本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题目：基于变频技术桥式起重机电气设计

基于变频技术桥式起重机的电气设计

摘要

桥式起重机作为物料搬运系统中一种典型设备,在企业生产活动中应用广泛作用显著,因此对于提高桥式起重机的运行效率,确保运行的安全可靠性,降低物料搬运成本是十分重要。传统的桥式起重控制系统主要采用继电器接触器进行控制,采用交流绕线串电阻的方法进行启动和调速,这种控制系统存在可靠性差,操作复杂,故障率高，电能浪费大,效率低等缺点。因此对桥式起重机控制系统进行研究具有现实意义,也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。

本文针对桥式起重机控制系统中存在的问题，通过把可编程控制器和变频器应用到桥式起重机的控制系统上，来代替传统的转子电机串电阻调速。介绍了传统桥式起重机的调速原理和PLC、变频器在桥式起重机上的应用原理。并且阐述了变压器、继电器、变频器的选型计算和选型依据。介绍了变频桥式起重机电气设计的主回路接线图、抱闸回路以及PLC与变频器的连接图。、小车、主钩和副钩的控制程序进行了简单的说明。

把PLC和变频器应用到桥式起重机的控制系统上，大大改善了起重机的调速性能，提高了工作效率，提高了桥式起重机使用的安全可靠性，并且有显著的节能效益。

关键字：可编程控制器；桥式起重机；变频调速

DesignOfElectricalFrequencyConversionTechnologyBasedOnBridgeCrane

ABSTRACT

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

目录

摘要

ABSTRACT

第一章基于变频器和PLC改造桥式起重机的必要性

1.1桥式起重机的应用

1.2桥式起重机电气传动技术在国内外的发展状况

1.3本课题的研究意义及主要内容

1.3.1传统起重机控制不利因素

1.3.2桥式起重机电气设计后的优点

1.3.3本课题研究的主要内容

第二章矢量控制变频调速

2.1变频调速的基本原理

2.2变频器的基本结构

2.2.1变频器的主电路

2.2.2变频器的控制电路构成

2.3变频调速的控制方式——矢量控制方式

2.3.1矢量控制的基本思想

2.3.2矢量变换规律

第三章变频调速桥式起重机系统总体方案设计和部件选型

3.1桥式起重机系统简介及起重机基本数据

3.1.1桥式起重机的构造

3.1.2各机构组成和特点

3.1.3传统桥式起重机机的电气控制系统

3.2系统的部件设计

3.2.1电机的选用

3.2.2变频器的选用

3.2.3常用辅件的选择

第四章可编程序控制器在桥式起重机变频控制系统中的应用

4.1PLC概述及其系统组成

4.1.1PLC概述

4.1.2PLC的系统组成与各部分的作用

4.2本系统中可编程序控制器的选取及其特点

4.2.1PLC系统选型一SIEMENSS7一300

4.2.2S7一300的特性

4.2.3S7一300工作原理

4.2.4PLC型号选择依据

4.3变频调速起重机控制系统设计

4.3.1系统控制的要求

4.3.2控制系统的1/0点及地址分配

第五章桥式起重机的电气接线以及PLC编程

5.1主回路接线图

5.2PLC与变频器的连接图

5.3PLC编程设计

5.3..1PLC编程软件概述

5.3.2PLC程序设计

5.3.3对应WinCC--运行系统来说明上述程序实现的效果。

参考文献

附录A

致谢

第一章基于变频器和PLC改造桥式起重机的必要性1.1桥式起重机的应用

桥式起重机是现代工业生产和起重运输中实现生产过程机械化、自动化的重要工具和设备。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。所以桥式起重机在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所均得到广泛的运用。

桥式起重机主要由主钩、副钩、大车和小车四部分组成。大车轨道敷设在两侧立柱上,大车在轨道上纵向移动;大车有小轨道,供小车横向移动;主钩和副钩都装在小车上,主钩为提升重物,副钩除提升轻物,也协助主钩翻转或倾倒工件用,不。

桥式起重机实现的控制

1.重物应能沿着上、下、左、右、前、后方向移动，且能在立。除向下运动外，其余五个方向的终端都应设置终端保护。

2.要有可靠的制动装置，即使在停电的情况下，重物也不会因自重落下。

3.应有较大的调速范围，在由静止状，应从最低速开始逐渐加速，加速度不能太大。

4.为防止，。一般采用过流继电器作为电路的过载保护。

5.要有失压保护环节。

6.要有安全措施。

1.2桥式起重机电气传动技术在国内外的发展状况

电气调速控制的方法有很多，对直流驱动来说60年代采用发电机—电机系统。从切割电阻分级控制，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闸管主流供电系统，随着电子技术的飞速发展，集成模块的出现，计算机和微处理器的应用，因此控制从模拟量控制发展到今天的数字量控制。

对交流驱动来讲，常规的采用绕线式电动机转子串电阻调速方式，为满，常采用能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转子反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的发展，国内外开发研制出变频调速，PLC可编程控制器的应用使控制系统的性能更加完美。目前世界常用几种调速装置及性能：

1.DC一300直流驱动调速系统:GE公司DC一300、DC一2000是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统,其控制功率从300HP到40O0llP,并采用PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。

该驱动系统实施主回路SRC整流,其控制是给定电压反馈,对磁场弱磁,以实施“恒功率控制。模拟量通过数模转换成数字量,可用测速反馈或通过速度环!电流环到SCR移现触发的逻辑无环流的调速系统。

2．交流调速控制系统:对于起重机械来讲,交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的发展,早在六十年代后期,国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前,该技术己进入了成熟稳定的发展应用阶段，1972年就正式定为VS系列,应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发，借助电力电子技术、微电子技术的发展,由分离元件发展到大规模集成电路,从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化,进而从模拟量控制发展到数字量控制。可编程序控制器PLC引入到交流电气传动系统后,使传动系统性能发生了质的变化，在桥式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等,达到了新的技术高度。

3.变频调速:变频调速技术是国际上各大电气公司在70年代末80年代投入全力研制、开发,也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向，这几年一些公司如德国SIEMENS、美国GE、的矢量控制技术,大功率的IGBT模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。目前,变频调速的控制方法有恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等这些控制方法都得到了不同程度的应用,但其控制性能有一定的差异。

直流电动机之所以与有良好的控制性能,其根本原因是当励,控制电枢电流的的大小，异步电电动机相同,像采用恒压频比控制、转差频率控制的变频调速系统由于是从控制电动机的平均转矩的角度出发来控制电动机的转速,因而难以获得较理想的动态性能,异步电动机在高精度调速系统和伺服系统中的应用受到限制，而矢量控制是从根本上解决了这个问题,使交流调速系统的应用范围迅速扩大。

