有关PLC于变频器的桥式起重机控制系统设计样本.docx
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有关PLC于变频器的桥式起重机控制系统设计样本
摘要
伴随现代控制理论应用，微处理器和微电子技术发展，使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个经典设备，在企业生产活动中应用广泛作用显著，故对于提升其运行效率，确保运行安全，降低物料搬运成本是十分关键。
传统桥式起重控制系统关键采取继电器接触器进行控制，采取交流绕线串电阻方法进行开启和调速，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。
所以依据桥式起重机运行特点，将可编程序控制器和变频器结合应用于桥式起重机控制系统，其中PLC系统则采取SIEMENS企业产品，大大提升了操作精度和稳定度;综合保护功效完善，便于立即发觉、查找、处理故障；而且节省了能源。
关键词:
可编程序控制器；桥式起重机；变频调速；变频器
第四张
第一章绪论
1.1桥式起重机介绍
桥式起重机在冶金企业及其它行业有着广泛应用,其作用关键用来实现物体升降和转运,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升和工作任务完成,甚至关系到人身、设备安全。
经过几十年发展，中国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不停积累经验，不停改造，推进了桥式起重机技术进步。
但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。
究其原因是频繁超负荷作业及过大机械振动冲击所引发机械疲惫。
所以，除了机械上改善设计外，改善交流电气传动，降低起制动冲击，也是一个很关键方面。
传统起重机驱动方案通常采取:
（1）直接起动电动机;
（2）改变电动机极对数调速;（3）转子串电阻调速;（4）涡流制动器调速;（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;起动电流大，对电网冲击大;常在额定速度下进行机械制动，对起重机机构冲击大，制动闸瓦磨损严重;功率因数低，在空载或轻载时低于0.2-0.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。
现在串级调速产品控制技术仍停留在模拟阶段，还未实现控制系统含有很好调速性能和起制动性能，很好保护功效及系统监控功效，所以有时采取直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。
我们所研究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、桥架运行机构和电气控制设备等四个部分组成。
机构关键指主起升机构、副起升机构、小车运行机构、大车运行机构。
在电气控制系统中，其供电通常是经过电缆卷筒将电源输送到中心电器上，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内，安全保护装置装在在合适位置上。
1.2本课题设计意义、关键内容及基础参数
传统桥式起重机控制系统关键采取交流绕线转子串电阻方法进行开启和调速，继电一接触器控制，这种控制系统关键缺点有:
1.桥式起重机工作环境差，工作任务重，电动机和所串电阻烧损和断裂故障时有发生。
2.继电一接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高。
3.转子串电阻调速，机械特征软，负载改变时转速也改变，调速不理想。
所串电阻长久发烧，电能浪费大，效率低。
要从根本上处理这些问题，只有根本改变传统控制方法。
其中，含有代表性交流变频调速装置和可编程控制器取得了广泛应用，为PLC控制变频调速技术在桥式起重机系统提供了有利条件。
变频调速以其可靠性好，高品质调速性能、节能效益显著特征在起重运输机械行业中含有广泛发展前景。
本论文研究了变频调速技术在20/5t*19.5m通用桥式起重机中应用，而且依据原有控制结构，结合组态软件和PLC技术，提出了一个改善系统控制结构，而且采取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础参数:
该机起重量为20/5吨，其跨度（L）为19.5m小车起升速度为15m/min，大车起升速度为7.5m/min.小车运行速度为45m/min，大车运行速度为75m/min。
第二章矢量控制变频调速
2.1变频调速基础原理
异步电机转速公式为:
=
（1－
）（2.1）
其中:
—异步电动机转速，单位为r/min;
—定子电源频率，单位为Hz;
—电机转速滑差率;
—电机极对数。
由上式（2.1）可知，假如改变输入电机电源频率
，则可对应改变电机输出转速。
在电动机调速时，一个关键原因时期望保持每极磁通量
