電氣工程與自動化畢業(yè)論文基于plc控制的船舶電動起貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p>　　基于PLC控制的船舶電動起貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程與自動化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　船舶起貨機(jī)是船舶甲板機(jī)械中重要的設(shè)備，是用以保證運(yùn)輸船舶具有自行裝卸貨物能力的重要

3、設(shè)備。雖然，船舶裝載的貨物大部分可以通過港口的起貨設(shè)備進(jìn)行裝卸，但是并非所有的港口都具有足夠的吊貨裝置，而且我們需要考慮的是當(dāng)船舶在開闊的水面進(jìn)行過駁、吊運(yùn)物料及備份時的需要。因此，在一般的干貨船上都需要安裝起貨機(jī)，船舶上的起貨機(jī)的可靠性和工作效率對于縮短港泊時間、加快周轉(zhuǎn)、降低運(yùn)輸成本都具有重要的意義。</p><p>　　船舶起貨機(jī)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以管理，專業(yè)性強(qiáng)，不易掌握的缺點(diǎn)。目前，船舶起貨機(jī)大多采用的是

4、傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用了較多數(shù)量的副接觸點(diǎn)跟時間繼電器來構(gòu)成邏輯時序控制，該控制方式的故障率高，可維護(hù)性和可靠性低，靈活性和擴(kuò)展性差。在船舶進(jìn)行裝卸貨物操作時，尤其是工作年限較長的船舶在裝卸貨物時，經(jīng)常會因?yàn)楦苯佑|點(diǎn)跟時間繼電器的故障而導(dǎo)致控制的紊亂，使系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。為此，近年來研制出了利用可編程控制器（PLC）對電動機(jī)進(jìn)行控制的起貨機(jī)。改用PLC控制系統(tǒng)后的起貨機(jī)，不僅減少了管理人員的日常維護(hù)管理，而且有效地

5、降低了故障發(fā)生率，大大的提高了船舶裝卸貨物的效率。</p><p>　　同時，船舶起貨機(jī)PLC復(fù)合控制的實(shí)現(xiàn)，成功的研制出了起貨機(jī)的實(shí)物仿真設(shè)備，通過實(shí)物仿真，使我們的教學(xué)更加的形象生動。在實(shí)物仿真系統(tǒng)中增加軟件和硬件的故障設(shè)置功能，提高了船員們對起貨機(jī)的故障分析、維修和管理的能力，為船員們以后的實(shí)船工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：船舶起貨機(jī)；繼電器—接觸器；PLC&l

6、t;/p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Shipping cargo crane ship deck machinery is an important equipment to ensure transport ships, is to load and unload goods ability with the important

7、equipment. Although most of the goods, the ship is carrying the goods by port equipment since, but not all of the loading and unloading port has enough crane goods, and we need to consider device is when ships in open wa

8、ter for transshipment, hoisting the material and backup when needed. Therefore, in general the ship need to install the dry cargo w</p><p>　　Shipping cargo crane structure with complex, difficult to manageme

9、nt, professional and strong, is not easy to master shortcomings. At present, the shipping cargo crane is used mostly is the traditional relays - contactor control system, the control system adopted more number of deputy

10、with time relay contact point to form logic program control, the control mode of failure rate is high, maintainability and reliability, flexibility and expansibility poor low. Load and unload cargo ships in operati</p

11、><p>　　Meanwhile, Marine cargo crane PLC composite control realization, successful developed cargo crane equipment, through the physical simulation physical simulation, make our teaching more vivid. In the phys

12、ical simulation system increase software and hardware fault setting function raises the crew to cargo winch the failure analysis, maintenance and management ability, for the crew of the ship after work to lay a solid fou

13、ndation.</p><p>　　Keywords: shipping cargo winch; Relays - contactor; PLC</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 船舶起貨機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展

14、1</p><p>　　1.2 本設(shè)計(jì)的背景及意義1</p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容2</p><p>　　第2章 船舶電動起貨機(jī)3</p><p>　　2.1 船舶起貨機(jī)的類型及特點(diǎn)3</p><p>　　2.2 電動起貨機(jī)的拖動原理4</p><p>　　第3章 PL

15、C概述8</p><p>　　3.1 PLC的發(fā)展8</p><p>　　3.2 PLC的特點(diǎn)及分類10</p><p>　　3.3 PLC的工作原理12</p><p>　　3.4 本設(shè)計(jì)PLC選型13</p><p>　　第4章 船舶電動起貨機(jī)PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)15</p><p

16、>　　4.1 傳統(tǒng)繼電控制船舶起貨機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)及電路原理分析15</p><p>　　4.2 PLC控制系統(tǒng)的I/O分配17</p><p>　　4.3 PLC控制系統(tǒng)的外部連接18</p><p>　　第5章 船舶電動起貨機(jī)PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)21</p><p>　　5.1 船舶電動起貨機(jī)工作過程21</p>

17、<p>　　5.2 船舶電動起貨機(jī)PLC程序符號表22</p><p>　　5.3 PLC程序梯形圖22</p><p><b>　　結(jié)論26</b></p><p><b>　　致謝27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b><

18、/p><p>　　附錄1 船舶電動起貨機(jī)控制梯形圖29</p><p>　　附錄2 船舶電動起貨機(jī)控制指令表31</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 船舶起貨機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展</p><p>　　傳統(tǒng)的船舶電動起貨機(jī)的控制方式一般有繼電一接觸器式、集成電路

19、式、單片機(jī)式等，在這些控制方式中，應(yīng)用較早且比較廣泛的是繼電—接觸器控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)由時間繼電器和中間繼電器的副觸點(diǎn)來控制電動機(jī)的啟動、調(diào)速、反轉(zhuǎn)和制動等運(yùn)行性能的控制；實(shí)現(xiàn)對拖動控制系統(tǒng)的保護(hù)，滿足生產(chǎn)工藝的要求。其特點(diǎn)是線路簡單，電路圖較直觀形象，裝置結(jié)構(gòu)簡單等。但由于它具有通用性和靈活性較差，采用固定的接線形式，不易改變等缺點(diǎn)，而且，采用有觸頭的開關(guān)電器，觸頭易發(fā)生故障，維修量大?，F(xiàn)在已經(jīng)開始慢慢的被淘汰。</p>

20、<p>　　在微機(jī)控制器發(fā)展的今天，產(chǎn)生了以單片機(jī)控制器去控制電動起貨機(jī)的控制系統(tǒng)，在交流電動起貨機(jī)中，交流變極三速電動起貨機(jī)的應(yīng)用較為廣泛。該控制方式的控制線路不僅具有工作可靠，操作靈活的優(yōu)點(diǎn)，同時還設(shè)有自動啟動線路，主令控制器和扭轉(zhuǎn)矩保護(hù)。利用單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行電動起貨機(jī)的控制不僅可以滿足對三速起貨機(jī)控制的各種要求，達(dá)到穩(wěn)定可靠的工作目的，而且能夠及時發(fā)現(xiàn)故障并作出相應(yīng)處理，具有一定的經(jīng)濟(jì)性和使用價值。然而，近年來隨著

21、PLC控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC在船舶起貨機(jī)中的應(yīng)用也逐漸取代了繼電接觸器式控制系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)而得到了越來越多的應(yīng)用。PLC的優(yōu)點(diǎn)將在下面的章節(jié)詳細(xì)介紹，這里不贅述。改用PLC控制系統(tǒng)后的起貨機(jī)，不僅減少了管理人員的日常維護(hù)管理，而且有效地降低了故障發(fā)生率，大大的提高了船舶裝卸貨物的效率。</p><p>　　1.2 本設(shè)計(jì)的背景及意義</p><p>　　聯(lián)合國國際海事組織（IMO

