MQ4037门座起重机电气控制系统分析Word下载.docx

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福建漳州港的MQ4037门座起重机代表了国内港口门坐起重机的主流，具有普遍性，在此作为案例讲解它的电气控制系统。

希望大家能对这种门机有个深入了解。

关键词：

门座起重机、变频器、逆变器、可编程控制器、起升机构、旋转机构、变幅机构、行走机构、交流调速、接触器

一、绪论

1.1课题背景及内容

随着社会经济的迅速发展，国家外贸货运量的增加，国家港口数量和规模都在不断增大以满足日益增长的巨大要求。

门座起重机在港口机械钟扮演着重要角色，为国家港口发展起了重大作用。

门座起重机的电气控制系统在不断的改进，使它在各种合理的速度下有效的工作，以提高生产率和确保安全生产。

二、MQ4037门座起重机电控系统概述

2.1门机变频控制概述

MQ4037门座起重机是通过PLC对它的电气部分进行变频控制的。

门座起重机主要是通过起升,变幅,旋转3种运动的组合,可以在一个环形圆柱体空间实现物品的升降,移动并通过运行机构调整整机的工作位置,故可以在较大的作业范围内满足运移物品的需要.MQ4037门座起重机起升,变幅,旋转,大车行走这4种运动均是通过操作手柄控制的.手柄的方向触点触发运行方向命令,手柄动作时,数字式主令手柄通过绝对值光电编码器发送一个格雷码至PLC远程输入/输出模块.此信号通过PLC软件运算,被校准为手柄零位为0,手柄最大为10000的数,此数值范围为-10000到+10000,与手柄发送的格雷码一一对应,经过匀加减速运算（加减速时间在程序中设定）后送到变频器,当许可逻辑允许时,相应机构按照手柄命令的方向运行,当许可逻辑不允许时一个停止命令将送到变频器,使相应机构产生正常的再生停止.当相应机构碰到减速限位时,它立刻把信号传到PLC,PLC经过处理,把减速信号传到变频器,变频器使相应机构减速.同样,当某机构碰到极限限位时,它立刻把信号传到PLC,PLC经过处理,发出停止信号到变频器使相应机构停止动作.总之,它就是先把控制信号传到PLC,PLC,经过逻辑运算,再把信号传到变频器,使变频器产生相应的频率控制电机转速,进而实现对门机的各机构的控制.

三、可编程控制器的简单介绍

3.1可编程控制器的定义

可编程控制器是以微处理器为核心,综合计算机技术,自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置.它是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计的.它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数,和算术运算等操作的指令,并通过数字式,模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程.

3.2可编程控制器的特点

1.可靠性高,抗干扰能力强

现代PLC采用了集成度很高的微电子器件,大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成,其可靠程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的.为了保证PLC能在恶劣的工业环境下工作,在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施.

2.编程简单易学

PLC采用与继电器控制线路非常接近的梯形图作为编程语言,它既有继电器电路清晰直观的特点,又充分考虑到电气工人和技术人员的读图习惯.

3.功能完善,适应性强

目前PLC产品已经标准化,系列化和模块化,不仅具有逻辑运算,计时,计数,数序控制等功能,还具有A/D,D/A转换，算术运算及数据处理，通信联网和生产过程监控等功能。

它能根据实际需要，方便灵活的组装成大小各异，功能不一的控制系统：

既可控制一台单机，一条生产线，又可以控制一个机群，多条生产线；

既可以现场控制，又可以远程控制。

针对不同的工业现场信号，如交流或直流，开关量或模拟量，电流或电压，脉冲或电位，强电或弱电等，PLC都有相应的I/O接口模块与工业现场控制器件和设备直接连接，用户可以根据需要方便地进行配置，组成实用，紧凑的控制系统。

4.使用简单，调试维修方便

PLC的接线极其方便，只需将产生输入信号的设备（如按钮，开关）与PLC的输入端子连接，将接收输出信号的被控设备（如接触器，电磁阀）与PLC的输出端子连接，仅用螺丝刀即可完成全部接线工作。

