船舶起货机的PLC复合控制设计.doc

船舶起货机的PLC复合控制设计摘要船舶起货机是远洋船舶甲板机械最典型的设备之一。起货机的工作质量如何直接影响船舶的装卸速度, 进而影响到船舶的航行周期。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、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。船舶起货机结构复杂，难于管理，专业性强，不易掌握。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PLC控制技术来取代。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：电源、中央处理单元(CPU) 、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块。可编程控制器(PLC)是一种工业控制用计算机，特别是模块化结构的PLC具有体积小、设计灵活、运行可靠、性能/价格比高等特点，并且可便地与上位机通讯，在工程自动化中得到广泛的应用。借助于大中型PLC可实现现场控制工作站和集中管理计算机相结合的结构。基于S7.300系列PLC的船用电动起货机控制系统采用了先进的现场总线PROFIBUS技术，把变频器、功能模块、CPU、人机界面TP270通过一根总线互连在一起，实现集中控制和管理。TP270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：船舶起货机；PLC；复合控制；TP270Abstract Shipping cargo crane ocean ship deck machinery is one of the most typical equipment。Cargo crane may directly influence the quality of the work of ships, and furthermore influence the loading and unloading speed ship sailing cycle。 By the Marine electric cargo crane hoisting, luffing, rotating three major mechanism composition, have heavy lifting control handle, luffing。 Rotary control handle (both Shared a control handle), the arm, hook head, rope, limit switch, can fully realize the mechanical parts of the Marine electric cargo cranes all work condition and operation mode。 Shipping cargo crane structure is complex, difficult to management, professional and strong, is not easy to master。 Shipping cargo crane used more traditional relays。 Contactor control system, the control mode high failure rate, reliability and maintainability poor, flexibility and expansibility also is very poor, so necessary advanced PLC control technology to replace。PLC is essentially a special in industrial control computer, its hardware structure with microcomputer is same, basically, basic structure for: power supply, the central processing unit (CPU), storage, input/output interface circuit, function module, communication module. Programmable controller (PLC) is a kind of industrial control computer, especially with modular PLC has small, are designed to be flexible, reliable operation and performance/price ratio is higher characteristic, and can then with PC communications in engineering automation widely applied。