港口装卸机械电气控制

1. 港口装卸机械电气控制技术 [10481~2] Created by Kairry
中篇 港口装卸机械电气传动与控制
第四章 大型电动装卸机械的自动控制装置
由前面几章的学习，我们知道港口大型装卸机械的自动控制主要由传动驱动系统（目
前多采用变频交流传动系统）、逻辑控制系统（PLC）组成。另外，还包括控制信息的横
向和纵向的通讯网络。
所以大型电动装卸机械上，常见的的自动控制装置是 PLC、变频器及直流驱动器。
4.1 可编程序控制器
1、 安川 PLC
合资公司安川电机制作所成立于 1915 年，两年后改为股份制。孙中山在日本时曾拜访
过安川电机创始人安川敬一郎。
安川电机分有驱动控制事业、运动控制事业、系统控
制事业部。PLC 只是其生产产品的一部分。
目前大型电动装卸机械上所用的安川 PLC 主要有 CP317、
CP316 和 MEMOCON GL120。
CP­317 是一种大容量的系统控制器，具有继电器逻辑和数字操作等通用的定序功能，
以及诸如 Yaskawa 独特的实时核心网络 CP­215IF 传输(4Mbps 传输速度，因其使用双绞线
作为传输媒介，可以建造一个不昂贵但高度可靠的传输系统)、CP­215IFQ(20Mbps 传输速
度，使用光纤电缆作为传输媒介，对感应噪音有高度抵御性能)；CP­216IF 及 CP­217IF
（采用 MEMOBUS 或 OMRONBUS 传输协议）和 CP­218IF 模块（国际标准网络“以太
网”）等扩展通信功能。装置根据不同的功能由模块构成，带有电源模块如 PS­01、CPU
模块如 CPU­01、动作模块如 PO­01(脉冲输出)和各种 I/O 通信模块。
用户程序使用梯形程序或 SFC①语言，并使用 CP­717 编成。CP­717 有使用 CP­215 传
输并且可以快速连接的台式型、和使用 RS­232 界面的笔记本型。
CP­317 配置及系统设置图如下

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l 电源模块 PS01
可以使用 100VAC、200VAC、24VDC 和 100VDC。
l 安装基座
可以提供短安装基座和长安装基座。
最多可以连接 4 个安装基座。
l 动作模块
PO‐01 模块具有定位、参考点复原、插入、固定速度馈送和固定距离馈送等位置控制功能，
并且能够与最多有 4 个轴的脉冲马达连接。可以安装多达 16 个 PO‐01 模块（1 号到 16 号
模块）来控制最多 64 个轴。
l CPU 模块 CPU01 和 CPU02
有两种类型的 CPU 模块。最多可连接两个。
CPU 的操作模式取决于安装的 CPU 模块的类型和数量。
l 通信模块
可以提供不同类型的接口模块，包括 CP‐215IF、CP‐216IF 和 CP‐217IF。CP‐717 都可连接到
CP‐215IF 或 CP‐217IF 模块上的。
l I/O 模块
可以连接本地 I/O 或 2000 系列 I/O 等。
l 其它
有连接在安装基座之间的模块。
PLC 主站
PLC 分站
①
顺序功能图 SFC（Sequential Function Chart）:描述控制系统的控制过程、功能、特性的一种图形，是设计 PLC
顺序控制的一种工具（即 PLC 编程语言）。主要由步、有向连线、转换、转换条件（或命令）组成。SFC 方便规划者，
会画逻辑图者快速上手 PLC 编程；另外，STL 方便有 VB、VC 基础者快速上手 PLC 编程；FB 方便有微电子电路者快
速上手 PLC 编程。

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2、西 门子 PLC
早在清末就在中国开展了其业务。1910 年中国第一座水电站（昆明
石龙坝）使用的是西门子公司生产的发电机。“机本天然生运动，器凭
水以见精奇”横联“皓月之光”。
《拉贝日记》的作者就是中国抗战时任西门子公司驻南京办事处经理拉
贝先生。此书后来还被拍成电影，真实记录了日本军国主义在南京犯下
的滔天罪行。
目前，西门子是全球电子电气工程领域的领先企业，主要业务集中在工业、能源、医
疗、基础设施与城市四大业务领域。在 2011 财年，西门子在中国的总营收达到 63.9 亿欧
元。在中国拥有 29,000 余名员工。
在国内使用 PLC 的西门子占最多，其经典作是 s7 系列。s7­200、s7­300、s7­400
分属微型、中高性能型。
S7­400 自动化系统配置
l 机架：分中央机架（CR）和扩展机架
（ER），有 4、9、18 槽等几种。
l 电源模板：将 SIMATIC S7­400 连接到
120/230VAC 或 24VDC 电源上。
l 中央处理器模板：有多种 CPU 可供选择，有些带有内置的 PROFIBUS­DP 接口，用于
各种性能范围。一个中央处理器可包括多个 CPU，以加强其性能。有 CPU412、
CPU414、
CPU416、CPU417 等。
l 各种信号模板（SM）：DI/DO 及 AI/AO。
l 通讯模板（CP）：用于总线连接和点到点连接。如：
CP440、CP441 的 RS232、RS485 接口用于打印机/条码器、编程器、个人电脑的连接；
CP443­5 的 9 针 D 型连接器，连接 PROFIBUS；

