本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）

題目：基于變頻技術(shù)橋式起重機(jī)電氣設(shè)計(jì)

基于變頻技術(shù)橋式起重機(jī)的電氣設(shè)計(jì)

橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)系統(tǒng)中一種典型設(shè)備,在企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中應(yīng)用廣泛作用顯著,因此對于提高橋式起重機(jī)的運(yùn)行效率,確保運(yùn)行的安全可靠性,降低物料搬運(yùn)成本是十分重要。傳統(tǒng)的橋式起重控制系統(tǒng)主要采用繼電器接觸器進(jìn)行控制,采用交流繞線串電阻的方法進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速,這種控制系統(tǒng)存在可靠性差,操作復(fù)雜,故障率高，電能浪費(fèi)大,效率低等缺點(diǎn)。因此對橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義,也是國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)專家學(xué)者的一個(gè)研究課題。

本文針對橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中存在的問題，通過把可編程控制器和變頻器應(yīng)用到橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)上，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的轉(zhuǎn)子電機(jī)串電阻調(diào)速。介紹了傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的調(diào)速原理和PLC、變頻器在橋式起重機(jī)上的應(yīng)用原理。并且闡述了變壓器、繼電器、變頻器的選型計(jì)算和選型依據(jù)。介紹了變頻橋式起重機(jī)電氣設(shè)計(jì)的主回路接線圖、抱閘回路以及PLC與變頻器的連接圖。、小車、主鉤和副鉤的控制程序進(jìn)行了簡單的說明。

把PLC和變頻器應(yīng)用到橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)上，大大改善了起重機(jī)的調(diào)速性能，提高了工作效率，提高了橋式起重機(jī)使用的安全可靠性，并且有顯著的節(jié)能效益。

關(guān)鍵字：可編程控制器；橋式起重機(jī)；變頻調(diào)速

DesignOfElectricalFrequencyConversionTechnologyBasedOnBridgeCrane

Thebridgecranecarriesakindoftypicalequipmentinthesuppliessystem,soithaveextensivefunctionintheactivityofproducingenterprise,soitisimportanttoimprovethebridgecraneoperationalefficiency,guaranteethesafereliabilitytobeoperated,reducethecostofcontactorthesuppliescarrying,Butthetraditionalbridgecranecontrolsystemmainlyadoptsrelayandcontactortocontrolbridgecrane,adoptthemethodsofwirewindingbunchofresistancetostartandadjustspeedofmotor,forexample,dependabilityisbad,itiscomplicatedtooperate,faultrateishigh,theelectricenergyiswastedgreatly,efficiencyislow,carryingontheresearchtothebridgecranecontrolsystemhasrealisticmeaning,itisasubjectforresearchofrelevantexpertsandscholar’sbothathomeandabroadtoo.

Tothequestionsexistinthebridgecranecontrolsystem,thepaperapplyprogrammablecontrollerandfrequencyconverteroncontrolsystemofbridgecranetoreplacemotorrotorseriesresistance.Speed?controlprincipleofthetraditionalbridgecranes,aswellasPLC,inverter,thermalrelayintheelectricaldesignofcraneapplicationofprinciplesofAlsodescribedtheselectionoftransformers,relays,inverterandcablesinaccordancewithselectioncalculation.Describesthewiringdiagramoftheinverterbridgecraneelectricaldesign,PLCwiringdiagram.ThePLCcontrolprogramcars,carts,hookasimpleexplanation.Preparationoftheoverallcontrolprogram.

Thepaperapplyprogrammablecontrollerandfrequencyconverteroncontrolsystemofbridgecranehaveimprovespeedperformanceofthebridgecrane,improveworkefficiency,improvesafetyandreliabilityofbridgecraneinuse,andhasremarkableenergyconservationbenefit.

Keywords:ProgrammableController；FrequencyConversion；BridgeCrane

目錄

摘要

ABSTRACT

第一章基于變頻器和PLC改造橋式起重機(jī)的必要性

1.1橋式起重機(jī)的應(yīng)用

1.2橋式起重機(jī)電氣傳動(dòng)技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r

1.3本課題的研究意義及主要內(nèi)容

1.3.1傳統(tǒng)起重機(jī)控制不利因素

1.3.2橋式起重機(jī)電氣設(shè)計(jì)后的優(yōu)點(diǎn)

1.3.3本課題研究的主要內(nèi)容

第二章矢量控制變頻調(diào)速

2.1變頻調(diào)速的基本原理

2.2變頻器的基本結(jié)構(gòu)

2.2.1變頻器的主電路

2.2.2變頻器的控制電路構(gòu)成

2.3變頻調(diào)速的控制方式——矢量控制方式

2.3.1矢量控制的基本思想

2.3.2矢量變換規(guī)律

第三章變頻調(diào)速橋式起重機(jī)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)和部件選型

3.1橋式起重機(jī)系統(tǒng)簡介及起重機(jī)基本數(shù)據(jù)

3.1.1橋式起重機(jī)的構(gòu)造

3.1.2各機(jī)構(gòu)組成和特點(diǎn)

3.1.3傳統(tǒng)橋式起重機(jī)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)

3.2系統(tǒng)的部件設(shè)計(jì)

3.2.1電機(jī)的選用

3.2.2變頻器的選用

3.2.3常用輔件的選擇

第四章可編程序控制器在橋式起重機(jī)變頻控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1PLC概述及其系統(tǒng)組成

4.1.1PLC概述

4.1.2PLC的系統(tǒng)組成與各部分的作用

4.2本系統(tǒng)中可編程序控制器的選取及其特點(diǎn)

4.2.1PLC系統(tǒng)選型一SIEMENSS7一300

4.2.2S7一300的特性

4.2.3S7一300工作原理

4.2.4PLC型號(hào)選擇依據(jù)

4.3變頻調(diào)速起重機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.3.1系統(tǒng)控制的要求

4.3.2控制系統(tǒng)的1/0點(diǎn)及地址分配

第五章橋式起重機(jī)的電氣接線以及PLC編程

5.1主回路接線圖

5.2PLC與變頻器的連接圖

5.3PLC編程設(shè)計(jì)

5.3..1PLC編程軟件概述

5.3.2PLC程序設(shè)計(jì)

5.3.3對應(yīng)WinCC--運(yùn)行系統(tǒng)來說明上述程序?qū)崿F(xiàn)的效果。

參考文獻(xiàn)

附錄A

致謝

橋式起重機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和起重運(yùn)輸中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程機(jī)械化、自動(dòng)化的重要工具和設(shè)備。橋式起重機(jī)的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運(yùn)行，起重小車沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運(yùn)行，構(gòu)成一矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間吊運(yùn)物料，不受地面設(shè)備的阻礙。所以橋式起重機(jī)在室內(nèi)外工礦企業(yè)、鋼鐵化工、鐵路交通、港口碼頭以及物流周轉(zhuǎn)等部門和場所均得到廣泛的運(yùn)用。

橋式起重機(jī)主要由主鉤、副鉤、大車和小車四部分組成。大車軌道敷設(shè)在兩側(cè)立柱上,大車在軌道上縱向移動(dòng);大車有小軌道,供小車橫向移動(dòng);主鉤和副鉤都裝在小車上,主鉤為提升重物,副鉤除提升輕物,也協(xié)助主鉤翻轉(zhuǎn)或傾倒工件用,不。

橋式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制

1.重物應(yīng)能沿著上、下、左、右、前、后方向移動(dòng)，且能在立。除向下運(yùn)動(dòng)外，其余五個(gè)方向的終端都應(yīng)設(shè)置終端保護(hù)。

2.要有可靠的制動(dòng)裝置，即使在停電的情況下，重物也不會(huì)因自重落下。

3.應(yīng)有較大的調(diào)速范圍，在由靜止?fàn)?，?yīng)從最低速開始逐漸加速，加速度不能太大。

4.為防止，。一般采用過流繼電器作為電路的過載保護(hù)。

5.要有失壓保護(hù)環(huán)節(jié)。

6.要有安全措施。

電氣調(diào)速控制的方法有很多，對直流驅(qū)動(dòng)來說60年代采用發(fā)電機(jī)—電機(jī)系統(tǒng)。從切割電阻分級控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，到主回路可控硅即晶閘管主流供電系統(tǒng)，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成模塊的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)和微處理器的應(yīng)用，因此控制從模擬量控制發(fā)展到今天的數(shù)字量控制。

對交流驅(qū)動(dòng)來講，常規(guī)的采用繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，為滿，常采用能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)，后來還采用渦流制動(dòng)，還有靠轉(zhuǎn)子反饋控制制動(dòng)、反接制動(dòng)、單相制動(dòng)器抱閘松勁的所謂軟制動(dòng)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外開發(fā)研制出變頻調(diào)速，PLC可編程控制器的應(yīng)用使控制系統(tǒng)的性能更加完美。目前世界常用幾種調(diào)速裝置及性能：

1.DC一300直流驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng):GE公司DC一300、DC一2000是微處理器數(shù)字量控制的直流驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng),其控制功率從300HP到40O0llP,并采用PLC對整機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施故障診斷、檢測、報(bào)警及控制。

該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施主回路SRC整流,其控制是給定電壓反饋,對磁場弱磁,以實(shí)施“恒功率控制。模擬量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,可用測速反饋或通過速度環(huán)!電流環(huán)到SCR移現(xiàn)觸發(fā)的邏輯無環(huán)流的調(diào)速系統(tǒng)。

