船舶起貨機PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)設計

1、摘 要船舶起貨機是船舶甲板機械最重要的設備之一。本文先從總體上介紹了船舶起貨機的分類,然后詳細的闡述了起貨機的系統(tǒng)組成和工作原理。在掌握其工作原理的基礎上,深入的分析了變頻調(diào)速的原理和西門子變頻器與PLC的應用。本文在介紹變頻調(diào)速的基礎上采用西門子的變頻模塊MICROMASTER 440、交流伺服模塊FM354 和步進模塊FM353 分別實現(xiàn)了起貨機的起升、變幅和旋轉復合控制。功能模塊的變頻、步進與伺服、以及上位機、人機界面TP270 通過PROFIBUS 現(xiàn)場總線互連在一起，實現(xiàn)了集中控制與管理。船舶起貨機PLC 復合控制系統(tǒng)功能完備、擴展方便、具有很高的可靠性。關鍵詞:船舶起貨機； 變頻調(diào)

2、速； 變頻器； 西門子AbstractShip's cargo winch is one of the most important equipment of ship deck machinery. This article first introduced the overall classification of ship winch, then detailed expounds the system composition and working principle of winch. In its working principle, on the basis of in-

3、depth analysis of the principle of frequency control of motor speed and the application of Siemens frequency converter and PLC. In this paper, on the basis of the introduction of frequency control of motor speed adopts frequency conversion module of SIEMENS MICROMASTER 440, ac servo module FM354 and

4、 stepper module FM353 respectively the cargo crane's hoisting, luffing and rotational composite control. Function modules of the inverter, step and servo, and the upper machine, man-machine interface TP270 through PROFIBUS field bus interconnection together, realize the centralized control and m

5、anagement. Marine winch PLC compound control system function complete, easy extension, has the very high reliability.Keywords: Shipping cargo winch; Frequency control of motor speed; Frequency converter; Siemens目 錄1 緒論11.1  課題研究的背景及意義11.2  課題研究的主要內(nèi)容12 船舶起貨機32.1 船舶起貨機簡介32.2 船舶起貨機吊桿組成42.2.1

6、單桿操作與雙桿操作52.2.2 雙千斤索吊桿裝置和埃貝爾吊桿裝置52.2.3輕型吊桿裝置和重型吊桿裝置52.3 船舶起貨機工作原理62.4 起貨機的控制要求73變頻調(diào)速與PLC83.1 變頻調(diào)速的83.1.1 特點83.1.2 測量方式93.2 PLC控制與變頻器的連接103.2.1 開關指令信號的輸入103.2.2 數(shù)值信號的輸入104 變頻器與PLC的應用114.1 MM440變頻器114.1.1 測量方式114.1.2 工作原理124.1.3 MM440參數(shù)調(diào)試134.2 西門子S7-300 PLC144.2.1 工作原理154.2.2 優(yōu)點164.2.3 安裝注意事項165 船舶起貨機

7、系統(tǒng)設計185.1 船舶起貨機PLC設計185.2 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能195.3 船舶起貨機控制系統(tǒng)實現(xiàn)206 結論22致 謝23參考文獻24 緒論1.1  課題研究的背景及意義傳統(tǒng)的船舶起貨機，主要有電動式、液壓式、電-液式；就船用起貨機的控制方式而言，主要有繼電接觸器式、集成電路式、單片機式，隨著PLC技術的發(fā)展，PLC在船舶起貨機上的應用越來越廣泛。目前，船舶起貨機的控制注重于邏輯時序控制，其調(diào)速方式多為有級變極三速調(diào)節(jié)，無級調(diào)速多應用于液壓式或GM系統(tǒng)的起貨機，變頻調(diào)速在船舶起貨機上的應用較少。通常情況下，船舶起貨機的機械、控制和電氣設計的工作是獨立進行的，機械功能與控制系統(tǒng)的結

8、合并不是最理想的，只是夠用而已。雖然已經(jīng)有了很多有助于機電一體化運動控制系統(tǒng)設計及發(fā)展的關于仿真軟件、項目管理工具和協(xié)作軟件的著述，這些工具是發(fā)展項目的重要和潛在的主要部分，卻仍不能與優(yōu)良超前的計劃及工程學相提并論。機械、電氣以及軟件工程的集成正在改變運動控制設計及其發(fā)展的面貌。這就要求提供船舶起貨機現(xiàn)有設備的描述，詳述合格的性能范圍并闡明其必須達到的效果，而不是告訴船員怎樣實現(xiàn)這個結果。然而，現(xiàn)在的船用起貨機沒有提供所需性能的定量信息，沒有所要連接的機械的完整描述。船舶起貨機是遠洋船舶甲板機械最典型的設備之一。其結構復雜，難于管理，專業(yè)性強，不易掌握。船舶交流電動起貨機長期以來沿用傳統(tǒng)的繼電

