1、河南工學院畢業設計/論文 畢業設計（論文）論文題目：橋式起重機的變頻調速系 部： 電氣工程系 專 業： 電機與電器 班 級： 2013級01班 學生姓名： 學 號： 指導教師： 2016年05月06號摘要橋式起重機作為物料搬運系統中的一種典型設備，在工業生產中應用廣泛，作用顯著。因此對于提高橋式起重機的運行效率，確保運行的安全可靠性，降低物料搬運成本是十分必要的。本文根據橋式起重機大車運行的特點，采用分散驅動，結合變頻調速技術，完成了橋式起重機固定三段頻率的調速。將PLC作為邏輯控制器，并且為其設計了梯形圖，將凸輪控制器的信號作為PLC的輸入信號，PLC的輸出接中間繼電器線圈，通過繼電器的觸點

2、控制變頻器的數字輸入口實現與變頻器相連的兩臺電動機的變頻調速。為了方便控制和應急處理，設計了起動、停止、故障復位和急停按鈕。同時可以將電動機銘牌相關參數輸入到變頻器，運用變頻器的保護功能保護電路。通過本設計可以控制電動機的起動、停止、運行方向、速度換擋和故障復位。從而減少了傳統繼電接觸式控制系統的中間環節，減少了硬件和控制線，極大提高了系統的穩定性和可靠性。關鍵詞：橋式起重機，凸輪控制器，可編程序控制器，變頻調速ABSTRACTBridge crane as a material handling system of a kind of typical equipment, is widely

3、 used in industrial production, significant role. Therefore to improve the operating efficiency of the bridge crane to ensure the safety and reliability of operation, reduce material handling costs is very necessary.The according to the characteristics of the crane operation, adopting the driving of

4、 disperse, combining with the technology of frequency conversion, completed the bridge crane fixed frequency speed control. The PLC as logic controller, and the design of the ladder diagram, the cam controller signal as the input signal of the PLC, the PLC output connected to an intermediate relay c

5、oil, through the contacts of the relay control of the digital converter input port and inverter connected two motor variable frequency speed regulation. In order to facilitate control and emergency treatment, the design of the starting, stop, reset the fault and emergency stop button. At the same ti

6、me the motor nameplate parameters input to the inverter, Using inverter protection circuit protection. Through this design can control the motor starting, stop, running direction, shift speed and fault reset. Thus reducing the traditional relay - contact type control system of intermediate links, re

7、ducing the hardware and control line, greatly improving the stability and reliability of the system.Key words: bridge crane cam controller programmable controller variable frequency speed regulation目錄摘要I目錄III第一章 緒論11.1 橋式起重機電氣傳動技術的國內外發展概況11.2 傳統橋式起重機控制系統存在的問題21.3 本課題的研究意義及主要內容21.4 本章小結3第二章 變頻調速的原理42

8、.1 交流異步電動機變頻調速原理42.2 變頻調速系統的控制方式42.3 變頻器的基本結構52.4 本章小結9第三章 MM440與S7-20093.1 MM440變頻器93.2 PLC系統組成與各部分的作用103.3 變頻器和PLC的關系133.4 本章小結13第四章 橋式起重機大車變頻調速系統設計154.1 橋式起重機大車組成及特點154.2 系統總體設計164.3 變頻器參數設計及PLC的I/O分配184.4 變頻器實現三段調速原理的解釋204.5 PLC程序設計204.6 電器布置圖和電氣接線圖214.7 本章小結24第五章 總結與展望25致謝26參考文獻27附錄.28-II-第一章 緒

9、論1.1、橋式起重機電氣傳動技術的國內外發展概況電氣調速控制的方法很多，從控制電阻分級控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，到主回路可控硅即晶閘管整流供電系統。隨著電子技術的飛速發展，集成模塊出現，計算機、微處理器應用，因此控制從分立組成模擬量控制發展至今天的數字量控制。從交流驅動來講:常采用繞線式電動機轉子串電阻調速，為滿足重物下放時的低速，一般依靠能耗制動、反接制動，后來還采用渦流制動，還有靠轉子反饋控制制動、反接制動、單相制動器抱閘的所謂軟制動，隨著電子技術的發展，國內外開發研制變頻調速，PLC可編程序控制器的應用控制系統的性能更加完美。目前國內外幾種常用調速系統配置及其性能:(

