集装箱起吊装置电气控制系统的设计.doc

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1、 目 录绪论1第1章 集装箱起吊装置的主要结构及主要技术参数21.1大车运行机构31.2小车运行机构41.3起升机构41.4岸边集装箱起重机的主要技术参数5第2章 集装箱起吊装置供电系统62.1岸桥供电方式62.2岸桥供电系统的保护7第3章 集装箱起吊装置电气系统73.1岸桥电源73.2岸桥主要电器设备83.3岸桥电气单线图83.4 三大机构运行过程10第4章 集装箱起吊的自动控制装置134.1可编程控制器134.1.1 PLC的工作原理134.1.2西门子S7-200 PLC的构成144.1.3西门子S7-200 PLC的输入/输出性能154.1.4 S7-200的编程方法154.2变频器1

2、64.2.1变频器的构造164.2.2变频器的电气连接174.2.3变频器与PLC的连接18第5章 系统总体设计205.1集装箱起吊装置设计的功能要求205.2集装箱起吊装置电气控制系统的总体设计215.3集装箱起吊装置硬件系统配置255.3.1 PLC选型255.3.2 PLC的I/O资源配置255.3.3其它资源配置275.4集装箱起吊装置系统软件设计295.4.1总体流程设计295.4.2各个模块梯形图设计31结论46结束语47参考文献48集装箱起吊装置电气控制系统的设计学号：09131050701195 姓名：叶志波 专业：机械设计制造及其自动化摘要 目的 集装箱起吊装置电气控制系统集

3、合了港口集装箱装卸机械和可编程控制器控制系统。此系统对于集装箱运输效率有着直接影响，所以对于高效可靠的集装箱起吊装置电气控制系统的研究具有重要意义。方法 本文首先对集装箱起吊装置的发展作了简要介绍，阐述了集装箱起吊装置的机械结构参数及岸桥供电系统和电力保护系统。接着利用对岸桥自动控制装置及PLC的输入输出特性，变频器与PLC的连接等方法进行系统设计。结果 对硬件配置和软件设计进行相关设计，完成集装箱起吊装置电气控制系统的设计。结论 硬件方面主要利用PLC的资源配置，软件设计主要用到西门子STEP7编程软件对PLC编程，从而完成了集装箱起吊装置电气控制系统的设计，并对本次设计进行了归纳总结。关键

4、词：岸桥；可编程控制器；变频器；梯形图 绪论第二次世界大战以后，在运输业发生了一场技术革命集装箱运输。六十年代中期集装箱运输受到世界各国的普遍重视，从而得到了迅速发展，以形成一个完整的体系。国际标准化组织为集装箱规定了统一的规格、重量。为发展集装箱运输，又出现了许多种类的装卸机械，岸边集装箱起重机就是其中的一种。目前，国内外集装箱起重机正朝着装卸自动化的方向发展，为了提高装卸效率，采用计算机控制起重机的各种动作，它可以安全、准确的将集装箱搬运到指定的位置。 随着社会生产力的发展，起重机械在不断地发展和完善。这是因为，起重机械是物流机械化系统中的重要设备。社会化大生产愈发展，人民生活水平愈提高，

5、物料搬运和人员的输送量就愈大，起重机械的应用范围也就愈广泛。根据人类生产和生活的需要，许多具有特殊用途的新型设备不断出现。岸桥，即岸边集装箱起重机，是集装箱码头前沿装卸集装箱船舶的专用起重机。岸桥起重机是由机械传动、金属结构和电气设备三大部分组成。机械传动部分又由起升机构、小车行走机构、大车走行机构等构成，即为岸边集装箱起重机的三大工作机构，它们分别实现吊装货物的上下升降，左右(横向)搬移和前后(纵向)搬运三个动作，构成一个作业区域。任何生产机械都由原动机、传动装置、工作机构和操纵控制设备等组成。如果以电动机作为原动机来拖动生产机械的工作机构，则它的驱动、传动装置通常称为电力拖动系统。该系统中