适用于通用的鼠笼式电动机,无速度传感器的矢量控制变频调速技术的应用一该技术使变频控制装置不再配套专用电机,而且可通过软件对一般的鼠笼式电机一矢量控制装置实施参数调整,进一步降低电气电机的投资而且维护保养方便，变频器使用PWM技术可严格地使输入电流正弦即在下降过程各机械减速制动中,将动能和位能转化为,达到理想的节能指标,,上述发展已完成了产,对变频0装置在技术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有明显的优势。PLC系统的不断成熟与完善,以及大容量变频器在位能负载上的成功应用,变频调速系统必将成。

1.3本课题的研究意义及主要内容

传统桥式起重机的电力拖动系统采用绕线式交流异步电动机,依靠串入转子回路的多段外接电阻进行调速(以下简称传统调速)。传统调速采用凸轮控制器、继电器、接触器控制,属于传统的有接点控制系统,虽实现简单,但存在以下不足。

1.3.1传统起重机控制不利因素

（1）设备故障率高。因工矿企业工作环境差,粉尘、腐蚀性气体等接触器等的磨损、腐蚀较大,。接触器等在传电、,因此在频繁工作过程中很容易出故障或烧损。

（2）控制线路复杂。电机调速级数越多,需要接入的接触器就越多,控制线路就越复杂,排除故障就越困难。

（3）热功率损耗大。属能耗启动、调速、制动,转子回路串入电阻后,电机损耗功率以热能形式释放,能量不能回收。所串电阻长期发热。电能损耗、浪费大,效率低。

（4）手柄有级逐档变阻调速方式,换档过程速度变化大、中间速不稳定,机电冲击大,影响电机、电器、减速机、连轴器、钢丝绳等的使用寿命。

（5）电阻器元件属发热元件,容易出现发热松动、高温变形、过流烧断、元件碰触（短路）、绝缘损坏（接地）。

（6）制动器制动是在运动状态下进行的,对制动器损害很大,闸皮磨损严重。[7]

(7)串电阻调速属能耗型转差调速,在电机起动、元件,浪费大量电能;受调速电阻的限制,调速范围窄,起动转矩小、,生产效率较低;式,平滑性差,、联轴器、钢丝绳等机械部分带来不可避免的冲击。

(8)继电器���接触器控制系统可靠性差,操作复杂,故障率高。接触,电机调速电阻烧损、;,接触器触头容易拉弧,甚至产生粘连,造成安全事故。

(9)运动状态下进行的系统抱闸,对制动器损害很大,闸皮磨损严重,且存在溜钩安全隐患[3]。

要从根本上解决这些问题,只有彻底改变传统的控制方式。近年来,随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展,控制领域的发展。其中,具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用,为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机系统提供了有利条件，变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高,可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题,变频调速以其可靠性好,高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景[4]。

由于起重机行业的特殊性,变频调速系统的应用相对滞后。采用变频调速取代传统的起重机控制系统是近几年才开始应用的新技术[5]。无论是在起重机老产品还是新产品设计,变频调速都是优选方案，变频调速装置的先进性能特别适用于起重机的恶劣工况,对改善起重机的调速性能,提高工作效率和功率因数,减小起制动冲击以及增加起重机使用的安全可靠性是非常有益的，相比较发达国家而言,我国的相关技术水平差距较大，主要技术难度体现在:对起重机对电控系统运行的稳定性和可靠性要求愈来愈高,起重机的起重量及运行速度等技术参数越来越大,起重机的自动化程度越来越高,起重机对管理和通讯的性能要求越来越严格。为此,有必要对桥式起重机电控系统的应用研究。由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统,是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果,符合起重机的发展趋势,适合发展大起重重量的起重机;提高工作速度、扩大调速范围;提高金属结构、机构和电气设备的可靠性和使用寿命;改善司机操作的条件,保证作业安全,提高自动化控制程度和扩大远距离控制系统的使用范围尤其是把它们应用到作业频繁的仓库堆垛起重机和环境恶劣的冶金起重机上也符合起重机向大型化、高效率化、无保养化和节能化发展，向自动化、智能化、集成化和信息化发展的方向[6]。

1.3.2桥式起重机电气设计后的优点

如果改善上述的桥式起重机的弊病，将会使桥式起重机的使用成本大大的降低。如何改善桥式起重机的弊病的思路就是，找到桥式起重机的弊病的原因，主要的原因是控制方法与调速方法的落后，原因知道了我们就要找到解决的方法。目前工业大量用PLC代替传统的控制，用变频器调速代替传统的调试系统。应用了这两种方法改善的效果如何，下面先说明下这两种方法的优点：

1.可实现平滑无级变速,与原有串电阻调速方式比较,变频调速启动更平稳、相当于无大的冲击负荷,延长了机械设备的使用寿命。有显著的节电效果,且效率极高。

2.可实现电机软启动,改善了电机启动状况。电机在满转矩启动的情况下,启动电流被抑制在150%IN之内。大大降低了电机的启动电流,延长了电机的使用寿命。降低了系统对电源容量的要求,节约了成本。

3.变频器调速的一个显著优点就是,使电机的机械硬性基本保持不变。内部集成的抱闸逻辑控制,提高了系统应用的可靠性。

4.去掉了调速电阻,可节约大量电能。

5.系统具备丰富的监测、保护功能(如过压、欠压、过流、缺相、漏电等),改善了电机的运行条件,提高了设备运行的可靠性。

6.取消了原来的调速电阻和正反向接触器,精简了电路、减少了故障点及故障机、降低了成本损耗。

7.系统调速范围大,负载特性好,具有极高的速度控制精度,有利于运行定位系统可对吊装物品的位置进行精确定位,操作员无须再如以前经常对电机采用反接制动,延长了电机的使用寿命。由于桥式起重机需要在重载之下完成频繁的起动、制动、反转、变速等操作,还要求有一定的调速范围,而传统的串电阻调速和继电器控制方式由于性能太差,无法达到更完美的效果,在科学技术和生产力高速发展的现代化生产中呈现出越来越明显的局限性,因此对这种落后的控制方式的改进十分必要。

1.3.3本课题研究的主要内容

本论文以20+20T桥式起重机为研究对象,研究了变频调速技术在起重机中的应本论文的主要内容分为如下四个部分:

(1)矢量控制变频调速原理即本论文的第二章,它首先介绍变频调速的基本原理,然后介绍了变频器的基本结构,即变频器的主电路和控制电路构成,最后介绍了变频器的基本控制方式一矢量控制方式，为下一步部分的起重机变频控制系统提供了理论基础。

(2)变频调速桥式起重机系统总体方案设计和部件选型即本论文的第三章,起重机变频调速控制系统主要由上位机(工业触摸屏系统)、下位机(PLC控制系统),变频器等组成,并选择系统各主要组成部分。

（3）PLC的概述及系统组成即本论文的第四章，介绍了PLC的组成、工作过程及其工作原理，本论文中对PLC的选型并说明选择S7—300（CPU315-2DP）的原因，并且定义了本设计所用到的I/O口。

（4）PLC编程软件的概述以及本文所涉及到的PLC程序设计，并且通过WINCC运行系统显示出程序所产生的效果。

第二章矢量控制变频调速2.1变频调速的基本原理

根据异步电机的知识,异步电机的转速公式为:n=60f(1-s)/p式(2.1)

其中:n一异步电动机的转速,单位为/rmin;

f一定子的电源频率,单位为Hz:

S一电机的转速滑差率;

P一电机的极对数

由上式(2.1)可知,如果改变输入电机的电源频率f,则可相应改变电机的输出转速在,一个.为额定值不变，磁通太弱,没有充分利用电机的磁心,是一种浪费:若要增大磁通,又会使磁通饱和,从而导致过大的励磁电流,电机。对于直流电机来说,励磁系统是独立的,所以只要对电枢反应的补偿合适,保持中,不变是很容易做到的。在交流异步电机中,磁通是定子和转子合成产生的。

三相异步电动机每相电动势的有效值是:

Eg=4.44flNlkn1Φm,式(2.2)

式中:Eg:-一气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值,单位为v;

f,-一定子频率,单位为Hz;

N,-一定子每线绕组串联匝数;

k,1一基波绕组系数;

Φm一每极气隙磁通量,单位为Wb;

由公式可知,只要控制好Eg,和f,,便可以控制磁通中二不变,需要考虑基频(额定频率)

以下和基频以上两种情况;

1:基频以下调速:

即采用恒定的电动势.有上式可知,要保持中,不变,单频率fl从额定值f,E:然而绕组中的感应电动势是难以控制的,但,可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降,而认为定子相电压U≈E,则得U/f=常值,Ul和Eg读数较小,定子阻抗压降所占的份量都比较显著,不能在忽略，,可以人为的把电压U抬高一些,以便近似的不补偿定子压降带定子压降补偿的恒功率比控制特性为b线,无补偿的为a线如图2.1所示:

2.1恒压频比控制特性

2:基频以上调速

在基,频率f可以从往上增高,但电压u磁通与频率成反比的降低,相当与直流电机弱磁升速的情况。

把基频以下和基频以上两种情况合起来,可得到异步电动机的变频调速控制特性,如图2.2所示如果电动机在不同的转速下都具有额定电流,则电动机都能在温升容许的条件下长期运行,在基频以下,属于‘恒转矩调速’的调速,而在基频以上基本上属于“恒功率调速”。

图2.2异步电动机变频调速控制特性

2.2变频器的基本结构

变频器的基本结构见图2.3

图2.3变频器的结构图

2.2.1变频器的主电路

（1）电力电子开关器件

电力半导体器件己经历了以晶闸管为代表的分立器件,以可关断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)、功率MOSFTE、绝缘栅双极晶体管(IGTB)为代表的功率集成器件(PID),以智能化功率集成电路(SPIC),高压功率集成电路(HVIC)为代表的功率集成电路(PIC)，从晶闸管发展到PID、PCI通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件，在器件的控制模式上,从电流型控制模式及发展到电压型控制模式,不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率,而且大大提高了器件导通与关断的转换速度,从而使器件的工作频率不断提高在器件结构上,从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块,继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。

（2）整流电路

一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成，它的主要作用是对工频的外部电源进行整流,并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式,可以是直流电压源,也可以是直流电流源，直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑,以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。此外,由于电动机制动的需要,在直流中它辅助电路。

（3）逆变电路

逆变电路是变频器主要的部分之一，它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路,有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断,得到任意频率的三相交流电输出，由于逆变器的负载为异步电动机,属于感性负载,无论电动机处于电动机是发电制动状态,变频器功率因素总不会为1。因此,在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换,这种无功能量就靠这之间直流环节的储能元件来缓冲，它的主要作用是在控制电路的控制下,将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源，逆变电路的输出就是变频器的输出,它被用来实现对异步电动机的调速控制。

2.2.2变频器的控制电路构成

变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分,是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣，控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。

控制算法

随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展,促进了电力变频技术新的突破性发展,70年代后期发展起来的脉宽调(PulseWidthModulation,PWM)技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略四M控制利用了采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有,其效果基本相同,冲量即指窄脉冲的面积这里所说的效果相同,指环节的输出响应波形基本相同,根据这个原理,可以用一系列等幅而不等宽的脉冲来近似正弦被,且脉冲的宽度按正弦规律变化,这种方法称为SPWM(SinusoidalPWM)。

SPWM各脉冲的宽度和间隔可以准确计算出来,按照计算结果控制电路中各开关器件的通断,就可以得到所需要的波形,但这种计算很繁琐,较为常用的方法是采用调制的方法,即把正弦波作为调制信号,把接受调制的信号作为载被,通过对载波的调制即可得到SPWM波形通常采用等腰三角波作为载波,因为等腰三角波上下宽度与高度线性关系,_巨左右对称,当它与正弦波调,的通断,就可以得到宽度正比于正弦波幅值的脉冲,这正好符合PSWM控制的要求，三角载波的频率cf和正弦调制波的频率rf之比即cf/rf称为载波比，用生成的波控制逆变器开关器件的通断,可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出电压，正弦调制波的频率rf即是逆变器的输出频率人改变rf便可改变人，三角载波的幅值为恒定,因而改变正弦调制彼的幅值就改变了矩形脉冲的面积,由此实现输出电压幅值的改变。

根据以上介绍的SPWM逆变电路的基本原理和控制方法,可以用模拟电路构成三角波载被和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,断进行控制,就可以生成SPWM波形。但这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制。微机控制技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易[7]。

