基于PLC的起重機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要 橋式起重機(jī)是機(jī)械生產(chǎn)中最常用的一種起重機(jī)械，在生產(chǎn)過(guò)程中起著非常重要的作用。所以提高橋式起重機(jī)的運(yùn)行效率，確保運(yùn)作過(guò)程中的安全保障和降低生產(chǎn)成本是非常重要的。 傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)一般都是采用起重用繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。起升機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)上的電機(jī)一般都是采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式。這種調(diào)速方式操作復(fù)雜，可靠性差，故障率高，且電能浪費(fèi)大，效率低。隨著近幾年控制技術(shù)的飛速發(fā)展，我們可以針對(duì)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中存在的上述問(wèn)題，把可編程序控制器和變頻器等技術(shù)應(yīng)用到橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中。 本次設(shè)計(jì)主要討論的是基 于可編程序控制器 （ PLC） 和變頻器的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的改進(jìn)。并且闡述了 PLC 和變頻器控制的基本原理。 PLC 系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的 S7-200，能控制起重機(jī)大車、小車的運(yùn)行方向和速度，吊鉤的升、降方向和速度，同時(shí)能檢測(cè)各個(gè)電機(jī)故障現(xiàn)象。該設(shè)計(jì)主電路中改變電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)主要由變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，在控制電路中實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)的各種功能主要由 PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后對(duì)可編程控制器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，編制出安全可靠高效的控制程序。 關(guān)鍵詞 ：橋式起重機(jī)；變頻器；可編程控制器 Abstract Bridge crane is the mechanical production of the most commonly used as a hoisting machinery, plays a very important role in the process of production. So to improve the efficiency of bridge crane, ensure the security operation process and reduce cost of production is very important. Traditional bridge crane is used commonly on reuse of wound rotor asynchronous motor drag communication. Hoisting mechanism and operational mechanism on the motor rotor series resistance speed control mode is generally adopted. But this way of speed regulating operation complexity, poor reliability, failure rate is high, and the power waste, low efficiency. With the rapid development of control technology in recent years, we can according to the above problems existing in the bridge crane control system, the programmable controller and frequency converter is applied to the bridge crane control system, and has carried on the detailed design. This design is mainly discussed the improvement of the programmable controller (PLC) and inverter bridge crane control system. And expounded the basic principles of PLC and frequency converter control. Adopting Siemens S7-200 PLC system, can control the crane cart, the direction and speed