基于PLC的10吨桥式起重机电气控制系统设计(2)

Abstract

With the continuous expansion of production scale, crane also got rapid development. Bridge crane is mainly used for indoor and outdoor storage, factories, docks and outdoor storage yard. It has upper and lower lift, move around, translation function, which is mainly composed of an electric control system and a mechanical system. The design of bridge crane electrical control system design.

In this paper, the bridge crane electrical control system design mainly from the safety and function of the two aspects, including the design of main circuit and control circuit design, the design of main circuit of converter connection and parameter setting, control mainly in the design of PLC program and inverter connection, input / output terminals distribution. The design of main circuit to change the working state of motor is mainly composed of a frequency converter to realize, in the control circuit to realize the various functions of bridge crane is mainly composed of PLC implementation.

This article is based on China Shandong lifting limited production of type QD10 tons hook bridge crane as the background. In the design, in the crane movable control crane, trolley, the hoisting mechanism are respectively designed three speed gear, high speed, medium speed, low speed, by a cam controller. In the dynamic aspects of carts, trolleys, lifting mechanism are designed just reversal point, but the speed is their low gear. In the sliding control, only the cart with sliding control. In the limiting protection, Trolley Cart, both equipped with protection switch, the carriage is provided with a limiting switch and an overload protection switch. PLC system adopts Siemens S7-200 series produced by PLC and an input / output expansion module EM223. Inverter selects the Mitsubishi company's FR-F500. The electrical control system of a travel switch protection measures as well as the inverter feedback to the PLC signal to carry out protection.

Keywords: crane; electrical control system; frequency control; PLC control

1 绪论

1.1 起重机拖动系统发展现状

起重机拖动系统是随着电力电子技术的发展而发展起来的。起重机的拖动技术包括直流控制和交流控制两种方式，直流有励磁调速和调压调速。交流调速有串电阻调速、脉冲调速、调压调速、串级调速和变频调速等多种调速方式。

最初的起重机拖动系统是由交流绕线电动机来拖动。通过改变串入转子回路的电阻值来改变电机的机械特性。从而达到启动、停止和调速的目的。

小功率可控硅技术的发展，国外设计出了里奥纳度系统，国内称作电动-发电-电动系统：即由一台大功率交流电动机拖动几台直流发电机，直流发电机的输出作为直流电动机的电源，再由直流电动机拖动起重机的各个机构使其起重运行。小功率可控硅的电流作为直流发电机的励磁电流，从而改变发电机的直流输出电压，直流电动机则获得可变的直流电源，直流电机的速度与直流电压成正比；通过以上控制回路，达到调速的目的；即通过调节小电流（小功率可控硅）来达到调节大电流（直流电动机）的目的。

当大功率可控硅的技术发展成熟，各大电气公司相继开发出了大功率的直流拖动系统。起重机的拖动系统相应地发展成直流拖动系统。交流电源送入直流拖动系统，直流系统将交流电整流成电压可调的直流电源来驱动直流电机，达到调速的目的。

1998年以后，随着大功率IGBT技术的发展，大功率交流变频驱动器得到了快速的发展，起重机的拖动系统逐步采用交流变频电机加交流变频驱动器的拖动形式，以代替直流系统。这是由于相比直流系统，交流电机维护容易、费用低、调速范围广。

串电阻、涡流调速、脉冲调速等调速方案为传统调速方式，其主要缺点是启动制动电流大，对机械系统的冲击强，随环境温度变化所造成的误差大、不易实现据通讯，对电机保护不全等。随着交流电机变频器的应用和普及，人们已经逐渐淘汰绕线式电动机转子回路串电阻调速这一落后调速方式，采用先进的变频调速技术取而代之，实现了提升机构的平滑调速和节能运行，并将电网功率因数提高到0.95以上，同时省去了调速接触器、正反转接触器等元件，完全解决了传统提升机构存在的固有缺点，使设备性能得到了极大提高。