变频器技术是一门综合性的技术,它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上，它与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制,有许多优点,如节电容易实现对现有电动机的调速控制!可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制容易实现电动机的正反转切换,可以进行高额度的起停运转,可以进行电气制动,可以对电动机进行高速驱动，电机在带动较大,会有较大的冲击电流,,可以实现软启动,减小冲击电流,解决大负载的启动问题电源功率因素大,所需容量小,完善的保护功能:变频器保护功能很强,在运行,并显示故障类别(、、直流过电压、功率模块过热、电机短路等),并立即封锁输出电压这种自我保护的功能,不仅保护了变频器,还保护了电机不易损坏。

2.3变频调速的控制方式——矢量控制方式2.3.1矢量控制的基本思想

矢量控制交流调速是通过坐标变换使交流电动机获得与直流电动机相似的数学模型,从而可采用类似于直流电动机的控制方,使交流调速系统获得与直流调速系统同样优越甚至更加优越的动静态特性能矢量控制的基本思想是;将异步电动机的物理模型等效变换成类似直流电动机的模型,再仿照直流电动机去控制它,等效的原则是在不同坐标中产生的磁动势相同，由电动机原理可知,异步电动机三相定子绕组电流在空间产生一个角速度为W的旋

转磁场。若有两个互相垂直的M绕组和T绕组与旋转磁场同步旋转,绕组中分别通以直流电流iM和iT,产生的磁动势可以与三相合成磁动势等效且炳个磁动势有相同的幅值、转速和方向。又令M绕组的轴线与三相合成旋转磁场方向平行,则iM相当于电动机的励磁电流分量iT,相当于电动机的转矩电流分量,调节的大小可以，由这样绕组组成的电动机其控制原理与直流电动机控制原理相同。

在实际的等效变换中,先将异步电动机在三相静止坐标系下的定子电流iA、iB和iC通过三相/两相变换、等效变换,等效为两相静止坐标系下的交流电流iα、iβ，再通过磁场定向的旋转变换,等效为同步旋转坐标系下的直流电流iM和iT等效的电动机绕组模型如图2.4所示

（a）三相交流绕组（b）俩相交流绕组（c）旋转的直流绕组

图2.4绕组模型

通过控制iM、iT大小也就是电流矢量i的幅值和去向去等效的控制三相电流iA，iB、iC，从而调节电动机的磁场与转矩达到调速的目的。

2.3.2矢量变换规律

如上所示，通过坐标系的变换，可以得到交流三相绕组的等效绕组，现在的问题是如何求出iA、iB、iC与和iM、iT之间的准确等效关系，也就是按等效原则进行坐标变换，而且要求这些变换都必须是可逆的。坐标变换电路通常有三类:即三相/两相变换，直角坐标/极坐标变换和同步旋转坐标/静止两相左标变换。

2:3.2.1三相/两相变换(3/2变换)

A、B、C三相坐标是以电动机定子三相绕组轴线为轴的静止平面坐标系，现设置一个α～β两相坐标系中的交流分量，实际上就相当于把一个三相的异步电动机变换成等效的俩相异步电动机变换成等效的两相异步电动机。为了保证三相电动机变换成两相电动机后

产生的磁势不变，需要考虑这两种坐标变换的折算因子2/3，根据图2.2，

图2.5俩相/三相坐标变换

第三章变频调速桥式起重机系统总体方案设计和部件选型3.1桥式起重机系统简介及起重机基本数据3.1.1桥式起重机的构造

桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处用作物料搬运备，为此要求它高效，灵活，安全可靠。

本课题研究的桥式起重机是电动双梁桥式起重机，该起重机由起重小车、桥架金属结构、桥架运行机构以及电气控制设备等四个部分组成。机构主要指主起升机构、副起升构、小车运行机构、大车运行机构。在电气控制系统中，其供电一般是通过电缆卷筒将输送到中心电器上，起重机机为低压供电系统，电气控制部分集中在操作室和电气房安全保护装置装在在适当的位置上。

3.1.2各机构组成和特点

起升机构是用来实现货物的升降，它通常由驱动装置、钢丝绳卷绕系统和取物装置三组成。此外，根据工作需要还可以装设各种辅助装置，如高度限位器，超载限位器等机构的作用是使起重机运行部分作来回运动，以达到在水平面内运移货物的目的[17]。

以下是本课题桥式起重机基本参数:

该机的起重量为20+20吨，其跨度(L)为19.m5小车起升速度为15m/min，大车起升速度7sm/min.小车运行速度为45m/min，大车运行速度为75m/min。

3.1.3传统桥式起重机机的电气控制系统

桥式起重机的控制系统为继电器接触控制系统，噪音大，接线量多，更改控制逻辑困难。各机构的驱动体系简介如下:

主、副起升机构为两台电机分别单独驱动，为满足货物下降的需要，采用了动力制动，制动器是电动液压推杆操作。

小车运行机构为一台电机单独驱动，制动器是电动液压推杆操作。大车运行机构为两机分别驱动，。

本系统总体方案设计

控制系统由继电器控制改为PLC控制，四大机构调速均采用变频调速。由于各机构的不同，对调速要求也不相同。桥式起重机变频调速系统主要由上位机(工业触摸屏系)、下位机(PLC控制系统)、变频调速系统组成。系统结构图如图1。

图3.1基于变频器改造后的系统结构图

下面分别对各机构调速控制进行说明

1、起升机构

起升机构属位能负载机构。不但要求高的转速及起制动的控制精度。而且对转矩控制要求严格。主起升和副起升两台电机各使用一个变频器。变频器的选择，应以选择变频器的额定电流为基准，一般以电动机的额定电流，负载率。变频器运行的效率为依据。通过计算，变频器的额定电流一般为电动机额定电流的1.2倍以上。控制方式选用带GP的矢量控制方式。PLC接受电机的旋转编码器经数模转换卡送达的反馈信号，避免吊钩的下滑。

2、运行机构

大车运行机构两台电机用一个变频器;考虑到运行机构的工作频率较少，为节省成本，在调速中运行机构共用一台变频器。变频器的选择，一般以电动机的额定功率作为选择的依据。通常选额定功率大一级的变频器。

控制方式选用无GPv/f的变频控制方式。

运行，起动迅速而平稳;机构的电气制动方式必须着重考虑。对不同的工况，可选择自由制动方式与强制制动方式。在运行机，可选用自由停止方式，行情况设定，以尽量满足司机操作桥式起重机的需要为主。为保证起，可以通过设定机械制、变频器的最低运行频率、运行电流之间的关系，以满足机构负载特性的要求。

采用该种设计，变频器内部参数的设定能保证机构具有良好的调速精度及起制动性能，由于起升机构电机需使用脉冲编码器作为速度反馈装置。通过测量脉冲编码器的脉冲数，利用二者之差控制电机的速度，但选择脉冲编码，应当考虑周全。