of the car, the ascending and descending direction and speed of the hook, at the same time can detect various motor fault phenomenon. In this design,Changing the working state of the motor in circuit mainly by the frequency converter device to realize.In the control circuit to achieve the functions of bridge crane is mainly composed of PLC to realize. Finally the programmable controller software design, develop the safe, reliable and efficient control program. Key words: Bridge crane； frequency converter； programmable logic controller 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 錄 . III 1 緒論 . 1 1.1 橋式起重機(jī)的簡(jiǎn)介 . 1 1.2 本課題研究的內(nèi)容和意義 . 1 1.2.1 課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容： . 1 1.2.2 課題設(shè)計(jì)的意義 . 2 1.3 國(guó)內(nèi)外起重機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r . 2 2 橋式起重機(jī)的控制 . 3 2.1 橋式起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)形式 . 3 2.2 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的控制原理 . 4 2.3 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn) . 5 2.4 控制方案的 設(shè)計(jì) . 5 3 橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) . 6 3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 6 3.2 PLC 實(shí)現(xiàn)的主令 控制器 . 6 3.3 電機(jī)的選用 . 7 3.3.1 變頻調(diào)速對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求 . 7 3.3.2 變頻起重機(jī)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的選型 . 7 3.3.4 計(jì)算及電機(jī)的選取 . 8 3.4 變頻器 . 10 3.4.1 變頻器選型 . 10 3.4.2 變頻器的主電路 . 10 3.4.3 變頻器的控制電路 . 11 3.4.4 變頻器選擇及電流驗(yàn)證 . 12 3.4.5 變頻器主要參數(shù)設(shè)置 . 13 3.5 制動(dòng)電阻的選擇 . 14 3.6 可編程控制器 . 14 3.6.1 可編程控制器 的概述 . 14 3.6.2 可編程控制器選型 . 15 3.6.3 I/O 端口分配 . 16 3.6.4 PLC 系統(tǒng)接線方式 . 17 3.7 安全 措施 . 18 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 19 4.1 主程序 . 19 4.2 公用程序 . 20 4.3 大車控制程序 . 23 4.4 其他子程序設(shè)計(jì) . 25 5 結(jié)論及展望 . 28 5.1 結(jié)論 . 28 5.2 展望 . 28 致 謝 . 29 參考文獻(xiàn) . 30 1 緒論 1.1 橋式起重機(jī)的簡(jiǎn)介 在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用各種起重機(jī)械，對(duì)物料作起重、運(yùn)輸、裝卸和安裝等作業(yè)， 廣泛應(yīng)用 在 工礦企業(yè)、車站、港口、倉(cāng)庫(kù)、建筑工地等部門(mén)。它對(duì)減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、促進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化起著重要作用，是現(xiàn)代化生產(chǎn)中不可缺少的工具。 時(shí)至今日，在其承載結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、取物裝置、控制系統(tǒng)及安全裝置各方面都有了很大的發(fā)展。由于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的建立和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段 的應(yīng)用，使起重機(jī)設(shè)計(jì)思維觀念和方法有了進(jìn)一步的更新。因此，起重機(jī)將向現(xiàn)代化、智能化、更安全可靠的方向發(fā)展。 