1、本 科 毕 业 设 计基于 PLC 控制的船舶电动起货机控制系统设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要船舶起货机是船舶甲板机械中重要的设备，是用以保证运输船舶具有自行装卸货物能力的重要设备。虽然，船舶装载的货物大部分可以通过港口的起货设备进行装卸，但是并非所有的港口都具有足够的吊货装置，而且我们需要考虑的是当船舶在开阔的水面进行过驳、吊运物料及备份时的需要。因此，在一般的干货船上都需要安装起货机，船舶上的起货机的可靠性和工作效率对于缩短港泊时间、加快周转、降低运输成本都具有重要的意义。船舶起货机具有结构复杂，难以管理，专业性强，不易掌
2、握的缺点。目前，船舶起货机大多采用的是传统的继电器接触器控制系统，该控制系统采用了较多数量的副接触点跟时间继电器来构成逻辑时序控制，该控制方式的故障率高，可维护性和可靠性低，灵活性和扩展性差。在船舶进行装卸货物操作时，尤其是工作年限较长的船舶在装卸货物时，经常会因为副接触点跟时间继电器的故障而导致控制的紊乱，使系统无法正常运行。为此，近年来研制出了利用可编程控制器（PLC）对电动机进行控制的起货机。改用 PLC 控制系统后的起货机，不仅减少了管理人员的日常维护管理，而且有效地降低了故障发生率，大大的提高了船舶装卸货物的效率。同时，船舶起货机 PLC 复合控制的实现，成功的研制出了起货机的实物仿
3、真设备，通过实物仿真，使我们的教学更加的形象生动。在实物仿真系统中增加软件和硬件的故障设置功能，提高了船员们对起货机的故障分析、维修和管理的能力，为船员们以后的实船工作打下了坚实的基础。关键词：船舶起货机；继电器接触器；PLCIIABSTRACTShipping cargo crane ship deck machinery is an important equipment to ensure transport ships, is to load and unload goods ability with the important equipment. Although most of
4、the goods, the ship is carrying the goods by port equipment since, but not all of the loading and unloading port has enough crane goods, and we need to consider device is when ships in open water for transshipment, hoisting the material and backup when needed. Therefore, in general the ship need to
5、install the dry cargo winch, cargo winch on ships the reliability and efficiency to shorten the time, accelerate tabor port turnaround and reduce the transportation cost is of significance.Shipping cargo crane structure with complex, difficult to management, professional and strong, is not easy to m
6、aster shortcomings. At present, the shipping cargo crane is used mostly is the traditional relays - contactor control system, the control system adopted more number of deputy with time relay contact point to form logic program control, the control mode of failure rate is high, maintainability and re