9、器接觸器控制方式, 由時間繼電器和中間繼電器的副觸點控制電機的啟動、變速及換向。器件錯綜,觸點繁多, 加上操作頻繁和海上船舶工況惡劣, 導致電動起貨機年均損毀量極大。如再計入由于起貨設備的故障而引起虧損, 其價值就更加難以估量。因此, 改造傳統(tǒng)的控制方式, 已是迫在眉睫。所以有必要采用先進的PLC控制技術來取代。1.2  課題研究的主要內(nèi)容本文先從總體上把握了船舶起貨機,簡單介紹了船舶起貨機的分類,然后詳細的闡述了起貨機的系統(tǒng)組成和工作原理。介紹了變頻調(diào)速的基本原理, 深入的分析了變頻調(diào)速的原理和西門子變頻器與PLC的應用。最后設計了變頻調(diào)速系統(tǒng)。具體研究內(nèi)容如下:(1)簡要介紹了起

10、貨機的背景,并論述了船舶起貨機使用PLC變頻調(diào)速的意義。(2)深入分析了起貨機的系統(tǒng)組成及其工作原理。(3)詳細介紹了變頻調(diào)速的基本原理，PLC與變頻器的連接。(4)介紹了西門子M440變頻器與S7-300PLC。(5)完成起貨機的系統(tǒng)設計。2 船舶起貨機2.1 船舶起貨機簡介船舶起貨機是一種船舶靠港裝卸貨物以降低船舶運營周期的設備。起貨機的使用解決了裝卸貨物的難題,并實現(xiàn)了船舶在寬闊的水面吊運貨物?？煽啃愿叩钠鹭洐C,可以大大的提高港口裝卸貨物的效率,從而縮短了航運周期、降低運輸成本。起貨機按照期貨設備的不同可分為吊桿式起貨機和回轉式起貨機,回轉式起貨機又被稱為起貨機。船舶起貨機按照所釆用的能

11、源和驅動方式的不同,又可分為三種類型:蒸汽式起貨機、電動式起貨機和液壓式起貨機。早期的船舶上的起貨機是采用蒸汽驅動的。蒸汽式起貨機的調(diào)速性能良好,啟動力矩也比較大,故障較低,且工作可靠,但蒸汽式起貨機的工作效率低。隨著蒸汽能源大大減少,以內(nèi)燃機為動力源的起貨機代替了蒸汽式起貨機,蒸汽驅動的甲板機械己經(jīng)淘汰。電動起貨機就是用電動機作為動力源 起貨機。它的操縱方式較簡單方便,操縱人員可以很快掌握。電動起貨機具有操作簡便、運轉平穩(wěn)、易實現(xiàn)遠程遙控等優(yōu)點。但是,由于電氣元件對濕度比較敏感,繼電接觸點處經(jīng)常會有跳火花現(xiàn)象發(fā)生,這會引起元件的燒損等故障;而且如果電動起貨機發(fā)生故障,需要專業(yè)的人員來進行維修

12、在日常的維修管理中,復雜的電路系統(tǒng)需要專業(yè)人員來進行維護保養(yǎng)才能確保其處于良好的工作狀態(tài)。上個世紀六十年代起,液壓起貨機作為一種新型動力的方式出現(xiàn)在船舶上,并迅速的發(fā)展起來,液壓式起貨機使用電動機驅動油泵,并利用壓力油驅動油馬達舉落貨物。它換向沖擊小,工作平穩(wěn),易于操作,可以實現(xiàn)無級調(diào)速,使用壽命長,工作較為可靠,同比電動式起貨機,在輸出相同功率的情況下,液壓式起貨機的體積小、質(zhì)量輕。但是液壓起貨機的系統(tǒng)比較復雜,不容易理解,出現(xiàn)故障后不容易診斷。隨著先進的電液比例控制液壓元件的出現(xiàn),液壓起貨機體現(xiàn)出越來越強的優(yōu)越性。甲板起貨機是設置在船舶上甲板上的機械。這種起貨機結構緊湊，使船舶有較多的甲板

13、面積可利用，對橋樓上視線的影響較小。甲板起貨機操作簡便，裝卸效率高，機動靈活，作業(yè)前沒有繁瑣的準備工作，應用日益廣泛。甲板起貨機常用的有固定旋轉起貨機、移動旋轉起貨機和龍門起貨機。傳動方式有電力傳動和電力-液壓傳動兩種。(1)固定旋轉起貨機這種起貨機應用最廣，可以單獨或成對地在左右舷作業(yè)。起重量一般為35噸。在多用途船上，要求單吊能吊起20英尺集裝箱，雙吊能吊起40英尺集裝箱（30噸），其起重量可達2530噸。(2)移動旋轉起貨機在裝卸貨物要求起貨機跨距較大，而又希望起貨機吊臂不太長的情況下，往往采用移動旋轉起貨機。移動旋轉起貨機有沿船舶橫向移動和縱向移動兩種。(3)龍門起貨機這種起貨機為全集

14、裝箱船（見集裝箱船）和載駁船所廣泛采用,通常為四足型或C型。有一根可伸出的吊臂、吊重橫檔和一個可移動的橋架及駕駛室。橋架的水平主梁高出堆裝在甲板上的集裝箱，并有自動定位裝置，裝船時可以把集裝箱準確地落放在集裝箱分格中或堆放在甲板上。載駁船上的龍門起貨機數(shù)量比集裝箱船上的多，起重量可達幾百噸。（4）其他裝卸機械 主要有升降機、提升機和輸送機。升降機是船上沿導軌垂直移動的機械，供各層甲板間提升和下降貨物用。如滾裝船上多采用升降機連接各層甲板以運送貨物。滾裝船上的升降機有剪式、鏈式等數(shù)種，其長度為918.5米,寬度為35米。有些載駁船上也安裝升降機裝卸貨駁，不過起重能力比滾裝船上的大得多。提升機是在