起重機(jī)械種類很多，其中橋架型起重機(jī)是使用最廣泛的一種起重機(jī)械。 通用橋式起重機(jī)又稱 “ 天車 ” 或 “ 行車 ” ，它是一種橫架在固定 的 跨間上空用來(lái)吊運(yùn)各種物件的設(shè)備。橋式起重機(jī)按起吊裝置不同， 又 可分為吊鉤橋式起重機(jī)、抓斗橋式起重機(jī) 和 電磁盤(pán)橋式起重機(jī) 等 。其中以吊鉤橋式起重機(jī)應(yīng)用最廣。 本次設(shè)計(jì)就是 以吊鉤橋式起重機(jī)進(jìn)行討論與分析 的 。 6 橋式起重機(jī)一般由 可整體前后移動(dòng)的橫梁 (大車 )、 左右移動(dòng)的 小車、 固定在小車上可上下移 動(dòng)的主副鉤、 操縱室、小車導(dǎo)電裝置 (輔助滑線 )、起重機(jī)總電源導(dǎo)電裝置 (主滑線 )等部分組成。圖 1.1為橋式起重機(jī)總體示意圖。 1- 駕駛室 2-輔助滑線架 3-交流磁力控制盤(pán) 4-電阻箱 5-起重小車 6-大車拖動(dòng)電動(dòng)機(jī) 7-端梁 8-主滑線 9-主梁 圖 1.1 橋式起重機(jī)整體示意圖 1.2 本課題研究的內(nèi)容和意義 1.2.1 課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容： 本次設(shè)計(jì)主要研究如何用可編程控制器與變頻器相結(jié)合來(lái)取代傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的起重機(jī)的起重量為 20/5 噸，其跨度 (L)為 19.5m 主鉤起 升速度為 7.5m/min，副鉤起升速度為 15m/min。大車運(yùn)行速度為 75m/min，小車運(yùn)行速度為 45m/m。 9 8 6 5 4 3 2 1 7 傳統(tǒng)的 20/5t 交流橋式起重機(jī)，一般都是采用起重用繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。但是起重機(jī)的工作環(huán)境一般比較惡劣，較長(zhǎng)時(shí)間的使用會(huì)導(dǎo)致碳刷的接觸器磨損較大，加上任務(wù)重，操作流程復(fù)雜，觸頭消蝕嚴(yán)重。且轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速調(diào)速效果不理想。所以我們要設(shè)法對(duì)其控制方式進(jìn)行改造，減少電路中的沖擊電流，改變調(diào)速方式，減少操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高系統(tǒng)效率。本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容就是 熟練掌握 變頻器的控制原理，以及熟知 PLC的工作原 理和熟練使用編程指令。 1.2.2 課題設(shè)計(jì)的意義 近幾年自動(dòng)化控制技術(shù)和電氣傳動(dòng)得到了飛快的發(fā)展。其中，具有代表性的就是交流變頻調(diào)速裝置和可編程控制器在機(jī)械領(lǐng)域的結(jié)合應(yīng)用，為 PLC 控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機(jī)應(yīng)用提供了有利條件。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)存在的問(wèn)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機(jī)運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。 PLC 控制變頻器的系統(tǒng)能夠適合起重機(jī)的工作要求，對(duì)提高工作效率，改善起重機(jī)的調(diào)速性能，減 小起制動(dòng)沖擊以及增加起重機(jī)的安全系數(shù)有很大的作用。所以有對(duì)橋式起重機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行研究很必要。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)，是隨著大規(guī)模集成電路制造技術(shù)不斷發(fā)展的必然結(jié)果，符合起重機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，適合發(fā)展大起重量得起重機(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。 9 1.3 國(guó)內(nèi)外起重機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 隨著 工業(yè) 生產(chǎn)的機(jī)械化程度不斷變高，生產(chǎn)效率不斷提高，生產(chǎn)物件的運(yùn)輸要求也 隨之變高，就要求有控制更加便捷化和高速化的起重機(jī) ， 而且要 對(duì) 安全性 和可靠性提出更高的要求。 目前國(guó)外先進(jìn)的的起重機(jī)控制系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了 自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化 的相結(jié)合。 起重機(jī)的更新和發(fā)展，在很大程度上取決于電氣傳動(dòng)與控制的改進(jìn)。