煤港斗轮取料机电气控制系统设计毕业设计 精品.docx
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煤港斗轮取料机电气控制系统设计毕业设计精品
本科毕业设计（论文）
煤港斗轮取料机电气控制系统设计
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
电气工程学院系级教学单位：
自动化系
学
号
学生
姓名
专业
班级
工自1班
题
目
题目名称
煤港斗轮取料机电气控制系统设计
题目性质
1.理工类：
工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（√）
主
要
内
容
设计内容：
论证设计方案，设计系统硬件电路，编制监控程序，撰写论文。
设计目标：
设计方案合理、硬件电路无原则错误、监控程序正确，论文撰写规范。
基
本
要
求
在广泛收集资料的基础上进行设计，具体要求为：
1、主电路设计：
完成原理设计，电器参数可不选；
2、控制电路设计：
完成设计原理，具体电器元件可不选；
3、完成控制部分的软件编写：
要求编写具体程序。
参
考
资
料
1、电气控制及PLC相关教材、公开发表的有关论文；
2、电力拖动相关资料，有关论文；
3、电力电子变流技术相关资料。
周次
第1～4周
第5～8周
第9～12周
第13～16周
第17周
应
完
成
的
内
容
调研及论证方案
硬件电路设计
软件编程
编程、撰写说明书
答辩准备
指导教师：
王振臣
职称：
教授2011年12月22日
系级教学单位审批：
2012年3月2日
摘要
悬臂式斗轮取料机是一种重要的机械，其作为连续、高效地挖掘散状物料的大型工业装备，主要用于港口、火力发电厂、冶金和焦化等行业，装运各种矿石、煤、砂石、焦碳、化工原料等。
随着现代化工业技术的发展，港口对设备的高效率、低能耗等方面的需求耗越来越明显。
本论文对斗轮取料机生产过程工艺和其控制概况与原理进行了详细的分析，阐明了斗轮堆取料机各机构驱动原理与控制方式，给出了斗轮取料机工艺过程控制系统的设计原则和设计方案，其中悬臂回转和行走电机采用交流变频驱动，斗轮机构由液压马达驱动，悬臂俯仰设计成液压驱动控制。
在整个系统中设有监控系统，实现对各个系统的集中监视。
在硬件方面，以PLC、变频器、触摸屏为核心，以现场总线、传感器等为辅助，对斗轮机实现实时控制和管理；在软件方面，针对斗轮取料机的取料工艺等作业特点设计了自动控制和手动控制两种工作方式。
关键词 取料机；PLC；变频器；自动控制
Abstract
Cantileverbucketwheelreclaimerisakindofimportantmachinery,asacontinuous,efficientminingofbulkmaterial,largeindustrialequipment,mainlyusedinports,powerplant,metallurgyandcokingindustry,shippingallkindsofores,coal,sand,coke,chemicalrawmaterials.Withthemodernizationofthedevelopmentofindustrialtechnology,theportontheequipmentofhighefficiency,lowenergyconsumptionandotheraspectsthedemandismoreandmoreobvious.
Inthethesis,Ionbucketwheelreclaimerproductionprocessanditscontrolsituationandprincipleindetail,explainedthemechanismofbucketwheelstacker/reclaimerdriveprincipleandcontrolmode,givesthebucketwheelreclaimerprocesscontrolsystemprincipleofdesignanddesignscheme.
Intheaspectofhardware,PLC,inverter,touchscreenasthecore,basedonthefieldbus,sensorasauxiliary,thebuckettoachievereal-timecontrolandmanagement;onthesoftwareside,thebucketwheelreclaimerreclaimingtechnologyoperationdesignoftheautomaticcontrolandmanualcontroloftwoworkingmodes.
