plc在門機電氣控制系統(tǒng)中的應用

1、?？飘厴I(yè)設計（論文）設計題目： PLC在門座式起重機中的應用 系 部： 專 業(yè)： 港口電氣技術 班 級： 姓 名： 學 號 : 指導教師： 職 稱 : 2013年3月 南京摘 要門座式起重機是現(xiàn)代港口裝卸作業(yè)的重要機械，保證門座式起重機的高效運作對港口企業(yè)來說是至關重要的。起重事故的產(chǎn)生，其中一部分原因是由電氣系統(tǒng)故障造成的，電氣控制系統(tǒng)是設備的核心，全面的了解電氣控制系統(tǒng)的組成、工作原理、日常維護對于設備的良好運行和保證生產(chǎn)需要都是有積極意義的。本文主要分析門座式起重機的電氣控制系統(tǒng)原理并以變幅機構為例在設備原有的結構基礎上進行PLC控制，來提高機械運行的安全性及穩(wěn)定性，使得裝卸作業(yè)的高效特

2、性得以保證。關鍵詞：門座式起重機 電氣控制系統(tǒng) PLC控制 變幅機構 AbstractPortal crane is one of the important production machineries in port yard, keeping the portal crane efficiency is vital to the port facility .one part was caused by the fault of the electrical system, the electrical control system is core . Comprehensive und

3、erstanding of the electric system composition,working principle, routine maintenance for equipment has positive significance in keeping the equipment in good running and ensuring the production needs. This paper analyzes the principle of the jib lubbing mechanism , further improve equipment automati

4、on steadily and security,ensure the portal crane more efficiency.Keywords: portal crane electrical control system PLC control jib lubbing mechanism目 錄1 引言12 門座式起重機的控制要求及設計思路2 2.1 起升機構3 2.2 變幅機構4 2.3 回轉機構4 2.4 行走機構43 PLC與變頻調速控制系統(tǒng)簡介4 3.1 PLC電氣控制的優(yōu)勢4 3.2 PLC控制器與變頻器調速基本原理64 PLC在門座式起重機中的應用（以變幅機構為例）7 4.1

5、變幅機構的基本工作原理7 4.2 變幅機構的PLC設計9結 論13致 謝14參 考 文 獻151 引言 本人在南京港集團從事電氣維修方面的工作，在這兩個多月的實習期間里，我收獲頗豐，不論是日常的維護巡視還是專業(yè)的電氣維修，我都參與其中，因而也使我從一個只有理論沒有實踐的學生成長為以專業(yè)技能說話，靠實際操作吃飯的港口電氣維修工，與此同時自己也深刻的體會到了每一位電氣維修師傅的艱辛。本文主要從與電氣維修工人打交道最多的門座式起重機談起，以國產(chǎn)M10-30型門機為例分別介紹它的四大機構以及PLC的控制原理，變幅機構是本文解析的重點。 M10-30型門座式起重機可作360°旋轉作業(yè)，起升、旋

6、轉、變幅3個機構可單獨或聯(lián)合動作。行走機構供門機移倉口、泊位之用。行走臺車上的4個夾軌器夾在鋼軌上，臺風來襲時可保證門機的安全。變幅機構采用齒條傳動系統(tǒng)，結構簡單，維修方便。該起重機的起重量是10T,最大幅度是30M，起升高度在夾軌面以上用吊鈞作業(yè)時是25M，用抓斗作業(yè)時是16M,在軌道面以下的下降最大距離都是15M.。門機總高度為45M左右，軌距為10.5M。該門機的起升速度是60M/MIN，變幅速度平均52M/MIN,行走速度為26M/MIN，旋轉速度為1.48°/MIN。該門機各機構的拖動電機共9臺，制動用電機（配電動液壓推動制動器）共8臺，起升機構設有完善的速度控制裝置，整個

