，以及维修时间提示和历史参数查询等功能。功能模块本身具备欠压、 超压、过载、缺相等电机运行所需的保护，极大的简化了线路。整个系统的可靠 性和可维护性高，灵活性和扩展性方便。t p 2 7 0 操作界面显示控制过程和信息，方 便进行参数修改和故障查询，更有利于学员对船电业务知识的理解和接受。 关键词：船舶；电动起货机；p l c ；s t e p 7v 5 4 ；t p 2 7 0 英文摘要 a b s t r a c t m a r i n ec a r g oc r a n ef o ro c e a ns h i pi st h em o s tt y p i c a lo n eo ft h ed e c km a c h i n e r y i f w ec a no w nt h ec o m p l e t ed e s c r i p t i o no ft h ee x i s t i n ge l e c t r i cc a r g oc r a n ee q u i p m e n ta n d t h eq u a n t i t a t i v ei n f o r m a t i o no ft h en e c e s s a r yp e r f o r m a n c e ，t h ew o r kp r o c e s so fe l e c t r i c w i n c ha saw h o l ea p p l i e st om a r i n ee n g i n e e r i n gt e a c h i n gc o u r s e s ，t h er e a l i z a t i o no ft h e t r u es i t u a t i o na sf a ra sp o s s i b l et ot h ei n t e g r a t i o no ft h e o r ya n dp r a c t i c e ，s ot h a tt h e e l e c t r i cc a r g oc r a n ew o r k i n gp r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dc o n t r o lt h ep r o c e s si sm o r e i n t u i t i v e m a r i n ee l e c t r i cc a r g oc r a n ei s c o m p o s e do ft h r e em a j o rd e v i c e s ：h o i s t i n g ， l u f f i n g ，s l e w i n g h o i s t i n gb y m i c r o m a s t e r 4 4 0a n dt h ea c a s y n c h r o n o u sm o t o rt or e a l i z e ；l u f f i n gb yf m 3 5 4 a n da cs e r v om o t o rt oa c h i e v e ； s l e w i n gb yf m 3 5 3a n dt h es t e pm o t o rt oa c h i e v e b a s e do nt h es 7 3 0 0 p l cm a r i n e e l e c t r i cc a r g ow i n c hc o n t r o ls y s t e mu s e sa l la d v a n c e dp r o f i b u st e c h n o l o g y ，t h e f r e q u e n c yi n v e r t e r ，f u n c t i o nm o d u l e s ，c p u ，h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) t p 2 7 0 t o g e t h e rt h r o u g h ab u si n t e r c o n n e c tt oa c h i e v ec e n t r a l i z e dc o n t r o la n dm a n a g e m e n t m a r i n ee l e c t r i c - p o w e rc a r g oc r a n ec o m p o u n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do np l ca p p l i e s c o n s e c u t i v ep i dt ot h ec a r g oh o i s t i n gs y s t e m ，a p p l i e ss t e p i np i dt ot h ef o u n d a t i o n s l e w i n gs y s t e ma n da p p l i e sp u l s eb r e a d t hm o d u l a t e dp i dt ot h ej i bl u f f i n g s y s t e m t h ew h o l es y s t e mh a sm a n yf u n c t i o n s s u c ha ss m o o t h n e s s s t a r t - u p ， t h r e e - s t a g ea u t ob r a k es y s t e m ，r e v e r s et o r q u ec o n t r o l ，o p e r a t i o nf r e q u e n c yl i m i t e d ，l i m i t p o s i t i o np r o t e c t i o n ，i n t e r l o c ka n dc a r g of a l l i n go f fp r e v e n t i n g ，a n di n s t r u c t i o no ft h e t i m eb e t w e e nm a i n t e n a n c ea n di n q u i r yo fp a s tp a r a m e t e r t h ef u n c t i o n a lm o d u l e sh a v e m a n yp r o t e c t i o n sf o rt h em o t o rn o r m a lc o n d i t i o n ：u n d e r v o l t a g e ，o v e r v o l t a g e ，o v e r l o a d ， l a c kp h a s e ，s og r e a t l ys i m p l i f y i n gt h ec i r c u i t t h ew h o l es y s t e mp o s s e s s e sh i g h r e l i a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y ，f l e x i b i l i t ya n de a s ye x t e n s i o n t p 2 7 0i n t e r f a c ed i s p l a y c o n t r o lp r o c e s sa n di n f o r m a t i o n ，t of a c i l i t a t ep a r a m e t e r sm o d i f i c a t i o na n df a u l td i a g n o s e ， s os t u d e n t sc a l lm o r ec o n d u c i v eu n d e r s t a n da n da c c e p ts h i pp o w e rk n o w l e d g e k e yw o r d s ：s h i p ；e l e c t r i cc a r g oc r a n e ；p l c ；s t e p 7v 5 4 ：t p 2 7 0 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 = = 丝照起筮扭曼复盒撞剑的塞堡：。除论文中已经注明 引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名：刁 壕喀导师签名：晰， 日期：i 伊t ，罗年6 月27 日 船舶起货机p l c 复合控制的实现 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 基于传统的船舶起货机，主要有电动式、液压式、电一液式；就船用起货机的控制 方式而言，主要有继电一接触器式、集成电路式、单片机式，随着p l c 技术的发展，p l c 在船舶起货机上的应用越来越广泛。目前，船舶起货机的控制注重于逻辑时序控制，其 调速方式多为有级变极三速调节，无级调速多应用于液压式或g m 系统的起货机，变 频调速在船舶起货机上的应用较少。通常情况下，船舶起货机的机械、控制和电气设计 的工作是独立进行的，机械功能与控制系统的结合并不是最理想的，只是够用而已。虽 然已经有了很多有助于机电一体化运动控制系统设计及发展的关于仿真软件、项目管理 工具和协作软件的著述，这些工具是发展项目的重要和潜在的主要部分，却仍不能与优 良超前的计划及工程学相提并论【l 】。