KeywordsReclaimer;PLC;inverter;automaticcontrol
附录351
附录455
第1章绪论
1.1课题背景
1.1.1港口机械的国内外发展现状
国际上有代表性的斗轮堆取料机制造厂商主要在欧洲、日本等国家和地区，主要有德国的KRUPP公司，日本的三菱公司，奥地利的奥钢联公司等。
改革开放以来德国、同本的一些制造商先后多次为中国的港口、电厂、钢厂设计制造各种类型的斗轮堆取料机。
六十年代我国自行设计制造的第一台斗轮堆取料机获得了国家科技进步二等奖和
国家中大技术装备一等奖，这标志着我国有了自己的大型散料输送设备的制造能力。
但从制造的设备水平角度来讲，国外堆取料机的设备可靠性相对较好。
国内斗轮堆取料机的制造商主要有大连重工・起重、哈尔滨重型、长春电力、振华港机、华电、长春发电等。
上个世纪早期的堆取料机的控制系统主要是采用以普通交流异步电机驱动的继电器控制技术，继电器系统控制复杂、系统庞大、造价高、可靠性差、自动化程度低、操作性差，全部为单机手动控制。
对国际而言，随着计算机和网络技术快速发展，带动了各行各业的技术革新，随着社会对产品的质量、产量以及精度要求越来越高，自动化生产方式越来越多地应用在各个领域。
斗轮堆取料机的作业能力、作业效率以及工作可靠性和环境适应性随着机电技术的快速发展也不断提高。
而我国由于斗轮堆取料机是应用于特殊企业的专用设备，受企业需求和设备成本的影响，其控制技术发展缓慢。
二十一世纪以前生产的堆取料机仍然采用老式的控制技术，即使有采用PLC替代继电器系统的设备，由于受到早期PLC功能所限，其控制技术并没有全面发展。
近几年，一部分对设备性能要求高的企业，从国外技术领先的公司采购设备，从而加大了企业的投资成本。
随着我国国民经济的持续增长，和全球经济一体化格局的形成，斗轮取料机产品在国内外的设计与制造技术已经逐步走向成熟，在新技术新工艺等方面差距正在逐渐地缩小，同时也将对港口设备提出新的要求。
运用现代科技、新工艺，实现港口装卸机械的现代化，已经成为港口行业适应物流发展的必然趋势。
未来港口机械的发展趋势主要涉及自动智能化、大型高效化、专业多用化、环保化等方面。
虽然目前，我国的煤港装卸机械自动化水平基本已于国际接轨，但由于技术水平的限制，还存在一些问题，如技术发展不平衡、高新技术发展有待加强、产品质量有待进一步提高等。
斗轮取料机是现代化大型企业贮运料场所必备的设备之一，是一种高效率连续作业的散料装卸输送设备，广泛应用在电厂、港口、矿山、钢铁、水泥等重要工业领域中发挥了重要作用。
1.1.2斗轮取料机的发展概述
在国民经济发展过程中，需要对一些散料进行装卸。
如热力发电厂需要把储料场的燃料（煤）取走，进行磨碎、喷烧；大型港口需要把运送来的某些散料，如矿石、煤炭等装船、卸船，但是非常耗能费力。
斗轮挖掘机等采挖的矿物和废弃物要运到储存场或排到排土场等。
如果采用“装载机一自卸汽车”系统作业，装载机在铲入—举升—旋转—行走—卸载—空转—空行程等一个作业循环中，既要完成取料任务，又要完成输送任务，辅助作业时间几乎占用2/3还多。
自卸汽车载重量受到限制，往返路程多，工作效率很低，满足不了电厂发电的用煤需求。
连续装卸机械的采用，大大缩短了装卸时间，提高了工作效率，减轻了工人劳动强度。
在功率相同的情况下，斗轮堆取料机的生产率约为单斗装载机的1.2~2.5倍。
连续装卸机械形成了搬运机械的一大类别，斗轮堆取料机是散货料场专用堆取设备。
斗轮堆取料机主要用于散料的堆存、挖取和均料。