6、的电动机、控制操纵部分，电气电路和电气器件等等习惯统称电气设备。电气设备部分主要由电动机、电器元件和电气线路等组成。它将电力网中的电能转变为机械能，实现起重机工作的目的，同时控制各工作机构按照工作要求进行作业。电气设备的功用主要在于：由电动机将电能转变成机械能，通过传动装置拖动工作机构；控制设备通过各种控制器件和电器元件用来控制电动机按工作机构的要求完成各种动作。起重机的电气设备主要有动力设备电动机，操作电器磁力起动器、凸轮控制器、主令控制器、变频器、接触器、电阻器、继电器等，电气保护装置保护箱、过电流继电器、熔断器、行程限位开关、安全保护开关等；导电装置以及电气电路工作电路(主回路)和控制电

7、路等组成。谈到起重机的电气设备，必涉及起重机的电气控制的设计问题。任何生产机械电气控制系统的设计，都包括两个方面：一是满足生产机械和工艺的各种控制要求，另一个是满足电气控制系统本身的制造、使用及维修的需要。因此，电气控制系统设计包括原理设计和工艺设计两方面。前者决定起重机的使用效能和自动化程度，即决定起重机设备的先进性、合理性。后者决定电气设备生产可行性、经济性、外观等性能。论文介绍了起重机的三大工作机构、常用电气设备和其电气控制部分的设计，主要内容是起重机的电气设备和电气控制系统的设计。第1章 集装箱起吊装置的主要结构及主要技术参数岸边集装箱起重机主要由海陆两片门框、左右两侧斜撑杆、水平联系

8、梁、梯形架和拉杆等组成门架，整机沿着与岸线平行的轨道行走，前后大梁悬挂在门架的上横梁下，桥架支承在门架上，运行小车沿着桥架上的轨道行走调运集装箱，进行装船和卸船作业。图1-1所示为某港口岸边集装箱起重机。图1-1 岸边集装箱起重机岸边集装箱起重机有三大机构，分别是起升机构、大车行走机构、小车行走机构。此外，岸桥还有一系列的保护装置，包括防碰装置、消防装置、限位装置和防风装置。1.1大车运行机构岸边集装箱起重机的大车运行机构一般采用4套或8套独立的驱动机构。减速器采用轴装式或卧式，前者目前在高效率起重机上应用普遍，而且经常选用三合一驱动装置，工作可靠，但价格较高。而后者属于比较传统的做法，由于技

9、术上非常成熟，尤其成本比较低，所以在新研制的机型仍应用得非常普遍。起升机构和小车运行机构大多选用盘式制动器，而大车运行机构可选用块式制动器、盘式制动器、液压轮边制动器，近年来防风惯性制动器也有较多应用。图1-2为大车行走机构布置图。图1-2 大车行走机构布置图1-电动机；2-联轴器、制动器；3-减速器；4-平衡梁；5-行走轮1.2小车运行机构根据小车轨距大小，岸边集装箱起重机的小车运行机构可选用集中驱动或分别驱动。目前岸边集装箱起重机中使用的最多的是半绳索牵引式小车，它的运行驱动装置在小车车架上，但其机器房设有起升驱动机构。半绳索牵引式小车一般由四组独立的运行驱动装置，包含四组车轮、制动器、减

10、速器和电机。图1-3为小车行走机构传动简图。图1-3 小车行走机构传动简图1-电动机；2-联轴器、制动器；3-减速器；4-行走轮1.3起升机构一般起升机构安装在小车机器房内，目前岸边集装箱起重机大多采用专用的集装箱吊具，起升机构采用4根钢丝绳。所以在起升机构的设计中，必须考虑吊具的同步升降问题。为实现吊具的同步升降，很多机型采用1套驱动机构驱动1个四联卷筒；或采用1个双出轴电机分别驱动2个减速机，每个减速机各驱动1个双联卷筒；也有的岸边集装箱起重机采用2套独立的驱动机构，卷筒采用双联卷筒，为实现同步升降，将2个高速轴通过联轴器连起来。近几年，采用四联卷筒的起升机构在许多码头、货场得到应用，通过