22、）在1995年里新修訂的STCW公約中規(guī)定不再強(qiáng)制要求營運(yùn)船舶中設(shè)立電機(jī)員的崗位，電機(jī)員的具體工作則由輪機(jī)員來承擔(dān)。根據(jù)國內(nèi)外的現(xiàn)狀，上海海運(yùn)學(xué)院目前正著力于研究出新一代船舶起貨機(jī)的PLC變頻控制系統(tǒng)，這不僅在實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且在起貨機(jī)的實(shí)船改造也具有重要意義[14]。</p><p>　　傳統(tǒng)的船舶電動起貨機(jī)，按其所用動力去看，主要有電動式，液壓式，電一液式；按其控制方式區(qū)分，則有繼電器一接觸器式、單片機(jī)式、集成電

23、路式等，隨著PLC控制技術(shù)的飛速發(fā)展，它在船用起貨機(jī)中的應(yīng)用也越來越廣。目前，起貨機(jī)在船舶上的控制主要側(cè)重邏輯時序的控制，由于當(dāng)前變頻調(diào)速在起貨機(jī)上的應(yīng)用還比較少，其調(diào)速方式一般為有級變極三速調(diào)節(jié)。通常情況，船舶起貨機(jī)在電氣設(shè)計(jì)、機(jī)械功能及控制系統(tǒng)上進(jìn)行的工作是獨(dú)立進(jìn)行的，控制系統(tǒng)與機(jī)械功能兩者間的結(jié)合僅僅夠用而己，并不是最理想的。雖然已經(jīng)出現(xiàn)了很多關(guān)于仿真軟件、協(xié)作軟件和項(xiàng)目管理工具等有助于機(jī)電一體化運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展的著述，但

24、這些僅僅是發(fā)展項(xiàng)目中重要或潛在的部分，仍不能跟計(jì)劃優(yōu)良超前的工程學(xué)一起相提并論。但是，電氣、機(jī)械和軟件工程三者間的集成正改變著運(yùn)動控制的設(shè)計(jì)及它的發(fā)展面貌，這便要求能夠提供船用起貨機(jī)已有設(shè)備描述的同時，對性能范圍也要有合格詳述并且闡明起貨機(jī)必須要擁有的效果，然而，目前的船舶起貨機(jī)對所需性能的定量信息及所要連接的機(jī)械并無提供完整的描述[6]。</p><p>　　船舶電動起貨機(jī)長期以來應(yīng)用傳統(tǒng)的繼電—接觸器的控制方

25、式，由中間繼電器和時間繼電器的副觸點(diǎn)來控制電動機(jī)的啟停、變速以及轉(zhuǎn)向。由于器件錯綜，觸點(diǎn)繁多，加上頻繁的操作和海上惡劣的工況，導(dǎo)致起貨機(jī)平均每年都有極大的損毀量。如果再算上由于起貨設(shè)備故障導(dǎo)致的港船虧損，價值就更難以估量，因此，對傳統(tǒng)的起貨機(jī)的控制方式進(jìn)行改造，已經(jīng)迫在眉睫[14]，目前，隨著PLC控制技術(shù)的迅速發(fā)展，將PLC技術(shù)運(yùn)用到船舶起貨機(jī)控制上也是順其自然。改用PLC控制系統(tǒng)后的起貨機(jī)，不僅減少了管理人員的日常維護(hù)管理，而且有效

26、地降低了故障發(fā)生率，大大的提高了船舶裝卸貨物的效率。同時，船舶起貨機(jī)PLC復(fù)合控制的實(shí)現(xiàn)，成功的研制出了起貨機(jī)的實(shí)物仿真設(shè)備，通過實(shí)物仿真，使我們的教學(xué)更加的形象生動，這讓我們的船員在今后的學(xué)習(xí)培訓(xùn)中能夠更容易的接受與理解，為船員們以后的實(shí)船工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題研究的對象是船舶電動起貨機(jī)，船舶起貨機(jī)是船舶甲板機(jī)械中

27、重要的設(shè)備，由于它具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、專業(yè)性強(qiáng)、不易掌握等缺點(diǎn)，我們要根據(jù)起貨機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)、控制要求及安全保護(hù)功能方面，采用PLC對其進(jìn)行控制，以達(dá)到簡單、可靠的控制。首先，我們介紹了船舶起貨機(jī)的類型、特點(diǎn)及其控制的基本原理，這里面包括了船舶交流電動起貨機(jī)的各種控制方法及采用變極調(diào)速的電動起貨機(jī)拖動控制系統(tǒng)等內(nèi)容。然后，我們簡單地介紹了有關(guān)PLC的一些特點(diǎn)、類型、基本特性及其工作原理等。最后，我們著重地介紹了用PLC控制技術(shù)對船舶電動起貨機(jī)升

28、降控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容將在下面詳細(xì)闡述。</p><p>　　第2章 船舶電動起貨機(jī)</p><p>　　船舶起貨機(jī)是船舶甲板機(jī)械中重要的設(shè)備，起貨機(jī)與其他機(jī)電設(shè)備一樣，由原動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成。其作用主要是應(yīng)用于船舶在開闊的水面進(jìn)行過駁、吊運(yùn)物料及備份等的需要，它的可靠性和工作效率對縮短港泊時間、加快航運(yùn)周轉(zhuǎn)、降低運(yùn)輸成本具有重要的意義。船舶電動起貨機(jī)有多種控制方

29、式，如繼電器—接觸器控制、單片機(jī)控制、可編程控制器(PLC)控制等。船舶電動起貨機(jī)與其它類型的起貨機(jī)相比較，具有振動和噪聲較小，便于實(shí)現(xiàn)自動化跟遙控，同時可采用多臺電動機(jī)拖動和選用各種類型電動機(jī)進(jìn)行拖動，因此能夠廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代船舶上。本章將簡單介紹下船舶電動起貨機(jī)的類型、特點(diǎn)及對其基本工作原理的分析。</p><p>　　2.1 船舶起貨機(jī)的類型及特點(diǎn)</p><p>　　船舶起貨機(jī)根據(jù)

30、其驅(qū)動機(jī)械能源的不同可分為：蒸汽起貨機(jī)、電動起貨機(jī)和液壓起貨機(jī)；根據(jù)電流形式的區(qū)別可分為：交流電動起貨機(jī)和直流電動起貨機(jī)。而根據(jù)起貨機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的不同，又有回轉(zhuǎn)式起貨機(jī)(克令吊)、吊桿式起貨機(jī)和門式起重機(jī)等不同類型。其中吊桿式起貨機(jī)又有雙桿式與單桿式兩種不同的類型。</p><p>　　20世紀(jì)60年代至70年代中，船舶起貨機(jī)大多數(shù)采用的是吊桿式起貨機(jī)。80年代之后，回轉(zhuǎn)式起貨機(jī)應(yīng)用增多，并且多數(shù)為電動液壓型和

31、電動式。電動液壓起貨機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速平滑，能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，加速時間短，而且具有良好的制動能力，不需要電磁制動器。同時，由于它的調(diào)速與換向是在液壓機(jī)械中進(jìn)行的，電動機(jī)能維持恒定速度不變，因此可以采用普通的鼠籠式異步電動機(jī)，使其控制線路簡化；它的缺點(diǎn)是制造精度要求高、油路管道系統(tǒng)復(fù)雜且工作效率低，一旦管路破損和漏油就不易修復(fù)。電動起貨機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)自動化及遠(yuǎn)程遙控且本身振動和噪聲小。可采用多臺電動機(jī)進(jìn)行拖動和選用各種類型電動機(jī)進(jìn)行拖動，

