1、基于PLC的大型起重機控制系統(tǒng)的設計1 .緒論 1.1 港口起重機的簡介 港口起重機大量使用在港口產(chǎn)品的裝卸，實地生產(chǎn)，港口規(guī)模龐大的造船廠船舶的生產(chǎn)、維護等部分，主要是為進一步提升工作效率、改變環(huán)境，其具備明顯的現(xiàn)實作用。由于其具備傳動穩(wěn)定，運作效率高，執(zhí)行便利，問題出現(xiàn)的可能性不高等優(yōu)勢，開始被全面使用在港口工作中，轉(zhuǎn)變成評估港口領(lǐng)先水平的關(guān)鍵要素。港口起重機可以劃分成橋式類、臂架類和小型起重設施類。一般的港口起重機包含門式、梁式、門座式等起重機。1.2 港口起重機電氣系統(tǒng)的現(xiàn)狀現(xiàn)在，國內(nèi)依舊有很多港口起重機的變幅控制體系使用“繼電器+轉(zhuǎn)子串電阻”的模式。在這種控制的方式下，電機在低轉(zhuǎn)速時

2、穩(wěn)定性很差，而且輸出力也不足。在重載下高速降低時需要讓第三方制動才可以確保不溜鉤，在多次使用的時候會由于電機溫度高而展現(xiàn)絕緣下降的狀況，如此會促進設施老化，此外損耗一定的能源，不利于設備穩(wěn)定運作以及促進設備疲勞等。但是由可編程邏輯控制器（PLC）管控的港口起重機和之前的相比具備起制動穩(wěn)定，運作穩(wěn)定，工作效率高，維修成本不高，定位準確，使用時間長，安全性高等優(yōu)勢。PLC控制科技具備使用便利，穩(wěn)定性高，抗干擾水平高，編程簡單，變化顯著，適應廣泛等特征。在現(xiàn)代的控制理論以及電力電子等現(xiàn)代研究的科學技術(shù)方面和在生產(chǎn)領(lǐng)域都有很大的發(fā)展。 1.3 本文的選題及主要研究內(nèi)容 本次設重點分析設計港口起重機中門

3、座式起重機PLC控制科技和變頻科技在設備中的使用，分析了港口起重機的電氣情況和設計的現(xiàn)實作用。舊的起重機存在問題多，容易發(fā)生故障，生產(chǎn)的效率也很低等缺點。PLC控制技術(shù)可靠性更高，穩(wěn)定性更好，設計的也更合理。介紹了PLC各模塊的選型以及變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計。本次通過對PLC控制技術(shù)和變頻技術(shù)的應用設計來減少這些舊起重機存在的缺點。為港口生產(chǎn)中門座式起重機的研究與設計提供參考方案。2門座式起重控制系統(tǒng)總體設計2.1門座式起重機控制系統(tǒng)控制要素2.1.1 升降部分可以用兩套1.5KW電機，電源電壓 380V，電機帶動風機，調(diào)速開關(guān)和脈沖編碼器。該設備也分配了凸輪開關(guān)以及負載傳感器，來保證該設備的安全

4、以及順利工作。利用PG矢量逆變控制方法。在抓取條件下。在 50Hz，變頻器運行；在鉤條件，根據(jù)重負載，逆變器工作在50Hz或 100hz.plc讀取變頻器的實時參數(shù)，且具備PLC的重點輸入齒輪信號，控制變頻器的頻率，然后完成電機全面管控。升降機構(gòu)可連接于開關(guān)上的升降臺，啟閉、鉤、自動抓取、手動抓取五種操作方式。制動器升降部分一般使用鼓式或盤式制動器的方式開展電子管控以及轉(zhuǎn)矩管控，使用零速制動，降低制動時期的振動以及損害，讓停車更為穩(wěn)定。電氣維護升降部分具備短路以及過流維護、過載維護、零保護、相位失壓、防風、超速以及過載維護。多種變頻器假如發(fā)生問題，就需要利用故障復位按鈕來處理。過載限制器設置在