將機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合，將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、液壓技術(shù)、模糊控制技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的自動(dòng)化和智能化。大型高效起重機(jī)新一代電氣控制裝置已發(fā)展為全電子數(shù)字化控制系統(tǒng)。主要由全數(shù)字化控制驅(qū)動(dòng)裝置、可編程序控制器、故障診斷及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)字化操 縱給定檢測(cè)等設(shè)備組成。 8 經(jīng)過(guò) 幾十年的發(fā)展，我國(guó) 國(guó)內(nèi) 橋式起重機(jī) 的控制技術(shù)水平已得到一定程度的提高， 但是與國(guó)際水平還有一定距離 。目前國(guó)內(nèi)使用的橋式起重機(jī)大多還是采用的傳統(tǒng)的控制方法，采用繼電器控制和串電阻調(diào)速，使用凸輪控制器控制電動(dòng)機(jī)。 2 橋式起重機(jī)的控制 2.1 橋式起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)形式 橋式起重機(jī)由橋架（雙稱大車），裝有起升機(jī)構(gòu)的小車、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)及駕駛室等幾部分組成，如下圖 2.1 所示 圖 2.1 橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)圖 橋架是橋式起重機(jī)的基本構(gòu)件， 它 由主梁、端梁、走臺(tái)等幾部分組成。主梁跨架在車間上空，其兩端聯(lián)有端梁，主梁外側(cè)裝有走臺(tái)并設(shè)有安全欄桿。 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由小車架、小車移行機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)組成。小車架由鋼板焊成，其上裝有小車移行機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、欄桿及提升限位開(kāi)關(guān)。小車可沿橋架主梁上的軌道左右移行。在小 車運(yùn)動(dòng)方向的兩端裝有緩沖器和限位開(kāi)關(guān)。小車移行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、 主動(dòng)輪 、制動(dòng)器等組成。電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速后帶動(dòng)主動(dòng)輪使小車運(yùn)動(dòng)。提升機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、減速器、卷筒、制動(dòng)器等組成，提升電動(dòng)機(jī)通過(guò)制動(dòng)輪、聯(lián)軸節(jié)與減速器聯(lián)接，減速器輸出軸與起吊卷筒相聯(lián)。 大車移行機(jī)構(gòu) 則 是由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、傳動(dòng)軸、減速器 、聯(lián)軸器、角型軸承箱 和車輪等幾部分組成。 其車輪通過(guò)角型軸承箱固定在橋架的端梁上，其主要作用是驅(qū)動(dòng)大車車輪沿軌道運(yùn)行。 其驅(qū)動(dòng)方式有集中驅(qū)動(dòng)和分別驅(qū)動(dòng)方式 兩 種 ： 集中驅(qū)動(dòng)是由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)通過(guò)制動(dòng)輪直接與聯(lián)軸節(jié)、傳動(dòng)軸聯(lián)接，再通過(guò)減 速器與車輪聯(lián)接驅(qū)動(dòng)兩邊的主輪。 分別驅(qū)動(dòng)是由兩套獨(dú)立的無(wú)機(jī)械聯(lián)系的運(yùn)行機(jī)構(gòu)組成。每套運(yùn)行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)通過(guò)制動(dòng)輪、聯(lián)軸節(jié)、減速器與大車車輪聯(lián)接，省去了中間傳動(dòng)軸。但分別驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)是用兩臺(tái)同樣型號(hào)的電動(dòng)機(jī)，用同一控制器控制。 分別驅(qū)動(dòng)與集中驅(qū)動(dòng)相比，自重較輕，安裝和維護(hù)方便，實(shí)踐證明使用效果良好。目前我國(guó)生產(chǎn)的橋式起重機(jī)大部分采用分別驅(qū)動(dòng)方式。 控制室 是操縱起重機(jī)的吊艙，又稱駕駛室。在操縱室內(nèi)，主要裝有大小車運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)的操縱系統(tǒng)和有關(guān)裝置，如控制器、保護(hù)箱及照明開(kāi)關(guān)箱；有關(guān)安全開(kāi)關(guān)，如緊急開(kāi)關(guān)、電鈴 開(kāi)關(guān)等。 3 控制室一般固定在主梁下方的一端，也有隨大車移動(dòng)的。其上方有通向走臺(tái)的艙口。