劉磊

(天津海運職業(yè)學(xué)院,天津 300350)

基于PLC的船用電動起貨機控制系統(tǒng)設(shè)計

劉磊

(天津海運職業(yè)學(xué)院,天津 300350)

船用電動起貨機電氣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣,而目前采用的繼電--接觸器控制系統(tǒng)故障率較高,可靠性較差,不便于維護性,因此需要用更先進的控制技術(shù)來取代。該文章采用功能更強、體積小、可靠性高的PLC作為控制系統(tǒng)的核心,并提出控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。

船用電動起貨機 PLC 控制系統(tǒng) 設(shè)計

船用起貨機是遠洋船舶甲板機械中最典型的設(shè)備之一，傳統(tǒng)的船用起貨機，主要有電動式、液壓式、電--液式等;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、單片機式等。船用電動起貨機與其它類型的起貨機相比，本身振動和噪聲較小，便于實現(xiàn)自動控制和遙控，因此目前船舶都普遍采用電動式起貨機。其中，仍有不少以繼電--接觸器控制系統(tǒng)為主。大部分甲板機械都需要長時間連續(xù)工作和頻繁操作，而且所處的工作環(huán)境惡劣(潮濕、鹽霧、高溫、粉塵等)，尤其是船用起貨機，工作時各種控制操作十分頻繁，即使嚴(yán)格按照相關(guān)維護條例進行保養(yǎng)，也難免存在較多故障。隨著可編程控制器(PLC)技術(shù)的發(fā)展以及PLC存在的諸多優(yōu)點，使得采用PLC作為控制系統(tǒng)的船用電動起貨機能夠有效解決以上問題，因此PLC在船舶起貨機上的應(yīng)用也越來越廣泛。

圖1 船用電動起貨機控制流程圖

圖2 船用電動起貨機控制電路圖

1 船用電動起貨機的控制要求

船用電動起貨機的工作環(huán)境惡劣，在貨物裝卸過程中需要頻繁操作，因此，對于船用電動起貨機的設(shè)計，需要遵從以下要求：

(1)采用主令控制器實現(xiàn)運行操作，以保證起貨機操作靈活，工作可靠。電動起貨機采用三檔變極調(diào)速控制，并能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運行。

(2)設(shè)置從零檔至起貨三檔(或落貨三檔)的自動延時啟動控制，以防止快速操作引起電動機過大的沖擊電流以及起貨機過大的機械沖擊。

(3)對電動機控制電路應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的保護環(huán)節(jié)，如短路、過載、繞組過熱、失壓欠壓、缺相保護等。

(4)要求有通風(fēng)機對電動機進行強制冷卻，同時，風(fēng)機的風(fēng)門和起貨電動機之間，應(yīng)設(shè)置為連鎖控制電路。即只有在風(fēng)門打開風(fēng)機啟動后，才允許起貨電動機啟動;當(dāng)由于某些原因，導(dǎo)致風(fēng)機停止運行時，起貨電動機只接通低速繞組，從而放下懸在半空中的貨物。

(5)從高速檔回零檔停車時，設(shè)置有三級聯(lián)合制動環(huán)節(jié)，即電氣制動(通常為再生制動)、電氣與機械聯(lián)合制動以及機械制動。三級聯(lián)合制動過程為：轉(zhuǎn)速較高時采用電氣制動，速度降低到一定程度后電氣與機械聯(lián)合制動，速度接近于零時單獨機械制動到停車。

(6)對于恒功率調(diào)速的電動機，中、高速檔設(shè)置有重載不上高速的控制環(huán)節(jié)：當(dāng)額定負載(重載)時，既使主令手柄扳至上升高速檔，電動機也只能運行于中速檔;若電動機運行于高速檔時出現(xiàn)重載，則應(yīng)自動回到中速檔。

(7)設(shè)置“逆轉(zhuǎn)矩”控制環(huán)節(jié)，即當(dāng)手柄從起貨三檔扳到落貨三檔時，首先實現(xiàn)從高速擋到零檔的自動制動停車，然后再實現(xiàn)從零檔到反向高速檔三級延時啟動的自動過程。

