1、 广德爱众 砺能善医 毕 业 设 计 作 品 题 目： PLC 与变频调速技术在桥式起重机上的应用 姓 名： 专 业： 机电 班 级： 学 号： 校内指导老师： 校外指导老师： 填表日期： 湘潭医卫职业技术学院教务处制 湘潭医卫职业技术学 院 毕业设计作品 二级学院 医电 学 院 专 业 机电 班 级 姓 名 学 号 校内指导老师 毕业设计名称 PLC与变频调速技术在桥式起重机上的 应用 校外指导老师 毕业设计时间 前 言 在工业生产中 广泛使用各种起重机械，对物料作起重、运输、装卸和安装以减轻工人的体力劳动，提高劳动生产率。桥式起重机是横架在车间、仓库及露天料场固定跨间上方、并可沿轨道移动，
2、取物装置悬挂在可沿桥架运行的起重小车上，使取物装置上的重物实现垂直升降和水平移动，以及完成某些特殊工艺操作的起重机，习惯叫做天车或行车。 桥式起重机在冶金企业及其他行业有着广泛的应用，其作用主要用来实现物体的升降和转运，桥式起重机工作环境恶劣，工作任务重。它能否正常工作直接影响到生产效率提高和工作任务的完成，甚至关系到人身设备的安全 。桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造、使用维修、管理方面，不断改造，推进了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中结构开裂时有发生。其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动所引起的 机械疲劳。因此除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少启动制动冲击也是一个很重
3、要的方面。 传统的起重机驱动方案一般采用： 1. 直接启动电动机； 2. 改变电动机极对数调速； 3. 转子串电阻调速； 4. 涡流制动调速； 5. 可控硅串级调速； 6. 直流调速。前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下 调速；启动电流大，对电网冲击大；常在额定速度下运行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重；功率因数低，在空载或轻载低于 0.20.4，即使满载也低于 0.75，线路损耗大。目前串级调速产品的控制技术停留在模拟阶段，尚未实现系统具有很好的调速性能和启动性能，很好的保护功能，所以有时采用直流电动机而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高。
4、 我们所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器控制设备等四部分组成。机构主要指主起升机构、副起升机构、小车运行机构 、大车运行机构。起重机一般为低压供电系统，电气控制部分集中在操作室和电气扇、安全保护装置在其适当位置上。 本论文研究了变频调速技术在 32t 5t*19.5m通用桥式起重机中应用并且根据原有的控制结构结合组态软件和 PLC 技术，提出了一个改进的系统控控制结构，并且采用此体系结构实现了桥式起重机变频调速系统。 本课题桥式起重机基本参数 :该机的起重量为 32/5 吨，其跨度 (L)为28m，副钩起升速度为 15m/min，主钩
5、起升速度为 7.5m/min.小车运行速度为 45m/min，大车运行速度为 85m/min。 目 录 中文摘要、关键词 (5) 一、 桥式起重机的简介 (6) （一） 起重机的发展史 (6) （二） 桥式起重机的分类 (6) （三） 桥式起重机对控制系统的要求 (9) 二、 32t/5t 桥式起重机现状分析 (9) 三、变频调速技术的介绍 (10) （一 ) 变频调速的基本原理 (10) 1 基频以上调速 (11) 2 基频以下调速 (11) (二） 变频器的基本结构和功能 (11) 1 变频器的主电路 (11) 2 变频器的控制电路结构 (13) （三） 变频器的控制方式 矢量控制方式 (
6、13) 四、 可编程控制器概述 （ 13） （一） Siemens S7 200 结构及工作原理 (13) 1 S7 200 系列 PLC 介绍 (14) 2 S7 200 的基本模块 14) 3 Siemens S7 200 PLC 的工作原理 (15) （二） 可编程控制器的软件构成 (15) 1 系统程序储存区 (16) 2 系统 RAM 储存区 (16) 3 用户程序储存区 (16) （三） 可编程控制器的其它连接设备 (16) 五、桥式起重机的改造方案 (17) （一） PLC 选型及设计 (17) 1 PLC 的机型选择要求 (17) 2 PLC 的容量选择 (17) 3 输入信号
7、的类型及电压等级的选择 (17) 4 开关量输出模块的选择 (18) 5 电 源模块 及编程 器的选择 (18) 6 PLC 的安全保护 (18) 7 PLC 控制系统的 I/O 点及地址分配 (20) 8 PLC 的外部接线图 (22) 9 PLC 的控制特点 (23) (二） 变频器的选型 (24) 1 变频 器 控制 方式 的 选型 (24) 2 变频器容量的选择 (24) 3 变频器参数的选择 (24) 4. 变频调速的控制特点 (26) （三） 常见低压电气的选择 (27) 1. 按使用环境选择电气设备的类型 (27) 2. 按正常工作参数选择电气设备 (27) （四） 32t/5t
8、 桥式起重机的主电路 (29) 1. 按钮处理模块 (29) 2. 通讯模块 (32) 3. PID 模块梯形图 (33) 4. 故 障模块 (35) （五） 桥式起重机变频调速系统软件设计 (35) （六） 系统抗干扰措施 (36) 六、 结束语 (37) 参考文献 (38) 致 谢 (39) 摘 要 随着控制理论的应用，微处理器和微电子技术的发展，使用变频调速控制系统日趋成熟。而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，对于提高其运行效率，确保运行安全，降低物料搬运成本十分重要。传统的桥式起重机主要采用继电器接触器控制，采用交流绕线串电阻的方法进行启动和调速