7、電氣系統(tǒng)是一個較完善的電力拖動控制和安全裝置。 圖1 門機主體結構注： 1.行走機構2.電纜卷筒3.梯子平臺系統(tǒng)4.圓筒門架5.轉臺總成6.變幅機構7.機器房 8.超負荷裝置9.立柱平衡系統(tǒng)10.集中潤滑系統(tǒng)11.臂架系統(tǒng)12.起升機構13.回轉機構14. 電氣系統(tǒng)15. 中心受電器裝配16.司機室17. 吊鉤總成18. 防風拉索19. 高壓電氣房20.錨定裝置21.防轉裝置2 門座式起重機的控制要求及設計思路 交流傳動為M10-30門座式起重機的首選方案。因為當今的變頻技術已發(fā)展到普及階段，而且技術性能也具有直流傳動的可比性，系統(tǒng)力能指標效率和功率又遠高于直流系統(tǒng)，電網(wǎng)公害低，在我們南京港主

8、要有以下電動調速方案：1. 交流繞線式異步電機轉子串電阻調速。方式雖然陳舊，但因其具有簡單、直觀、成本低的優(yōu)勢，只要改變電阻阻值就可以實現(xiàn)不同場合的速度要求，在對調速要求不高的裝卸式門機中廣泛應用。采用PLC取代繼電器邏輯控制，減少了線路工程，提高了自動的水平。隨著電器材料和生產(chǎn)制造工藝的提高，開關的可靠性與壽命也大為提高，為系統(tǒng)提供了安全作業(yè)保證。2. 交流異步電機變頻調速。此方法為交流電機最完善的調速方式，調速具有連續(xù)控制、平滑精度高的特點。也有恒轉矩和恒功率控制性能，對負載突變有極好的響應。系統(tǒng)基波功率因數(shù)接近于1.0，對前級電源的容量配置要求低，且諧波等電公害小，力能指標遠優(yōu)于其他方式

9、。在我港對要求平滑啟動的行走機構上應用的較多。其缺點是制造工藝相對復雜、先期投入略高。多用于小功率異步電機的控制，但變頻調速的平滑調速和其較高的穩(wěn)定性是港口電機調速的方向。3. 渦流制動器調速。交流繞線式異步電機轉子串電阻與同軸安裝的渦流制動器組成的調速系統(tǒng)，由于渦流制動器直流勵磁，因此無論電動機轉向如何，永為制動作用，系統(tǒng)機械特性為二者合成。相當于雙電機驅動。值得注意的是，該系統(tǒng)屬于短時工作制，適用于低速、微速的場合。2.1 起升機構 起升的主電路由一臺起升變頻器、起升電動機、制動單元制動電阻和一些開關器件組成。三相電源經(jīng)過自動空開后接入變頻器的電源輸入端，變頻器出線端接三相異步電動機以實現(xiàn)

10、變頻調速。其中所使用的兩臺電機分別驅動兩只卷揚機。用吊鉤時，兩臺卷揚機的鋼絲繩通過鉤頭滑輪使兩電動機的負載達到平衡。用抓斗時，兩臺卷揚機的鋼絲繩一根作支持繩，另一根作閉合繩。 PLC控制原理：手柄在零位，相序正常，起升無故障，風速儀風速（風速達到18m/s時間斷音響報警；風速達到20m/s時長音報警，并輸出繼電器觸點斷電信號）在正常范圍內，超負荷（95%額定起重量時有燈光顯示和聲音報警，110%額定起重量時，輸出繼電器觸點延時斷電信號）正常，不作行走運行，起升無故障時，機構允許升降。若超負荷超出正常的范圍，則只允許下降不允許上升。若在正常上升范圍內，不超負荷，上升操作允許；在正常下降范圍內，下