机械、电气以及软件工程的集成正在改变运动控制 设计及其发展的面貌。这就要求提供船舶起货机现有设备的描述，详述合格的性能范围 并阐明其必须达到的效果，而不是告诉船员怎样实现这个结果。然而，现在的船用起货 机没有提供所需性能的定量信息，没有所要连接的机械的完整描述。 船舶起货机是远洋船舶甲板机械最典型的设备之一。其结构复杂，难于管理，专业 性强，不易掌握【2 】。船舶起货机多采用传统的继电器接触器控制系统，该控制方式故障 率高，可靠性和可维护性差，灵活性和扩展性也很差，所以有必要采用先进的p l c 控 制技术来取代。文献 3 9 】己把继电器接触器控制系统和p l c 控制系统的优缺点进行了 详细的比较分析。船舶起货机的安全保护主要依靠机械限位，缺少软件方面上的安全评 估和超前保护。船舶起货机的操纵需要使用者全身心地投入工作，缺少软件上的预测控 制，不能有效防止操纵失误而导致的货物跌落或货物撞地现象。因此船舶起货机的控制 应重点考虑使用者的经验不足，这需要软件开发来补充和完善，本文增加了光电开关传 感器，感知被升降货物的位置和速率，系统安全性极大增强。另一方面，基于p l c 的船 舶电动起货机明显提高了系统的安全可靠性、稳定性，并降低了维修成本。 在海事教育和培训机构中，船舶起货机的教学内容滞后，缺少相应的实操训练内容， 进行船舶电动起货机的实物仿真也很少。利用课堂讲授专业知识、控制线路分析和简单 的电力拖动实训，缺少专门的船舶起货机实训中心，致使学员很难从理论方面掌握船舶 第1 章绪论 起货机的专业知识，不能深入理解船舶起货机系统的动作过程，达不到培养学员的实际 操作和分析问题、解决故障的能力。因此，实现船舶起货机p l c 复合控制，研制船舶 电动起货机的实物仿真设备，增加典型的变频、伺服和步进控制的电力驱动技术，应用 于轮机工程的教学与实践，使电力拖动、船用起货机的教学更加具体、生动。船舶电动 起货机实物仿真增加了软件和硬件的故障设置功能，以提高轮机员对起货机的故障分 析、维修和管理水平。增加h m i 触摸屏，以显示控制过程和信息，方便进行参数修改 和故障查询，更有利于学员对船电业务的理解和接受。 另一方面，船员培训教育课程的本质特征是工学结合，学习的内容是工作，通过工 作实现学习，因此，船舶电动起货机的课程应将船舶起货机工作过程作为一个整体看待。 为了提高学员的综合职业能力，船舶起货机应用于项目教学过程，尽量实现真实的情境， 进行有效的小组学习，达到理论实践一体化。本文研制船舶起货机实物仿真系统，让学 员更直观的了解船舶起货机的工作原理、特点及其控制功能，全面掌握船舶电力拖动系 统的专业知识，实现开放性的、设计导向的基于工作过程的教学任务具有重要意义。 1 3 课题研究的主要内容 本文选择的研究对象是远洋船舶电动起货机，恒功率型和恒转矩型。根据功能相同、 几何相似的原则，利用s 7 3 0 0 p l c 系统对船舶电动起货机进行实物仿真，建立货物升降 变频机构、变幅伺服机构和回转步进机构，增加t p 2 7 0 触摸屏对系统进行监控。变频器 部分应用了p i d 算法，s t e p 7v 5 4s p 4 承担主要的逻辑时序程序控制和信号的输入输出 通道，p r o t o o lc s i r tv 6 0s p 3 实现界面监控。主要研究内容包括： ( 1 ) 电动起货机功能分析 ( 2 )电动起货机的逻辑时序程序控制 ( 3 ) 货物升降变频控制 ( 4 ) 变幅伺服控制 ( 5 ) 回转步进控制 ( 6 ) t p 2 7 0 监控界面制作 ( 7 ) 结论 船舶起货机p l c 复合控制的实现 第2 章船舶电动起货机系统设计 船用电动起货机由起升、变幅、旋转三大主要机构组成，有重物起升控制手柄、变 幅旋转控制手柄( 两者共用一个操纵手柄) 、吊臂、钩头、绳索、限位开关等机械部 分，能完全实现船用电动起货机的所有工作状况和操作方式。起升机构采用西门子交流 变频电机来驱动，变幅采用西门子交流伺服电机驱动，旋转采用西门子步进电机驱动。 2 1 船舶电动起货机p l c 系统 电动起货机整个控制系统采用西门子s 7 3 0 0p l c ，其系统如图2 1 所示，控制过程 如图2 2 所示。控制器通过i o 模块控制变频器、交流伺服电机和步进电机。i o 模块具 有模拟量接地、断线检测功能。人机界面采用西门子触摸屏t p 2 7 0 ，能够显示系统的各 种工作状态，报警信息，并可以通过触摸屏设置系统参数。还可实时显示系统的负荷大 小、运行方向、速度和运行位置，保证系统的可靠性。 起拜宅挝 ( 起力机构j 们彪电机 ( 垒瓿# 粕) 步斌宅栈 ( 疑转机姆) 图2 1 船用电动起货机系统图 f i g 2 1m a r i n ee l e c t r i cc r f l l l es y s t e m 图2 2 船用电动起货机流程图 f i g 2 2m a r i n ee l e c t r i cc r a n ef l o wc h a r t 第2 章船舶电动起货机系统设计 2 2 船舶电动起货机p l c 的i o 接线 船舶电动起货机p l c 输入输出接线如图2 3 和2 4 所示。