10、1) 、交流調速控制系統:對于起重機械來講，交流驅動仍是國內普遍采用的方案而且多數停留在繞線式電機轉子串電阻來調速。隨著功率電子技術的發展，早在六十年代后期，國外就開始致力于晶閘管定子調壓調速技術的開發研究。目前，該技術己進入了成熟穩定的發展應用階段。法國、英國、德國等大電氣公司在這方面展開了重點研制開發。借助電力電子技術、微電子技術的發展，由分離元件發展到大規模集成電路，從而實現控制部件的微型組件化、智能化、標準化、系列化，進而從模擬量控制發展到數字量控制。可編程序控制器PLC引入到交流電氣傳動系統后，使傳動系統性能發生了質的變化。在橋式起重機實現了抓斗的自動控制和故障診斷、檢測顯示等，達到

11、了新的技術高度。(2)、變頻調速:目前，變頻調速的控制方法有恒壓頻比控制，轉差頻率控制，矢量控制，直接轉矩控制等。這些控制方法都得到了不同程度的應用，但其控制性能有一定的差異。直流電動機之所以與有良好的控制性能，其根本原因是當勵磁電流恒定時，控制電樞電流的大小就能無時間滯后的控制瞬時轉矩的大小。異步電動機產生瞬時轉矩的原理雖然與直流電動機相同，但由于建立氣隙磁場的勵磁分量和電磁轉矩所對應裝置電流有功分量都應包含在定子電流中，無法直接將它們分開，在運行過程中，這兩個分量會互相影響。因此要控制異步電動機的瞬時轉矩十分困難。像采用恒壓頻比控制、轉差頻率控制的變頻調速系統由于是從控制電動機的平均轉矩的

12、角度出發來控制電動機的轉速，因而難以獲得較理想的動態性能，異步電動機在高精度調速系統和伺服系統中的應用受到限制。而矢量控制是從根本上解決了這個問題，使交流調速系統的應用范圍迅速擴大。1.1 傳統橋式起重機控制系統存在的問題橋式起重機作為物料搬運機械在整個國民經濟中有著十分重要的地位。經過幾十年的發展，我國橋式起重機制造廠和使用部門在設計、制造工藝、設備使用、維修、管理方面，不斷積累經驗，不斷改造，推動了橋式起重機的技術進步。但在實際使用中，結構開裂仍時有發生。究其原因是頻繁的超負荷作業及過大的機械振動沖擊所引起的機械疲勞。因此，除了機械上改進設計外，改善交流電氣傳動，減少起制動沖擊，也是一個很

13、重要的方面。由于傳統橋式起重機的電控系統采用轉子回路串接電阻進行有級調速，致使機械沖擊頻繁，振動劇烈，所以電氣控制上應采用平滑的無級調速是解決問題的有效手段。1.2、傳統橋式起重機控制系統存在的問題橋式起重機作為物料搬運機械在整個國民經濟中有著十分重要的地位。經過幾十年的發展，我國橋式起重機制造廠和使用部門在設計、制造工藝、設備使用、維修、管理方面，不斷積累經驗，不斷改造，推動了橋式起重機的技術進步。但在實際使用中，結構開裂仍時有發生。究其原因是頻繁的超負荷作業及過大的機械振動沖擊所引起的機械疲勞。因此，除了機械上改進設計外，改善交流電氣傳動，減少起制動沖擊，也是一個很重要的方面。由于傳統橋式

14、起重機的電控系統采用轉子回路串接電阻進行有級調速，致使機械沖擊頻繁，振動劇烈，所以電氣控制上應采用平滑的無級調速是解決問題的有效手段。1.3、本課題的研究意義及主要內容由上可知，傳統橋式起重機的控制系統主要采用交流繞組轉子串電阻的方法進行起動和調速，繼電接觸器控制，這種控制系統的主要缺點有:(1)、橋式起重機工作環境差，工作任務重，電動機以及所串電阻燒損和斷裂故障時有發生。(2)、繼電接觸器控制系統可靠性差，操作復雜，故障率高。(3)、轉子串電阻調速，機械特性軟，負載變化時轉速也變化，調速不理想。所串電阻長期發熱，電能浪費大，效率低。要從根本上解決這些問題，只有徹底改變傳統的控制方式。近年來，

15、隨著計算機技術和電力電子器件的迅猛發展，同時也帶動電氣傳動和自動控制領域的發展。其中，具有代表性的交流變頻調速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應用，為PLC控制的變頻調速技術在橋式起重機系統提供了有利條件。變頻技術的運用使得起重機的整體特性得到較大提高，可以解決傳統橋式起重機控制系統存在諸多的問題，變頻調速以其可靠性好，高品質的調速性能、節能效益顯著的特性在起重運輸機械行業中具有廣泛的發展前景。由于起重機行業的特殊性，變頻調速系統的應用相對滯后。采用變頻調速取代傳統的起重機控制系統是近幾年才開始應用的新技術。無論是在起重機老產品還是新產品設計，變頻調速都是優選方案。變頻調速裝置的先進性能特別適用