5、90% 額定負載報警時會切斷電路自動升高110%額定負載，該機構(gòu)只能減輕負載限制器屏幕的重量，安裝在駕駛員控制臺前面，振幅顯示。起升部分會設置三級限位保護開關(guān)，在觸發(fā)第一級限位開關(guān)之后，其會自主步入減速；觸發(fā)第二級限位開關(guān)之后，設備會暫停工作；在第二集保護開關(guān)失靈之后，設備運作觸發(fā)到第三極起升極限限位開關(guān)，設備會暫停工作。第三極限位保護動作程序作為故障自鎖，起升的正反向操作會被禁止，若操作此機構(gòu)，必須按下極限保護退出按鈕并且同時操作主令手柄方可運行。操作手柄從零位推到需要的部分，或推到其他的方向，PLC會管控變頻器，通過設置的加、減時間穩(wěn)定變化到需要的速度。起重機起升部分電機設定：其由1臺電機

6、來驅(qū)動，出現(xiàn)的反饋信息需要變頻器來接收，在起升部分的高速以及低速軸上裝置制動器，制動器用的是常閉式的，斷開電源的時候抱緊，通上電的時候打開。在起升電機上應安裝風機，用于起升電機的散熱。大型起重機調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標： 調(diào)速區(qū)間： （1） 相對穩(wěn)定性： （2） 平滑性系數(shù)： （3） 動態(tài)降落： （4） 超調(diào)量： （5）以下為起重機起升結(jié)構(gòu)計算：電機功率計算 ： 靜功率： 功率 （6）扭矩 （7）轉(zhuǎn)動慣量加速功率： （8）扭矩 （9）功率 （10） 加速功率：力 （11） 功率 （12） 扭矩 （13） 總扭矩 （14） 總功率 （15） 電機選型： 對抓斗電機功率必須大于 選電機：型號YZP35

7、6N1-9 標稱功率160(k W) 使用功率 136(k W) 2.1.2起重機變幅部分使用變頻電機，功率1.5KW，電壓是380V。相同電機驅(qū)動風機，超速開關(guān)以及脈沖編碼器，此外包含凸輪限位開關(guān)、對變幅部分開展多重維護。機構(gòu)使用帶PG矢量的管控方式，PLC可按時得到具體的參數(shù)，且利用指令給定輸入給PLC檔位信號，PLC輸出信號管控變頻器的頻次，然后管控電動機工作情況。以下均同理起升機構(gòu)的流程。起重機變幅部分的電機設定：裝置增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，和變頻器相互配合來全面完成對此部分的閉環(huán)管控。以下為變幅機構(gòu)計算：電機計算： 變幅時間： （16） 變幅齒條平均速度： （17） 均方根功率： （18）

8、 電機選擇： 選電機：型號YZP281S-7 標稱功率 45k W 使用功率 40k W 過載系數(shù) 200% 電機最大扭矩 890 N-m 起重機旋轉(zhuǎn)機構(gòu)電機設計保證制動平穩(wěn)、準確停車，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的制動需要由司機控制。2.1.3旋轉(zhuǎn)機構(gòu)采用雙電機功率1.5KW，電壓 380V，電機帶動風機、制動鼓或制動盤仍在使用的制動力矩的形式來克服旋轉(zhuǎn)扭矩，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可以順利停止。兩臺電機由同一變頻器控制，控制方式采用 V / F控制方式，保證兩臺電機的協(xié)調(diào)。 旋轉(zhuǎn)制動采用踏板制動和自動制動有兩種方式，手柄轉(zhuǎn)動為零，逆變器會自動制動減速，制動時間為 6秒。通過手動控制制動踏板，以防止駕駛員在操作中誤踩踏板裝置或

9、因變頻器過流引起的緊急制動，在踏板上有電氣聯(lián)鎖限制。當踏板制動踏板時，互鎖限制將立即動作，程序?qū)⒀杆偾袛囹?qū)動電路，自動旋轉(zhuǎn)調(diào)整制動時間為 3.5秒，機構(gòu)迅速安全停止。 電氣保護機構(gòu)有過載保護、缺相保護、電壓保護、短路保護、過流保護、零保護。當發(fā)生逆變器故障時，必須由控制臺上的故障復位按鈕重置。除了旋轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在踏板聯(lián)鎖限位保護與聯(lián)鎖限位和手剎制動、限位保護旋轉(zhuǎn)錨。在聯(lián)動表中有一個明確的信號，以指示旋轉(zhuǎn)錨開關(guān)打開時，錨固銷插入錨孔，該程序?qū)⑶袛嘈D(zhuǎn)機構(gòu)的控制，禁止旋轉(zhuǎn)操作。操作手柄的操作方法同理。2.1.4行走機構(gòu)可采用兩臺變頻電機，功率1.5KW，電壓是380V。該機構(gòu)還包括一臺電纜卷筒，錨定