2．交流調(diào)速控制系統(tǒng):對于起重機(jī)械來講,交流驅(qū)動(dòng)仍是國內(nèi)普遍采用的方案而且多數(shù)停留在繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻來調(diào)速。隨著功率電子技術(shù)的發(fā)展,早在六十年代后期,國外就開始致力于晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)的開發(fā)研究。目前,該技術(shù)己進(jìn)入了成熟穩(wěn)定的發(fā)展應(yīng)用階段，1972年就正式定為VS系列,應(yīng)用于起重機(jī)及軋機(jī)輔助設(shè)備的交流調(diào)速。法國、英國、德國等大電氣公司亦在這方面展開了重點(diǎn)研制開發(fā)，借助電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展,由分離元件發(fā)展到大規(guī)模集成電路,從而實(shí)現(xiàn)控制部件的微型組件化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化,進(jìn)而從模擬量控制發(fā)展到數(shù)字量控制?？删幊绦蚩刂破鱌LC引入到交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)后,使傳動(dòng)系統(tǒng)性能發(fā)生了質(zhì)的變化，在橋式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)了抓斗的自動(dòng)控制和故障診斷、檢測顯示等,達(dá)到了新的技術(shù)高度。

3.變頻調(diào)速:變頻調(diào)速技術(shù)是國際上各大電氣公司在70年代末80年代投入全力研制、開發(fā),也是國際國內(nèi)這幾年全力研制應(yīng)用的目標(biāo)與方向，這幾年一些公司如德國SIEMENS、美國GE、的矢量控制技術(shù),大功率的IGBT模塊的出現(xiàn)使變頻技術(shù)在起升機(jī)械、電梯等位能負(fù)載控制成為現(xiàn)實(shí)。目前,變頻調(diào)速的控制方法有恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等這些控制方法都得到了不同程度的應(yīng)用,但其控制性能有一定的差異。

直流電動(dòng)機(jī)之所以與有良好的控制性能,其根本原因是當(dāng)勵(lì),控制電樞電流的的大小，異步電電動(dòng)機(jī)相同,像采用恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)由于是從控制電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,因而難以獲得較理想的動(dòng)態(tài)性能,異步電動(dòng)機(jī)在高精度調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制，而矢量控制是從根本上解決了這個(gè)問題,使交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。

適用于通用的鼠籠式電動(dòng)機(jī),無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用一該技術(shù)使變頻控制裝置不再配套專用電機(jī),而且可通過軟件對一般的鼠籠式電機(jī)一矢量控制裝置實(shí)施參數(shù)調(diào)整,進(jìn)一步降低電氣電機(jī)的投資而且維護(hù)保養(yǎng)方便，變頻器使用PWM技術(shù)可嚴(yán)格地使輸入電流正弦即在下降過程各機(jī)械減速制動(dòng)中,將動(dòng)能和位能轉(zhuǎn)化為,達(dá)到理想的節(jié)能指標(biāo),,上述發(fā)展已完成了產(chǎn),對變頻0裝置在技術(shù)上以及經(jīng)濟(jì)上與其他驅(qū)動(dòng)裝置競爭將有明顯的優(yōu)勢。PLC系統(tǒng)的不斷成熟與完善,以及大容量變頻器在位能負(fù)載上的成功應(yīng)用,變頻調(diào)速系統(tǒng)必將成。

1.3本課題的研究意義及主要內(nèi)容

傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)采用繞線式交流異步電動(dòng)機(jī),依靠串入轉(zhuǎn)子回路的多段外接電阻進(jìn)行調(diào)速(以下簡稱傳統(tǒng)調(diào)速)。傳統(tǒng)調(diào)速采用凸輪控制器、繼電器、接觸器控制,屬于傳統(tǒng)的有接點(diǎn)控制系統(tǒng),雖實(shí)現(xiàn)簡單,但存在以下不足。

（1）設(shè)備故障率高。因工礦企業(yè)工作環(huán)境差,粉塵、腐蝕性氣體等接觸器等的磨損、腐蝕較大,。接觸器等在傳電、,因此在頻繁工作過程中很容易出故障或燒損。

（2）控制線路復(fù)雜。電機(jī)調(diào)速級數(shù)越多,需要接入的接觸器就越多,控制線路就越復(fù)雜,排除故障就越困難。

（3）熱功率損耗大。屬能耗啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng),轉(zhuǎn)子回路串入電阻后,電機(jī)損耗功率以熱能形式釋放,能量不能回收。所串電阻長期發(fā)熱。電能損耗、浪費(fèi)大,效率低。

（4）手柄有級逐檔變阻調(diào)速方式,換檔過程速度變化大、中間速不穩(wěn)定,機(jī)電沖擊大,影響電機(jī)、電器、減速機(jī)、連軸器、鋼絲繩等的使用壽命。

（5）電阻器元件屬發(fā)熱元件,容易出現(xiàn)發(fā)熱松動(dòng)、高溫變形、過流燒斷、元件碰觸（短路）、絕緣損壞（接地）。

（6）制動(dòng)器制動(dòng)是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的,對制動(dòng)器損害很大,閘皮磨損嚴(yán)重。[7]

(7)串電阻調(diào)速屬能耗型轉(zhuǎn)差調(diào)速,在電機(jī)起動(dòng)、元件,浪費(fèi)大量電能;受調(diào)速電阻的限制,調(diào)速范圍窄,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、,生產(chǎn)效率較低;式,平滑性差,、聯(lián)軸器、鋼絲繩等機(jī)械部分帶來不可避免的沖擊。

(8)繼電器???接觸器控制系統(tǒng)可靠性差,操作復(fù)雜,故障率高。接觸,電機(jī)調(diào)速電阻燒損、;,接觸器觸頭容易拉弧,甚至產(chǎn)生粘連,造成安全事故。

(9)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的系統(tǒng)抱閘,對制動(dòng)器損害很大,閘皮磨損嚴(yán)重,且存在溜鉤安全隱患[3]。

要從根本上解決這些問題,只有徹底改變傳統(tǒng)的控制方式。近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的迅猛發(fā)展,控制領(lǐng)域的發(fā)展。其中,具有代表性的交流變頻調(diào)速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應(yīng)用,為PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機(jī)系統(tǒng)提供了有利條件，變頻技術(shù)的運(yùn)用使得起重機(jī)的整體特性得到較大提高,可以解決傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)存在諸多的問題,變頻調(diào)速以其可靠性好,高品質(zhì)的調(diào)速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景[4]。

由于起重機(jī)行業(yè)的特殊性,變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用相對滯后。采用變頻調(diào)速取代傳統(tǒng)的起重機(jī)控制系統(tǒng)是近幾年才開始應(yīng)用的新技術(shù)[5]。無論是在起重機(jī)老產(chǎn)品還是新產(chǎn)品設(shè)計(jì),變頻調(diào)速都是優(yōu)選方案，變頻調(diào)速裝置的先進(jìn)性能特別適用于起重機(jī)的惡劣工況,對改善起重機(jī)的調(diào)速性能,提高工作效率和功率因數(shù),減小起制動(dòng)沖擊以及增加起重機(jī)使用的安全可靠性是非常有益的，相比較發(fā)達(dá)國家而言,我國的相關(guān)技術(shù)水平差距較大，主要技術(shù)難度體現(xiàn)在:對起重機(jī)對電控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性要求愈來愈高,起重機(jī)的起重量及運(yùn)行速度等技術(shù)參數(shù)越來越大,起重機(jī)的自動(dòng)化程度越來越高,起重機(jī)對管理和通訊的性能要求越來越嚴(yán)格。為此,有必要對橋式起重機(jī)電控系統(tǒng)的應(yīng)用研究。由變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)可取代直流調(diào)速系統(tǒng),是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展的必然結(jié)果,符合起重機(jī)的發(fā)展趨勢,適合發(fā)展大起重重量的起重機(jī);提高工作速度、擴(kuò)大調(diào)速范圍;提高金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)和電氣設(shè)備的可靠性和使用壽命;改善司機(jī)操作的條件,保證作業(yè)安全,提高自動(dòng)化控制程度和擴(kuò)大遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)的使用范圍尤其是把它們應(yīng)用到作業(yè)頻繁的倉庫堆垛起重機(jī)和環(huán)境惡劣的冶金起重機(jī)上也符合起重機(jī)向大型化、高效率化、無保養(yǎng)化和節(jié)能化發(fā)展，向自動(dòng)化、智能化、集成化和信息化發(fā)展的方向[6]。

如果改善上述的橋式起重機(jī)的弊病，將會(huì)使橋式起重機(jī)的使用成本大大的降低。如何改善橋式起重機(jī)的弊病的思路就是，找到橋式起重機(jī)的弊病的原因，主要的原因是控制方法與調(diào)速方法的落后，原因知道了我們就要找到解決的方法。目前工業(yè)大量用PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制，用變頻器調(diào)速代替?zhèn)鹘y(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)。應(yīng)用了這兩種方法改善的效果如何，下面先說明下這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)：

1.可實(shí)現(xiàn)平滑無級變速,與原有串電阻調(diào)速方式比較,變頻調(diào)速啟動(dòng)更平穩(wěn)、相當(dāng)于無大的沖擊負(fù)荷,延長了機(jī)械設(shè)備的使用壽命。有顯著的節(jié)電效果,且效率極高。