15、垂直方向或較大的傾斜方向連續(xù)輸送貨物。輸送機是在水平方向或坡度不大的方向連續(xù)輸送貨物。這兩種機械多用在自卸船上或通過舷門進行裝卸的船上。2.2 船舶起貨機吊桿組成船舶起貨機是遠洋船舶甲板機械最典型的設備之一。其結構復雜，難于管理，專業(yè)性強，不易掌握。船舶起貨機多采用傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，該控制方式故障率高，可靠性和可維護性差，靈活性和擴展性也很差，所以有必要采用PLC控制技術來取代。吊桿裝置由吊桿、起重柱、牽索、千斤索和通用起貨機等組成，如圖2.1所示。吊桿裝置是船上傳統(tǒng)的起貨設備，雖然繩索繁多，操作麻煩，但因結構簡單，制造容易，成本低廉，至今仍被廣泛采用。圖2.1 吊桿裝置2.2.1

16、 單桿操作與雙桿操作用吊桿裝置裝卸貨物，有單桿操作和雙桿操作兩種方式。單桿操作是用一根吊桿進行貨物的裝卸，吊桿吊起貨物后，拉動牽索使貨物隨吊桿一起擺向舷外或貨艙口，然后放下貨物，再把吊桿轉回至原位，如此往返作業(yè)。裝卸時每次都要用牽索擺動吊桿，所以效率低，勞動強度大。雙桿操作用兩根吊桿，一根置于貨艙口上空，另一根伸出舷外，兩吊桿用牽索固定在某一工作位置上。兩吊桿的起貨索則同連在一個吊鉤上。只要分別收、放兩起貨索，就可把貨物從船上卸至碼頭，或者把貨物從碼頭裝到船上。雙桿操作的裝卸效率比單桿操作高，勞動強度也較輕。2.2.2 雙千斤索吊桿裝置和埃貝爾吊桿裝置改良型吊桿裝置是后來出現(xiàn)的。雙千斤索吊桿裝

17、置是由單桿操作的吊桿裝置改進而成的，裝置中只有起貨索和兩組左右分開的千斤索。吊桿由一臺起貨絞車和兩臺千斤索絞車操縱，操作方便，裝卸效率也高。埃貝爾吊桿裝置是由雙桿操作的吊桿裝置改進而成的，裝置中有起貨絞車、千斤索和牽索絞車。可以借助絞車很快地把吊桿放在任何位置。同時還可以在吊桿的工作半徑范圍內(nèi)定點起吊和落放貨物，以提高裝卸效率。這是向貨物裝卸全自動化前進的重要一步。2.2.3輕型吊桿裝置和重型吊桿裝置吊桿裝置可分為輕型和重型兩類。起重量在10噸以下的為輕型吊桿裝置，超過10噸的為重型吊桿裝置。吊桿的起重量根據(jù)船舶的用途決定。一般干貨船的輕型吊桿單桿操作起重量為35噸，雙桿操作為1.53噸;萬噸

18、級干貨船的單桿操作起重量可至10噸,雙桿操作可至5噸?，F(xiàn)代多用途船要裝卸集裝箱，吊桿的起重量至少應能吊得起20英尺的集裝箱（20噸）。重型吊桿是用來裝卸大型機械、機車車輛等重件大件貨物的，一般貨船上僅設置12根，起重量大多為1060噸，也有60150噸的，少數(shù)達300噸。一般干貨船每個貨艙都有兩根輕型吊桿；巨型干貨船每個貨艙往往設置四根輕型吊桿。2.3 船舶起貨機工作原理起貨機控制系統(tǒng)一般包括主令控制器、控制保護電路、主電路和保護檢測等環(huán)節(jié)，其原理方框圖如圖2.2所示。圖2.2 起貨機原理圖起重絞車、變幅絞車和回轉機構是用電機驅動的,變頻器將直流電轉換為交流電供應變量無級調(diào)速的電機。變頻器和線

19、路單元連接,線路單元將交流矯正為直流來供變頻器工作。濾波器單元通過消除諧波和任何擾動過程中可能發(fā)生電網(wǎng)波動來保護電網(wǎng),電網(wǎng)允許兩個方向的功率流。操作步驟如下:(1)預加熱為保證變頻器和管路單元的正常工作,加熱風機要確保起貨機工作作環(huán)境溫度保持在-10°以上。加熱風機是通過電磁閥來進行啟停的,當起貨機工作環(huán)境溫度達到15°時,預熱風機停止工作。(2)啟動步驟按下啟動按鈕,主接觸器動作,變頻器和風機開始工作。制動系統(tǒng)所用菜也開始工作,控制系統(tǒng)控制變頻器的工作狀態(tài)。(3)運行操作步驟控制桿控制電動機的運行狀態(tài),制動器釋放,允許拓展數(shù)是由傳感器的值控制的,最大速度就由貨物重量決定的