為了安全，艙口處裝有安全開(kāi)關(guān)，避免司機(jī)及維護(hù)人員上車發(fā)生觸電事故 。 2.2 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的控制原理 傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)基本采用繼電器控制和串電阻調(diào)速，使用凸輪控制器控制各臺(tái)電動(dòng)機(jī)。其主電路和控制電路如圖 2.2 所示 圖 2.2 20t 橋式起重機(jī)典型電路 控制方式：小型橋式起重機(jī)的主鉤、大車、小車均采用繞線式三相交流異步機(jī)電動(dòng)機(jī)和凸輪控制器控制。 該起重機(jī)有兩個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)，主鉤起重量為 20 噸，副鉤起重量為 5 噸，分別由電動(dòng)機(jī)M1、 M2 拖動(dòng)。其中 M1 為主卷?yè)P(yáng)電動(dòng)機(jī)，由凸輪控制器 1SA 操縱； M2 為副卷?yè)P(yáng)電動(dòng)機(jī)，由凸輪控制器 2SA 操縱；小車移行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī) M3 拖動(dòng)， M3 為小車電動(dòng)機(jī)，由凸輪控制器 3SA 操縱；大車移行機(jī)構(gòu)由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī) M4、 M5 分別拖動(dòng)， M4、 M5 為大 車電動(dòng)機(jī)，共由凸輪控制器 4SA 操縱。 整個(gè)起重機(jī)五臺(tái)電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路如圖 2.2 下方圖所示。其中 QS 為緊急開(kāi)關(guān)，用作事故情況下緊急斷開(kāi)電源； SQ7 SQ9 為艙口門(mén)開(kāi)關(guān)與橫梁門(mén)開(kāi)關(guān)； KA1 KA6 為過(guò)電流繼電器的觸點(diǎn)，用作電動(dòng)機(jī)的過(guò)流保護(hù)； 1SA、 2SA、 3SA、 4SA 分別為主卷?yè)P(yáng)、副卷?yè)P(yáng)、小車與大車凸輪控制器觸點(diǎn)； SQ1、 SQ2 為小車移行機(jī)構(gòu)行程開(kāi)關(guān)，用于小車終端限位保護(hù)；SQ3、 SQ4 為大車移行機(jī)構(gòu)行程開(kāi)關(guān)，用于大車終端限位保護(hù)； SQ5 為副卷?yè)P(yáng)提升機(jī)構(gòu)行程開(kāi)關(guān)，用于提升終端限位保護(hù)。 YB1 YB5 分別為主卷 揚(yáng)、副卷?yè)P(yáng)、小車與大車電動(dòng)機(jī)各自的制動(dòng)電磁鐵。 6 2.3 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)： 橋式起重器一般在一些條件惡劣的場(chǎng)合工作，而且動(dòng)作復(fù)雜，工作頻率較高，電機(jī)容量較大，要求有一定的調(diào)速范圍。所以傳統(tǒng)的繼電器控制和串電阻調(diào)速會(huì)在操作中存在很多問(wèn)題： （ 1） 電動(dòng)機(jī)及其所串電阻燒損和斷裂故障經(jīng)常發(fā)生； （ 2） 繼電接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高； （ 3） 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速調(diào)速效果不理想； （ 4） 所串電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低等。 而且采用凸輪控制器在操作中同時(shí)切換的觸點(diǎn)一般很多，且切換的又多是電動(dòng)機(jī)主電路的觸點(diǎn)，為了 切換大容量電流，觸點(diǎn)都制造得厚重，這就為操作帶來(lái)了阻力和很大的勞動(dòng)強(qiáng)度。另一方面，凸輪控制器中有形的觸點(diǎn)在頻繁的切除中很容易出故障，給維修帶來(lái)了不便。 2.4 控制方案的 設(shè)計(jì) 可編程控制器簡(jiǎn)稱 PLC， 是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種新型工業(yè)控制裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)過(guò)程和位置的自動(dòng)控制中。 本設(shè)計(jì)使用 PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)主令控制器的開(kāi)合表的邏輯功能，以代替原有系統(tǒng)中為每臺(tái)電動(dòng)機(jī)設(shè)置一臺(tái)主令控制器或凸輪控制器的設(shè)計(jì)。改造中采用 PLC代 替接觸器開(kāi)關(guān)來(lái)解決凸輪控制器的缺點(diǎn)。這樣既減少了系統(tǒng)中觸點(diǎn)數(shù)目，也使設(shè)備體積減小，操作強(qiáng)度也隨之下降。使用橋式專用變頻器代替轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，增加了機(jī)械特性硬度，也不存在發(fā)熱問(wèn)題，提高了系統(tǒng)效率； 5 臺(tái)電動(dòng)機(jī)共用一臺(tái)主令控制器控制，減少了按鈕數(shù)量，從而提高了系統(tǒng)可靠性。 