16、于起重機的惡劣工況，對改善起重機的調速性能，提高工作效率和功率因數，減小起制動沖擊以及增加起重機使用的安全可靠性是非常有益的。相比較發達國家而言，我國的相關技術水平差距較大。主要技術難度體現在:起重機對電控系統運行的穩定性和可靠性要求愈來愈高；起重機的起重量及運行速度等技術參數越來越大；起重機的自動化程度越來越高；起重機對管理和通訊的性能要求越來越嚴格。為此，有必要對橋式起重機電控系統的應用研究。由變頻器構成的交流調速系統可取代直流調速系統，是隨著計算機技術特別是大規模集成電路制造技術的不斷發展的必然結果。1.4、本章小結本章闡述了傳統橋式起重機存在的問題，介紹了電氣傳動在國內外發展的狀況，說

17、明了本課題的研究意義，為課題的研究做鋪墊。第二章 變頻調速的原理2.1、交流異步電動機變頻調速原理根據三相異步電動機的轉速公式： （2-1）式中: n異步電動機的轉速，單位為r/min; f定子的電源頻率，單位為Hz; s電機的轉速滑差率; p電機的極對數。由式（2-1）可知，調節了三相交流的頻率，也就調節了同步轉速，也就調節了異步電動機轉子的轉速。只要平滑地調節三相交流電的頻率，就能實現異步電動機的無級調速。變頻調速的最大特點是：電動機從高速到低速，其轉差率始終保持最小的數值，因此變頻調速時，異步電動機的功率因數都很高。可見，變頻調速是一種理想的調速方式。但它需要由特殊的變頻裝置供電，以實現

18、電壓和頻率的協調控制。2.2、變頻調速系統的控制方式當三相異步電動機的定子繞組接上三相交流電壓時，在定子繞組中就有三相交流電流通過，定子三相電流會產生旋轉磁場，其磁感應線通過定子和轉子鐵芯而閉合，旋轉磁場不僅在轉子每相繞組中要感應出電動勢E2，而且在定子每相繞組中也要感應出電動勢E1。設定子和轉子每相繞組的匝數分別為N1和N2，定子每相繞組感應電動勢E1的幅值為： （2-2）式中：電網的頻率；定子繞組系數；通過每相繞組的磁通最大值，在數值上等于旋轉磁場的每極磁通，=。由式（2-2）可知，只要控制好和，便可以控制磁通中不變，因此需要考慮基頻以下和基頻以上兩種情況。2.2.1、基頻以下調速由式（2

19、-2）可知，要保持不變，當頻率f，從額定值向下調節時，必須同時降低，然而繞組中的感應電動勢是難以控制的，但電動勢較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓，則得/=常值。低頻時，和都較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能再忽略。這時，可以人為的把電壓抬高一些，以便近似的補償定子壓降。帶定子壓降補償的恒壓頻比控制特性為B線，無補償的為A線。如圖2.1所示：圖2.1 恒壓頻比控制特性2.2.2、基頻以上調速由式（2-2）可知，讓頻率從基頻往上調時，不可能繼續保持/的值不變，因電壓不能超過額定電壓。這時，只能保持電壓不變，其結果是：使氣隙磁通最大值隨頻率升高而降低，電動機的同步轉

20、速升高，最大轉矩減少，輸出功率基本不變。所以，基頻以上調速屬于弱磁恒功率調速，其機械特性如圖2.2所示：圖2.2 基頻以上調速的機械特性2.3、變頻器的基本結構變頻器的基本結構圖如圖2.3所示：圖2.3 變頻器的基本結構圖2.3.1、變頻器的主電路變頻器的主電路由整流電路、中間直流電路和逆變電路三部分組成。電壓型交直交變頻器主電路的基本結構如圖2.4所示：圖2.4 電壓型交直交變頻器主電路的基本結構（1）、整流電路：一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對工頻的外部電源進行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式，可以是直流電壓源，也可以是

21、直流電流源。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質量較高的直流電源。此外，由于電動機制動的需要，在直流中間電路中有時還包括制動電阻以及其它輔助電路。（2）、逆變電路：逆變電路是變頻器主要的部分之一。它是利用六個半導體開關器件組成的三相橋式逆變電路，有規律的控制逆變器中的主開關元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載，無論電動機處于電動還是發電制動狀態，變頻器功率因素總不會為1。因此，在直流環節和電動機之間總會有無功功率的交換，這種無功能量就靠這之間直流環節的儲能元件來緩沖。它的主要作用是在控制電路的控制下