PLC的用户程序可在实验室模拟调试，输入信号用开关来模拟，输出信号可以观察PLC的发光二极管。

调试后再将PLC在现场安装通调。

调试工作量要比继电器控制系统少得多。

PLC的故障率很低，并且有完善的自诊断功能和运行故障指示装置。

一旦发生故障可以通过PLC机上各种发光二极管的亮灭状态迅速查明原因，排除故障。

5.体积小，重量轻，功耗低

由于PLC采用半导体大规模集成电路，因此整个产品结构紧凑，体积小，重量轻，功耗低。

PLC很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。

3.3PLC的控制功能

1.开关量控制

这是PLC最基本的应用领域，可用PLC取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。

2.模拟量控制

目前，很多PLC都具有模拟量处理功能，通过模拟量I/O模块可对温度，压力，速度，流量等连续变化的模拟量进行控制，而且编程和使用都很方便。

大，中型的PLC还具有PID闭环控制功能，运用PID子程序或使用专用的智能PID模块，可以实现对模拟量的闭环过程控制。

随着OLC规模的扩大，控制的回路已从几个增加到几十个甚至上百个，可以组成较复杂的闭环控制系统。

3.运动控制

运动控制是指PLC对直线运动或圆周运动的控制，也称为位置控制，早期PLC通用开关量I/O模块与位置传感器和执行机构的连接来实现这一功能，现在一般都使用专用的运动控制模块来完成。

4.数据处理

现代PLC都有不同程度的数据处理功能，能够完成数学运算（函数运算，矩阵运算，逻辑运算），数据的移位，比较，传递，数值的转换和查表等操作，对数据进行采集，分析和处理。

5.通信联网

通信联网是指PLC与PLC之间，PLC与上位机算计或其它智能设备之间的通信，利用PLC和计算机的RS-232或RS-422接口，PLC的专用通信模块，用双绞线和同轴电缆或光缆将它们连成网络，可以实现信息间的信息交换，构成“集中管理，分散控制”的多级分布式控制系统。

四、变频调速介绍

4.1交流调速发展概述

对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两大类。

这两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。

在过去很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆，可调速与高精度，宽调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采用直流调速系统。

然而由于直流电动机有机械换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高，价格昂贵，维护麻烦，是使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限，从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。

相对于直流电动机来说，交流电动机特别是鼠龙式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态相应好，以及易于向高电压，高速和大功率方向发展等优点。

因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。

随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。

现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度，快响应，大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。

交流调速的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美，相抗衡，并有取代的趋势。

4.2交流调速常用的调速方案

由电机学可知，交流异步电动机的转速公式如下：

N=60F1（1-S）/Pn

式中Pn---电动机定子绕组的磁极对数；

F1---电动机定子电压供电频率

S----电动机的转差率

从式中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案

1.改变电动机的磁极对数

在供电电源频率F1不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数Pn，即可改变异步电动机的同步转速N0，从而达到调速的目的。

这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。

采用这种控制方式，电动机转速的变化是有级的，不是连续的，一般最多有三档，适用于自动化程度不高，且只需有级调速的场合。

2.变频调速

当异步电动机的磁极对数Pn一定，转差率s一定时，改变定子绕组的供电频率f1可以达到调速的目的，电动机转速n基本上与电源的频率F1成正比，因此平滑的调节供电电源的频率，就能平滑，无极地调节异步电动机的转速。

变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频F=50HZ以下，属于恒转矩调速，在基频以上，属于恒功率调速，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。

且采用变频启动更能显著改善交流电动机的启动性能，大幅度降低电机的启动电流，增加启动转矩。

所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。

3.变转差率调速

改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：

异步电动机定子调压调速，电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速，串级调速等。

定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，这种调压调速系统仅用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。

为了能得到好的调速精度与能稳定运行，一般采用带转速负反馈的控制方式。

所使用的电动机可以是绕线式异步电动机或是有高转差率的鼠笼是异步电动机。

3700电磁转差离合器调速系统，是由鼠笼式异步电动机，电磁转差离合器以及控制装置组合而成。

鼠笼式电动机作为原动机以恒转速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制事实现对其磁极的速度调节。

这种系统一般也采用转速闭环控制。

绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子所串电阻来进行调速，这种调速方法简单，但调速是有级的，串入较大附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运行损耗大稳定性差。

绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势Ef，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反向电势Ef,就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。

