1、 本科 毕业设计 船舶起货机的 PLC 复合控制设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 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
2、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 P
3、ROFIBUS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； TP270 II Abstract 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
4、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,
5、 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
6、。 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 mic
7、rocomputer 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 desi
8、gned 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 structur
9、e。 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 con
10、trol 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 III 目录 前言 1 第 1章 PLC的概述和船舶起货机的 PLC选定 2 1.1 可编程控制器的概述 2 1.2 船舶起货机的 PLC选择 4 1.3 船舶电
11、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 2.2 3 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 15 3.2 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 18 4.1 PLC源程序 18 4.2 起升货物控制程序 FC101 18 4.3 旋转机构控
12、制程序 FC102 21 4.4 故障处理程序 FC103 23 总结 24 参考文献 25 致谢 26 1 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
13、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
14、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
15、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
16、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。 2 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
17、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
18、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 1 2KB。一台 PLC 只能代替 200 300 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
19、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、
20、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 (RI
21、SC)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3 运算 、数值运算的能
22、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。
23、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
24、 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
25、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
26、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
27、，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： 4 （ 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
28、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
29、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 P
30、LC 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 PL
31、C 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 CPU CPU 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。 5 PLC 连接的过
32、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（ CP
33、U），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
34、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。 6 （ 2）电气硬件设计进一步简化； 只需一块信号处理面板即可。 PL
35、C 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
36、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。