它既可以通过旋转的斗轮在储料场进行取料运走，又可以将来料经斗臂架带式输送机反向运行而将物料堆存到料场，属于连续高效的堆取合一的装卸设备。
斗轮取料机工作效率高，可节省大量劳动力、改善劳动条件，因此被国内外广泛采用。
随着国民经济现代化事业的迅速发展，对斗轮取料机的需求逐渐加大，这种大型设备越来越显示出了它的优越性。
国家加大对港口、钢厂、电厂等重要企业的经济投入。
如今科学技术飞速发展、全面合理的采用新的控制技术，将会提高堆取料机的自动化技术含量，解决设备的不稳定运行等因素，同时改善操作人员的工作强度，提高设备的使用效率。
1.1.3课题研究的背景及意义
国内斗轮取料机的发展在近五六年里十分迅速，尤其受国民经济固定资产投资加速的影响，国内的需求量增长比较大，是近十几年来所少有的，主要表现在港口、电厂、钢铁企业的煤炭和铁矿石的料场增长迅速，能源、原材料工业的发展也给斗轮取料机产业的发展创造了十分良好的市场环境。
市场需求的增加，发展了国内制造企业对斗轮取料机研发和常新的信心，特别是一些大型取料机的改造和研发，提高了国内企业自行设计制造大型设备的能力。
国内斗轮取料机无论在产量上还是质量上都有了非常大的提高，，近五年新增斗轮机的总和几乎达到之前所制造的斗轮机数量的总和。
针对，现今国内对煤港斗轮取料机的需求加大，自动化程度要求加强，本设计运用当今先进技术设备，本着优化设计的原则，对斗轮机的电气控制系统进行综合设计，提高系统性能，降低人工和维护成本，对促进国内港口机械的发展有重要意义。
1.2本课题研究的主要内容
本文以悬臂式斗轮取料机生产过程为背景，阐述各机构优化的驱动控制方式，对其电气控制系统进行全面设计。
主要包括斗轮取料机的工作原理，采用总线网络技术，配置合理的控制方案，开发设计斗轮堆取料机更加完善、优化的控制系统来提高该设备的稳定性和可靠性，从而节约了人工成本和维护成本，增强设备实用性。
本设计的内容包括取料机的行走回转变幅系统设计、斗轮回转驱动控制系统设计、取料机的状态检测与保护等，涉及到PLC编程、触摸屏监控、变频器驱动调速[1]、现状总线通讯等技术[2]。
论文设计流程为：
（1）分析斗轮取料机的取料工艺；
（2）取料机配电系统设计；
（3）取料机控制系统设计与编程；
（4）取料机控制系统监控界面开发。
第2章悬臂式斗轮取料机
2.1斗轮取料机概述
煤港斗轮取料机选用悬臂式，为轨式装卸机械。
整机主要由回转系统、行走系统、俯仰机构、斗轮机构、悬臂皮带机构和电气控制系统组成。
在煤港，生产工艺主要分为运输，经由翻车、堆料工序卸料，再由取料机完成取料作业，经皮带机、装船机实现装船工序。
在整个过程中，取料机
是极为重要的工作环节。
2.2斗轮取料机生产工艺
斗轮堆取料机能能把贮料场的物料按一定的取料工艺取走，运送到用料场所，即完成取料作业[3]。
实际的运行过程中，斗轮堆取料机是散料输送系统的始端或末端。
斗轮堆取料机最常用的工艺流程有：
①翻车机卸车—带式输送机系统—斗轮堆取料机堆料到料场；
斗轮堆取料机取料—带式输送机系统—电厂配煤仓；
②翻车机卸车—带式输送机系统—斗轮堆取料机堆料到料场；
斗轮堆取料机取料—带式输送机系统一装船机装船；
③卸船机卸船—带式输送机系统—斗轮堆取料机堆料到料场；
斗轮堆取料机取料—带式输送机系统—装火车系统装车。
进行取料作业时，启动斗轮机构使斗轮转动，轮斗便切入料堆挖取物料，靠自重使物料从斗内落到固定料槽上，进而滑到悬臂皮带机构上，然后经中心料斗送入地面带式输送机上。
取料作业要求，斗轮堆取料机在取料时以回转为主的分层取料。