32、因此，常被設(shè)計(jì)成緊湊的電力拖動系統(tǒng)。電動起貨機(jī)的缺點(diǎn)在于電氣線路比較復(fù)雜，在管理和維護(hù)上有比較高的要求。</p><p>　　直流電動起貨機(jī)主要有以下六種:</p><p>　　(l)單輸出直流發(fā)電機(jī)一電動機(jī)系統(tǒng)起貨機(jī)；</p><p>　　(2)雙輸出直流發(fā)電機(jī)一電動機(jī)系統(tǒng)起貨機(jī)；</p><p>　　(3)三輸出直流發(fā)電機(jī)一電動機(jī)系統(tǒng)起貨

33、機(jī)；</p><p>　　(4)可控硅控制的電動起貨機(jī)；</p><p>　　(5)帶有磁放大器的直流發(fā)電機(jī)一電動機(jī)系統(tǒng)起貨機(jī)；</p><p>　　(6)西門子“LIEBHERR”可控硅控制起貨機(jī)；</p><p>　　下面僅對前面三種類型起貨機(jī)做簡單介紹。</p><p>　　單輸出直流發(fā)電機(jī)一電動機(jī)系統(tǒng)的電動起貨

34、機(jī)常采用差復(fù)勵繞組發(fā)電機(jī)，兩臺起貨機(jī)的拖動電機(jī)都是直流復(fù)勵電動機(jī)。由三相鼠籠式異步電動機(jī)作為直流發(fā)電機(jī)的原動機(jī)，發(fā)電機(jī)與電動機(jī)的他勵繞組系統(tǒng)由半導(dǎo)體整流器供電，這是屬于改變電動機(jī)電源電壓的調(diào)速系統(tǒng)。由于兩臺發(fā)電機(jī)的兩端通過聯(lián)軸節(jié)連接，常被稱為挑擔(dān)式變流機(jī)組，該系統(tǒng)控制較為簡單。</p><p>　　雙輸出直流發(fā)電機(jī)—電動機(jī)系統(tǒng)與三輸出直流發(fā)電機(jī)—電動機(jī)系統(tǒng)的起貨機(jī)在交流供電式船舶上常被采用。雙輸出指的是發(fā)電機(jī)有兩

35、個輸出電路分別給兩臺電動機(jī)供電，而每一個輸出電路的電壓大小和方向可獨(dú)立進(jìn)行控制，互不相干；對于三輸出直流發(fā)電機(jī)—電動機(jī)系統(tǒng)則是發(fā)電機(jī)分別向三臺直流的電動機(jī)供電，組成三套發(fā)電機(jī)—電動機(jī)（G一M）拖動系統(tǒng)，用于回轉(zhuǎn)式起貨機(jī)(俗稱克令吊)，分別完成起升、變幅、旋轉(zhuǎn)三個功能，而雙輸出直流發(fā)電機(jī)一電動機(jī)系統(tǒng)則被用于雙桿式起貨機(jī)中，兩者的工作性質(zhì)相同。</p><p>　　在各種交流電動起貨機(jī)中，目前采用較多的是變極調(diào)速的交

36、流電動起貨機(jī)，另外還有繞線式異步電動機(jī)的交流電動起貨機(jī)。近年來也有采用變頻調(diào)速的交流電動起貨機(jī)及用PLC控制和單片機(jī)控制的電動起貨機(jī)。變極調(diào)速（改變極對數(shù)）電動起貨機(jī)可分為恒功率調(diào)速和恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速兩種類型。按照恒功率設(shè)計(jì)的電動起貨機(jī)系統(tǒng)，空鉤或輕載運(yùn)行在高速檔時，可以充分利用電動機(jī)的功率，但是重載時不允許高速檔運(yùn)行，因此在控制電路中要設(shè)置可靠的保護(hù)環(huán)節(jié)，使其重載時，只能在中速或低速檔運(yùn)行。對于恒轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)的電動起貨機(jī)系統(tǒng)，重載時電動機(jī)可以在

37、高速檔運(yùn)行，防止重載高速運(yùn)行的保護(hù)裝置可以省去。雖然恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的電動機(jī)在空鉤或輕載運(yùn)行時，電動機(jī)的功率得不到充分利用，但是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速電動機(jī)的平均起動轉(zhuǎn)矩比較大，且時間短，可以提高生產(chǎn)效率。一般情況下，變極調(diào)速電動機(jī)采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，高速與中速共用一個轉(zhuǎn)子，而低速用另外一個轉(zhuǎn)子。</p><p>　　2.2 電動起貨機(jī)的拖動原理</p><p>　　1．電動起貨機(jī)拖動原理</p>

38、<p>　　“拖動”的意思就是應(yīng)用各種原動機(jī)使生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)生運(yùn)動，以完成一定的生產(chǎn)任務(wù)。用各種電動機(jī)作為原動機(jī)的拖動方式稱為“電力拖動”。一般情況下，電力拖動裝置主要由電源、傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及電動機(jī)四個部分組成，如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 電力拖動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　電動機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，用來拖動生產(chǎn)機(jī)械的某一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)

39、構(gòu)是生產(chǎn)機(jī)械為執(zhí)行某一任務(wù)的機(jī)械部分。傳動機(jī)構(gòu)是由各種控制電機(jī)、電器、自動化元件及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等組成的，用以控制電動機(jī)的運(yùn)動，從而對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動控制。電動機(jī)及一些電器控制設(shè)備的用電則由電力拖動系統(tǒng)中的電源部分提供。</p><p>　　2．電動起貨機(jī)傳動方程</p><p>　　在很多情況下，電動機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)并不是同軸的，這時在兩者之間需要有一個中間傳動機(jī)構(gòu)，它的作用是將電動機(jī)

40、的運(yùn)動經(jīng)過中間變速或變換運(yùn)動之后再傳給生產(chǎn)機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動機(jī)在電力拖動系統(tǒng)中做直線運(yùn)動(如直線電動機(jī))或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，由力學(xué)定律可知，必須遵循以下幾個基本方程式:</p><p>　　對于直線運(yùn)動，方程式為:</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中:F—拖動力（N）；FZ—阻力（N）；m(dy/dt)一慣性力

41、，如果按照質(zhì)量m的單位為kg，速度v的單位為m/s，時間t的單位為s，則慣性力的單位與F、FZ相同，為N。</p><p>　　與直線運(yùn)動方程相似，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的方程式為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中:T—電動機(jī)產(chǎn)生的拖動轉(zhuǎn)矩(N·m);TZ—阻轉(zhuǎn)矩(或稱負(fù)載轉(zhuǎn)矩)(N·m);J(d

42、Ω/dt)——慣性轉(zhuǎn)矩(或稱加速轉(zhuǎn)矩)。</p><p>　　轉(zhuǎn)動慣量J可用下式表示:</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中:m與G分別為旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量(kg)與重量(N);p與D則為慣性半徑與慣性直徑(m);g為重力加速度，這里g=9.81m/s2。</p><p>　　這樣，由式(

43、2.3)可見，轉(zhuǎn)動慣量J的單位kg·m2。</p><p>　　然而，運(yùn)動方程式(2.2)的形式不夠?qū)嵱?，在?shí)際計(jì)算中常把它轉(zhuǎn)化為另一種形式。</p><p>　　在式(2.2)中，如將角速度(rad/s)化成每分鐘的轉(zhuǎn)速n(r/min)表示的形式，即</p><p>　　并把式(2.3)代入，則得式(2.2)的實(shí)用形式:</p><p