7、liability, flexibility and expansibility poor low. Load and unload cargo ships in operating, especially in working years longer ship when loading or unloading, often because vice contact fault with time relay to control disorder, make system can not run normally. Therefore, in recent years developed
8、 using the programmable controller (PLC) to motor controlling the cargo crane. Convert PLC control system, the cargo crane after not only reduced the management personnel daily maintenance management, and effectively reduces the fault rate, greatly improve the efficiency of ship to load and unload g
9、oods.Meanwhile, Marine cargo crane PLC composite control realization, successful developed cargo crane equipment, through the physical simulation physical simulation, make our teaching more vivid. In the physical simulation system increase software and hardware fault setting function raises the crew
10、 to cargo winch the failure analysis, maintenance and management ability, for the crew of the ship after work to lay a solid foundation.Keywords: shipping cargo winch; Relays - contactor; PLCIII目 录第 1 章 绪论 .11.1 船舶起货机控制系统的发展 .11.2 本设计的背景及意义 .11.3 本设计的主要内容 .2第 2 章 船舶电动起货机 .32.1 船舶起货机的类型及特点 .32.2 电动起货
11、 机的拖动原理 .4第 3 章 PLC 概述 .83.1 PLC 的发展 .83.2 PLC 的特点及分类 .103.3 PLC 的工作原理 .123.4 本设计 PLC 选型 .13第 4 章 船舶电动起货机 PLC 控制系统硬件设计 .154.1 传统继电控制船舶起货机的运行特点及电路原理分析 .154.2 PLC 控制系统的 I/O 分配 .174.3 PLC 控制系统的外部连接 .18第 5 章 船舶电动起货机 PLC 控制系统软件设计 .215.1 船舶电动起货机工作过程 .215.2 船舶电动起货机 PLC 程序符号表 .225.3 PLC 程序梯形图 .22结论 .26致谢 .2
12、7参考文献 .28附录 1 船舶电动 起货机控制梯形图 .29附录 2 船舶电 动起货机控制指令表 .311第 1 章 绪论1.1 船舶起货机控制系统的发展传统的船舶电动起货机的控制方式一般有继电一接触器式、集成电路式、单片机式等，在这些控制方式中，应用较早且比较广泛的是继电接触器控制系统，该控制系统由时间继电器和中间继电器的副触点来控制电动机的启动、调速、反转和制动等运行性能的控制；实现对拖动控制系统的保护，满足生产工艺的要求。其特点是线路简单，电路图较直观形象，装置结构简单等。但由于它具有通用性和灵活性较差，采用固定的接线形式，不易改变等缺点，而且，采用有触头的开关电器，触头易发生故障，维