控制系统的核心采用西门 子c p u 3 1 5 2 d p ，p l c 主要实现如下功能：起货机的货物升降控制、旋转控制、变幅控 制，高、中、低速的切换；刹车抱闸控制；监控各负荷开关及限位开关状态，实现对起 货机的安全控制；控制报警系统；速度、位置、负荷控制等等。整机的供电为3 8 0 v a c 5 0 h z ，驱动系统采用西门子m m 4 4 0 驱动交流变频电机，实现电机的变频矢量调速。控 制电源的接通，必须在无故障状态下，且主令控制器在零位时才可以实现。而出现故障 停机后的复位再启动，要求主令控制器回零位且故障消除后才允许。 6 es7 3 2 1 一 b h 0 2 一o a a o 2 ? 譬譬 ； 女 s s 叫 图2 3 船舶电动起货机p l c 输入接线图( 1 ) f i g 2 3m a r i n ee l e c t r i cc r a n ep l ci n p u tw i r i n gd i a g r a m ( 1 ) 船舶起货机p l c 复合控制的实现 囊 糍 秀 裁 图2 3 麓囊麓鬟 船舶电动起货机p l c 输入接线图( 2 ) f i g 2 3m a r i n ee l e c t r i cc r a n ep l ci n p u tw i r i n gd i a g r a m ( 2 ) 图2 4 船舶电动起货机p l c 输出接线图( 1 ) f i g 2 4m a r i n ee l e c t r i cc r a n ep l co u t p u t w i r i n gd i a g r a m ( 1 ) - 5 - l i + 球1 3 ，, ，0 d i 弋拳叫l _ i 弋拳| 了一 ：j：j二1 ，l ：7s，秘 ( )o( )( )( )( )o ( )( )o 6 e s 7 3 2 1 一t 3 h 0 2 0 a a 0 9 oo( )( )( )( )( )( )( )o ；14 ； 6 ： lf 嘲：2 专孓暑暑暑 鬈缝缸糍 夔辩搿爱鳐拜 菇瓠万瓠旋转歼极 起拜拜钒 雯蓑务z_鬻拳，簧麓摹宣；t曩器 菇建蘩 篓耄寿孛蓬秀舞芝妾 - l! o 狲| q 1 占q 1 占o l 占q 1 占q 1 占q 1 5 占jq 1 占q 1 争 oooooooooo 6 s 7 3 2 2 一i b h o l 一0 盎a o ( )ooo( ) ( ) o( ) ( ) o ， ij45il ；。4 狲|q导ooq哗o1q寻02q 斗0 3 ：午对| | 茂鬟尹覆莲嚣秀巍雯餐矛巍踅务矛曩 第2 章船舶电动起货机系统设计 巷 主右 震鸶 噻 l 1 一 楚麓 异示 垂 辨i岬i洲甲tq301 q 3 11q 3 2q 澈3 3 司q 3 4 q 3 5 q 。届q 。， 辨岬洲甲澈 ；】：2：1 ：jl ：。i：，2 j oooooooooo 6 e s 7 3 2 2 一l b h o l 一9 a a 0 ooooo0oooo ：j j i ： l； a 。i + 三三乏i q 叫2 ；4 辜o 州2 3 ，串州；辜撕 旯备 孽舅 并 图2 4 船舶电动起货机p l c 输出接线图( 2 ) f i g 2 4m a r i n ee l e c t r i cc r a n ep l co u t p u tw i r i n gd i a g r a m ( 2 ) 2 3 船舶电动起货机实现的功能 ( 1 ) 、起升机构控制货物的上升和下降，并有高速，中速，低速三种速度档选择。三 种速度档的速度值可调，并在每种速度区内实现无级调速。通过操作货物起升机构需要 操纵手柄( 电位器式，4 5 k q ) ，产生和发送正转反转( 升货落货) 、停车、起动开 关量操纵信号，产生和发送速度设定模拟量信号( 1 0 v + 1 0 v ) ，经p l c 处理后再以 4 2 0 m a 传送到变频器，驱动电机运转。 ( 2 ) 、升货、落货控制过程采用闭环控制。根据起货机的运行环境，选配了磁脉冲传 感器，通过p l c 的高速计数模块采集速度信号，进行显示和控制。启停时的加减速率 ( 大小) 值通过触摸屏来设定，但不能超出允许的限制范围。应急操纵时( 如手柄从零 位突然扳到高速时，加速时间不超过2 5 s ) ，取消速率限制，以最快速率变化。 ( 3 ) 、实现机构的逐级平滑起动：当操纵手柄突然从零位扳至高速时，首先低速运转 后松闸，1 0 s 后中速，1 5 s 后高速，与操作者扳动主令手柄的速度无关。在换档过程中 船舶起货机p l c 复合控制的实现 保持速度转换的连贯，保证在换档中不出现抱闸现象，也不会出现自由状态，避免电机 过载及自由落货。 