44、><b>　?。?-4） </b></p><p>　　式中:GD一飛輪慣量(N·m2)，GD=4gJ。</p><p>　　式(2.4)中的數(shù)字375.是具有加速度量綱的，式(2.4)中各物理量只有在上述的指定單位下才成立。</p><p>　　電動機(jī)電樞(或轉(zhuǎn)子)及其它轉(zhuǎn)動部件的飛輪慣量GD的數(shù)值可以在相應(yīng)的產(chǎn)品目錄中查到，

45、但是其單位目前仍用kg·m表示。為了轉(zhuǎn)化為國際單位制，只需將查到的數(shù)據(jù)乘以9.81便可轉(zhuǎn)化成單位N·m。</p><p>　　通過電動機(jī)的運(yùn)動方程式便可將工作狀態(tài)表示出來。分析式(2.4)可知:</p><p>　　(1)當(dāng)T=T時， ，則n=0或n=常值，即電動機(jī)等速旋轉(zhuǎn)或靜止，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。 </p><p>　

46、　(2)當(dāng)時， ，則系統(tǒng)處在加速狀態(tài)，即電力拖動系統(tǒng)處在過渡過程。</p><p>　　(3)當(dāng)時， ，則系統(tǒng)處在減速狀態(tài)，即電力拖動系統(tǒng)處在過渡過程。</p><p>　　應(yīng)用運(yùn)動方程式時，通常將電動機(jī)軸作為研究對象。由于電動機(jī)類型及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的不同，以及生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載類型的不同，電動機(jī)軸上的拖動轉(zhuǎn)矩T及阻轉(zhuǎn)矩TZ不僅大小不同，方向也是變化的。因此，運(yùn)動方程式可寫成下列一

47、般形式:</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　式(2.5)中轉(zhuǎn)矩T與TZ前均帶有正負(fù)號，一般可作如下規(guī)定:如果預(yù)先規(guī)定某一旋轉(zhuǎn)方向(如順時針方向)為正方向，那么轉(zhuǎn)矩T的方向如果與規(guī)定的正方向相同，則式(2.5)中的T前帶正號，相反時則帶負(fù)號。而阻轉(zhuǎn)矩TZ在式(2.5)中已帶有總的負(fù)號，因此其正負(fù)號的規(guī)定剛好與轉(zhuǎn)矩T的規(guī)定相反，即阻轉(zhuǎn)矩T

48、Z的方向如果與所規(guī)定的正方向相同時，TZ前則為負(fù)號，而相反時則取正號。加速轉(zhuǎn)矩 的大小及正負(fù)號由轉(zhuǎn)矩T及阻轉(zhuǎn)矩TZ的代數(shù)和來決定。</p><p>　　然而，實(shí)際拖動系統(tǒng)中的軸常常不止一根，如圖2.5所示，圖中采用四根軸，將電動機(jī)角速度變成符合執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的角速度。在不同的軸上各有其本身的轉(zhuǎn)動慣量及轉(zhuǎn)速;也有相應(yīng)的反映電動機(jī)拖動的轉(zhuǎn)矩及反映執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作的阻轉(zhuǎn)矩。</p><

49、p>　　圖2.2 電力拖動系統(tǒng)傳動示意圖</p><p>　　a)傳動圖 b)等效折算圖</p><p>　　如圖2.2所示，用電動機(jī)軸上的阻轉(zhuǎn)矩TZ來反映執(zhí)行機(jī)構(gòu)中軸上轉(zhuǎn)矩T1Z的工作。折算的原則是根據(jù)系統(tǒng)的傳送功率不變，暫時忽略中間傳動機(jī)構(gòu)的損耗。按傳送功率不變的原則，應(yīng)有如下關(guān)系:</p><p><b>　?。?-6）</b>

50、</p><p>　　式中:j為電動機(jī)軸與執(zhí)行機(jī)構(gòu)軸間的轉(zhuǎn)速比，j=/=n/n。</p><p>　　傳動機(jī)構(gòu)如多級齒輪或帶輪變速，且已知每級轉(zhuǎn)速比為j、j、j、…，則總的轉(zhuǎn)速比j應(yīng)為各級轉(zhuǎn)速比的乘積:j=jjj…。</p><p>　　在一般設(shè)備上，電動機(jī)多數(shù)是高轉(zhuǎn)速的，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)中軸多數(shù)是低轉(zhuǎn)速的，故jl。</p><p>　　3．起貨機(jī)

51、直線運(yùn)動方程</p><p>　　通常，某些生產(chǎn)機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是直線運(yùn)動方式的，例如起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)，其鋼繩以力吊起質(zhì)量為的重物G，并以速度等速上升或下降，示意圖如圖2.3所示。另外，如刨床工作臺帶動工件的前進(jìn)，當(dāng)以某一切削速度進(jìn)行切削時，也是直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)的一種。無論是鋼繩拉力還是刨床切削力都將在電動機(jī)的軸上反映出一個阻轉(zhuǎn)矩，折算原則與上述相同，也是以傳送功率不變，同樣傳送損耗不考慮。</p>&l

52、t;p>　　折算時根據(jù)傳送功率不變，有如下關(guān)系:</p><p>　　把電動機(jī)角速度(rad/s)換算成以r/min為單位，則/60，上式變成</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　式中:FZ為工作機(jī)構(gòu)直線作用力(N);為重物提升速度(m/s);為力FZ折算成電動機(jī)軸上的阻轉(zhuǎn)矩(N·m);9.55是

53、單位換算系數(shù)，9.55=60/2。</p><p>　　在圖2.2(a)所示的多軸系統(tǒng)中必須將轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中各軸的轉(zhuǎn)動慣量J、J、.J、…及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量JZ折算到電動機(jī)軸上，用電動機(jī)軸上的一個等效轉(zhuǎn)動慣量J(或飛輪慣量GD)來反映整個拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不同的各軸的轉(zhuǎn)動慣量(或飛輪慣量)的影響。各軸的轉(zhuǎn)動慣量對運(yùn)動過程的影響直接反映在各軸轉(zhuǎn)動慣量所儲存的動能上，因此折算時必須以實(shí)際系統(tǒng)及等效系統(tǒng)的儲存動能相等為原則。當(dāng)

54、各軸的角速度為、、、、…、時，可得如下關(guān)系:</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　把式(2.8)化成用飛輪慣量GD(N·m)及轉(zhuǎn)速n(r/min)表示的形式時，考慮到</p><p>　　GD=4gJ，=2n/60，得</p><p><b>　　(2-9)</b

55、></p><p>　　一般情況下，在系統(tǒng)總的飛輪慣量中，比重占據(jù)最大的是電動機(jī)軸上的飛輪慣量，其次是執(zhí)行機(jī)構(gòu)軸上飛輪慣量的折算值，比重占據(jù)較小的是傳動機(jī)構(gòu)各軸上的飛輪慣量的折算值。</p><p>　　以圖2.3為例，提升或下放重物G時，在其質(zhì)量m中儲存著動能。由于重物的直線運(yùn)動由電動機(jī)帶動，因此必須把速度v(m/s)與質(zhì)量m(kg)折算到電動機(jī)軸上，用電動機(jī)上的一個轉(zhuǎn)動慣量為JZ

56、的轉(zhuǎn)動體與之等效。折算的原則是轉(zhuǎn)動慣量JZ中和質(zhì)量m中儲存的動能相等，即 </p><p>　　把JZ=GD/49，=2/60及m=G/g帶入上式并化簡，得：</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　式中，365=(60/)。</p><p>　　通過上述分析，我們可以把拖動系統(tǒng)(包括旋轉(zhuǎn)

