于基plc控制的变频调速在桥式起重机中的应用--毕业设计.doc

基于PLC控制的变频调速在桥式起重机中的应用论文摘 要桥式起重机是一种常用的货物运输工具，被广泛的应用于工厂、码头、仓库中。桥式起重机是现代工业生产中重要的载物工具，为国民生产做出了重大的贡献。因此，用户对桥式起重机的安全性、高效性也非常高。传统的桥式起重机采用的是转子串联电阻的方式经行对桥式起重机的控制。这样的控制系统存在着效率底下、可靠性差、操作复杂、耗能巨大、维修困难等缺点。为了让桥式起重机更符合当前的生产需求，采用新型的控制系统代替原有转子回路串联电阻的调速系统成为从事相关行业专家的研究课题。近年来电力电子技术的不断发展，变频技术也得到了极大的进步。变频器调速技术越来越被广泛的应用于各个领域，特别是应用于一些重型机械中提高了这些机械的整体性能，能够解决系统中存在的诸多缺陷。本文结合了变频调速技术，提出了基于PLC下控制变频调速系统来实现对桥式起重机的控制。系统采用人机界面实现操作员和PLC的通信，从而达到对桥式起重机的运行控制和故障监测。提高了系统运行的精准度、安全性以及系统的智能程度。关键词：桥式起重机 变频器 可编程控制器 ABSTRACTBridge crane is a kind of common goods transport, has been widely used in factories, docks, warehouses. Bridge crane is the modern industrial production important slide in the tool, efficiency is very high. Traditional bridge crane USES is the manner in which the rotor series resistance of the line of control of the bridge crane. Under such control systems there is efficiency, poor reliability, maintenance difficulties shortcomings and so on. In order to make the bridge crane more in line with the current production demand, adopting new type of control system instead of the original rotor loop series resistance speed control system become experts engaged in related industry.In recent years the continuous development of power electronic technology. Frequency converter speed regulation technology is more and more widely applied in various fields, especially applied to some heavy machinery to improve the mechanical performance of the whole, can solve many defects existing in the system. This article combines the frequency control technology, frequency control of motor speed control system based on PLC is put forward to realize the control of the bridge crane. System operators and PLC is realized by using the man-machine interface of communication, so as to achieve control over the operation of the bridge crane and fault monitoring. To improve the precision of the system operation, safety, and intelligent degree of the system. Keywords: bridge crane frequency converter programmable controller目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 题目的意义11.2 国内外发展情况概述21.3 本文设计的主要内容6第2章 变频调速控制原理72.1 