22、，將平滑電路輸出的直流電源轉換為頻率和電壓都任意可調的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實現對異步電動機的調速控制。2.3.2、變頻器的控制電路構成變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅動電路、外部接口電路以及保護電路等幾個部分，是變頻器的核心部分。控制電路的優劣決定了變頻器性能的優劣。控制電路的主要作用是完成對逆變器開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能。2.3.3、控制算法隨著電力半導體器件和微型計算機控制技術的迅速發展，促進了電力變頻技術新的突破性發展，70年代后期發展起來的脈寬調制PWM技術成了現在最常用的變頻器功率開關器件的控制策略。PWM控制

23、利用了采樣控制理論中的一個重要結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環節上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果相同，指環節的輸出響應波形基本相同。根據這個原理，可以用一系列等幅而不等寬的脈沖來近似正弦被，且脈沖的寬度按正弦規律變化，這種方法稱為SPWM。SPWM各脈沖的寬度和間隔可以準確計算出來，按照計算結果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的SPWM波形。但這種計算很繁瑣。較為常用的方法是采用調制的方法，即把正弦波作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過對載波的調制即可得到SPWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波上下寬度與高度線性關系，

24、且左右對稱，當它與正弦波調制信號相交時，如在交點時刻控制電路中開關器件的通斷，就可以得到寬度正比于正弦波幅值的脈沖，這正好符合SPWM控制的要求。三角載波的頻率,和正弦調制波的頻率,之比即，稱為載波比。用生成的SPWM波控制逆變器開關器件的通斷，可得到等幅且脈沖寬度按正弦規律變化的矩形脈沖列輸出電壓。正弦調制波的頻率即是逆變器的輸出頻率，改變便可改變。三角載波的幅值為恒定，因而改變正弦調制波的幅值就改變了矩形脈沖的面積，由此實現輸出電壓幅值的改變。根據以上介紹的SPWM逆變電路的基本原理和控制方法，可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調制波發生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對功率開關

25、器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波形。但這種模擬電路結構復雜，難以實現精確的控制。微機控制技術的發展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易。變頻器技術是一門綜合性的技術，它建立在控制技術、電子電力技術、微電子技術和計算機技術的基礎上。它與傳統的交流拖動系統相比，利用變頻器對交流電動機進行調速控制，有許多優點，如節電、容易實現對現有電動機的調速控制、可以實現大范圍內的高效連續調速控制、實現速度的精確控制。容易實現電動機的正反轉切換，可以進行高額度的起停運轉，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅動。電機在帶動較大負載在啟動時，會有較大的沖擊電流，采用變頻器時，可以實現軟啟動，減小沖擊電流

26、，解決大負載的啟動問題。電源功率因素大，所需容量小，完善的保護功能:變頻器保護功能很強，在運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別(如電網瞬時電壓降低，電網缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機短路等)，并立即封鎖輸出電壓。這種“自我保護”的功能，不僅保護了變頻器，還保護了電機不易損壞。2.4、本章小結本章通過對通用型變頻器的原理及各部分電路的分析，我們可以利用變頻器的優越特性，讓其為三相異步電機供電，協調控制電壓和頻率，滿足我們在工作環境條件差，工作任務大，控制精度要求高的變頻調速拖動。第三章 MM440與S7-2003.1、MM440變頻器MM440是一種集多種功能于一體的變頻器，該系

27、列有多個型號，其恒定轉矩控制方式的額定功率范圍為120W200KW,可變轉矩控制方式的額定功率可達250KW，它適用于電動機需要調速的各種場合。可通過數字操作面板或通過遠程操作器方式，修改其內置參數，即可滿足各種調速場合的要求。MM440的型號有8種：AF、FX和GX。每種變頻器的額定功能按字母順序排列越來越大，另外每種型號都有單相和三相兩種輸入電壓。3.1.1、MM440的主要特點(1)、內置多種運行控制方式；(2)、快速電流限制，實現無跳閘運行；(3)、內置式制動斬波器，實現直流注入制動；(4)、具有PID控制功能的閉環控制，控制器參數可自動整定；(5)、多組參數設定且可相互切換，變頻器可

28、用于控制多個交替工作的生產過程；(6)、多功能數字、模擬輸入輸出口，可任意定義其功能和具有完善的保護功能。3.1.2、MM440的控制方式MM440主要有以下幾種控制方式： (1)、線性V/f控制：變頻器輸出電壓與頻率為線性關系，用于恒定轉矩負載。（2）、帶磁通電流控制（FCC）的線性V/f控制：在這種模式下，變頻器根據電動機特性實時計算所需要的輸出電壓，以此來保持電動機的磁通處于最佳狀態。此方式可提高電動機效率和改善電動機動態響應特性。（3）、拋物線V/f控制：變頻器輸出電壓平方與頻率為線性關系，用于變轉矩負載。（4）、特性曲線可編程的V/f控制：變頻器輸出電壓與頻率為分段線性關系，此種控制

