基于PLC的船用电动起货机控制系统设计

2014-12-11刘磊

中国科技纵横 2014年20期

关键词：货机船用手柄

刘磊

(天津海运职业学院,天津 300350)

基于PLC的船用电动起货机控制系统设计

刘磊

(天津海运职业学院,天津 300350)

船用电动起货机电气结构复杂、工作环境恶劣,而目前采用的继电--接触器控制系统故障率较高,可靠性较差,不便于维护性,因此需要用更先进的控制技术来取代。该文章采用功能更强、体积小、可靠性高的PLC作为控制系统的核心,并提出控制系统的设计方案。

船用电动起货机 PLC 控制系统设计

船用起货机是远洋船舶甲板机械中最典型的设备之一，传统的船用起货机，主要有电动式、液压式、电--液式等;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、单片机式等。船用电动起货机与其它类型的起货机相比，本身振动和噪声较小，便于实现自动控制和遥控，因此目前船舶都普遍采用电动式起货机。其中，仍有不少以继电--接触器控制系统为主。大部分甲板机械都需要长时间连续工作和频繁操作，而且所处的工作环境恶劣(潮湿、盐雾、高温、粉尘等)，尤其是船用起货机，工作时各种控制操作十分频繁，即使严格按照相关维护条例进行保养，也难免存在较多故障。随着可编程控制器(PLC)技术的发展以及PLC存在的诸多优点，使得采用PLC作为控制系统的船用电动起货机能够有效解决以上问题，因此PLC在船舶起货机上的应用也越来越广泛。

图1 船用电动起货机控制流程图

图2 船用电动起货机控制电路图

1 船用电动起货机的控制要求

船用电动起货机的工作环境恶劣，在货物装卸过程中需要频繁操作，因此，对于船用电动起货机的设计，需要遵从以下要求：

(1)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。电动起货机采用三档变极调速控制，并能实现正反转运行。

(2)设置从零档至起货三档(或落货三档)的自动延时启动控制，以防止快速操作引起电动机过大的冲击电流以及起货机过大的机械冲击。

(3)对电动机控制电路应设置相应的保护环节，如短路、过载、绕组过热、失压欠压、缺相保护等。

(4)要求有通风机对电动机进行强制冷却，同时，风机的风门和起货电动机之间，应设置为连锁控制电路。即只有在风门打开风机启动后，才允许起货电动机启动;当由于某些原因，导致风机停止运行时，起货电动机只接通低速绕组，从而放下悬在半空中的货物。

(5)从高速档回零档停车时，设置有三级联合制动环节，即电气制动(通常为再生制动)、电气与机械联合制动以及机械制动。三级联合制动过程为：转速较高时采用电气制动，速度降低到一定程度后电气与机械联合制动，速度接近于零时单独机械制动到停车。

(6)对于恒功率调速的电动机，中、高速档设置有重载不上高速的控制环节：当额定负载(重载)时，既使主令手柄扳至上升高速档，电动机也只能运行于中速档;若电动机运行于高速档时出现重载，则应自动回到中速档。

(7)设置“逆转矩”控制环节，即当手柄从起货三档扳到落货三档时，首先实现从高速挡到零档的自动制动停车，然后再实现从零档到反向高速档三级延时启动的自动过程。

(8)设置有电磁制动器处于松闸的状态下防止“货物自由跌落”的保护。当落货时，应有电气制动以保证货物等速下降。起动时应先接通低速绕组电源，才能松开电磁制动器。在换档过程中，当主令控制器手柄在两档中间位置时，起货电动机总有一个绕组通电。如在提升货物时，中速绕组通电后低速绕组才能断电，高速绕组通电后，中速绕组才能断电。

(9)设置有电磁制动器线圈处于刹车状态下防止中、高速档堵转的保护。

2 PLC控制系统的优点

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

应用PLC控制电动起货机的工作过程，具有如下优点：

(1)系统的结构组成灵活，功能完善，并且能够进行自诊断和监控等。

(2)系统的安装、调试相对方便。当某些工作过程或控制功能需要改变或调整时，只须修改软件中相应的部分程序即可，无需将整个系统停机或将原有硬件电路接线改变。

(3)系统的维护量较少。通常，PLC的硬件寿命可达50万小时，而且PLC系统的故障率98%以上都是外部现场设备故障，因此故障排查和检修都十分方便。

(4)相关技术的培训和操作很容易上手，只要学过船舶电气设备知识的学员都能很快掌握该设备的操作方法，而不用担心误操作。并且，当检测到故障时，很方便将相应插件进行更换。

3 控制系统设计

本文将船舶起货机控制任务划分为三个独立任务，即提升、变幅和旋转，每一个任务可以作为一个单位来进行工作。船用电动起货机控制流程图如图1所示，图中的方块表示共同工作以完成整项任务的子系统，各方块之间的互联，用于方块间可能的信息、物理相互作用或物质对象的传递。方块不表示单个对象，而表示子系统，它们是黑盒子，可以打开它进行编程和修改。同时，该系统配有重物提升控制手柄、变幅一旋转控制手柄(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，能够完全实现船用电动起货机的所有工作要求和操作方式。提升机构采用西门子交流变频电动机来驱动，变幅采用西门子交流伺服电动机驱动，旋转采用西门子步进电动机驱动。

对于控制器，可采用组态大量模块组成的控制器，可以完成带有PID算法的实际控制器。通常，处理速度取决于所使用的CPU性能。对于给定的CPU，必须在控制器的数量和控制器所需要执行频率之间找到一个折衷方案。连接的控制电路越快，所安装的控制器数量越少，则每个时间单位计算的数值就越多。对于控制过程的类型没有限制，控制系统的静态性能(增益)和动态性能(滞后、空载时间、积分常数等)，都是设计系统控制器及其静态参数(P操作)和动态参数(I、D操作)的主要因素。

船用电动起货机控制系统采用PROFIBUS现场总线控制技术。船用电动起货机控制电路如图2所示。该技术将功能模块、CPU、主站等，通过一根总线互相连接到一起，从而实现系统的集中控制和管理。使用这种建立在RS-485通讯协议基础上的PROFIBUS现场总线技术，使得控制线路更加简洁。一般来讲，把PLC和变频器连接到一起，只需一根总线便可完成任何复杂的控制方式，而与复杂的端子接线方式相比，进一步降低了线路故障发生率。