基于PLC控制的变频调速在门式起重机中的设计.doc

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1、08届 分类号TM0 单位代码：10452 毕业论文（设计）基于PLC控制的变频调速在门式起重机中的设计姓 名 徐崇斌 学 号 200407340166 年 级 2004 专 业 电气工程及其自动化 系（院） 物理系 指导教师 李玉廷 2008年3月8日摘 要 主要设计了矢量变频器在门式起重机中的具体应用方式，以及触摸屏在变频调速中的灵活运用。首先讨论了门式起重机的负荷特点、调速方法、变频调速系统要点;然后，概括分析和总结了目前应用于起重机的主要调速方法的特点和存在的问题，并与变频调速进行了分析和比较，得出了利用变频调速的优点，进而对各种控制参数的设计进行了分析与研究，设计出具体的电气线路图以

2、及实物接线图，最后做出效果分析。关键词： 可编程控制器；变频器；门式起重机ABSTRACTIn this paper the Inovance inverter of applied to gantry crane and the flexibile uses of PLC and Human-machan interface to very-frequence very-speed are described. Paper firstly discusses the gantry crane characteristics of the load, speed, points of the

3、Frequency Control System, then generally analysis and summaries the current governors main method that crane used, and problems in, and analysis and compares the current method with VVVF to take the advantages of the use of VVVF, then, the design of the various control parameters is researched and s

4、pecific physical and electrical wiring diagram is designed, finally, the effect analysis is made.Key words: Programmable Logic Controller (PLC) ；Inverter ；Gantry crane目 录1 绪 论11.1门式起重机的负载特点11.1.1门式起重机的机构类别11.1.2门式起重机的负载特点11.2门式起重机的调速方法和节能比较11.2.1拖动系统的传统调速方法11.2.2绕线转子异步电动机调速时的功率损耗21.2.3变频调速时的功率损耗31.3

5、门式起重机变频调速系统要点41.3.1必须注意的问题41.3.2变频器容量的选择42 门式起重机变频调速控制系统设计52.1起重机变频调速控制系统的组成及特点52.1.1起升变频调速控制系统52.1.2大车走行变频调速控制系统62.1.3小车走行变频调速控制系统62.1.4触摸屏(CRT)控制系统62.2起升装置、大车、小车走行机构电气传动系统设计72.2.1技术指标72.2.2小车走行电气系统82.2.3大车走行电气系统82.2.4起升机构电气系统92.2.5操作及控制电气系统102.3 40吨门式起重机电气线路图102.4效果分析14结 论15参 考 文 献16谢 辞171 绪 论门式起重

6、机是一种用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运设备，在生产过程中有着重要的应用。传统的门式起重机调速方法如：转子串电阻调速，定子调压调速和串级调速，它们都有各自的缺点，已不能满足工业生产的要求。由于交流变频调速传动技术具有巨大的优势，因此，将变频调速应用到门式起重机的控制系统中。同时，加上了PLC和触摸屏的配合运用，使得本设计有着巨大的使用价值。1.1门式起重机的负载特点11.1.1门式起重机的机构类别门式起重机的基本机构类别有以下两种：（1）起升机构即重物上升或下降的机构，这是门式起重机的基本功能。（2）运行机构即门式起重机平行移动的机构，它分为大车走行机构和小车

7、走行机构。1.1.2门式起重机的负载特点门式起重机的各类机构都属于恒转矩负载。此外，不同的机构还具有各自的特点:（l）起升机构由于重物在空间具有位能，因此，是位能性负载。其特点是：重物上升时，电动机克服各种阻力（包括重物的重力、摩擦阻力等）而做功，属于阻力负载；重物下降时，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力（位能），因此，当重物的重力大于传动机构的摩擦阻力时，重物本身的重力（位能）是下降的动力，电动机成为了能量的接受者，故属于动力负载。但当重物的重力小于传动机构的摩擦阻力时，重物仍须由电动机拖动下降，仍属于阻力负载。（2）室内起重机的运行机构都是阻力负载，室外起重机有时在较大的风力作用下成