变频调速的基本原理72.1.1 基频以下调速82.1.2 基频以上调速82.2 变频器92.2.1 变频器类型92.2.2 变频器的用途92.2.3 变频器的基本机构102.2.4 变频器的控制电路102.3 变频调速的控制方法122.3.1恒压频比控制122.3.2矢量控制132.3.3转差率控制132.3.4变级对数控制132.4 传统的串电阻调速和变频器调速的比较14第3章 桥式起重机频调速系统设计163.1 桥式起重机的基本结构163.2 总体设计方案173.3 起重机设计要求203.4 电机、变频器和常用辅件的选择223.4.1电机的选择223.4.2变频器的选用243.4.3辅助部件的选用28第4章 可编程控制器在桥式起重机变频器控制系统中的应用294.1 可编程控制器的概述及其组成294.1.1可编程控制器概述294.1.2可编程控制的结构组成314.2 本文中可编程控制器的选用及其特点344.2.1施耐德Twido系列和西门子S7200系列的特点344.2.2两种PLC的选择364.3 变频调速起重机控制系统的设计374.3.1调速系统的基本要求和I/O分配374.3.2电气控制系统原理图424.4 各机构的安全保护和检测454.4.1起升机构安全保护及检测454.4.2小车行走机构安全保护及检测454.4.3压电安全保护及检测46第5章 桥式起重机系统软件设计475.1 西门子PLC软件的编程及其编程475.1.1 PLC编程软件概述475.1.2 程序设计485.2 触摸屏的软件设计545.2.1组态软件545.2.2触摸屏界面设计555.3抗干扰措施56结 论58致 谢59参考文献60CONTENTSABSTRACTIABSTRACTIIChapter 1 The introduction 11.1 The meaning of the title11.2 The devdlopment situation at hoem and abroad21.3 Design of main content6Chapter 2 Frequency control of motor speed control principle72.1 Inverter speed regulation principle72.1.1 Under the fundamental frequency control of motor speed82.1.2 Above fundamental frequency control of motor speed82.2 Inverter92.2.1 Inverter type92.2.2 The uss of transducer92.2.3 Basic institutions of the inverter102.2.4 Frequency converter control circuit102.3 Frequency control of motor speed control method122.3.1 Constant voltage frequency ratio control122.3.2 Vector control132.3.3 Revolutional Slip control132.3.4 Logarithmic control level13 2.4 Series resistance frequency converter speed regulation14Chapter 3 bridge crane frequency speed control system design163.1 The structure of bridge crane163.2 The design scheme173.3 Crane design requirements203.4 Motor, inverter and auxiliary parts223.4.1Motor223.4.2Inverter243.4.3parts28Chapter 4 Application of PLC, frequency converter control system294.1 Overview of PLC and its composition294.1.1 Summary of PLC294.1.2 The architecture of the PLC314.2 The selection of PLC and its characteristics344.2.1 Twido and Siemens S7200344.2.2 Two kinds of PLC selection364.3 Variable frequency speed control system design374.3.1 The essential requirement of governing system374.3.2 The principle