2.可實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng),改善了電機(jī)啟動(dòng)狀況。電機(jī)在滿轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)的情況下,啟動(dòng)電流被抑制在150%IN之內(nèi)。大大降低了電機(jī)的啟動(dòng)電流,延長了電機(jī)的使用壽命。降低了系統(tǒng)對電源容量的要求,節(jié)約了成本。

3.變頻器調(diào)速的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是,使電機(jī)的機(jī)械硬性基本保持不變。內(nèi)部集成的抱閘邏輯控制,提高了系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。

4.去掉了調(diào)速電阻,可節(jié)約大量電能。

5.系統(tǒng)具備豐富的監(jiān)測、保護(hù)功能(如過壓、欠壓、過流、缺相、漏電等),改善了電機(jī)的運(yùn)行條件,提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

6.取消了原來的調(diào)速電阻和正反向接觸器,精簡了電路、減少了故障點(diǎn)及故障機(jī)、降低了成本損耗。

7.系統(tǒng)調(diào)速范圍大,負(fù)載特性好,具有極高的速度控制精度,有利于運(yùn)行定位系統(tǒng)可對吊裝物品的位置進(jìn)行精確定位,操作員無須再如以前經(jīng)常對電機(jī)采用反接制動(dòng),延長了電機(jī)的使用壽命。由于橋式起重機(jī)需要在重載之下完成頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、變速等操作,還要求有一定的調(diào)速范圍,而傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速和繼電器控制方式由于性能太差,無法達(dá)到更完美的效果,在科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力高速發(fā)展的現(xiàn)代化生產(chǎn)中呈現(xiàn)出越來越明顯的局限性,因此對這種落后的控制方式的改進(jìn)十分必要。

本論文以20+20T橋式起重機(jī)為研究對象,研究了變頻調(diào)速技術(shù)在起重機(jī)中的應(yīng)本論文的主要內(nèi)容分為如下四個(gè)部分:

(1)矢量控制變頻調(diào)速原理即本論文的第二章,它首先介紹變頻調(diào)速的基本原理,然后介紹了變頻器的基本結(jié)構(gòu),即變頻器的主電路和控制電路構(gòu)成,最后介紹了變頻器的基本控制方式一矢量控制方式，為下一步部分的起重機(jī)變頻控制系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。

(2)變頻調(diào)速橋式起重機(jī)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)和部件選型即本論文的第三章,起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)(工業(yè)觸摸屏系統(tǒng))、下位機(jī)(PLC控制系統(tǒng)),變頻器等組成,并選擇系統(tǒng)各主要組成部分。

（3）PLC的概述及系統(tǒng)組成即本論文的第四章，介紹了PLC的組成、工作過程及其工作原理，本論文中對PLC的選型并說明選擇S7—300（CPU315-2DP）的原因，并且定義了本設(shè)計(jì)所用到的I/O口。

（4）PLC編程軟件的概述以及本文所涉及到的PLC程序設(shè)計(jì)，并且通過WINCC運(yùn)行系統(tǒng)顯示出程序所產(chǎn)生的效果。

根據(jù)異步電機(jī)的知識(shí),異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為:n=60f(1-s)/p式(2.1)

其中:n一異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,單位為/rmin;

f一定子的電源頻率,單位為Hz:

S一電機(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率;

P一電機(jī)的極對數(shù)

由上式(2.1)可知,如果改變輸入電機(jī)的電源頻率f,則可相應(yīng)改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速在,一個(gè).為額定值不變，磁通太弱,沒有充分利用電機(jī)的磁心,是一種浪費(fèi):若要增大磁通,又會(huì)使磁通飽和,從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流,電機(jī)。對于直流電機(jī)來說,勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的,所以只要對電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適,保持中,不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中,磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。

三相異步電動(dòng)機(jī)每相電動(dòng)勢的有效值是:

Eg=4.44flNlkn1Φm,式(2.2)

式中:Eg:-一氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢有效值,單位為v;

f,-一定子頻率,單位為Hz;

N,-一定子每線繞組串聯(lián)匝數(shù);

k,1一基波繞組系數(shù);

Φm一每極氣隙磁通量,單位為Wb;

由公式可知,只要控制好Eg,和f,,便可以控制磁通中二不變,需要考慮基頻(額定頻率)

以下和基頻以上兩種情況;

1:基頻以下調(diào)速:

即采用恒定的電動(dòng)勢.有上式可知,要保持中,不變,單頻率fl從額定值f,E:然而繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢是難以控制的,但,可以忽略電子繞組的漏磁阻抗壓降,而認(rèn)為定子相電壓U≈E,則得U/f=常值,Ul和Eg讀數(shù)較小,定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著,不能在忽略，,可以人為的把電壓U抬高一些,以便近似的不補(bǔ)償定子壓降帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮愎β时瓤刂铺匦詾閎線,無補(bǔ)償?shù)臑閍線如圖2.1所示:

2.1恒壓頻比控制特性

2:基頻以上調(diào)速

在基,頻率f可以從往上增高,但電壓u磁通與頻率成反比的降低,相當(dāng)與直流電機(jī)弱磁升速的情況。

把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來,可得到異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性,如圖2.2所示如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流,則電動(dòng)機(jī)都能在溫升容許的條件下長期運(yùn)行,在基頻以下,屬于‘恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速’的調(diào)速,而在基頻以上基本上屬于“恒功率調(diào)速”。

圖2.2異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性

變頻器的基本結(jié)構(gòu)見圖2.3

圖2.3變頻器的結(jié)構(gòu)圖

（1）電力電子開關(guān)器件

電力半導(dǎo)體器件己經(jīng)歷了以晶閘管為代表的分立器件,以可關(guān)斷晶閘管(GTO)、巨型晶體管(GTR)、功率MOSFTE、絕緣柵雙極晶體管(IGTB)為代表的功率集成器件(PID),以智能化功率集成電路(SPIC),高壓功率集成電路(HVIC)為代表的功率集成電路(PIC)，從晶閘管發(fā)展到PID、PCI通過門極或柵極控制脈沖可實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的全控器件，在器件的控制模式上,從電流型控制模式及發(fā)展到電壓型控制模式,不僅大大降低了門極(柵極)的控制功率,而且大大提高了器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度,從而使器件的工作頻率不斷提高在器件結(jié)構(gòu)上,從分立器件發(fā)展到由分立器件組合成功率變換電路的初級模塊,繼而將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、緩沖電路、檢測電路等組合在一起的復(fù)雜模塊。

（2）整流電路

一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成，它的主要作用是對工頻的外部電源進(jìn)行整流,并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式,可以是直流電壓源,也可以是直流電流源，直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進(jìn)行平滑,以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。此外,由于電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的需要,在直流中它輔助電路。

（3）逆變電路

逆變電路是變頻器主要的部分之一，它是利用六個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路,有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)元器件的通與斷,得到任意頻率的三相交流電輸出，由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī),屬于感性負(fù)載,無論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)機(jī)是發(fā)電制動(dòng)狀態(tài),變頻器功率因素總不會(huì)為1。因此,在直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換,這種無功能量就靠這之間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來緩沖，它的主要作用是在控制電路的控制下,將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源，逆變電路的輸出就是變頻器的輸出,它被用來實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。

變頻器的控制電路包括主控制電路、信號(hào)檢測電路、門極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分,是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣，控制電路的主要作用是完成對逆變器開關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能。

控制算法

隨著電力半導(dǎo)體器件和微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,促進(jìn)了電力變頻技術(shù)新的突破性發(fā)展,70年代后期發(fā)展起來的脈寬調(diào)(PulseWidthModulation,PWM)技術(shù)成了現(xiàn)在最常用的變頻器功率開關(guān)器件的控制策略四M控制利用了采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有,其效果基本相同,沖量即指窄脈沖的面積這里所說的效果相同,指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同,根據(jù)這個(gè)原理,可以用一系列等幅而不等寬的脈沖來近似正弦被,且脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化,這種方法稱為SPWM(SinusoidalPWM)。

SPWM各脈沖的寬度和間隔可以準(zhǔn)確計(jì)算出來,按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷,就可以得到所需要的波形,但這種計(jì)算很繁瑣,較為常用的方法是采用調(diào)制的方法,即把正弦波作為調(diào)制信號(hào),把接受調(diào)制的信號(hào)作為載被,通過對載波的調(diào)制即可得到SPWM波形通常采用等腰三角波作為載波,因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度線性關(guān)系,_巨左右對稱,當(dāng)它與正弦波調(diào),的通斷,就可以得到寬度正比于正弦波幅值的脈沖,這正好符合PSWM控制的要求，三角載波的頻率cf和正弦調(diào)制波的頻率rf之比即cf/rf稱為載波比，用生成的波控制逆變器開關(guān)器件的通斷,可得到等幅且脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖列輸出電壓，正弦調(diào)制波的頻率rf即是逆變器的輸出頻率人改變r(jià)f便可改變?nèi)?，三角載波的幅值為恒定,因而改變正弦調(diào)制彼的幅值就改變了矩形脈沖的面積,由此實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值的改變。

根據(jù)以上介紹的SPWM逆變電路的基本原理和控制方法,可以用模擬電路構(gòu)成三角波載被和正弦調(diào)制波發(fā)生電路,用比較器來確定它們的交點(diǎn),斷進(jìn)行控制,就可以生成SPWM波形。但這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易[7]。