。( 4 ) 、实现机构的三级自动制动停车：当控制手柄突然从高速扳到零位时，立即选择 低速且换向接触器维持闭合，获得再生制动；o 6 s 后抱闸刹车，再生制动和机械制动同 时进行；再过o 3 s 后取消低速且换向接触器断开，实现单纯的机械制动。 ( 5 ) 、系统设有“紧急停车按钮”，实现应急状态下停车。有“应急按钮 ，当风机 保护时允许控制起升电机低速落货。“应急操纵 不设按钮，通过操纵手柄“下降高速 一一零位一一上升高速 的切换时间( 不超过0 6 s ) 来鉴别。 ( 6 ) 、实现逆转矩控制：在高速档突然换向时，如从上升高速突拉到落货高速，首先 实现三级制动，在抱闸0 5 s - - 一o 6 s 后再反向逐级延时起动。 ( 7 ) 、具有失压保护，断相保护，过热保护及短路保护功能。当出现保护状态时，自 动进入“紧急停车状态，需将操纵手柄回零且故障消除后才能复位。 ( 8 ) 、具有提升重物超载保护功能。在系统中安装负荷检测传感器，通过检测起升电 机电流，防止满载时进入高速运行。当在高速时出现超载，立即转入低速运行，防止重 载高速提升或超速下落。货物重量超过电动起货机的最大起升能力时，系统停止起货， 并发出声光报警。最大起升报警值在软件内部设置。 ( 9 ) 、具有起升和下降的运行极限保护功能，机构的断电制动功能，起升系统的运行 状态除在触摸屏上显示以外，还在柜体面板上以指示灯的方式显示。 风机、风窗、主电机之间具有连锁控制。当风窗未打开时，风机不允许起动；而风 机停转，不允许起货机运行。通过检测电机电流值来判断电机是否过载，过载时自动切 换到低速运行；当货物重量超过大负载允许值时，或电机高温，则禁止上升只允许下降 放下货物。 为了防止正反转频繁起停危害主电机，设置操作频度限制。当每分钟操作次数达到 1 0 次( 或由程序设定) 后，高、中速被锁住，系统被自动限制在低速运行，发出声光报 警。消声后，蜂鸣器停响，此指示灯仍闪亮，等两分钟后，且控制手柄回零才能复位。 故障发生后，对应设备的故障指示灯闪亮，( 脉冲时钟控制，通过脉冲频率区分是故障 还是限位) 。操作者按应答按钮后消声，蜂鸣器停响；按确认按钮后，故障报警灯由频 闪变平光，故障消除后故障报警灯熄灭。 第2 章船舶电动起货机系统设计 变幅机构由交流伺服电机驱动，旋转机构由步进电机驱动，它们实现功能有：变幅 旋转控制手柄应为一个手柄，实现变幅机构的增幅、减幅与加减速调节；实现机构运 转的逐级平滑起动；实现机构的自动制动：实现逆转矩控制；具有失压保护，断相保护， 过热保护及短路保护功能；机构的运转限位保护，防止机构超出最大变幅允许位置。由 于本系统有机械执行机构，如选用角度传感器作为位置检测，需安装减速箱。若在系统 中选用了编码器作为位置检测元件，当系统上电时，默认当前位置为变幅的中间位置， 可在运行中通过编码器的脉冲信号确定系统的实际位置。 2 4 船舶电动起货机控制系统的硬件配置 起升机构采用西门子交流异步电机来驱动，变幅采用西门子交流伺服电机驱动，旋 转采用西门子步进电机驱动，三种电机分别采用西门子m m 4 4 0 变频器【9 - 1 2 】、f m 3 5 4 特 殊功能伺服控制模块+ 伺服电机陋1 8 】和f m 3 5 3 特殊功能模块+ 步进驱动器【1 9 之4 】进行驱动 和控制。以上配置属于西门孑的典型驱动，广泛应用于各种电力驱动场合。智能模块 m m 4 4 0 、6 s e 7 0 、f m 3 5 3 使它们所驱动的电机具有更多的工作方式、更好的调速性能、 更多的问题解决方案【2 5 1 。它们本身具备欠压、过压、过载、缺相等电机运行所需要的所 有保护功能，其智能功能如矢量方式可以保证逆转矩控制、刹车方式为再生制动等，极 大的简化了电机控制线路。保证电机运行更加安全和高效的同时减少了电机的维护工作 量【2 6 。1 1 。 基于s 7 3 0 0 p l c 的船用电动起货机控制系统采用了先进的现场总线技术 ( p r o f i b u s ) ，把变频器、c p u 、主站( t p 2 7 0 ) 通过一根总线互连在一起，实现集 中控制和管理【3 2 0 4 1 。这种基于r s 4 8 5 通讯协议的p r o f i b u s 的使用使得控制线路更加 简单，通常情况下，从p l c 到变频器只需一根总线便可完成任何复杂的控制方式，比 之以前繁杂的端子接线方式，线路故障的发生率大大降低【3 5 瑚】。此外，p r o f i b u s 为国 际通用的一种通讯协议，大多数工控公司的产品都支持这一协议，其良好的开放性和可 扩展性使本系统可以轻松的融入任何一p r o f i b u s 网络进行集中管理，或作为主站控制 任何一个带有p r o f i b u s d p 的智能元件【3 9 】。整个系统如图2 5 2 9 所示。 