其过程是取上部第一层—>几个走行进尺与回转几个单程—>第二层—>几个走行进尺与回转几个单程—>第三层—>几个走行进尺与回转几个单程—>第N层—>几个走行进尺与回转几个单程—>返回第一层
—>几个走行进尺与回转单程。
如此反复达到连续取料的目的。
在取料时料堆的形状仍然保持是规则的料堆形状。
机上皮带机双向运行，回转机构和走行机构采用连续调速功能。
俯仰机构采用液压油缸形式。
2.3斗轮取料机的工作原理
取料机的供电方式采用6000V电压通过扁电缆上机，通过机上控制室安装6KV/0.4KV降压变压器降低后经传动控制系统输送给各个电机。
取料机电缆收放装置由电缆卷盘、力矩电机、摆线针轮式减速机、电磁制动器等组成。
这种形式的电缆卷筒主要以力矩电动机来驱动。
收揽时，力矩电机运行于电动状态；收揽时，电机处于制动状态，依靠大车行走将电缆从卷筒拉出。
大车行走机构设有12太交流电动机，由变频器驱动，每台电机设置独立的制动器，变频器与中控室的控制手柄之间有连接，用于实现前进后退快换挡。
取料机的回转机构由回转支撑和驱动装置组成，作业任务是完成臂架左右旋转。
回转调速方式为无极调速。
该系统的回转由两台电机驱动，并分别带有回转制动器。
取料机的皮带设置在旋臂上用以输送物料并带有皮带制动器，由一台电机驱动；悬臂俯仰机构由液压系统驱动控制，液压俯仰油泵由电机驱动，俯仰范围设有行程开关加以限制。
斗轮机够的设置包括斗轮及其驱动。
斗轮选用无格式结构，即铲斗没有斗底，靠自重滑落。
斗轮机构由液压马达驱动。
表2—1斗轮取料机主要装置功能
序号
名称
驱动方式
功能
1
走行机构
变频驱动
完成大车沿轨道方向运行功能
2
回转机构
变频驱动
完成悬臂斗轮机构水平方向移动
3
斗轮机构
液压驱动
完成将物料从料场取出功能
4
俯仰机构
带液力耦合器
完成悬臂斗轮机构垂直方向移动
5
悬臂皮带机构
液压马达驱动
由斗轮从料场取料转送到地面
2.4电气控制系统概述
斗轮取料机电气控制系统以可编程控制器（PLC）为核心[4]，通过无线数传系统，实现PLC与中控室的无线通讯。
在驾驶室设有触摸屏，对取料机工作状态进行监视。
电气柜配有进线柜、配电柜、变频柜和控制柜[5]。
悬臂回转驱动系统通过变频系统实现调速。
大车行走变频驱动系统设有12台行走电机，通过柜内电器元件实现过在等各种保护。
PLC系统利用梯形图编程，附加中文注释，控制动作包括斗轮机构控制系统、取料悬臂皮带驱动控制系统、高压卷缆控制系统、大车行走和制动控制系统、悬臂回转和俯仰控制系统以及上位机和司机是操作系统[6]。
2.5本章小结
本章主要围绕悬臂式斗轮取料机的整体结构展开描述，主要介绍了取料机的各个结构组成，生产工艺方面主要介绍了取料机的具体取料作业过程，另外针对取料机的工作原理进行深入分析，最后对取料机的整个电气控制系统进行综合描述。
本章的写作目的是对悬臂式斗轮取料机进行总体上的把握。
第3章斗轮取料机机械结构设计
3.1设备基本参数设计
在本次设计中，对斗轮取料机的主要机械结构做了设备选型和参数设计。
基于斗轮取料机所在的煤港料场布局和项目能力，现提供合理的设备基本参数。
设备型号为QL3000.45斗轮取料机，根据参数，设计各个机械传动机构，以满足设备功能需要[7]。
斗轮机构的液压马达驱动系统为132kW交流电机，是取料工作的重要机构。
悬臂带式输送机用来输送物料。
回转机构方面，为保证臂架在任意位置都能使铲斗装满，回转速度要求在0.01~0.02转/分的范围内按一定规律实现自动无极调速，回转电机的参数为：
功率22kW，电流56A，转速1150转/分，励磁电压120VDC，励磁电流4.3A[8]。
