有关PLC于变频器的桥式起重机控制系统设计说明.docx
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有关PLC于变频器的桥式起重机控制系统设计说明
摘要
随着现代控制理论的应用，微处理器和微电子技术的发展，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种典型设备，在企业生产活动中应用广泛作用显著，故对于提高其运行效率，确保运行安全，降低物料搬运成本是十分重要。
传统的桥式起重控制系统主要采用继电器接触器进行控制，采用交流绕线串电阻的方法进行启动和调速，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。
因此根据桥式起重机的运行特点，将可编程序控制器与变频器结合应用于桥式起重机控制系统，其中PLC系统则采用SIEMENS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，便于及时发现、查找、处理故障；并且节约了能源。
关键词:
可编程序控制器；桥式起重机；变频调速；变频器
第四
第一章绪论
1.1桥式起重机简介
桥式起重机在冶金企业及其它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。
经过几十年的发展，我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，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。
但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。
究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。
因此，除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。
传统的起重机驱动方案一般采用:
（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，在空载或轻载时低于0.2-0.4，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仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，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，故障率高。
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气控制设备等四个部分组成。
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。
在电气控制系统中，其供电一般是通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，安全保护装置装在在适当的位置上。
1.2本课题设计的意义、主要容及基本参数
传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电一接触器控制，这种控制系统的主要缺点有:
1.桥式起重机工作环境差，工作任务重，电动机以及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，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。
所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。
要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。
其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的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，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。
本论文研究了变频调速技术在20/5t*19.5m通用桥式起重机中的应用，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变频调速的基本原理
异步电机的转速公式为:
=
（1－
）（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;
—电机的转速滑差率;
—电机的极对数。
由上式（2.1）可知，如果改变输入电机的电源频率
，则可相应改变电机的输出转速。
在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量
为额定值不变。
磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费:
若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。
对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持
不变是很容易做到的。
在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。
三相异步电动机每相电动势的有效值是:
（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
便可以控制磁通
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
即采用恒定的电动势。
由上式可知，要保持
不变，单频率
从额定值
向下调节时，必须同时降低
然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时，可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降，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，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能在忽略。
这时，可以人为的把电压U抬高一些，以便近似的不补偿定子压降。
带定子压降补偿的恒功率比控制特性为b线（
），无补偿的为a线（
）。
如图2.1所示:
图2.1恒压频比控制特性
2．基频以上调速
在基频以上调速时，频率f可以从往上增高，但电压u磁通与频率成反比的降低，相当于与直流电机弱磁升速的情况。
把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特性，如图2.2。
如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。
在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速，而在基频以上基本上属于“恒功率调速”。
图2.2异步电动机变频调速控制特性
2.2变频器的基本结构和功能
变频器的基本结构见图2.3
图2.3变频器的结构图
变频器的功能是为电动机提供可变频率的电源,实现电动机的无极调速。
变频器具备对电机和变频器本身的完善保护功能,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变频器的主电路
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的分立器件，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）为代表的功率集成器件（PID）,以智能化功率集成电路（SPIC），高压功率集成电路（HVIC）为代表的功率集成电路（PIC）等三个发展时期。
从晶闸管发展到PID,PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。
在器件的控制模式上，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）的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。