57、運(yùn)動及直線運(yùn)動部分)折算成一個單軸拖動系統(tǒng)。這樣，僅用一個運(yùn)動方程式便可以研究實(shí)際多軸的系統(tǒng)(穩(wěn)定狀態(tài))與動態(tài)(過渡過程)問題(均未考慮傳動機(jī)構(gòu)中的損耗)。</p><p><b>　　第3章 PLC概述</b></p><p>　　可編程控制器（PLC）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是專門為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它采用可編程序存儲器在其內(nèi)部存儲并且執(zhí)行定時、計(jì)

58、數(shù)、順序控制、算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算等操作指令，并且通過數(shù)字式、模擬式的輸入跟輸出來控制不同類型的機(jī)械或生產(chǎn)運(yùn)行過程[12]。</p><p>　　3.1 PLC的發(fā)展</p><p>　　20世紀(jì)60年代，工業(yè)控制已經(jīng)開始應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)了。但是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)自身的復(fù)雜性、編程難度高、難以適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境及價格昂貴的原因，它未能夠廣泛的在工業(yè)控制中應(yīng)用。當(dāng)時的工業(yè)控制，主要還是繼電—接觸器組成

59、的控制系統(tǒng)。</p><p>　　20世紀(jì)60年代以前，自動控制最先進(jìn)的裝置就是繼電器控制盤，它對當(dāng)時的生產(chǎn)力發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用。以繼電器為核心器件的自動順序控制有很多固有的缺陷。</p><p>　　1）系統(tǒng)利用布線邏輯來實(shí)現(xiàn)各種控制，需使用大量的機(jī)械觸點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性較差；</p><p>　　2）當(dāng)生產(chǎn)工藝流程改變時需要改變大量的硬件接線，為此要耗費(fèi)大量

60、人力、物力和時間；</p><p>　　3）功能局限性較大；</p><p>　　4）體積大、功耗大。</p><p>　　20世紀(jì)60年代，在世界性技術(shù)改造浪潮的沖擊下，要求尋找到一種比繼電器更加可靠、功能更加齊全、相應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器。1968年，美國最大的汽車制造商——通用汽車（General Motors，GM）公司，為了適應(yīng)汽車產(chǎn)品的不斷翻新，試圖

61、尋找出一種新型工業(yè)控制器，以便盡可能的減少在繼電器更換時控制系統(tǒng)的硬件接線，不僅減少時間而且降低了成本。因此設(shè)想將繼電控制系統(tǒng)的操作方便、簡單易懂、價格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)跟計(jì)算機(jī)靈活通用、功能完備等優(yōu)點(diǎn)相互結(jié)合起來，制造出一種能夠在工業(yè)環(huán)境中適應(yīng)的通用控制器，并且將計(jì)算機(jī)的程序編程方法及程序的輸入方式進(jìn)行簡化，使那些對計(jì)算機(jī)不熟悉的人也可以方便的使用，即硬件減少，軟件靈活、簡單。</p><p>　　針對上述的設(shè)想，通用

62、汽車（GM）公司提出了這種控制器必須要具備的10個條件，立即引起了一股開發(fā)熱潮，下面就是著名的GM 10條：</p><p>　　1）編程簡單，可以在現(xiàn)場進(jìn)行程序修改；</p><p>　　2) 維護(hù)簡單方便，最好是用插件式；</p><p>　　3) 可靠性要比繼電器的控制柜高；</p><p>　　4) 體積要比繼電器控制柜??；</

63、p><p>　　5)數(shù)據(jù)可以直接被送入計(jì)算機(jī)；</p><p>　　6) 在成本上能夠跟繼電控制柜競爭；</p><p>　　7) 輸入可以是交流電；</p><p>　　8) 輸出能夠直接對電磁閥驅(qū)動；</p><p>　　9) 在擴(kuò)展時，原有的系統(tǒng)只要很小的改變；</p><p>　　10）用戶

64、程序存儲器容量至少能夠擴(kuò)展到4KB左右。</p><p>　　1969年美國數(shù)字設(shè)備（DEC）公司研制出了第一臺可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），并且在通用汽車（GM）公司的裝配線上成功試用，從而在工業(yè)控制上開創(chuàng)了新局面。接著，美國的施耐德公司也開發(fā)出了PLC084系列。</p><p>　　1971年的時候，日本引進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)，很

65、快的就研制出了第一臺DSC-8型PLC。1973年時，西歐國家也成功的制造出了第一臺PLC。我國從1974年開始研制PLC，1977年開始了PLC的工業(yè)應(yīng)用。早期的PLC是為了取代繼電器控制電路、存儲程序指令、完成順序控制而設(shè)計(jì)的，主要是用于邏輯運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)等順序控制，均屬于開關(guān)量控制。</p><p>　　進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC采用了通用微處理器，這樣控制器就不再局限于當(dāng)初的邏

66、輯運(yùn)算了，功能得到了不斷的加強(qiáng)。因此，實(shí)際上應(yīng)該稱之為可編程控制器（Programmable Controller，PC）。</p><p>　　20世紀(jì)70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，PC更多的具有了計(jì)算機(jī)功能，它不僅用邏輯編程取代了硬接線邏輯，而且還增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和處理等功能，真正成為了一種專門用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，而且做到了小型化、超小型化。這種采用了微電腦技術(shù)的工業(yè)控制器，稱

67、可編程序控制器（PC）。因?yàn)镻C容易和個人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程序控制器的簡稱。</p><p>　　至20世紀(jì)80年代，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的發(fā)展，以16位和32位微處理器為基礎(chǔ)構(gòu)成的微機(jī)化PLC得到了飛速的發(fā)展，使PLC在設(shè)計(jì)、價格、性能及應(yīng)用等各個方面都有了較大的新突破。不僅增強(qiáng)了控制功能，減小了功耗、體積和成本，提高了可

68、靠性以及使編程和故障檢測更為靈活方便，而且隨著遠(yuǎn)程輸入/輸出、通信網(wǎng)絡(luò)、圖像顯示以及數(shù)據(jù)處理的發(fā)展，使PLC開始向用于連續(xù)的生產(chǎn)過程控制方向發(fā)展，成為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一大支柱。</p><p>　　目前，對于世界工業(yè)先進(jìn)的國家，PLC已經(jīng)成為了工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，它的應(yīng)用幾乎覆蓋了所有工業(yè)企業(yè)。PLC控制技術(shù)是當(dāng)今世界的潮流，是工業(yè)自動化的三大支柱之一。</p><p>　　現(xiàn)代PL

69、C的發(fā)展有兩個主要趨勢：其一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)和價格更低的微小型方面發(fā)展，即現(xiàn)今開始發(fā)展的嵌入式PLC控制方式；其二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面的發(fā)展。PLC的功能正越來越豐富，而體積則越來越小。PLC已經(jīng)不再是那種只能夠進(jìn)行簡單的開關(guān)量邏輯運(yùn)算的早期產(chǎn)品了，而是具有了更強(qiáng)的能夠進(jìn)行模擬量處理的能力及過去其他只能夠在計(jì)算機(jī)上才會有的級別較高的處理能力，如PID調(diào)節(jié)、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、精確定位、步進(jìn)驅(qū)動、報表統(tǒng)

70、計(jì)、溫度控制等，從這種意義來說，PLC系統(tǒng)與集散控制系統(tǒng)（DCS）的差別已經(jīng)變的越來越小，PLC的發(fā)展趨勢具體如下：</p><p><b>　　1）大型網(wǎng)絡(luò)化</b></p><p>　　I/O點(diǎn)數(shù)達(dá)14336點(diǎn)、32位微處理器、多CPU并行工作、大型容量存儲器、掃描速度高速化，主要是朝DCS方向發(fā)展，使其具有DCS的一些功能。網(wǎng)絡(luò)化和通信能力強(qiáng)是PLC發(fā)展的一個重