11、降操作允許。另外，起升機構還裝有起安全保護作用的多功能限位，限位能夠實現(xiàn)正常升降位置前的減速、自動停止和極限位置時的緊急停止。起升機構的電機上還裝有超速保護開關，以保證起升機構的正常工作。2.2 變幅機構 M10-30型門機的變幅機構是典型的齒條傳動系統(tǒng)，是由電動機帶動減速器和單齒條傳動機構來實現(xiàn)的。為避免制動時的沖擊采用了二級制動的方法，同時該系統(tǒng)還設置了負荷限制用于改善性能。 PLC控制原理：主令控制器置零位，相序正常，風速正常，變幅無故障，不作行走運行。增幅檔時，不超負荷 ，限位正常，增幅操作允許，增幅指令依次輸入到PLC，由PLC程序控制電機的運行，不論增幅（或減幅）、變幅制動器都打開

12、，當手柄回零時，制動器延時抱閘，變幅機構到達最大（最小）幅度前會自動減速并最終停止。變幅機構的限位能夠實現(xiàn)最大最小幅度前的自動減速，自動停止。另外還在臂架的下鉸點處裝有最大最小幅度的緊急停止限位開關。變幅電機上還裝有超速保護開關以保證變幅機構的正常工作。2.3回轉機構 M10-30型門機的旋轉機構由兩臺電動機同時拖動，為保證兩臺電動機的同時運行，采用了同一接觸器實現(xiàn)正反轉控制。旋轉機構沒有使用電氣制動，而采用的是腳踏液壓開式制動器，制動器的力矩由司機腳踏力量的大小來控制。PLC控制原理：回轉主令置零位，風速儀正常，相序正常，回轉無故障，回轉手剎打開，不作行走運行，零位合上且自鎖，主令置左旋檔，

13、回轉腳踏處于正常位置，左旋允許。主令置右旋檔，回轉腳踏處于正常位置，右旋允許。2.4 行走機構 M10-30型門機的行走機構是由四臺門腿上的電機所驅動的，四臺行走電機的轉子中分別接有三相不對稱電阻，其中的控制用的接觸器稱為加速接觸器。具有過載、過流、短路、機械連鎖、以及限位保護的功能。PLC控制原理：行走主令置零位，行走無故障，各工作機構停止運行，電纜在正常行程范圍內，風速儀正常，相序正常，錨定及防爬提起，行走零位置1且自鎖，不論左行、右行，聯(lián)動臺手柄操作后，制動器自動打開，停止運行時，制動器延時抱閘，電纜卷筒電機在行走運行停止后方可斷電。只要有行走運行信號，在行走前，聲光報警器就開始報警；停

14、止運行后，聲光報警器延時斷電。3. PLC與變頻調速控制系統(tǒng)簡介3.1 PLC電氣控制的優(yōu)勢 采用PLC控制的最大優(yōu)點即是成本。變頻調速的采用則是調速的性能變得很優(yōu)越，但是變頻調速的故障率與其他調速方式相比大大降低。還可以延長設備特別是電動機的使用壽命。這些都是變頻調速的優(yōu)點也是采用它的原因，將變頻調速與PLC控制相結合就可以發(fā)揮兩大系統(tǒng)的各自優(yōu)勢。 增設PLC可以很大程度上減少繼電器接觸器的使用量，這樣一來最大的好處就是直接降低了故障率。因為在繼電器接觸器控制的門座式起重機等起重設備中所出現(xiàn)的故障大約有60%是繼電器接觸器的故障。繼電器接觸器的觸點、鐵心、線圈由于震動、油污、灰塵、大電流等造

15、成結構損壞、觸點燒蝕粘連、線圈燒毀等故障。這些問題的直接結果就是使設備停用影響生產(chǎn)，造成一定的經(jīng)濟損失，特別是碼頭泊位、船臺等一線作業(yè)場所使用的起重設備一旦停止運行損失將會很嚴重的。其次，繼電器接觸器控制接線量大，線路復雜，在后期的使用維護維修是比較麻煩。PLC電氣控制系統(tǒng)技術之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動化客觀的需求以外，主要還是因為它具有許多獨特的優(yōu)點，可以較好的解決了工業(yè)領域普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題。它主要有以下特點： 1.可靠性高、良好的抗干擾能力、系統(tǒng)穩(wěn)定性高。PLC的平均無故障時間可以達到幾十萬個小時，這是普通繼電器接觸器控制系統(tǒng)所無法比擬的，因此整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性