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的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。
整流电路
一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。
它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。
整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。
逆变电路
逆变电路是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。
它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。
逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。
2.2.2变频器的控制电路构成
包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。
控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。
控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。
随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技术新的突破性发展，70年代后期发展起来的脉宽调制（PulseWidthModulation,PWM）技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。
SPWM（SinusoidalPWM）则是较为常用的技术。
其通常是采用调制的方法，即把正弦波作为调制信号，把接受调制的信号作为载被，通过对载波的调制即可得到SAM波形。
通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度线性关系，且左右对称，当它与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的通断，就可以得到宽度正比于正弦波幅值的脉冲，这正好符合SPWM控制的要求。
三角载波的频率fc,和正弦调制波的频率fr,之比即fc/fr=Nc称为载波比。
用生成的SPWM波控制逆变器开关器件的通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出电压。
正弦调制波的频率fr,即是逆变器的输出频率f1改变fr,便可改变f1三角载波的幅值为恒定，因而改变正弦调制彼的幅值就改变了矩形脉冲的面积，由此实现输出电压幅值的改变。
第三章桥式起重机变频控制系统的硬件设计
3.1总体设计方法
控制系统由PLC控制，四大机构调速均采用变频调速。
桥式起重机变频调速系统主要由上位机（工业触摸屏系统）、下位机（PLC控制系统）、变频调速系统组成。
系统结构图如图1
图3.1控制系统结构图
下面分别对各主要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。
变频器的选择，应以选择变频器的额定电流为基准，一般以电动机的额定电流，负载率，变频器运行的效率为依据。
控制方式选用带PG的矢量控制方式。
PLC接受电机的旋转编码器经数模转换卡送达的反馈信号，避免吊钩的下滑。
2、运行机构
大车运行机构中两台电机用一个变频器;考虑到运行机构的工作频率较少，为节省成本，在调速中运行机构共用一台变频器。
变频器的选择，一般以电动机的额定功率作为选择的依据。
通常选额定功率大一级的变频器。
3.2PLC技术简介
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。
其采用计算机结构，主要包括CPU,存储器、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。
如图4.1所示，PLC部采用总线结构，进行数据和指令的传输。
外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入变量，他们经PLC外部输入端子输入到部寄存器，经PLC部逻辑运算或其他各种运算处理后送到输出端子，作为PLC的输出变量，对现场设备进行各种控制。
主机
图3.2可编程控制器基本结构示意图
3.3部件的选择
3.3.1电机的选用
一、变频调速对电机的要求
采用变频调速时，由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电机转速围的扩大产生了一些与在工频电源下传动时不同的特征。
主要反映在功率因数、效率、输出力矩、电机温升、噪音及振动等方面。
随着高开关频率的工GBT等电力电子器件的使用、PWM调制、增强型V/f控制方法的应用、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的改善，有效地提高了变频控制电机的低速区转矩。
同时由于变频控制软件的优化使用，使电机可以避开共振点，解决了系统在大调速区间可能发生的共振问题。
二、变频起重机系统中电机的选型
起重机起升和运行机构的调速比一般不大于1:
20，且为断续工作制，通常接电持续率在60%以下，负载多为大惯量系统。
严格意义上的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的工况条件下，这些特性均非起重机的特定要求。
普通电机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致;在连续工作时考虑到冷却效果限制了普通电机转矩应用值，普通电机仅在连续工作时的变频驱动特性比变频电机稍差。
三、电机冷却
西门子变频器在调速比为1:
20的围能确保起重机上普通电机有150%的过载力矩值。
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的1.5倍值，运行机构的电机在以额定速度运行时电机通常工作在额定功率以下，因此高频引起的1.1倍电流值可不予考虑。
但若电机要求在整个工作周期在大于1:
4的速比下持续运行则必须采用他冷式电机。
四、电机效率
国外以4极电机作变频电机首选极数，因此时电机有最好的功率因数和最高的工作效率，使能耗降为最低。
目前，国用于起重机械的4极电机有强迫通风冷却的YZFXXX-4型电机等。
五、电机起动转矩及电机运行的功率因数
起重机运行机构的转动惯量较大，为了加速电机需有较大的起动转矩，故电机容量需由负载功率P厂及加速功率Pa两部分组成。
一般情况下
电机容量P为
式中
一电机平均起动起动转矩倍数
起重机起升机构的负荷特点是起动时间短（1-3s），只占等速运动时间的较少比例;转动惯量较少，占额定起升转矩的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，能承受电压波动的影响，其最大转矩值必须大于2,否则必须让电机放容，从而降低电机在额定运行时的工作效率。
通过利用上述公式的计算，选用改造后的桥式起重机各执行机构的电机参数如表3.1所示:
表3.1各执行机构电机参数
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变频器的选用
一，变频器选型
本系统选用西门子变频器，西门子变频器具有较合理的价格，完整的理论计算书及辅件推荐值，有利于用户合理选用。
二、变频器容量选择
2.1起升机构
起升机构平均起动转距一般来说可为额定力矩值的1.3-1.6倍。
考虑到电源电压波动因素及需通过125%超载试验要求等因素，其最大转距必须有1.8-2倍的负载力矩值，以确保其安全使用的要求。
等额变频器仅能提供小于150%超载力矩值，为此可通过提高变频器容量（Yz型电机）或同时提高变频器和电机容量（Y型电机）来获得200%力矩值。
此时变频器容量为
（KVA）
式中
—电机的功率因数，
=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倍的安全力矩。
若用在电机额定功率选定的基础上提高一挡的方法选择变频器的容量，则可能会造成不必要的放容损失。