13、修量大。现在已经开始慢慢的被淘汰。在微机控制器发展的今天，产生了以单片机控制器去控制电动起货机的控制系统，在交流电动起货机中，交流变极三速电动起货机的应用较为广泛。该控制方式的控制线路不仅具有工作可靠，操作灵活的优点，同时还设有自动启动线路，主令控制器和扭转矩保护。利用单片机控制系统进行电动起货机的控制不仅可以满足对三速起货机控制的各种要求，达到稳定可靠的工作目的，而且能够及时发现故障并作出相应处理，具有一定的经济性和使用价值。然而，近年来随着 PLC 控制技术的迅猛发展，PLC 在船舶起货机中的应用也逐渐取代了继电接触器式控制系统和单片机控制系统而得到了越来越多的应用。PLC 的优点将在下面
14、的章节详细介绍，这里不赘述。改用 PLC 控制系统后的起货机，不仅减少了管理人员的日常维护管理，而且有效地降低了故障发生率，大大的提高了船舶装卸货物的效率。1.2 本设计的背景及意义联合国国际海事组织（IMO）在 1995 年里新修订的 STCW 公约中规定不再强制要求营运船舶中设立电机员的岗位，电机员的具体工作则由轮机员来承担。根据国内外的现状，上海海运学院目前正着力于研究出新一代船舶起货机的 PLC 变频控制系统，这不仅在实验教学，而且在起货机的实船改造也具有重要意义 14。传统的船舶电动起货机，按其所用动力去看，主要有电动式，液压式，电一液式；按其控制方式区分，则有继电器一接触器式、单片
15、机式、集成电路式等，随着 PLC 控制技术的飞速发展，它在船用起货机中的应用也越来越广。目前，起货机在船舶上的控制主要侧重逻辑时序的控制，由于当前变频调速在起货机上的应用还比较少，其调速方式一般为有级变极三速调节。通常情况，船舶起货机在电气设计、机械功能及控制系统上进行的工作是独立进行的，控制系统与机械功能两者间的结合仅仅够用而己，并不是最理想的。虽然已经出现了很多关于仿真软件、协作软件和项目管理工具等有助于机电一体化运动控制系统的设计和发展的著述，但这些仅仅是发展项目中重要或潜在的部分，仍不能跟计划优良超前的工程学一起相提并论。但是，电气、机械和软件工程三者间的集成正改变着运动控制的设计及它
16、的发展面貌，这便要求能够提供船用起货机已有设备描述的同时，对性能范围也要有合格详述并且阐明起货机必须要拥有的效果，然而，目前的船舶起货机对所需性能的定量信息及所要连接的机械并无提供完整的描述 6。船舶电动起货机长期以来应用传统的继电接触器的控制方式，由中间继电器和时间继电器的副触点来控制电动机的启停、变速以及转向。由于器件错综，触点繁多，加上频繁的2操作和海上恶劣的工况，导致起货机平均每年都有极大的损毁量。如果再算上由于起货设备故障导致的港船亏损，价值就更难以估量，因此，对传统的起货机的控制方式进行改造，已经迫在眉睫 14，目前，随着 PLC 控制技术的迅速发展，将 PLC 技术运用到船舶起货
17、机控制上也是顺其自然。改用 PLC 控制系统后的起货机，不仅减少了管理人员的日常维护管理，而且有效地降低了故障发生率，大大的提高了船舶装卸货物的效率。同时，船舶起货机 PLC 复合控制的实现，成功的研制出了起货机的实物仿真设备，通过实物仿真，使我们的教学更加的形象生动，这让我们的船员在今后的学习培训中能够更容易的接受与理解，为船员们以后的实船工作打下了坚实的基础。1.3 本设计的主要内容本课题研究的对象是船舶电动起货机，船舶起货机是船舶甲板机械中重要的设备，由于它具有结构复杂、专业性强、不易掌握等缺点，我们要根据起货机的运行特点、控制要求及安全保护功能方面，采用 PLC 对其进行控制，以达到简
18、单、可靠的控制。首先，我们介绍了船舶起货机的类型、特点及其控制的基本原理，这里面包括了船舶交流电动起货机的各种控制方法及采用变极调速的电动起货机拖动控制系统等内容。然后，我们简单地介绍了有关PLC 的一些特点、类型、基本特性及其工作原理等。最后，我们着重地介绍了用 PLC 控制技术对船舶电动起货机升降控制系统的软硬件设计，具体内容将在下面详细阐述。3第 2 章 船舶电动起货机船舶起货机是船舶甲板机械中重要的设备，起货机与其他机电设备一样，由原动机、传动机构和执行机构三部分构成。其作用主要是应用于船舶在开阔的水面进行过驳、吊运物料及备份等的需要，它的可靠性和工作效率对缩短港泊时间、加快航运周转、