16、就提高了。 2.編程簡單、使用方便，很容易被廣大一線工程技術人員所接受。此外，當生產(chǎn)流程或系統(tǒng)的控制要求發(fā)生改變時，可以通過直接改變程序來實現(xiàn)，既不需要大量地更改硬接線也不需要附加設備，使用起來方便靈活。 3.功能完善、通用性強，設計安裝簡單、維護方便。由于PLC用軟件代替了傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的硬件，并且將傳統(tǒng)電氣元件之間的連接用用戶程序表示，使控制柜的設計、安裝、接線工作量大為減少。PLC的用戶程序大部分可以事先進行模擬調試，縮短了應用設計和調試周期，在維護方面，由于PLC的故障率很低，維修的工作量很小。即使出現(xiàn)損壞也只是直接更換掉相應的部件或模塊即可。此外，PLC具有很強的自診斷能力，如果出

17、現(xiàn)故障，可根據(jù)PLC上指示或編程器上提供的故障信息迅速查明原因，維修極為方便。 4.體積小、重量輕、能耗低、長遠使用成本低。由于PLC采用了集成電路、其結構緊湊體積小，因而是實現(xiàn)機電一體化和節(jié)能節(jié)約的理想控制設備。隨著PLC制造技術不斷地提升，大批量生產(chǎn)，已經(jīng)使PLC的成本逐步降低，一套設備的初期投資也隨著降低，若從長遠角度考慮，因為PLC具有的一些列優(yōu)異性能必將使設備的長期使用費用大大降低。在能耗上，PLC消耗的電能比繼電器接觸器控制的電氣系統(tǒng)要低很多，工業(yè)中大規(guī)模的應用PLC在能源日益短缺的今天具有積極地意義。3.2 PLC控制器與變頻器調速原理 PLC控制器以掃描方式依次讀入各類按鈕、開

18、關類電器主令控制器的輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I0(輸入輸出)映象區(qū)中的相應單元內。在用戶程序執(zhí)行階段，PLC控制器總是按順序由上而下的依次掃描，預編好的各種軟繼電器及其觸點組成邏輯程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路圖進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM 儲存區(qū)中對應的狀態(tài)，或者刷新該輸出線圈在I0 映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。當掃描用戶程序結束后，PLC控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I0映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)

19、刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動相應的被控負載，如各種電磁閥線圈、接觸器、信號指示燈或變頻器等執(zhí)行電器，這時才是PLC控制器的真正輸出。 變頻器簡單地說就是將電源的三相(或單相)交流電，經(jīng)整流橋整流為直流電(交一直變換)，再把直流電經(jīng)逆變器變?yōu)殡妷汉皖l率可調的三相(或單相)交流電源(直一交變換)。其間電能不發(fā)生任何變化，而只有頻率發(fā)生改變。 轉子的轉速計算公式如下： n - 轉子的轉速； f -定子頻率； s - 異步電動機轉差率； p - 磁極對數(shù)。 由式可知，異步電動機調速的途經(jīng)有改變磁極對數(shù)、改變轉差率和調整輸入頻率。改變電機的磁極對數(shù)實際上就是改變定子旋轉磁場的轉速，加上電機的

20、磁極對數(shù)是相對固定的，所以只有通過改變定子繞組的接法來實現(xiàn)。但是這種方法的缺點是顯而易見的，主要是：最多只有4擋調速，不能得到最佳的運行效果，負載能力下降，工作效率下降，調速時必須改變繞組的接法，故控制電路比較復雜。改變轉差率是通過在轉子電路中串聯(lián)電阻來實現(xiàn)的，這種方法只能用于繞線式電機，其缺點是因為要串聯(lián)的電阻在電機外部，在電機的結構上就必須加入電刷和滑環(huán)，增加了故障率，同時調速電阻上將白白地消耗掉許多電能，調速后的機械特性比較“軟”，不理想。 而改變電動機定子側供電電源的輸入頻率，即可改變電機的同步轉速和電機轉子額定轉速。但頻率下降會導致磁通的增加，造成磁路飽和，勵磁電流增加，功率因數(shù)下降