29、方式可應用與在某一特定頻率下為電動機提供特定的轉矩。（5）、帶“能量優化控制（ECO）”的線性V/f控制：此方法的特點是變頻器自動增加或降低電動機電壓，搜尋并使電動機運行在損耗最小的工作點。(6)、有無傳感器矢量控制：用固有的滑差補償對電動機的速度進行控制。采用這一控制方式時，可以得到大的轉矩，改善瞬態響應特性和具有優良的速度穩定性，而且在低頻時可提高電動機的轉矩。(7)、有無傳感器的矢量轉矩控制：變頻器可以直接控制電動機的轉矩。當負載要求具有恒定的轉矩時，變頻器通過改變向電動機輸出的電流，使轉矩維持在設定的數值。3.1.3、MM440保護功能MM440系列變頻器所具有的保護功能有：過電壓欠電

30、壓保護、變頻器過熱保護、接地故障保護、短路保護、電動機過熱保護和PTCKTY電動機過載保護等。3.2、PLC系統組成與各部分的作用可編程序控制器PLC是一種通用的工業控制裝置，其組成與一般的微機系統基本相同。按結構形式的不同，PLC可分為整體式和組合式。整體式PLC是將中央處理器(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構成主機。另外還有獨立的I/O擴展單元與主機配合使用。主機中，CPU是PLC的核心，I/O單元是連接CPU與現場設備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機等外部設備的連接。組合式PLC將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能I/O單元、通信單

31、元等分別做成相應的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相連。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴展底板。CPU底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10m。無論哪種結構類型的PLC，都可以根據需要進行配合與組合。它主要是由CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入/輸出接口電路等組成。中央處理單元(CPU)：中央處理單元一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內，CPU通過數據總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路相連接。它是PLC的運算、控制中心。它按照系統程序所賦予的功能，完成以下任務:（1）、接收并存儲從編程器輸入的用戶程

32、序和數據；（2）、診斷電源、PLC內部電路的工作狀態和編程的語法錯誤；（3）、用掃描的方式接收輸入信號，送入PLC的數據寄存器保存起來；（4）、PLC進入運行狀態后，根據存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解釋和執行，完成用戶程序中規定的各種操作；（5）、用戶程序的執行結果送至輸出端。 存儲器：根據存儲器在系統中的作用，可以把它們分為以下3種:（1） 、程序存儲器:和各種計算機一樣，PLC也有其固定的監控程序、解釋程序，它們決定了PLC的功能，稱為系統程序，系統程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存儲器ROM或EPROM。（2）、用戶程序存儲器

33、:用戶根據控制功能要求而編制的應用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中，由于用戶程序需要經常改動、調試，故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的RAM。由于RAM掉電會失去數據，因此使用RAM作用戶存儲器的PLC，都用后備電池保護RAM，以免電源掉電時，失去用戶程序。當用戶程序調試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序寫于EPROM。目前較先進的PLC采用快閃存儲器作用戶程序存儲器，快閃存儲器可隨時讀寫，掉電時數據不會失去，不需要后備電池保護。（3）、工作數據存儲器:工作數據是經常變化、經常存取的一些數據。這部分數據存儲在RAM中，以適應隨機存取的要求。在PLC的工作數據存儲區中，開辟

34、有元件映像寄存器和數據表。元件映像寄存器用來存儲PLC的開關量輸入/輸出和定時器。計數器、輔助繼電器等內部繼電器的ON/OFF狀態。數據表用來存放各種數據，它的標準格式是每一個數據占一個字。它存儲用戶程序執行時的某些可變參數值，如定時器和計數器的當前值和設定值。它還用來存放A/D轉換得到的數字和數字運算的結果等。根據需要，部分數據在停電時用后備電池維持其當前值，在停電時可以保持數據的存儲器區域稱為數據保持區。I/O單元：I/O單元也稱為I/O模塊。PLC通過I/O單元與工業生產過程現場相聯系。輸入單元接收用戶設備的各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器的信號。

35、通過接口電路將這些信號轉換成中央處理器能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運行時CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進行處理，將處理結果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點對應的觸發器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器、指示燈被控設備的執行元件。編程器：編程器的作用是提供用戶進行程序的編制、編輯、調試和監視。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯機編程，且往往需要將梯形圖轉化為機器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯機編程，也可以脫機編程，具有

36、LCD或CRT圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用PC作為編程器，PLC生產廠家配有相應的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實現不同編程語言的互相轉換。程序被下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網絡，還可以實現遠程編程和傳送。現在已有些PLC不再提供編程器，而是提供微機編程軟件了，并且配有相應的通信連接電纜。3.2.1、西門子S7-200系列PLC特性(1)、S7-200系列PLC介紹S7-200系列PLC功能強、速度快、擴展靈活，具有模塊化、緊湊的結構。使用范圍可覆蓋從替