By large and medium-sized PLC and realizing scene control workstations and centralized management of combining computer structure。Based on S7.300PLC Marine electric cargo crane control system adopts the advanced fieldbus PROFIBUS technique, the inverter, function module, CPU, man-machine interface TP270 through a root bus interconnect together, realize the concentrated control and management。TP270 interface display and control process and information, convenient parameter modification and fault query, which contributes to ChuanDian business knowledge to understand and accept。Key word: Shipping cargo winch; PLC; Composite control; TP270 目录前言1第1章 PLC的概述和船舶起货机的PLC选定21.1 可编程控制器的概述21.2 船舶起货机的PLC选择 41.3 船舶电动起货机控制系统运用PLC的优点 5第2章 船舶电动起货机的系统设计6 2.1 基于PLC控制的船舶起货机系统概述 6 2.2 船舶起货机系统的主要配置7 2.2.1 人机界面TP270 7 2.2.2 S7系列300型号PLC 10 2.23 船舶起货机的驱动和搭载电机 11 2.2.4 变频器的配合使用 13第3章 船舶起货机控制设计 15 3.1 船舶起货机PLC的I/O点分配 153.2 系统的部分硬件接线设计 15第4章 船舶起货机的PLC梯形图设计184.1 PLC源程序184.2 起升货物控制程序FC101184.3 旋转机构控制程序FC102214.4 故障处理程序FC10323总结 24参考文献 25致谢 26IV前 言船舶起货机是船舶装卸货物的主要机械, 起货机的工作质量如何直接影响船舶的装卸速度, 进而影响到船舶的航行周期。可编程控制器(PLC)是一种工业控制用计算机，特别是模块化结构的PLC具有体积小、设计灵活、运行可靠、性能/价格比高等特点，并且可方便地与上位机通讯，在工程自动化中得到广泛的应用。借助于大中型PLC可实现现场控制工作站和集中管理计算机相结合的结构，这对老设备技术改造、实现船舶机舱的自动化，提高自动化水平及可靠性，进而实现无人机舱都有着十分重要的意义。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PLC技术的发展，PLC在船舶起货机上的应用越来越广泛。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。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PLC控制技术来取代。可编程序控制器可以用软件功能替代继电器控制系统中大量的接触器、中间继电器、时间继电器等器件, 因而控制系统的设计、安装与调试的工作量将大大减少, 且具有可靠性极高、稳定和维修维护方便成本低等显著优点, 因此利用可编程序控制器实现船舶起货机控制具有较高的应用价值。它可使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。