劉磊

(天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院,天津 300350)

基于PLC的船用電動(dòng)起貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉磊

(天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院,天津 300350)

船用電動(dòng)起貨機(jī)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(hù)性,因此需要用更先進(jìn)的控制技術(shù)來(lái)取代。該文章采用功能更強(qiáng)、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(jì)方案。

船用電動(dòng)起貨機(jī) PLC 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

船用起貨機(jī)是遠(yuǎn)洋船舶甲板機(jī)械中最典型的設(shè)備之一，傳統(tǒng)的船用起貨機(jī)，主要有電動(dòng)式、液壓式、電--液式等;就船用起貨機(jī)的控制方式而言，主要有繼電--接觸器式、集成電路式、單片機(jī)式等。船用電動(dòng)起貨機(jī)與其它類型的起貨機(jī)相比，本身振動(dòng)和噪聲較小，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遙控，因此目前船舶都普遍采用電動(dòng)式起貨機(jī)。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(jī)械都需要長(zhǎng)時(shí)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(jī)，工作時(shí)各種控制操作十分頻繁，即使嚴(yán)格按照相關(guān)維護(hù)條例進(jìn)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(diǎn)，使得采用PLC作為控制系統(tǒng)的船用電動(dòng)起貨機(jī)能夠有效解決以上問(wèn)題，因此PLC在船舶起貨機(jī)上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

圖1 船用電動(dòng)起貨機(jī)控制流程圖

圖2 船用電動(dòng)起貨機(jī)控制電路圖

1 船用電動(dòng)起貨機(jī)的控制要求

船用電動(dòng)起貨機(jī)的工作環(huán)境惡劣，在貨物裝卸過(guò)程中需要頻繁操作，因此，對(duì)于船用電動(dòng)起貨機(jī)的設(shè)計(jì)，需要遵從以下要求：

(1)采用主令控制器實(shí)現(xiàn)運(yùn)行操作，以保證起貨機(jī)操作靈活，工作可靠。電動(dòng)起貨機(jī)采用三檔變極調(diào)速控制，并能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

(2)設(shè)置從零檔至起貨三檔(或落貨三檔)的自動(dòng)延時(shí)啟動(dòng)控制，以防止快速操作引起電動(dòng)機(jī)過(guò)大的沖擊電流以及起貨機(jī)過(guò)大的機(jī)械沖擊。

(3)對(duì)電動(dòng)機(jī)控制電路應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)環(huán)節(jié)，如短路、過(guò)載、繞組過(guò)熱、失壓欠壓、缺相保護(hù)等。

(4)要求有通風(fēng)機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，同時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)門和起貨電動(dòng)機(jī)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(jī)啟動(dòng)后，才允許起貨電動(dòng)機(jī)啟動(dòng);當(dāng)由于某些原因，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，起貨電動(dòng)機(jī)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(shí)，設(shè)置有三級(jí)聯(lián)合制動(dòng)環(huán)節(jié)，即電氣制動(dòng)(通常為再生制動(dòng))、電氣與機(jī)械聯(lián)合制動(dòng)以及機(jī)械制動(dòng)。三級(jí)聯(lián)合制動(dòng)過(guò)程為：轉(zhuǎn)速較高時(shí)采用電氣制動(dòng)，速度降低到一定程度后電氣與機(jī)械聯(lián)合制動(dòng)，速度接近于零時(shí)單獨(dú)機(jī)械制動(dòng)到停車。

(6)對(duì)于恒功率調(diào)速的電動(dòng)機(jī)，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(fù)載(重載)時(shí)，既使主令手柄扳至上升高速檔，電動(dòng)機(jī)也只能運(yùn)行于中速檔;若電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于高速檔時(shí)出現(xiàn)重載，則應(yīng)自動(dòng)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(shí)，首先實(shí)現(xiàn)從高速擋到零檔的自動(dòng)制動(dòng)停車，然后再實(shí)現(xiàn)從零檔到反向高速檔三級(jí)延時(shí)啟動(dòng)的自動(dòng)過(guò)程。

