船舶起货机PLC控制变频调速系统设计

1、摘 要船舶起货机是船舶甲板机械最重要的设备之一。本文先从总体上介绍了船舶起货机的分类,然后详细的阐述了起货机的系统组成和工作原理。在掌握其工作原理的基础上,深入的分析了变频调速的原理和西门子变频器与PLC的应用。本文在介绍变频调速的基础上采用西门子的变频模块MICROMASTER 440、交流伺服模块FM354 和步进模块FM353 分别实现了起货机的起升、变幅和旋转复合控制。功能模块的变频、步进与伺服、以及上位机、人机界面TP270 通过PROFIBUS 现场总线互连在一起，实现了集中控制与管理。船舶起货机PLC 复合控制系统功能完备、扩展方便、具有很高的可靠性。关键词:船舶起货机； 变频调

2、速； 变频器； 西门子AbstractShip's cargo winch is one of the most important equipment of ship deck machinery. This article first introduced the overall classification of ship winch, then detailed expounds the system composition and working principle of winch. In its working principle, on the basis of in-

3、depth analysis of the principle of frequency control of motor speed and the application of Siemens frequency converter and PLC. In this paper, on the basis of the introduction of frequency control of motor speed adopts frequency conversion module of SIEMENS MICROMASTER 440, ac servo module FM354 and

4、 stepper module FM353 respectively the cargo crane's hoisting, luffing and rotational composite control. Function modules of the inverter, step and servo, and the upper machine, man-machine interface TP270 through PROFIBUS field bus interconnection together, realize the centralized control and m

5、anagement. Marine winch PLC compound control system function complete, easy extension, has the very high reliability.Keywords: Shipping cargo winch; Frequency control of motor speed; Frequency converter; Siemens目 录1 绪论11.1  课题研究的背景及意义11.2  课题研究的主要内容12 船舶起货机32.1 船舶起货机简介32.2 船舶起货机吊杆组成42.2.1

6、单杆操作与双杆操作52.2.2 双千斤索吊杆装置和埃贝尔吊杆装置52.2.3轻型吊杆装置和重型吊杆装置52.3 船舶起货机工作原理62.4 起货机的控制要求73变频调速与PLC83.1 变频调速的83.1.1 特点83.1.2 测量方式93.2 PLC控制与变频器的连接103.2.1 开关指令信号的输入103.2.2 数值信号的输入104 变频器与PLC的应用114.1 MM440变频器114.1.1 测量方式114.1.2 工作原理124.1.3 MM440参数调试134.2 西门子S7-300 PLC144.2.1 工作原理154.2.2 优点164.2.3 安装注意事项165 船舶起货机

7、系统设计185.1 船舶起货机PLC设计185.2 系统实现的功能195.3 船舶起货机控制系统实现206 结论22致 谢23参考文献24 绪论1.1  课题研究的背景及意义传统的船舶起货机，主要有电动式、液压式、电-液式；就船用起货机的控制方式而言，主要有继电接触器式、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。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GM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

8、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。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。船舶交流电动起货机长期以来沿用传统的继电

9、器接触器控制方式, 由时间继电器和中间继电器的副触点控制电机的启动、变速及换向。器件错综,触点繁多, 加上操作频繁和海上船舶工况恶劣, 导致电动起货机年均损毁量极大。如再计入由于起货设备的故障而引起亏损, 其价值就更加难以估量。因此, 改造传统的控制方式, 已是迫在眉睫。所以有必要采用先进的PLC控制技术来取代。1.2  课题研究的主要内容本文先从总体上把握了船舶起货机,简单介绍了船舶起货机的分类,然后详细的阐述了起货机的系统组成和工作原理。介绍了变频调速的基本原理, 深入的分析了变频调速的原理和西门子变频器与PLC的应用。最后设计了变频调速系统。具体研究内容如下:(1)简要介绍了起

10、货机的背景,并论述了船舶起货机使用PLC变频调速的意义。(2)深入分析了起货机的系统组成及其工作原理。(3)详细介绍了变频调速的基本原理，PLC与变频器的连接。(4)介绍了西门子M440变频器与S7-300PLC。(5)完成起货机的系统设计。2 船舶起货机2.1 船舶起货机简介船舶起货机是一种船舶靠港装卸货物以降低船舶运营周期的设备。起货机的使用解决了装卸货物的难题,并实现了船舶在宽阔的水面吊运货物。可靠性高的起货机,可以大大的提高港口装卸货物的效率,从而缩短了航运周期、降低运输成本。起货机按照期货设备的不同可分为吊杆式起货机和回转式起货机,回转式起货机又被称为起货机。船舶起货机按照所釆用的能