其中取料机主要电气设备的选择见表3—1，取料机的基本参数设计见表3—2所示。
表3—1取料机主要电气设备
序号
项目
容量（KVA）
数量（台）
1
行走电机
11
12
2
回转电机
22
2
3
取料皮带电机
132
1
4
俯仰液压油泵电机
30
1
5
马达主电机
132
1
6
卷缆电机
5.5
2
7
行走制动器
—
12
8
回转制动器
—
2
表3—2取料机基本技术参数
项目
参数
最大/额定取料能力
3200/3000t/h
回转半径
45m
回转角度
-110°—+110°
大车行走机构允许最大轮压
250kN
供电方式
电缆卷筒
供电电压
6000V
供电频率
50Hz
3.2斗轮取料机传动机构设计
3.2.1回转电机传动机构设计
由于斗轮取料机在取料作业时，设备的工艺要求回转机构能够满足不同速度工
作，因此经过长期以来技术发展，从早期的频敏电阻方式到直流调速方式，逐渐成熟，虽然直流调速很完美，但是由于直流电机的本身运行过程中碳刷易产生火化，电机易损坏，维护费用高，且电机设计功率受限制。
本此设计采用变频驱动电机，回转速度采用0.04~0.13rpm调整物料流量，且保证恒定料量自动作业需要，保证作业流程所需。
取料机的回转系统包括齿轮齿盘机械传动部分、两台22KW的交流电机，并用一台45KW的变频器采用一拖二的方式驱动两台交流电机。
回转平台座在回转轴承上，采用机械传动，回转机构设置两套回转驱动装置，对称布置在回转平台上，每台驱动装置电动机设有安全联轴器，可以保护电机、减速机及钢结构，当超载时安全联轴器打滑。
交流电动机的转速是由电动机的同步速度和转子的转差率决定的，其中，转速n和频率f成正比，即改变f便可以改变n。
变频器用的是电力半导体器件的通断作用将工频电源的变换成另一电能控制装置。
变频器一般由整流、中间直流环节、逆变和控制、制动等部分组成。
其中整流环节采用三相桥式不可控整流器件，逆变环节采用IGBT三相桥式逆变器，输出的是PWM波形，中间直流部分为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
在本次设计中，回转变频驱动选用ABB的ACS800系列变频器[9]，该变频器的核心技术是直接转矩控制。
交流电机的同步转速表达式为：
n=60f（1-s）/p
式中：
n—异步电动机的转速；
f—异步电动机的频率；
s—电动机转差率；
p—电动机极对数。
3.2.2行走电机传动机构设计
行走机构设计应确保驱动机构的同步，使电机载荷均匀，行走平稳，无冲击，不啃轨。
应有防止斗轮机在暴风中滑移的有效措施，设置夹轨器、清轨器、二级行程限位开关、终端缓冲阻进器、锚定装置等，并配有行走灯光、音响信号。
应设有位置编码器，并在一定位置设有位置校正装置。
驱动台车应与夹轨器、锚定装置相联锁[10]，以便行走驱动装置动作前，夹轨器能自动松开。
当断电时，夹轨能可靠制动[10]。
本机根据当地环境条件，斗轮堆取料机的工作风速为20m/s风速仪必须与夹轨装置联锁。
当风速超过20m/s时自动风速仪能预先报警，自动夹轨器必须能承受35m/s的风速。
锚定装置必须能承受55m/s的风速，堆取料机能在25m/s风速时逆风行驶到锚定位置，并设有防风系缆设施，可在锚定位置系缆固定斗轮机。
行走速度6m/min~30m/min走行驱动设计为12台5.5kW电机驱动。
行走机构的驱动方式为：
变频器、交流电机和电机保护器组合控制的方案速度调节为平滑的无极调速，运行方式为向前和向后，设定取料机的行走速度范围为9-30m/min具体驱动过程是：