11、合理设置钢丝绳缠绕系统，可以使起升机构既能保证同步升降，同时又具有一定的防摇效果。起升机构的整体布局非常紧凑，但价格较高。除此之外，起升机构还设有重量传感器、起重重量显示和超负荷限制器。图1-4所示为起升机构传动简图。图1-4 起升机构传动简图1-电动机；2-联轴器、制动器；3-减速器；4-离合器；5-起升卷筒1.4岸边集装箱起重机的主要技术参数岸边集装箱起重机的主要技术参数包括：轮压、额定起重量、生产率、工作速度、尺寸参数等。1）基距：同一轨道上两个主支承中心线之间的距离。2）门架净空高度：轨道线到门架顶部之间的净空高度。3）小车行走距离：外伸距+内伸距+轨距。4）轨距：两条轨道中心线之间的

12、水平距离。5）内伸距：指陆侧轨道中心线向内至吊具铅垂中心线之间的最大水平距离。6）外伸距：指海侧轨道中心线向外至吊具铅垂中心线之间的最大水平距离。7）起升高度：轨面以上起升高度与轨面以下最大下降深度总和。8）最大起重量：额定起重量加吊具自重。9）额定起重量：起吊的集装箱最大重量。10）起升速度：包括起吊额定负荷量时的起升或下降速度、空载起升或下降速度。11）大车行走速度：在装卸集装箱船舶的换舱作业或装卸作业结束后将其挪动到指定位置时大车的移动速度。12）小车行走速度：综合考虑生产效率和安全，一般小车速度在100m/s。13）生产率：单位时间内所能装卸的集装箱数量。14）轮压：指工作和不工作时最

13、大轮压。第2章 集装箱起吊装置供电系统港口供电系统主要包括码头总降压变电站，高压配电线路，码头或车间变电站，低压配电设备及其用电设备组成。在国内，码头通常采用总降压变电站将35KV的高压电降为10KV的高压电，然后供给码头变电站，降压后供给岸桥。码头上的主要用电设备就是岸桥。2.1岸桥供电方式岸桥是由电力驱动的，供电方式一般采用外接电源，但也有采用柴油发电机供电的岸桥。外接电源供电方式具有简单经济清洁维修量少和环境污染稍等优点，是使用最广泛的一种。根据受电方式不同，又可以分为电缆供电式和滑触线供电。滑触线供电式沿着大车轨道铺设裸导线，岸桥上装有滑接器，滑接器沿滑线滑动，从而把电流导上岸桥。这种

14、外接电源供电方式不需要价格高昂的电缆卷筒和电缆。但这种方式也有缺点，如长期的磨损使得授电故障，并且占用大量码头空间，所以现实中很少使用滑触线供电。电缆供电方式是外接电源供电岸桥使用最普遍的，它避免了滑触线接触不良的缺点，并且节省码头空间，还可以和通讯光电缆组合在一起，因而在岸桥供电中广泛使用。最具有代表性的是电缆卷筒方式。电缆卷筒式是在岸桥陆侧门框或海侧门框处安装一电缆卷筒装置，根据码头的长度选择电缆长度，一端盘绕在卷筒上，一端与电缆卷筒的集电滑环授电器连接。电缆卷筒的作用是使电缆一直保持着必要的张力，从而使电缆保持拉直状态，平铺在码头的槽内。卷筒上的电缆盘绕方式有单层多排和单排多层两种，前者

15、使用更为广泛。柴油发电机组供电方式有两种不同的型式，一种是把柴油发电机组安装在码头上，另一种是装在岸桥上，它们与外电源联合使用，当外电中断时由柴油发电机组供电。设在码头上的柴油发电机组有固定式和流动式两种。柴油发电机组安装在岸桥上的方式机械成本要比电缆卷筒式高，但不需要电缆卷筒装置、变压器、高压柜等设备。2.2岸桥供电系统的保护岸桥供电系统的保护装置包括自动开关、熔断器、继电保护等。自动开关保护和熔断器保护都能在过载和短路时断开电路，以切除过载和短路部分，从而保证系统的其他部分能够正常运行。自动开关保护主要用在岸桥的低压供电系统中。供电系统中的继电保护是用来对系统进行监测和保护的。带时限的过电