通過(guò) 對(duì)設(shè)計(jì)的分析，改造后的交流橋式起重機(jī)控制系統(tǒng) 也 包含了以下幾個(gè)部分：主令控制器、限位器、保護(hù)輸入 、 PLC、 4 臺(tái)變頻器 、 5 臺(tái) 電動(dòng)機(jī)（大車電動(dòng)機(jī)兩臺(tái)）其控制框圖如圖 2.3所示： 圖 2.3 交流橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)框圖 主令控制器 限位器 保護(hù)輸入 P L C 變頻器 M1 變頻器 M2 變頻器 M3 變頻器 M4 M5 3 橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 改造后的交流橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)包含如下幾個(gè)部分：主令控制器、限位器、保護(hù)輸入、 PLC、 4 臺(tái)變頻器、 5 臺(tái)電動(dòng)機(jī)（大車電動(dòng)機(jī)兩臺(tái)）。四臺(tái)變頻器分別控制相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)，然后四臺(tái)變頻器所需的輸入口線均接在 PLC 上。本設(shè)計(jì)采用一臺(tái) S7-200 型 PLC 控制四臺(tái)變頻器操作 5 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。下圖畫(huà)出了橋式起重機(jī)的 PLC 控制原理圖。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖中沒(méi)有畫(huà)出全部的 I/O 口線。 圖 3.1 橋式起重機(jī)的 PLC控制原理圖 3.2 PLC 實(shí)現(xiàn)的主 令控制器 繼電接觸器為基礎(chǔ)的橋式起重機(jī)電路，一般都是用凸輪控制器來(lái)控制大車、小車、主副鉤的操作。這次設(shè)計(jì)我使用 PLC 來(lái)模擬各類電器的邏輯功能，把有形的觸點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?PLC內(nèi)部無(wú)形的邏輯關(guān)系。以滿足大電流切換的需要， PLC 的輸出應(yīng)該連接接觸器及繼電器。表 3-1 列出了一個(gè)經(jīng)精簡(jiǎn)后的主令控制器的開(kāi)合表，并 為各擋位接通的觸點(diǎn)安排了 PLC 的輸入口。 表 3-1 三檔主令開(kāi)關(guān)開(kāi)合表 輸入端口 向前 零位 向后 I0.5 x I0.6 x I0.2 x 注 x 觸頭閉合 本設(shè)計(jì)使用圖 3.2 所示的一個(gè)三檔位 的主令控制器及兩只升降速按鈕作為操作器件，使用 PLC 及接觸器模擬凸輪控制器工作。三檔位的主令控制器的開(kāi)合表如表 3-1 所示。該主令控制器延續(xù)了凸輪控制器向前向后操作時(shí)的互鎖，而且符合起重機(jī)操作人員的操作習(xí)慣，使用兩只按鈕進(jìn)行升降速更加方便，其實(shí)現(xiàn)的控制要求主要有： （ 1） 電動(dòng)機(jī)的方向控制由主令控制器實(shí)現(xiàn)，手柄置向前位時(shí)， I0.5 接通，正轉(zhuǎn)接觸器工作，電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)；手柄置向后位時(shí)， I0.6 接通，反轉(zhuǎn)接觸器工作，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)，或由反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)都必須經(jīng)過(guò)零位，手柄位于零位表示已斷開(kāi)正在運(yùn)行的接觸器 ，準(zhǔn)備接通下一個(gè)接觸器，同時(shí)手柄在 0 位時(shí)會(huì)切除電阻檔位存儲(chǔ)器清零。 （ 2） 在按動(dòng)接于 I1.1 及 I1.0 的按鈕時(shí)，使加減速檔位存儲(chǔ)器 VB100 中存儲(chǔ)的數(shù)字在 15 間依順序變化，以控制輸入電動(dòng)機(jī)的電源頻率大小。這是通過(guò)加 1 及減 1 指令實(shí)現(xiàn)的，在 VB100 中數(shù)值小于 5 時(shí)可加操作，大于零時(shí)可 減操作。 圖 3.2 3 檔主令開(kāi)關(guān)及增減電阻按鈕示意圖 3.3 電機(jī)的選用 3.3.1 變頻調(diào)速對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求 采用變頻調(diào)速時(shí)，由于變頻器輸出波形中高次諧波的影響以及電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速范圍的擴(kuò)大產(chǎn)生了一些與在工頻電源下傳動(dòng)時(shí)不同的特征。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(kāi)關(guān)頻率的工 GBT 等電力電子器件的使用 、 PWM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。