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t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，实现真实的情境，达到理论实践一体化本文研制的船舶起货机实物仿真系统，能让船员更直观地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。 本次设计的主要内容是：了解船舶起货机在近年来的国际动态，发展背景和现状，结合先进的PLC控制技术，熟悉现场总线技术。查阅资料了解PLC的船用电动起货机复合控制系统，研究如何把变频器、功能模块、CPU、人机界面通过总线互连在一起，实现集中控制和管理；完善系统功能，使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。着重在查阅中累计经验，熟悉PLC的系列，了解可编程逻辑控制器在船舶起货机系统中应用的优势。对船舶起货机所需硬件配置进行概述。对所选用的三菱FX2N系列PLC的硬件组成进行了解，对船舶起货机PLC的控制梯形图进行设计。第1章 PLC的概述和船舶起货机的PLC选定1.1 可编程控制器的概述1968年，根据美国通用汽车公司的要求，美国数字设备公司（DEC公司）第一个成功研制出了可编程控制器PDD-14。并且在GM公司的汽车生产线上第一次应用成功。由于初期的可编程控制器只能实现定时、计数、逻辑控制等简单功能，故最早称之可编程控制器（Programmmable Logic Controller），简称PLC。在70年代后期，随着微电子技术、大规模集成电路、微型计算机的发展，许多厂家开始采用以微处理器作为中央处理单元的可编程控制器，使的它不仅仅具有逻辑控制功能。而且具有模拟量的控制功能和对数据运算、处理、传送的功能。故1980年美国电气制造商协会（NEMA）将其正式命名为可编程控制器（Programmmable Logic Controller），简称PC。此简称已经在工业界使用多年，但由于近年来个人计算机的简称也是PC，故而人们仍然习惯的将PLC作为可编程控制器的缩写。还可以将可编程控制器（PLC）发展过程系统的划分为以下五大阶段: 第一阶段，PLC最初阶段功能较为简单，仅逻辑运算、计数、定时等简单功能，硬件以分离元件为主，采用磁芯存储器，存储容量12KB。一台PLC只能代替200300个继电器的工作，在可靠性方面比继电接触器系统略高，还未形成成型的编程语。 第二阶段，PLC技术因为集成电路技术的大步发展和微处理器的发明得到了较大的发展。此阶段的PLC具有逻辑运算、计数、计时、数据处理、数值计算、模拟量控制、计算机接口等功能。在软件发明，开发出了自诊断程序，可靠性得到进一步提高。并且系统开始向系列化以及国际化发展。在结构上开始有了模块式和整体式的区分，整体机功能也开始从专用型向通用型进行过渡。 第三阶段，半导体存储器开始进入工业化生产、出现单片计算机和大规模集成电路的投入使用。推进了PLC的进一步发展，从而使PLC演变成专用的工业计算机。在这个阶段，PLC的体积和质量得到了进一步缩小、运行可靠性大幅度的提高、成本也大幅度下降、功能上增加了通信功能、远程输入输出(I/O)功能等。此时的PLC主要朝着两个方向发展：一是模块化、大型化、多功能化；二是整体结构的低成本小型化。在这一发展阶段，PLC的软件编程出现了针对过程的梯形图、语句表。第四阶段，门阵列电路、超大规模集成电路的使用和计算机技术的飞速发展，使得PLC完全计算机化。PLC开始全面的使用8位以及16位微处理器芯片，处理的速度最高能够达到1微秒/步。此时，在功能上PLC增加了中断、高速计数、PID、A/D转换和D/A转换等。既能满足过程控制中的要求，又能增强PLC的联网能力。在软件方面，又开发出了基于个人微机的各种不同类型的编程软件，并发明了顺序流程图(SFC)语言，PLC也开始向系列化、标准化的方向发展。在这一阶段，国际电工委员会(IEC)也发表了PLC标准草案。 第五阶段，因为表面粘装技术的成熟，计算机行业大量使用精简指令集计算机(RISC)芯片，这使PLC整体机的质量减轻、体积也大大缩小。PLC的微处理器芯片开始大量使用到了16位和32位，有的PLC甚至开始使用RISC芯片，CPU芯片也向专业化、专用化发展。系统已经能够用超大规模的门阵列电路来固化程序中的逻辑运算、计数等标准的功能。PLC的I/O点最小只有8个，最大的则有32K个以上。所以PLC都能够做到与计算机联网通信，甚至最快的PLC仅需几十纳秒就可以处理一步程序。在软件上，使用容错技术；硬件上则使用多CPU技术。出现三百步以上的高级指令，使的这个阶段的PLC具有强大的大批量数据处理、函数运算、数值运算的能力，并开发出了各种智能化的模块。