8、为动力负载。1.2门式起重机的调速方法和节能比较1.2.1拖动系统的传统调速方法2门式起重机各部分的拖动系统，一般都需要调速，由于异步电动机与其他电动机相比，有着无可匹敌的优点:结构简单坚固，易于维护。因此，在变频调速问世之前，已经发明了多种调速方法，获得了广泛的应用。例如：增大或改变转子回路内电阻的调速、电磁调速电动机等。比较常见的是采用绕线转子异步电动机，其主电路如图1所示。调速方法是通过集电环和电刷在转子回路内串入若干段电阻，由接触器来控制接入电阻的多少，从而控制转速。图1 绕线转子异步电动机的主电路1.2.2绕线转子异步电动机调速时的功率损耗如图3所示，异步电动机的自然特性为曲线（1）

9、，当负载转矩为时，工作点为A图2 机械特性及转子能量图的关系点。转子侧的能量分配如图2（b）所示，转子回路中的能量损耗是很小的。图3 转子功率分配的比较（a）转子串入电阻 （b）变频凋速时当异步电动机的转子回路中串入电阻后，机械特性如图3（a）中的曲线（2）所示。这时，机械特性变软，在转矩不变(仍为)的情况下，拖动系统的工作点由A点移至B点，如图3（a）所示，转速由下降为。功率分配情况的变化如下: （1-1）（1）同步转速未变，故电磁功率，与未调速前相同。（2）电动机轴上的转速为，输出功率。将随之下降。（3）电动机的功率损耗为 （1-2）功率分配如图3（a）右侧所示。可见，功率损耗在电磁功率中

10、所占的比例是相当大的。事实上，转速的下降(或者说，机械功率的减少)是通过在转子的外接电阻中消耗能量来实现的。并且，转速越低，机械特性越软，功率损耗在电磁功率中所占的比例也越大，是很不经济的3。1.2.3变频调速时的功率损耗异步电动机在改变频率后，其机械特性基本上与自然机械特性平行。所以，在不同转速下的转差大致相等，如图3b中的曲线（3）所示，当负载转矩为时，拖动系统的工作点为C点。这时（l）同步转速下降为，故电磁功率也随之下降。 （1-3）（2）电动机轴上的转速也是，故输出功率与上面相同。 （1-4）（3）电动机的功率损失为 （1-5）可见，功率损耗与额定转速时基本相等，如图3（b）右侧所示。

11、所以，两种调速方法相比，变频调速的功率损耗要小得多，节能效果是十分显著的。此外，如果变频调速系统再配上电源反馈选件，则在吊钩下放重物时，还可将重物释放的位能反馈给电源，进一步节电4。1.3门式起重机变频调速系统要点1.3.1必须注意的问题（1）重物上升时起动转矩较大，通常在额定转矩的150%以上。考虑到在实际工作中可能发生的电源电压下降以及短时过载等因素，一般情况下，起动转矩应按照额定转矩的150%180%来进行选择，即 （1-6）（2）因为各部分的拖动系统都有机械式制动器，所以，必须充分考虑电动机在起动与制动时与机械式制动器动作之间的配合。这一点，在起升机构中尤其重要。（3）起升机构中，上升

12、时在重物刚离开地面的瞬间，以及下降时在重物刚到达地面的瞬间，负载转矩的变化是十分激烈的，应引起注意。（4）起升装置在调整缆绳松弛度时，以及移动装置在进行定位控制时，都需要点动运行，应充分注意点动时的工作特性。1.3.2变频器容量的选择在门式起重机中，因为升、降速时的电流较大，应求出对应于最大起动转矩和升降速转矩的电动机电流5。通常，门式起重机用变频器容量按以下步骤求出：（1）恒定负载上升时的电动机容量（kW） （1-7）式中-额定重量（kg），具体计算时，应考虑须有125%的过载能力； -额定线速度（m/min）； -机械效率。（2）变频器容量变频器的额定电流可由下式求出6： （1-8）式中是