Ef越大，电动机转速越低。

上述这些调速的共同特点是调速过程中没有改变电动机的同步转速n0，所以低速时，转差率较大。

4.3变频器调速在起重机上的应用

绝大多数起重机要求在不同的场合，用不同的速度进行工作，其目的在于使起重机在各种合理的速度下有效的工作，以提高生产率和确保安全生产。

这种调速过程需在运行过程中进行，而且变换次数较多，因而机械变速一般不合适，大多数情况下需采用电气调速。

起重机电气调速系统分为两大类，即直流调速系统和交流调速系统.如前所述，直流调速方案因为直流电动机结构复杂，制造成本高，维护不便等诸多缺点，虽然目前在大型起重机上仍在使用，但正有逐步被交流调速方案所替代的趋势。

目前在起重机上采用的交流调速方案主要有：

绕线式异步电动机转子串电阻调速；

能耗制动下降调速；

涡流制动器调速，定子调速，串级调速及变频调速等。

首先，起重机整体性能会有很大的提高，它具有速度可在整个调速范围内连续控制，开、闭环特性好，调速比可打1：

100以上，调速精度+-1%，调速平稳，负载变化时有极好的动态响应，可以长时间低速运行，使其具有极高的定位精度，节能效果显著，简化了电控系统，省去了电动机转子侧的大功率电阻、切换交流接触器和电动机正反转交流接触器，再加之系统传动所用变频电机属鼠笼式异步电动机类、成本相对低廉，维修少。

因此变频调速是起重机最理想的交流调速方案，具有同直流传动一样的调速性能，性能价格比最高。

4.4变频技术简介

变频技术简单的说就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电再把交流电变成直流电，这一切都是电能不发生变化，而只有频率的变化，门机的变频是先把交流电变成直流电再根据PLC的控制把直流电变成不同频率的交流电。

五、门机电气控制原理

5.1MQ4037门机电气控制原理概述

从变电所传到每台门机的电压是6KV，50HZ的容量是800KVA的交流电，经过电缆卷筒集电器后，经三角形/星型变压器，变成400V的电压，频率是50HZ后经过滤波柜功率表，电流表，电压表等，再经过电抗器，整流回馈单元把交流电整成直流电，然后经过各机构逆变器把直流电整成所控制的（3—100HZ）的变化的交流电，送到电机实现速度控制。

5.2MQ4037门机的电源控制原理

电源经高压变压器后变为380V后，便可供整台门机正常使用了，直接使用此三相电的有海侧和陆侧的两个门腿电源维修箱，门架轴流风机，消谐装置电源，机房轴流风机，集中润滑电源，电动葫芦电源，机房、变幅平台、电气室维修电源，变压器，整流单元等。

此门机共有5个紧停开关，分别在两个门腿各一个，右联动台一个，机房一个，变幅平台一个。

在紧急状态下，通过按下这些紧停开关使总电源空气开关脱扣分闸。

经三相变压器后，在其二次侧分别对控制柜照明线，控制柜加热器，控制柜风扇供电。

控制柜照明，控制柜加热器，控制柜风扇，均先通过一个空气开关。

控制柜照明通过柜门上的限位开关控制其电源通断，当打开柜门时，限位开关闭合，使灯亮，当关上柜门时，限位开关打开，使灯灭。

控制柜加热器通过接触器的触点间接控制当使某开关闭合后信号传到PLC，PLC经过处理闭合一开关使其接触器通电进而使控制柜加热器通电，

控制柜风扇也是通过接触器的触点间接控制，当某开关闭合使信号传到PLC,PLC经过处理控制闭合一开关使接触器通电进而使控制柜风扇通电。

经过两相变压器（380/220）后，在二次侧分别对插座，二次控制线路，公共电源，扬声器，监视器，雨刮器，PLC柜/联动台PLC输入/联动台PLC输出/支持开闭机构柜/旋转机构柜/整流回馈柜等需要24V直流电的单元。

公共电源供电的有：

整流单元，（直流—交流），扩音器，起升变频器，旋转变频器，变幅变频器。

二次控制供电的有：

主接触器1、相互接触器2、主接触器指示、机房轴流风机接触器、控制柜加热器接触器、控制柜风扇接触器、联动台主开关合指示、电笛、起升风机接触器、起升计时/制动街车其、开闭风机接触器、开闭计时/制动接触器、行走接触器、起升接触器、行走计时接触器、1#/2#旋转风机接触器旋转计时接触器、变幅风机接触器、变幅制动/计时接触器、行走风机接触器、防爬电机接触器、门架轴流风机接触器、行走声光报警等。