普遍应用用LCD(液晶显示器)作为显示设备的智能人机接口，高级PLC更发展到了使用触摸式屏幕。在PLC编程器中大量的使用个人电脑、手提式电脑，且编程软件的功能异常强大。 目前，可编程控制器技术飞速的发展，在德国、美国、法国、日本等工业特别发达的国家已发展成为十分重要的产业。PLC产品已经成为工业领域中占主导地位的基础自动化设备，在国际市场上已经成为倍受欢迎的热销产品，使用PLC来设计自动化的控制系统也已经成为世界的一种潮流。PLC技术、CAD/CAM、ROBOT技术成为了实现工业生产自动化的三大支柱，三者之中PLC作用居首位。PLC技术已经代表着当前程序控制地世界先进水平，PLC装置也已成为自动化系统的一种基本装置，是构成FMSCIMCFA的主要控制单元。为了促进我国PLC技术的国际化、提高产品质量，我国机械电子工业部于1988年组织了包括PLC产品在内的工业控制计算机型优选工作。机电部下属的北京机械工业自动化研究所承担了PLC产品的优评测试工作。依据国际电工委员会（IEC）的有关标准要求，经过严格测试试验，评选出6个产品荣获首届优选PLC机型的称号。它们是：天津中环自动化仪表公司生产的DJK-S-84型PLC、无锡市电器厂生产的KCK-1型PLC、上海起重电器厂生产的CF-40MR型PLC、北京椿树电子仪表厂生产的BCM-PLC型PLC、杭州机床电器厂生产的DKK02型PLC、上海自力电子设备厂生产的KKI-IC型PLC。到目前为止，世界上PLC的产品多达数百种，厂家遍布世界各地。但是总的来说，在小型PLC方面，日本的PLC产品具有自己特别的优势，而美国和欧洲各国则以开发大、中型PLC为主。故在我国国内市场使用情况是在美国和欧洲进口大、中型PLC，而PLC小型机则以日本产品为主，前者数量少，后者数量多。 下面来介绍PLC应用的五大领域： （1）通信联网。PLC的通信包括PLC与其他智能控制设备、多台PLC之间的通信、主机与远程I/O之间的通信之间的通信。PLC与其他的智能控制设备还可以组成“分散控制、集中管理”的分布式的控制系统。 （2）运动控制。对圆周运动或直线运动的速度、加速度和位置进行控制，PLC可以使用专门的运动控制模块或专用的指令，使顺序控制与运动控制功能能够有机的结合在一起，甚至可以实现多位置控制。PLC的运动控制功能应用于各种电气机械，例如电梯、船舶电站等。 （3）数据处理。现代的PLC具有数据传送、数学运算（包括矩阵运算、四则运算、函数运算、求反、字逻辑运算、浮点数运算、移位和循环等）以及排序、转换、位操作和查表等功能。可以完成数据采集、分析和处理过程，这些数据还可以与已经储存在存储器中的设定值进行比较。可以使用通信功能将数据传送到其他的智能装置，或者直接将它们打印制表。 （4）闭环过程控制。闭环过程控制是指对压力、流量、温度等连续变化模拟量进行的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现数字量（Digital）和模拟量（Analog）之间的D/A转换和A/D转换，并且对模拟量进行闭环（PID）控制。现代使用的PLC一般都具有PID闭环控制功能，这一功能可以用专用的PID模块或PID子程序来实现。 （5）开关量逻辑控制。PLC用“非”、“或”、“与”等逻辑指令来实现得电和电路的串并联功能，替代继电器进行组合的定时控制、逻辑控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可以用于自动生产线，也可以用于单台设备。其应用领域已经遍布各行各业，甚至到了家庭中4。 PLC技术的五大发展动向： （1）管理和控制功能一体化。例如美国A-B公司的产品PYRAMID INTEGRATOR将信息处理器、机器视觉和PLC完美的结合在一起。 （2）编程语言逐渐的标准化。例如IEC（国际电工委员会）于1994年5月公布了可编程控制器标准（IEC1131),其中的第三部分是可编程控制器的编程语言标准。 （3）输入输出模块智能化和专用化。例如语音处理模块、智能位置控制模块、专用数控模块、智能通信模块等。 （4）规模向大小两个方向发展。大型机方面，出现了多达14336点I/O点的超大型PLC，小型机方面，则出现了被称为“手掌上的可编程控制器”，如三菱公司FX系列可编程控制器与以前的F1系列相比，体积只有F1系列的1/3左右。 （5）网络通信功能标准化。由于PLC可以用来构成网络，所以各种图形工作站、个人计算机等都可以作为PLC的工作站和监控主机，只要能够提供数据采集、屏幕显示、记录保持以及打印信息等功能就可以。1.2 船舶起货机的PLC选择PLC控制系统的硬件配置主要取决于起货机控制中的输入、输出点数的总量。