16、流保护可以分为反时限过电流保护和定时限过电流保护。然而这两种过电流保护有一个共同的缺点，这个缺点就是接近电源的线路动作时限过长，因此需要安装电流速断保护。线路电流速断保护示意图如图2-1所示。电流速断保护是一种瞬时动作的过电流保护。其选择性是动作电流的特殊整定要求决定的，就是说动作电流必须低于他所保护的线路末端三相短路电流，才能避免在后一级速断保护的线路首段发生严重短路时前一级速断保护误动作的可能性。图2-1 电流速断保护第3章 集装箱起吊装置电气系统3.1岸桥电源岸边集装箱起重机供电电源为10KV、50Hz的三相交流电源；三大机构驱动电源为400/500V的工频交流电源；辅助控制电源有四种，

17、包括400V三相四线交流电、220V单相交流电、110V单相交流电和24V的直流电；安全电源为36V工频单相交流电。3.2岸桥主要电器设备岸桥主要电气设备包括高压设备、电动机、控制屏柜、操作站等。高压设备主要包括高压开关进/出线柜、主变压器和辅助变压器。电动机有起升、大车、小车三大机构电动机，均采用直流或交流驱动电机，并且装有测温元件。控制柜均采用装有干燥防冷凝装置的防尘型电气控制柜，包括六部分，分别是PLC控制柜、起升大车驱动柜、小车驱动柜、辅助控制柜、吊具控制柜和吊具电缆卷筒柜。操作站包括司机室左右联动台、大车操作站。对于电机的选择，本控制系统中起升机构由二台400KW的交流电动机驱动，小

18、车机构由一台224KW的交流电机驱动，大车机构由多台18.5KW的交流电动机并联驱动。3.3岸桥电气单线图当前国内岸桥采用的供电均是10KV的工频交流电，经过主变压器后进行电源的分配。图3-1是岸桥电气系统单线图，由图可知岸桥单线图主要包括三部分：主回路、辅助控制回路和通讯部分。主回路单线图中，10KV的工频交流电经过大车卷缆机构进入高压进线开关柜，经由高压出线开关柜进入主变压器。主变压器的输出包括两部分，分别是供给主回路的三角形500V三相交流电和供给辅助控制回路的星形400V三相交流电。当然也有采用主辅两个变压器的供电的岸桥。图3-2所示为岸桥电控系统主回路单线图，在岸桥电控系统中，主变压

19、器把三角形500伏的交流电经整流/回馈单元提供给电机，其中前两个AFE单元（整流/回馈单元）驱动起升电机和大车电机，两个整流/回馈单元可以切换使用，小车电机是由第三个整流/回馈单元驱动的。图3-1 岸桥电气系统单线图在图3-2中，400V的工频电流经由空气开关（NCB）送进辅助回路。如果变压器发生故障则应急电源经由岸电空气开关（SCB）为辅助控制回路供电。并且NCB和SCB各自之间都有联锁装置，防止同时工作。高压电缆卷筒升降机电机大车电机小车电机高压开关柜辅助电源起升变频器大车变频器小车变频器图3-2 主回路单线图辅助控制回路中400V的工频交流电根据不同的需求被降压为220V、110V、36

20、V三种不同电压的工频单相交流电和24V的直流电，然后用于主辅控制系统。当前岸桥多采用可编程控制器控制，采用交流变频器驱动，采用现场总线把变频器、分布式的I/O和可编程控制器相连。图3-3所示为岸桥电控系统通讯部分的单线图，采用PROFIBUS-DP的现场总线来通讯。含有两个PROFIBUS总线的可编程控制器是整个系统的核心，两条总线分别连接变频器和I/O远程站，前者用来传输变频器所需要的命令和运行状态的反馈信号，后者用于信号的采集和输出，从而节省布线。同时可编程控制器也含有以太网接口，可以随意的与计算机相连，从而利用计算机的人机界面来监控岸桥的运行，并且计算机得联机使用使编程更加灵活。司机室和

21、电气房之间的通讯则是通过OLM（光电转换器）来实现的。图3-3 通讯部分单线图3.4 三大机构运行过程岸边集装箱起重机控制系统中需要控制的是岸桥大车、小车、起升三大机构的运行过程和辅助机构的运行过程。岸桥整机由可编程控制器控制，并保持对系统驱动器、主令手柄和限位等信号的监控。三大机构的运行流程基本相同，如图3-4所示。三大机构的运行流程都分为以下四步：1）PLC接受司机给定的运行命令和速度命令。2）根据预先编写的PLC程序判断是否满足运行条件。3）如果满足运行条件则进行各机构速度的选择如果没有减速命令则按司机给定的速度运行；如果检测到减速命令则减速运行。4）PLC通过现场总线把运行命令和速度要