13、，-所需最大转矩/电动机额定转矩； - 1.5(变频器的过载能力)； -1.1(余量)。2 门式起重机变频调速控制系统设计起重机变频调速控制系统采用变频技术、可编程控制器（PLC）技术和触摸屏控制技术，通过软硬件开发以及各种控制参数的设计，根据起升重量的变化自动切换起升工作速度和大、小车走行速度，实现平滑的速度调节。适用于装卸机械的升降、走行系统控制，适应了铁路、港口等行业向集装化运输发展的需要。该设计具有以下特点:（l）全中文信息显示；（2）明显改善钢结构性能；（3）调速范围宽、性能好；（4）结构简单、可靠性高、易维护；（5）提高工作效率和起重能力；（6）节能效果显著。2.1起重机变频调速控

14、制系统的组成及特点起重机变频调速控制系统主要由起升变频调速控制系统、大车走行变频调速控制系统、小车走行变频调速控制系统、触摸屏（CRT）控制系统四部分组成7。2.1.1起升变频调速控制系统主要由起升专用变频器、可编程控制器、负荷重量测控仪、变频电机及保护电路等组成。主要有以下特点:（l）采用变频调速和可编程控制技术，具有技术先进、安全可靠等特点。（2）起升系统采用一套卷扬系统，代替原先两套主、副卷扬系统，减轻小车自重。（3）重量信号由OCXB重量测控仪将重量值传输给控制系统，实现升降速度的自动切换，根据吊钩所吊重量的不同，自动切换空钩、副钩、主钩三种工作速度。（4）起升速度切换实现无级调速。（

15、5）具有防止起升电机下滑的闭环控制系统。（6）起升和停止与机械制动器有效匹配9。2.1.2大车走行变频调速控制系统主要由变频器、可编程控制器及控制电路组成。主要有以下特点:（l）采用变频调速和可编程控制技术，具有技术先进、安全可靠等特点。（2）大车各档走行速度切换实现无级调速。（3）限位控制保护。（4）平滑加减速运行。（5）启动、停止时与制动有效匹配。2.1.3小车走行变频调速控制系统主要由变频器、可编程控制器、有效悬臂检测装置等组成。主要有以下特点:（l）采用变频调速和可编程控制技术，具有技术先进、安全可靠等特点。（2）小车各档走行速度切换实现无级调速。（3）限位控制保护。（4）启动、停止时

16、与机械制动器的有效匹配。（5）平滑加减速运行9。2.1.4触摸屏（CRT）控制系统主要有以下功能:（l）即时反映工作状态、总工作时间。（2）进行系统控制参数（包括运行频率、正反转指令）设定。（3）触摸屏系统外加一套手动/自动控制起升速度切换，以防止重量测控仪出现故障时影响正常使用，司机（操作人员）可采用手动方式实现速度自动切换。（4）提供即时故障及对策显示、故障频次表和故障历史，方便技术人员维护检查。（5）通过触摸屏系统方便了起重机的管理，提高了系统管理水平，可对各类人员受权密码，并按一、二、三个等级进行系统开机工作。（6）通过触摸屏系统可对外围设备及各种运行动作进行系统测试，方便检查系统故障

17、点11。图4 起重机变频调速控制系统触摸屏界面2.2起升装置、大车、小车走行机构电气传动系统设计2.2.1技术指标（l）额定起重量:40t（单钩）40t-16t 10.41 m/min16t-1.2t 15 m/min1.2t以下 20 m/min1)要求90%Te时，发出断续的报警声，显示重物重量（工作正常）；2)要求105%Te时，发出连续的报警声，2秒后自动切断起升接触器电源，显示重物重量：(停止工作)。3)要求120%Te时，发出连续的报警声，立即自动切断起升接触器电源，显示重物重量：(停止工作)。（2）升降速度:0-20m/min。（3）大车走行速度:0-5lm/min。（4）小车走

18、行速度:0-53m/min。（5）负载重量信号精度:3%以内。（6）电源电压:323V418V 频率:50Hz士5%。（7）环境温度:-10+50。（8）节省电率:20%以上。2.2.2小车走行电气系统（l）电动机的选择:根据小车满载运行时电动机所需的容量并考虑起动惯性力(不利因素)及电动机有较大的起动转矩倍数和欠载的影响，根据以下公式初选小车电动机，再验算起动加速度。 （2-l）式中: -额定重量（包括小车自重和额定升重量）（kg）-移动阻力系数-额定速度-机械效率电动机采用YZ160M1-6 6.5kW 两台 =12.5A =933rpm =40%。（2）变频器及制动单元的选择:变频器的选