采用模块化的PLC产品，必须对整个系统所需的总点数做一估算，才能合理选配模块，达到理想的性能价格比。综合船舶起货机PLC的I/O借口对应点考虑，选择三菱FX2N系列PLC可以达到设计要求。PLC中FX2N系列硬件组成与其他系列类型的PLC基本相同，其主体都是由三部分组成，即存储系统、中央处理器CPU和输入、输出接口。系统电源有单独作为一个单元的，也有些是在CPU模块内，一般情况下编程器是被看作是PLC的外接设备。 PLC内部采用总线结构，进行指令和数据的传输。外部的各种传感器检测信号、开关信号以及模拟信号都是作为PLC的输入变量，这些输入变量通过PLC的输入端进入PLC的输入存储器，收集、暂存被控对象当前运行的数据量和状态信息。经PLC的内部运算处理后，按被控对象的实际动作要求来产生输出结果。输出结果将作为输出变量送到输出端，用来驱动执行机构。PLC通过各部分的互相协调运作来控制现场设备的正常运行。（1）存储器模块 随机存取存储器（RAM）用于存储PLC内部获得的输入和输出信息。并存储移位寄存器、内部继电器（软继电器）、累加器、定时器计数器以及数据寄存器等的工作状态，以及存储用户正在调试或编辑的程序和各种暂存的中间变量、运行数据等。 只读存储器（ROM）用于存储系统程序。只读存储器（EPROM）可擦除可编程序，主要用于存放PLC的监控程序和操作系统。即使用户已完全调试好的程序，也可将编辑的程序固化在EPROM中。（2）中央处理器CPUCPU的主要功能是用于解释并执行用户以及系统程序。通过运行用户和当前的系统程序来完成所有通信、控制、处理以及所赋予的其它功能，以此控制整个系统协调工作运行。常用的CPU有通用双极型位片机、单片机和微处理器。（3）输入、输出模块 PLC是一种工业控制的计算机系统，它的主要控制对象是工业性的生产过程，与DCS类似。它也是通过输入、输出的接口模块(I/O)与工业生产过程联系的，I/O模块可以看做是PLC与生产过程互相联系的纽带。PLC连接的过程变量按照信号类型可分为脉冲量、开关量（即数字量）等，相应的输入输出模块又可以分为脉冲量输入模块、模拟量输入输出模块和开关量输入输出模块等。（4）编程器 编程器作为PLC必需的重要外部设备，将用户所希望达到的功能通过专用的编程语言输送到PLC用户程序存储器之中。编程器不但可以对程序进行写入、读出和修改，还能对PLC当前的工作状态进行实时监控，同时还是PLC与用户之间人机对话的界面。随着PLC编程语言的多样化，功能的不断增强，编程过程已经可以在个人计算机上完成，显得尤为方便。 本次设计采用S7.300PLC图1.1 S7.300系列PLC外部形态图它由中央处理器（CPU），负载电源模块（PS），信号模块（SM），功能模块（FM），通信处理器（CP），接口模块（IM），导轨。1.3 船舶电动起货机控制系统运用PLC的优点PLC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。PLC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1-5V、4-20mA等模拟量输入信号，这些信号使PLC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。PLC运行时，通过PROFIBUS现场总线把CPU、起升部分(变频)、变幅部分(伺服)、旋转部分(步进)和TP270联系起来，使PLC随时得到电动起货机系统的每一个动作信息，PLC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。PLC与其他工业控制系统相比具有许多优点，例如： （1）不用改动硬件，只需修改软件，便能够更改控制逻辑； 就PLC系统而言，不必专门的学习、一分钟就能够学会修改参数。现在设计的船舶电站更是大多选用比小型PLC运算速度更快且功能更强大的中型PLC，还对其联网操作。这一趋势变得越来越明显，在逐渐的扩大化、细化。（2）电气硬件设计进一步简化； 只需一块信号处理面板即可。PLC是通用性得控制器，系统电源也是采用的通用的开关电源。陆地上已经得到广泛应用，在世界各地皆可买到PLC和相应的电源备件；微机系统是专用产品，要求配备系统所需的各种电子电路板(微机主板、信号处理板、各种开关量、输出板、模拟量的输入等)，这使得元件的成本费用太高。（3）可以复制程序，这使得容易进行批量化生产；（4）除了继电器功能外，PLC还有许多种其它功能。能够实现很多使用继电器无法达到的控制功能，在某种程度上实现智能化，还有可能更加简化机构；（5）具有扩展模块、扩展单元，当需要较多输入输出（I/O）时可以方便地进行扩展。