1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 基于 PLC 的 船舶起货机控制系统设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 基于 PLC 的船舶起货机控制系统设计 摘要 船舶起货机是远洋船舶甲板机械最典型的设备之一，是货轮与客货轮装卸、移动货物和吊运物品的主要机械， 也是轮机员最头疼 的 船舶机械设备之一 。起货机的性能及工作情况，对缩短停港用期、加速港口货物的吞吐量有着极其密切的关系， 船舶起货机装置性能的好坏直接影响船舶 运营的速度以及公司的最大利润的追求 。 当前国内很多生产出来的起货机还是采用继电接触器控制，可靠
2、性差，有生产隐患。认真研究起货机的运行特点及方式后进行 PLC 的改造，在能保证安全运行的情况下，把控制系统中大部分的接触器用软件功能来代替。先要分析下起货机的电路图原理，掌握各个运行环节。再进行 PLC 选型，完了之后根据电路图进行 PLC 控制系统的 I/O 配置，原先继电接触器控制系统中很多接触器、继电器及相应的触点都可以拿掉，风机、电动机和其他必须部件可以直接与 PLC 和主令控制器点对点连接，最后再进行 PLC 程序设计。改造完 成后，没有了复杂的线路，可以减少管理人员的日常维护管理，还能有效降低故障发生率，大大的提高船舶装卸货物的效率，这是船舶起货机研究最终要实现的效果。 关键词：
3、 船舶起货机；继电接触器； PLC； 毕业论文 - Abstract Shipping cargo crane ocean ship deck machinery is one of the most typical equipment, is with Passenger freighter loading and unloading, and move the goods and the lifting of the items of the main mechanical, is also the most headaches of engineer ship one of mechan
4、ical equipment. The performance of the cargo crane and working conditions of stop with period, shorten Hong Kong harbor cargo throughput accelerated is very close relationship, Marine cargo crane device performance will have a direct impact on the operation of the ship speed and maximize profits. Th
5、e current domestic many productions out of the cargo crane or the relay contact device control, poor reliability, produce hidden trouble. Careful study of the cargo crane operation characteristics and after the renovation of the way PLC, in can guarantee the safe operation of the cases First analysi
6、s of the cargo crane circuit diagram principle, master each operation link. Then to PLC selection, after circuit diagram PLC control system according to the I/O configuration, the original relay contact device control system in many contactor, relay and the corresponding contacts can take off, the f
7、an, motors and other must component can be directly with PLC and the Lord make controller point-to-point connections, and finally to for PLC program design. After the completion of the reform, not the complex line, can reduce management personne l daily maintenance management, but also can effective