9、，这种控制系统存在可靠性差，故障率高，电能浪费大，效率低等缺点。因此根据桥式起重机的特点将可编程 控制器与变频器结合应用于桥式起重机控制系统，其中 PLC系统采用 SIEMNS公司产品，大大提高了操作精度和稳定度，综合保护功能完善，以便及时发现、查找、处理故障，并且节约了能源。 关键词 可编程控制器；变频器；桥式起重机 With the development of the control theory and the development of micro processor and micro electronics technology, the application of vari
10、able frequency speed control system is becoming more and more mature. The bridge crane as a typical application of material handling equipment system in enterprise production and extensive function in the activity, to improve its operating efficiency, ensure safe operation, reduce the material handl
11、ing cost is very important. The bridge crane mainly in the traditional relay contactor control method, AC winding series resistance of start and speed control, this control system has poor reliability, high failure rate, large energy wasting and low efficiency. Therefore, according to the characteri
12、stics of bridge crane programmable controller and frequency converter applied in bridge crane control system, the PLC system adopts the SIEMNS company products, can greatly improve the operation accuracy and stability, comprehensive protection functions, so as to find, find, treatment failure, and s
13、ave energy. PLC; frequency converter; bridge crane 一、 桥式起重机的简介 （一） 起重机的发展史 中国古代灌溉农田用的桔是臂架型起重机的雏形。 14 世纪，西欧出现了人力和畜力驱动的转动臂架型起重机。 19 世纪前期，出现了桥式起重机；起重机的重要磨损件如轴、齿轮和吊具等开始采用金属材料制造，并开始采用水力驱动。 19 世纪后期，蒸汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机。 20 世纪 20 年代开始，由于电气工业和内燃机工业迅速发展， 以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本形成。 随着工业生产规模的不断扩大，生产效率日益提高，以及产品生
14、产过程中物料装卸搬运费用所占比例逐 渐增加，促使大型或高速起重机的需求量不断增长。起重量越来越大，工作速度越来越高，并对能耗和可靠性提出更高的要求。起重机已成为自动化生产流程中的重要环节。起重机不但要容易操作，容易维护，而且安全性要好，可靠性要高，要求具有优异的耐久性、无故障性、维修性和使用经济性。目前世界上最大的浮游起重机起重量达 6500t，最大的履带起重机起重量达 3000t，最大的桥式起重机起重量为 1200t，集装箱岸边装卸桥小车的最大运行速度已达 350 /min，堆垛起重机最大运行速度是 240m/min，垃圾处理用起重机的起升速度达 100m/min。 起重机的更新和发展，在很
15、大程度上取决于电气传动与控制的改进。将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现起重机的自动化和智能化。大型高效起重机的新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由全数字化控制驱动装置、可编程序控制器、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。变压变频调速、射频数据通讯、故障自诊监控、吊具防摇的模糊控制、激光查找起吊物重心、近场感应防碰撞技术、现场总线、 载波通讯及控制、无接触供电及三维条形码技术等将广泛得到应用。使起重机具有更高的柔性，以适合多批次少批量的柔性生产模式，提高单机
16、综合自动化水平。重点开发以微处理机为核心的高性能电气传动装置，使起重机具有优良的调速和静动特性，可进行操作的自动控制、自动显示与记录，起重机运行的自动保护与自动检测，特殊场合的远距离遥控等，以适应自动化生产的需要。 （二） 桥式起重机的分类 桥式起重机属于起重机械的一种，是一种工作循环、间歇运动的机械。一个工作循环包括：取物装置把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行反向运动，使 取物装置返回原位，以便进行下一次循环。通常起重机械由起升机构、运行机构、 变幅机构和回转机构 (使物品作水平移动 )，加上金属机构，动力装置，操纵控制及必要的辅助装置组合而成。在建桥工程中所用的起重机械，
