船舶起货机PLC控制变频调速系统设计.docx

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船舶起货机PLC控制变频调速系统设计

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MICROMASTER440、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；变频调速；变频器；西门子

Abstract

Ship'scargowinchisoneofthemostimportantequipmentofshipdeckmachinery.Thisarticlefirstintroducedtheoverallclassificationofshipwinch,thendetailedexpoundsthesystemcompositionandworkingprincipleofwinch.Initsworkingprinciple,onthebasisofin-depthanalysisoftheprincipleoffrequencycontrolofmotorspeedandtheapplicationofSiemensfrequencyconverterandPLC.Inthispaper,onthebasisoftheintroductionoffrequencycontrolofmotorspeedadoptsfrequencyconversionmoduleofSIEMENSMICROMASTER440,acservomoduleFM354andsteppermoduleFM353respectivelythecargocrane'shoisting,luffingandrotationalcompositecontrol.Functionmodulesoftheinverter,stepandservo,andtheuppermachine,man-machineinterfaceTP270throughPROFIBUSfieldbusinterconnectiontogether,realizethecentralizedcontrolandmanagement.MarinewinchPLCcompoundcontrolsystemfunctioncomplete,easyextension,hastheveryhighreliability.

Keywords:

Shippingcargowinch;Frequencycontrolofmotorspeed;Frequencyconverter;Siemens

目录

1绪论1

1.1 课题研究的背景及意义1

1.2 课题研究的主要内容1

2船舶起货机3

2.1船舶起货机简介3

2.2船舶起货机吊杆组成4

2.2.1单杆操作与双杆操作5

2.2.2双千斤索吊杆装置和埃贝尔吊杆装置5

2.2.3轻型吊杆装置和重型吊杆装置5

2.3船舶起货机工作原理6

2.4起货机的控制要求7

3变频调速与PLC8

3.1变频调速的8

3.1.1特点8

3.1.2测量方式9

3.2PLC控制与变频器的连接10

3.2.1开关指令信号的输入10

3.2.2数值信号的输入10

4变频器与PLC的应用11

4.1MM440变频器11

4.1.1测量方式11

4.1.2工作原理12

4.1.3MM440参数调试13

4.2西门子S7-300PLC14

4.2.1工作原理15

4.2.2优点16

4.2.3安装注意事项16

5船舶起货机系统设计18

5.1船舶起货机PLC设计18

5.2系统实现的功能19

5.3船舶起货机控制系统实现20

6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。

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3～5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25～30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9～18.5米,宽度为3～5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