为额定值不变。
磁通太弱，没有充足利用电机磁心，是一个浪费:
若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而造成过大励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。
对于直流电机来说，励磁系统是独立，所以只要对电枢反应赔偿适宜，保持
不变是很轻易做到。
在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生。
三相异步电动机每相电动势有效值是:
（2.2）
式中:
—气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V;
—定子频率，单位为Hz;
—定子每线绕组串联匝数;
—基波绕组系数;
—美极气隙磁通量，单位为Wb;
由公式可知，只要控制好
和
便能够控制磁通
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
即采取恒定电动势。
由上式可知，要保持
不变，单频率
从额定值
向下调整时，必需同时降低
然而绕组中感应电动势是难以控制，但电动势较高时，能够忽略电子绕组漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1≈E，则得U1/f1=常值。
低频时，U1和
读数较小，定子阻抗压降所占份量全部比较显著，不能在忽略。
这时，能够人为把电压U抬高部分，方便近似不赔偿定子压降。
带定子压降赔偿恒功率比控制特征为b线（
），无赔偿为a线（
）。
图2.1所表示:
图2.1恒压频比控制特征
2．基频以上调速
在基频以上调速时，频率f能够从往上增高，但电压u磁通和频率成反比降低，相当于和直流电机弱磁升速情况。
把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机变频调速控制特征，图2.2。
假如电动机在不一样转速下全部含有额定电流，则电动机全部能在温升许可条件下长久运行，这时转矩基础上随磁通改变。
在基频以下，属于“恒转矩调速”调速，而在基频以上基础上属于“恒功率调速”。
图2.2异步电动机变频调速控制特征
2.2变频器基础结构和功效
变频器基础结构见图2.3
图2.3变频器结构图
变频器功效是为电动机提供可变频率电源,实现电动机无极调速。
变频器含有对电机和变频器本身完善保护功效,如过热、过载、过流、过压、缺相、接地等,从而避免备在不正常状态下长时间运行,保护设备不至于损坏。
2.2.1变频器主电路
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分立器件，以可关断晶闸管（GTO），巨型晶体管（GTR），功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表功率集成器件（PID）,以智能化功率集成电路（SPIC），高压功率集成电路（HVIC）为代表功率集成电路（PIC）等三个发展时期。
从晶闸管发展到PID,PIC经过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通和关断全控器件。
在器件控制模式上，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）控制功率，而且大大提升了器件导通和关断转换速度，从而使器件工作频率不停提升。
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初级模块，继而将功率变换电路和触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起复杂模块。
整流电路
通常三相变频器整流电路由三相全波整流桥组成。
它关键作用是对工频外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要直流电源。
整流电路按其控制方法，能够是直流电压源，也能够是直流电流源。
逆变电路
逆变电路是利用六个半导体开关器件组成三相桥式逆变电路，有规律控制逆变器中主开关元器件通和断，得到任意频率三相交流电输出。
它关键作用是在控制电路控制下，将平滑电路输出直流电源转换为频率和电压全部任意可调交流电源。
逆变电路输出就是变频器输出，它被用来实现对异步电动机调速控制。
2.2.2变频器控制电路组成
包含主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路和保护电路等多个部分，是变频器关键部分。
控制电路优劣决定了变频器性能优劣。
控制电路关键作用是完成对逆变器开关控制、对整流器电压控制和完成多种保护功效。
伴随电力半导体器件和微型计算机控制技术快速发展，促进了电力变频技术新突破性发展，70年代后期发展起来脉宽调制（PulseWidthModulation,PWM）技术成了现在最常见变频器功率开关器件控制策略。