11、源和驱动方式的不同,又可分为三种类型:蒸汽式起货机、电动式起货机和液压式起货机。早期的船舶上的起货机是采用蒸汽驱动的。蒸汽式起货机的调速性能良好,启动力矩也比较大,故障较低,且工作可靠,但蒸汽式起货机的工作效率低。随着蒸汽能源大大减少,以内燃机为动力源的起货机代替了蒸汽式起货机,蒸汽驱动的甲板机械己经淘汰。电动起货机就是用电动机作为动力源 起货机。它的操纵方式较简单方便,操纵人员可以很快掌握。电动起货机具有操作简便、运转平稳、易实现远程遥控等优点。但是,由于电气元件对湿度比较敏感,继电接触点处经常会有跳火花现象发生,这会引起元件的烧损等故障;而且如果电动起货机发生故障,需要专业的人员来进行维修

12、在日常的维修管理中,复杂的电路系统需要专业人员来进行维护保养才能确保其处于良好的工作状态。上个世纪六十年代起,液压起货机作为一种新型动力的方式出现在船舶上,并迅速的发展起来,液压式起货机使用电动机驱动油泵,并利用压力油驱动油马达举落货物。它换向冲击小,工作平稳,易于操作,可以实现无级调速,使用寿命长,工作较为可靠,同比电动式起货机,在输出相同功率的情况下,液压式起货机的体积小、质量轻。但是液压起货机的系统比较复杂,不容易理解,出现故障后不容易诊断。随着先进的电液比例控制液压元件的出现,液压起货机体现出越来越强的优越性。甲板起货机是设置在船舶上甲板上的机械。这种起货机结构紧凑，使船舶有较多的甲板

13、面积可利用，对桥楼上视线的影响较小。甲板起货机操作简便，装卸效率高，机动灵活，作业前没有繁琐的准备工作，应用日益广泛。甲板起货机常用的有固定旋转起货机、移动旋转起货机和龙门起货机。传动方式有电力传动和电力-液压传动两种。(1)固定旋转起货机这种起货机应用最广，可以单独或成对地在左右舷作业。起重量一般为35吨。在多用途船上，要求单吊能吊起20英尺集装箱，双吊能吊起40英尺集装箱（30吨），其起重量可达2530吨。(2)移动旋转起货机在装卸货物要求起货机跨距较大，而又希望起货机吊臂不太长的情况下，往往采用移动旋转起货机。移动旋转起货机有沿船舶横向移动和纵向移动两种。(3)龙门起货机这种起货机为全集

14、装箱船（见集装箱船）和载驳船所广泛采用,通常为四足型或C型。有一根可伸出的吊臂、吊重横档和一个可移动的桥架及驾驶室。桥架的水平主梁高出堆装在甲板上的集装箱，并有自动定位装置，装船时可以把集装箱准确地落放在集装箱分格中或堆放在甲板上。载驳船上的龙门起货机数量比集装箱船上的多，起重量可达几百吨。（4）其他装卸机械 主要有升降机、提升机和输送机。升降机是船上沿导轨垂直移动的机械，供各层甲板间提升和下降货物用。如滚装船上多采用升降机连接各层甲板以运送货物。滚装船上的升降机有剪式、链式等数种，其长度为918.5米,宽度为35米。有些载驳船上也安装升降机装卸货驳，不过起重能力比滚装船上的大得多。提升机是在

15、垂直方向或较大的倾斜方向连续输送货物。输送机是在水平方向或坡度不大的方向连续输送货物。这两种机械多用在自卸船上或通过舷门进行装卸的船上。2.2 船舶起货机吊杆组成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PLC控制技术来取代。吊杆装置由吊杆、起重柱、牵索、千斤索和通用起货机等组成，如图2.1所示。吊杆装置是船上传统的起货设备，虽然绳索繁多，操作麻烦，但因结构简单，制造容易，成本低廉，至今仍被广泛采用。图2.1 吊杆装置2.2.1