22、求传送给变频器，由变频器驱动电机运行。图3-4 三大机构运行流程图大车机构是电机平移运动机构，大车通过与起升变频器的切换使用来驱动运行，当前国内岸边集装箱起重机的大车驱动主要有两种型式，一种是海陆两侧大车电机公用起升变频器驱动，另一个起升变频器备用；另一种是两个起升变频器分别驱动海陆侧大车电机。通常情况下大车机构处于速度开环控制，不需要位置和测速编码器，大车机构的运行可以由大车地面操作站或司机室直接控制。大车运行过程如图3-5所示。图3-5 大车运行过程小车运行机构和大车运行机构一样也是电机平移运动，小车机构小车电机自带测速编码器，作用是把实际速度值反馈给变频器，没有超速开关。但在卷筒侧边轴上

23、装有绝对值编码器进行位置反馈，小车机构运行过程如图3-6所示。图3-6 小车运行过程起升机构是岸桥最主要的控制对象，岸桥的起升机构运行过程见图3-7所示。图3-7 起升机构运行过程一般岸桥的起升机构是由两组并行连接的变频装置和机械传动装置构成，变频驱动主要是指变频器驱动，两组装置运行时必须保持同步，传动装置包括感应电机和减速器，电机与减速器之间装设有制动器。电机上同时安装有测速编码器和超速开关，卷筒上安装有凸轮限位和绝对值编码器。因为起升机构的负载为位能性负载，所以驱动电机除了要提供足够负载上升下降的力矩外，还必须在机械制动器松开的瞬间和整个减速停车过程中都必须提供足以维持负载重量的力矩。同时

24、在每次电机启动时都必须根据力矩传感器的检测值，由变频器提供输出力矩，如果变频器接收到反馈电流值则制动器松开，起升机构进行上升或下降动作。第4章 集装箱起吊的自动控制装置大型电动装卸机械上的自动控制装置，其核心部分是可编程控制器和变频器，另外还包括通讯网络。4.1可编程控制器可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的运用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或者模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于工业系统联成一个整体，按易于扩充其功能

25、的原则设计。4.1.1 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (1) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能

26、被读入。 (2) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程

27、序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (3) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。4.1.2西门子S7-200

28、PLC的构成西门子的PLC产品有S7、M7、C7三个系列，三种产品各有其特点和使用环境。在这次的集装箱起吊装置电气控制的设计中采用S7-200系列的PLC，它是一种小型的PLC，但功能强大，价格低廉。S7-200系列的PLC的基本构成包括PLC主机、编程设备、人机界面和根据实际需要增加的扩展模块。PLC本身包含一定数量的I/O端口，同时还可以扩展各种功能模块。故S7-200系列PLC可以单机运行，也可以输入/输出扩展，还可以连接功能扩展模块。S7-200系列PLC基本构成见图4-1所示。编程设备PLC主机人机界面扩展模块1扩展模块n图4-1 S7-200系列PLC基本构成PLC主机可以单独完成

29、一定的控制任务，它包括CPU模块、基本输入/输出和电源三部分，其中CPU模块是PLC主机的主要部分。CPU模块包括中央处理单元、电源和数字I/O点，这三部分都集中在一个紧凑、独立的设备中。CPU模块负责执行程序，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。输入部分从现场设备中采集信号，这些采集信号经过CPU模块执行程序处理，处理后得到的信号传送给输出部分，此时输出部分则输出控制信号控制工业过程中的设备。为了扩展I/O点和执行特殊的功能，S7-200系列PLC可以连接扩展模块。扩展模块主要有四类：数字量输入/输出（DI/DO）模块、模拟量输入/输出（AI/AO）模块、通信模块和特殊功能模块。4.1.