5.3整流单元

U1,V1,W1的接线是从高压变压器变为380V后又经过测量，消谐装置，开关（包括紧停开关）后，直接引来的。

U2,V2,W2是回馈线的接线经三相变压器T1后，反馈到相对应的三相线上。

P3C13,P4C14是接到经两相变压器变为220V又经过整流变成DC24V，10A的电源上。

17，19接到PLC柜/联动台PLC输入的电源（DC24V,14.6A）的接头上。

18，20是两个检测输出接头。

18，20分别通过开关C3C7,C3C8连接到PLC柜输入模块2的两个输入口上。

当整流单元运行正常时，C3C7闭合把信号传到PLC，PLC经过处理，控制输出模块2连接的接触器K1接通使其常开触点C21K1闭合，使整流单元正常运行。

当整流单元发生故障时，C3C18断开把信号传到PLC，PLC经过处理控制输出模块2连接的接触器K2使其常开触点C21K21闭合使整流单元停止运行，并显示故障。

当排除故障后，接通开关C21K3使整流单元又传递给PLC正常信号PLC控制整流单元又正常运行。

电流经整流单元后，通过L+,L-输出直流电对支持（行走）逆变器，开闭逆变器，旋转逆变器，变幅逆变器的L+,L-供电。

5.4起升机构/行走机构

起升机构由开闭机构和支持机构两个机构组成采用两套逆变器，其中支持和行走共用一套逆变器。

起升机构/行走机构的变频器采用带PG的矢量控制方式。

PLC实时读取变频器的参数，并通过输入给PLC的主令控制器信号控制变频器的频率及电动机的转速。

起升机构可以通过联动台上的转换开关进行起升单机，开闭单机，抓斗，吊钩，机上行走，机下行走六种运行方式的操作。

起升机构机械制动采用双制动器形式，电控采用力矩控制和零速抱闸控制方式，减少抱闸闭合时的振动及抱闸磨损，使车更平稳。

起升机构的电气保护有短路及过电流保护，过载保护，失压，缺相及零位保护，超负荷保护，大风保护及超速等多种保护。

当变频器出现故障信号时，必须通过联动台上的故障复位按钮进行复位。

超负荷限制器设定为90%额定负载时发出声光报警，110%额定负载则自动切断上升电路，使机构只能下降，超负荷限制器的显示器装在司机操作台的右前上方，具有重量，变幅等显示。

起升机构设有两级限位保护开关，碰撞第一级限位后，机构自动进行减速，碰到第二级限位后，机构停止运行。

操作手柄从零位推至所需档位，或由一个方向推至另一个方向PLC会控制变频器以设定的加，减速时间平稳加，减速至所需速度。

抓斗工况为门机的主要工况，抓斗的升降，开闭完全由起升机构的支持机构和开闭机构协调实现，由于抓斗是机械合成，必须保持支持，开闭四根钢丝绳的协调运行，该门机在抓斗闭合时，驱动系统工作在负载平衡方式，速度平衡方式和位置平衡方式。

在吊钩工况下，驱动系统工作在负载平衡方式和位置平衡方式。

门机抓取物料时，程序专门设有“挖掘”方式，挖掘动作时，闭合驱动处于手柄全速控制,支持驱动则在一较低预置给定命令和小力矩限制方式下，进行，其作用是保证支持绳的张力达到设定的电流限制值，当抓斗闭合时抓斗略微上升，支持绳趋于缠紧状态，该速度给定值为全速的11%，例句限制在额定的12%。

该力矩愈高，支持绳张力就越大，抓斗抓取料愈少，反之抓斗沉入更深，深挖功能越强，为消除货物种类、抓斗绳索、作业状态不同等因素对门机作业效率的影响，尽量发挥设备效力，40吨门机在抓斗工况下，专门设计了抓斗设定程序，程序依据抓斗设定的数据对抓斗的开，闭减速进行设定，作业中司机可根据现场作业实际情况，随时调整抓斗设定状态，确保抓斗满载作业。