SPWM（SinusoidalPWM）则是较为常见技术。
其通常是采取调制方法，即把正弦波作为调制信号，把接收调制信号作为载被，经过对载波调制即可得到SAM波形。
通常采取等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度和高度线性关系，且左右对称，当它和正弦波调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件通断，就能够得到宽度正比于正弦波幅值脉冲，这恰好符合SPWM控制要求。
三角载波频率fc,和正弦调制波频率fr,之比即fc/fr=Nc称为载波比。
用生成SPWM波控制逆变器开关器件通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律改变矩形脉冲列输出电压。
正弦调制波频率fr,即是逆变器输出频率f1改变fr,便可改变f1三角载波幅值为恒定，所以改变正弦调制彼幅值就改变了矩形脉冲面积，由此实现输出电压幅值改变。
第三章桥式起重机变频控制系统硬件设计
3.1总体设计方法
控制系统由PLC控制，四大机构调速均采取变频调速。
桥式起重机变频调速系统关键由上位机（工业触摸屏系统）、下位机（PLC控制系统）、变频调速系统组成。
系统结构图图1
图3.1控制系统结构图
下面分别对各关键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。
主起升和副起升两台电机各使用一个变频器。
变频器选择，应以选择变频器额定电流为基准，通常以电动机额定电流，负载率，变频器运行效率为依据。
控制方法选择带PG矢量控制方法。
PLC接收电机旋转编码器经数模转换卡送达反馈信号，避免吊钩下滑。
2、运行机构
大车运行机构中两台电机用一个变频器;考虑到运行机构工作频率较少，为节省成本，在调速中运行机构共用一台变频器。
变频器选择，通常以电动机额定功率作为选择依据。
通常选额定功率大一级变频器。
3.2PLC技术介绍
3.2.1PLC概述
可编程程序控制器（ProgrammableControler），也称为PLC（programmableLogiccontroler），即是可编程逻辑控制器。
其采取计算机结构，关键包含CPU,存放器、输入、输出接口及模块、通讯接口及模块、编程器和电源六个部分。
图4.1所表示，PLC内部采取总线结构，进行数据和指令传输。
外部多种开关信号、模拟信号、传感器检测多种信号均作为PLC输入变量，她们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器，经PLC内部逻辑运算或其它多种运算处理后送到输出端子，作为PLC输出变量，对现场设备进行多种控制。
主机
图3.2可编程控制器基础结构示意图
3.3部件选择
3.3.1电机选择
一、变频调速对电机要求
采取变频调速时，因为变频器输出波形中高次谐波影响和电机转速范围扩大产生了部分和在工频电源下传动时不一样特征。
关键反应在功率因数、效率、输出力矩、电机温升、噪音及振动等方面。
伴随高开关频率工GBT等电力电子器件使用、PWM调制、增强型V/f控制方法应用、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改善，有效地提升了变频控制电机低速区转矩。
同时因为变频控制软件优化使用，使电机能够避开共振点，处理了系统在大调速区间内可能发生共振问题。
二、变频起重机系统中电机选型
起重机起升和运行机构调速比通常小于1:
20，且为断续工作制，通常接电连续率在60%以下，负载多为大惯量系统。
严格意义上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工况条件下，这些特征均非起重机特定要求。
一般电机和变频电机在不连续工作状态下特征基础一致;在连续工作时考虑到冷却效果限制了一般电机转矩应用值，一般电机仅在连续工作时变频驱动特征比变频电机稍差。
三、电机冷却
西门子变频器在调速比为1:
20范围内能确保起重机上一般电机有150%过载力矩值。
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1.5倍值，运行机构电机在以额定速度运行时电机通常工作在额定功率以下，所以高频引发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速比下连续运行则必需采取她冷式电机。
四、电机效率
国外以4极电机作变频电机首选极数，所以时电机有最好功率因数和最高工作效率，使能耗降为最低。
现在，中国用于起重机械4极电机有强迫通风冷却YZFXXX-4型电机等。
五、电机起动转矩及电机运行功率因数
起重机运行机构转动惯量较大，为了加速电机需有较大起动转矩，故电机容量需由负载功率P厂及加速功率Pa两部分组成。
通常情况下
电机容量P为
式中
一电机平均起动起动转矩倍数
起重机起升机构负荷特点是起动时间短（1-3s），只占等速运动时间较少百分比;转动惯量较少，占额定起升转矩10%-20%。