20、。控制系統(tǒng)連續(xù)的向變頻器發(fā)出期望速度值,然后變頻器相應的控制電機運轉。起升和變幅所用的時間取決于等加速度值,當起貨機處于最大速度后,起貨機從制動到完全停車需要相同的時間。(4)停車步驟按下停止按鈕,起貨機制動開始,經(jīng)過制動過程,起貨機完全停車。2.4 起貨機的控制要求起貨機的控制在保證滿足提升、下降、停車和調(diào)速基本工藝的前提下，工作效率和可靠性要高，且操作靈活。具體要求如下： 為加快啟動過程，降低接觸器的斷開電流，當手柄從零位快速扳到提升或下降的高速擋時，應能逐級延時起動，起動時間應小于2s。 為了減輕電磁制動器的負擔，縮短制動過程，當手柄從高速擋快速扳到停車時，應有三級制動過程，即：轉速高時

21、的單獨電氣制動；速度降低到一定值后的電氣與機械聯(lián)合制動以及速度接近零時的單獨機械制動，直到停車。另外，制動時間應小于1s。 下降貨物時，應有電氣制動以保證貨物勻速下降；在起動時應先接通低速繞組電源后才能松開電磁制動器；在換擋過程中，起貨電機應總有一個繞組通電，比如在提升貨物時，中速繞組通電低速繞組才能斷電，高速繞組通電，中速繞組才能斷電。 為了防止發(fā)生中速繞組和高速繞組的反接制動，避免過大的沖擊電流，當控制從提升高速擋快速扳到下降的高速擋時，應首先實現(xiàn)從高速擋到零的自動制動停車過程，然后再實現(xiàn)零位到反方向高速擋的自動起動過程。 中速繞組通電時電磁制動器不能抱閘，或者當電磁制動器抱閘時，中速和高

22、速繞組應立即斷電。 當風機運行后才能起動起貨機。風機故障停止運行時，起貨電動機只能在低速狀態(tài)下運行，以便放下貨物。 應具有失壓保護，單相保護、過載保護和短路保護等保護措施。3變頻調(diào)速與PLC3.1 變頻調(diào)速的變頻調(diào)速技術的基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系： n =60 f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。三相異步電動機轉速公式為：n=60f(1-s)/p 從上式可見，改變供電頻率f、電動機的極對數(shù)p及轉差率s均可達到改變轉速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來看，不同的調(diào)速方式無非是改

23、變交流電動機的同步轉速或不改變同步轉速兩種。 在生產(chǎn)機械中廣泛使用不改變同步轉速的調(diào)速方法有繞線式電動機的轉子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級調(diào)速以及應用電磁轉差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉速的有改變定子極對數(shù)的多速電動機，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速有能無換向電動機調(diào)速等。 從調(diào)速時的能耗觀點來看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種：高效調(diào)速指時轉差率不變，因此無轉差損耗，如多速電動機、變頻調(diào)速以及能將轉差損耗回收的調(diào)速方法（如串級調(diào)速等）。有轉差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉子串電阻調(diào)速方法，能量就損耗在轉子回路中；電磁離合器的調(diào)速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力偶合器調(diào)速，

24、能量損耗在液力偶合器的油中。一般來說轉差損耗隨調(diào)速范圍擴大而增加，如果調(diào)速范圍不大，能量損耗是很小的。3.1.1 特點變頻調(diào)速一般具有以下幾個特點：標準電動機操作（如籠型電動機也不用維護），可以保持調(diào)速的持續(xù)性，可以在電子回路中對相序進行改變、可以對轉速的方向改變。其優(yōu)點是啟動時電流較小，可調(diào)節(jié)加減速度，電動機可以高速化和小型化，防爆容易，保護功能齊全（比如過電壓和欠電壓保護、過載保護、短路保護） 等。變頻調(diào)速的應用領域非常廣泛，它應用于風機、泵、攪拌機、擠壓機、精紡機和壓縮機，原因是節(jié)能效果顯著；它應用于機床如車床、機械加工中心、鉆床、銑床、磨床，主要目的是提高生產(chǎn)率和質(zhì)量；它也廣泛應用于其

25、他領域，如各種傳送帶的多臺電動機同步、調(diào)速和起貨機械等。用PLC控制變頻器有兩種方法：一是模擬量控制，該方法很直觀而且簡單，對變頻器的I/O端子進行利用，根據(jù)某個模擬量輸入對變頻器跟隨的速度進行設置，就可以實現(xiàn)控制變頻器，但是每個模擬量通道都需要一個變頻器；二是通信，這樣的方法不但可以滿足控制變頻器，而且對運行狀態(tài)下的變頻器進行數(shù)據(jù)獲取，簡單一點來看，就是把變頻器當作一個設備，通信靠PLC來實現(xiàn)，對變頻器內(nèi)部的寄存器進行讀寫，那就實現(xiàn)了控制變頻器的目的。當然，變頻器當中也存在一些數(shù)值型（比如電壓、頻率等等） 指令信號的輸入，大致分為模擬輸入與數(shù)字輸入兩種。盡管有關部門會定期對變頻器進行檢查，但