船舶起货机p l c 复台控制a 实现 qo 国 o o 霸 囊 o 一b - 迭 一一磕? 圈2 6 船用电动起货机硬件组成 f i g26m a r i n ee l e c t r i cc r a n eh a r d w a r e 第2 章船舶电动起货机系统设计 x l , q 嬲 翻 期 黔3 p s 3 d t - e * s a 毫嚣缓援 c 雕3 1 5 - 2 d p i 熬字量辕入援援 菊熬字量餮墨模覆 6 醋，3 0 7 一! 融0 9 q n 0 6 e s 7 3 1 2 辐i 簪- o a b o 6 弱73 2 1 - i 粥0 2 - 0 矗 e 6 8 73 2 2 - i b h 0 1 _ 电五矗0 | 声l l 翟臻萋转入模嫒 c i 赛速肯羧器楗援 s 皈佐嗔媛 图2 7 船用电动起货机p l c 模块组成 f i g 2 7m a r i n ee l e c t r i cc r a n ep l c m o d u l e s 6 e s 7 3 3 1 - 7 烀0 2 - 觚b o 6 彗? 3 j p i a e 0 扣0 a e 0 s e s 7 3 5 朝a 啪1 o a d 嚣 掘 童 一 盼l 嘲呦垂 毒 嘲ii q j 罐茹叠 客i 歙x釜g 扔奄a；震张、d 钎l i 蛊#麓：- 奢嘲霉i 翅l g 。l 陇衍 1| | 图8电动起货机变频伺服系统图 fg28 mrineeectriccane fequency cnversionservosstem 茳 2 瞠 船舶起货机p l c 复合控制的实现 籀眩 n 2 髓 图2 9 电动起货机步进系统图 f i g 2 9m a r i n ee l e c t r i cc r a n es t e p - d r i v es y s t e m 2 5 小结 本章介绍了船用电动起货机的系统设计、硬件组成、系统接线和实现的功能。起升 机构采用西门子m 4 4 0 变频控制，变幅采用西门子6 s e 7 0 ( m c ) 伺服控制，旋转采用 西门子f m 3 5 3 特殊功能模块+ 步进控制，采用先进的现场总线技术( p r o f i b u s ) ，把 变频器、功能模块、c p u 、主站( t p 2 7 0 ) 通过一根总线互连在一起，由此节省了大量 电缆，实现集中控制和管理，表明本文设计的船用电动起货机控制系统具有先进性和可 靠性。 第3 章船舶电动起货机p l c 复合控制的研究 第3 章船舶电动起货机p l c 复合控制的研究 3 1 船舶电动起货机p l c 控制系统的优点 s t e p 7v 5 4s p 4 集成了逻辑控制、闭环运算、变频、伺服和步进控制的一种现代、 面向对象和类型安全的编程语剖4 0 1 。p l c 的作用是执行用户应用程序，将程序中的各个 操作项转变成外部的控制电压电流。p l c 接收来自行程开关、光电开关、接近开关、 按钮等开关量输入和1 - 5 v 、4 - 2 0 m a 等模拟量输入信号，这些信号使p l c 应用程序能对 生产过程中出现的情况做出正确的逻辑控制反应。p l c 运行时，通过p r o f i b u s 现场 总线把c p u 、起升部分( 变频) 、变幅部分( 伺服) 、旋转部分( 步进) 和t p 2 7 0 联系起来， 使p l c 随时得到电动起货机系统的每一个动作信息，p l c 做出相应的程序响应。在触 摸屏上修改或设定参数时，无需停机和中断任何正在执行的操作。如果修改参数时，与 之有关的设备正处于运行状态，那么该设备在下次运行时，将执行新的参数。 应用p l c 控制电动起货机的工作过程，取得了理想的效果【4 1 4 3 1 。系统的结构组成 灵活方便，功能完善，具有自诊断、监控等功能。安装、调试简便，当过程或控制功能 调整时，只须修改应用软件即可，无需停机或改变硬件线路。维护量很少，p l c 系统的 故障率9 8 以上都是外部现场设备，p l c 硬件寿命在5 0 万小时以上，发生问题更换插 件，迅速方便【4 4 1 。培训、操作容易上手，学过船舶电气设备知识的学生能很快掌握操作 方法，不用担心误操作。 3 2 船舶电动起货机运动控制的研究 基于传统的船舶电动起货机的应用经验，单独的机械、控制和电气设计的工作是独 立进行的，机械功能与控制系统的结合只是够用而已。机电一体化提供了更有效的设计 方法，但是，先进的计算机技术与起货机的结合并不是最理想的。电动起货机系统的电 动机定子及其电枢、轴和负载，应用于运动控制设计时不知如何入手，电动起货机说明 书在某种意义上说有些模糊，没有提供足够的信息进行基于p l c 的船用电动起货机运 动控制。因此，船用电动起货机的教学必须提供现有设备的描述、详述合格的性能范围 并阐明船舶电动起货机p l c 控制达到的效果。 