摘要：传统的起重船控制系统是采用继电器方式，具有数量繁多，它对维护与检修设备的船员有着大量的任务量。另外，传统的离散继电器控制复杂，设计和建造周期长，工作效率已无法满足当前港口吞吐量大的需求。为解决这一日益突出的矛盾，PLC技术和变频调速控制技术的快速发展已进入到起重船的视野中。本文论述了PLC和变频器在起重船控制系统中的应用。
关键词：PLC；变频器；起重船
因此港口对相应的装卸设备要求越来越高，起重船作为港口装运、卸载和搬移作业中最常见的大型机械设备，其具有作业效率高、性价比高等优点。然而，随着我国GDP的快速发展，港口装卸货的起重船越来越需要具备灵活、智能、准确的作业能力，以及更高的安全性和可靠性，所以更完善、更先进的智能控制系统显得尤为必要。
一、PLC概述
国际电工委员会(IEC)公布的对PLC的定义为：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。具有特点。1)寿命长、体积小、可靠性高。2)可取代时间继电器和中间继电器，接线简单。3)模块结构，配置灵活，安装简单。4)可实现复杂的逻辑功能和计算功能，控制灵活。5)控制程序易编易改，可根据现场需要进行现场修改，编程简单．使用方便。6)可靠性高，抗干扰能力强。7)有完善的监控和内部诊断功能。可作外部故障诊断和故障显示，功能完善。8)兼备数据操作和通讯功能。
二、变频器概况
变频器主要是结合微电子技术和变频技术，对交流电动机中的电力设备进行控制，并对电机中的电源频率进行优化，在具体应用时，变频器主要包括驱动单元、制动单元、整流单元及逆变单元，变频器在调节输出电源频率和电压的过程中，主要通过内部的IGBT来控制开断。同时，要想保证整个设备的节能效果，需要有效进行调速，对此可依照电机应用的实际情况来调整所需电源电压。由于变频器具有保护等功能，因此能进行过载保护、过压保护及过流保护，并且随着科技的不断创新和发展，变频器的技术水平得到快速提升，其应用范围和领域不断扩大，能利用变频器主电路调节异步电动机中电源的频率和电压，并分为2种类型，第一种是电流型，应用时能将电流源中的直流转变为交流进行使用，第二种为电压型，在应用时能将电压源直流转变为交流进行使用。
三、控制系统总体方案
本文所研究的起重船控制系统实际采用西门子S7-300，其配置为：CPU314处理器1台；SM321(16*24VDC)数字输入8台；SM322(16*24VDC)数字输出6台；SM331(8*12bit)模拟输入6台；CP340 RS232/422/485串口通讯10台。
PLC的中央处理器为西门子CPU314，PLC与变频器间的通讯采用Profibus-DP现场总线，通过主PLC控制系统中的程序实现对被控对象的实时控制。模拟/数字输入将检测安装在系统外围的传感器、制动器和限位开关等，经PLC的主控命令进行分析处理后，由模拟/数字输出控制相应的变频器传达给各种执行机构。
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起重机是起重船的主要执行机构，其中起升电机承担的任务最艰巨、最繁琐，对变频器的要求最高。本文所研究的变频器采用矢量控制来控制电机的各种运转方式，使其具有良好的稳态精度及动态响应，并能提供足够的转矩输出。
本文研究的变频调速装置是一种基于全数字变频器的起重机速度调节控制。该调速系统是由PLC、控制器、变频器、电机和编码器组成的闭环控制系统。将给定的速度与编码器反馈的实际速度进行比较，并将速度误差发送给PLC控制器进行逻辑处理后，通过Profibus-dp总线传输到变频器上作用于电机，从而使电机按给定的指令工作。
四、控制系统的程序设计
SIMATICS7-300环境是一个管理器，可监管工业自动化领域的所有数据，可经并行读/写每个项目的用户信息。S7-300编程环境包括梯形图、语句表和功能图块。本研究选取了最常用的梯形图编辑方法。
该起重船起重机具有以下功能：行走、起升、旋转、变幅四大运动机构的控制及状态的实时监控。
控制系统程序的关键功能是控制各种电机的起升、变幅、旋转和行走。而运行状态监控是为了使操作人员更好地实现对起重机当前运行状态的实时监控，从而对运行过程中可能出现的故障作出快速反应，进而避免发生重大安全事故。因此，要求指令编写人员具有严密的编程思想、逻辑明确、全面的判断和对各种异常情况的合理处理。需注意的是，行走机构不能与其他三个运行控制机构同时动作，联锁机构应包含在编程语句中。
打SIMATIC Manager后，新建工程项目，找到Hardware图标，进行硬件组态的配置。在相应的机槽中配置所需的电源型号、CPU型号和模拟数字I/O端口，以模拟现实中PLC硬件在导轨上的配置。
起重机在PLC中的实际控制系统程序包括七个部分：即总体控制、起升控制、变幅控制、旋转控制、行走控制、人机监控和输出控制。每个子程序都可视为独立的任务，在启动时，为了提高整个控制系统的运行速度，只有总体控制程序是默认的执行任务，其他任务根据外部要求执行或跳过。此外，每个任务有四种状态：即stop、ready、operation、wait；当PLC处于program模式时，其他任务需stop；而当PLC处于operation、monitor、debug等模式时，其他任务就会处于ready状态。当子程序的命令打开时，任务将在PLC扫描周期内运行；当子程序的命令关闭时，任务跳过在PLC扫描周期内运行，任务处于被动等待状态。
控制系统的总体设计流程如图2所示。初始化功能为：①将PLC程序初始化所需的数据存储到DM数据存储区；②检测PLC开机时的故障，若开机时所有输入点的信号有非正常运行，则发出相应的报警信号，防止起动机正常运行；③PLC还检测运行机构运行前的状态，当PLC接收到运行时，首先检查该机构是否有异常状态，若存在，则不运行相应的机构，直到异常信号被确认并被清除掉。
参考文献
[1]郑智武.Profibus-DP在起重船变频传动及其控制系统中的应用[J].自动化博览，2014(S2)．
[2]郑小涛.PLC和变频器在起重船控制系统中的应用[J].舰船科学技术，2016(02).
论文作者:孙卓 邹冬
论文发表刊物:《知识-力量》2019年10月43期
论文发表时间:2019/9/27
标签：起重船论文; 变频器论文; 控制系统论文; 功能论文; 电机论文; 起重机论文; 机构论文; 《知识-力量》2019年10月43期论文;