diagram of the system424.4 Security, protection and detection454.4.1 Hoisting mechanism AnQun, test454.4.2Car walks security protection and test organization454.4.3 Piezoelectric security protection and test46 Chapter 5 Bridge crane system software design475.1 PLC software programming and programming475.1.1 Summary of the PLC programming software475.1.2 The program design485.2 Touch screen software design545.2.1 Configuration software545.2.2 Touch screen interface design555.3 Anti-interference measures56CONDUSION58ACKNOWLEDGEMENT59REFERENCES60VII第1章 绪论桥式起重机是现代生产工业比不可少的重型运输机械，得到了广泛的应用。1.1 题目的意义 随着经济的不断发展，现代科学技术的不断更新，工业生产规模的扩大和自动化程度的提高，起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机的要求也越来越高。而传统的桥式起重机的控制系统主要采用交流绕线串电阻的方式对起重机的启动和调速的。这样的系统存在诸多缺陷如：(1)控制系统中需要使用大量的继电器，发出指令后需要各个继电器依次做出动作大大降低了系统的可靠性、操作性，同时效率低下。 (2)串联大量的电阻长期工作会发出大量的热损毁系统并且对电能造成了极大的浪费，而且系统占地面积庞大。(3)桥式起重机的工作环境恶劣工作任务重，当系统中继电器、电阻损坏时需要寻找故障元件，加大了维修人员的工作量且可能降低工程的进展速度造成一定的损失。(4)转子串电阻调速,机械特性软,负载变化时转速也变化,调速不理想。为此人们尝试寻找代替此类的控制系统从而可以大大提高工作效率的变革方案。近年来随着电力电子技术的发展革新，变频调速技术凭借优异的启动、调速和制动性能，高效率与节能的效果也日益广泛的应为于各种场合。PLC的出现撼动了工业控制领域中继电器的主导地位，PLC体积小采用模块化的设计思路其程序编译简单易于上手安装方便，在很多领域中已经取代了输了庞大易于出错的继电器。PLC的出现是工业史上的一次变革，大大提高了生产效率降低了生产成本。于是在可编程控制系统（PLC）下结合变频调速技术的桥式起重机孕育而生，同时在此系统中加入了PG卡构成一个闭合的环路系统有效地提增了系统的准确度，使起重机工作可靠，使用方便，操作简单，还具有动态显示的功能，节能效果明显1。1.2 国内外发展情况概述 桥式起重机属于桥架型起重机的一种，它依靠起升机在垂直方向和大车小车控制的横纵方向构成空间立体的运动机构，能在矩形场地及其上空进行作业。是一种被广泛应用于工矿企业的起重运输机械。桥式起重机具有一种承载能力大，工作可靠性高，制造工艺相对简单等特点。目前桥式起重机成品已经形成多个系列，随着经济建设的发展，用户对其性能要求越来越高。但是现在桥式起重机设计手段依旧落后，重复性劳动很大，并且国内桥式起重机的结构相比国外的水平还有一定的差距，开发能力、成品规模和质量都远远落后于国外。当今桥式起重机已经不再是传统意义上笨重、操作复杂、维护困难的设备，它完美的将现代工业面向用户设计理念与世界先进技术融合在一起。塑造出体积轻巧、操作简单、维护简便、结构紧凑、使用安全等优异特性全新工业重型装备。 1820年法国人制造了第一台木制的桥式起重机，1880年德国制造了第一台用钢材料、以电力拖动的桥式起重机，他的结构特点是集中驱动，美国在1889年成功研制了一台分别驱动的桥式起重机，俄国的普地洛夫斯基工厂1890年成功制造一台集中驱动的电动桥式起重机。 十八世纪中叶，老牌资本主义国家英国在经过工业革命后，桥式起重机便被广泛地应用到工厂的生产活动中。1948年至1962年的20年间，起重机运输机械总产值增长3.5，年增长率约6%。英国由于经济危机，工业生产停滞不前，桥式起重机的生产今年来已无大发展。美国是世界上设计制造桥式起重机较早的国家之一，技术水平与生产工艺较高，美国于1959年设计了第一台300吨的全液压桥式起重机，堪称桥式起重机发展史上的一座丰碑。二战后日本的工业水平得到了前所未有的发展，以良好的高新技术基础日本在起重机行业也取得了巨大的成功，在各个行业得到了广泛地推广，桥式起重机占整个起重机械产量的45.1%2。 解放前我国的桥式起重机的设计生产都处于空白状态，解放后由于国家对该行业的重视，才有了高速的发展。