21、，鐵心和線圈過熱，顯然這是不允許的。為此，要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率與電壓協(xié)調控制，該協(xié)調控制的裝置就稱為變頻器。在起重機上調速，電機產(chǎn)生的最大轉矩不能變，這就需要維持磁通不變。現(xiàn)在使用的精確交流控制系統(tǒng)多為矢量控制，其基本點是控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉距和磁場2個分量，經(jīng)過坐標變換實現(xiàn)正交和解耦控制。直接轉矩與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是采用瞬態(tài)轉矩的控制方式，把轉矩直接作為被控制量來控制，其性能類似于他勵直流電機特性。門機的運行過程首先是全車通電，PLC控制器和變頻器得電后，進行初始化自檢和診斷。開機時PLC控制器

22、先將接收到的駕駛室操縱桿信號，轉換為調速系統(tǒng)可直接處理的數(shù)字信號，然后通過Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡傳送到相應的變頻器上，在完成PLC控制器對變頻器控制的同時，還將變頻器的運行狀態(tài)，通過通訊網(wǎng)絡Profibus現(xiàn)場總線，反饋到PLC控制器上，實現(xiàn)對整機狀態(tài)的實時控制。變頻器將所得到的信號再處理后輸送到下端變頻電機，使電機平穩(wěn)的起降、旋轉作業(yè)，最終將貨物裝卸完畢。4 PLC在門座式起重機中的應用（以變幅機構為例） 由于四大機構的主要動作均是由電機的正反轉所控制，各機構的電氣控制原理是相通的，所以本文主要以門機的變幅機構為例描述其PLC變頻器控制系統(tǒng)。4.1 變幅機構的基本工作原理 圖2 主電路

23、注：主開關3QS; 熔斷保護3FU;熱保護3FR;過電流3KI1,3KI2;電機正反轉3KMR,3KMF;制動KA33，KA34 圖3 控制電路注:K1,K2,K3,K4,K5主令控制器觸頭；KMR3，KMF3電機正反轉；3SQ1，3SQ2增減幅限位；KM1,KM2,KM3,KM4加速接觸器；KT1，KT2，KT3，KT4接觸器閉合的時間控制；3KI1，3KI2熱保護門機變幅是由電動機3M帶動減速箱和單齒條傳動機構來實現(xiàn)的，變幅機構的主電路如圖紙所示，變幅用電動機3M，經(jīng)由三相閘刀3QS，正、反轉接觸器KMF3、KMR3，從電網(wǎng)獲得電能，其中兩相電源線上串有過電流繼電器線圈，作為3M的過電流保

24、護之用。電動機轉子中接有啟動電阻。3KM13KM4是加速接觸器。3YM1、3YM2是電力液壓推桿上的油泵電動機，他們得電后，制動閘瓦松開，3M可以自由轉動。齒條傳動變幅是由齒輪減速箱的齒輪與齒輪密切嚙合完成的。由于慣性大，并且是鋼制結構，如果制動太快，沖擊力就很大。一個制動器制動過快，因而用兩個制動器分兩級分別制動，在第一級制動時，制動轉矩最小，允許由一些轉動，第二級制動時才完全停止，這樣就制動平穩(wěn)了。3KA3是控制3YM2的中間繼電器。3FU是制動器電器設備的短路保護熔斷器，F(xiàn)R是電動機3M的長期過載保護用的熱繼電器。變幅機構的啟動調速過程： 以增幅為例，主令開關處中位零檔時，線圈3KA3失