当给PLC发出指令后，PLC控制变频器，此时变频器从输入端子接到运行指令，根据输入状态和预先设定的参数，由内部闭环电子线路控制逆变器，同时利用脉宽调制方法产生所要求的频率幅值和相序的电压源，驱动电机运行。
3.2.3俯仰传动机构设计
一直以来均采用机械钢丝绳俯仰形式，使用双钢丝绳相互独立工作的方式，此种驱动控制方式，对设备运行平稳性较差，有明显的跳跃式启动，晃动较大。
且对大吨位，长臂长的堆取料机的俯仰机构驱动设计要求高、难度大。
此种俯仰形式设备维护量大，运行不平稳。
本此设计悬臂俯仰采用液压油缸驱动，设置液压站，采用双油缸工作，两油缸同步工作。
设置斗轮中心俯仰角度为+6.5°~-10°。
驱动油泵功率设计为1台30Kw[11]。
3.2.4皮带传动机构设计
悬臂皮带机驱动装置由驱动滚筒、减速机、液力耦合器、制动器、电动机组成，交流电动机驱动功率为1台110kW。
3.2.5斗轮传动机构设计
一直以来斗轮驱动装置采用减速机、交流电动机组成。
本此设计采用液压马达形式驱动斗轮机构，马达电机驱动功率为1台110kW通过调整压力值来调整斗轮速度，且可以返回液压马达系统运行反馈模拟量信号，判断斗轮的切削受力情况，从而来调整半自动取料时的回转速度，来保证取料过程中设备运行的稳定和取料的恒定。
3.3本章小结
本章主要围绕斗轮取料机的机械结构展开描述，主要介绍了取料机的各个结构组成，并完成了主要设备的选型和传动机构的设计。
首先给出了取料机整机设备的主要参数，另外针对取料机的机械结构特性，逐次分步展开，完成进一步结构设计，设计包括回转电机、行走电机、俯仰、皮带和斗轮的传动机构设计。
本章的写作目的是对悬臂式斗轮取料机机械结构的初步确定，以及传动机构的整体设计。
本章主要为以后的具体电气控制路做铺垫。
第4章斗轮取料机硬件电路的设计
4.1斗轮取料机配电系统设计
本次设计为斗轮取料机提供了6000V电源[12]，机上设有高压控制柜和高压变压器，为各机构控制等辅助系统提供低压电源，其配电电路图如图4-1所示。
图4-1配电电路图
本次设计的电气室包括针对取料机结构特点的各个控制柜，配电柜以及受电柜。
1号配电柜如图4-2所示，2号配电柜的接线图如图4-3所示，750kw受电柜如图4-4所示。
两个受电柜为6000V/400V变压器。
如图4-4所示，该受电柜的主要功能是使变压器输出400V交流低压动力电源并进行初次分配，分为五路，分别通过空气断路器进行分断和保护。
第一路为3相动力供电线路，通过电压互感器和电流互感器进行电压电流指示；第二路通过变压器进行电压转换，主要为行程开关、电磁阀线圈供电；第三路为备用三相电源；第四路主要为PLC控制柜供电。
其他电路图中均有详细标注，在此不再赘述。
图4-21号配电柜接线图
图4-32号配电柜接线图
图4-4750KW受电柜接线图
图4-520KW受电柜接线图
4.2斗轮取料机控制方案的设计
4.2.1行走机构
对于设备走行机构，由于属于平移机构，且在正常作业和调车的工况下需要不同的速度，考虑到变频技术的逐渐普及，这里采用变频器一拖多驱动方案，来实现不同工况下对不同速度的要求，从而保证设备的运行平稳，调试简单方便。
由于走行机构对动态性能要求不高，且斗轮堆取料机跨距小，调速方式采用V/F控制，无转速反馈的开环控制。
走行电机配强冷风机，用来保证电机在低频工作时良好的散热和电机的绝缘特性[13]。
本
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