26、由于在現(xiàn)實中由于運行中變頻器會有量程過大、電流互感器容量大等多種特殊原因存在，所以變頻器經(jīng)常處于較慢運行狀態(tài)從而形成惡性循環(huán)。3.1.2 測量方式變頻器輸出為基波頻率變化的PWM波，其測量方法與傳統(tǒng)的工頻正弦波測量有較大的區(qū)別。1、傳統(tǒng)的變頻器輸出380V、50Hz，是指其基波（正弦波）為380V、50Hz。變頻器實際輸出波形為PWM波，除了基波外，還包含載波信號。載波信號頻率要比基波高得多，且是方波信號，包含大量的高次諧波。2、普通萬用表一般只能測量4566Hz或45440Hz的交流正弦波。部分真有效值萬用表的測量頻率范圍要寬得多，許多人認為可以用于變頻測量、測試。其實不然，因為這種表測量結

27、果把基波和載波都包含進去了。比如上述變頻器，380V輸出時，測量結果一般在400V以上。3、用于變頻測試的儀表應具備在各種PWM波形中分解出其基波的能力，嚴格測量需采用數(shù)字信號處理的方式，也就是高速采樣得到樣本序列，再對樣本序列進行離散傅里葉變換，得到基波有幅值、相位及各次諧波的幅值和相位。4、也有一種思路認為校準平均值（MEAN）可以替代變頻器輸出PWM信號中的基波成分的有效值。校準平均值在理論上等于正弦波的真有效值，等于正弦調(diào)制PWM波形的基波有效值，且實現(xiàn)簡單；因此，MEAN值在許多儀器儀表中用于替代正諧波的有效值（RMS）或PWM的基波有效值（H01）的測量。但是，變頻調(diào)速技術日新月異

28、，非正弦調(diào)制PWM的應用越來越多，而且，一般變頻器使用者通常并不了解自己的變頻器采用何種調(diào)制模式，MEAN值在PWM測量中局限性越來越大。因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)的電參數(shù)測試應采用具備合適帶寬的變頻電量變送器（包括變頻電壓傳感器、變頻電流傳感器和電壓電流組合式的變頻功率傳感器）及寬頻功率分析儀（也稱變頻功率分析儀），寬頻功率分析儀對信號進行高速交流采樣后進行頻譜分析，可以實時運算電壓、電流的基波有效值及基波功率，還可計算電壓、電流的真有效值、有功功率及相關諧波參數(shù)。3.2 PLC控制與變頻器的連接3.2.1 開關指令信號的輸入D系列交流電機電子制動器是實現(xiàn)交流異步電機快速制動的一種電子裝置。該裝置利

29、用電力電子技術和微機控制技術來實現(xiàn)對交流異步電機的制動，可以根據(jù)電機及負載情況設置不同的制動電流；采用微控制器監(jiān)控系統(tǒng)運行，對系統(tǒng)的異常運行能提供及時的保護；采用智能化的方法實時監(jiān)測電機速度，從而實現(xiàn)制動時間的自動調(diào)節(jié)；與電機主回路連接方便，并能和控制電路相互聯(lián)鎖，運行安全可靠；具有制動迅速、安全可靠、壽命長等優(yōu)點，適用于單速電機，雙速及多速電機的快速制動。3.2.2 數(shù)值信號的輸入PLC和變頻器兩者之間電壓的信號范圍不一樣時，比如：當變頻器為010V的輸入信號時，而PLC為05V的輸出電壓信號范圍時；或PLC為010V的一側的輸出信號電壓范圍，而變頻器范圍為05V的輸入電壓信號時，由于晶體管

30、和變頻器的額定電流、電壓等限制因素，必須對限流電阻及分壓方式采用串聯(lián)的方式接入，以保證進行開閉時不超過PLC和變頻器相應的容量。此外，在連線時還應注意將布線分開，保證主電路一側的噪聲不傳到控制電路。通常變頻器也可以向外部輸出相應的監(jiān)測模擬信號，通過接線端子的方式，電信號的范圍通常為010V/5V及0/420mA電流信號。4 變頻器與PLC的應用4.1 MM440變頻器變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源。是由由主電路和控制帶電路組成的。主電路是給異步電動機提供可控電源的電力轉換部分，變頻器的主電路分為兩類，其中電壓型是將電壓源的直流變換

31、為交流的變頻器，直流回路的濾波部分是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波部分是電感。它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的整流部分，吸收在轉變中產(chǎn)生的電壓脈動的平波回路部分，將直流功率變換為交流功率的逆變部分?？刂齐娐肥墙o主電路提供控制信號的回路，它有決定頻率和電壓的運算電路，檢測主電路數(shù)值的電壓、電流檢測電路，檢測電動機速度的的速度檢測電路，將運算電路的控制信號放大的驅動電路，以及對逆變器和電動機進行保護的保護電路組成?，F(xiàn)在大多數(shù)的變頻器基本都采用交直交方式(VVVF變頻或矢量控制)，將工頻交流電源通過整流器轉換為直流電源，再把直流電源轉換成近似于正弦波可控的交