25、電，兩臺液壓推桿制動器閘瓦報警電動機3M，3M不能運轉. 主令控制開關扳到左1擋，主令開關觸點K2閉合，使得線圈KMR3得電，串在K4后的常開觸電閉合，同時一級制動器3YM1得電松閘，為電機運行做準備。主令開關扳到2擋，主令開關觸點K2，K4閉合，使得線圈3KA3，KT1，KMR3得電，線圈3KA3得電，使得主電路中3KA3閉合，3YM2得電，使得二級制動器松閘，電機帶全部電阻低速運行。與此同時線圈KT1得電，KT1常開觸電延時閉合，一段時間后，3KM1線圈也得電，切除第一級電阻，電機3M速度上升。主令開關扳到3檔，主令開關觸點K2，K4，K5均閉合。除以上的功能運轉不變外，經(jīng)過KT2的延時，

26、線圈3KM2得電，常開觸點閉合實現(xiàn)自鎖，二級電阻切除，同時3KM2的常閉觸點斷開，KM1線圈失電，保護電路。接著由于有線圈KT3得電，觸點KT3常開延時閉合，延時閉合后，3KM3得電，三級電阻切除，同時線圈KT4得電，觸點KT4延時閉合，線圈3KM4得電，四級電阻切除，電動機全速運轉，變幅速度最大，線圈3KM4得電的同時，實現(xiàn)自鎖，同時之前的3KM1至3KM3加速接觸器的觸點都在每一級加速過程中得到切除。電動機3M的制動過程如下： 電動機起動時，3KA3，KT1立即得電，油泵電動機3YM1，3YM2轉動，松開制動閘瓦。欲使3M停轉，可以將LK1手柄回零，3YM1制動器失電抱閘，一級制動實現(xiàn)，但

27、是其制動力矩設置較小，不能完全制動，此時3KA3也失電，二級制動實現(xiàn)，電機停止更加平穩(wěn)。變幅機構的保護措施： 除在主電路分析中提到的3M 過流保護（3KI1，3KI2），3YM2的熱保護（3FR）及短路保護（FU）外，還有3KMF，3KMR之間的連鎖保護，主令控制器的K1觸頭與KV3配合完成的零位保護和失壓保護。變幅機構的特有保護是增幅，減幅限位保護,3QS1與3QS2是變幅限位開關。當增幅到極限位置時，3QS2 的常閉觸頭斷開，KMR3失電而釋放，3M失電，進行分級制動，直至停止增幅。此時司機可把主令控制器手柄拉到減幅的位置，適當?shù)臏p幅。減幅限位保護由3QS1承擔，其工作原理與增幅限位保護相

28、同。4.2 變幅機構的PLC設計 在進行PLC的設計時，我們首先要注意其選型問題，根據(jù)所涉及的功能要求，使用環(huán)境，資金投入等方面進行綜合的考慮，最終選出適合于企業(yè)生產(chǎn)的專業(yè)型號。就變幅機構而言，在這里我們主要考慮以下幾點：輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算。變幅機構的輸入包括主令控制器五個檔位，熱保護，限位保護以及過流保護共計12個；輸出包括正反轉，加速接觸器以及制動器共計7個，但實際工作中應留有一定的余量；功能選擇。所需要的功能包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等；經(jīng)濟方面，我們應從實際需要出發(fā)，不要貪圖新穎，先進，滿足實際需求即可；適當考慮維修師傅掌握知識的程度。為此

29、三菱FX3U-48M足以滿足以上所有要求。現(xiàn)場器件內部等效繼電器地址號說明 輸 入 LK:1,2400變幅零位檔LK:3，4401變幅增幅LK:5，6402變幅減幅LK:7, 8403變幅多速檔一LK:9，10404變幅多速檔二3QS405總開關3FR1406熱繼電器一3FR2407熱繼電器二SQ1410增幅限位保護SQ2411減幅限位保護3KI1412變幅過流保護3KI2413變幅過流保護 輸 出3KMF430變幅增幅3KMR431變幅減幅3KA4323YM2制動3KM1433多速設定一3KM2434多速設定二3KM3435自動調速一3KM4436自動調速二 圖4 輸入輸出地址表 圖5 PLC外部接線圖注：3QG 主令控制器 ； 3FR1，3FR2 熱保護； SQ1 ,SQ2 增減幅限