8、ly reduce the incidence of fault, and greatly improve the efficiency of the load and unload cargo ship, and this is the cargo crane research eventually to achieve the effect. Keywords: Ship Crane; Relay contactor; PLC 毕业论文 - 目录 摘 要 . Abstract . 第 1 章 绪论 .1 1.1 研究 船舶起 货 机 的意义 .1 1.2 本论文的主要内容 .1 第 2 章
9、 船舶起货机 .2 2.1 船舶起货机的类型及特点 .2 2.2 关于起货机中电动机的一些原理 .3 2.3 对船舶起货机的技术要求 .6 2.4 关于设备维护 .7 第 3 章 可编程控制器 .8 3.1 可编程控制器的历史 .8 3.2 本设计 PLC 选型及理由 .9 3.3 可编程控制器的工作原理 .12 3.4 PLC 控制系统的外部连接 .13 第 4 章 船舶起货机 的 PLC 控制系统设计 .15 4.1 传统继电器控制的船舶起货机电路原理分析 .15 4.2 本设计 PLC 控制系统的 I/O 配置 .18 4.3 PLC 程序设计 .19 本次设计的总结 .25 致谢 .2
10、6 参考文献 .27 毕业论文 - 第 1 章 绪 论 1.1 研究 船舶起 货 机 的意义 发展海上运输对于加强国民经济建设具有重大的现实意义。特别是近年来由于对外贸易的迅速发展，远洋重船载大量物资往来于世界各国的港口，成为国际间进行物资交流的主要工具。 自我国 加入 WTO 以来 ，国家对外进出口 贸易 额逐年增加 。 起重机的尺寸不断增大， 负载 和自身重量不断增加 。 各种起重机 走 高效、大型化的 路线，以 适应货运量的激增和船舶大型化对装卸速度的迫切需要 。 为了适应形势发展的需要，不断壮大远洋运输船队，增加船舶数量是十分必要的，但同时应 该十分注意提高装卸重效率，以便充分发挥船舶
11、的运输能力和提高经济效益。 近年来航运市场持续升温，对船舶的需求量大增，中国造船业抓住机遇，不断扩大国际造船市场的占有份额。我国 有 “ 船舶科技跨越工程制造推进计划 ” ，船舶起重机作为重要的甲板设备， 在 国内己经具有一定的生产基础，如果加快对已有引进技术的消化、吸收和创新，并能自主开发自创品牌，在国内乃至国际竞争中获得一席之地 ，将极大推进和带动 国内 船舶配套业的发展。 世界造船业的发展 历史 ， 表明了 要发展造船业，必须同时建设与之相 应 的船舶配套业。我国 要 成为世界第一造船大国，必须 要大力发展 船舶配套设备 制造 。发展船舶配套业，能够进一步提高我国造船业的整体国际竞争力。
12、 就拿舟山来说，得天独厚的地理环境造就了舟山市船舶业的巨大成就，但船舶配套工业仍处于起步阶段，政府要加大扶持力度，出台相关优惠政策，吸引省内外甚至国外相关企业来舟山落户，以带动舟山市整个船舶配套产业的发展。同时要加强行业管理，避免不正当的竞争，使舟山市的船舶配套产业能够健康有序的发展。 1.2 本论文的主要内容 本文主要讨论船舶起货机的分类、运行特点、原理及一些参数，也介绍了有关 PLC 的一些知识。最主要的环节就是根据电动机 控制系统的原理来进行 PLC 设计。 毕业论文 - 第 2 章 船舶起货机 2.1 船舶起货机的类型及特点 船舶起货机属于船舶甲板机械，是装在船舶甲板上的机械设备，是船
13、舶的重要组成部分。 船舶起货机 从动力来分有三类， 底子 的原理都是杠杆原理。 手摇起 货 机：以手摇为动力，起重量很小，但维护和保养都很方便。 电动起 货 机：以电动机为动力，通常功率不大。不过操作和控制比较容易，动力系统的布置也比较简单。 液压起 货 机：以液压为动力，起重量一般都比较大。但需要布置专门的动力和控制系统。一般的大型杂货船都采用这种起重 机。 船舶起货机根据其驱动机械能源的不同可分为：蒸汽起货机、电动起货机和液压起货机；根据电流形式的区别可分为：交流电动起货机和直流电动起货机。而根据起货机机械结构形式的不同，又有回转式起货机 (克令吊，英 crane)、吊杆式起货机 (英 D
14、errick)和门式起重机等不同类型。通常情况下，回转式起货机由电动机驱动，吊杆式起货机由液压驱动。 图 2.1 船舶起货机回转式 其中吊杆式起货机又有双杆式与单杆式两种不同的类型。 20 世纪 60 年代至 70 年代中，船舶起货机大多数采用的是吊 杆式起货机。 80 年代之后，回转式起货机应用增多，并且多数为电动液压型和电动式。 电动起货机系统结构紧凑、振动、噪音较小，便于实现自动化和遥控；其缺点是电气线路较为复杂，在管理和维护方面有一定的要求。通常采用多电动机拖动或选用各种类型电动机的固有特性或人为特性来满足起货机对电力拖动提出的要求。 而电动液压起货机能实现无级平滑调速，加速时间短，具