3.2系统的部件设计3.2.1电机的选用

一、变频调速对电机的要求

采，由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电机转速范围的扩大产生了一些与在工频。主要反映在功率因数、效率、输出力矩、电机温升、噪音及振动等方面。随着高开关频率的工GBT等电力电子器件的使用、P删调制、矢量控制、增强型V/f控制方法的应用、使变频器输出波形、谐波成份、功率因数及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了变频控制电机的低速区转矩。化使用，使电机可以避开共振点，解决了系统在大调速区间内可能发生的共振问题。

目前，变频器己经发展到除非有超同步调速的要求或呈1:20以上的大速比、低调速要求或特低噪声要求外，一般无须选用变频专用电机作变频系统的电机。现在国内推出的变频专用电机由普通电机加独立风扇组成，以解决电机在低速运转过程中自冷风扇风量不足而引起的电机过热问题。

二、变频起重机系统中电机的选型

起重机起升和运行机构的调速比一般不大于1:20，且为断续工作制，通常接电持续率在60%以下，负载多为大惯量系统。严格意义上的变频电机转动惯量较小，响应较快，可工作在比额定转速高出很多的工况条件下，这些特性均非起重机的特定要求。普通电机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致;普通电机转矩应用值，普通电机仅电机稍差。

三、电机冷却

西门子变频器在调速比为1:20的范围内能确保起重机上普通电机有150%的过载力矩值。此外，起重机电机多用，间。

电机在起动过程中可承受2.5倍额定电流值，远大于变频起动要求的1.5倍值，运行机构的电机在以额率以下，因此高频引起的1.1倍电流值可不予考虑。但若电机要求在整个工作周期内在大于1:4的速比下持续运行则必须采用他冷式电机。

四、电机效率

国外以4极电机作变频电机首选极数，和最高的工作效率，使能耗降为最低。高速电机比低速电机在电流小、功率因数高、电缆截面小及电器配置容量小等方面占有优势。尽管减速器传动比增大造成了减速器体积的增大，但由于硬齿减速器的应用，新塑耐磨齿轮副及焊接箱体的使用为高速电机驱动创造了条件。高速电机的使用因电机材料价格远高于减速器，故电机体积重量的减小使一次性投资及能耗大大降低，具有很高的经济价值。目前，国内用于起重机械的4极电机有强迫通风冷却的YZFXXX一4型电机等。

五、电机起动转矩及电机运行的功率因数

起重机运行机构的转动惯量较大，为了加速电机需有较大的起动转矩，故

电机容量需由负载功率P厂及加速功率Pa两部分组成。一般情况下PaPj

电机容量

P≥(Pj+Pa)/λm.（式3.1）

式中的λm一电机平均起动起动转矩倍数

若使电机在额定转速下接近满载运行，，并通过1.1倍试验载荷，则要求电机的过载力矩倍数久、大于1.5倍，或适，减少加速功率。20多个循环的起重机来讲，运行5~105调整，有利于机构的平稳运行。

起重机起升机构的负荷(1一35)，只;转动惯量较少，占额定起升转矩的10%~20%。其电机容量P为

p=Cpgv/(1000η)(kw)

式中Cp一起重机额定提升负载，kg

v一额定起升速度，m/s

g一重力加速度，g=9.81m/s

η一机构总效率

为使电机提升1.25倍试验载荷，能承受电压波动的影响，其最大转矩值必须大于2，否则必须让电机放容，从而降低电机。

通过利用上述公式的计算，选用改造后的桥式起重机各执行机构的电机参数如表3.1所示:

表3.1

电机型号

电机功率

主起升机构

YZR250MI一8

55KW

副起升机构

YZR200L一8

55KW

大车运行机构

YZR16OMI一6

2*22KW

小车运行机构

YZR1601一6

5.5KW

各机构电机启动调速方式说明如下:

1.起升机构:

起升、开闭机构的两台电机分别采用各自独立的变频调速器。其控制方式为带GP矢量控制方式。它具有稳定性好，对急加、减速负载变化有较好的响应特性。

2.运行机构:

行走机构变频器采用VF/控制方式驱动，这样做一方面简化了电路，另一方面又可降低成本。只是上述机构在运。

3.其它说明:

上述各机构原有制动器和控制方式不变。但由于采用了交流变频调速系统，对整机结构的冲击、对制动器的磨损都降低到了最小限度。传统起重机控制系统起升机构能耗部分将取消，各机构调速电阻器将取消。

3.2.2变频器的选用

一，变频器选型

起重机各机构负载为恒转矩负载，普遍选用带低速转矩提升功能的电压型变频器，，三菱，富士，德国的西门子及丹麦的丹佛斯等。其中本系统选用富士变频器，富士变频器具有较合理的价格，完整的理论计算书及辅件推荐值，有利于用户合理选用。

二、变频器容量选择

（2.1）起升机构

起升机构平均起动转距一般来说可为额定力矩值的1.3一1.6倍。考虑到电源电压波动因素及需通过125%超载试验要求等因素，其最大转距必须有1.8一2倍的负载力矩值，以确保其安全使用的要求。等额变频器仅能提供小于150%超载力矩值，为此可通过提高变频器容量(YZ型电机)(Y型电机)来获得200%力矩值。

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

式中cosφ—电机的功率因数，cosφ=0.25

P—起升额定负载所需功率，kw

ηM—电机效率，ηM=0.85

PCN—变频器容量，KAV

K—系数，K=2

（2.2）根据起重机电机驱动的特性和技术要求，MASTERDRIVeCotr6SE44O系列变频器作为大、小行车行走机构的电机驱动，6SE44O系列是一种通用性高性能矢量控制型变频器，功能强，价格低，完全满足行走机构的需求，因此我们推荐用户选用该系列变频器.下面仅就行走机构的电机变频驱动应用作介绍。起重机大车运行方向有前后，小车运行方向有左右要求，根据运行速度至少要求分为1一5挡，3一65，通常小车行走机构采用一台电机，而大车行走机构须采用2台电机，大、小车本身的惯性也较大，为防止电机被倒拖处，因此大小车变频器都配置了制动单元及制动电阻来释放能量。起重机整个电气系统由S7~300系列PLC进行控制，变频器通过开关量端子接受PLC控制信号。

