锚绞机智能控制系统设计研究

江苏科技大学硕士学位论文大摘要论文题目锚绞机智能控制系统设计研究研究方向船舶综合控制系统学科、专业控制工程研究生姓名吴磊导师姓名张永林填表时间2013年3月20日摘要I摘要锚绞机作为船舶重要的配套设备，对船舶的安全营运起着至关重要的作用。船舶在停泊时，会受到风力、水力以及船体摇摆时的惯性力的作用。锚绞机的主要作用就是通过平衡这些力，来使船舶安全地停泊在水面或者系泊于码头、浮筒上；此外锚绞机还有辅助船舶靠离码头的作用，因此对锚机和系缆设备的电力拖动与控制的研究具有很重要的实际意义。目前，交流三速锚绞机在船舶上的应用十分广泛，但传统的锚绞机控制系统多采用的是继电器-接触器来实现系统的逻辑控制，这种系统连线复杂、占用空间较大、能耗大，可靠性不高、系统一旦构成将很难升级改进。因此，为了改变这种控制系统的众多不足与缺点，本文将PLC控制器作为下位机引入到锚绞机控制系统中去，这就在很大程度上提高了系统的可靠性，同时可以方便的实现上下位机之间的通信，从而可以方便的实现对锚绞机的远程监控。本文的研究内容主要分为以下几部分：1）研究了锚绞机控制系统的功能需求以及工作原理，分析了传统继电控制的锚绞机控制系统的缺点与不足，研究了弥补传统锚绞机控制系统不足的一些方法，给出了整合后的锚绞机控制系统结构。2）对锚绞机控制系统重新进行设计，设计出了两套基于PLC控制器的锚绞机系统控制方案，即PLC&三速电机控制系统和PLC&变频电机的控制系统。并分析对比两系统的优缺点，分别得出了两套系统控制方案的适用范围。3）分析了锚绞机的系泊系统，重点分析了恒张力绞车的工作状况，将直接转矩的思想运用到恒张力绞车自动控制系统中去，同时为了能实时保证缆绳上的恒张力，系统中运用了PID控制算法。4）运用编程工具SIMATICManager来编写和调试控制系统的控制程序，运用DriveMonitor对变频器参数进行设置，运用WinCC设计监控界面。5）分析挖泥船三锚定位系统，将单锚的单变量控制延伸到三锚张力分配问题的定位系统中去，研究量子粒子群算法张力分配策略，建立张力分配模型以及约束条件，运用Matlab仿真软件对三锚定位系统的张力分配进行仿真。关键词锚绞机；可编程逻辑控制器；恒张力；张力分配；量子粒子群算法江苏科技大学工学硕士学位论文IIAbstractIIIAbstractAnchorandMooringWinchisanimportantroleonthesafeoperationofshipasoneoftheshipequipment.Theseequipmentsareproceedinglarge-scalewiththeincreaseoftonnage,andalsotheloadismoreandmorebig,requirementsoftheequipmentarealsogettinghigherandhigher.TheControlSystemofAnchorWindlassisabitcomplicated.Shipswillbesubjecttowind,waves,currentsandinertiaforceofthehullwhenitwasatanchor.Anchoringappliancesshouldcooperateandcontrolthoseexternalforcesinorderthatshipscanberthoverthewaterormooringatthepiersafelyandsecurely.Consequently,ithasaveryimportantpracticalsignificancetostudyoftheelectricdriveandcontroloftheAnchorWindlass.Anchorandmooringwinchisoneofimportantshipequipments,Three-SpeedAnchorWindlassiswidelyusedonship.Butthetraditionalcontrolsystemofanchorwindlassmostlyrealizesthesystemlogiccontrolwithrelayandcontactor.Thissystemiscomplexityconnection、largevolume、powerconsumption、poorreliabilityandchangingthesystemdifficultly.WhilePLCcontrollerisintroducedintotheanchorandmooringwinchsystem,thatcangreatlyenhancethereliabilityofthesystem,andcanbeeasilyrealizedcommunicationsbetweenaMasterComputerandaSlaveComputer,andismoreconvenientformonitoringrunningstatusofanchorandmooringwinch.Themaincontentsofthepaperwhichareasfollows:1)Functionrequirementofanchorwindlasscontrolsystemisstudied,shortcomingsoftraditionalcontrolsystemofanchorwindlassisanalyzed.somemethodstomakeupofthesysteminadequateofthetraditionalanchorwindlassisputtedforward,andgiveoutthecontrolsystemstructureofanchorwindlass.2)TwoanchorwindlasscontrollersystemsbasedonPLCisdesigned:SystembasedonPLC&Three-SpeedElectricMachinery、SystembasedonPLC&Converter.Thenanalyzeandcomparethetwosystems.3)Mooringsystemsofanchorwindlassisanalyzes,socontrolsystemofanchorwindlassisabitcomplicated.Shipwillbesubjecttowind,waves,currentsandinertialforceofthehullwhenitwasatanchor,tensileforceswillbechangeslargelythatCausingmarinedrift.4)TheprogrammingtoolSIMATICManagerisUsedtowriteanddebugcontrol江苏科技大学工学硕士学位论文IVsystem’sprogram,DriveMonitorisusedtosetconverterparameters,andWinCCisusesedtodesignmonitoringandoperationinterface.4)Threeanchorsystemofthedredgerisanalyzed,QPSO(Quantumparticleswarmoptimization)methodisusesedtosolvethetensionallocation,andsimulates.KeywordsConstanttension;PLCcontrol;Mooringsystem;Tensionallocation;Quantumparticleswarmoptimization目录V目录摘要......................................................................................................................................IAbstract................................................................................................................................III第1章绪论...........................................................................................................................11.1选题的背景和意义.................................................................................................11.1.1选题背景........................................................................................................11.1.2选题意义........................................................................................................21.2国内外研究现状.....................................................................................................31.2.1锚绞机控制系统的研究现状........................................................................31.2.2绞车的发展及应用........................................................................................41.2.3PLC的发展和研究现状................................................................................51.2.4发展趋势........................................................................................................71.3量子粒子群算法的发展现状.................................................................................71.4本文主要研究内容及论文框架.............................................................................81.4.1研究内容........................................................................................................8第2章锚绞机控制系统组成及原理.................................................................................102.1锚绞机控制系统功能介绍.....................................