變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù),它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，它與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比,利用變頻器對交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制,有許多優(yōu)點(diǎn),如節(jié)電容易實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制!可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、實(shí)現(xiàn)速度的精確控制容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換,可以進(jìn)行高額度的起停運(yùn)轉(zhuǎn),可以進(jìn)行電氣制動(dòng),可以對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)，電機(jī)在帶動(dòng)較大,會(huì)有較大的沖擊電流,,可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),減小沖擊電流,解決大負(fù)載的啟動(dòng)問題電源功率因素大,所需容量小,完善的保護(hù)功能:變頻器保護(hù)功能很強(qiáng),在運(yùn)行,并顯示故障類別(、、直流過電壓、功率模塊過熱、電機(jī)短路等),并立即封鎖輸出電壓這種自我保護(hù)的功能,不僅保護(hù)了變頻器,還保護(hù)了電機(jī)不易損壞。

矢量控制交流調(diào)速是通過坐標(biāo)變換使交流電動(dòng)機(jī)獲得與直流電動(dòng)機(jī)相似的數(shù)學(xué)模型,從而可采用類似于直流電動(dòng)機(jī)的控制方,使交流調(diào)速系統(tǒng)獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣優(yōu)越甚至更加優(yōu)越的動(dòng)靜態(tài)特性能矢量控制的基本思想是;將異步電動(dòng)機(jī)的物理模型等效變換成類似直流電動(dòng)機(jī)的模型,再仿照直流電動(dòng)機(jī)去控制它,等效的原則是在不同坐標(biāo)中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢相同，由電動(dòng)機(jī)原理可知,異步電動(dòng)機(jī)三相定子繞組電流在空間產(chǎn)生一個(gè)角速度為W的旋

轉(zhuǎn)磁場。若有兩個(gè)互相垂直的M繞組和T繞組與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn),繞組中分別通以直流電流iM和iT,產(chǎn)生的磁動(dòng)勢可以與三相合成磁動(dòng)勢等效且炳個(gè)磁動(dòng)勢有相同的幅值、轉(zhuǎn)速和方向。又令M繞組的軸線與三相合成旋轉(zhuǎn)磁場方向平行,則iM相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流分量iT,相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分量,調(diào)節(jié)的大小可以，由這樣繞組組成的電動(dòng)機(jī)其控制原理與直流電動(dòng)機(jī)控制原理相同。

在實(shí)際的等效變換中,先將異步電動(dòng)機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的定子電流iA、iB和iC通過三相/兩相變換、等效變換,等效為兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流iα、iβ，再通過磁場定向的旋轉(zhuǎn)變換,等效為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流iM和iT等效的電動(dòng)機(jī)繞組模型如圖2.4所示

（a）三相交流繞組（b）倆相交流繞組（c）旋轉(zhuǎn)的直流繞組

圖2.4繞組模型

通過控制iM、iT大小也就是電流矢量i的幅值和去向去等效的控制三相電流iA，iB、iC，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的磁場與轉(zhuǎn)矩達(dá)到調(diào)速的目的。

2.3.2矢量變換規(guī)律

如上所示，通過坐標(biāo)系的變換，可以得到交流三相繞組的等效繞組，現(xiàn)在的問題是如何求出iA、iB、iC與和iM、iT之間的準(zhǔn)確等效關(guān)系，也就是按等效原則進(jìn)行坐標(biāo)變換，而且要求這些變換都必須是可逆的。坐標(biāo)變換電路通常有三類:即三相/兩相變換，直角坐標(biāo)/極坐標(biāo)變換和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)/靜止兩相左標(biāo)變換。

2:3.2.1三相/兩相變換(3/2變換)

A、B、C三相坐標(biāo)是以電動(dòng)機(jī)定子三相繞組軸線為軸的靜止平面坐標(biāo)系，現(xiàn)設(shè)置一個(gè)α～β兩相坐標(biāo)系中的交流分量，實(shí)際上就相當(dāng)于把一個(gè)三相的異步電動(dòng)機(jī)變換成等效的倆相異步電動(dòng)機(jī)變換成等效的兩相異步電動(dòng)機(jī)。為了保證三相電動(dòng)機(jī)變換成兩相電動(dòng)機(jī)后

產(chǎn)生的磁勢不變，需要考慮這兩種坐標(biāo)變換的折算因子2/3，根據(jù)圖2.2，

圖2.5倆相/三相坐標(biāo)變換

橋式起重機(jī)廣泛地應(yīng)用在室內(nèi)外倉庫、廠房、碼頭和露天貯料場等處用作物料搬運(yùn)備，為此要求它高效，靈活，安全可靠。

本課題研究的橋式起重機(jī)是電動(dòng)雙梁橋式起重機(jī)，該起重機(jī)由起重小車、橋架金屬結(jié)構(gòu)、橋架運(yùn)行機(jī)構(gòu)以及電氣控制設(shè)備等四個(gè)部分組成。機(jī)構(gòu)主要指主起升機(jī)構(gòu)、副起升構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。在電氣控制系統(tǒng)中，其供電一般是通過電纜卷筒將輸送到中心電器上，起重機(jī)機(jī)為低壓供電系統(tǒng)，電氣控制部分集中在操作室和電氣房安全保護(hù)裝置裝在在適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀?/p>3.1.2各機(jī)構(gòu)組成和特點(diǎn)

起升機(jī)構(gòu)是用來實(shí)現(xiàn)貨物的升降，它通常由驅(qū)動(dòng)裝置、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)和取物裝置三組成。此外，根據(jù)工作需要還可以裝設(shè)各種輔助裝置，如高度限位器，超載限位器等機(jī)構(gòu)的作用是使起重機(jī)運(yùn)行部分作來回運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到在水平面內(nèi)運(yùn)移貨物的目的[17]。

以下是本課題橋式起重機(jī)基本參數(shù):

該機(jī)的起重量為20+20噸，其跨度(L)為19.m5小車起升速度為15m/min，大車起升速度7sm/min.小車運(yùn)行速度為45m/min，大車運(yùn)行速度為75m/min。

橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)為繼電器接觸控制系統(tǒng)，噪音大，接線量多，更改控制邏輯困難。各機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)體系簡介如下:

主、副起升機(jī)構(gòu)為兩臺(tái)電機(jī)分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，為滿足貨物下降的需要，采用了動(dòng)力制動(dòng)，制動(dòng)器是電動(dòng)液壓推桿操作。

小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)為一臺(tái)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，制動(dòng)器是電動(dòng)液壓推桿操作。大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)為兩機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，。

本系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由繼電器控制改為PLC控制，四大機(jī)構(gòu)調(diào)速均采用變頻調(diào)速。由于各機(jī)構(gòu)的不同，對調(diào)速要求也不相同。橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由上位機(jī)(工業(yè)觸摸屏系)、下位機(jī)(PLC控制系統(tǒng))、變頻調(diào)速系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖3.1基于變頻器改造后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

下面分別對各機(jī)構(gòu)調(diào)速控制進(jìn)行說明

1、起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)屬位能負(fù)載機(jī)構(gòu)。不但要求高的轉(zhuǎn)速及起制動(dòng)的控制精度。而且對轉(zhuǎn)矩控制要求嚴(yán)格。主起升和副起升兩臺(tái)電機(jī)各使用一個(gè)變頻器。變頻器的選擇，應(yīng)以選擇變頻器的額定電流為基準(zhǔn)，一般以電動(dòng)機(jī)的額定電流，負(fù)載率。變頻器運(yùn)行的效率為依據(jù)。通過計(jì)算，變頻器的額定電流一般為電動(dòng)機(jī)額定電流的1.2倍以上。控制方式選用帶GP的矢量控制方式。PLC接受電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換卡送達(dá)的反饋信號(hào)，避免吊鉤的下滑。

2、運(yùn)行機(jī)構(gòu)

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)兩臺(tái)電機(jī)用一個(gè)變頻器;考慮到運(yùn)行機(jī)構(gòu)的工作頻率較少，為節(jié)省成本，在調(diào)速中運(yùn)行機(jī)構(gòu)共用一臺(tái)變頻器。變頻器的選擇，一般以電動(dòng)機(jī)的額定功率作為選擇的依據(jù)。通常選額定功率大一級的變頻器。

控制方式選用無GPv/f的變頻控制方式。

運(yùn)行，起動(dòng)迅速而平穩(wěn);機(jī)構(gòu)的電氣制動(dòng)方式必須著重考慮。對不同的工況，可選擇自由制動(dòng)方式與強(qiáng)制制動(dòng)方式。在運(yùn)行機(jī)，可選用自由停止方式，行情況設(shè)定，以盡量滿足司機(jī)操作橋式起重機(jī)的需要為主。為保證起，可以通過設(shè)定機(jī)械制、變頻器的最低運(yùn)行頻率、運(yùn)行電流之間的關(guān)系，以滿足機(jī)構(gòu)負(fù)載特性的要求。

采用該種設(shè)計(jì)，變頻器內(nèi)部參數(shù)的設(shè)定能保證機(jī)構(gòu)具有良好的調(diào)速精度及起制動(dòng)性能，由于起升機(jī)構(gòu)電機(jī)需使用脈沖編碼器作為速度反饋裝置。通過測量脈沖編碼器的脈沖數(shù)，利用二者之差控制電機(jī)的速度，但選擇脈沖編碼，應(yīng)當(dāng)考慮周全。