16、 单杆操作与双杆操作用吊杆装置装卸货物，有单杆操作和双杆操作两种方式。单杆操作是用一根吊杆进行货物的装卸，吊杆吊起货物后，拉动牵索使货物随吊杆一起摆向舷外或货舱口，然后放下货物，再把吊杆转回至原位，如此往返作业。装卸时每次都要用牵索摆动吊杆，所以效率低，劳动强度大。双杆操作用两根吊杆，一根置于货舱口上空，另一根伸出舷外，两吊杆用牵索固定在某一工作位置上。两吊杆的起货索则同连在一个吊钩上。只要分别收、放两起货索，就可把货物从船上卸至码头，或者把货物从码头装到船上。双杆操作的装卸效率比单杆操作高，劳动强度也较轻。2.2.2 双千斤索吊杆装置和埃贝尔吊杆装置改良型吊杆装置是后来出现的。双千斤索吊杆装

17、置是由单杆操作的吊杆装置改进而成的，装置中只有起货索和两组左右分开的千斤索。吊杆由一台起货绞车和两台千斤索绞车操纵，操作方便，装卸效率也高。埃贝尔吊杆装置是由双杆操作的吊杆装置改进而成的，装置中有起货绞车、千斤索和牵索绞车。可以借助绞车很快地把吊杆放在任何位置。同时还可以在吊杆的工作半径范围内定点起吊和落放货物，以提高装卸效率。这是向货物装卸全自动化前进的重要一步。2.2.3轻型吊杆装置和重型吊杆装置吊杆装置可分为轻型和重型两类。起重量在10吨以下的为轻型吊杆装置，超过10吨的为重型吊杆装置。吊杆的起重量根据船舶的用途决定。一般干货船的轻型吊杆单杆操作起重量为35吨，双杆操作为1.53吨;万吨

18、级干货船的单杆操作起重量可至10吨,双杆操作可至5吨。现代多用途船要装卸集装箱，吊杆的起重量至少应能吊得起20英尺的集装箱（20吨）。重型吊杆是用来装卸大型机械、机车车辆等重件大件货物的，一般货船上仅设置12根，起重量大多为1060吨，也有60150吨的，少数达300吨。一般干货船每个货舱都有两根轻型吊杆；巨型干货船每个货舱往往设置四根轻型吊杆。2.3 船舶起货机工作原理起货机控制系统一般包括主令控制器、控制保护电路、主电路和保护检测等环节，其原理方框图如图2.2所示。图2.2 起货机原理图起重绞车、变幅绞车和回转机构是用电机驱动的,变频器将直流电转换为交流电供应变量无级调速的电机。变频器和线

19、路单元连接,线路单元将交流矫正为直流来供变频器工作。滤波器单元通过消除谐波和任何扰动过程中可能发生电网波动来保护电网,电网允许两个方向的功率流。操作步骤如下:(1)预加热为保证变频器和管路单元的正常工作,加热风机要确保起货机工作作环境温度保持在-10°以上。加热风机是通过电磁阀来进行启停的,当起货机工作环境温度达到15°时,预热风机停止工作。(2)启动步骤按下启动按钮,主接触器动作,变频器和风机开始工作。制动系统所用菜也开始工作,控制系统控制变频器的工作状态。(3)运行操作步骤控制杆控制电动机的运行状态,制动器释放,允许拓展数是由传感器的值控制的,最大速度就由货物重量决定的

20、。控制系统连续的向变频器发出期望速度值,然后变频器相应的控制电机运转。起升和变幅所用的时间取决于等加速度值,当起货机处于最大速度后,起货机从制动到完全停车需要相同的时间。(4)停车步骤按下停止按钮,起货机制动开始,经过制动过程,起货机完全停车。2.4 起货机的控制要求起货机的控制在保证满足提升、下降、停车和调速基本工艺的前提下，工作效率和可靠性要高，且操作灵活。具体要求如下： 为加快启动过程，降低接触器的断开电流，当手柄从零位快速扳到提升或下降的高速挡时，应能逐级延时起动，起动时间应小于2s。 为了减轻电磁制动器的负担，缩短制动过程，当手柄从高速挡快速扳到停车时，应有三级制动过程，即：转速高时