30、3西门子S7-200 PLC的输入/输出性能S7-200的输入/输出系统性能主要涉及4个方面：输入特性、输出特性、扩展能力和快速响应功能。输入特性包括输入电压要求和输入端子功能。S7-200的数字输入的电压要求均为DC24V，“1”表示15-35V，“0”表示0-5V，电压信号经过光电耦合隔离后进入到PLC中。S7-200的输入端子为：中断输入I0.0-I0.3，高速计数器I0.0-I0.5。输出特性一般讲来，S7-200系列PLC的输出类型有晶体管、继电器两种。输出电压晶闸管为DC24V，继电器为AC24V-230V。输出电压是由用户提供的负载工作电压。扩展功能是指PLC自带的I/O点数不能

31、满足要求，或者涉及模拟量控制时，除了CPU221外，都可以采用扩展I/O模块的方法，对I/O点数进行扩展。快速响应功能，主要针对脉冲捕捉功能、中断输入高速计数器和模拟电位器。根据PLC控制系统的特性，S7-200的外部接线分为输入接线和输出接线。DC24V输入接线，它有两种接线方式：一种是汇点输入，它是一种由PLC内部提供输入信号源，全部输入信号的一端汇总到输入的公共连接端输入形式；另一种是由外部提供全部输入信号电源或使用PLC内部提供提供给输入回路的电源，全部输入信号为有源信号，并独立输入PLC的输入连接形式。S7-200系列PLC输出接线也有两种方式：一种是由DC24V输出接线，另一种是继

32、电器输出接线。 4.1.4 S7-200的编程方法PLC常用的编程语言有5种，而S7-200系列PLC使用的是其中的三种：梯形图、语句表和功能图。并且S7-200系列PLC的程序结构与其他公司生产的PLC有所不同，主要分成3个块，分别是用户程序、数据块与参数块，且用户程序又由主程序、中断程序和子程序组成。本次集装箱起吊装置电气控制系统的设计中，PLC编程语言采用梯形图（LAD），梯形图是最常用的PLC图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电气控制的电气人员掌握，它特别适用于开关量逻辑控制，有时也把梯形图称为电路或程序。梯形图由触电、线圈和用方框

33、图表示的功能块组成。触点代表逻辑输入条件，如外部的开关、按钮和内部条件等，线圈通常代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的输出条件等。功能块用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。在分析梯形图中的逻辑关系时，为了借用继电气电路图的分析方法，可以想象左右两侧垂直母线之间有一个左正右负的直流电源电压，利用这一概念，可以帮助人们更好的理解和分析梯形图，能流只能从左向右流动。触电和线圈等组成的独立电路称为网络，用编程软件生成的梯形图中有网络编号，允许以网络为单位给梯形图加注释。在网络中，程序的逻辑计算按想、从左到右的方向执行，与能流的方向一致。各网络按照从上到下的顺序执行，执行

34、完成所有的网络后，返回最上面的网络重新执行。使用编程软件可以直接生成和编辑梯形图，并将它下载到PLC中。4.2变频器变频器是由单片机控制、将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电的电气设备。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。4.2.1变频器的构造变频器由主电路和控制电路构成，结构框图如图4-2所示。频率和电压可调的交流电50Hz交流电整流电路储能电路逆变电路控制电路图4-2 变频器的结构框图变频器的主电路包括整流电路、储能电路和逆变电路，是变频器的功率电路

35、，主电路结构图如图4-3所示。（1）整流电路由二极管构成三相桥式整流电路，将交流电全波整流为直流电。（2）储能电路由电容C1、C2构成（R1、R2为均压电阻），具有储能和平稳直流电压的作用。为了防止刚接通电源时对电容充电电流过大，串入限流电阻R，当充电电压上升到正常值后，并联开关S闭合，将R短接。（3）逆变电路由6只绝缘栅双极晶体管（IGBT）V1-V6和6只续流二极管VD1-VD6构成三相逆变桥式电路。晶体管工作在开关状态，按一定规律轮流导通，将直流电逆变成三相交流电，驱动电动机工作。变频器的控制电路主要以单片机为核心构成，控制电路具有设定和显示运行参数、信号检测、系统保护、计算与控制、驱动

36、逆变管等功能。图4-3 变频器主电路机构图4.2.2变频器的电气连接变频器的电气连接图如图4-4所示。图4-4 变频器的电气连接图4.2.3变频器与PLC的连接当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，很多情况下是采用PLC和变频器相配合使用，利用PLC可以提供控制信号和指令通断信号，由变频器控制负载设备的运行。下面简要介绍一下变频器和PLC进行配合时需要注意的事项。（1）开关指令信号的输入变频器的输入信号中包括对运行/停止、正转/反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号。变频器通常利用继电器接点，如图4-5所示或具有继电器接点开关特性的元器件（如晶体管）如图4-6所示与PLC相连，得到运行