一、變頻調(diào)速對電機(jī)的要求

采，由于變頻器輸出波形中高次諧波的影響以及電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍的擴(kuò)大產(chǎn)生了一些與在工頻。主要反映在功率因數(shù)、效率、輸出力矩、電機(jī)溫升、噪音及振動(dòng)等方面。隨著高開關(guān)頻率的工GBT等電力電子器件的使用、P刪調(diào)制、矢量控制、增強(qiáng)型V/f控制方法的應(yīng)用、使變頻器輸出波形、諧波成份、功率因數(shù)及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了變頻控制電機(jī)的低速區(qū)轉(zhuǎn)矩?；褂?，使電機(jī)可以避開共振點(diǎn)，解決了系統(tǒng)在大調(diào)速區(qū)間內(nèi)可能發(fā)生的共振問題。

目前，變頻器己經(jīng)發(fā)展到除非有超同步調(diào)速的要求或呈1:20以上的大速比、低調(diào)速要求或特低噪聲要求外，一般無須選用變頻專用電機(jī)作變頻系統(tǒng)的電機(jī)。現(xiàn)在國內(nèi)推出的變頻專用電機(jī)由普通電機(jī)加獨(dú)立風(fēng)扇組成，以解決電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中自冷風(fēng)扇風(fēng)量不足而引起的電機(jī)過熱問題。

二、變頻起重機(jī)系統(tǒng)中電機(jī)的選型

起重機(jī)起升和運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速比一般不大于1:20，且為斷續(xù)工作制，通常接電持續(xù)率在60%以下，負(fù)載多為大慣量系統(tǒng)。嚴(yán)格意義上的變頻電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，響應(yīng)較快，可工作在比額定轉(zhuǎn)速高出很多的工況條件下，這些特性均非起重機(jī)的特定要求。普通電機(jī)與變頻電機(jī)在不連續(xù)工作狀態(tài)下特性基本一致;普通電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)用值，普通電機(jī)僅電機(jī)稍差。

三、電機(jī)冷卻

西門子變頻器在調(diào)速比為1:20的范圍內(nèi)能確保起重機(jī)上普通電機(jī)有150%的過載力矩值。此外，起重機(jī)電機(jī)多用，間。

電機(jī)在起動(dòng)過程中可承受2.5倍額定電流值，遠(yuǎn)大于變頻起動(dòng)要求的1.5倍值，運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)在以額率以下，因此高頻引起的1.1倍電流值可不予考慮。但若電機(jī)要求在整個(gè)工作周期內(nèi)在大于1:4的速比下持續(xù)運(yùn)行則必須采用他冷式電機(jī)。

四、電機(jī)效率

國外以4極電機(jī)作變頻電機(jī)首選極數(shù)，和最高的工作效率，使能耗降為最低。高速電機(jī)比低速電機(jī)在電流小、功率因數(shù)高、電纜截面小及電器配置容量小等方面占有優(yōu)勢。盡管減速器傳動(dòng)比增大造成了減速器體積的增大，但由于硬齒減速器的應(yīng)用，新塑耐磨齒輪副及焊接箱體的使用為高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)造了條件。高速電機(jī)的使用因電機(jī)材料價(jià)格遠(yuǎn)高于減速器，故電機(jī)體積重量的減小使一次性投資及能耗大大降低，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，國內(nèi)用于起重機(jī)械的4極電機(jī)有強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻的YZFXXX一4型電機(jī)等。

五、電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及電機(jī)運(yùn)行的功率因數(shù)

起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，為了加速電機(jī)需有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，故

電機(jī)容量需由負(fù)載功率P廠及加速功率Pa兩部分組成。一般情況下PaPj

電機(jī)容量

P≥(Pj+Pa)/λm.（式3.1）

式中的λm一電機(jī)平均起動(dòng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

若使電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下接近滿載運(yùn)行，，并通過1.1倍試驗(yàn)載荷，則要求電機(jī)的過載力矩倍數(shù)久、大于1.5倍，或適，減少加速功率。20多個(gè)循環(huán)的起重機(jī)來講，運(yùn)行5~105調(diào)整，有利于機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行。

起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的負(fù)荷(1一35)，只;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較少，占額定起升轉(zhuǎn)矩的10%~20%。其電機(jī)容量P為

p=Cpgv/(1000η)(kw)

式中Cp一起重機(jī)額定提升負(fù)載，kg

v一額定起升速度，m/s

g一重力加速度，g=9.81m/s

η一機(jī)構(gòu)總效率

為使電機(jī)提升1.25倍試驗(yàn)載荷，能承受電壓波動(dòng)的影響，其最大轉(zhuǎn)矩值必須大于2，否則必須讓電機(jī)放容，從而降低電機(jī)。

通過利用上述公式的計(jì)算，選用改造后的橋式起重機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)參數(shù)如表3.1所示:

表3.1

電機(jī)型號(hào)

電機(jī)功率

主起升機(jī)構(gòu)

YZR250MI一8

55KW

副起升機(jī)構(gòu)

YZR200L一8

55KW

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)

YZR16OMI一6

2*22KW

小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)

YZR1601一6

5.5KW

各機(jī)構(gòu)電機(jī)啟動(dòng)調(diào)速方式說明如下:

1.起升機(jī)構(gòu):

起升、開閉機(jī)構(gòu)的兩臺(tái)電機(jī)分別采用各自獨(dú)立的變頻調(diào)速器。其控制方式為帶GP矢量控制方式。它具有穩(wěn)定性好，對急加、減速負(fù)載變化有較好的響應(yīng)特性。

2.運(yùn)行機(jī)構(gòu):

行走機(jī)構(gòu)變頻器采用VF/控制方式驅(qū)動(dòng)，這樣做一方面簡化了電路，另一方面又可降低成本。只是上述機(jī)構(gòu)在運(yùn)。

3.其它說明:

上述各機(jī)構(gòu)原有制動(dòng)器和控制方式不變。但由于采用了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，對整機(jī)結(jié)構(gòu)的沖擊、對制動(dòng)器的磨損都降低到了最小限度。傳統(tǒng)起重機(jī)控制系統(tǒng)起升機(jī)構(gòu)能耗部分將取消，各機(jī)構(gòu)調(diào)速電阻器將取消。

一，變頻器選型

起重機(jī)各機(jī)構(gòu)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，普遍選用帶低速轉(zhuǎn)矩提升功能的電壓型變頻器，，三菱，富士，德國的西門子及丹麥的丹佛斯等。其中本系統(tǒng)選用富士變頻器，富士變頻器具有較合理的價(jià)格，完整的理論計(jì)算書及輔件推薦值，有利于用戶合理選用。

二、變頻器容量選擇

（2.1）起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)平均起動(dòng)轉(zhuǎn)距一般來說可為額定力矩值的1.3一1.6倍?？紤]到電源電壓波動(dòng)因素及需通過125%超載試驗(yàn)要求等因素，其最大轉(zhuǎn)距必須有1.8一2倍的負(fù)載力矩值，以確保其安全使用的要求。等額變頻器僅能提供小于150%超載力矩值，為此可通過提高變頻器容量(YZ型電機(jī))(Y型電機(jī))來獲得200%力矩值。

1.5PCN≥K/ηMcosφ*CPgv/1000η=KP/ηMcosφ(KAV)

式中cosφ—電機(jī)的功率因數(shù)，cosφ=0.25

P—起升額定負(fù)載所需功率，kw

ηM—電機(jī)效率，ηM=0.85

PCN—變頻器容量，KAV

K—系數(shù)，K=2

（2.2）根據(jù)起重機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特性和技術(shù)要求，MASTERDRIVeCotr6SE44O系列變頻器作為大、小行車行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，6SE44O系列是一種通用性高性能矢量控制型變頻器，功能強(qiáng)，價(jià)格低，完全滿足行走機(jī)構(gòu)的需求，因此我們推薦用戶選用該系列變頻器.下面僅就行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用作介紹。起重機(jī)大車運(yùn)行方向有前后，小車運(yùn)行方向有左右要求，根據(jù)運(yùn)行速度至少要求分為1一5擋，3一65，通常小車行走機(jī)構(gòu)采用一臺(tái)電機(jī)，而大車行走機(jī)構(gòu)須采用2臺(tái)電機(jī)，大、小車本身的慣性也較大，為防止電機(jī)被倒拖處，因此大小車變頻器都配置了制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻來釋放能量。起重機(jī)整個(gè)電氣系統(tǒng)由S7~300系列PLC進(jìn)行控制，變頻器通過開關(guān)量端子接受PLC控制信號(hào)。

為，每個(gè)變頻器均加有輸入電抗器，它不僅減小了高次諧波分量，，有利于提高整流二極管使用壽命。電流輸入端采用斷路器作為變頻器的短路保護(hù)。

變頻器系統(tǒng)器件由斷路器、接觸器、電抗器、變頻器、制動(dòng)電阻及制動(dòng)單元組成。

1、斷路器

為避開電流峰值，為此變頻器配置的斷路器容量應(yīng)為電機(jī)額定電流的1.3一1.4倍，整定值為斷路器額定值的3一4倍。

2、接觸器

接觸器在變頻器主回路中僅在變頻器輔助器件或控，一般不作回路開斷器件用，故可按電機(jī)額定電流選用接觸器容量，無須按開斷次數(shù)考核其壽命。

4.制動(dòng)單元

為減小大慣性,解決變頻器直流電路上的過電壓問題，常在其直流電路中加接一檢測直流電壓的晶體管，一旦直流回路電壓超過一定的界限,該晶體管導(dǎo)通,并將過剩的電能通過與之相接的制動(dòng)電阻器轉(zhuǎn)化為熱能耗，在能,該能量消耗得愈多,,此裝置即為變頻器的制動(dòng)單元。