19、降低运输成本具有重要的意义。船舶电动起货机有多种控制方式，如继电器接触器控制、单片机控制、可编程控制器(PLC)控制等。船舶电动起货机与其它类型的起货机相比较，具有振动和噪声较小，便于实现自动化跟遥控，同时可采用多台电动机拖动和选用各种类型电动机进行拖动，因此能够广泛的应用于现代船舶上。本章将简单介绍下船舶电动起货机的类型、特点及对其基本工作原理的分析。2.1 船舶起货机的类型及特点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)、吊杆式起货机和门式
20、起重机等不同类型。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。电动液压起货机的优点是调速平滑，能够实现无级调速，加速时间短，而且具有良好的制动能力，不需要电磁制动器。同时，由于它的调速与换向是在液压机械中进行的，电动机能维持恒定速度不变，因此可以采用普通的鼠笼式异步电动机，使其控制线路简化；它的缺点是制造精度要求高、油路管道系统复杂且工作效率低，一旦管路破损和漏油就不易修复。电动起货机的优点是容易实现自动化及远程遥控且本身振动和噪声小。可采用多
21、台电动机进行拖动和选用各种类型电动机进行拖动，因此，常被设计成紧凑的电力拖动系统。电动起货机的缺点在于电气线路比较复杂，在管理和维护上有比较高的要求。直流电动起货机主要有以下六种:(l)单输出直流发电机一电动机系统起货机；(2)双输出直流发电机一电动机系统起货机；(3)三输出直流发电机一电动机系统起货机；(4)可控硅控制的电动起货机；(5)带有磁放大器的直流发电机一电动机系统起货机；(6)西门子“LIEBHERR”可控硅控制起货机；下面仅对前面三种类型起货机做简单介绍。单输出直流发电机一电动机系统的电动起货机常采用差复励绕组发电机，两台起货机的拖动电机都是直流复励电动机。由三相鼠笼式异步电动机
22、作为直流发电机的原动机，发电机与电动机的他励绕组系统由半导体整流器供电，这是属于改变电动机电源电压的调速系统。由于两台发电机的两端通过联轴节连接，常被称为挑担式变流机组，该系统控制较为简单。双输出直流发电机电动机系统与三输出直流发电机电动机系统的起货机在交流供电式船舶上常被采用。双输出指的是发电机有两个输出电路分别给两台电动机供电，而每一个输出电路的电压大小和方向可独立进行控制，互不相干；对于三输出直流发电机电动机系4统则是发电机分别向三台直流的电动机供电，组成三套发电机电动机（G 一 M）拖动系统，用于回转式起货机(俗称克令吊)，分别完成起升、变幅、旋转三个功能，而双输出直流发电机一电动机系
23、统则被用于双杆式起货机中，两者的工作性质相同。在各种交流电动起货机中，目前采用较多的是变极调速的交流电动起货机，另外还有绕线式异步电动机的交流电动起货机。近年来也有采用变频调速的交流电动起货机及用 PLC 控制和单片机控制的电动起货机。变极调速（改变极对数）电动起货机可分为恒功率调速和恒转矩调速两种类型。按照恒功率设计的电动起货机系统，空钩或轻载运行在高速档时，可以充分利用电动机的功率，但是重载时不允许高速档运行，因此在控制电路中要设置可靠的保护环节，使其重载时，只能在中速或低速档运行。对于恒转矩设计的电动起货机系统，重载时电动机可以在高速档运行，防止重载高速运行的保护装置可以省去。虽然恒转矩
24、调速的电动机在空钩或轻载运行时，电动机的功率得不到充分利用，但是恒转矩调速电动机的平均起动转矩比较大，且时间短，可以提高生产效率。一般情况下，变极调速电动机采用双转子结构，高速与中速共用一个转子，而低速用另外一个转子。2.2 电动起货机的拖动原理1电动起货机拖动原理“拖动”的意思就是应用各种原动机使生产机械产生运动，以完成一定的生产任务。用各种电动机作为原动机的拖动方式称为“电力拖动” 。一般情况下，电力拖动装置主要由电源、传动机构、执行机构及电动机四个部分组成，如图 2.1 所示。图 2.1 电力拖动系统结构示意图电动机的作用是将电能转化为机械能，用来拖动生产机械的某一个执行机构。执行机构是
25、生产机械为执行某一任务的机械部分。传动机构是由各种控制电机、电器、自动化元件及工业控制计算机等组成的，用以控制电动机的运动，从而对执行机构的运行实现自动控制。电动机及一些电器控制设备的用电则由电力拖动系统中的电源部分提供。2电动起货机传动方程在很多情况下，电动机与执行机构并不是同轴的，这时在两者之间需要有一个中间传动机构，它的作用是将电动机的运动经过中间变速或变换运动之后再传给生产机械的执行机构。电动机在电力拖动系统中做直线运动(如直线电动机)或旋转运动时，由力学定律可知，必须遵循以下几个基本方程式:对于直线运动，方程式为:（2-1）式中:F拖动力（N） ；F Z阻力（N） ；m(dy/dt)