19、择是根据变频器选择条件，即变频器的功率要两台小车电动机的功率之和；变频器的额定电流要小车电动机的额定电流。调速系统采用日本安川公司G5A4Ol8.5（功率为18.5kW）变频器及制动单元。（3）减速箱的型号依据承载能力、强度验算，初步选型为ZSC600-V-3/4速比31.5。2.2.3大车走行电气系统（l）电动机的选择:与小车走行电动机选择方法类似，但在移动阻力中还须包括风阻和由于移动路径的倾斜度（水平度）而加大的阻力等。为此，电机采用YZ180L-8 11.0kW 4台=25.8A =694rpm；=40%。 （2）变频器及制动单元的选择：与小车走行电动机调速系统变频器及制动单元的选择方法

20、相同，变频器采用G5A4075（功率为75kW），1台、制动单元采用CDBR4O30，2台，制动电阻为RXHG20-2-60，8根。（3）减速器的型号依据承载能力、强度验算，由工厂根据设计要求确定工厂初步选型为ZSC750-IV-3/4 速比34.4。2.2.4起升机构电气系统（l）电动机选择8电动机的容量根据以下参数进行选择:额定起重量:40吨(单钩)起升速度:10.41米/分减速器:ZQ850 I=3l.5（其装配形式应根据电机接线盒的位置决定）滑轮组倍率:m=5起升静功率的计算: （2-2）按重级工作制取值为0.91.0，验算得出: 因此电动机初步选型为 YZB315S2-8 75kW，

21、=152.5A，=955NM速度验算:米/分因此，电机选用上海起重电机厂起重专用变频电机，型号:YZB315S2-875kW =40%。考虑到起升系统采用变频调速实现主、副钩两套装置，其速度要求分为空钩、副钩、主钩三种速度，电机要求调速范围为0100Hz，一般电机难以达到要求，故选用起重专用变频电机，有以下几方面的改善:a.专用变频电机的调速范围广，在闭环控制条性下，550 Hz为恒转矩调速，50100Hz为恒功率调速:b.电动机的绝缘等级为F级，绝缘结构具有对变频器输出高频载波频率电压的适应能力;c.电机采用独特的冷却结构，使用单独的冷却风机强迫风冷，保证了电机在低速恒转矩长期运行时不发生过

22、热现象；d.过载能力能够承受额定转矩的200%过载，满足125%额定起重量的静载试验。（2）变频器选择根据吊机起升系统起动转矩大、启停频繁、能量变化剧烈等特点，变频器及附件初步选型如下:变频器CIMR-G5A4ll0(日本安川) l台制动单元CDBR4220(日本安川) l台制动电阻RXHG20 18根采用田本安力I公司CIMR-G6A变频器，具有如下的特点:a.具有全程磁通矢量控制点，具有可靠的力矩控制，采用磁通检测和神经网络控制技术，直接控制电动机的力矩；当采用PG闭环控制时，可以提供零速全转矩控制。b.具有宽范围的精确控制，不论负载如何变化，都能从1/100低速度至高速度的高精度运转。c

23、.将有害的输入波形畸变减至最小，减小了电机噪音。d.优秀的伺服响应特性，对急速负载波动有很强的适应性。e.功能齐全的多功能输出端，方便了控制。（3）减速器型号依据承载能力、强度验算，由设计要求初步选择为JZQ850-III（速比i=31.5）。2.2.5操作及控制电气系统（l）驾驶室内配有大屏幕LED显示器，用于显示货物重量、工作电压、电流及人机界面操作系统，方便操作者随时对门吊所处状态的监视，保证安全操作。（2）采用凸轮控制器进行大、小车及升降调速控制。2.3 40吨门式起重机电气线路图（l）全变频门吊电气系统构成框图图5 全变频门吊电气系统构成框图（2）起升走行PLC接线图13图6 起升走