32、流電以供給電動機。三相交流電經(jīng)過VD1VD6整流后，正極經(jīng)過RL，RL在這里是防止電流忽然變大。經(jīng)過RL電流趨于穩(wěn)定，晶閘管觸點會導通。之后直流電壓加在了濾波電容CF1、CF2上，這兩個電容的作用是讓直流電波形變得更加平滑。之所以是兩個電容是由于一個電容的耐壓有限，所以用兩個電容串聯(lián)起來使用。均壓電阻R1、R2是讓CF1和CF2上的電壓一樣，兩個電容的容量不同的話，分壓就會不同，所以各并聯(lián)了一個均壓電阻。而中間的放電回路作用則是釋放掉感性負載啟動或停止時的反電勢，用來保護逆變管V1V6和整流管VD1VD6。直流母線電壓加到V1V6六個IGBT上，基極由控制電路控制?？刂齐娐房刂颇橙齻€管子的導通

33、給電機繞組內(nèi)提供電流，產(chǎn)生磁場使電機運轉4.1.1 測量方式變頻器輸出為PWM波，含有較多的高次諧波。變頻功率傳感器通過對輸入的電壓、電流信號進行交流采樣，再將采樣值通過電纜、光纖等傳輸系統(tǒng)與數(shù)字量輸入變頻功率分析儀，數(shù)字量輸入變頻功率分析儀對電壓、電流的采樣值進行運算，可以獲取電壓有效值、電流有效值、基波電壓、基波電流、諧波電壓、諧波電流、有功功率、基波功率、諧波功率等參數(shù)。4.1.2 工作原理主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路

34、濾波是電感。 它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的整流器，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的平波回路。整流器大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出。

35、以電壓型PWM逆變器為例示出開關時間和電壓波形?？刂齐娐肥墙o異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。（1）運算電路：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。（3）驅動電路：驅動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。（4）速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、p

36、lg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉。（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞4.1.3 MM440參數(shù)調(diào)試對于440變頻器的調(diào)試應首先確認變頻器的一些初始狀態(tài)，在確認好電動機與變頻器的連接后，利用內(nèi)控先用操作器來控制電動機轉動，首先需要設置以下參數(shù)：P0003=3，P0700=1，P1070=1050。設置完成后，可以把操作權交給操作器來手動操作。在第一步順利完成后，應首先對電動機做快速調(diào)試，只有在這種模式下才可輸入電機參數(shù)，而做好快速調(diào)試有利于變頻器對電機參數(shù)的計算與優(yōu)化，但快速調(diào)試的前提

37、是變頻器的另一端是空電機，如聯(lián)有機械部分有可能造成變頻器對電機模型計算的不準確，快速調(diào)試步驟如下：P0003=3 P0004=0 P0010=1(啟用快速調(diào)試)P0100=0 P0205=0 P0300=1P0304=電動機額定電壓 P0305=額定電流 P0307=額定功率P0308=功率因數(shù) P0310=額定頻率 P0311=額定轉速P0335=0 P0640=過載倍數(shù) P0700=2(選擇命令源)P1000=2 P1080=0 P1082=50P1120=10 P1121=10 P1135=5P1300=0線性V/F控制 P1500=0 P1910=1P3900=1快速調(diào)試過后根據(jù)電機有

38、無編碼器還有變頻器所控制的電機的數(shù)量來選擇對電機的控制方式(P1300)。再把P1070設置為755，也就是選擇由模擬量輸入1來控制電機的速度給定，根據(jù)操作臺電位計的實際情況來選擇端子上的ADC1與ADC2兩個開關，010V打成OFF，020mA打成ON。如果選擇第5口數(shù)字輸入DIN1為給定允許的話，將P0701=1，選擇有了速度給定后電機的運行方式為接通正轉，這樣就實現(xiàn)了變頻器速度的遠程控制。對于點動的控制應首先根據(jù)設計中點動所對應的數(shù)字輸入的端口，來選擇P701P708之間所對應的數(shù)字輸入的端口的參數(shù)，例如：端子的7和8口為正點與反點，應把P703=99（BICO參數(shù)化），P704=99(

39、BICO參數(shù)化)，將P1055=722.2（正點動使能），P1056=722.3（反點動使能），這樣就可以通過外控來控制點動了。通過改變P1058與P1059可改變點動的頻率值，而改變P1060與P1061可改變點動的響應時間。模擬量輸出口：輸出類型為020mA。選擇P0771(0)=27，（第一組參數(shù)，將其修改為27）則將模擬量輸出1選擇為電流表模式，通過改變P2002的數(shù)值來修正電流表。將P0771(1)=21，（第二組參數(shù)選擇為21）則將模擬量輸出2定義為轉速表，通過改變P2000來確定轉速表的范圍，默認為50Hz，而一般的變頻器調(diào)速均為050Hz，所以采用默認值即可。4.2 西門子S7

40、-300 PLCSIMATIC S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應用。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合構成不同要求的系統(tǒng)。與S7-200 PLC比較，S7-300 PLC采用模塊化結構，具備高速（0.60.1s）的指令運算速度；用浮點數(shù)運算比較有效地實現(xiàn)了更為復雜的算術運算；一個帶標準用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進行參數(shù)賦值；方便的人機界面服務已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，人機對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機界面（HMI）從S7-300中取得數(shù)據(jù)，S7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送；CPU的智能化