5.電纜選擇

由于高次諧波的驅(qū)動(dòng)效應(yīng),電纜的實(shí)際使用面積減少,單位實(shí)際工作電阻增大,電纜壓降有增大的趨勢,故所配電纜一般大于常規(guī)使用值，如轉(zhuǎn)換器與電機(jī)間的主回路配線不當(dāng),將會(huì)是電壓下降較多,從而降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩,增大電機(jī)電流,引起電機(jī)過熱。近年來變頻器廠家將變頻器額定電壓設(shè)計(jì)成稍低于電源電壓,如

可編程程序控制器(ProgramnlbaelCotnorller),其早期主要應(yīng)用于開關(guān)量的控制,現(xiàn)代的可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ),高度集成的新型工業(yè)控制裝置,是計(jì)算機(jī)技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品。可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)，它采用了可編程序的存儲(chǔ)器,用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令,并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出,控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程，而有關(guān)的外圍設(shè)備,都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體,易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。PLC自問世以來,經(jīng)過多年的發(fā)展,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位微處理器構(gòu)成的微機(jī)PLC得到了驚人的發(fā)展,使PLC在概念、設(shè)計(jì)、性能價(jià)格以及應(yīng)用等方面都有了新的突破，不僅控制功能增強(qiáng),功耗、體積減少,成本下降,可靠性提高,編程和故障檢測更為靈活方便,而且遠(yuǎn)程FO、數(shù)據(jù)處理以及圖像顯示也有了長足的發(fā)展,所有這些已經(jīng)使PLC應(yīng)用于連續(xù)生產(chǎn)的過程控制系統(tǒng),使之成為最受歡迎的工業(yè)控制類產(chǎn)品，它較好的解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題。

PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置,其組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)基本相同，按結(jié)構(gòu)形式的不同,PLC可分為整體式和組合式，整體式PLC是將中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體,構(gòu)成主機(jī)另外還有獨(dú)立的1/0擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用主機(jī)中,CLPI是PLC的核心,1/O單元是連接CPU與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口電路,通信接口用于PLC與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接[8]。

組合式隊(duì)C將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能1/0單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊,各模塊插在底板上,模塊之間通過底板上的總線相連,裝有CUP單元的底板稱為CUP底板,其它稱為擴(kuò)展底板。CUP底板與擴(kuò)展底板之間通過電纜連接,距離一般不超過10m.無論哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC,都可以根據(jù)需要進(jìn)行配合與組合。它主要是由CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入/輸出接口電路等組成。

1.中央處理單元(CPU)

中央處理單元一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成,這些電路都集成在一個(gè)芯片內(nèi),CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入/輸出接口電路相連接口它是PLC的運(yùn)算控制中心。它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能,完成以下任務(wù):

(1)接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù):

(2)診斷電源PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯(cuò)誤;

(3)用掃描的方式接收輸入信號(hào),送入PLC的數(shù)據(jù)寄存器保存起來;

(4)PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后,根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序進(jìn)行解釋和執(zhí)行,完成用戶程序中規(guī)定的各種操作;

(5)將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端；

2.存儲(chǔ)器

根據(jù)存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中的作用,可以把它們分為以下3種:

(1)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器:和各種計(jì)算機(jī)一樣,PLC也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序,它們決定了PLC的功能,稱為系統(tǒng)程序,系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器就是用來存放這部分程序的系統(tǒng)程序是不能有用戶更改的,故所使用的存儲(chǔ)器為只讀存儲(chǔ)器ROM或EPROM。

(2)用戶程序存儲(chǔ)器:用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應(yīng)用程序稱為用戶程序,用戶程序存放在用戶程序存儲(chǔ)器中,由于用戶程序需要經(jīng)常改動(dòng)、調(diào)試,故用戶程序存儲(chǔ)ARM，由于RAM掉電會(huì)失去數(shù)據(jù),因此使用RAM作用戶存儲(chǔ)器的PLC,都用后備電池保護(hù)ARM,以,失去用戶程序，當(dāng)用戶程序調(diào)試修改完畢,不希望,可將用戶程序?qū)懹贓PROM目前較先進(jìn)的PLC采用快閃存儲(chǔ)器作用戶程序存儲(chǔ)器,快閃,,不需要后備電池保護(hù)。

(3)工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器:工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化,經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù),這部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中,以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求,在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中,開辟有元件映像寄存器和數(shù)據(jù)表。

元件映像寄存器用來存儲(chǔ)PLC的開關(guān)量輸入/、計(jì)數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部繼電器的ON/OFF狀態(tài)，數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù),它的標(biāo)準(zhǔn)格式是每一個(gè)數(shù)據(jù)占一個(gè)字。它存儲(chǔ)用,設(shè)定值，它還用來在存放AD/轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)字運(yùn)算的結(jié)果等根據(jù)需要,部分值,區(qū)域稱為數(shù)據(jù)保持區(qū)。

3.I/O單元

1/0單元也稱為I/0模塊，PLC通過工/0單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系輸入單元接收用戶設(shè)備的各種控制信號(hào),如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號(hào)通過接口電路將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠識(shí)別和處理的信號(hào),并存到輸入映像寄存器。CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進(jìn)行處理,將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器，輸出映像寄存器由輸出點(diǎn)對應(yīng)的觸發(fā)器組成,輸出接口電路將其由弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出,以驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、指示燈被控設(shè)備的執(zhí)行元件。

4.電源部分

PLC一般使用22OV的交流電源,內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供5V、+l2V、+24V的直流電源,使PLC能正常工作。

電源部件的位置形式可有多種,對于整體式結(jié)構(gòu)的CUP,通常電源封裝到機(jī)殼內(nèi)部:對于模塊式PLC,有的采用單獨(dú)電源模塊,有的將電源與CUP封裝到一個(gè)模塊中。

5.擴(kuò)展接口

擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連,使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。

6.通信接口

為了實(shí)現(xiàn)“人一機(jī)”或“機(jī)一機(jī)”之間的對話,PLC配有多種通信接口。PLC通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)和其他的PLC或計(jì)算機(jī)相連。

當(dāng)PLC與,可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印;當(dāng)與監(jiān)視器(CRT),可將過程圖像顯示出來;當(dāng)與其他PLC,可以組成多機(jī),實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的控制;當(dāng)與,可以組成多級控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合性控制。

7.編程器

編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機(jī)編程,且往往需要將體形圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言助記符后,才能輸入，它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器,它可以聯(lián)機(jī)編程,也可以脫機(jī)編程,具有LCD或CRT圖形顯示功能,可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。

還可以利用PC作為編程器,PLC生產(chǎn)廠家配有相應(yīng)的編程軟件,使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序,并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)換。程序被下載到PLC,也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)，程序可以存盤或打印,,還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送，現(xiàn)在已有些PLC不再提供編程器,而且提供微機(jī)編程軟件了,并且配有相應(yīng)的通信連接電纜。

目前PLC使用性能較好的SIEMENS公司、、歐姆龍、美國的AB公司,根據(jù)性價(jià)比的選擇,根據(jù)被控對象的1/0點(diǎn)數(shù)以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面的考慮,采用SIEMENS公司的S7一300系列PLC。S7--300是德國西門子公司生產(chǎn)的可編程序控制器(PLC)系列產(chǎn)品之一。其模塊化結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及性價(jià)比高、電磁兼容性強(qiáng)、抗震動(dòng)沖擊性能好，使其在廣泛的工業(yè)控制領(lǐng)域中，成為一種既經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案。

1.S7--300的分類

(1)緊湊型CPU：CPU312C，313C，313C-PtP，313C-2DP，314C-PtP和314C-2DP。各CPU均有計(jì)數(shù)、頻率測量和脈沖寬度調(diào)制功能。有的有定位功能，有的帶有I/O。

（2）標(biāo)準(zhǔn)型CPU：CPU312，CPU313，314，315，315-2DP和316-2DP。

（3）戶外型CPU：CPU312IFM,314IFM,314戶外型，315-2DP。

（4）高端CPU:317-2DP,318-2DP。

（5）故障安全型CPU:CPU315F。

2.S7--300的工作過程

PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。OB1是用于循環(huán)處理的組織塊（主程序），它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。

在起動(dòng)完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1中可以調(diào)用其它邏輯塊(FB,SFB,FC或SFC)。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。在循環(huán)程序處理過程中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU內(nèi)部的輸入/輸出過程映像區(qū)（在CPU的系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)）。

3.S7--300編程工具

使用STEP7軟件對S7-300進(jìn)行編程，目前S7-300最新的編程軟件版本為STEP7SP2。

STEP7包含了自動(dòng)化項(xiàng)目從項(xiàng)目的啟動(dòng)、實(shí)施到測試以及服務(wù)每一個(gè)階段所需的全部功能。

4.STEP7中的編程語言。

（1）、順序功能圖

（2）、梯形圖

（3）、語句表

（4）、功能塊圖

(5)、結(jié)構(gòu)文本

各種PLC具體工作原理大同小異都采用掃描工作方式,SimeenSS7一30OPLC的工作過程:PLC上電后,首先進(jìn)行初始化,然后進(jìn)入循環(huán)工作過程,一次循環(huán)過程可歸納為公共處理、程序執(zhí)行、掃描周期計(jì)算處理、1/0刷新和外設(shè)端口服務(wù)五個(gè)工作階段,一次(或掃描周期),其長短與用戶程序的長短以及PLC機(jī)本身性能有關(guān),其數(shù)據(jù)級ms級,典型值為幾十ms.各階段完成的任務(wù)如下:

(1)公共處理:,進(jìn)行硬件檢查、用戶內(nèi)存檢查等檢查正常后,方

可進(jìn)行下面的操作如果有異常情況,則根據(jù)錯(cuò)誤的嚴(yán)重程度發(fā)出報(bào)警或停止PLC運(yùn)行。

(2)程序執(zhí)行:在程序執(zhí)行階段,CUP按先左后右,先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行解釋、執(zhí)行,CPU從輸入映像寄存器(每個(gè)輸入繼電器對應(yīng)一個(gè)輸入映像寄存器,其通/斷狀態(tài))和元件映像寄存器(即與各種內(nèi)部繼電器!輸出繼電器對應(yīng)的寄存器讀出各繼電器的狀態(tài),根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果再寫入元件映像寄存器中。

(3)掃描周期計(jì)算處理:若設(shè)定掃描周期為固定值,則進(jìn)入等待循環(huán),直到該固定值到,再往下進(jìn)行,若設(shè)定掃描周期為不定的(即決定于用戶程序的長短等,為不定值),則進(jìn)行掃描周期的計(jì)算。

(4)1/0刷新:在此階段,進(jìn)行1/0刷新,,CUP從輸人電路中讀出各輸入

點(diǎn)狀態(tài),并將此狀態(tài)寫入輸入映像此存器中;,將輸出繼電器的元件影響寄存器的狀態(tài)傳送到輸出鎖存電路,再經(jīng)輸出電路隔離和功率放大,驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。

(5)外設(shè)端口服務(wù):完成與外設(shè)端口連接的外圍設(shè)備部編程器或通信適配器的通信處理。

CPU從輸入電路的輸出端讀出各路狀態(tài),并將其寫入輸入映像寄存器:在程序執(zhí)行階段，CPU從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài),并根據(jù)此狀態(tài)執(zhí)行用戶程序,執(zhí)行結(jié)果再寫入元件映像寄存器中;在緊接著的下一個(gè)I/0刷新階段,將輸出映像寄傳奇的狀態(tài)寫入輸出鎖存電路,再經(jīng)輸出電路傳遞到輸出端子,從而控制外接器件動(dòng)作,PLC的循環(huán)掃描工作方式也為PLC提供了一條死循環(huán)自診斷功能,PLC內(nèi)部設(shè)置了WDT,用戶程序的掃描周期,PLC在每個(gè)掃描周期的公共處理階。正常情況下,,如鉤由于CPU內(nèi)部故障使程序進(jìn)入死循環(huán),那么,掃描周期將超過,,,運(yùn)行停止,以示用戶。

PLC的選型與輸入/輸出點(diǎn)的多少密切相關(guān)，要進(jìn)行PLC的選型我們首線要了解橋式起重機(jī)的電氣設(shè)計(jì)中需要多少個(gè)I/O口，以下為控制型號(hào)列舉：主副鉤升降信號(hào)、1檔、2檔、3檔、4檔，小車和大車的前、后、左、右五檔；大小車的限位開關(guān)，熱繼電器信號(hào)，變頻故障信號(hào)，安全門的開關(guān)，啟動(dòng)，停止，照明，加上反饋信號(hào)約有50個(gè)輸入信號(hào)和30個(gè)輸出信號(hào)。由此可以選擇CPU的型號(hào)，CPU312滿足需求。

我們選用的PLC的CPU的型號(hào)為312為標(biāo)準(zhǔn)型，其結(jié)構(gòu)為模塊結(jié)構(gòu)。CPU無集成I/O口，標(biāo)準(zhǔn)型CPU不可以連接擴(kuò)展機(jī)架，只能采用單機(jī)架結(jié)構(gòu)。主機(jī)架的最大安裝模塊為8個(gè)，每一塊的最大I/O點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，因此PLC的最大輸出/輸入點(diǎn)數(shù)為256個(gè)。

此CPU的特點(diǎn)1運(yùn)算速度快，PLC循環(huán)周期短。

2編程功能強(qiáng)，可用于復(fù)雜編程與控制，可此用STEP7軟件編程。

3通信功能強(qiáng)s7-300至少帶有1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行通信借接口，可以支持多點(diǎn)通信，接口在50M，最高的傳輸速率為187KB/S，可用于連接編程器、文本顯示器、觸摸屏操作控制面板等外部設(shè)備。

此外S7-300的擴(kuò)展性能好，具有眾多的開關(guān)量I/O擴(kuò)展模塊，而且還具有眾多的特殊功能模塊。

以下為此次設(shè)計(jì)的選用的輸入輸出模塊

輸入模塊321-1BH02-0AA0，此輸入模塊有16個(gè)輸入點(diǎn)，DC24V供電，功耗3.5W。

輸出模塊322-1HH01-0AA0，此輸出模塊有16個(gè)輸出點(diǎn)，DC24V供電，功耗4.5W。

對橋式起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的基本要求

(1)主、副機(jī)構(gòu)升降速度調(diào)節(jié);

(2)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度調(diào)節(jié);

(3)保護(hù)功能:主副機(jī)構(gòu)上升限位、下降限位、大車限位、小車限位、主副機(jī)構(gòu)及大小車電機(jī)的保護(hù)等。

控制系統(tǒng)應(yīng)由PLC、繼電器、操縱臺(tái)各主令控制器、開關(guān)、按鈕、指示燈及各部位限位開關(guān)等組成。

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求,控制系統(tǒng)應(yīng)具備的輸入/輸出點(diǎn)數(shù),名稱及地址編號(hào)如

表4.1所示

名稱

地址

備注

啟動(dòng)輸入點(diǎn)

停止輸入點(diǎn)

安全開關(guān)輸入點(diǎn)

主接觸器應(yīng)答輸入點(diǎn)

總空開合閘輸入點(diǎn)

大車前行輸入點(diǎn)

大車后行輸入點(diǎn)

大車一檔輸入點(diǎn)

大車二檔輸入點(diǎn)

大車三檔輸入點(diǎn)

大車四檔輸入點(diǎn)

大車五檔輸入點(diǎn)

大車前行限位輸入點(diǎn)

大車后行限位輸入點(diǎn)

大車變頻器故障輸入點(diǎn)

大車故障輸入點(diǎn)

小車左行輸入點(diǎn)

小車右行輸入點(diǎn)

小車一檔輸入點(diǎn)

小車二檔輸入點(diǎn)

小車三檔輸入點(diǎn)

小車四檔輸入點(diǎn)

小車五檔輸入點(diǎn)

小車左行限位輸入點(diǎn)

小車右行限位輸入點(diǎn)

小車變頻器故障輸入點(diǎn)

小車故障輸入點(diǎn)

主鉤上升輸入點(diǎn)

主鉤下降輸入點(diǎn)

主鉤一檔輸入點(diǎn)

主鉤二檔輸入點(diǎn)

主鉤三檔輸入點(diǎn)

主鉤四檔輸入點(diǎn)

主鉤五檔輸入點(diǎn)

主鉤變頻器故障輸入點(diǎn)

主鉤故障輸入點(diǎn)

主鉤上升限位輸入點(diǎn)

主鉤下降限位輸入點(diǎn)

主鉤超重輸入點(diǎn)

副鉤上升輸入點(diǎn)

副鉤一檔輸入點(diǎn)

副鉤二檔輸入點(diǎn)

副鉤三檔輸入點(diǎn)

副鉤四檔輸入點(diǎn)

副鉤五檔輸入點(diǎn)

副鉤上升限位輸入點(diǎn)

副鉤下降限位輸入點(diǎn)

副鉤變頻器故障輸入點(diǎn)

副鉤故障輸入點(diǎn)

副鉤超重輸入點(diǎn)

主繼電器

允許啟動(dòng)指示燈

機(jī)構(gòu)限位指示燈

綜合故障指示燈

大車前行輸出點(diǎn)

大車后行輸出點(diǎn)

大車風(fēng)機(jī)繼電器

大車故障報(bào)警指示燈

小車左行輸出點(diǎn)

小車右行輸出點(diǎn)

小車風(fēng)機(jī)繼電器

小車故障報(bào)警指示燈

主鉤上升輸出點(diǎn)

主鉤下降輸出點(diǎn)

主鉤繼電器輸出點(diǎn)

主鉤故障報(bào)警指示燈

副鉤上升輸出點(diǎn)

副鉤下降輸出點(diǎn)

副鉤繼電器輸出點(diǎn)

圖5.1小車調(diào)速接線圖

如圖所示此圖上有兩臺(tái)電機(jī)分別為主揚(yáng)電機(jī)，和風(fēng)機(jī)。它們分別的作用為小車的左右移動(dòng)提供動(dòng)力，而風(fēng)設(shè)備。D2b為電磁抱閘，，線路通過變頻器為電機(jī)供電。在為變頻器供電的線路上加入了Q1與KM1,這是變頻器的接法要求，KM1是為了在變頻器，系統(tǒng)可以自己斷開，以保證系統(tǒng)的安全。而在為風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行，我設(shè)置了熔斷器，來保證風(fēng)機(jī)的安全，