37、状态指令。在使用继电器接点时，常常因为接触不良而带来误动作，使用晶体管进行连接时，则需考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。当输入开关信号进入变频器时，有时会发生外部电源和变频器控制电源（24V DC）之间的串扰。正确的连接是利用PLC电源，将外部晶体管的集电极经过二极管接到PLC。继电器接点容量35V DC以上额定电流100mA以上继电器输出模块PLC正转/停止变频器顺序控制信号0V屏蔽接地反转/停止图4-5 继电器接点图（2）数值信号的输入变频器中也存在一些数值型（如频率、电压）指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种。数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来

38、给定；模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常通过0-10V/5V的电压信号或0/4-20mA的电流信号输入。由于接口电路因输入信号而异，因此必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。如图4-7所示为PLC与变频器之间的信号连接图。变频器晶闸管输出模块PLC正转/停止顺序控制信号0V屏蔽接地晶闸管耐压35V DC以上额定电流100mA以上反转/停止图4-6 具有继电器接点开关特性的元器件图当变频器和PLC的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为0-10V，而PLC的输入信号电压信号范围为0-5V时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证

39、进行开闭时不超过PLC和变频器相应的容量。此外，在连线时还应注意将布线分开，保证主电路一侧的噪声不传到控制电路。变频器模拟量输出模块PLC0-10V模拟0V屏蔽接地4-20mA0-10VD/A转换器图4-7 PLC与变频器之间的信号连接图PLC和变频器连接应用时，由于二者涉及到用弱电控制强电，因此，应该注意连接时出现的干扰，避免由于干扰造成变频器的误动作，或者由于连接不当导致PLC或变频器的损坏。第5章 系统总体设计5.1集装箱起吊装置设计的功能要求集装箱起重机的功能主要是完成集装箱的装卸，主要涉及两个方面，即检测输入信号和控制输出。（1）检测输入信号操作按钮输入的检测。完成对人工操作台的输入

40、按钮检测，主要的输入按钮有急停按钮和启动按钮，大车运行、停止、加速以及减速按钮，小车运行、停止、加速以及减速按钮，升降机运行、停止、加速以及减速按钮等。限位开关的检测。限位开关一共包括三组：大车左行、右行限位开关；小车前行、后行限位开关；升降机上升、下降限位开关。大车左行、右行限位开关主要检测大车的左右位置，防止大车运行超出允许范围。小车前行、后行限位开关主要检测小车的前后位置，防止小车运行超出允许范围。升降机上升、下降限位开关主要检测升降机的上下位置，防止升降机运行超出允许范围。变频器反馈值的检测。检测变频器的反馈值主要是为了防止溜钩的发生，在电磁制动器抱住之前和松开之后，容易发生集装箱由停

41、止状态下滑的现象，称为溜钩。之所以会出现溜钩是因为电磁制动器在从通电到断电或者从断电到通电是需要时间的，大约是0.6s（根据不同型号和大小改变），如果变频器较早停止输出，将很容易出现溜钩现象。溜钩现象的出现主要分为两种情况，其控制方法也可以分为以下两种：一是集装箱悬空停止过程。设定一个停止频率，当变频器的工作频率下降至该频率时，变频器输出一个频率到达信号，发出启动电磁制动器运行的命令，然后延时一段时间，该时间应略大于电磁制动器完全抱住集装箱所需的时间，使得电磁制动器抱住集装箱，最后将变频器的工作频率减低到0。二是集装箱悬空启动过程。设定一个上升启动频率，当变频器工作频率上升至该频率时，暂停上升