15、有良好的制动能力，不需要电毕业论文 - 磁制动器。它的调速和换向是在液力机械中进行的，而电动机维持恒速不变，因此可采用普通鼠笼式异步电动机。它的缺点是工作效率低，制造精度要求高，油路 系统复杂，一旦管路破损、漏油不易修复。 表 2-1 比较电动起货机与液压起货机的特点 2.2 关于起货机中电动机的一些原理 对于起货机而言，电动机是心脏，电动机的性能直接影响着起货机的效率。 1.额定功率 电动机的额定功率是在连续运行时，在正常的冷却条件下，周围介质温度是标准值（ 40）。时所能承受的最大负载功率。电动机短时或断续工作，负载可以超过额定值；如它扇冷式以提高散热能力，可提高电动机带负载的能力；如周围
16、介质温度不同于 40，可对额定功率进行校正 2。 2.电动机的调速 6 起货机有不同档位速度的需要，所以一般都用三相异步电动机。 异步电动机转速的表达式 : spfsnn 1601 1s （ 2-1） 可见，要调节异步电动机的转速，可从改变下列三个参数入手， （ 1）改变定子绕组的极对数 p ，即变极调速。 改变定子的极对数，可使异步电动机的同步转速 sn 改变，从而使电动机转速得到调节。 通常用改变定子绕组 联结，这种电动机一般采用笼型转子，其转子的极对数能自动地与定子极对数相对应。 （ 2）改变供电电源的频率 1f ，即变频调速。 采用改变供电电源频率 1f 的调速方法，可以得到很大的调速
17、范围、很好的调速平滑性和有足够硬度的机械性能。异步电动机的转速： 起动特性 液压传动 电气传动 调速特性 加速时间在 2-4秒内 加速时间小 于2 秒 运行特性 制造成本及可靠性 大多采用阶梯式 无级调速速比范围大 FX0S 的 X0 X3 运动平稳，能抗冲击 投资小，可靠 投资大，可靠 维护管理 维护方 便 维修工作量较大 技术发展趋向 PLC 控制 电液复合机电一体 毕业论文 - spfn 160 1 （ 2-2） 当转差率变化不大时， n 基本上正比于 1f 。显然如有频率可平滑调节的供电设备，即可平滑调节异步电动机的转速。 （ 3）改变转差率 s，即调节转差能耗调速。 掉接转差能耗的调
18、速方法，包括转子电路串联电阻调速、改变定子电压调节、滑差电动机、串级调速及脉冲调速等。这些方法的共同特点是：在调速过程中均产生大量的转差功率sPe，并且消耗在转子电路，使转子发热，调速的经济性较差（除串级调速外）。 3.电动机的散热 电动机长时间运行，必定会积蓄热量。如果热量积累过多必会影响其工作效率，严重的甚至对电动机造成不可逆转的损坏，所以对电动机及时散 热又是一个需要解决的问题。 电动机的发热，是由于在实现能量变换中在电动机内部产生损耗并变成热量使电动机的温度升高。我们首先研究电动机长时间连续工作，负载不变的情况下的发热过程。 在电动机内部产生损耗 P，其值为： )11(221 pppp
19、（ 2-3） )1(1 pp （ 2-4） Cuppp 0 （ 2-5） 式子 中 热流量（电动机单位时间内发出的热量）（ J/s 或 W）； 1p 及 2p 电动机的输入功率和轴上的输出功率（ W）； 电动机效率； 0p 不变损耗，即为空载损耗，包括铁耗与机械损耗，他们仅与转速有关，而与负载的大小无关； Cup 可变损耗，即为铜耗 ，它随负载的变化而变化，与负载电流的二次方成正比5。 电动机发热情况的温升变化函数： TtTtW eetf Q / )1()( （ 2-6） 式中Q 发热过程的起始温升（温度）。 T 发热时间常数，表示电动机温升变化快慢的程度，是一个表征热惯性的时间常数，ACT
20、/ ， C 是电动机的热容，即为使电动机温度升高 1所需的 热量； aSA 为电动机的散热系数，即电动机与周围介质温度相差 1时，单位时间内电动机向周围介质散发的热量，单位为 W/K， S 为散热表面积，单位为 m2； a 为传热系数，即升温 1时，每秒钟从每平方米的面积上散发的热量。由 C 与 A 的单位可导出 T 单位为 s。 T 的大小与电动机构造尺寸以及散热条件有关，电动机的体积愈大，一般发热时间常数 T 也愈大，因为热容 C 与电动机体积或重量成正比，而散热系数则与电动机的外表面积成正比 3。 电动机不能无限制升温，当 t 时 : AW (2-7) 毕业论文 - 即发热过程结 束时，
21、温度不再升高，趋于稳定值 W 。此时 0d ； 根据热平衡方程式 dtACddt 可得 dtAdt W (2-8) 显然此时电动机在时间 dt 内发出的热量全部向周围介质散发掉，电动机不再吸收热量，其温度也自然不再升高了。因此，只要稳定温升 W 控制在绝缘材料允许的最高温升 m 以内， 电动机连续工作也不会过热了。 电动机的最高稳定温升可达 m NP=AANm (2-9) 式中 NP 及 N 电动机在额定功率下运行时的损耗功率及热流量。电动机在运行中只要发出的热流量 N 或 NPP ，电动机温度就不会超过允许值。 在式子 APA NNm / 中，如用 )1/1( NNN PP 带入，得 ()1