21、的单独电气制动；速度降低到一定值后的电气与机械联合制动以及速度接近零时的单独机械制动，直到停车。另外，制动时间应小于1s。 下降货物时，应有电气制动以保证货物匀速下降；在起动时应先接通低速绕组电源后才能松开电磁制动器；在换挡过程中，起货电机应总有一个绕组通电，比如在提升货物时，中速绕组通电低速绕组才能断电，高速绕组通电，中速绕组才能断电。 为了防止发生中速绕组和高速绕组的反接制动，避免过大的冲击电流，当控制从提升高速挡快速扳到下降的高速挡时，应首先实现从高速挡到零的自动制动停车过程，然后再实现零位到反方向高速挡的自动起动过程。 中速绕组通电时电磁制动器不能抱闸，或者当电磁制动器抱闸时，中速和高

22、速绕组应立即断电。 当风机运行后才能起动起货机。风机故障停止运行时，起货电动机只能在低速状态下运行，以便放下货物。 应具有失压保护，单相保护、过载保护和短路保护等保护措施。3变频调速与PLC3.1 变频调速的变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。三相异步电动机转速公式为：n=60f(1-s)/p 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改

23、变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，

24、能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。3.1.1 特点变频调速一般具有以下几个特点：标准电动机操作（如笼型电动机也不用维护），可以保持调速的持续性，可以在电子回路中对相序进行改变、可以对转速的方向改变。其优点是启动时电流较小，可调节加减速度，电动机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全（比如过电压和欠电压保护、过载保护、短路保护） 等。变频调速的应用领域非常广泛，它应用于风机、泵、搅拌机、挤压机、精纺机和压缩机，原因是节能效果显著；它应用于机床如车床、机械加工中心、钻床、铣床、磨床，主要目的是提高生产率和质量；它也广泛应用于其

25、他领域，如各种传送带的多台电动机同步、调速和起货机械等。用PLC控制变频器有两种方法：一是模拟量控制，该方法很直观而且简单，对变频器的I/O端子进行利用，根据某个模拟量输入对变频器跟随的速度进行设置，就可以实现控制变频器，但是每个模拟量通道都需要一个变频器；二是通信，这样的方法不但可以满足控制变频器，而且对运行状态下的变频器进行数据获取，简单一点来看，就是把变频器当作一个设备，通信靠PLC来实现，对变频器内部的寄存器进行读写，那就实现了控制变频器的目的。当然，变频器当中也存在一些数值型（比如电压、频率等等） 指令信号的输入，大致分为模拟输入与数字输入两种。尽管有关部门会定期对变频器进行检查，但

26、由于在现实中由于运行中变频器会有量程过大、电流互感器容量大等多种特殊原因存在，所以变频器经常处于较慢运行状态从而形成恶性循环。3.1.2 测量方式变频器输出为基波频率变化的PWM波，其测量方法与传统的工频正弦波测量有较大的区别。1、传统的变频器输出380V、50Hz，是指其基波（正弦波）为380V、50Hz。变频器实际输出波形为PWM波，除了基波外，还包含载波信号。载波信号频率要比基波高得多，且是方波信号，包含大量的高次谐波。2、普通万用表一般只能测量4566Hz或45440Hz的交流正弦波。部分真有效值万用表的测量频率范围要宽得多，许多人认为可以用于变频测量、测试。其实不然，因为这种表测量结

27、果把基波和载波都包含进去了。比如上述变频器，380V输出时，测量结果一般在400V以上。3、用于变频测试的仪表应具备在各种PWM波形中分解出其基波的能力，严格测量需采用数字信号处理的方式，也就是高速采样得到样本序列，再对样本序列进行离散傅里叶变换，得到基波有幅值、相位及各次谐波的幅值和相位。4、也有一种思路认为校准平均值（MEAN）可以替代变频器输出PWM信号中的基波成分的有效值。校准平均值在理论上等于正弦波的真有效值，等于正弦调制PWM波形的基波有效值，且实现简单；因此，MEAN值在许多仪器仪表中用于替代正谐波的有效值（RMS）或PWM的基波有效值（H01）的测量。但是，变频调速技术日新月异

28、，非正弦调制PWM的应用越来越多，而且，一般变频器使用者通常并不了解自己的变频器采用何种调制模式，MEAN值在PWM测量中局限性越来越大。因此，变频调速系统的电参数测试应采用具备合适带宽的变频电量变送器（包括变频电压传感器、变频电流传感器和电压电流组合式的变频功率传感器）及宽频功率分析仪（也称变频功率分析仪），宽频功率分析仪对信号进行高速交流采样后进行频谱分析，可以实时运算电压、电流的基波有效值及基波功率，还可计算电压、电流的真有效值、有功功率及相关谐波参数。3.2 PLC控制与变频器的连接3.2.1 开关指令信号的输入D系列交流电机电子制动器是实现交流异步电机快速制动的一种电子装置。该装置利