10、限位，防撞限位，聲光報警器和輔助制動器等。行走機構(gòu)在門腿上設置了門腿操作箱，這個只用于行走機構(gòu)的操作，右行左行按鈕是用來執(zhí)行行動方向的，行走速度設定為全速的20%，通過工況選擇開關(guān)按鈕的“地面行走”檔位進行地面與駕駛室的行走切換。在門腿操作箱上的按鈕一旦按下，將導致整個機器的電源切斷，因為它是整機的急停按鈕，所以此按鈕僅使用在特殊情況，不得作為開關(guān)門機的方式、機械自鎖式旋鈕按下后需順時針轉(zhuǎn)動，復位。為預防大車行走的時候斷開電纜，電纜在驅(qū)動環(huán)節(jié)設定電纜終點限位，在此開關(guān)關(guān)閉，自主切斷電源運作部分，讓大車暫停工作。如果需要往相反的方向移動，必須按著“限位旁路”按鈕，而且操作手柄還可以控制行走。在門

11、腿依照軌道方向兩邊有車的碰撞以及減速限位，可使用機器安全距離檢驗門機，減速限位工作的時候，限速行走機構(gòu)，在碰撞限位工作的時候，系統(tǒng)會自主切斷供電機，讓其暫停工作。此外，掛靠的錨定器和防爬器操作機構(gòu)添加動作反饋限制和大車行走進行聯(lián)鎖，錨定、防爬器機制是不能動作的。兩臺行走電機制動器都設置聯(lián)鎖限位，在制動器出現(xiàn)問題的時候，機構(gòu)會立即斷掉電源，讓其大車暫停運作。此外，行走機構(gòu)也裝置了短路維護、失壓維護、過電流維護等眾多穩(wěn)定的電氣維護。2.2 門座式起重機電氣系統(tǒng)的設計 門座式起重機的供電部分電源設定成三相四線制，在設備通電之后，在供電回路中，為了對系統(tǒng)喪失電壓開展全面維護，設定了主電路電源接觸器。

12、起重機PLC控制系統(tǒng)設計選擇歐姆龍系列PLC，根據(jù)門座式起重機各機構(gòu)的具體控制要求對歐姆龍系列PLC 進行配置。 直流電機轉(zhuǎn)速公式： （19） 起重機變頻器容量計算有以下三種： 連續(xù)運轉(zhuǎn)時變頻器容量的計算 （20） （21） （22） 式中變頻器的額定容量（k VA）； k電流波形的修正系數(shù)（PWM方式取 1.041.0）； 負載所要求的電動機的軸輸出功率；電動機的效率（通常約 0.85）；cosj電動機的功率因素（通常約 0.75）；UM電動機電壓（V）；IM電動機電流（A），工頻電源時的電流；ICN變頻器的額定電流（A）； 單臺變頻器驅(qū)動多臺電動機運行容量計算 變頻器計算如下： （23）

13、（24） 即 （25） （26） 當負載電機加速時間超過1min時，有： （27） （28） 式中 PCN變頻器容量（k VA）； PM負載所要求的電動機的軸輸出功率； 電動機效率（通常約0.85）； KS（電動機啟動電流)/（電動機額定電流）； k電流波形的修正系數(shù)（PWM 方式取1.051.10）； nT并聯(lián)電動機的臺數(shù)； ns同時啟動的臺數(shù)； cosj電動機功率因素（通常約0.75）； PCN1連續(xù)容量（k VA），PCN1=k PMn T/cos； IM電動機額定電流（A）； ICN變頻器額定電流。 大慣性負載變頻器容量的計算： （29） 式中k電流波形的修正系數(shù)（PWM方式取1.05

14、1.11）； PCN變頻器容量（k VA）； GD2換算到電動機軸上的總 GD2（NM2）； TL負載轉(zhuǎn)矩（Nm）； 電動機效率（通常約0.85）； 電動機功率因數(shù)（通常約 0.75）； A電動機加速時間（s），根據(jù)負載要求確定； nM電動機額定轉(zhuǎn)速（r/min）；根據(jù)上面敘述的方法，組成不同的調(diào)速系統(tǒng)。綜合考慮其起升機構(gòu)采用矢量方式控制，控制方式為V/F控制。 設備變頻調(diào)速起升部分的變頻器主要使用轉(zhuǎn)矩恒定調(diào)速、功率恒定調(diào)速相融合的模式。起重機變幅機構(gòu)變頻器采用轉(zhuǎn)矩恒定調(diào)速方式。2.3起重機控制系統(tǒng)框圖及原理圖控制系統(tǒng)框圖，如下圖1所示：圖1 控制系統(tǒng)框圖由上述系統(tǒng)框圖可知，PLC控制器接收主