42、，变频器输出一个频率到达的信号，发出停止电磁制动器运行的指令，然后延时一段时间，该时间应略大于电磁制动器完全松开集装箱所需的时间，使得电磁制动器松开集装箱，变频器工作频率逐渐升高至所需频率。（2）控制输出控制输出主要有大车电动机的控制、小车电动机的控制、升降机的控制和电磁制动器的控制等。大车电动机的控制。控制该电动机的运行方向、停止以及加减速，实现大车的左右移动。小车电动机的控制。控制该电动机的运行方向、停止以及加减速，实现集装箱的前后移动。升降机的控制。控制该电动机的运行方向、停止以及加减速，实现集装箱的升降。电磁制动器的控制。控制电磁制动器的运行和停止，用于辅助控制集装箱的停止。5.2集装

43、箱起吊装置电气控制系统的总体设计集装箱起吊装置电气控制系统的总体框图如图5-1所示。PLC为核心控制器，通过检测操作面板的输入、各个限位开关的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。在启动状态下，各类设备的控制应根据操作面板上的按钮输入来控制，升降机在启动和停止时，通过检测变频器输出的频率，控制电磁制动器的运行，其工作过程如下：（1）接通电源，启动系统。（2）按下大车运行按钮，大车启动，通过加速、减速按钮改变大车速度。（3）按下小车运行按钮，小车启动，通过加速、减速按钮改变小车速度。（4）按下升降机运行按钮，升降机启动，通过加速、减速按钮改变升降机速度；当需要集装箱悬停在半空时，减小变频器输

44、出频率，直到设定值，频率停止下降，启动电磁制动器，将集装箱抱住，防止溜钩现象；当集装箱需从半空开始上升或下降时，增加变频器的输出频率，到达某设定值时，频率停止上升，停止制动器工作，松开集装箱，变频器输出频率持续增加到所需值。操作面板限位开关输入PLC变频器各类执行机构图5-1 电气控制系统总体框图岸桥的设计一般考虑桥架金属结构、桥架运行结构和电气控制结构等三部分。运行机构包括大车、小车和升降机构；电气控制系统包括一些电缆、电气柜等设备；还有一些保护装置。机械组成部分简单示意图如图5-2所示。控制器调速器调速器调速器小车升降机大车图5-2 机械组成部分简单示意图大车运行机构的驱动采用多台电动机，

45、使用一台变频器进行控制，由于大车运行结构的工作频率很小，因此采用一台变频器控制多台电机以节约成本。变频器的选择以所选电动机的额定功率为依据，通常选用额定功率大一级的变频器，其控制电路示意图如图5-3所示。小车运行机构为一台电动机单独驱动，使用一台变频器，变频器的选择以所选电动机的额定功率为依据，通常选额定功率大一级的变频器，采用V/F控制方式，其刹车方式与大车运行机构相同，可采用自由停车的方式，机构控制示意图同图5-3所示。图5-3 大车运行机构控制电路示意图升降运行机构采用两台电动机单独驱动，使用一台变频器，可以采用专用的变频器进行集装箱提升控制，运行机构的启动要求迅速、平稳，同时电气控制方

46、式可采用外接刹车电阻。升降运行机构控制电路示意图如图5-4所示。图5-4 升降机运行机构控制电路示意图电气控制系统主要包括操作面板和电气控制柜等单元。在该系统中需要检测较多的数字输入量，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的操作面板与电气控制柜各自独立，其示意图如图5-5所示。电气控制柜电动机运行机构操作面板图5-5 电气控制系统示意图5.3集装箱起吊装置硬件系统配置集装箱起吊装置电气控制系统框图如图5-6所示，在此控制系统中核心控制器是PLC，其输入和输出量都为数字量，变频器的控制采用RS-485通信。PLC操作面板限位开关大车运行小车运行变频器升降机运行变频器变频器图5-6

47、 电气控制系统框图5.3.1 PLC选型根据集装箱起重机电气控制系统的功能要求以及复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7-200系列PLC作为岸桥电气控制系统的控制主机。由于岸桥电气控制系统涉及较多的输入/输出端口，其控制过程相对简单，因此采用CPU224作为该控制系统的主机。在岸桥电气控制系统中使用的数字量输入点比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需扩展一定数量的I/O模块。在此采用EM223输入/输出混合扩展模块，16点DC输入/16点DC输出型，可以满足控制系统输入点的要求。输出点有较多空闲，能为后期扩展功能提供硬件条件。5.3.2 PLC的I/O资源配置根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配介绍如下。（1）数字量部分在此控制系统中，所需