船舶起货机p l c 复合控制的实现 基于工作过程的课程开发，要提供尽量真实的教学环境，达到理论实践一体化，因 此，研制船舶电动起货机p l c 控制系统，除了具备克令吊的功能外，还要体现电力拖 动中典型的变频、伺服和步进驱动功能。具备实物仿真的船舶电动起货机p l c 控制系 统，能够提供关于起货机、典型驱动所需性能的定量信息和所要连接的机械的完整描述， 因此，综合提供船电专业的知识是一种最好的基于工作过程课程开发的解决方案。 本文将船舶电动起货机控制任务划分为三个独立任务，即h o i s t i n g 、l u f f i n g 和s l e w i n g ，每一个任务可以作为一个单元来进行工作。流程图提供了划分工程设计 项目的一种方法，如图2 1 、2 2 ，里面的方块表示共同工作以完成整项任务的子系统， 各方块之间的互联，用于方块间可能的信息、物理相互作用或物质对象的传递。方块不 表示单个对象，而表示子系统，它们是黑盒子，可以打开它进行编程、修改。然而，在 这些黑盒子里面放入哪些高级模块，正是传统工程学所遇到的难题。船舶电动起货机涉 及到机械、电气电子、控制理论和p l c ，工程学课程不可能培养出受过高等训练的专家， 现在的机电一体化及运动控制系统中，这些传统学科中的任何一个都不能胜任这项工 作。因此，海事院校培养的轮机工程专业的学生，需要接受多重训练，要了解构造设计、 自动控制以及软件，还要懂得机电一体化所有的不同学科，懂得所有这些不同学科之间 的联系，具备对可用选项进行评估的能力。 船舶电动起货机进行了所有定性考虑之后，应该采用定量模型进行研究。定量模型 的主要形式是动力学方程，而动力学方程是广义坐标下的运动方程，能帮助处理起货机 h o i s t i n g 、l u f f i n g 、s l e w i n g 上下、前后及左右对应的坐标系统，每个变量都可 以一个通用的等同量来计算。大部分等同量都与约束方程相关联，这可以减少运动方程 的个数。系统的自由度就是当所有约束都被考虑之后所剩下的变量。运动方程可以用实 际角坐标形式写出，但结果会更复杂，应使用辅助参数来求解，然后将解重新转换为绝 对坐标( 实际负载和目标夹角) 。本课题采用交叉功能设计法，实现了船舶起货机的 p l c 控制系统。 3 3s 7 - 3 0 0 p l c 中p i d 控制器 组态大量模块组成的控制器，可以完成带有p i d 算法的实际控制器【4 5 郑】。控制效率， 即处理速度取决于所使用的c p u 性能。对于给定的c p u ，必须在控制器的数量和控制 第3 章船舶电动起货机p l c 复合控制的研究 器所需要执行频率之间找到一个折衷方案。连接的控制电路越快，所安装的控制器数量 越少，则每个时间单位计算的数值就越多。对于控制过程的类型没有限制，控制系统的 静态性能( 增益) 和动态性能( 滞后、空载时间、积分常数等) ，都是设计系统控制器 及其静态参数( p 操作) 和动态参数( i 、d 操作) 的主要因素。控制器的类型和特性如 图3 1 所示。 控制系统的属性由技术过程和设备条件决定，因此，为了获得良好的控制效果，必 须选择最适用的系统控制器。如：连续控制器输出一个线性( 模拟) 数值，开关控制器 输出一个二进制( 数字) 数值。定值控制过程，只需修改一下参考变量，基于过程偏差 的控制。串级控制系统，控制器串级连接，如图3 2 所示，第一个控制器( 主控制器) 决定了级联控制器( 从控制器) 的设定点，或者根据过程变量的实际误差确定设定点。 混合控制器根据每个被控组件所需要的设定点总数量，来计算总s p 数量的一种控制结 构，其混合系数f a c 的和必须为“1 ，如图3 3 所示。 可以使用控制器作为单独的p i d 定点控制器或在多循环控制中作为级联控制器、混 合控制器和比例控制器使用。控制器的功能基于带有一个模拟信号的采样控制器的p i d 控制算法，如果必要的话，可以通过脉冲发送器( p u l s e g e n ) 进行扩展，以产生脉冲 宽度调制的输出信号，来控制比例执行机构的两个或三个步进控制器。 功能块( s f b 4 1 f b 4 1 ，s f b 4 2 f b 4 2 ，s f b 4 3 f b 4 3 ) 仅仅使用于s 7 和c 7 的c p u 中的循环中断程序中，该功能块，定期计算所需要的数据，保存在指定的d b 中( 背景 数据块) 。允许多次调用该功能块。c o n tc 块与p u l s e g e n 块组合使用，可以获得 一个带有比例执行机构脉冲输出的控制器。s f b 4 1 f b 4 1 ( c o n tc ) 为连续控制方式，应 用于起升机构控制环节；s f b 4 2 f b 4 2 ( c o n ts ) 为步进控制方式，应用旋转机构控制环 节；s f b 4 3 f b 4 3 ( p u l s e g e n ) 为脉冲宽度调制器，应用于变幅机构控制环节。 