plc变频器在桥式抓斗卸船机上的应用
摘 要可编程序控制器（PLC）与变频器的使用在工业生产中变得越来越常见，在我国沿海的各大港口的散货集装码头卸船机的使用中，可编程序控制器与变频器的应用，具有广泛的应用价值。我们选取较为常见的桥式抓斗卸船机作为研究对象，本文简述了桥式抓斗卸船机的发展过程,行业内自动控制技术在桥式抓斗卸船机上的发展等内容。对桥式抓斗卸船机的电气控制部分进行系统的综述，包括可编程序控制器与变频技术的发展与应用，这次研究选用西门子系列的可编程序控制器并应用PC端的组态软件进行编程。系统的传动装置主要是变频器，利用变频器对小车抓斗的电机进行调速。首先，介绍可编程序控制器与桥式抓斗卸船机的研究背景和各自的特点。第二，对文本的整体框架进行构建并描述本次研究的基本内容，对桥式抓斗卸船机的整体机构进行分析。第三，对本次研究的所使用的主要元器件进行详细的介绍，PLC的概念分类主要功能特点等，变频技术的发展、结构、分类、工作原理等，人机界面以及行程开关的结构概念等。第四，对整体电气控制系统的设计以及程序仿真部分。本次论文结合PLC变频器在桥式抓斗卸船机的应用的课题研究，提供了一种可行的电气控制系统设计方案并已经广泛应用于各大港口。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.1.1 桥式抓斗卸船机简述 1
1.1.2 自控技术与变频技术在桥式卸船机上的应用 2
1.2 文本框架和研究的基本内容 3
1.2.1 研究的基本内容 3
1.2.2 文本框架 3
第二章 主要原器件的介绍与使用 5
2.1 PLC的概念发展以及功能 5
2.1.1 PLC的概念与发展 5
2.1.2 PLC的主要功能 5
2.2变频器的发展与应用 6
2.2.1变频技术的发展 6
2.2.2变频器的结构与分类 6
2.3人机界面的介绍与使用 8
2.3.1人机界面的介绍 8
2.3.2人机界面的组成以及工作原理 8
2.3.3人机界面的基本功能 8
2.3.4人机界面的分类和选型 9
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/> 2.4其他元器件的使用 9
第三章 桥式抓斗卸船机控制系统的设计 11
3.1桥式抓斗卸船机大车部分的设计 11
3.1.1大车硬件部分的描述： 11
3.1.2大车运行时的控制要求： 11
3.2桥式抓斗卸船机的小车部分的设计 11
3.2.1小车硬件部分的描述： 11
3.2.2小车的分类与选择： 11
3.2.3小车的控制要求： 12
3.3桥式抓斗卸船机的起升开闭抓斗部分的设计 12
3.3.1对抓斗自动控制位置点的定义标注 12
3.3.2抓斗运行过程的描述 13
3.4变频调速部分 13
3.4.1交流变频调速以及特性 13
3.4.2 矢量控制的基本原理 14
3.4.3 变频器的选型方法 15
第四章 软件控制部分 16
4.1控制系统总体框图 16
4.2 PLC的选型 17
4.2.1 PLC的I/O分配表 17
4.2.3 桥式抓斗卸船机PLC的控制系统的输入输出接线图 18
4.2.4 桥式抓斗卸船机电气控制系统主接线图 19
4.3 变频器的选型 20
4.3.1 变频器参数的设置 20
4.4 触摸屏的选型 20
4.5 程序调试以及触摸屏仿真 21
第五章 总结部分 28
5.1毕业设计遇到的问题以及解决方法 28
5.2对桥式抓斗卸船机控制系统未来的展望 28
结束语 29
致谢 30
参考文献 31
附录： 32
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景
在步入电气时代的当下，可编程序控制器（PLC）在工业化过程中逐渐成为自动化系统中控制过程的主导控制器。在PLC出现的几十年里发展十分迅速并得到广泛应用，传统的利用继电器的控制已经逐渐淘汰。而本次研究的对象是PLC与变频器在桥式抓斗卸船机上面的应用，卸船机是码头前沿的大型接卸设备，卸船机的电气控制改造对于卸船机的工作效率的提升有着一定的意义。
1.1.1 桥式抓斗卸船机简述