41、的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件（例如：超時，模塊更換，等等）；多級口令保護可以使用戶高度、有效地保護其技術機密，防止未經(jīng)允許的復制和修改；S7-300 PLC設有操作方式選擇開關，操作方式選擇開關像鑰匙一樣可以拔出，當鑰匙拔出時，就不能改變操作方式，這樣就可防止非法刪除或改寫用戶程序。具備強大的通信功能，S7-300 PLC可通過編程軟件Step 7的用戶界面提供通信組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。S7-300 PLC具有多種不同的通信接口，并通過多種通信處理器來連接AS-I總線接口和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)；串行通信處理器用來連接點到點的通信系統(tǒng)；多點接口（MPI

42、）集成在CPU中，用于同時連接編程器、PC機、人機界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動化控制系統(tǒng)。4.2.1 工作原理當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。（1）輸入采樣在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內(nèi)。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入

43、是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。（2）用戶程序執(zhí)行在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或

44、系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。（3）輸出刷新當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執(zhí)行的結果也不同。另外，采用掃描用戶程序的運行結果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運行的結果有所區(qū)別。當然，如果掃描周期所占用的時間對整

45、個運行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區(qū)別了。4.2.2 優(yōu)點（1）可靠PLC不需要大量的活動元件和連線電子元件。它的連線大大減少。與此同時，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間短。Plc采用了一系列可靠性設計的方法進行設計。例如：冗余的設計。斷電保護，故障診斷和信息保護及恢復。PLC是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制而專門設計的控制裝置，它具有比通用計算機控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言。編程出錯率大大降低。（2）易操作PLC有較高的易操作性。它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點，一般不容易發(fā)生操作的錯誤。對PLC的操作包括程序輸入和程序更改的操作。程序的輸入直接可接顯示，更改程序的

46、操作也可以直接根據(jù)所需要的地址編號或接點號進行搜索或程序尋找，然后進行更改。PLC有多種程序設計語言可供使用。用于梯形圖與電氣原理圖較為接近。容易掌握和理解。PLC具有的自診斷功能對維修人員維修技能的要求降低。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以很快找到故障的部位。（3）靈活PLC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能表圖、功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程簡單、應用面拓展。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變量十分容易。4.2.3 安裝注意事項1. 輔助電源功率較小，只能帶動小功率的設備(光電傳感器等);2. 一般PLC均有一定數(shù)量的占有點數(shù)(即空地址接線端子)

47、，不要將線接上;3. PLC存在I/O響應延遲問題，尤其在快速響應設備中應加以注意;4.輸出有繼電器型，晶體管型(高速輸出時宜選用)，輸出可直接帶輕負載(LED指示燈等);5.輸入/斷開的時間要大于PLC掃描時間;6. PLC輸出電路中沒有保護，因此應在外部電路中串聯(lián)使用熔斷器等保護裝置，防止負載短路造成損壞PLC;7.不要將交流電源線接到輸入端子上，以免燒壞PLC;8.接地端子應獨立接地，不與其它設備接地端串聯(lián)，接地線裁面不小于2mm2;9.輸入、輸出信號線盡量分開走線，不要與動力線在同一管路內(nèi)或捆扎在一起，以免出現(xiàn)干擾信號，產(chǎn)生誤動作;信號傳輸線采用屏蔽線，并且將屏蔽線接地;為保證 信號可

48、靠，輸入、輸出線一般控制在20米以內(nèi);擴展電纜易受噪聲電干擾，應遠離動力線、高壓設備等。5 船舶起貨機系統(tǒng)設計5.1 船舶起貨機PLC設計船舶起貨機主要由起升、變幅、旋轉組成，有重物起升控制手柄、變幅-旋轉控制手柄、吊臂、鉤頭、繩索、限位開關等機械部分，能完全實現(xiàn)船舶起貨機的工作狀況和操作方式。起升采用西門子交流變頻電機來驅動，變幅采用西門子交流伺服電機驅動，旋轉采用西門子步進電機驅動。起貨機控制系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC，其系統(tǒng)如圖4.1 所示。圖4.1 系統(tǒng)原理圖控制過程如圖4.2 所示。PLC 通過功能模塊控制變頻器、交流伺服電機和步進電機。I /O 模塊具有模擬量接地、斷線檢測

49、功能。人機界面采用西門子觸摸屏TP270，它能夠實時的顯示系統(tǒng)設備的工作狀態(tài)、報警信息,工作人員通過它設置系統(tǒng)參數(shù),系統(tǒng)狀態(tài)還在柜體面板上以指示燈的方式顯示,方便工作人員檢查。它還可精確的實時顯示系統(tǒng)的速度、負荷大小、運行方向和運行位置,使系統(tǒng)的可靠性提高。該系統(tǒng)采用PRORBUS總線技術,將CPU、變頻器、功能模塊、人機界面TP270通過一條總線連接起來,便于實現(xiàn)集中管理控制。該系統(tǒng)具有逐級起動、三級自動制動、逆轉矩控制、限位保護、防止貨物跌落、聯(lián)鎖控制和操作頻度限制,以及歷史參數(shù)查詢和維修時間提示等多種功能。該系統(tǒng)提供的保護功能有過載保護、缺相保護、超壓保護、欠壓保護等,極大的簡化了線路,