37、代繼電器的簡單控制到復雜的自動控制，應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業及民用領域，包括電力設施、民用設施、機械、機床等領域。S7-200系列具有極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、操作便捷、內置豐富的集成功能、實時特性，良好的通信能力，豐富的擴展模塊。S7-200系列的強大功能使其無論是在獨立運行中，還是相連成網絡都能實現復雜控制功能。所以它具有極高的性價比。S7-200系列可以根據對象的不同，可以選用不同的型號和不同數量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機架上。(2)、西門子S7-200主要功能模塊介紹CPU模塊:S7-200的CPU模塊包括一個中央處理單元、電源

38、以及數字IO點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。CPU負責執行程序，輸入部分從現場設備中采集信號，輸出部分則輸出控制信號，驅動外部負載。從CPU模塊的功能來看，CPU模塊為CPU22*，它具有五種不同的結構配置的CPU單元。該系統采用CPU226,CPU226它有24輸入16輸出，IO共計40點，和CPU224相比，增加了通信口的數量，通信能力大大增強。它可用于點數較多、要求較高的小型或中型控制系統。IO擴展模塊:當CPU的IO點數不夠用或需要進行特殊功能的控制時，就要進行IO擴展，IO擴展包括IO點數的擴展和功能模塊的擴展。典型的數字量IO擴展模塊有:輸入擴展模塊EM221有兩種:8種

39、DC,8點AC輸入;輸出擴展模塊EM222有三種:8點DC晶體管輸出，8點AC輸出、8點繼電器輸出。輸入/輸出混合擴展模塊EM2323有六種:分別為4點(8點、16點)DC輸入、4點(8點、16點)DC輸出、4點(8點、16點)DC輸入、4點(8點、16點)繼電器輸出。功能擴展模塊:當需要完成某些特殊功能的控制任務時，CPU主機可以擴展特殊功能模塊.如要求進行PROFIBUS-DP現場總線連接時，就需要EM277 PROFIBUS-DP模塊。3.2.2、西門子S7-200 PLC的工作原理各種PLC具體工作原理大同小異都采用掃描工作方式，西門子 S7-200 PLC的工作過程:PLC上電后，首

40、先進行初始化，然后進入循環工作過程。一次循環過程可歸納為公共處理、程序執行、掃描周期計算處理、IO刷新和外設端口服務五個工作階段，一次循環所用的時間稱為一個工作周期(或掃描周期)，其長短與用戶程序的長短以及PLC機本身性能有關，其數據級ms級，典型值為幾十ms。各階段完成的任務如下:（1）、公共處理:復位監視定時器，進行硬件檢查、用戶內存檢查等。檢查正常后，方可進行下面的操作。如果有異常情況，則根據錯誤的嚴重程度發出報警或停止PLC運行。（2）、程序執行:在程序執行階段，CPU按先左后右，先上后下的順序對每條指令進行解釋、執行，CPU從輸入映像寄存器(每個輸入繼電器對應一個輸入映像寄存器，其通

41、/斷狀態)和元件映像寄存器(即與各種內部繼電器、輸出繼電器對應的寄存器讀出各繼電器的狀態，根據用戶程序給出的邏輯關系進行邏輯運算，運算結果再寫入元件映像寄存器中。（3）、掃描周期計算處理:若設定掃描周期為固定值，則進入等待循環，直到該固定值到達時，再往下進行。若設定掃描周期為不定的(即決定于用戶程序的長短等，為不定值)，則進行掃描周期的計算。（4）、IO刷新:在此階段，進行IO刷新。輸入刷新時，CPU從輸人電路中讀出各輸入點狀態，并將此狀態寫入輸入映像此存器中；輸出刷新時，將輸出繼電器的元件影響寄存器的狀態傳送到輸出鎖存電路，再經輸出電路隔離和功率放大，驅動外部負載。（5）、外設端口服務:完成

42、與外設端口連接的外圍設備編程器或通信適配器的通信處理。CPU從輸入電路的輸出端讀出各路狀態，并將其寫入輸入映像寄存器:在程序執行階段，CPU從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出各繼電器的狀態，并根據此狀態執行用戶程序，執行結果再寫入元件映像寄存器中;在緊接著的下一個IO刷新階段，將輸出映像寄傳奇的狀態寫入輸出鎖存電路，再經輸出電路傳遞到輸出端子，從而控制外接器件動作。PLC的循環掃描工作方式也為PLC提供了一條死循環自診斷功能。PLC內部設置了一個監視定時器WDT，其定時時間可由用戶設置為大于用戶程序的掃描周期，PLC在每個掃描周期的公共處理階段將監視定時器復位。正常情況下，監視定時器不會動