24、行PLC接线图（3）全变频门吊控制系统线路图图7 全变频门吊控制系统线路图（4）全变频门吊起升控制原理图(凸轮控制器)图8 全变频门吊起升控制原理图（5）全变频门吊大、小车控制原理图(凸轮控制器)图9 全变频门吊大、小车控制原理图2.4效果分析采用变频调速和可编程控制技术控制门吊起升、大、小车系统，不仅可以明显提高龙门吊的安全性、可靠性，而且可以提高装卸效率，降低能源的消耗，降低维修费网，减少劳动强度。满足其工况和作业需要，适应装卸作业向集装箱化运输方向发展的要求。主要表现在:（l）明显改善钢结构性能使用该产品后起升机构、大车、小车走行结构运行平稳，制动冲击小:通过软件实现了大车、小车走行的零

25、位控制功能，有效地防止了司机打反档作业，确保了传动件的使用寿命。（2）调速范围宽、性能好系统设有起升、大、小车走行各五档工作速度，操作者可根据负载的变化情况，随时修改各档速度值，实现有级调速：或者通过操作电位器实现无级调速。结 论起重机变频调速控制系统采用速度、电流双闭环控制，稳定性好，响应快，可靠性高。能够较为简单的实现起重机多电机、同步驱动功能。同步驱动精度高，适用于各类型起重机大车、小车机构的多电机同步驱动。整套变频调速系统的线路简单，安装方便，只需要连接电源线、定子线、转子线及主令控制线即可使用。起重机采用变频器驱动后使整机性能有较大提高，如效率高、功率因数好、节能效果显著;外部配线简

26、单、配线费用下降；可无级调速、行走平滑稳定;电动机构造简单、可靠性高，能在恶劣环境下使用，大大减少了维修工作量和易损部件，极大地改善了维护性能;变频器自身保护功能齐全，如过流、过载、过压等都能及时报警及停止，减少了起重机故障，提高了安全性能。同时，变频器具有限流作用，软起动可以减少起动时对电网的冲击，有利于车间内其它设备正常运行。变频调速系统运行特性良好、经济、可靠，特别适合于国产起重机电气系统配套和改造，符合国家能源和交流调速技术的发展方向，具有很高的经济价值和广阔的市场前景。参 考 文 献1 刘哲明.30t/42m门式起重机力学分析及结构参数优化D. 西南交通大学,2006.2 姚志林.1

27、0t门式起重机结构强度研究J.建设机械技术与管理,2006,(07):3-15.3 常春影.门式起重机结构动态特性分析J. 起重运输机械2006,(02):1-15.4 刘庆德.变频调速系统在门式起重机中的应用D. 大连理工大学,1999.5 黄立培,张学编.变频器应用技术及电动机调速M.北京:人民邮电出版社,1998.6 陈仕伟.S7-200PLC在交流桥式起重机中的应用J.起重运输机械,2006,(11):1-20.7 刘刚.冶金起重机电气系统的改进J.起重运输机械 2008,(01):12-40.8 廖常初.PLC基础及应用(第2版)M.北京:机械工业出版社,2003.9 刘小庆. 基于

28、PLC控制的变频调速在桥式起重机中的应用D.大连理工大学,2005.10 刘国平.基于变频器的电梯PLC控制系统的设计D.武汉科技大学,2005.11 王继东.变频调速在桥式起重机中的应用D.西南交通大学,2000.12 张燕宾.SPWM变频调速应用技术M.北京:机械工业出版社,2002.13 吴忠智.吴加林.变频器应用手册M.北京:机械工业出版社,1995. 14 张万忠.可编程控制器应用技术M.北京:化学工业出版社,2002.15 李俊秀、赵黎明.可编程控制器应用技术实训指导M.北京:化学工业出版社,2002.谢 辞感谢我的指导教师李玉廷老师，他在教学中治学严谨，对学生认真负责，严格要求，在论文的编写过程中，他不辞辛苦的地帮助查找论文资料，讲解论文的写作要求，认真负责审阅修改论文，致以崇高的敬意和良好的祝愿。感谢学校提供优越的学习资源和良好的学习环境。感谢物理系领导和所有代课教师，他们的教导给予我丰富的知识，为论文的完成打下坚实的基础。感谢宿舍兄弟对我的关心和爱护。感谢我的父母多年对我的教诲和激励。感谢普天之下舐犊情深的父母们。仅以此文为毕业献一份厚礼，为大学4年作一个圆满总结。 2008年3月8日