(8)設(shè)置有電磁制動(dòng)器處于松閘的狀態(tài)下防止“貨物自由跌落”的保護(hù)。當(dāng)落貨時(shí)，應(yīng)有電氣制動(dòng)以保證貨物等速下降。起動(dòng)時(shí)應(yīng)先接通低速繞組電源，才能松開電磁制動(dòng)器。在換檔過(guò)程中，當(dāng)主令控制器手柄在兩檔中間位置時(shí)，起貨電動(dòng)機(jī)總有一個(gè)繞組通電。如在提升貨物時(shí)，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(dòng)器線圈處于剎車狀態(tài)下防止中、高速檔堵轉(zhuǎn)的保護(hù)。

2 PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)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(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。

應(yīng)用PLC控制電動(dòng)起貨機(jī)的工作過(guò)程，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

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

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

(3)系統(tǒng)的維護(hù)量較少。通常，PLC的硬件壽命可達(dá)50萬(wàn)小時(shí)，而且PLC系統(tǒng)的故障率98%以上都是外部現(xiàn)場(chǎng)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(guò)船舶電氣設(shè)備知識(shí)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(cè)到故障時(shí)，很方便將相應(yīng)插件進(jìn)行更換。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文將船舶起貨機(jī)控制任務(wù)劃分為三個(gè)獨(dú)立任務(wù)，即提升、變幅和旋轉(zhuǎn)，每一個(gè)任務(wù)可以作為一個(gè)單位來(lái)進(jìn)行工作。船用電動(dòng)起貨機(jī)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(xiàng)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(duì)象的傳遞。方塊不表示單個(gè)對(duì)象，而表示子系統(tǒng)，它們是黑盒子，可以打開它進(jìn)行編程和修改。同時(shí)，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(gè)操縱手柄)、吊臂、鉤頭、繩索、限位開關(guān)等機(jī)械部分，能夠完全實(shí)現(xiàn)船用電動(dòng)起貨機(jī)的所有工作要求和操作方式。提升機(jī)構(gòu)采用西門子交流變頻電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，變幅采用西門子交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)采用西門子步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

對(duì)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(shí)際控制器。通常，處理速度取決于所使用的CPU性能。對(duì)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(gè)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(gè)時(shí)間單位計(jì)算的數(shù)值就越多。對(duì)于控制過(guò)程的類型沒(méi)有限制，控制系統(tǒng)的靜態(tài)性能(增益)和動(dòng)態(tài)性能(滯后、空載時(shí)間、積分常數(shù)等)，都是設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器及其靜態(tài)參數(shù)(P操作)和動(dòng)態(tài)參數(shù)(I、D操作)的主要因素。

船用電動(dòng)起貨機(jī)控制系統(tǒng)采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)。船用電動(dòng)起貨機(jī)控制電路如圖2所示。該技術(shù)將功能模塊、CPU、主站等，通過(guò)一根總線互相連接到一起，從而實(shí)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(chǎng)總線技術(shù)，使得控制線路更加簡(jiǎn)潔。一般來(lái)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(jìn)一步降低了線路故障發(fā)生率。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的船用電動(dòng)起貨機(jī)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(diǎn)。本文采用PLC作為控制器，并對(duì)相應(yīng)控制電路做出設(shè)計(jì)，基于PLC的船用電動(dòng)起貨機(jī)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(jì)對(duì)于船用電動(dòng)起貨機(jī)設(shè)計(jì)及故障診斷都具有一定的參考意義。

[1]鄭華耀.船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)[M].大連海事大學(xué)出版社,2007年.

[2]張春來(lái),林葉春.船舶電氣與自動(dòng)化[M].大連海事大學(xué)出版社,2012年8月.

[3]孫增華,船舶起貨機(jī)PLC復(fù)合控制的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電設(shè)備,2010年03期.

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