在变频器功率选定的基础上再作电流验证，公式如下:
＞
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有小于60s的加速时间的并且起动电流不超过变频器额定位的1.5倍时变频器容量可按下式计算。
式中
—电流波形补偿系数，PWM方式K=1.05～1.1
—负载转距，N.m
一总转动惯量对电机轴的折算值，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的基本参数，相同功率不同极数的电机有不同的额定电流。
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的选择
电压型变频器可以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有小于60s的加速时间，则
并要求
式中
—负载所要求的电机轴输出功率
—并联电机的台数
—同时启动的台数
—电机效率，
=0.8
—电动启动电流与电机额定电流之比值
—电流波形的修正系数，PWM方式取1.05-1.1
—变频器容量，KVA
—变频器额定电流，A
3.3.3PLC的选用
目前PLC使用性能较好的有SIEMENS公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的AB公司。
根据性价比的选择，根据被控对象的I/0点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，我们采用SIEMENS公司的S7-200系列PLC。
SIMATICS7-200系列是西门子公司小型可编程序控制器，可以单机运行，，由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。
同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务，同时具有可靠性高，运行速度快的特点，继承了和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性能价格比高，所以在规模不太大的领域是较为理想的控制设备。
3.3.4常用辅件的选择
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的充电电流峰值，为此变频器配置的断路器容量应为电机额定电流的1.3～1.4倍，整定值为断路器额定值的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的作用，一般不作回路开断器件用，故可按电机额定电流选用接触器容量，无须按开断次数考核其寿命。
3、交流电抗器
在变频器的输入端加接交流电抗器，以抑制变频器造成的高频峰值电流，或电容器开断造成的峰值电流对变频器的危害。
同时，交流电抗器的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的作用。
4、制动单元
为减小大惯性系统的减速时间，解决变频器直流电路上的过电压问题。
常在其直流电路中加接一检测直流电压的晶体管。
一旦直流回路电压超过一定的界限，该晶体管导通，并将过剩的电能通过与之相接的制动电阻器转化为热能耗。
在能量消耗的同时加速了转速的减小，该能量消耗得愈多，制动时间愈小，此装置即为变频器的制动单元。
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的能量。
5.1电阻值的计算
式中
一直流回路电压，V
一制动转矩，N.m
一电机额定转矩（在附加电阻制动的情况下，电机自损耗约为电机额定功率的20%左右），N.m
一电机额定转矩（在附加电阻制动的情况下，电机额定转速）,r/min
在制动晶体管和制动电阻构成的能耗回路中最大电流受晶体管许用电流Ic的限制，因此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
一制动晶体管允许的最大电流，A
因此，制动电阻应
按
>
>
的关系选用。
5.2制动转矩
的计算
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
由于高次谐波的驱动效应，电缆的实际使用面积减少，单位实际工作电阻增大，电缆压降有增大的趋势，故所配电缆一般大于常规使用值。
3.4起重机变频调速系统设计
3.4.1系统控制的要求
对桥式起重机变频调速控制系统的基本要求
（1）主、副机构升降速度调节;
（2）运行机构运行速度调节;
（3）保护功能:
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的保护等。
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的编程语言是STEP7-micro/win32，它是用于S7-200系列PLC进行编程、调试的全新软件，它是在国际标准工EC1131-3的基础上建立的，可以用LAD,FBD和STL来编程。
STEP7--micro/win32软件的一个特点是调试功能很强大，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非常有效。
STEP7-micro/win32软件还附带一些控制程序模块，如PID调节模块，这些模块可以从主控制程序中直接调用，以便实现不同的功能。
STEP7-micro/win32软件工具包采用模块化的程序设计方法，它采用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据。
该工具软件包为S7-200CPU与其它系统部件（如触摸屏、变频器）的使用提供了便利。
4.2程序设计
在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号（按钮、继电器）的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任务。
除此之外，另一个任务就是接受上位机的控制命令，以进行自动采样。
PLC的软件设计部分我们采用模块化的方法，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。
其中按钮模块主要处理各电机和电磁阀的启停控制。
（四）故障报警模块
为了实时通知操作员故障消息，以便尽快地排除故障，确保整个系统正常运行，本控制系统具有良好的故障报警措施。
所以在PLC程序中始终对相应的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，应马上切断该设备，并启动蜂鸣器，进行报警。
考虑到工业现场可能的干扰，
（1）我们在程序中采用延迟报警.即只有当报警信号持续一定的时间（一般为几十毫秒到几百毫秒）.才认为有故障。
（2）在启动设备时，逐步开启报警;而在停止设备时.逐步阻塞报警。
上述两个措施可有效的防止误报警。
报警处理由画面元素和PLC变量直接对应，无需编程。
4.3系统抗干扰措施
可编程控制器的主要应用场合是工业现场，工作环境中各种干扰对系统设备的正常运行存在着严重的影响。
所以在本系统中也不例外，有必要考虑PLC的抗干扰措施。
抗干扰的主要措施有;
（1）输入信号电缆、输出信号电缆和电力电缆都要分开敷设，不能扎在一起。
（2）必要时需选用带有屏蔽层的输入和输出信号电缆，并注意一端接地。
（3）多芯电缆中的备用芯线也要一端接地，一则扩大屏蔽作用，二则抑制芯线间的信号串扰及外部干扰。
（4）为避免干扰，同一电平等级的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，都必须分开电缆进行传输。
低电平信号线应与其它信号线分开。
尽量缩短模拟量I/0信号线的长度，并采用双芯屏蔽线作为信号线。
（5）PLC电柜应有独立的接地线，接地电阻小于10欧姆。
（6）引至PLC柜的电缆要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。
（7）一般要将PLC装于专门的电柜中，且PLC四周留有50mm以上的净空间，保证良好的通风环境。
尽量不要将PLC安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动、热源或潮湿的地方。
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