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3～5吨，双杆操作为1.5～3吨;万吨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1～2根，起重量大多为10～60吨，也有60～150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。

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PLC

3.1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=60f（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，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45~66Hz或45~440Hz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，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。

3.2PLC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0～10V的输入信号时，而PLC为0～5V的输出电压信号范围时；或PLC为0～10V的一侧的输出信号电压范围，而变频器范围为0～5V的输入电压信号时，由于晶体管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0～10V/5V及0/4～20mA电流信号。

4变频器与PLC的应用

4.1MM440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流电以供给电动机。

三相交流电经过VD1～VD6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V1～V6和整流管VD1～VD6。

直流母线电压加到V1～V6六个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