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CP443­1：10M~100Mbits/s 自适应全双工连接，可用 RJ45、AUI 连接， ISO、
带 TCP/IP
传输协议。组态软件须用 SIMATIC STEP7。
l 功能模板（FM）：专门用于计数、定位、凸轮控制等任务。
l 接口模板（IM）：用于连接中央控制单元和扩展单元，最多能连接 21 个扩展单元。
S7­400 具有很高的电磁兼容性和抗冲击、耐振动性能，模板能带电插拔。
3、GE 公司 PLC
美国通用电气公司（General Electric Company ）是世界最著名的老牌电气公司之一。
白炽电灯的发明者托马斯·阿尔瓦·爱迪生就是该企业的创建者。1890 年，爱迪生将自
己的各项业务进行整合，成立了爱迪生通用电气公司。并于 1892 年，与另一家竞争对手
合并，这就是所谓的“灵感+汗水”通用电气公司（GE）。
同样，早在 1906 年 GE 就开始发展同中国的贸易，是当时在中国最活跃、最具影响力
的外国公司之一。1908 年，GE 在沈阳建立了第一家灯泡厂。
目前，GE 是一家多元化的科技、媒体和金融服务公司，致力于解决世界上最棘手的
问题。GE 的产品和服务范围广阔，从能源、石油天然气、水处理、航空、运输系统、家
电、照明和医疗，到金融和新闻媒体及娱乐，客户遍及全球 100 多个国家，拥有 30 多万
员工。GE 也是道琼斯工业指数榜自 1896 年设立以来惟一至今仍在榜上的公司。
该公司的 PLC 最具代表性的要属 GE Fanuc 系列 90 家族。
系列 90­30PLC 成本低，性能高，能方便地取代从简便的继电器到复杂的中型自动化
应用系统场合。它的 CPU 具有强大的功能，
如内装 PID，结构化编程，中断控制，间接
寻址及各种功能模块，能完成复杂的操作。
另外，还有功能很强的特殊模块可供选择，
包括轴定位模块，高速计数器模块，BASIC
和 C 语言协处理器模块及 Genius 通讯模块。

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CPU331：适用于 I/O 增加的场合，在 700 英尺距离内可扩展至 5 个机架（49 槽）最
大 1024 个 I/O 点。
CPU350：在 CPU331 基础上增加了浮点运算功能，具有更快的处理速度。
CPU360：内存扩充至 240K 的 CPU350；
CPU364：内置以太网卡的 CPU360，支持以太网的广播方式通讯。
CPU374：CPU 采用 AMD586 的微处理器，主频为 133MHz，一个 10/100M 以太网卡，两
个 RJ45 接口。全双工通讯。
CPU 有多种通讯可选，适用的现场总线有：Genius、Profibus DP、WorldFIP、Interbus S、
Lonworks、DeviceNet 等，都做成协处理器的形式。
GE 的组态软件有 4 种，CPU364 和 CPU374 必须用 VersaPro 或 CIMPLICITY ME。
系列 90­70PLC 是 90 家族中高性能，大规模的系列。其结构紧凑单槽的 CPU 模块，
在 CPU 模块中有两个主要的处理器。一个是 Intel 微处理器用于处理一些模拟量或特殊功
能控制。另一个是布尔运算协处理器用于执行高速的开关量控制。
4、 公司 PLC
ABB 集团总部位于瑞士苏黎世，由两个历史 100 多年的国际性企业瑞典的阿西亚公司
(ASEA)和瑞士的布朗勃法瑞公司(BBC Brown Boveri) 在 1988 年合并而成，是电力和自动
化技术领域的领导厂商。两公司分别成立于 1883 年和 1891 年。1907 年。当时 ABB 向中
国提供了第一台蒸汽锅炉。迄今在中国拥有 1.8 万名员工， 2010 年在中国的销售额达 44
亿美元。
ABB 公司的 PLC 有 AC31、AC250、AC500、AC800 家族，其中 AC800 系列在港口
装卸机械上应用较多，如 AC800M。
AC800M 控制器隶属于 ABB AC800 系列，是一种
模件化、节能、规模可大可小的工业应用控制器。其编
程组态由一种高度集成 Windows 2000 应用软件的系统