（6）可靠性非常高；除了PLC外，每台机组只需一块信号处理板即可。科技界人已经公认了PLC的可靠性，PLC的平均无故障运行时间达到了30万小时，故而只要解决相应功能块得电子电路板的可靠性就能够保证整个系统的运行可靠性；而微机系统除了一样需要一块信号处理板外，在机场实际运行的恶劣环境中防干扰的问题还没有得到很好的解决，所以至今为止尚未有可靠性高的产品问世。应用PLC控制电动起货机的工作过程，取得了理想的效果。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，PLC系统的故障率98以上都是外部现场设备，PLC硬件寿命时长也相当可观，发生问题更换插件，迅速方便。第2章 船舶电动起货机系统设计2.1 基于PLC控制的船舶起货机系统概述船用电动起货机由起升、旋转三大主要机构组成，有重物起升控制手柄、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，旋转采用西门子步进电机驱动。三种电机分别采用西门子MM440 变频器和FM353 特殊功能模块+步进驱动器进行驱动和控制。以上配置属于西门子的典型驱动，广泛应用于各种电力驱动场合。智能模块MM440、6SE70、FM353 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。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。电动起货机整个控制系统采用三菱FX2N系列PLC，其系统如图21所示，控制过程如图22所示。控制器通过I/O模块控制异步电动机和步进电机。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TP270，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、速度等，保证系统的可靠性。起升TP270PLCM1M3旋转变频器6SE6440图2.1 船舶起货机系统图开始初始否？是否故障？是回初始位否否是处理故障子程序复位左旋程序右旋程序起升程序下降程序图2.2 船舶起货机控制系统程序框图2.2 船舶起货机系统的主要配置2.2.1 人机界面TP270起货机采用西门子TP27O触摸屏，用西门子PROTOOL作为开发软件，实现系统的状态显示，状态监控，故障显示等功能，同时也实现对系统的控制47一52。可显示:起升电机的设定速度值和加减速率值、高/中/低三速度档(不显示速度值):正/反转、升/降、起/停;旋转的快/慢，方向;紧急操纵，紧急停车状态。起升电机功率、起升电机电流、起升电机实际转速，起升电机变频器频率，货物重量(通过起货电机电流折算)，旋转和变幅的位置(弧度值)，系统电压，风机及三台电机的运行/停止状态。限位，各种报警(电机高温、电源故障、风机故障、风窗关闭、限位起作用等)。可设置及控制:起升电机的加减速率;变幅、旋转的快/慢，方向;紧急操纵，紧急停车状态;报警的应答、确认。有起升电机运行时间记录(历史曲线)及维修周期指示，起升电机运转的小时数能在触模屏上随时显示，当达到预定维修保养时间(如1200h，由程序设定)后维修周期指示灯亮，但不影响系统运行。完成维修保养后，通过强制操作指令将运行时间记录置O，维修周期指示灯即熄灭。起升电机的设定速度和实际转速采用棒状图实时显示，系统电压和起货电机的电流采用仪表显示。设置操纵画面，显示速度设定曲线，起升、变幅、旋转机构的工作状况选择。通过配方组态起升电机的速度档，起升电机的速率选择，根据不同的使用要求进行选择。作为教学、培训用，每进行一步操作，对应设备的工作状态，都能直观地在触模屏上显示。在触模屏上组态起货机工作状态图，能演示货物升降、旋转、变幅过程。为满足教学和培训功能，本系统具有模拟故障功能。教师可以预先设置故障，学生通过排除故障，进一步了解掌握本系统。设置故障通过在控制回路中串入位置比较隐蔽的开关，通过断开开关人为设置故障;或者通过触摸屏设置故障，学员必须通过编程器在线诊断PLC程序，分析故障。系统有起升和旋转两个界面组成如图：起升界面：起升系统采用西门子MM44O驱动交流变频电机，实现电机的变频矢量调速，MM440系列变频器主要技术数据为:输入电压3AC380至480V士10%;输入频率50/60Hz(士6%);过载能力:最大过载电流达到额定电流的1.5倍，过载时间可达60秒;输出频率0一650Hz。