抓斗设定后，系统对抓斗开，闭斗状态的有关数据进行记忆，以此作为抓斗控制的依据进行实时调整、控制、保证每个作业循环中的抓斗斗型不变。

抓斗工况下，程序对抓斗的开闭操作自动进行速度控制和力矩控制，确保抓斗开、闭平稳，安全可靠。

MQ4037门机的支持机构和行走机构共用一台逆变器，通过司机室联动台上的工况选择开关“现场操作停止/允许”和“起升/停止/行走”旋钮进行大车行走控制。

当旋钮打在“现场操作停止”和“行走”大车通过右联动台上的操作手柄进行控制大车行走的方向和速度；

当旋钮打到“现场操作允许”和“行走”可以通过海侧门腿上的运行操作箱进行点动控制。

由于行走机构采用开环V/F控制模式，起升机构控制采用带PG矢量控制模式，且两个机构电机功率不同，因此，变频器内部设有两套不同的控制参数分别对应两个机构的控制，通过变频器输出接触器反馈自动调用所需的变频器参数，通过系统对机构进行精密控制。

为防止大车行走时拉断供电电缆，在电缆驱动部分设有电缆终点限位，终端放缆限位开关动作后，自动切断行走机构电源，使其停车。

若需反方向运行，必须按住极限退出按钮并同时操作行走手柄方可控制行走。

在门腿两侧顺轨道方向设有大车防撞限位和红外线防撞限位，检测临近门机与门机的安全距离，当防撞限位动作后，系统自动切除行走机构电源，使其停车。

另外，在行走锚定器及防跑制动器增设动作反馈限位与大车行走进行连锁，锚定，防跑器提起前行走不能动作；

8台行走电机制动器全部设有连锁限位，当行走制动器发生故障时，机构马上切断行走电源，停止大车行走。

另外，行走机构还设有短路、过电流、失压、零位等多种可靠的电气保护。

电缆卷筒采用电机—磁滞耦合器驱动方式，很好的解决了行走过程的力矩和速度要求，且使电缆随时处于张紧状态，电缆卷筒与行走电机同步启动，但当行走电机停止时，电缆卷筒电机延时后断电。

为方便电缆更换或移车后多余电缆的卷绕。

单机方式为门机更换钢丝绳、调节抓斗或吊钩等辅助情况下的工作方式，在单机方式下，机构按手柄给定速度运行，这时负载平衡和速度/位置平衡方式功能都不存在。

起升机构线路简易分析（以支持/行走机构的线路为例进行分析）

L+、L-是从整流单元引来的线，P3C13、P3C14为公共电源（AC220V）为逆变器工作供电，P3D53、P3D54为DC24V电源，RS485为通信卡与PLC进行通信实现PLC对逆变器的控制。

HBM1、HBM2为起升机构的两个制动电机，HFM为支持风机。

变频器进行速度调整后，从U、V、W端输出到起升电机进行速度控制，同时经分支路GC接触器输出到8台行走电机进行速度控制，这两个机构在逻辑控制上有可靠的电气互锁。

起升机构各开关、接触器、连锁限位、保护限位、联锁触点等外部信号，经I/O输入、输出模块进入PLC，经严格的逻辑控制后进行机构的可靠控制，当机构发生故障时，PLC马上停止变频器运行，同时，制动器紧急制动，并通过安装于PLC柜的触摸屏进行故障显示，当故障排除后，司机按下故障复位按钮，PLC输出复位信号对变频器进行复位。

起升主令编码器输出的速度信号经高速模块进入PLC，经转换、计算等一系列控制后由通讯端口进入变频器进行速度控制，由起升电机同轴连接的增量型编码器PG将电机速度信号反馈给变频器进行闭环控制，同时经通讯端口反馈到PLC进行机构的运算控制。

5.5变幅机构

变幅机构变频采用带PG的矢量控制模式。

PLC实时读取变频器的参数，并通过输入给PLC的主令控制器信号控制变频器的频率及电动机的转速。

变幅机构制动器采用力矩控制和零速抱闸方式，减少抱闸闭合时的振动及抱闸磨损，确保机构起、停平稳。

变幅机构的电气保护有短路保护、过电流保护、过载保护、失压保护、缺相保护、零位保护、大风保护、和超速保护、等多种保护，当变频器出现故障时，必须通过右联动台上的故障复位按钮进行复位。

变幅机构设有三级限位保护开关，碰撞第一级限位后，机构自动进行减速，碰撞到第二级限位后，机构停止运行，当第二级限位失灵后，机构运行碰撞到第三级变幅极限限位开关，机构停止运行，第三级限位动作程序作为故障自锁，变幅正反向操作被停止，若操作变幅机构必须按下极限退出按钮且同时操作主令手柄方可运行。

操作手柄从零位推至所需档位或右一个方向推至另一个方向PLC会控制变频器以设定的加减速时间