其电机容量P为
（kw）
式中
一起重机额定提升负载，kg
一额定起升速度，m/s
一重力加速度，g=9.81m/s
一机构总效率
为使电机提升1.25倍试验载荷，能承受电压波动影响，其最大转矩值必需大于2,不然必需让电机放容，从而降低电机在额定运行时工作效率。
经过利用上述公式计算，选择改造后桥式起重机各实施机构电机参数如表3.1所表示:
表3.1各实施机构电机参数
电机型号
电机功率
主起升机构
YZR250M1-8
30KW
副起升机构
YZR200L-8
15KW
大车运行机构
YZR160M1-6
2*5.5KW
小车运行机构
YZR1601-6
5.5KW
3.3.2变频器选择
一，变频器选型
本系统选择西门子变频器，西门子变频器含有较合理价格，完整理论计算书及辅件推荐值，有利于用户合理选择。
二、变频器容量选择
2.1起升机构
起升机构平均起动转距通常来说可为额定力矩值1.3-1.6倍。
考虑到电源电压波动原因及需经过125%超载试验要求等原因，其最大转距必需有1.8-2倍负载力矩值，以确保其安全使用要求。
等额变频器仅能提供小于150%超载力矩值，为此可经过提升变频器容量（Yz型电机）或同时提升变频器和电机容量（Y型电机）来取得200%力矩值。
此时变频器容量为
（KVA）
式中
—电机功率因数，
=0.25
—起升额定负载所需功率，kw
—电机效率，
=0.85
—变频器容量，KVA
—系数，K=2
起升机构变频器容量依据负载功率计算，并考虑2倍安全力矩。
若用在电机额定功率选定基础上提升一挡方法选择变频器容量，则可能会造成无须要放容损失。
在变频器功率选定基础上再作电流验证，公式以下:
＞
式中
一变频器额定电流，A
—电机额定电流，A
2.2运行机构
当运行电机在300s内有小于60s加速时间而且起动电流不超出变频器额定位1.5倍时变频器容量可按下式计算。
式中
—电流波形赔偿系数，PWM方法K=1.05～1.1
—负载转距，N.m
一总转动惯量对电机轴折算值，kg.m
—加速时间，s
—电机额定转速，r/min
当运行电机在300s内电机有大于60s加速时间时，变频器容量按下式取值：
（kVA）
电流验证:
以上公式均以负载功率作为变频器容量计算基础参数，相同功率不一样极数电机有不一样额定电流。
故最终尚需验证电机和变频器额定电流，即
2.3.多电机驱动时变频器容量选择
电压型变频器能够一台变频器驱动多台电机，其并联运行且变频器短时过载能力为150%、60%时，如电机加速时间在300s内有小于60s加速时间，则
并要求
式中
—负载所要求电机轴输出功率
—并联电机台数
—同时开启台数
—电机效率，
=0.8
—电动开启电流和电机额定电流之比值
—电流波形修正系数，PWM方法取1.05-1.1
—变频器容量，KVA
—变频器额定电流，A
3.3.3PLC选择
现在PLC使用性能很好有SIEMENS企业、日本三菱、欧姆龙、美国AB企业。
依据性价比选择，依据被控对象I/0点数和工艺要求、扫描速度、自诊疗功效等方面考虑，我们采取SIEMENS企业S7-200系列PLC。
SIMATICS7-200系列是西门子企业小型可编程序控制器，能够单机运行，，因为它含有多个功效模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统集成很方便，而且能够很轻易地组成PLC网络。
同时它含有功效齐全编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统设计时愈加简单，几乎能够完成任何功效控制任务，同时含有可靠性高，运行速度快特点，继承了和发挥了它在大、中型PLC领域技术优势，有丰富指令集，含有强大多个集成功效和实时特征，其性能价格比高，所以在规模不太大领域是较为理想控制设备。
3.3.4常见辅件选择
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
为避开变频器投入时直流回路电容器充电电流峰值，为此变频器配置断路器容量应为电机额定电流1.3～1.4倍，整定值为断路器额定值3～4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制回路故障时起断开主回路作用，通常不作回路开断器件用，故可按电机额定电流选择接触器容量，无须按开断次数考评其寿命。
3、交流电抗器
在变频器输入端加接交流电抗器，以抑制变频器造成高频峰值电流，或电容器开断造成峰值电流对变频器危害。
同时，交流电抗器接入还可起到降低电机噪声、改善起动转矩、在电机轻载时改善电机功率因数作用。
4、制动单元
为减小大惯性系统减速时间，处理变频器直流电路上过电压问题。
常在其直流电路中加接一检测直流电压晶体管。
一旦直流回路电压超出一定界限，该晶体管导通，并将过剩电能经过和之相接制动电阻器转化为热能耗。
在能量消耗同时加速了转速减小，该能量消耗得愈多，制动时间愈小，此装置即为变频器制动单元。
5.制动电阻器
借助制动单元，消耗电机发电制动状态下从动能转换来能量。