71、要方面，向下可將多個PLC、I/O框架相連；向上與工業(yè)計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)、MAP網(wǎng)相連，構(gòu)成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　2）多功能</b></p><p>　　隨著自調(diào)整、步進(jìn)電動機(jī)控制、位置控制、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，使PLC控制領(lǐng)域更加寬廣。由整體結(jié)構(gòu)向小型化結(jié)構(gòu)發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本。</p><p>

72、;　?。?）PLC在閉環(huán)過程控制中的應(yīng)用越來越廣泛</p><p>　　（2）不斷加強(qiáng)通信連網(wǎng)功能</p><p>　?。?）新器件和模塊不斷推出</p><p>　　（4）編程工具豐富多樣、功能不斷提高、編程語言趨向標(biāo)準(zhǔn)化</p><p>　?。?）追求軟、硬件的標(biāo)準(zhǔn)化</p><p>　　另外，還研制出了步進(jìn)電動機(jī)

73、控制模塊、多回路閉環(huán)控制模塊以及通信處理模塊和仿真模塊等，為用戶們提供了較方便的人機(jī)交互界面、極強(qiáng)的計(jì)算性能、完善的指令集、用戶程序多級口令保護(hù)，通過過程現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)連網(wǎng)能力，使其內(nèi)部的集成功能強(qiáng)勁，故障的診斷功能全面。模塊類結(jié)構(gòu)的可用于性能的擴(kuò)展、直流電動機(jī)和脈沖輸出晶閘管步進(jìn)電動機(jī)。指令的快速處理能力極大的縮短了循環(huán)的周期，而且采用的高速中斷處理及高速計(jì)算器能夠分別響應(yīng)不同過程事件，大大地降低了成本。</p>&l

74、t;p><b>　　3）高可靠性</b></p><p>　　由于控制系統(tǒng)的高可靠性逐漸受到了大家的重視，有些公司已經(jīng)開始將冗余技術(shù)、容錯技術(shù)及自診斷技術(shù)廣泛地應(yīng)用到了現(xiàn)有的產(chǎn)品中，并推出了可靠性高的冗余系統(tǒng)，同時采用并行工作或熱備用、多數(shù)表決的工作方式。如此，PLC即使在惡劣、不穩(wěn)定的工作情況下，堅(jiān)固、全密封的模塊依然可正常工作，在操作運(yùn)行過程中模塊還可熱插拔。</p>

75、<p>　　3.2 PLC的特點(diǎn)及分類</p><p><b>　　1.PLC的特點(diǎn)</b></p><p>　　PLC是一種新型的通用自動化控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電-接觸器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有控制功能強(qiáng)、可靠性高、使用靈活方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)而使得應(yīng)用越來越廣泛。但是在使用時由于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的工作環(huán)境惡劣、干擾源眾多，PLC的正常

76、工作常常會受到影響。因此，為了確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，應(yīng)當(dāng)盡量使PLC擁有一個良好的工作環(huán)境條件，并且應(yīng)該采取必要的抗干擾措施。</p><p>　　PLC是屬于存儲程序控制的一種裝置，它的控制功能是通過存放在存儲器內(nèi)部的程序來實(shí)現(xiàn)的，若要對控制功能作出修改，很大程度上都只需要改變軟件的指令便可，使得硬件軟件化。因此，它在工業(yè)控制中的地位越來越高，占有極其重要的地位，最重要的原因是它具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)。</

77、p><p>　　(1)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)：PLC是專門為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)和制造過程中采取了多層次、精選元器件的措施，它是以集成電路為基本單元的電子設(shè)備，內(nèi)部處理不依賴于觸點(diǎn)，元器件的壽命長，平均無故障工作時間高。PLC本身還具有自診斷功能，保證 “硬核”（如CPU、RAM、I/O總線等）都正常工作的情況下才執(zhí)行用戶程序，一旦出現(xiàn)故障便會馬上將CPU出錯信號給出并且用戶程序停止執(zhí)行，輸出信號切斷等待修復(fù)，有

78、些高檔PLC還具有CPU并行操作的功能，若某個CPU出現(xiàn)了故障，系統(tǒng)仍能夠正常工作并且會將 “帶病”的工作信號給出，對出現(xiàn)的故障進(jìn)行修復(fù)，這樣就增加了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　為了提高工作可靠性及抗干擾能力，各PLC廠商還在硬件和軟件方面采取了多種措施，使PLC本身具有較強(qiáng)的自診斷能力外，還具有很強(qiáng)的抗干擾能力。在硬件措施方面，采取了屏蔽、濾波、電源調(diào)整與保護(hù)、隔離、采用模塊式結(jié)構(gòu)等；在軟件措施方面，增

79、加了故障檢測、信息保護(hù)與恢復(fù)、設(shè)置了警戒時鐘、對程序及動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行電池后備等。</p><p>　　(2)控制程序可變，具有很好的柔性:由于PLC自身硬件特點(diǎn)，用戶在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，不需要自己設(shè)計(jì)和制作硬件裝置，只需要根據(jù)控制要求進(jìn)行模塊的配置，用戶所要做的工作就是設(shè)計(jì)滿足控制對象的控制要求的應(yīng)用程序。對于一個控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)工藝改變或生產(chǎn)線設(shè)備更新的情況下，不用改變PLC的硬件設(shè)備，只需要改變程序就可以滿足

80、變更控制功能的要求。</p><p>　　(3)編程簡單，功能完善:PLC的編程大多采用類似于繼電器控制電路的梯形圖形式，對于使用者來說不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識，因此很容易被一些工程技術(shù)人員所理解與掌握。在功能方面，現(xiàn)代PLC具有數(shù)字量和模擬量I/O模塊，具有邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、定時、計(jì)數(shù)、順序控制、通信、人機(jī)對話等功能，使設(shè)備控制水平大大提高。PLC還具有許多特殊功能模塊，如定位控制模塊、CRT顯示模塊等，可

81、適用于各種特殊控制的要求。</p><p>　　(4)體積小，重量輕，能耗低:PLC是專門為工業(yè)的控制而設(shè)計(jì)出來的專用計(jì)算機(jī)，它是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品，它的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固緊密而且體積小，重量輕，功耗低。又因?yàn)樗目箶_能力強(qiáng)，容易裝進(jìn)機(jī)械設(shè)備的內(nèi)部，因而成為了機(jī)電一體化的理想設(shè)備。</p><p><b>　　2．PLC的分類</b></p><

82、;p>　　由于PLC的品種、型號、規(guī)格、功能各不相同，要按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對他們進(jìn)行分類十分困難。通常，按I/O點(diǎn)數(shù)和存儲容量分可劃分成大型、中型和小型三類；按功能強(qiáng)弱又可分為低檔機(jī)、中檔機(jī)和高檔機(jī)；按結(jié)構(gòu)分又可以分為整體式和模塊式兩類。</p><p>　　1）按I/O點(diǎn)數(shù)和存儲器容量分</p><p>　?。?）小型PLC:I/O點(diǎn)數(shù)小于256點(diǎn)，用戶存儲器容量在2K歩以下的可編程控制