为，每个变频器均加有输入电抗器，它不仅减小了高次谐波分量，，有利于提高整流二极管使用寿命。电流输入端采用断路器作为变频器的短路保护。

3.2.3常用辅件的选择

变频器系统器件由断路器、接触器、电抗器、变频器、制动电阻及制动单元组成。

1、断路器

为避开电流峰值，为此变频器配置的断路器容量应为电机额定电流的1.3一1.4倍，整定值为断路器额定值的3一4倍。

2、接触器

接触器在变频器主回路中仅在变频器辅助器件或控，一般不作回路开断器件用，故可按电机额定电流选用接触器容量，无须按开断次数考核其寿命。

4.制动单元

为减小大惯性,解决变频器直流电路上的过电压问题，常在其直流电路中加接一检测直流电压的晶体管，一旦直流回路电压超过一定的界限,该晶体管导通,并将过剩的电能通过与之相接的制动电阻器转化为热能耗，在能,该能量消耗得愈多,,此装置即为变频器的制动单元。

5.电缆选择

由于高次谐波的驱动效应,电缆的实际使用面积减少,单位实际工作电阻增大,电缆压降有增大的趋势,故所配电缆一般大于常规使用值，如转换器与电机间的主回路配线不当,将会是电压下降较多,从而降低电机转矩,增大电机电流,引起电机过热。近年来变频器厂家将变频器额定电压设计成稍低于电源电压,如

第四章可编程序控制器在桥式起重机变频控制系统中的应用4.1PLC概述及其系统组成4.1.1PLC概述

可编程程序控制器(ProgramnlbaelCotnorller),其早期主要应用于开关量的控制,现代的可编程控制器是以微处理器为基础,高度集成的新型工业控制装置,是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境而设计，它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型机械的生产过程，而有关的外围设备,都应按易于与工业系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。PLC自问世以来,经过多年的发展,随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展,以16位和32位微处理器构成的微机PLC得到了惊人的发展,使PLC在概念、设计、性能价格以及应用等方面都有了新的突破，不仅控制功能增强,功耗、体积减少,成本下降,可靠性提高,编程和故障检测更为灵活方便,而且远程FO、数据处理以及图像显示也有了长足的发展,所有这些已经使PLC应用于连续生产的过程控制系统,使之成为最受欢迎的工业控制类产品，它较好的解决了工业控制领域中普遍可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。

4.1.2PLC的系统组成与各部分的作用

PLC是一种通用的工业控制装置,其组成与一般的微机系统基本相同，按结构形式的不同,PLC可分为整体式和组合式，整体式PLC是将中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体,构成主机另外还有独立的1/0扩展单元与主机配合使用主机中,CLPI是PLC的核心,1/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路,通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接[8]。

组合式队C将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块,各模块插在底板上,模块之间通过底板上的总线相连,装有CUP单元的底板称为CUP底板,其它称为扩展底板。CUP底板与扩展底板之间通过电缆连接,距离一般不超过10m.无论哪种结构类型的PLC,都可以根据需要进行配合与组合。它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。

1.中央处理单元(CPU)

中央处理单元一般由控制器、运算器和寄存器组成,这些电路都集成在一个芯片内,CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接口它是PLC的运算控制中心。它按照系统程序所赋予的功能,完成以下任务:

(1)接收并存储从编程器输入的用户程序和数据:

(2)诊断电源PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;

(3)用扫描的方式接收输入信号,送入PLC的数据寄存器保存起来;

(4)PLC进入运行状态后,根据存放的先后顺序逐条读取用户程序进行解释和执行,完成用户程序中规定的各种操作;

(5)将用户程序的执行结果送至输出端；

2.存储器

根据存储器在系统中的作用,可以把它们分为以下3种:

(1)系统程序存储器:和各种计算机一样,PLC也有其固定的监控程序、解释程序,它们决定了PLC的功能,称为系统程序,系统程序存储器就是用来存放这部分程序的系统程序是不能有用户更改的,故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。

(2)用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序,用户程序存放在用户程序存储器中,由于用户程序需要经常改动、调试,故用户程序存储ARM，由于RAM掉电会失去数据,因此使用RAM作用户存储器的PLC,都用后备电池保护ARM,以,失去用户程序，当用户程序调试修改完毕,不希望,可将用户程序写于EPROM目前较先进的PLC采用快闪存储器作用户程序存储器,快闪,,不需要后备电池保护。

(3)工作数据存储器:工作数据是经常变化,经常存取的一些数据,这部分数据存储在RAM中,以适应随机存取的要求,在PLC的工作数据存储区中,开辟有元件映像寄存器和数据表。

元件映像寄存器用来存储PLC的开关量输入/、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态，数据表用来存放各种数据,它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用,设定值，它还用来在存放AD/转换得到的数字和数字运算的结果等根据需要,部分值,区域称为数据保持区。

3.I/O单元

1/0单元也称为I/0模块，PLC通过工/0单元与工业生产过程现场相联系输入单元接收用户设备的各种控制信号,如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号,并存到输入映像寄存器。CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理,将处理结果放到输出映像寄存器，输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成,输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出,以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件。

4.电源部分

PLC一般使用22OV的交流电源,内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、+l2V、+24V的直流电源,使PLC能正常工作。

电源部件的位置形式可有多种,对于整体式结构的CUP,通常电源封装到机壳内部:对于模块式PLC,有的采用单独电源模块,有的将电源与CUP封装到一个模块中。

5.扩展接口

扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连,使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。

6.通信接口

为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话,PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。

当PLC与,可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器(CRT),可将过程图像显示出来;当与其他PLC,可以组成多机,实现更大规模的控制;当与,可以组成多级控制系统,实现控制与管理相结合的综合性控制。

7.编程器

编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程,且往往需要将体形图转化为机器语言助记符后,才能输入，它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器,它可以联机编程,也可以脱机编程,具有LCD或CRT图形显示功能,可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。

还可以利用PC作为编程器,PLC生产厂家配有相应的编程软件,使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序,并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC,也可以将PLC中的程序上传到计算机，程序可以存盘或打印,,还可以实现远程编程和传送，现在已有些PLC不再提供编程器,而且提供微机编程软件了,并且配有相应的通信连接电缆。

4.2本系统中可编程序控制器的选取及其特点4.2.1PLC系统选型一SIEMENS57一300

目前PLC使用性能较好的SIEMENS公司、、欧姆龙、美国的AB公司,根据性价比的选择,根据被控对象的1/0点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑,采用SIEMENS公司的S7一300系列PLC。S7--300是德国西门子公司生产的可编程序控制器(PLC)系列产品之一。其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。