17、 根据其构造和性能的不同，一般可分为轻小型起重设备、桥式类型起重机械和臂架类型起重机三大类。轻小型起重设备如：千斤顶、葫芦、卷扬机等。桥架类型起重机械如梁式起重机、龙门起重机等。臂架类型起重机如固定式回转起重机、塔式起重机、汽车起重机、轮胎、履带起重机等。在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械叫吊车 ，属于物料搬运机械。 起重机的工作特点是做间歇性运动，即在一个工作循环中取料、运移、卸载等动作的相应机构是交替工作的。本文主要研究是普通桥式起重机。 普通桥式起重机 一般 由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成 ，如图 1 所示 。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架 等三
18、部分组成 ，如 图 2 所示 。起升机构 由 电动机、 制动器 、 减速器 、卷筒和滑轮组 组成 。电动机通过减速器带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。通常在额定起重量超过 10 吨的普通桥式起重机上装有主、副两套起升机构，副钩的额定起重量一般为主钩的 15 20。小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为 焊接 结构。起重机运行机构的驱动方式可分为两大类：一类为集中驱动，即用一台电动机带 动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的 “三合一 “驱动方式，
19、大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用 万向联轴器 。起重机运行机构一般只用 4 个主动和从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压。当车轮超过 4 个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上。图 1 普通桥式起重机效果图 图 2 桥式起重机 图 3 桥架主梁的结构图 桥架的金属结构由主梁和端梁组成 的可 分为单主梁桥架和双梁桥架两类。单主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁 和端梁组成。主梁与端梁刚性连接 ,端梁两端装有车轮 ,用以支承桥架在高架上运行。主梁上焊有轨道，供起重小车运行。桥架主梁的结构类型较多 ，如
20、图 3 所示 ，比较典型的有箱形结构、四桁架结构和空腹桁架结构。箱形结构又可分为正轨箱形双梁、偏轨箱形双梁、偏轨箱形单主梁等几种。正轨箱形双梁是广泛采用的一种基本形式 ,主梁由上、下翼缘板和两侧的垂直腹板组成 ,小 车 钢轨布置在上翼缘板的中心线上，它的结构简单，制造方便 ,适于成批生产 ,但自重较大。偏轨箱形双梁和偏轨箱形单主梁的截面都是由上、下翼缘板和不等厚的主、副腹板组成，小车钢轨布置在 主腹板上方，箱体内的短加劲板可以省去，其中偏轨箱形单主梁是由一根宽翼缘箱形主梁代替两根主梁 ,自重较小 ,但制造较复杂。四桁架式结构由 4 片平面桁架组合成封闭型空间结构，在上水平桁架表面一般铺有走台板
21、，自重轻，刚度大，但与其他结构相比，外形尺寸大，制造较复杂，疲劳强度较低，已较少生产。空腹桁架结构类似偏轨箱形主梁 ,由 4 片钢板组成一封闭结构 ,除主腹板为实腹工字形梁外 ,其余 3 片钢板上按照设计要求切割成许多窗口，形成一个无斜杆的空腹桁架，在上、下水平桁架表面铺有走台板，起重机运行机构及电气设备装在桥架内部 ,自重较轻 ,整体刚度大，这在 我 国是较为广泛采用的一种型式。 （三） 桥式起重机对控制系统的要求 为了 保证 起重机的生产率和生产安全，对起重机提升机构提出如下要求： 1.具有合适的升降速度，空钩能快速升降，轻载提升速度应大于额定负载的提升速度 ； 2.具有一定的调速范围，普
22、通起重机调速范围 一般 为 3:1； 3.适当的低速区，提升重物开始或下降重物到预定位置附近，都需要低速。 因 此在 30%额定速度内应分成几档，以便灵活操作。高速向低速过渡应逐级减速，保持稳定运行 ； 4.提升的第一档为预备档，用以消除传动间隙，将钢丝张紧，避免过大的机械冲击。但起 动转矩不能大，一般限制在额定转矩的一半以下 ； 5.负载放下时，依据负载大小，拖动电动机可以是电机状态、倒拉反接制动状态与再生发电制动状态 ； 6.为了安全，有机械抱闸的机械制动，以减轻机械抱闸的负担。不允许只有电气制动而无机械制动，不然发生 电源 事故停电时，在无制动力矩作用下，重物将自由下落，造成设备或人身事
23、故 。 大车运行机构与小车运行机构对电力拖动自动控制的要 求比较简单，只要有一定的调速范围，分几档进行控制即可。为实现准确停车，应采取制动停车。 二、 32t/5t 桥式起重机现状分析 某钢铁公司吊装 车间 的桥式起重机主要 用在检修和频繁的钢坯吊运，工作任务繁重、环境温度高、接近额定负荷 。桥式起重机拖动系统 一般 采用绕线式交流异步电机，其中大车电机 2 台，小车电机 1 台，主起升电机 1 台，副起升电机 1 台，转子回路内串入多段外接电阻调速，采用凸轮控制器、继电器接触器控制，这种控制系统主要缺点如下： 1.电机转子串电阻调速属能耗型转差调速，能耗大，机械特性软，调速范围小，平滑 性 比较差； 2.继电器接触器控制系统在频繁切换的情况下，冲击电流大，触头 容易 烧损、电刷冒火、电动机以及转子所串电阻烧损和断裂故障时有发生，故障率高； 3.调速平滑性差，对减速机、 联 轴器、钢丝绳的机械冲击大，影响使用寿命；