1949年10月，由大连重机器厂生产了我国第一台起重量为5吨跨度为22.5米的桥式起重机。改革开放后，中国的桥式起重机行业才有机会和国外（特别是西方）国家接触，学习了很多先进的设计生产工艺，逐渐减少了与西方的差距。 钢产量是衡量一个国家经济发展的重要指标，而起重机运输机械在国民经济中占有极其重要的地位。日本每年物料搬运费用是国民生产总值的10%左右，美国工业产品总成本的20%25%为搬运费用，而我国炼钢工业中物料搬运费用占生产总成本的40%左右。桥式起重机在其他行业中也被广泛地应用如今在生产车间、货运码头、仓库等场所都有它的身影，可以说桥式起重机是现代工业生产必不可少的重型运输机械。 经过几十年的发展，我国在桥式起重机设计、设备维护与修理都积累了相当的经验。但是在实际使用中还是会有事故时有发生。究其原因还是桥式起重机长时间的超负荷运行与过大的机械振动造成共振发生的。因此除了在机械结构的改造外，对桥式起重机的电气设备传动系统的改造以减小制动冲击、降低共振也是可行的方案。相对于发达国家，我国相关的技术还相对落后。由于起重机对控制系统方面要求越来越高，起重机的起重量和运行速度等技术的参数越来越大，起重机的自动化程度愈来愈高，起重机对通讯的性能要求也越来越苛刻。而这些很多都成为我国起重机行业的短板。这些因素往往都影响了我国起重机行业在国内乃至国际的竞争中败下阵来。因此对桥式起重机的电控系统的研究很有必要3。 当前国外桥式起重机的发展有如下特征： 1.简化设备结构，减轻自重，降低生产成本 法国公司采用一种以板材为基本构件的小车架结构，使得桥式起重机重量小，加工简单，这项技术适应于中、小吨位的起重机。起重机的大车小车运行机构采用三合一的驱动装置，这样结构比较紧凑，自重较轻，简化了总体布置。此外，由于运行机构与起重机走台没有联系，走台的振动也不会影响传动机构。 2.更新零件，提高整机性能 法国Patain公司采用窄偏轨箱形梁作为主梁，其高、宽比外43.5左右，大筋板间距为梁高的2倍，不用小筋板，主梁与端梁的连接采用搭接的方式，使垂直力直接作用于端梁的上盖板，有此刻降低端梁的高度，便于运输。 变频调速在国外起重机上已经应用很久了，日本富士、奥地利伊林公司、ABB公司已经广泛地使用。这样的方案具有高调速比，甚至可以达到无极调速，并且有节能的特点。此外遥控装置用于起重机在国外也使用的很广泛，特别是大型的冶金厂已经成功的应用。 3.设备大型化 随着世界经济的发展，起重设备的体积和重量也越来越大型化，起重量和吊运幅度也有所增大，为了节省生产和使用成本，起重机工作的场地和使用范围也随之增大。 4.机械化运输系统的组合应用为了提高生产率、降低生产成本，国外的一些大厂把起重运输机械巧妙的结合在一起，构成先进的机械化运输系统4。 目前国内桥式起重机的发展的特征如下： 1.改进机械结构，减轻自重 采用计算机优化设计是目前国内生产厂家主要的设计方案，以提高整机的技术性能和减轻自重，并且在此前提下尽量采用行结构。桥式起重机中采用半偏轨的主梁结构，与正轨箱形相比，可以减少或取消短加筋板，减少结构重量，节省加工时间。 2.吸收利用国外先进技术 起重机采用“三合一”驱动装置，吊挂于端梁内侧，让其不受主梁振的影响，有效的提高了运行机构的性能和寿命，并且使得结构紧凑，安装方便，外形美观等特点。 3.生产大型起重设备 现在国家队能源工业、冶金工业的重视和扶持，建造了许多大型的电厂和冶金工厂等，这些企业的生产规模也越发的扩大，而那些需要使用起重机的场所对其的要求也越大，例如三峡水电站采用1200t的桥式起重机来控制闸门的提降。 我国正以前所未有的速度进入国际竞争市场。当前国内的桥式起重机制造产业正面临着挑战与机遇并存的新形势。因此中国起重机要不断发展和创新，现根据国内外起重机的新理论、新技术和新动向，结合实例，探寻出中国未来桥式起重机行业的发展方向。 桥式起重机的技术革新除了在机体结构的更新外，电控系统的改革也为桥式起重机的快速发展起到了重要的作用。改变桥式起重机的调速系统可以有效的减少开启、制动对其的冲击，所以采用何种调速方式也决定了桥式起重机的性能好坏。电动机的调速经过了很长时间的演变过程,一直以来人们在电动机的调速和转矩控制上做过了大量的研究,尝试过使用各种不同形式的调速方法,随着大功率和高开关频率的半导体器件的开发研制成功,以及计算机技术的普及应用,交流电动机的调速方式在近20年内取得了飞速发展,调速技术已经日趋成熟5。 随着计算机特别是大规模集成电路制造技术的不多发展，才促使变频器构成的交流调速系统取代直流调速系统，这是现代科技发展的必然趋势，这些技术都适合发展大起重重量的起重机；提高机器运行的速度，扩大调速的范围，提高了起重机的精确度，增强了起重机机体和电气设备的可靠性和使用寿命，改善了操作工人的操作环境；保证操作员和地面人员的人身安全，提高自动化控制程度和扩大远程距控制的范围，满足了频繁使用桥式起重机的仓库、环境恶劣的矿物冶炼的车间等场所。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。