4.2.2S7一300的特性

1.S7--300的分类

(1)紧凑型CPU：CPU312C，313C，313C-PtP，313C-2DP，314C-PtP和314C-2DP。各CPU均有计数、频率测量和脉冲宽度调制功能。有的有定位功能，有的带有I/O。

（2）标准型CPU：CPU312，CPU313，314，315，315-2DP和316-2DP。

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

（4）高端CPU:317-2DP,318-2DP。

（5）故障安全型CPU:CPU315F。

2.S7--300的工作过程

PLC采用循环执行用户程序的方式。OB1是用于循环处理的组织块（主程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。

在起动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1中可以调用其它逻辑块(FB,SFB,FC或SFC)。循环程序处理过程可以被某些事件中断。在循环程序处理过程中，CPU并不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU内部的输入/输出过程映像区（在CPU的系统存储区）。

3.S7--300编程工具

使用STEP7软件对S7-300进行编程，目前S7-300最新的编程软件版本为STEP7SP2。

STEP7包含了自动化项目从项目的启动、实施到测试以及服务每一个阶段所需的全部功能。

4.STEP7中的编程语言。

（1）、顺序功能图

（2）、梯形图

（3）、语句表

（4）、功能块图

(5)、结构文本

4.2.3S7—300工作原理

各种PLC具体工作原理大同小异都采用扫描工作方式,SimeenSS7一30OPLC的工作过程:PLC上电后,首先进行初始化,然后进入循环工作过程,一次循环过程可归纳为公共处理、程序执行、扫描周期计算处理、1/0刷新和外设端口服务五个工作阶段,一次(或扫描周期),其长短与用户程序的长短以及PLC机本身性能有关,其数据级ms级,典型值为几十ms.各阶段完成的任务如下:

(1)公共处理:,进行硬件检查、用户内存检查等检查正常后,方

可进行下面的操作如果有异常情况,则根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行。

(2)程序执行:在程序执行阶段,CUP按先左后右,先上后下的顺序对每条指令进行解释、执行,CPU从输入映像寄存器(每个输入继电器对应一个输入映像寄存器,其通/断状态)和元件映像寄存器(即与各种内部继电器!输出继电器对应的寄存器读出各继电器的状态,根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算,运算结果再写入元件映像寄存器中。

(3)扫描周期计算处理:若设定扫描周期为固定值,则进入等待循环,直到该固定值到,再往下进行,若设定扫描周期为不定的(即决定于用户程序的长短等,为不定值),则进行扫描周期的计算。

(4)1/0刷新:在此阶段,进行1/0刷新,,CUP从输人电路中读出各输入

点状态,并将此状态写入输入映像此存器中;,将输出继电器的元件影响寄存器的状态传送到输出锁存电路,再经输出电路隔离和功率放大,驱动外部负载。

(5)外设端口服务:完成与外设端口连接的外围设备部编程器或通信适配器的通信处理。

CPU从输入电路的输出端读出各路状态,并将其写入输入映像寄存器:在程序执行阶段，CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出各继电器的状态,并根据此状态执行用户程序,执行结果再写入元件映像寄存器中;在紧接着的下一个I/0刷新阶段,将输出映像寄传奇的状态写入输出锁存电路,再经输出电路传递到输出端子,从而控制外接器件动作,PLC的循环扫描工作方式也为PLC提供了一条死循环自诊断功能,PLC内部设置了WDT,用户程序的扫描周期,PLC在每个扫描周期的公共处理阶。正常情况下,,如钩由于CPU内部故障使程序进入死循环,那么,扫描周期将超过,,,运行停止,以示用户。

4.2.4PLC型号选择依据

PLC的选型与输入/输出点的多少密切相关，要进行PLC的选型我们首线要了解桥式起重机的电气设计中需要多少个I/O口，以下为控制型号列举：主副钩升降信号、1档、2档、3档、4档，小车和大车的前、后、左、右五档；大小车的限位开关，热继电器信号，变频故障信号，安全门的开关，启动，停止，照明，加上反馈信号约有50个输入信号和30个输出信号。由此可以选择CPU的型号，CPU312满足需求。

我们选用的PLC的CPU的型号为312为标准型，其结构为模块结构。CPU无集成I/O口，标准型CPU不可以连接扩展机架，只能采用单机架结构。主机架的最大安装模块为8个，每一块的最大I/O点数为32个，因此PLC的最大输出/输入点数为256个。

此CPU的特点1运算速度快，PLC循环周期短。

2编程功能强，可用于复杂编程与控制，可此用STEP7软件编程。

3通信功能强s7-300至少带有1个标准的串行通信借接口，可以支持多点通信，接口在50M，最高的传输速率为187KB/S，可用于连接编程器、文本显示器、触摸屏操作控制面板等外部设备。

此外S7-300的扩展性能好，具有众多的开关量I/O扩展模块，而且还具有众多的特殊功能模块。

以下为此次设计的选用的输入输出模块

输入模块321-1BH02-0AA0，此输入模块有16个输入点，DC24V供电，功耗3.5W。

输出模块322-1HH01-0AA0，此输出模块有16个输出点，DC24V供电，功耗4.5W。

4.3变频调速起重机控制系统设计4.3.1系统控制的要求

对桥式起重机变频调速控制系统的基本要求

(1)主、副机构升降速度调节;

(2)运行机构运行速度调节;