同時(shí)由于變頻控制軟件的優(yōu)化使用，使電動(dòng)機(jī)可以避開(kāi)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(wèn)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，一般無(wú)須選用變頻專用電 機(jī)作變頻系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)推出的變頻專用電動(dòng)機(jī)由普通電機(jī)加獨(dú)立風(fēng)扇組成，以解決電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中自冷風(fēng)扇風(fēng)量不足而引起的電動(dòng)機(jī)過(guò)熱問(wèn)題。 3.3.2 變頻起重機(jī)系統(tǒng)中電動(dòng)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)率電機(jī) 向 前 零 位 向 后 I 0.5 I 0.2 I 0.6 加速 I1.0 減速 I1.1 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 ；在連續(xù)工作時(shí)考慮到冷卻效果限制了普通電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)用 值，普通電機(jī)僅在連續(xù)工作時(shí)的變頻驅(qū)動(dòng)特性比變頻電機(jī)稍差。 3.3.4 計(jì)算及電機(jī)的選取 通過(guò)對(duì)參考文獻(xiàn)和網(wǎng)上的查閱，得到有關(guān)本設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)如下： 小車車輪直徑： 315mm 大車車輪直徑： 630mm 起重機(jī)總重： 28.6T 小車自重： 7.6T 吊鉤自重： 500kg 小車運(yùn)行摩擦阻力系數(shù) =0.0085 大車運(yùn)行摩擦阻力系數(shù) =0.007 A. 主起升機(jī)構(gòu)： （ 1）初選電動(dòng)機(jī) NNgGQGQ 220110581.9500200000 (3.1) smmvq /125.0m in/5.7 KWKWvGP qQj 57.2985.01000125.02011051000 (3.2) 根據(jù)電動(dòng)機(jī)樣本，選用 YZR225M-8 電動(dòng)機(jī)，當(dāng) S3， %25JC 時(shí)，電動(dòng)機(jī)允許功率為26KW。 （ 2） 電動(dòng)機(jī)的過(guò)載校驗(yàn) 按 電 動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 矩 允 許 的 過(guò) 載 系 數(shù) M 2.8 ， 對(duì) 繞 線 式 轉(zhuǎn) 子 電 動(dòng) 機(jī) ， H=2.1 KWKWvGm HP qQMN18.2285.01000 125.02011058.21 1.21000 (3.3) 根據(jù)規(guī)定 , %25JC ， CZ=150,此時(shí) NP24.096KW，即 22.18KW24.096KW 所以電動(dòng)機(jī)校驗(yàn)通過(guò)。 B. 副起升機(jī)構(gòu)： （ 1）初選電動(dòng)機(jī) NNgGQG Q 5.5150281.925050000 (3.4) smmvq /25.0m in/15 85.0 KWKWvGP qQj 1.1585.01000 25.05.5 1 5 0 21000 (3.5) 根據(jù)電動(dòng)機(jī)樣本，選用 YZR180L-8 電機(jī)，當(dāng) S3， %25JC 時(shí)，電動(dòng)機(jī)允許功率為 13KW。 （ 2） 電動(dòng)機(jī)的過(guò)載校驗(yàn) KWKWvGm HP qQMN33.1185.01000 25.05.5 1 5 0 28.21 1.21000 (3.6) 根據(jù)規(guī)定 , %25JC ， CZ=150,此時(shí) NP12.160KW，即 11.33KW12.160KW 所以電動(dòng)機(jī)校驗(yàn)通過(guò)。 C. 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)： (1) 運(yùn)行靜阻力，大車運(yùn)行部分總質(zhì)量： NNgGQG G 52581681.92860025000 (3.7) 因?yàn)槭覂?nèi)運(yùn)行，風(fēng)阻力 01 G，坡度阻力 0G，運(yùn)行摩擦阻力系數(shù) =0.007 NNGGG GZ 7.3680007.05258161 (3.8) (2) 運(yùn)行靜功率： yv75m/min=1.25m/s 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)總效率 95.0 KWKWvGP yz 84.495.01 0 0 0 25.17.3 6 8 01 0 0 01 (3.9) (3) 運(yùn)行加速功率 取 stsms 25.6,/2.0 2 KWKWgt vGPsyG 41.1525.681.91 0 0 025.15 2 5 8 1 815.11 0 0 015.1 22 (3.10) (4) 初選電動(dòng)機(jī) KWPPmPMN641.1584.47.12 11 1 (3.11) 