1.3 本文设计的主要内容针对大车间中起重机的控制要求和特点，本文以桥式起重机为背景对车间起重机变频调速系统设计及一些特殊功能的实现进行研究，研究的主要工作有：1.了解现有的车间桥式起重机的特点，对现有技术方案分析比较，确定合适的起重机变频调速总体结构和控制方式。2.确定PLC配置方式和数目，设计调速系统硬件部分。3.设计软件控制流程、绘制控制流程图、编辑相关程序。4.完成起重机PLC网络结构以及连接方式、人机界面硬件选择和程序设计。5.针对桥式起重机一些特殊功能，提出控制思路，软硬件设计。第2章 变频调速控制原理 异步电动机调速有许多方法，如变级调速、变转差率调速和变频调速等。本文采用变频调速经行对电机的调速。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: （2-1）其中：-异步电动机的转速,单位为r/min；-定子的电源频率,单位为Hz；-电机的转速转差率；-电机的极对数。从式（2-1）可知，改变电动机的转差率、改变电动机的磁极对数及改变电动机的电源频率可实现调速。在电动机调速时，若磁通量太弱，没有充分的利用电动机的磁芯；若磁通量增大又称出现磁通饱和的现象，从而导致过大的磁通电流，引发绕组过热而损坏电机，因此要尽量保持每级磁通量为额定值不变。在交流异步电动机中，磁通是定子和转子合成产生的，而对于直流电机来说励磁是独立的。三相异步电动机每相电动势有效值为： （2-2）其中：-电源频率，Hz；-定子绕组有效匝数；-每级磁通量，Wb。从式（2-2）可知，的值由和共同决定，对和进行适当控制，就可以使磁通保持额定值不变。采用变频对异步电动机进行调速，具有调速范围广、静态稳定性好、运行效率高、使用方便、可靠性高、节能效果明显的等优点。公式（2-2）需要考虑基频（额定功率）以下和基频以上两种情况。2.1.1 基频以下调速 要使得保持不变，频率从额定向下调节的时候，必须降低电动势。但是绕组中存在电感电动势难以调控的问题，电动势较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压将，而认为定子相电压，可以推导出。低频时， 和数值较小，定子阻抗压降所占的比重显著，不能忽略，可以把电压提高一些，便于近似的不补偿定子压降。2.1.2基频以上调速 基频以上调速时，频率增高，但是电压磁通与频率成反比的降低，可看作直流电机弱磁升速的情况。 电动机在不同的转速是所带的负载都能使电流达到额定值，就是都能在允许温升下长期的运行，则转矩基本上跟随这磁通变换，按照电气传动原理，在基频以下，磁通恒定是转矩也恒定，是“和转矩调速”，而在基频以上，转速升高是，转矩降低，属于“恒功率调速”。2.2 变频器 在交流异步电动机的各种调速方式中，变频调速为的性能最好，调速范围最广，静态稳定性好，运行效率较高。采用变频器对笼型异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济、效益显著，所以得到广泛的应用。2.2.1变频器类型 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为普通用变频器、高性能变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器。2.2.2变频器的用途变频器在运输业、石油化工、家用电器、造纸、纺织、军事等领域得到了广泛的应用。具体应用如高速铁路、电动汽车、变频空调、等。变频器用途主要如下三方面： （1）调速：变频器可把频率固定的交流电变换成频率和电压连续可调的交流电。通过变频器驱动三相异步电动机可以平滑的改变转速。 （2）节能：对风机、泵类负载，通过调节电动机的转速改变输出功率，不仅能做到流量平稳，减少启动和停机次数，节电率可达到20%60%，节能效果显著，经济效益可观。 （3）提高自动化控制水平：变频器内置有32位或16位的中央处理器，具有多种逻辑运算和智能控制功能，输出频率精度高；外部有较多开关信号或模拟信号和通信接口，控制功能强，并且可以实现组网控制。2.2.3变频器的基本机构变频器主要由主电路和控制电路组成，其中主电路包括整流电路、储能电路、逆变电路三部分。变频器结构框图如图2-1所示： 图2-1 变频器机构示意图整流电路的作用是将交流电转换为直流电；储能电路具有储能和平稳直流电压的作用，主要原因是变频器的负载一般为电动机，而电动机属于感性负载，运行是储能电路和电动机之间总会有无功功率。逆变电路的作用是通过三相桥式逆变电路将直流电转换成任意频率的三相交流电。控制电路主要是完成对逆变电路的开关控制，对整流器的控制以及完成各种保护功能。2.2.4变频器的控制电路变频器的控制电路包括主控电路、门极驱动电路、外部接口电路、信号电路和保护电路等几个电路部分，这些电路构成了变频器的核心部分。控制电路的好坏决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功