在w i n d o w s 操作系统中，调用“调试p i d 参数用户界面”的操作过程为：“s t a r t s i m a t i c s t e p7 p i dc o n t r o lp a r a m e t e ra s s i g n m e n t ，在开始的对话框中，既可以 打开一个已经存在的f b 4 1 s f b 4 1 “c o n tc ”或者f b 4 2 s f b 4 2 “c o n ts ”的背景 数据块；也可以生成一个新的数据块，然后分配给f b 4 1 s f b 4 1 “c o n tc ”或者f b 4 2 s f b 4 2“c o n ts ”作为背景数据块。f b 4 3 s f b 4 3 “p u l s e g e n ”没有参数设置的用户 界面工具，必须在s t e p7 中去设置其参数。使用相应的背景数据块调用系统功能块， 船舶起货机p l c 复合控制的实现 系统功能块的参数保存在背景数据块中，可以通过d b 编号和偏移地址、数据块编号和 数据块中的符号地址两种方式访问s f b 参数，s f b 必须在重新启动组织块o b l 0 0 中和 循环中断组织块o b 3 0 3 8 中调用。 y 毫 图3 1 控制器的类型和特性 f i g 3 1t y p ea n dc h a r a c t e r i s t i co f c o n t r o l l e r 第3 章船舶电动起货机p l c 复合控制的研究 控制 !过程 图3 2 串级控制系统 f i g 3 2s e r i e s s t a g ec o n t r o ls y s t e m 图3 3 混合控制系统 f i g 3 3 m i xc o n t r o ls y s t e m 3 4 船舶电动起货机中的p id 功能块 3 4 1h o i s t i n g 一连续调节功能s f b 4 1 f b 4 1 “c o n t c ” 用于连续的i o 变量在s i m a t i cs 7 系统中的控制过程，可以通过参数打开或关闭 p i d 控制器来控制系统。除了设定点操作和过程数值操作的功能以外，s f b 4 1 f b 4 1 ( c o n tc ) 可以使用连续的变量输出和手动影响控制数值选项，来实现一个完整的p i d 控制器。s f b4 1 f b4 1 “c o n tc 有一个初始化程序，可以在输入参数c o mr s t = t r u e 置位时运行。在初始化过程中，积分器可以内部设置为初始值“ii t l v a l ”。 如果在一个循环中断优先级调用它，它将从该数值继续开始运行，所有其它输出都设置 为其缺省值。 船舶起货机p l c 复合控制的实现 p i d 算法作为一种位置算法进行控制。比例运算、积分运算( i n t ) 和微商运算( d i f ) 都可并行连接，也可以单独激活或取消。允许组态成p 、p i 、p d 和p i d 控制器，也可 以是纯i 和d 调节器。为了抑制由于被控量的量化引起的小的、恒定的振荡，将施加一 个死区( d e a d b a n d ) 。在手动模式下，被控量被修改成手动选定的数值，积分器( 烈t ) 内部设置为“l m n l p d i s v ，微商器( d i f )内部设置为“0 ，并进行内部匹 配，这样切换到自动模式时不会引起被控量的突变。使用l m n l i m i t 功能，被控数值 被限制为一个所选择值，当输入变量超出极限值时，将有信号位指示。被控数值也适用 于外围设备( i 0 ) 格式，“c p ro u t 功能可以将浮点值“l m n ”转换为一个外围设 备值。“设定值通道”和“过程变量通道”中的参数，应该有相同的单位，若p vi n 作为“过程物理值 或者“过程物理值百分比”，则s pi n t 必须使用相应相同的单位； 若p vp e r 作为外围设备的实际数值，s pi n t 只能使用“1 0 0 0 至+ 1 0 0 0 ( ) 作为 设定值。 3 4 2s l e win g - 步进控制功能s f b 4 2 f b 4 2 “c o n t s 用于二进制数控数值输出信号积分执行机构的控制过程。通过参数赋值工具，可激 活或取消p i 步进控制器的子功能，使步进控制器与过程匹配。使用该控制器作为单独 的p i 定值控制器，或者在辅助控制循环( 第二级闭环) 中作为级联控制器、混合控制 器或者比例控制器使用，但不能用作主控制器( 第一级调节器) 。该控制器的功能根据 采样控制器的p i 控制算法实现，由模拟执行信号生成二进制输出信号。利用t i = t # o m s ，可以封锁调节器的积分分量。由于该控制器不使用任何位置反馈信号，内部计算的 被控变量将不能准确地匹配信号控制元件的位置。如果被控变量( e r r o r * g a i n ) 为 负值，