根據(jù)電動(dòng)機(jī)樣本，選用兩臺(tái) YZR160M1-6 電動(dòng)機(jī)，當(dāng) %25JC ， NP6.3KW (5) 電動(dòng)機(jī)發(fā)熱校驗(yàn) 根據(jù)起 重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，該大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的接電持續(xù)率 %25JC ， CZ=600，穩(wěn)態(tài)負(fù)載平均系數(shù) G=0.9，所以， KWKWvGGP yz 36.495.01000 25.17.36809.010002 (3.12) 根據(jù)橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)知，當(dāng) %25JC ， CZ=600 時(shí)， NP4.629KW， 即 4.36KW4.629KW,所以電動(dòng)機(jī)發(fā)熱校驗(yàn)通過(guò)。 D. 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)： （ 1） 運(yùn)行靜 阻力，小車運(yùn)行部分總質(zhì)量： NNgGQGG 31980681.9760025000 （ 3.13） 因?yàn)槭覂?nèi)運(yùn)行，風(fēng)阻力 01 G， 坡度阻力 0G， 運(yùn)行摩擦阻力系數(shù) =0.0085 則 NNGGG GZ 35.27180085.03198061 （ 3.14） （ 2） 運(yùn)行靜功率： yv 45m/min=0.75m/s 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)總效率 85.0 KWKWvGP yz 4.285.01000 75.035.271810001 （ 3.15） （ 3） 運(yùn)行加速功率 取 stsms 5,/15.0 2 KWKWgtvGPsyG 2.4581.91 0 0 075.03 1 9 8 0 615.11 0 0 015.1 22 （ 3.16） （ 4） 初選電動(dòng)機(jī) KWKWPPmP MN 9.52.44.27.11 11 1 （ 3.17） 根據(jù)電動(dòng)機(jī)樣本，選用兩臺(tái) YZR132M2-6 電動(dòng)機(jī)，當(dāng) %25JC ， NP4 （ 5） 電動(dòng)機(jī)發(fā)熱校驗(yàn) 根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，該小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的接電持續(xù)率%25JC ， CZ=300，穩(wěn)態(tài)負(fù)載平均系數(shù) G=0.8，所以， KWKWvGGP yz 92.185.01 0 0 075.035.2 7 1 88.01 0 0 02 （ 3.18） 根 據(jù)橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)知，當(dāng) %25JC ， CZ=300 時(shí)， NP3.598KW， 即 1.92KW3.598KW,所以電動(dòng)機(jī)發(fā)熱校驗(yàn)通過(guò)。 通過(guò)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 3-2所示 : 表 3-2 各執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型號(hào) 電機(jī)功率 /電流 主起升機(jī)構(gòu) YZR225M-8 26KW/55A 副起升機(jī)構(gòu) YZR180L-8 13KW/29.1A 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu) YZR160M1-6 2*6.3KW/16.4A 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu) YZR132M2-6 4KW/9.7A 3.4 變頻器 3.4.1 變頻器選型 本系統(tǒng)選用的是西門(mén)子變頻器，西門(mén)子變頻器具有較合理的價(jià)格，完整的理論計(jì)算書(shū)及輔件推薦值，有利于用戶進(jìn)行合理選用。 3.4.2 變頻器的主電路 這里討論的是電壓源型，交 -直 -交變頻器主電路的基本結(jié)構(gòu)如圖 3.3 所示。 圖 3.3 變頻器主電路 A. 交直變換部分 （ 1） VD1 VD6 部分 ，將交流變換為直流。 （ 2） 濾波電容器 CF 作用 是 當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓保持平衡。 因?yàn)槭?電容量和耐壓的限制，濾波電路通常由若干個(gè)電容器并聯(lián)成一組，又由兩個(gè)電容器組串聯(lián)而成。如圖中的 CF1 和 CF2。由于兩組電容特性不可能完全相同，在每組電容組上并聯(lián)一個(gè)阻值相等的分壓電阻 RC1 和 RC2。 （ 3） 限流電阻 RL 和開(kāi)關(guān) SL RL 作用：變頻器合上 的 瞬間沖擊電流比較大，其作用就是在合上閘后的一段時(shí)間內(nèi)，電流流經(jīng) RL，限制沖擊電流，將電容 CF 的充電電流限制在一定范圍內(nèi)。 SL 作用：當(dāng) CF 充電到一定電壓， SL 閉合，將 RL