29、用电力电子技术和微机控制技术来实现对交流异步电机的制动，可以根据电机及负载情况设置不同的制动电流；采用微控制器监控系统运行，对系统的异常运行能提供及时的保护；采用智能化的方法实时监测电机速度，从而实现制动时间的自动调节；与电机主回路连接方便，并能和控制电路相互联锁，运行安全可靠；具有制动迅速、安全可靠、寿命长等优点，适用于单速电机，双速及多速电机的快速制动。3.2.2 数值信号的输入PLC和变频器两者之间电压的信号范围不一样时，比如：当变频器为010V的输入信号时，而PLC为05V的输出电压信号范围时；或PLC为010V的一侧的输出信号电压范围，而变频器范围为05V的输入电压信号时，由于晶体管

30、和变频器的额定电流、电压等限制因素，必须对限流电阻及分压方式采用串联的方式接入，以保证进行开闭时不超过PLC和变频器相应的容量。此外，在连线时还应注意将布线分开，保证主电路一侧的噪声不传到控制电路。通常变频器也可以向外部输出相应的监测模拟信号，通过接线端子的方式，电信号的范围通常为010V/5V及0/420mA电流信号。4 变频器与PLC的应用4.1 MM440变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。是由由主电路和控制带电路组成的。主电路是给异步电动机提供可控电源的电力转换部分，变频器的主电路分为两类，其中电压型是将电压源的直流变换

31、为交流的变频器，直流回路的滤波部分是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波部分是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的整流部分，吸收在转变中产生的电压脉动的平波回路部分，将直流功率变换为交流功率的逆变部分。控制电路是给主电路提供控制信号的回路，它有决定频率和电压的运算电路，检测主电路数值的电压、电流检测电路，检测电动机速度的的速度检测电路，将运算电路的控制信号放大的驱动电路，以及对逆变器和电动机进行保护的保护电路组成。现在大多数的变频器基本都采用交直交方式(VVVF变频或矢量控制)，将工频交流电源通过整流器转换为直流电源，再把直流电源转换成近似于正弦波可控的交

32、流电以供给电动机。三相交流电经过VD1VD6整流后，正极经过RL，RL在这里是防止电流忽然变大。经过RL电流趋于稳定，晶闸管触点会导通。之后直流电压加在了滤波电容CF1、CF2上，这两个电容的作用是让直流电波形变得更加平滑。之所以是两个电容是由于一个电容的耐压有限，所以用两个电容串联起来使用。均压电阻R1、R2是让CF1和CF2上的电压一样，两个电容的容量不同的话，分压就会不同，所以各并联了一个均压电阻。而中间的放电回路作用则是释放掉感性负载启动或停止时的反电势，用来保护逆变管V1V6和整流管VD1VD6。直流母线电压加到V1V6六个IGBT上，基极由控制电路控制。控制电路控制某三个管子的导通

33、给电机绕组内提供电流，产生磁场使电机运转4.1.1 测量方式变频器输出为PWM波，含有较多的高次谐波。变频功率传感器通过对输入的电压、电流信号进行交流采样，再将采样值通过电缆、光纤等传输系统与数字量输入变频功率分析仪，数字量输入变频功率分析仪对电压、电流的采样值进行运算，可以获取电压有效值、电流有效值、基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、基波功率、谐波功率等参数。4.1.2 工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路

34、滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的整流器，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的平波回路。整流器大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。

35、以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、p

36、lg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏4.1.3 MM440参数调试对于440变频器的调试应首先确认变频器的一些初始状态，在确认好电动机与变频器的连接后，利用内控先用操作器来控制电动机转动，首先需要设置以下参数：P0003=3，P0700=1，P1070=1050。设置完成后，可以把操作权交给操作器来手动操作。在第一步顺利完成后，应首先对电动机做快速调试，只有在这种模式下才可输入电机参数，而做好快速调试有利于变频器对电机参数的计算与优化，但快速调试的前提