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Control Builder M 实现。
AC800M 控制器超强的能力决定了其能满足各种应用，从基本逻辑运算到高级控制或
二者兼而有之、从少量的 I/O 点到数千点的应用、从本地安装到远程安装，AC800M 都能
应付自如。另外，能支持多种通讯标准，如：Ethernet、Profibus DP、FF、 RS 232C 等。
l 硬 件
AC800M 及相关模件均采用 DIN 导轨式安装，每个模件由一可拆卸单元及相互连接的
基座组成，基座实现模件间的外部连接，包括供电及通讯。
控制器的核心为处理器模件及基座，其上安装的两个 IEEE802.3 以太网口可连接至控制
网、监控系统或 Control Builder M 组态工具。
同时还提供了两个可替代以太网方式的 RS232 C 口可连接至 Control Builder 或监控系统
或其它符合通讯协议要求的子系统。用户也可自定义通讯协议。
其中一个 RS232 C 口用于短信息的传递， 编程工具，
如： 因此其只提供部分 RS232C 信
息。另一通讯口用于长信息的传输，它提供了完全格式的 RS232C 信息，如：调制解调器
的控制。
模件的左侧有一用于通讯扩展（CEX）的插槽。系统提供了 Profibus DP、FF、Modbus
等多种类型的通讯模件，控制器可连接多至 12 个通讯模件。
l I/O 模件扩展
控制器右侧有一接口通过电气 ModuleBus 方式可连接多至 12 个 S800 I/O 模件，
192 个 S800 I/O 点。
I/O 模件扩展的另一种方式是通过卡件上的光纤 ModuleBus 连接器扩展。此总线上可
连接 7 个 S800 I/O 簇。
系统还可通过 Profibus DP 总线扩展出更多的 I/O 组簇，甚至远程安装。此方式下，一
个 AC800M 可管理数千点 I/O。
l 供电单元

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有三种类型的供电单元：SD821，
SD822 和 SD823。三者均为开关电源，将
交流转换为 24V 直流。直流电流为 2.5、
5、
10A，输入电压范围为交流 155/230V。转
换器的软启动功能降低了浪涌和消除了电
源扰动。三种供电电源均可冗余或非冗余
使用。AC800M 模件的公共特性之一为低
能耗，散热问题几乎可以不予考虑，可密
闭安装在无风扇、无开口、无空气过滤等
类似设备的柜中。因此，具有极高的可靠
性。
4.2 变频器
现在交流变频调速已快速取代了直流调速，大功率变频器的性能和可靠性在不断提高，
港口大型装卸机械的控制几乎都使用了交流变频技术。各大电气制造商不断更新推出自
己的交流变频控制系统。如通用变频器市场份额位居全球首位的安川机电，自 1974 年推
出世界首创的晶体变频器（VS­616T）以来，先后推出 3（G3）
、5(G5)、7 系列(F7、G7)。
在港机上用得较多的是 VS­616G5、VS­G7、VS656DC5+VS­676H5 等。2010 年 G5、G7
等都已停产，倒是市面上还有很多地方销售。目前最新的是 1000（A1000、H1000…）系
列。
安川 H1000 变频器特点
双重额定，可根据额定自动切换初始值和保护功能。

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无论是驱动感应电机或是同步电机均能实现高性能电流矢量控制。可以通过参数
设定，切换感应电机与同步电机。对于港机
来说高性能电流矢量控制尤为重要，能实现
高起动转矩和超低速运行。
在线检测电机特性变化，实现高控制精
度 [±0.01%(带 PG 矢量控制)、±0.2%(无
PG 矢量控制)、转矩精度±5%]。
内置多种自学习方式（包括所驱动的机械）

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4.3 通讯系统
通讯系统是港口大型电动装卸机械上电气控制系统的一个重要组成部分。通过通讯网
络将设备上的 PLC 与各 PLC I/O 分站连接，将设备上不同地方的数据信息集中到 PLC 内
进行处理；同时 PLC 与各变频器连接并进行数据交换，以实现对生产设备的运行控制。
由于市场竞争和技术排他性等因素，各个厂家生产的产品所采用的通讯网络五花八门，
如安川 PLC 的 CP­215、CP­216 通讯模块就不能与其它公司的产品连接。这给用户带来
极大不便，所以，安川推出了具有通用标准协议的 CP­218(以太网)和 CP­261(PROFIBUS)
模块。
目前，世界上最常用的开放标准协议有十几种，前面介绍的几个厂家的产品中，我们
可归纳一下
FF TCP/IP
公司 PROFIBUS 其它
(Fieldbus Foundatin) (EARTHNET)
YASKAWA √ × √ 215、216
SIEMENS √ × √
GE √ × √ Geniusbus、Controlbus
ABB √ √ √
遵从同一标准协议的不同厂家的产品可以互相连接或替换。有关这方面的知识可参学
《现场总线应用技术》课程。
思考题：
1）在课程介绍的四个著名公司生产的 PLC 产品中，在设计上它们有什么共同点和不同的地方。
2）四家公司的 PLC 产品都有自己的组态编程软件，其软件名称分别是什么？
3）这四家公司的产品能否互相连接或替代？
4）港口集装箱装卸吊机对变频调速的基本要求中，必须特别考虑的问题是什么？
5）什么是现场总线？四家公司的产品中都有哪些现场总线？