22、mNNN APP (2-10) 由此说明，对同样尺寸的电动机，欲使其额定功率 NP 提高，可由三方面入手。 （ 1）提高额定效率 N ，即相当于采取措施降低电动机损耗。 提高散热系数 A，用加大空气流通速度与散热表面积可使散热加快，因此电动机中广泛采用风扇（自带风扇的自扇冷式及另外配备通风机的他扇冷式）和带散热筋的机壳，在结构形式上，同样尺寸的开启式电动机，其额定功率比封闭式的大，因前者的散热条件较好，其散热系数比后者的大 4。 （ 2）提高绝缘材料的允许温升 m ，这可从采用等级较高的绝缘材料达到要求。 电动机中常用的绝缘材料可有五种等级： 1） A 级绝缘：最高允许温度 105，包括经过绝
23、 缘浸渍处理的棉纱、丝、纸等，普通漆包线等。 2） E 级绝缘：最高允许温度 120，包括高强度漆包线的绝缘漆，环氧树脂，三醋酸纤维薄膜、聚酯薄膜及青壳纸，纤维填料塑料。 3） B 级绝缘：最高允许温度 130，包括云母、玻璃纤维、石棉等制成的材料，用有机材料粘合或浸渍；矿物填料塑料。 4） F 级绝缘：最高允许温度 155，包括与 B 级绝缘相同的材料，但粘合剂及浸渍漆不同。 5） H 级绝缘：最高允许温度 180，包括与 B 级绝缘相同的材料，但用 180硅有机树脂粘合或浸渍、硅有机橡胶、无机填料塑料。 4.电动机的冷却 电动机 的冷却可能有两种情况。其一是负载减小，电动机损耗功率 P （
24、或热流量 ） 下降时；其二是电动机自电网断开，不再工作，电动机的 P 或 变为零。 电动机的冷却过程的温升曲线变化规律方程式同样为 (2-6),但意义有些区别。 式中Q 冷却开始 时的起始温升（温度） 而 W 为由降低负载后的 P 或 所决定的稳定温升，显然 QW 。 当电动机自电网断开时， 0p ，则 0W ，得 毕业论文 - / TteQ (2-11) T 是电动机脱离电网时的冷却时间常数，不同于电动机通电时的时间常数 T 。这是因为当电动机由电网断开后，电动机停转，在采用自扇冷式的电动机上，风扇不转，散热系统下降为 A ，使时间常数增大为 / ACT ， T 可达 2 3T 。在采用它扇
25、冷式时，则 TT 。在电动机冷却时，发热减小或不发热，原来存储在电动机中的热量逐渐三处，使电动机温升下降。冷却开始时，电动机的温升大，散热量大，温升下降快；随着温升的不断下降，散热量愈来愈小，温升下降变得平缓最后趋于 W 或 0W 。 2.3 对船舶起货机的技术要求 1.提高生产率 生产率是起货机的重要指标，以每小时的起货量（ t/h）表示，加快提升货物的速度可提高起货机生产率，但从安全生产的角度来看，提升速度越高越不安全。为了提高生产 率，必须合理确定额定起货速度 5。 提高空钩速度可以缩短起货周期、提高生产率。因为空钩高速时造成生产事故的可能性较小，一般起货机空钩运行速度比额定起货的速度高
26、出许多。对电动起货机选用飞轮惯量（ GD2）小的电动机以缩短系统的启动和制动时间也是提高生产率的一项有效措施。 2.对调速范围的要求 调速范围是起货机的另一项重要指标。起货电动机在运行过程中，既有空钩高速，又有重载低速，要求较广的调速范围。一般直流起货机调速范围为 10:1，调速性能良好；交流起货机的调速范围为 7:1，基本上也能满足起货的调速要求。值得一 提的是液压起货机的调速由液压控制实现，拖动电动机本身不需要调速。 3.对电动机型式的要求 电动起货机必须选用防水式、重复短期工作制的电动机以适应甲板工作条件。直流起货机，一般采用气动力矩大而机械特性软的复励电动机以承受冲击负载，并且能适应轻
27、载高速、重载低俗的工况。对交流起货机，宜选用起动力矩大、转差率高而起动电流较小的深槽式（或双笼式）的变极调速笼式异步电动机，也可选用绕线式异步电动机。对发电机 -电动机（ G-M）系统的起货机，宜选用具有差复励绕组的发电机，使电动机获得适用于起货机的下坠特性。此外，要选用转动 惯量小的专用电动机，使起动和制动过程中的能耗降低。 4.对控制电路的要求 10 （ 1）电动起货机采用三档调速控制，并能实现正反转运行。 （ 2）对电动机设置短路、过载、绕组过热、失牙欠压、缺相保护环节等。 （ 3）采用主令控制器实现运行操作，以保证起货机操作灵活，工作可靠。 （ 4）电动机要求有通风机进行强制冷却，并设置风道的风门对风机和电动起货机之间的联锁控制。 （ 5）设置从零档到上升（或下降）高速档自动延时的启动控制，以防止在快速操作时引起电动机过大的冲击电流及起货机产生的大力机械冲击。 （ 6）从高速档降到 零档停车时设定了三种自动制动控制：机械制动、电气制动（再生制动）和电气与机械联合制动。 （ 7）对于内阻恒定的恒功率的三速电动机，中、高档速度应设置有重载不上高速控制环