电动机的变频调速方式主要有V/F调速和矢量调速。V/F调速，简单的说就是调压调频，主要应用于风机、水泵等机构。矢量变换控制是20世纪70年代原西德Blascehke等人首先提出来的。其基本思想是把交流异步电动机模拟成直流电动机，能够像直流电动机一样进行调速控制。采用矢量控制的目的，主要为了提高变频调速的动态性能。

变频器具有电机参数自适应功能，在投入正式运行之前同构空载电动机的试行，变频器自动测试并读取电动机的全部参数并进行优化处理，从而使电动机工作在最佳状态。变频调速装置本身设有过电流、短路、过电压、欠电压、瞬时停电、缺相、输出端接地等故障保护。当上述故障出现时，变频器将停止工作，并以代码形式在LCD屏幕。

1.2 电气控制技术简介

电气控制技术是用以实现工业生产过程自动化的控制技术，它以各类电动机为动力的传动装置和系统为对象。电气控制系统是其中的主干部分。电气控制系统主要包括普通电气传动控制（速度、位置、压力、张力、流量等）系统。综合自动化系统以及自动生产线。他们是现代化生产的好、重要组成部分和基石。电气控制系统广泛应用于各个工业部门及凡是需要动力的场合中，该系统是由电动机及供电、检测、控制装置组成的反馈控制系统，是把电能转化电能量的装置，其特征是：它能自动完成能量的变换和控制所需的信息处理；其结果是：改善人们在生产及生活中的工作条件，大幅度提高全社会生产和再生产效率。因此，电气控制系统自动化是提高劳动生产率的合理手段，是促进国民经济不断增长的重要因素。

电气控制电路的实现，可以使继电器-接触器逻辑控制方法、可编程逻辑控制方法及计算机（单片机等）控制方法等。而现代控制技术已将这些方法融为一体，生产现场已难以将其严格区分。尽管如此，继电器-接触器的逻辑控制方法仍然是基本方法。低压是现代工业过程自动化的重要基础件，是组成电气成套设备的基础配套元件，包括控制电器和配电器。

电气控制技术是一门实用性很强的技术科学。也是一门多学科交叉的专门技术。它集中体现了电机控制技术、传感器技术、电力电子技术、微电子技术、自动控制技术和通信技术的有机结合剂最新发展成就。几乎每种技术出现的新进展，特别是计算机技术的应用、新型控制策略的出现，都不断地改变着电气控制技术的面貌，

促使它正向着集成化、智能化、信息化、网络化方向发展。电器元件本身也朝着新领域发展，不断涌现出新产品一些电器元件被电子化、集成化；一些电器元件采用了新技术成为智能化、可通讯电器；有些完全改变了传统电器的观念，从传统的现场开关量、模拟量信号控制方式，转为现场级的数字化网络方式。这些都体现了当代工业现代化的技术进步，标志着现代电气控制技术将产生巨大的变革和飞跃。

1.3 本课题设计的任务与意义

本设计的任务主要有以下几个方面：

(1)对桥式起重机控制要求的分析来明确需要控制对象以及在控制中出现的相关情况的保护和限制，从而使所设计的系统能够按照设计的要求安全、可靠、稳定地运行。同时又要考虑该设计在现有条件下的可实现性和必要性。

(2)确定控制对象的具体参数，以利于相关配置的选择。 (3)根据控制要求确定控制方案。

(4)绘制主电路和控制电路原理图实现其控制方案。 (5)相关参数的计算与主要元器的选择。 (6)绘制安装接线图。 (7)编写PLC梯形图。

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。

2 桥式起重机简介及相关参数的介绍

2.1 桥式起重机的简介

桥式起重机是横架于车间、仓库和料场上空进行物料吊运的起重设备。由于它的两端坐落在高大的水泥柱或者金属支架上，形状似桥。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。它是使用范围最广、数量最多的一种起重机械。

(1)桥式起重机应用

桥式起重机是现代工业生产和起重运输中实现生产过程机械化、自动化的重要工具和设备。 所以桥式起重机在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所均得到广泛的运用。

(2) 桥式起重机分类及相关组成

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