83、器。其中I/O點(diǎn)數(shù)小于64點(diǎn)的PLC屬于微型PLC。屬于小型PLC的國外產(chǎn)品主要有：美國通用電氣公司的GE-I系列，日本三菱電氣公司的F、F1、F2系列，日本歐姆龍公司的C20、C40系列和德國西門子公司的S7-200系列等。</p><p>　　（2）中型PLC:I/O點(diǎn)數(shù)在256-2048之間，用戶存儲器容量在2-8K歩之間的可編程控制器。主要公司產(chǎn)品有：日本歐姆龍公司的C-500，德國西門子公司的S7-30

84、0、SU-5、SU-6，美國GE公司的GE-III等</p><p>　?。?）大型PLC:I/O點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)以上，用戶存儲器容量在8K歩以上的可編程控制器，型號有美國GE公司的GE-IV，德國西門子公司的S7-400，日本三菱公司的K3等等。</p><p><b>　　2）按結(jié)構(gòu)類型分</b></p><p>　?。?)整體式PLC:又

85、稱為單元式或箱體式PLC，是目前使用最普遍的形式。它將電源、CPU、存儲器及I/O模塊等各個功能部分集成在一個機(jī)殼內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的優(yōu)點(diǎn)，可直接安裝在機(jī)床或電氣控制柜中，一般用扁平電纜與擴(kuò)展單元和模擬量單元，位置控制單元和各種特殊功能模塊相連接，用于功能擴(kuò)展。主要產(chǎn)品有日本三菱公司的F1系列，美國AB公司的SLC500系列等。</p><p>　　（2）模塊式PLC:又稱為積木式PLC，它將構(gòu)成P

86、LC各組成部分按功能做成獨(dú)立模塊，并按需要組合。然后安裝于同一塊基板或框架上。中型PLC多采用這一結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)配置靈活，裝配方便，便于擴(kuò)展和維修。主要產(chǎn)品有美國AB公司的PLC5系列，德國西門子公司S7-300、S7-400系列等。</p><p><b>　　3）按功能分</b></p><p>　　（1）低檔機(jī):具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基

87、本功能，主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機(jī)控制系統(tǒng)。</p><p>　?。?）中檔機(jī):除了具有低檔機(jī)的功能外，還具有較強(qiáng)的模擬量處理、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)值的比較與傳送、遠(yuǎn)程I/O及連網(wǎng)通信等功能。有些中檔機(jī)還可增設(shè)中斷控制、PID控制等功能，適用于復(fù)雜的控制系統(tǒng)。</p><p>　?。?）高檔機(jī):除了具有中檔機(jī)的功能外，增設(shè)有特殊功能運(yùn)算和制表、表格傳送等功能；具有更強(qiáng)的通信連

88、網(wǎng)能力，可用于大規(guī)模的過程控制。</p><p><b>　　3．PLC的組成</b></p><p>　　在硬件組成方面，PLC的組成基本上可以歸為3個部分：CPU板——控制器的核心；I/O部件——連接現(xiàn)場設(shè)備與CPU之間的接口電路；電源部件——為PLC內(nèi)部電路提供能源。一般講，PLC分為整體式和模塊式兩種，但他們的組成是相同的。對于整體式PLC，3部分裝在同一個機(jī)

89、殼內(nèi)，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、存儲器、電源等。對于模塊式PLC，各部件獨(dú)立封裝，稱之為模塊，通過機(jī)架和總線連接而成，有CPU模塊、I/O模塊、存儲器、電源模塊、底板或機(jī)架。無論哪種類型結(jié)構(gòu)的PLC，都屬于總線式開放性結(jié)構(gòu)。</p><p>　　PLC由硬件組成后，其工作過程及硬件功能的思想還要靠軟件來支持，PLC的軟件組成如下：系統(tǒng)程序、用戶程序、系統(tǒng)監(jiān)控程序。系統(tǒng)程序包括診斷程序、鍵盤輸入處理程序、

90、翻譯程序、信息傳送程序和監(jiān)控程序；用戶程序是用戶根據(jù)設(shè)備控制要求編制的控制程序，相當(dāng)于繼電-接觸器控制系統(tǒng)的控制電路；系統(tǒng)監(jiān)控程序包括：系統(tǒng)運(yùn)行管理程序、用戶指令解釋程序、標(biāo)準(zhǔn)程序模塊和系統(tǒng)調(diào)用程序。</p><p>　　PLC的軟件提供了各種邏輯部件，經(jīng)編程來完成邏輯控制功能。PLC的邏輯部件如下：繼電器邏輯——觸點(diǎn)、線圈，定時器邏輯，計(jì)數(shù)器邏輯，觸發(fā)器邏輯，移位寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。</p>&l

91、t;p>　　3.3 PLC的工作原理</p><p>　　1）PLC的循環(huán)掃描工作方式</p><p>　　PLC的工作方式是采用循環(huán)掃描的。對每個程序，CPU從第一條指令程序開始執(zhí)行，按照程序指令的步序號作周期性的循環(huán)掃描。如果沒有跳轉(zhuǎn)指令，那么從第一條程序指令處開始逐條對用戶程序執(zhí)行，直到遇見結(jié)束符才返回，然后周而復(fù)始地循環(huán)，這種循環(huán)稱為掃描周期，掃描周期長短取決于三個因素：1.

92、CPU對指令執(zhí)行的速度；2.執(zhí)行每一條指令需要的時間；3.程序中指令的條數(shù)。</p><p>　　當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱為一個掃描周期，在整個運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。</p><p>　　2）PLC的工作過程和特點(diǎn)</p><p>　　（1）數(shù)據(jù)I/O狀

93、態(tài)翻新</p><p>　　它包括輸入信號采樣和處理結(jié)果送出兩個過程：</p><p>　　（a）輸入映像存儲器及其刷新——相對應(yīng)的是輸入端子的狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。CPU因不能跟外部的接線端子直接打交道，在輸入的采樣階段，首先掃描的是所有的輸入端子，經(jīng)過輸入調(diào)理的電路后再進(jìn)入輸入緩沖器等待采樣。如果沒有經(jīng)過CPU采樣“允許”，外界輸入信號不能進(jìn)入內(nèi)部存儲器。當(dāng)CPU進(jìn)行采樣時，輸入信號便會進(jìn)入輸入

94、映像存儲器翻新。接著進(jìn)入程序的執(zhí)行階段，直至信號輸出。</p><p>　?。╞）輸出映像存儲器及其刷新——CPU數(shù)據(jù)處理的中間結(jié)果及最終結(jié)果的存放區(qū)域。同理，CPU也不能直接對負(fù)載驅(qū)動，處理的結(jié)果會被存放到輸出映像存儲器中，直到所有的程序都執(zhí)行完才能夠?qū)⑤敵鲇诚翊鎯ζ鞯膬?nèi)容通過輸出鎖存器送到輸出端子上驅(qū)動外部負(fù)載。</p><p><b>　?。?）執(zhí)行用戶程序</b&g

95、t;</p><p>　　執(zhí)行用戶程序包括執(zhí)行用戶程序和系統(tǒng)監(jiān)測。正常情況下，執(zhí)行完用戶程序所需的時間不應(yīng)超過看門狗定時器，即監(jiān)視定時器T1。執(zhí)行程序前，復(fù)位T1，程序執(zhí)行開始時T1計(jì)時，完成后T1值立即復(fù)位，表示程序正常執(zhí)行。異常情況下，因?yàn)槟承┰虻挠绊?，程序進(jìn)入了死循環(huán)，程序執(zhí)行的時間超出T1值，WDT便會發(fā)出警告，程序重新開始執(zhí)行，同時復(fù)位T1值。若為偶然因素，則程序的重新執(zhí)行將會正常，否則系統(tǒng)會自動停止