(3)保护功能:主副机构上升限位、下降限位、大车限位、小车限位、主副机构及大小车电机的保护等。

控制系统应由PLC、继电器、操纵台各主令控制器、开关、按钮、指示灯及各部位限位开关等组成。

4.3.2控制系统的1/0点及地址分配

根据控制系统的要求,控制系统应具备的输入/输出点数,名称及地址编号如

表4.1所示

名称

地址

备注

启动输入点

停止输入点

安全开关输入点

主接触器应答输入点

总空开合闸输入点

大车前行输入点

大车后行输入点

大车一档输入点

大车二档输入点

大车三档输入点

大车四档输入点

大车五档输入点

大车前行限位输入点

大车后行限位输入点

大车变频器故障输入点

大车故障输入点

小车左行输入点

小车右行输入点

小车一档输入点

小车二档输入点

小车三档输入点

小车四档输入点

小车五档输入点

小车左行限位输入点

小车右行限位输入点

小车变频器故障输入点

小车故障输入点

主钩上升输入点

主钩下降输入点

主钩一档输入点

主钩二档输入点

主钩三档输入点

主钩四档输入点

主钩五档输入点

主钩变频器故障输入点

主钩故障输入点

主钩上升限位输入点

主钩下降限位输入点

主钩超重输入点

副钩上升输入点

副钩一档输入点

副钩二档输入点

副钩三档输入点

副钩四档输入点

副钩五档输入点

副钩上升限位输入点

副钩下降限位输入点

副钩变频器故障输入点

副钩故障输入点

副钩超重输入点

主继电器

允许启动指示灯

机构限位指示灯

综合故障指示灯

大车前行输出点

大车后行输出点

大车风机继电器

大车故障报警指示灯

小车左行输出点

小车右行输出点

小车风机继电器

小车故障报警指示灯

主钩上升输出点

主钩下降输出点

主钩继电器输出点

主钩故障报警指示灯

副钩上升输出点

副钩下降输出点

副钩继电器输出点

第五章桥式起重机的电气接线以及PLC编程5.1主回路接线图

图5.1小车调速接线图

如图所示此图上有两台电机分别为主扬电机，和风机。它们分别的作用为小车的左右移动提供动力，而风设备。D2b为电磁抱闸，，线路通过变频器为电机供电。在为变频器供电的线路上加入了Q1与KM1,这是变频器的接法要求，KM1是为了在变频器，系统可以自己断开，以保证系统的安全。而在为风机的安全运行，我设置了熔断器，来保证风机的安全，

主扬的控制流程为当QS1与KM1，KM2闭合。KM1断开KM2闭合，电磁抱闸工作使电机停止。

图5.2大车调速接线图

如图所示，大车的前后移动靠俩台22KW的电动机M3和M4驱动，M5和M6分别是M3和M4对应的风机，RJ2和RJ3为对应的热继电器，做电动机的过载保护。电动机M3和M4分别位于桥式起重机的俩端，共用一台变频器VF2,实现俩台电机的同步运行。

主钩的调速接线图与上面的类似，，主钩采用一台55KW的电动机。

5.2PLC与变频器的连接图

图5.3大车对应的PLC与变频器的连接图

小车的连接图与大车的连接图类似，主钩的连接图需要加主钩超重的输入，以大车的PLC与变频器的连接图为例进行说明。如图所示，本文选用CPU315-2DP的PLC,变频器选用FRN22G11S-4CX。为正转输出，为反转输出，、、分别和变频器的用于调速的多功能端子X4、X5、X6相连，

和连接故障灯和警铃。通过主令控制器输入档位控制信号，经过PLC程序给变频器X4、X5、X6提供输入，进而实现变频调速。通过设置主钩电机、副钩电机、大车电机和小车电机的运行频率。由PLC将该设定值转换成相应的模拟量给变频器,然后再由变频器将该模拟量进行处理并调制成相应频率的脉冲,来驱动电机。

5.3PLC编程设计5.3..1PLC编程软件概述

S7一300的编程语言是STEP7--MicroWINSP7,它是用于57--300系列PLC进行编程、调试的全新软件,它是在国际标准工ECI131一3的基础上建立的,可以用LAD、FBD和STL来编程。这是一种可以运行于通用微机中,在WINDOWS环境下进行编程的语言。将它通过计算机的串口和一根PC/MPI转接电缆与PLC的MPI口相连,即可进行相互间的通信。通过STEP7--MicroWINSP7编程软件,不仅可以非常方便的使用梯形图和语句表等形式进行离线编程,经过编译后通过转接电缆直接下载入PLC的内存中执行,而且,还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况,甚至进行在线修改程序中的变量,给调试工作也带来极大的方便。

STEP7--MicroWINSP7软件的一个特点是调试功能很强大,不仅能在线读取数据,而且能在线修改过程数据,对于调试大型复杂控制程序非常有效。STEP7--MicroWINSP7软件还附带一些控制程序模块,如PID调节模块,这些模块可以从主控制程序中直接调用,以便实现不同的功能。STEP7--MicroWINSP7软件工具包采用模块化的程序设计方法,它采用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据。该工具软件包为S7一CPU5122DP与其

它系统部件(如触摸屏、变频器)的使用提供了便利。软件的一个特点是调试功能很强大,不仅能在线读取数据,而且能在线修改过程数据,对于调试大型复杂控制程序非常有效。STEP7--MicroWINSP7软件还附带一些控制程序模块,如PID调节模块,这些模块可以从主控制程序中直接调用,以便实现不同的功能。STEP7--MicroWINSP7软件工具包采用模块化的程序设计方法,它采用文

件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据该工具软件包为S7一300CPU与其它系统部件(如触摸屏、变频器)的使用提供了便利。

5.3.2PLC程序设计

大车、小车、主钩和副钩的程序都相似，本文以大车为例进行说明。大车PLC的主要输出是实现调速的变频器多功能端子X4、X5、X6和连接抱闸继电器的输出。

图5.4大车PLC调速程序

图5.5联动台接线图

根据联动台不同的导通点实现档位的变化。

5.3.3对应WinCC--运行系统来说明上述程序实现的效果。

二档010

三档011

四档100

五档101

变频器故障信号灯和抱闸的控制。

图5.6WinCC运行图

上面图中显现出了通过控制主令电器的常开常闭输入，实现不同档位的输出，并在WinCC显示出效果图。

参考文献

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附录A

图()小车控制程序

图（）小车抱闸程序

图（）主钩控制程序

图（）主钩抱闸程序

图（）副钩控制程序

致谢

在论文完稿之际,谨向教导和帮助我的师长、朋友、同学,以及默默支持和鼓励我的亲人们致以最诚挚的谢意和最衷心的祝福!

非常感谢指导老师李教授在整个毕业设计过程中给于的帮助，李老师以其严谨、求实的治学态度、高度的责任心和敬业精神,给予我极大的帮助与鼓励;导师踏实认真、开拓创新的治学作风将使我终生受益;导师给我提供了良好的学习环境、以及社会实践的机会。本论文从选题到完成无不浸透着恩师的心血在此期间,老师多次询问我的课题进度,提醒我该注意的问题,并在我课,给予了我耐心的指导和帮助。借此论文的完成之际,谨向我的恩师表达我衷心的感谢和崇高的敬意!感谢恩师不厌其烦的教诲和一丝不苟的严谨作风,在学习、生活和以后的工作中给我树立了为学为人的榜样并希望在今后的学习和工作中继续得到导师的教导。

感谢所有传授我知识和在大学期间给予我帮助和关心的各位老师，杨健学长，他在设计期间给予了我们耐心的指导和帮助。感谢我的同学与在求学期间认识的好友，感谢你们给予我的帮助、鼓励和支持。

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