37、是变频器的另一端是空电机，如联有机械部分有可能造成变频器对电机模型计算的不准确，快速调试步骤如下：P0003=3 P0004=0 P0010=1(启用快速调试)P0100=0 P0205=0 P0300=1P0304=电动机额定电压 P0305=额定电流 P0307=额定功率P0308=功率因数 P0310=额定频率 P0311=额定转速P0335=0 P0640=过载倍数 P0700=2(选择命令源)P1000=2 P1080=0 P1082=50P1120=10 P1121=10 P1135=5P1300=0线性V/F控制 P1500=0 P1910=1P3900=1快速调试过后根据电机有

38、无编码器还有变频器所控制的电机的数量来选择对电机的控制方式(P1300)。再把P1070设置为755，也就是选择由模拟量输入1来控制电机的速度给定，根据操作台电位计的实际情况来选择端子上的ADC1与ADC2两个开关，010V打成OFF，020mA打成ON。如果选择第5口数字输入DIN1为给定允许的话，将P0701=1，选择有了速度给定后电机的运行方式为接通正转，这样就实现了变频器速度的远程控制。对于点动的控制应首先根据设计中点动所对应的数字输入的端口，来选择P701P708之间所对应的数字输入的端口的参数，例如：端子的7和8口为正点与反点，应把P703=99（BICO参数化），P704=99(

39、BICO参数化)，将P1055=722.2（正点动使能），P1056=722.3（反点动使能），这样就可以通过外控来控制点动了。通过改变P1058与P1059可改变点动的频率值，而改变P1060与P1061可改变点动的响应时间。模拟量输出口：输出类型为020mA。选择P0771(0)=27，（第一组参数，将其修改为27）则将模拟量输出1选择为电流表模式，通过改变P2002的数值来修正电流表。将P0771(1)=21，（第二组参数选择为21）则将模拟量输出2定义为转速表，通过改变P2000来确定转速表的范围，默认为50Hz，而一般的变频器调速均为050Hz，所以采用默认值即可。4.2 西门子S7

40、-300 PLCSIMATIC S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化

41、的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI

42、）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。4.2.1 工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。（1）输入采样在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入

43、是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或

44、系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。（3）输出刷新当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整

45、个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。4.2.2 优点（1）可靠PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件。它的连线大大减少。与此同时，系统的维修简单，维修时间短。Plc采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。例如：冗余的设计。断电保护，故障诊断和信息保护及恢复。PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言。编程出错率大大降低。（2）易操作PLC有较高的易操作性。它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。程序的输入直接可接显示，更改程序的

46、操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找，然后进行更改。PLC有多种程序设计语言可供使用。用于梯形图与电气原理图较为接近。容易掌握和理解。PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位。（3）灵活PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程简单、应用面拓展。操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。4.2.3 安装注意事项1. 辅助电源功率较小，只能带动小功率的设备(光电传感器等);2. 一般PLC均有一定数量的占有点数(即空地址接线端子)

47、，不要将线接上;3. PLC存在I/O响应延迟问题，尤其在快速响应设备中应加以注意;4.输出有继电器型，晶体管型(高速输出时宜选用)，输出可直接带轻负载(LED指示灯等);5.输入/断开的时间要大于PLC扫描时间;6. PLC输出电路中没有保护，因此应在外部电路中串联使用熔断器等保护装置，防止负载短路造成损坏PLC;7.不要将交流电源线接到输入端子上，以免烧坏PLC;8.接地端子应独立接地，不与其它设备接地端串联，接地线裁面不小于2mm2;9.输入、输出信号线尽量分开走线，不要与动力线在同一管路内或捆扎在一起，以免出现干扰信号，产生误动作;信号传输线采用屏蔽线，并且将屏蔽线接地;为保证 信号可

48、靠，输入、输出线一般控制在20米以内;扩展电缆易受噪声电干扰，应远离动力线、高压设备等。5 船舶起货机系统设计5.1 船舶起货机PLC设计船舶起货机主要由起升、变幅、旋转组成，有重物起升控制手柄、变幅-旋转控制手柄、吊臂、钩头、绳索、限位开关等机械部分，能完全实现船舶起货机的工作状况和操作方式。起升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。起货机控制系统采用西门子S7-300 PLC，其系统如图4.1 所示。图4.1 系统原理图控制过程如图4.2 所示。PLC 通过功能模块控制变频器、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