在HOISTING机构中设置的保护限位开关有:上升极限限位当上升正常限位失效时将起升停止，防止冲顶;上升正常限位作为上升的正常停车;上升减速限位一一将起升速度降到10%的最大速度;下降减速限位将下降速度降到10%的最大速度;下降正常停止限位作为下降的正常停车;起升卷筒放空限位作为下降的紧急限位，防止钢丝绳反向缠绕;最大起升能力限制由软件实现，作为过载保护，提升重量限制。起升主界面、速率参数设置如图。图2.3 （a） 起升主界面图2.3 （b）转速参数设置界面旋转界面：在起货机的旋转:机构中设置以下保护限位开关有:旋转机构正转停止限位开关，旋转机构反转停止限位开关，旋转机构正转限位保护开关，旋转机构反转限位保护开关，旋转锚定限位保护开关。图2.3 （c）旋转界面多功能触摸屏TP27O具有高的组态效率，过程操作简单，记录报警、过程值和登录/退出过程，电动起货机的起升，旋转运动过程能在TP270上直观显示、修改控制参数和进行故障设置，达到了较好地人机交互效果。2.2.2 S7系列300型号PLCPLC硬件简化框图如图2.4所示：CPU输入接口输出接口电源控制器运算器 存储器按钮限位开关KV触电COM端外接接口扩展接口扩展单元接触器指示灯电磁闸电源编程器其他PC打印机计算机写入器系 统程 序用 户程 序图2.4 可编程逻辑控制器的硬件简化框图S7.300PLC的外部结构图如图1.1所示。2.2.3 船舶起货机的驱动和搭载电机交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。它主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。对定子绕组通往三相交流电源后，产生旋转磁场并切割转子，获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点,被广泛应用于各个领域。具有可靠性高、使用寿命长；全部电机均可直接从市电或变频器供电；通用性极强，可提供各种冷却类型、防护等级及各种型号，以适用于腐蚀性环境条件和危险性应用场合；电机效率杰出、冷却方式最佳；运行成本较低；馈电线柔性端子技术以及所有组件的相互完美协同 确保了整个电机系统的安全、可靠运行的优点。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。本次设计中船舶起货机升降电机选择多速三相交流异步电动机拖动，主令电器空间上具有多位置：如起货1位、起货2位、起货3位、中间零位、落货1位、落货2位、落货3位，分别对应电机正反两个转向的低速、中速和高速。为了使得电机的加速过程与主令电器的操纵快慢无关而是按固有的时间加速，一般系统中设有延时环节。为了便于点车控制，还设有上升、下降按扭各一个电机一般还设有缺相/过载保护、上升/下降位置极限保护等，有的起货机的起重吊钩上还安装超力矩保护。上述保护装置一旦动作，就给出报警信号并停止相应的操作。旋转采用三相交流异步电机拖动。通过电机反接制动实现起货机的上下，左右运动。三级制动的要求是当主令手柄突然从中速或高速扳回0位时，首先断开中、高速绕组而接通低速绕组给予再生制动，0.6秒后在保持低速绕组接通的情况下通过输出点断开电磁制动器线圈，同时实施机械制动，再过0.3秒后断开低速绕组，单纯实现机械制动。在实际应用过程中，各种生产机械常常需要具有上下，前后，左右，往返等相反方向的运动，在船舶起货机中吊钩的上升和下降，左旋和右旋就需要电动机能够实现正反方向的运动。由交流电动机的工作原理可知，若将接至电动机的三相电源进线中的任意两相对调，即可使电动机反向旋转。那么需要对单向运行的控制线路作出相应的补充，即在主电路中设置两组接触器主触头，来实现电源相序的转换；在控制电路中对响应的两个接触器线圈进行控制，这种可以同时控制电动机正转或反转的控制线路称为可逆控制线路。如图2.5（a）为主电路，其中KM2和KM1所控制的电源相序刚好相反，由此可以实现电动机的反向运行。如图2.5(b)所示控制电路中，电动机要正转时，可按下启动按钮SB2,KM1线圈得电，主触头KM1吸合，电机正转，其中的自锁环节可以保证电机连续运行；按下SB1，KM1失电，电机停转。要使电机反转只需要将SB3按下，主触头KM2吸合，电机反转，其中的自锁环节可以保证电机连续反向运行。同理按下SB1，可使线圈KM2失电，主触头脱开，电机停转。KM2QSFUMFRKM1图2.5 （a）三相异步电动机可逆控制线路主电路KM1KM2SB1SB2KM2KM1KM1SB3KM2FR图2.5 （b）三相异步电动机可逆控制线路传统接线图在上面介绍的图2.5（b）图梯形图中，要是无虚线部分，就会导致电动机在正转过程中，如果没有先按下SB1而直接按下了反转启动按钮SB3，那么就会使得线圈KM2得电吸合，造成电源线间的短路，出现严重事故。