96、執(zhí)行用戶程序，切斷外部負(fù)載，并且發(fā)出信號等待故障處理。</p><p><b>　?。?）執(zhí)行外設(shè)命令</b></p><p>　　每次執(zhí)行完用戶程序輸出后，就進(jìn)入服務(wù)外設(shè)命令的操作。如果沒有外設(shè)命令，則自動循環(huán)掃描。</p><p>　　PLC在工作過程中，進(jìn)行信息處理時遵循如下規(guī)則：</p><p>　　1.輸入映像

97、存儲器的數(shù)據(jù)取決于各輸入端子在輸入刷新期間的接通或斷開狀態(tài)。</p><p>　　2.程序如何執(zhí)行取決于用戶程序和輸入映像存儲器、內(nèi)部元件存儲器的內(nèi)容。在執(zhí)行過程中，輸入映像存儲器內(nèi)容不會改變，但元件存儲器和輸出映像存儲器內(nèi)容卻隨程序執(zhí)行進(jìn)程不斷刷新。</p><p>　　3.輸出映像存儲器的內(nèi)容取決于所有輸出指令的執(zhí)行結(jié)構(gòu)。</p><p>　　4.輸出鎖存器內(nèi)容

98、決定于上一次輸出刷新期間輸出映像存儲器的內(nèi)容。</p><p>　　5.所有輸出端子狀態(tài)均由輸出鎖存器決定。</p><p>　　圖3.1 PLC的工作過程</p><p>　　3.4 本設(shè)計(jì)PLC選型</p><p>　　在PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中，當(dāng)我們已經(jīng)完全確定了系統(tǒng)的控制方案及工作性質(zhì)后，我們便需要根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求等去確

99、定PLC的類型。在本次的起貨機(jī)控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的控制功能復(fù)雜，需要的I/O點(diǎn)數(shù)較多等特點(diǎn)，我們選用三菱公司功能最強(qiáng)的FX2N</p><p>　　系列PLC。下面將簡要介紹下FX2N系列可編程控制器的技術(shù)性能指標(biāo)、編程元件及指令系統(tǒng)。</p><p>　　1.FX2N系列可編程控制器性能指標(biāo)</p><p>　　FX2N系列每條基本指令執(zhí)行時間為0.08us；具

100、有27條基本指令、2條步進(jìn)指令和128種功能指令；有3072點(diǎn)輔助繼電器、1000點(diǎn)狀態(tài)繼電器、256點(diǎn)定時器、235點(diǎn)計(jì)數(shù)器、8000多點(diǎn)16位數(shù)據(jù)寄存器、128點(diǎn)跳步指標(biāo)和15點(diǎn)中斷指針；內(nèi)附8K步RAM，最大可達(dá)16K，最大可擴(kuò)展到256個I/O點(diǎn)?？傊?，F(xiàn)X2N是FX系列控制器中功能最強(qiáng)、速度最快的微型可編程控制器。</p><p>　　2.FX2N可編程控制器編程元件</p><p&

101、gt;　　繼電接觸控制系統(tǒng)用到了各種具體的電器元件，通過它們的硬件接線來實(shí)現(xiàn)控制功能。而可編程控制器是通過運(yùn)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能。用戶程序的編寫有多種語言，其中梯形圖是使用最多的圖形編程語言。梯形圖程序設(shè)計(jì)中有許多邏輯器件和運(yùn)算器件，它們由可編程控制器內(nèi)部的電子電路和一個個存儲單元所構(gòu)成。從編程的角度出發(fā)，我們可以不管它們具體的物理實(shí)現(xiàn)，僅僅關(guān)心它們的功能，統(tǒng)一稱之為編程元件。按照功能不同給每個元件一個名稱，如輔助繼電器、計(jì)數(shù)器、定

102、時器等。</p><p>　　輸入繼電器（X）的作用是接收并存儲外部輸入的開關(guān)量信號，它和對應(yīng)的輸入端子相連，同時提供無數(shù)的常開和常閉軟觸點(diǎn)用于編程，它采用八進(jìn)制編碼，基本單元輸入繼電器最大范圍為X0-X77共64點(diǎn)，擴(kuò)展后系統(tǒng)可達(dá)X0-X267共184點(diǎn)。</p><p>　　輸出繼電器（Y）的作用是它具有一常開硬觸點(diǎn)用于向外部負(fù)載發(fā)送信號，每一輸出繼電器的常開觸點(diǎn)與可編程控制器的一個輸

103、出點(diǎn)相連直接驅(qū)動負(fù)載，它也提供了無數(shù)的常開和常閉觸點(diǎn)用于編程，它同樣采用八進(jìn)制編碼，基本單元輸出繼電器最大范圍為Y0-Y77共64點(diǎn)，擴(kuò)展后系統(tǒng)可達(dá)Y0-Y267共184點(diǎn)。</p><p>　　輔助繼電器M是用軟件來實(shí)現(xiàn)的，用于狀態(tài)暫存，移位輔助運(yùn)算及賦予特殊功能的一類編程元件，它們既不能接收外部的輸入信號，也不能直接驅(qū)動外部負(fù)載，其作用類似于繼電接觸器控制系統(tǒng)中的中間繼電器。</p><p

104、>　　可編程控制器的定時器T作用相當(dāng)于繼電接觸控制中心的通電延時型時間繼電器，它有一個設(shè)定值寄存器、一個當(dāng)前值寄存器和一個用來存儲其“0/1”狀態(tài)的元件映像寄存器，這三個存儲單元使用同一個元件號。可編程控制器內(nèi)部定時器是根據(jù)時鐘脈沖累計(jì)計(jì)時的，不同類型的定時器有不同脈寬的時鐘脈沖，反應(yīng)了定時器的定時精度。</p><p>　　計(jì)數(shù)器是可編程控制器內(nèi)部不可缺少的的重要軟元件，它由一系列電子電路組成，主要用來記

105、錄脈沖的個數(shù)。按所計(jì)脈沖的來源可將計(jì)數(shù)器分為內(nèi)部信號計(jì)數(shù)器和高速計(jì)數(shù)器。</p><p>　　3.FX2N可編程控制器的基本邏輯指令</p><p>　　FX2N系列可編程控制器共有27條基本邏輯指令。只利用這些基本邏輯指令，就可以編制出任何開關(guān)量控制系統(tǒng)的用戶程序，現(xiàn)對主要指令的功能作簡單介紹，具體應(yīng)用不再贅述。</p><p>　　1）LDI、LD為常閉觸點(diǎn)、常

106、開觸點(diǎn)與左母線連接的指令；2）OUT為驅(qū)動線圈輸出的指令；3）ANI、AND為單個常閉觸點(diǎn)、常開觸點(diǎn)的串聯(lián)連接指令；4）ORI、OR為單個常閉觸點(diǎn)、常開觸點(diǎn)的并聯(lián)連接指令；5）LDP、LDF、ORP為上升沿檢測的觸點(diǎn)指令；6）LDF、ANDF、ORF為下降沿檢測的觸點(diǎn)指令；7）ANB為并聯(lián)電路塊的串聯(lián)連接指令；8）ORB為串聯(lián)電路塊的并聯(lián)連接指令；9）SET為置位指令，使元件狀態(tài)為ON并保持；10）RST為復(fù)位指令，使位元件狀態(tài)為OFF

107、并保持或?qū)ψ衷辶悖?1）NOP為空操作指令，使該步程序空操作；12）END為程序結(jié)束指令。</p><p>　　第4章 船舶電動起貨機(jī)PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 傳統(tǒng)繼電控制船舶起貨機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)及電路原理分析</p><p>　　1．電動起貨機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)及電路控制要求[11]</p><p>　?。?）電動起貨機(jī)采