43、作，如果由于CPU內部故障使程序進入死循環，那么，掃描周期將超過監視器的定時時間，這時，監視定時器動作，運行停止，以示用戶。3.3、變頻器和PLC的關系在工業自動化應用技術領域，速度調節和控制是經常用到的環節。變頻器具有高效的驅動性能和良好的控制特性，在提高控制質量、減少維護費用和節能等方面都取得了明顯的經濟效益。在這些場合，變頻器所發揮的作用是其他任何控制設備和裝置都不能取代的。雖然變頻器可以單獨使用，但大多數情況還是作為一個組成部分在工業自動化控制系統中使用。所以，作為主控制器的PLC和作為執行及檢測器件的變頻器之間就必須相互配合，共同完成控制任務。PLC可以控制變頻器的頻率給定信號，以使

44、變頻器輸出相應的速度控制曲線，控制工藝指標；變頻器上的檢測信號和其他智能控制信號也可以接入PLC，完成系統的報警和速度控制，比如通過變頻器控制電機的啟動、停止及正、反轉，也可以使用一個變頻器去控制若干電動機的運行。3.4、本章小結本章對西門子MM440通用變頻器的特性和S7-200可編程序控制的的原理及特點進行了闡述。可以運用它們的特點，把S7-200作為主控制器，MM440作為執行及檢測器件讓它們相互配合，共同完成控制任務。第四章橋式起重機大車變頻調速系統設計4.1、橋式起重機大車組成及特點橋式起重機大車主要由電動機、減速器、制動器、傳動軸、聯軸節、車輪等部件組成。減速器是橋式起重機運行機構

45、的主要部件，它的作用是傳遞扭矩，減少傳動機構的轉速。起重機上所使用的減速器是屬于閉式齒輪傳動。齒輪裝在密封的閉式箱內，這種減速器的潤滑性好，同時又不容易受灰塵和各種氣體侵襲。制動器是橋式起重機上的重要部件之一，習慣上把制動器叫做“抱閘”或“剎車”根據結構以及動力的不同，有電磁制動器和液壓制動器之分。在橋式起重機的各機構中，只有具備可靠地制動器后，對運行機構的準確性和安全工作才有保證。聯軸器是用來聯接運行機構轉動軸的，僅起聯接作用。不能補償連接的兩根軸之間的徑向或軸向位移的聯軸器，稱為剛性聯軸器。允許被聯接的兩根軸之間有一定徑向和軸向位移的聯軸器，稱為補償聯軸器。補償聯軸器在起重機上具有特殊意義

46、，它可以保證橋架在吊運物件而產生彈性變形狀態時，起重機能有較好的運轉特性。車輪踏面分為圓柱形和圓錐形。從動輪大多數是圓柱形的。圓錐形車輪能在一定程度上防止橋架扭斜。圓錐車輪必須配用圓弧頂面的軌道，且輪徑的大端應放在跨度的內側。踏面的錐度與軌道頭部的弧半徑有關，統一采用1:10錐度。大車車輪的踏面兩側都有輪緣(雙輪緣)，輪緣的作用是導向以防止脫軌。大車的驅動方式有集中驅動和分散驅動。集中低速驅動形式是由一臺電動機通過減速器同時帶動兩個主動輪使傳動軸的轉速低于電動機軸的轉速，與車輪的轉速相同，一般是50100轉/分。這種傳動方式的優點是，傳動軸轉速低，因而安全。缺點是，傳動扭矩大，因而軸、軸承、聯

47、軸節和鈾承座尺才較大，使整個機構較重，一般應用在510噸小起重量、小跨度的橋式起重機上。集中高速驅動的大車運行機構，是由電動機通過制動輪直接與聯軸節、傳動袖聯接再通過減速器與車輪聯接。運行機構的傳動軸的轉速與電動機的轉速相同一般是7001500轉/分。所以傳遞扭矩小，傳動軸和軸系零件尺寸也較小，傳動機構的重量也較輕。缺點是加工裝配精度要求較高，以減少偏心在高速旋轉中所引起的激烈振動，一般要求軸在每米長度上的徑向跳動不大于0.5毫米。分別驅動的大車傳動機構中，中間設有較長的傳動軸，在裝有運行機構的走臺兩瑞各有一套驅動裝置。每套驅動裝置由電動機通過制動輪、聯袖節、減速器與大車車輪聯接。分別驅動的運