加入虚线中的改进接线后，可以使电路形成自锁，不允许KM1和KM2同时得电，避免了事故的发生。将传统的可逆电路用PLC控制，以FX2N系列PLC为例，如图2.6所示：X0代表SB1，X1代表SB2，X2代表SB3，正反转分别由YO,Y1表示：Y0(Y0)(Y1)Y1X0X1X2Y1Y0图2.6 三相异步电动机可逆控制线路接线PLC梯形图2.2.4 变频器的配合使用当三相交流异步电动机的定子绕组接通交流电源后, 形成旋转磁场, 转子绕组切割磁力线产生转矩, 随之旋转, 转子的异步转速为：n=(60f/p)(1-s)n为异步转速，f为电源频率，p为定子绕组极对数，s为转差率，由转速式子可知n是f,p,s的函数，改变其中一个参数即可调节电动机的转速, 通常采用下列转速调节方法：1）变极调速改变定子绕组的极对数p, 可跳变地改变转速, 电动机的极数可以是2,4,6等,相应的极对数为1,2,3等。该方法简单易行, 但属有级调速, 适用面较窄。2）变转差率调速转差率与转子绕组的电流和阻值成正比, 与转子绕组的电源和功率因数成反比, 所以, 可以通过改变转子的阻值（变阻法）或改变电压 （变压法）调节转速。不过, 前者用于绕组式电动机, 而后者的调速范围较窄。3）滑差调速在电动机的输出轴上附加一套电磁离合器, 用磁力藕合驱动转动机构, 通常称之为滑差调速。该方法是无极调速, 调速范围大, 长年为工业控制过程所应用。但该方法存在着多种缺陷, 调速设备工作环境恶劣, 易损坏, 难维护, 能源损耗大, 调节特性差等。4）变频调速改变电源频率, 是一种新的转速调节方法。近年来, 随着电子元器件晶闸管的制造和应用技术的迅速发展, 变频调速技术亦快速发展起来。目前, 国外许多电子公司, 如瑞士的ABB 公司, 美国的AB公司, 日本的三菱公司、三垦公司、富士公司等都向中国市场推出自己的变频器系列产品。变频器的工作原理是将50HZ 的三相电源经整流、滤波、稳压, 因为采用的是二极管桥式整流, 所以输人功率几乎都是有功功率, 功率因数接近于1; 晶闸管逆变器受控制模块控制, 将稳压后的电源逆变成频率可调的三相交流电源。变频调速具有许多优越性： 主要有以下几点：效率高, 节能显著。一台4极电动机, 它的额定转速为1000r/s , 采用变频调速后, 平均转速为700r/s, 是额定转速的70% , 由于电动机的功耗与转速的三次方成正比, 所以理论上只需额定功耗的50%, 显然, 节能是显著的, 如一台3KW 的电动机,每小时可节电1.5KW/S;调节特性好。变频调速的调节范围大, 可达500HZ, 一般常用在100HZ以内, 调节精度高, 变频器控制精度为1HZ , 对于4极电动机, 相当于30r/s ,对于6极电动机, 相当于20r/s, 全行程线性调节, 无死区和饱和区; 特性硬, 转动机构与电动机输出轴用靠背扼联接, 不丢转; 噪音低, 运行稳定可靠;自动控制功能先进;监视、报警、保护功能齐全。使用变频器的注意事项:工作环境方面变频器的输出特性对环境温度很敏感, 当环境温度达到40 左右时, 输出电流就会陡然下降, 所以, 变频器控制柜应安装在有空调的屋内, 而且要求冷却用空气流量每小时数百立方米, 为此, 柜子顶部应安装排风扇, 柜子底部安有过滤网, 以保证有足够的清洁空气对变频器进行冷却, 防止超温跳闸。 开关频率的设置方面从节能增效的角度说, 开关频率应该是越低越好, 但是过低的开关频率会导致电机的噪音增大, 甚至产生共振, 所以，最优化的开关频率应该是电机系统噪音可接受时的最低频率。注意, 对于相同的电机系统, 由于制造或安装的不同, 开关频率的设置亦可能是不同的, 需要逐个调整设定。欠压保护的选择方面欠压保护是每种变频器应有的保护功能, 但是过于严格的欠压保护有时会带来不必要的跳闸停机。在生产现场, 电源电压的波动较大, 有些大功率的电动设备 如发电厂的给水泵和磨煤机等启动时, 使电源电压有较大的下降, 很容易使变频器欠压保护动作跳闸, 为此, 应整定欠压保护值, 以避开瞬间的低电压, 防止不必要的跳闸。冲堵功能的设置在低转速运行时, 如果电机电流超过规定值, 这时便进人了变频器的堵转区, 这时变频器或报警提示, 或故障跳闸。为了消除低转速的堵转现象, 可以在变频器控制端子设置恒定频率运行功能, 达到冲堵目的, 维持正常运行。第3章 船舶起货机控制设计3.1 船舶起货机PLC的I/O点分配基于传统的船舶起货机的应用经验，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起货机系统的电动机定子及其电枢、