49、功能。人机界面采用西门子触摸屏TP270，它能够实时的显示系统设备的工作状态、报警信息,工作人员通过它设置系统参数,系统状态还在柜体面板上以指示灯的方式显示,方便工作人员检查。它还可精确的实时显示系统的速度、负荷大小、运行方向和运行位置,使系统的可靠性提高。该系统采用PRORBUS总线技术,将CPU、变频器、功能模块、人机界面TP270通过一条总线连接起来,便于实现集中管理控制。该系统具有逐级起动、三级自动制动、逆转矩控制、限位保护、防止货物跌落、联锁控制和操作频度限制,以及历史参数查询和维修时间提示等多种功能。该系统提供的保护功能有过载保护、缺相保护、超压保护、欠压保护等,极大的简化了线路,

50、保障电机的运行。整个系统的稳定性强、可靠性高,且操作灵活、扩展方便。图4.2 控制流程图5.2 系统实现的功能(1)起升机构控制货物上升和下降的速度有高速、中速、低速三档。该系统可以实现档位速度区的无级调速。具体工作原理如下:操纵手柄档位的切换改变了电位器(4.5Kf)的阻值,产生并发送速度设定模拟量信号,PLC处理并发送4-20mA的信号给变频器,进而变频器改变电动机的转速。(2)采用闭环控制机制控制起货机起升、降落。磁脉冲传感器将速度信号传递给PLC处理单元,PLC通过高速计数器模块控制、显示速度。加速度的值可通过触摸屏设定,但加速度有限制范围,不能超过最大允许值。如有应急操作,例如手柄从

51、零档停车位突然扳到高速档,可以取消限制,让速度在最短时间内升到最大。(3)实现起货机的逐级平滑起动。操纵手柄突然从零位扳至高速档位时,要求电机线低速运行,过1s后达到中速运行,再过1.5s达到高速运行。保证换档时速度转换连贯,不会有自由状态现象和抱间现象发生,防止自由落货和电机过载。(4)实现起货机停车时的三级制动。操纵手柄突然从高速档位板到零位时,电机迅速进入低速档位运行状态,获得再生制动;0.6s后刹车抱间,机械制动和再生制动共同进行;再过0.3s低速档位接触器断开,单纯机械制动直至停车。(5)实现逆转矩控制。在高速档突然换向时,例如从上升三档突然切换到下降三档时,系统先进行三级制动,在刹

52、车抱闹0.5s后再反向自动逐级平滑起动。(6)具有短路保护、失压保护、断相保护及过热保护功能。当系统出现保护状态,电机立即紧急停车,诊断故障并修复后,将操纵手柄归零,系统自动复位。(7)当风窗未打开时,起货机风机起动无效;而风机停转时,起货机须自动停止运行。通过对电流的检测判断电机是否过载,如果电动机过载,系统会自动切换到低速运行状态,当货物重量超过最大允许值时,禁止起升货物,允许降下货物。(8)起货机满载时不允许进入高速运行状态,系统可通过负荷检测传感器检测电机电流,控制电机中、低速运转。系统有最大起升报警,当货物重量超过起货机的最大起升能力时,系统会发出声光报警,报警值可在系统内设定。“变

53、幅机构由交流伺服电机驱动,旋转机构由步进电机驱动,变幅和旋转设计成用一个手柄控制。通过控制该手柄,实现系统的加速、减速、增幅、减幅。该系统实现像起升系统类似的保护功能,像短路保护、过热保护、失压保护、单相保护、运转限位保护等功能,并具有自动制动功能。该系统釆用编码器作为位置检测元件,当系统上电时,默认变幅的中间位置为当前位置。起货机运行时,通过编码器的脉冲信号确定系统的实际位置。5.3 船舶起货机控制系统实现起升、变幅、旋转分别采用MM440 变频器、FM354 伺服器和FM353 步进驱动器进行驱动和控制。MM440、FM354、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

54、能、更多的问题解决方案。通过PLC 直接控制变频器运行方式进而控制电机的正反转图。通过变频器参数将变频器工作方式设定为端子操作, 并由PLC 输出端口控制。PLC 的PWM 指令可直接与变频器一起使用控制电机转速, PLC 的PWM 输出端和变频器频率设定输入端之间需要电压平滑接口电路。电压平滑接口电路输出电压作为变频器频率设定端频率设定值控制电机的工作, 达到变频调速控制。系统具备欠压、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。船舶起货机PLC 控制系统采用PROFIBUS 现场总线技术，把功能模块、CPU、主站(TP270) 通过一根总线互连在一起，实现集中控制和管理. 这种基于RS-485 通讯协议的PROFIBUS 的使用使得控制线路更加简单，通常情况下，从PLC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