15、令控制器的信號，以此信號來判斷運行速度，來實現(xiàn)電動機調(diào)速；控制系統(tǒng)原理圖見附錄一。3 門座式起重機的硬件系統(tǒng)設計3.1門座式起重機PLC控制器選型PLC 選型的原則是:容易且方便維護控制系統(tǒng)，運行可靠，性價比最高。(1) 品牌選擇：選用歐姆龍系列進行設計。(2)結(jié)構(gòu)選擇：可以劃分成整體式以及模塊式，本次研發(fā)的門座式起重機的管控系統(tǒng)規(guī)模比較大，因此最終挑選后者。后者PLC出現(xiàn)兩種創(chuàng)建模式，首先是端板聯(lián)系，采取上述方式的包含歐姆龍CJ體系的PLC，此外就是底板聯(lián)系，采取此方式的一般包含歐龍CS系列的PLC。(3)PLC模塊選擇：選用歐姆龍SYSMABCS1(簡稱CS1)系列PLC。此系列PLC具備

16、眾多輸入輸出以及CPU模塊，可組成自動化管控以及過程管控為一體的中大型管控系統(tǒng)。CPU模塊:CS1系列的CS1G/H型CPU適合高性能的機器控制和過程控制，且響應時間滿足此控制系統(tǒng)的要求。CPU的存儲量是選擇PLC的CPU的關(guān)鍵，經(jīng)計算所選模塊的存儲量應大于14000字。通訊機構(gòu)選擇接口實現(xiàn)和上位機軟件的通訊：選擇RS232串口實現(xiàn)PLC和觸摸屏的通訊。經(jīng)分析，選擇CPU模塊的具體型號為CS1G-H CPU45。該型號CPU完全可滿足門座起重機的監(jiān)視和控制需要，該模塊的用戶程序存儲器是60K步，模塊的I/O最大的支持點數(shù)為5122位（170字）模塊的數(shù)據(jù)存儲區(qū)為32K字，用梯形圖、功能模塊、順

17、序功能圖語言編程等。輸入模塊:此部分的功能就是檢驗高電平輸出信號，且上述信號來自控制場地的設施等，把得到的信號轉(zhuǎn)移成低電平信號，讓PLC內(nèi)部電路可得到轉(zhuǎn)換之后的信號。確定選擇的CPU模塊為24V直流供電，32點的輸入模塊CS1W-ID231。輸出模塊:輸出模塊的作用是將低電平信號轉(zhuǎn)換為適合控制外部電路輸出的高電平信號。 輸出型輸出模塊使用的時間長，開關(guān)頻率高，所以選用這種模塊作為輸出模塊，這種模塊用接觸器外接的方式進行控制。確定選用32點的輸出模塊CS1W-OD232。其他模塊:完整的PLC選型，還需選擇電源模塊和底板。選用CPU的機架電源模塊型號為C200HW-PA205，CPU底板型號為C

18、S1W-BC072。3.2起重機變頻器的控制方式及變頻器選型變頻調(diào)速的控制方式包括四種，包括頻率給定方式、變頻控制模式、啟動制動方式、指令運轉(zhuǎn)方式。本文設計的起重機中變頻器使用的型號為西門子SINAMICS S120。3.3起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)圖門座式起重機各機構(gòu)中均采用SINAMICS S120變頻器進行調(diào)速。西門子SINAMICS S120有很大的運動控制功能，是高性能驅(qū)動控制系統(tǒng)。本次設計表明起升機構(gòu)的調(diào)速系統(tǒng)圖，其余機構(gòu)相比起升部分的調(diào)速體系更加單一，因此其余機構(gòu)可依照此上述部分的系統(tǒng)圖。起升機構(gòu)變頻調(diào)速系統(tǒng)圖見附錄二。起升機構(gòu)變頻器的參數(shù)設置圖表見附錄三。4門座式起重機的軟件系統(tǒng)設計4.1門座式起重