桥式抓斗卸船机是目前中小散货码头，或发电厂装卸煤码头应用最广泛的主要机械设备。具有技术成熟可靠、机动灵活性好、作业受波浪影响小、维修工作量小等优点。桥式抓斗卸船机作为卸船机中的一种，根据小车驱动方式的不同分为绳索牵引小车式和自行小车式，随着船舶加速向大型化发展，其运输能力不断扩大，为了适应这种情况，桥式抓斗卸船机的主参数和额定生产率也相应变化。桥式抓斗卸船机主要由五个部分构成：起升支撑部分、起升开闭部分、小车左右移动部分、俯仰部分和大车前后移动部分。其中起升支撑部分和起升开闭部分都是完成抓斗的上升和下降、开闭和深挖等功能，小车左右移动完成抓斗的平移，俯仰部分完成大臂梁的收放，大车行走部分完成整台卸船机的移动。桥式抓斗卸船机的大概结构如图11所示。
图11
1.1.2 自控技术与变频技术在桥式卸船机上的应用
九十年以前，国产卸船机以门机和小型卸船机为主，大型卸船机依赖进口，主要电气控制系统由国外设计提供；第二个阶段为年到二十世纪到二十一世纪初，国内卸船机技术逐渐提高，国产卸船机向大型化发展，我国能将一些自己的技术应用于自主研发的卸船机之中，国内外客户逐渐了解认可我国研发生产的卸船机；第三阶段是二十一世纪之后，国内外的技术水平相差的已经相差很小，大多数用户已经认同国产大型卸船机，有很大数量的国产卸船机被国内外用户使用，现如今我国已成为生产和使用卸船机的主要国家。
桥式抓斗卸船机是中小型卸船机中的一种，依据小车的驱动方式的不同，分为绳索牵引小车式以及自行小车式，随着区域经济的不断发展，对船舶运输能力要求不断增加，为了适应这种情况，桥式抓斗卸船机的主参数和额定生产率也相应变化。所以自动控制与变频调速技术在桥式抓斗卸船机卸船机的设计与使用中越来越重要。另外随着交流技术的发展，有效控制电机的转矩和速度可以通过交流变频控制系统实现。尤其是采用PWM整流器（AFE）多传动系统，使大型的卸船机有了具有了节能、电网无高次谐波污染、控制系统简单等特点。同样在飞速发展的是卸船机的全自动控制技术，在中国某些先进港口已经出现了全自动化散货码头，在众多的自动化项目中也包含了有自动卸船能力的卸船机。德国西门子的Simotion控制系统也出现了全自动控制卸船机的技术，该技术还在不断的发展和完善。
1.2 文本框架和研究的基本内容
1.2.1 研究的基本内容
起升开闭斗和小车机构
本次研究利用PLC分别驱动抓斗起升电机和抓斗开闭电机，通过编程实现对抓斗的升降、开闭和小车的前进和后退工况如下，
工况一：起升、开闭卷筒同步向右旋转时，抓斗上升；
工况二：起升、开闭卷筒同步向左旋转时，抓斗下降；
工况三：起升、开闭卷筒分别向内相对旋转时，抓斗向右移动；
工况四：起升、开闭卷筒分别向外相对旋转时，抓斗向左移动；
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.1.1 桥式抓斗卸船机简述 1
1.1.2 自控技术与变频技术在桥式卸船机上的应用 2
1.2 文本框架和研究的基本内容 3
1.2.1 研究的基本内容 3
1.2.2 文本框架 3
第二章 主要原器件的介绍与使用 5
2.1 PLC的概念发展以及功能 5
2.1.1 PLC的概念与发展 5
2.1.2 PLC的主要功能 5
2.2变频器的发展与应用 6
2.2.1变频技术的发展 6
2.2.2变频器的结构与分类 6
2.3人机界面的介绍与使用 8
2.3.1人机界面的介绍 8
2.3.2人机界面的组成以及工作原理 8
2.3.3人机界面的基本功能 8
2.3.4人机界面的分类和选型 9
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/> 2.4其他元器件的使用 9
第三章 桥式抓斗卸船机控制系统的设计 11
3.1桥式抓斗卸船机大车部分的设计 11
3.1.1大车硬件部分的描述： 11
3.1.2大车运行时的控制要求： 11
3.2桥式抓斗卸船机的小车部分的设计 11
3.2.1小车硬件部分的描述： 11
3.2.2小车的分类与选择： 11
3.2.3小车的控制要求： 12
3.3桥式抓斗卸船机的起升开闭抓斗部分的设计 12
3.3.1对抓斗自动控制位置点的定义标注 12
3.3.2抓斗运行过程的描述 13
3.4变频调速部分 13