主揚(yáng)的控制流程為當(dāng)QS1與KM1，KM2閉合。KM1斷開KM2閉合，電磁抱閘工作使電機(jī)停止。

圖5.2大車調(diào)速接線圖

如圖所示，大車的前后移動(dòng)靠倆臺(tái)22KW的電動(dòng)機(jī)M3和M4驅(qū)動(dòng)，M5和M6分別是M3和M4對應(yīng)的風(fēng)機(jī)，RJ2和RJ3為對應(yīng)的熱繼電器，做電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)。電動(dòng)機(jī)M3和M4分別位于橋式起重機(jī)的倆端，共用一臺(tái)變頻器VF2,實(shí)現(xiàn)倆臺(tái)電機(jī)的同步運(yùn)行。

主鉤的調(diào)速接線圖與上面的類似，，主鉤采用一臺(tái)55KW的電動(dòng)機(jī)。

5.2PLC與變頻器的連接圖

圖5.3大車對應(yīng)的PLC與變頻器的連接圖

小車的連接圖與大車的連接圖類似，主鉤的連接圖需要加主鉤超重的輸入，以大車的PLC與變頻器的連接圖為例進(jìn)行說明。如圖所示，本文選用CPU315-2DP的PLC,變頻器選用FRN22G11S-4CX。為正轉(zhuǎn)輸出，為反轉(zhuǎn)輸出，、、分別和變頻器的用于調(diào)速的多功能端子X4、X5、X6相連，

和連接故障燈和警鈴。通過主令控制器輸入檔位控制信號(hào)，經(jīng)過PLC程序給變頻器X4、X5、X6提供輸入，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。通過設(shè)置主鉤電機(jī)、副鉤電機(jī)、大車電機(jī)和小車電機(jī)的運(yùn)行頻率。由PLC將該設(shè)定值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量給變頻器,然后再由變頻器將該模擬量進(jìn)行處理并調(diào)制成相應(yīng)頻率的脈沖,來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

S7一300的編程語言是STEP7--MicroWINSP7,它是用于57--300系列PLC進(jìn)行編程、調(diào)試的全新軟件,它是在國際標(biāo)準(zhǔn)工ECI131一3的基礎(chǔ)上建立的,可以用LAD、FBD和STL來編程。這是一種可以運(yùn)行于通用微機(jī)中,在WINDOWS環(huán)境下進(jìn)行編程的語言。將它通過計(jì)算機(jī)的串口和一根PC/MPI轉(zhuǎn)接電纜與PLC的MPI口相連,即可進(jìn)行相互間的通信。通過STEP7--MicroWINSP7編程軟件,不僅可以非常方便的使用梯形圖和語句表等形式進(jìn)行離線編程,經(jīng)過編譯后通過轉(zhuǎn)接電纜直接下載入PLC的內(nèi)存中執(zhí)行,而且,還可以在線監(jiān)視程序中各個(gè)輸入輸出或狀態(tài)點(diǎn)的通斷狀況,甚至進(jìn)行在線修改程序中的變量,給調(diào)試工作也帶來極大的方便。

STEP7--MicroWINSP7軟件的一個(gè)特點(diǎn)是調(diào)試功能很強(qiáng)大,不僅能在線讀取數(shù)據(jù),而且能在線修改過程數(shù)據(jù),對于調(diào)試大型復(fù)雜控制程序非常有效。STEP7--MicroWINSP7軟件還附帶一些控制程序模塊,如PID調(diào)節(jié)模塊,這些模塊可以從主控制程序中直接調(diào)用,以便實(shí)現(xiàn)不同的功能。STEP7--MicroWINSP7軟件工具包采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法,它采用文件塊的形式管理用戶編寫的程序及程序運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)。該工具軟件包為S7一CPU5122DP與其

它系統(tǒng)部件(如觸摸屏、變頻器)的使用提供了便利。軟件的一個(gè)特點(diǎn)是調(diào)試功能很強(qiáng)大,不僅能在線讀取數(shù)據(jù),而且能在線修改過程數(shù)據(jù),對于調(diào)試大型復(fù)雜控制程序非常有效。STEP7--MicroWINSP7軟件還附帶一些控制程序模塊,如PID調(diào)節(jié)模塊,這些模塊可以從主控制程序中直接調(diào)用,以便實(shí)現(xiàn)不同的功能。STEP7--MicroWINSP7軟件工具包采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法,它采用文

件塊的形式管理用戶編寫的程序及程序運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)該工具軟件包為S7一300CPU與其它系統(tǒng)部件(如觸摸屏、變頻器)的使用提供了便利。

大車、小車、主鉤和副鉤的程序都相似，本文以大車為例進(jìn)行說明。大車PLC的主要輸出是實(shí)現(xiàn)調(diào)速的變頻器多功能端子X4、X5、X6和連接抱閘繼電器的輸出。

圖5.4大車PLC調(diào)速程序

圖5.5聯(lián)動(dòng)臺(tái)接線圖

根據(jù)聯(lián)動(dòng)臺(tái)不同的導(dǎo)通點(diǎn)實(shí)現(xiàn)檔位的變化。

二檔010

三檔011

四檔100

五檔101

變頻器故障信號(hào)燈和抱閘的控制。

圖5.6WinCC運(yùn)行圖

上面圖中顯現(xiàn)出了通過控制主令電器的常開常閉輸入，實(shí)現(xiàn)不同檔位的輸出，并在WinCC顯示出效果圖。

1.王繼東.變頻調(diào)速在起重機(jī)中的應(yīng)用.建筑機(jī)械,2000(6):21一24

2.馬寅.起重機(jī)的變頻調(diào)速.起重運(yùn)輸機(jī)械,2001,(12):21一23

3.許正軍,曾獻(xiàn)輝,陳瑞琦.變頻器的CP控制.電氣自動(dòng)化,2000年3月:20一24

4.蘇彥明,李宏.交流調(diào)速控制系統(tǒng)的控制策略.機(jī)械工業(yè)出版社,1998,6:34一87

5.陳賢明,橋式起重機(jī)新型變頻調(diào)速系統(tǒng),起重運(yùn)輸機(jī)械,1998,(2):9一H

6.胡崇岳.現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社1999:29一96

7.趙慶林.用變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)過程的自動(dòng)控制.石油化工自動(dòng)化,2003.234一35

8.李接.PLC與變頻[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2011,(15)

9.姜雪婷.變頻器在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技資訊，2010，（06）

10.李傳偉.PLC與變頻器相結(jié)合應(yīng)用技術(shù)[J],通用機(jī)械，2005，（11）

11.張三豹.變頻調(diào)速起重機(jī)中的PLC.起重運(yùn)輸機(jī)械,2001,(12):27一29

12.王梅生.變頻調(diào)速在起重機(jī)中的應(yīng)用.起重運(yùn)輸機(jī)械,1999,(2):6一10

13.張青,張瑞軍.工程起重機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì),化學(xué)工業(yè)出版社，2008，第一版

14.

陳立定，吳玉香.電氣控制與可編程控制器,華南理工大學(xué)出版社，2008，第二版

15.呂汀，石紅梅.變頻技術(shù)原理與應(yīng)用,機(jī)械工業(yè)出版社，2007，第一版

16.張應(yīng)立.橋式起重機(jī)安全技術(shù),中國石化出版社，2008，第一版

17.

18.胡清.PLC在多速電動(dòng)機(jī)變速控制中的應(yīng)用[J].安慶科技,2009,(03).

19.解振宇,曹志皓.變頻器調(diào)速系統(tǒng)在大噸位起重機(jī)中的應(yīng)用[J].科技資訊,2007,(17)

20.寧秋艷.起重機(jī)的電氣調(diào)速系統(tǒng)[J].山西科技,2007,(06)

21.于勝旺,李曉勉,劉建剛.基于PLC控制的橋式起重機(jī)電氣設(shè)計(jì)[J].科技信息,2010，（14）.

圖()小車控制程序

圖（）小車抱閘程序

圖（）主鉤控制程序

圖（）主鉤抱閘程序

圖（）副鉤控制程序

在論文完稿之際,謹(jǐn)向教導(dǎo)和幫助我的師長、朋友、同學(xué),以及默默支持和鼓勵(lì)我的親人們致以最誠摯的謝意和最衷心的祝福!

非常感謝指導(dǎo)老師李教授在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中給于的幫助，李老師以其嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的責(zé)任心和敬業(yè)精神,給予我極大的幫助與鼓勵(lì);導(dǎo)師踏實(shí)認(rèn)真、開拓創(chuàng)新的治學(xué)作風(fēng)將使我終生受益;導(dǎo)師給我提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境、以及社會(huì)實(shí)踐的機(jī)會(huì)。本論文從選題到完成無不浸透著恩師的心血在此期間,老師多次詢問我的課題進(jìn)度,提醒我該注意的問題,并在我課,給予了我耐心的指導(dǎo)和幫助。借此論文的完成之際,謹(jǐn)向我的恩師表達(dá)我衷心的感謝和崇高的敬意!感謝恩師不厭其煩的教誨和一絲不茍的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng),在學(xué)習(xí)、生活和以后的工作中給我樹立了為學(xué)為人的榜樣并希望在今后的學(xué)習(xí)和工作中繼續(xù)得到導(dǎo)師的教導(dǎo)。

感謝所有傳授我知識(shí)和在大學(xué)期間給予我?guī)椭完P(guān)心的各位老師，楊健學(xué)長，他在設(shè)計(jì)期間給予了我們耐心的指導(dǎo)和幫助。感謝我的同學(xué)與在求學(xué)期間認(rèn)識(shí)的好友，感謝你們給予我的幫助、鼓勵(lì)和支持。