(8)設(shè)置有電磁制動器處于松閘的狀態(tài)下防止“貨物自由跌落”的保護。當(dāng)落貨時，應(yīng)有電氣制動以保證貨物等速下降。起動時應(yīng)先接通低速繞組電源，才能松開電磁制動器。在換檔過程中，當(dāng)主令控制器手柄在兩檔中間位置時，起貨電動機總有一個繞組通電。如在提升貨物時，中速繞組通電后低速繞組才能斷電，高速繞組通電后，中速繞組才能斷電。

(9)設(shè)置有電磁制動器線圈處于剎車狀態(tài)下防止中、高速檔堵轉(zhuǎn)的保護。

2 PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點

PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。

應(yīng)用PLC控制電動起貨機的工作過程，具有如下優(yōu)點：

(1)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成靈活，功能完善，并且能夠進行自診斷和監(jiān)控等。

(2)系統(tǒng)的安裝、調(diào)試相對方便。當(dāng)某些工作過程或控制功能需要改變或調(diào)整時，只須修改軟件中相應(yīng)的部分程序即可，無需將整個系統(tǒng)停機或?qū)⒃杏布娐方泳€改變。

(3)系統(tǒng)的維護量較少。通常，PLC的硬件壽命可達50萬小時，而且PLC系統(tǒng)的故障率98%以上都是外部現(xiàn)場設(shè)備故障，因此故障排查和檢修都十分方便。

(4)相關(guān)技術(shù)的培訓(xùn)和操作很容易上手，只要學(xué)過船舶電氣設(shè)備知識的學(xué)員都能很快掌握該設(shè)備的操作方法，而不用擔(dān)心誤操作。并且，當(dāng)檢測到故障時，很方便將相應(yīng)插件進行更換。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

本文將船舶起貨機控制任務(wù)劃分為三個獨立任務(wù)，即提升、變幅和旋轉(zhuǎn)，每一個任務(wù)可以作為一個單位來進行工作。船用電動起貨機控制流程圖如圖1所示，圖中的方塊表示共同工作以完成整項任務(wù)的子系統(tǒng)，各方塊之間的互聯(lián)，用于方塊間可能的信息、物理相互作用或物質(zhì)對象的傳遞。方塊不表示單個對象，而表示子系統(tǒng)，它們是黑盒子，可以打開它進行編程和修改。同時，該系統(tǒng)配有重物提升控制手柄、變幅一旋轉(zhuǎn)控制手柄(兩者共用一個操縱手柄)、吊臂、鉤頭、繩索、限位開關(guān)等機械部分，能夠完全實現(xiàn)船用電動起貨機的所有工作要求和操作方式。提升機構(gòu)采用西門子交流變頻電動機來驅(qū)動，變幅采用西門子交流伺服電動機驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)采用西門子步進電動機驅(qū)動。

對于控制器，可采用組態(tài)大量模塊組成的控制器，可以完成帶有PID算法的實際控制器。通常，處理速度取決于所使用的CPU性能。對于給定的CPU，必須在控制器的數(shù)量和控制器所需要執(zhí)行頻率之間找到一個折衷方案。連接的控制電路越快，所安裝的控制器數(shù)量越少，則每個時間單位計算的數(shù)值就越多。對于控制過程的類型沒有限制，控制系統(tǒng)的靜態(tài)性能(增益)和動態(tài)性能(滯后、空載時間、積分常數(shù)等)，都是設(shè)計系統(tǒng)控制器及其靜態(tài)參數(shù)(P操作)和動態(tài)參數(shù)(I、D操作)的主要因素。

船用電動起貨機控制系統(tǒng)采用PROFIBUS現(xiàn)場總線控制技術(shù)。船用電動起貨機控制電路如圖2所示。該技術(shù)將功能模塊、CPU、主站等，通過一根總線互相連接到一起，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的集中控制和管理。使用這種建立在RS-485通訊協(xié)議基礎(chǔ)上的PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，使得控制線路更加簡潔。一般來講，把PLC和變頻器連接到一起，只需一根總線便可完成任何復(fù)雜的控制方式，而與復(fù)雜的端子接線方式相比，進一步降低了線路故障發(fā)生率。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的船用電動起貨機存在控制線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非專業(yè)人員難于管理、電氣理論不易掌握、可靠性差等缺點。本文采用PLC作為控制器，并對相應(yīng)控制電路做出設(shè)計，基于PLC的船用電動起貨機明顯提高了系統(tǒng)的安全可靠性、穩(wěn)定性，并降低了維修成本，此設(shè)計對于船用電動起貨機設(shè)計及故障診斷都具有一定的參考意義。

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