3.4.1交流变频调速以及特性 13
3.4.2 矢量控制的基本原理 14
3.4.3 变频器的选型方法 15
第四章 软件控制部分 16
4.1控制系统总体框图 16
4.2 PLC的选型 17
4.2.1 PLC的I/O分配表 17
4.2.3 桥式抓斗卸船机PLC的控制系统的输入输出接线图 18
4.2.4 桥式抓斗卸船机电气控制系统主接线图 19
4.3 变频器的选型 20
4.3.1 变频器参数的设置 20
4.4 触摸屏的选型 20
4.5 程序调试以及触摸屏仿真 21
第五章 总结部分 28
5.1毕业设计遇到的问题以及解决方法 28
5.2对桥式抓斗卸船机控制系统未来的展望 28
结束语 29
致谢 30
参考文献 31
附录： 32
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景
在步入电气时代的当下，可编程序控制器（PLC）在工业化过程中逐渐成为自动化系统中控制过程的主导控制器。在PLC出现的几十年里发展十分迅速并得到广泛应用，传统的利用继电器的控制已经逐渐淘汰。而本次研究的对象是PLC与变频器在桥式抓斗卸船机上面的应用，卸船机是码头前沿的大型接卸设备，卸船机的电气控制改造对于卸船机的工作效率的提升有着一定的意义。
1.1.1 桥式抓斗卸船机简述
桥式抓斗卸船机是目前中小散货码头，或发电厂装卸煤码头应用最广泛的主要机械设备。具有技术成熟可靠、机动灵活性好、作业受波浪影响小、维修工作量小等优点。桥式抓斗卸船机作为卸船机中的一种，根据小车驱动方式的不同分为绳索牵引小车式和自行小车式，随着船舶加速向大型化发展，其运输能力不断扩大，为了适应这种情况，桥式抓斗卸船机的主参数和额定生产率也相应变化。桥式抓斗卸船机主要由五个部分构成：起升支撑部分、起升开闭部分、小车左右移动部分、俯仰部分和大车前后移动部分。其中起升支撑部分和起升开闭部分都是完成抓斗的上升和下降、开闭和深挖等功能，小车左右移动完成抓斗的平移，俯仰部分完成大臂梁的收放，大车行走部分完成整台卸船机的移动。桥式抓斗卸船机的大概结构如图11所示。
图11
1.1.2 自控技术与变频技术在桥式卸船机上的应用
九十年以前，国产卸船机以门机和小型卸船机为主，大型卸船机依赖进口，主要电气控制系统由国外设计提供；第二个阶段为年到二十世纪到二十一世纪初，国内卸船机技术逐渐提高，国产卸船机向大型化发展，我国能将一些自己的技术应用于自主研发的卸船机之中，国内外客户逐渐了解认可我国研发生产的卸船机；第三阶段是二十一世纪之后，国内外的技术水平相差的已经相差很小，大多数用户已经认同国产大型卸船机，有很大数量的国产卸船机被国内外用户使用，现如今我国已成为生产和使用卸船机的主要国家。
桥式抓斗卸船机是中小型卸船机中的一种，依据小车的驱动方式的不同，分为绳索牵引小车式以及自行小车式，随着区域经济的不断发展，对船舶运输能力要求不断增加，为了适应这种情况，桥式抓斗卸船机的主参数和额定生产率也相应变化。所以自动控制与变频调速技术在桥式抓斗卸船机卸船机的设计与使用中越来越重要。另外随着交流技术的发展，有效控制电机的转矩和速度可以通过交流变频控制系统实现。尤其是采用PWM整流器（AFE）多传动系统，使大型的卸船机有了具有了节能、电网无高次谐波污染、控制系统简单等特点。同样在飞速发展的是卸船机的全自动控制技术，在中国某些先进港口已经出现了全自动化散货码头，在众多的自动化项目中也包含了有自动卸船能力的卸船机。德国西门子的Simotion控制系统也出现了全自动控制卸船机的技术，该技术还在不断的发展和完善。
1.2 文本框架和研究的基本内容
1.2.1 研究的基本内容
起升开闭斗和小车机构
本次研究利用PLC分别驱动抓斗起升电机和抓斗开闭电机，通过编程实现对抓斗的升降、开闭和小车的前进和后退工况如下，
工况一：起升、开闭卷筒同步向右旋转时，抓斗上升；
工况二：起升、开闭卷筒同步向左旋转时，抓斗下降；
工况三：起升、开闭卷筒分别向内相对旋转时，抓斗向右移动；
工况四：起升、开闭卷筒分别向外相对旋转时，抓斗向左移动；
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