26、一惯性力，如果按照质量 m 的单位为 kg，速度 v 的单位为 m/s，时间 t 的单位为 s，则惯性力的单位与 F、F Z相同，为 N。与直线运动方程相似，旋转运动的方程式为：（2-2）tZdJTtzdmFv5式中:T电动机产生的拖动转矩(Nm);T Z阻转矩(或称负载转矩)(Nm);J(d/dt)惯性转矩(或称加速转矩)。转动惯量 J 可用下式表示:（2-3）式中:m 与 G 分别为旋转部分的质量(kg)与重量(N);p 与 D 则为惯性半径与惯性直径(m);g 为重力加速度，这里 g=9.81m/s2。这样，由式(2.3)可见，转动惯量 J 的单位 kgm2。然而，运动方程式(2.2)的
27、形式不够实用，在实际计算中常把它转化为另一种形式。在式(2.2)中，如将角速度(rad/s)化成每分钟的转速 n(r/min)表示的形式，即并把式(2.3)代入，则得式(2.2)的实用形式:（2-4） 式中:GD 一飞轮惯量 (Nm2)，GD =4gJ。2式(2.4)中的数字 375.是具有加速度量纲的，式(2.4)中各物理量只有在上述的指定单位下才成立。电动机电枢(或转子)及其它转动部件的飞轮惯量 GD 的数值可以在相应的产品目录中查2到，但是其单位目前仍用 kgm 表示。为了转化为国际单位制，只需将查到的数据乘以29.81 便可转化成单位 Nm 。通过电动机的运动方程式便可将工作状态表示出
28、来。分析式(2.4)可知:(1)当 T=T 时， ，则 n=0 或 n=常值，即电动机等速旋转或静止，系统处于稳定运转z状态。 (2)当 时， ，则系统处在加速状态，即电力拖动系统处在过渡过程。zT(3)当 时， ，则系统处在减速状态，即电力拖动系统处在过渡过程。z应用运动方程式时，通常将电动机轴作为研究对象。由于电动机类型及运转状态的不同，以及生产机械负载类型的不同，电动机轴上的拖动转矩 T 及阻转矩 TZ不仅大小不同，方向也是变化的。因此，运动方程式可写成下列一般形式:(2-5)式(2.5)中转矩 T 与 TZ前均带有正负号，一般可作如下规定:如果预先规定某一旋转方向(如顺时针方向)为正方
29、向，那么转矩 T 的方向如果与规定的正方向相同，则式(2.5)中的 T前带正号，相反时则带负号。而阻转矩 TZ在式(2.5)中已带有总的负号，因此其正负号的规定刚好与转矩 T 的规定相反，即阻转矩 TZ的方向如果与所规定的正方向相同时，T Z前则为负号，而相反时则取正号。加速转矩 的大小及正负号由转矩 T 及阻转矩 TZ的代数和来决定。然而，实际拖动系统中的轴常常不止一根，如图 2.5 所示，图中采用四根轴，将电动机tndGD375)(2ztnZdGDT375260gGJ4m20tndt ）（tndGD37520tnd6角速度 变成符合执行机构需要的角速度 。在不同的轴上各有其本身的转动惯量及
30、转速;z也有相应的反映电动机拖动的转矩及反映执行机构工作的阻转矩。图 2.2 电力拖动系统传动示意图a)传动图 b)等效折算图如图 2.2 所示，用电动机轴上的阻转矩 TZ来反映执行机构中轴上转矩 T1Z的工作。折算的原则是根据系统的传送功率不变，暂时忽略中间传动机构的损耗。按传送功率不变的原则，应有如下关系:ZZ（2-6）式中:j 为电动机轴与执行机构轴间的转速比，j= / =n/n 。z传动机构如多级齿轮或带轮变速，且已知每级转速比为 j 、j 、j 、，则总的转速123比 j 应为各级转速比的乘积:j=j j j 。123在一般设备上，电动机多数是高转速的，而执行机构中轴多数是低转速的，故 j l。3起货机直线运动方程通常，某些生产机械的执行机构是直线运动方式的，例如起重机的提升机构，其钢绳以力 吊起质量为 的重物 G，并以速度 等速上升或下降，示意图如图 2.3 所示。另外，ZFzmzv如刨床工作台带动工件的前进，当以某一切削速度进行切削时，也是直线运动机构的一种。无论是钢绳拉力还是刨床切削力都将在电动机的轴上反映出一个阻转矩 ，折算原则与上述ZT相同，也是以传送功率不变，同样传送损耗不考虑。jTTZ)(图 2.3 起重机示意图