5.1电阻值计算
式中
一直流回路电压，V
一制动转矩，N.m
一电机额定转矩（在附加电阻制动情况下，电机自损耗约为电机额定功率20%左右），N.m
一电机额定转矩（在附加电阻制动情况下，电机额定转速）,r/min
在制动晶体管和制动电阻组成能耗回路中最大电流受晶体管许用电流Ic限制，所以在选择制动电阻值时不可小于其最小制动电阻值Rmin，即
（Ω）
式中
一直流回路电压，V
一制动晶体管许可最大电流，A
所以，制动电阻应
按
>
>
关系选择。
5.2制动转矩
计算
式中
一电机转子飞轮转矩之和，N.m
一负载转矩，N.m
一减速开始时转速，r/min
一减速结束时转速，r/min
一减速时间，S
6.电缆选择
因为高次谐波驱动效应，电缆实际使用面积降低，单位实际工作电阻增大，电缆压降有增大趋势，故所配电缆通常大于常规使用值。
3.4起重机变频调速系统设计
3.4.1系统控制要求
对桥式起重机变频调速控制系统基础要求
（1）主、副机构升降速度调整;
（2）运行机构运行速度调整;
（3）保护功效:
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。
第四章
4.1PLC编程软件概述
S7-200编程语言是STEP7-micro/win32，它是用于S7-200系列PLC进行编程、调试全新软件，它是在国际标准工EC1131-3基础上建立，能够用LAD,FBD和STL来编程。
STEP7--micro/win32软件一个特点是调试功效很强大，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很有效。
STEP7-micro/win32软件还附带部分控制程序模块，如PID调整模块，这些模块能够从主控制程序中直接调用，方便实现不一样功效。
STEP7-micro/win32软件工具包采取模块化程序设计方法，它采取文件块形式管理用户编写程序及程序运行所需数据。
该工具软件包为S7-200CPU和其它系统部件（如触摸屏、变频器）使用提供了便利。
4.2程序设计
在本系统中，PLC程序设计关键任务是接收外部开关信号（按钮、继电器）输入，判定目前系统状态和输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成对应控制任务。
除此之外，另一个任务就是接收上位机控制命令，以进行自动采样。
PLC软件设计部分我们采取模块化方法，PLC程序设计共有四个模块:
按钮处理模块、通信模块、PID控制模块、故障报警模块。
其中按钮模块关键处理各电机和电磁阀启停控制。
（四）故障报警模块
为了实时通知操作员故障消息，方便立即地排除故障，确保整个系统正常运行，本控制系统含有良好故障报警方法。
所以在PLC程序中一直对对应传感器输入信号进行扫描，一旦有诸于变频器故障，超重等故障，应立即切断该设备，并开启蜂鸣器，进行报警。
考虑到工业现场可能干扰，
（1）我们在程序中采取延迟报警.即只有当报警信号连续一定时间（通常为几十毫秒到几百毫秒）.才认为有故障。
（2）在开启设备时，逐步开启报警;而在停止设备时.逐步阻塞报警。
上述两个方法可有效预防误报警。
报警处理由画面元素和PLC变量直接对应，无需编程。
4.3系统抗干扰方法
可编程控制器关键应用场所是工业现场，工作环境中多种干扰对系统设备正常运行存在着严重影响。
所以在本系统中也不例外，有必需考虑PLC抗干扰方法。
抗干扰关键方法有;
（1）输入信号电缆、输出信号电缆和电力电缆全部要分开敷设，不能扎在一起。
（2）必需时需选择带有屏蔽层输入和输出信号电缆，并注意一端接地。
（3）多芯电缆中备用芯线也要一端接地，一则扩大屏蔽作用，二则抑制芯线间信号串扰及外部干扰。
（4）为避免干扰，同一电平等级信号才能用一条多芯电缆传输。
所以，对数字信号和模拟信号，在任何情况下，全部必需分开电缆进行传输。
低电平信号线应和其它信号线分开。
尽可能缩短模拟量I/0信号线长度，并采取双芯屏蔽线作为信号线。
（5）PLC电柜应有独立接地线，接地电阻小于10欧姆。
（6）引至PLC柜电缆要尽可能远离那些会产生电磁干扰装置。
（7）通常要将PLC装于专门电柜中，且PLC四面留有50mm以上净空间，确保良好通风环境。
尽可能不要将PLC安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动、热源或潮湿地方。
第五章结束语
本论文关键为桥式起重机设计一套将可编程序控制器和变频器结合应用于桥式起重机控制系统，同时实现起重机电机速度可调整，以节省能源和适应生产需要。
依据要求，此系统要能达成现场运行情况、运行数据全部能够在司机控制室掌握，用户在控制室能够经过人机界面来设置变频器运行频率、开启和停止电机，而且变频器故障信息能够在人机界面上反应出来，以用来提醒用户。
采取变频器实现起重机电机调速运行，结合PLC强大功效、可靠性和基于组态软件所开发出来良好人机界
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