50、保障電機的運行。整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性強、可靠性高,且操作靈活、擴展方便。圖4.2 控制流程圖5.2 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能(1)起升機構控制貨物上升和下降的速度有高速、中速、低速三檔。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)檔位速度區(qū)的無級調(diào)速。具體工作原理如下:操縱手柄檔位的切換改變了電位器(4.5Kf)的阻值,產(chǎn)生并發(fā)送速度設定模擬量信號,PLC處理并發(fā)送4-20mA的信號給變頻器,進而變頻器改變電動機的轉速。(2)采用閉環(huán)控制機制控制起貨機起升、降落。磁脈沖傳感器將速度信號傳遞給PLC處理單元,PLC通過高速計數(shù)器模塊控制、顯示速度。加速度的值可通過觸摸屏設定,但加速度有限制范圍,不能超過最大允許值。如有應急操作,例如手柄從

51、零檔停車位突然扳到高速檔,可以取消限制,讓速度在最短時間內(nèi)升到最大。(3)實現(xiàn)起貨機的逐級平滑起動。操縱手柄突然從零位扳至高速檔位時,要求電機線低速運行,過1s后達到中速運行,再過1.5s達到高速運行。保證換檔時速度轉換連貫,不會有自由狀態(tài)現(xiàn)象和抱間現(xiàn)象發(fā)生,防止自由落貨和電機過載。(4)實現(xiàn)起貨機停車時的三級制動。操縱手柄突然從高速檔位板到零位時,電機迅速進入低速檔位運行狀態(tài),獲得再生制動;0.6s后剎車抱間,機械制動和再生制動共同進行;再過0.3s低速檔位接觸器斷開,單純機械制動直至停車。(5)實現(xiàn)逆轉矩控制。在高速檔突然換向時,例如從上升三檔突然切換到下降三檔時,系統(tǒng)先進行三級制動,在剎

52、車抱鬧0.5s后再反向自動逐級平滑起動。(6)具有短路保護、失壓保護、斷相保護及過熱保護功能。當系統(tǒng)出現(xiàn)保護狀態(tài),電機立即緊急停車,診斷故障并修復后,將操縱手柄歸零,系統(tǒng)自動復位。(7)當風窗未打開時,起貨機風機起動無效;而風機停轉時,起貨機須自動停止運行。通過對電流的檢測判斷電機是否過載,如果電動機過載,系統(tǒng)會自動切換到低速運行狀態(tài),當貨物重量超過最大允許值時,禁止起升貨物,允許降下貨物。(8)起貨機滿載時不允許進入高速運行狀態(tài),系統(tǒng)可通過負荷檢測傳感器檢測電機電流,控制電機中、低速運轉。系統(tǒng)有最大起升報警,當貨物重量超過起貨機的最大起升能力時,系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警,報警值可在系統(tǒng)內(nèi)設定?！白?/p>

53、幅機構由交流伺服電機驅動,旋轉機構由步進電機驅動,變幅和旋轉設計成用一個手柄控制。通過控制該手柄,實現(xiàn)系統(tǒng)的加速、減速、增幅、減幅。該系統(tǒng)實現(xiàn)像起升系統(tǒng)類似的保護功能,像短路保護、過熱保護、失壓保護、單相保護、運轉限位保護等功能,并具有自動制動功能。該系統(tǒng)釆用編碼器作為位置檢測元件,當系統(tǒng)上電時,默認變幅的中間位置為當前位置。起貨機運行時,通過編碼器的脈沖信號確定系統(tǒng)的實際位置。5.3 船舶起貨機控制系統(tǒng)實現(xiàn)起升、變幅、旋轉分別采用MM440 變頻器、FM354 伺服器和FM353 步進驅動器進行驅動和控制。MM440、FM354、FM353 使它們所驅動的電機具有更多的工作方式、更好的調(diào)速性

54、能、更多的問題解決方案。通過PLC 直接控制變頻器運行方式進而控制電機的正反轉圖。通過變頻器參數(shù)將變頻器工作方式設定為端子操作, 并由PLC 輸出端口控制。PLC 的PWM 指令可直接與變頻器一起使用控制電機轉速, PLC 的PWM 輸出端和變頻器頻率設定輸入端之間需要電壓平滑接口電路。電壓平滑接口電路輸出電壓作為變頻器頻率設定端頻率設定值控制電機的工作, 達到變頻調(diào)速控制。系統(tǒng)具備欠壓、過壓、過載、缺相等電機運行所需要的所有保護功能，其智能功能如矢量方式可以保證逆轉矩控制、剎車方式為再生制動等，極大的簡化了電機控制線路。保證電機運行更加安全和高效的同時減少了電機的維護工作量。船舶起貨機PLC 控制系統(tǒng)采用PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術，把功能模塊、CPU、主站(TP270) 通過一根總線互連在一起，實現(xiàn)集中控制和管理. 這種基于RS-485 通訊協(xié)議的PROFIBUS 的使用使得控制線路更加簡單，通常情況下，從PLC到變頻器只需一根總線便可完成任何復雜的控制方式，比之以前繁雜的端子接線方式，線路故障的發(fā)生率