48、行機構，是用兩臺同樣型號的電動抓用同一控制器控制。分別驅動與集中驅動相比較，具有下列優點由于省去傳動軸，自重較輕，安裝和維修方便，實踐證明使用效果良好。該系統采用分別驅動。4.2、系統總體設計本設計采用先進的設備、最少的投入達到最大的性價比，實現橋式起重機大車的調速控制目標。西門子MM440變頻器具有6個數字輸入端和3個數字輸出端，且所有數字輸出、輸入端口都有很好的參數設置特征，通過簡單的設置就可滿足用戶的不同需要。為此，選用的主要硬件設備有：西門子MM440變頻器；兩臺三相異步電動機，功率之和小于變頻器的功率；S7-200 CPU226 PLC；進線電抗器；制動電阻。本系統為了省去傳動軸，減

49、少自身重量，從而使安裝和維修方便，因此大車的驅動方式采用分別驅動，由一臺變頻器連接兩臺電機，根據MM440變頻器的特性，當變頻器連接幾臺電動機時，變頻器必須在V/f控制特性下運行。所以將變頻器的控制方式（P1300）設置為0。為保證可靠地制動與停車，系統采用外接電磁抱閘的機械制動形式。將MM440變頻器數字輸出口2作為抱閘使能口，直接驅動電機的抱閘線圈。運行時，MM440變頻器從0HZ開始，延遲一段時間后打開抱閘，然后按照斜坡上升時間逐漸由速度1檔加速到全速運行的3檔；減速時與此相反，當減至最低頻率檔后，延遲一段時間再閉合抱閘。參數設置P1216是抱閘制動釋放的延遲時間，P1217是斜坡結束后

50、的抱閘時間。本課題設計一個20t的橋式起重機大車調速系統，采用7極主令器件、S7-200 PLC,CPU226、MM440變頻器實現大車的正反各三檔調速。將MM440變頻器的數字輸出口1設為變頻器準備，數字輸出口2設為抱閘控制，數字輸出口3設為變頻器故障輸出。4.2.1、電機的選用(1)、變頻調速對電機的要求采用變頻調速時，由于變頻器輸出波形中高次諧波的影響以及電機轉速范圍的擴大產生了一些與在工頻電源下傳動時不同的特征。主要反映在功率因數、效率、輸出力矩、電機溫升、噪音及振動等方面。隨著高開關頻率的IGBT等電力電子器件的使用、PWM調制、矢量控制、增強型V/f控制方法的應用、使變頻器輸出波形

51、、諧波成份、功率因數及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了變頻控制電機的低速區轉矩。同時由于變頻控制軟件的優化使用，使電機可以避開共振點，解決了系統在大調速區間內可能發生的共振問題。目前，變頻器己經發展到除非有超同步調速的要求或呈1:20以上的大速比、低調速要求或特低噪聲要求外，一般無須選用變頻專用電機作變頻系統的電機。現在國內推出的變頻專用電機由普通電機加獨立風扇組成，以解決電機在低速運轉過程中自冷風扇風量不足而引起的電機過熱問題。(2)、變頻起重機系統中電機的選型起重機起升和運行機構的調速比一般不大于1:20，且為斷續工作制，通常接電持續率在60%以下，負載多為大慣量系統。嚴格意義上的變

52、頻電機轉動慣量較小，響應較快，可工作在比額定轉速高出很多的工況條件下，這些特性均非起重機的特定要求。普通電機與變頻電機在不連續工作狀態下特性基本一致;在連續工作時考慮到冷卻效果限制了普通電機轉矩應用值，普通電機僅在連續工作時的變頻驅動特性比變頻電機稍差。(3)、電機冷卻西門子變頻器在調速比為1:20的范圍內能確保起重機上普通電機有150%的過載力矩值。此外，起重機電機多用于大慣量短時工作制，通常不工作時間大于或略小于工作時間。電機在起動過程中可承受2.5倍額定電流值，遠大于變頻起動要求的1.5倍值，運行機構的電機在以額定速度運行時電機通常工作在額定功率以下，因此高頻引起的1.1倍電流值可不予考

53、慮。但若電機要求在整個工作周期內在大于1:4的速比下持續運行則必須采用他冷式電機。(4)、電機效率選擇電機要有較好的功率因數和工作效率，使能耗降為最低。高速電機比低速電機在電流小、功率因數高、電纜截面小及電器配置容量小等方面占有優勢。盡管減速器傳動比增大造成了減速器體積的增大，但由于硬齒減速器的應用，新塑耐磨齒輪副及焊接箱體的使用為高速電機驅動創造了條件。高速電機的使用因電機材料價格遠高于減速器，故電機體積重量的減小使一次性投資及能耗大大降低，具有很高的經濟價值。根據要求可選兩臺YZR160M1-6的電機。功率為5.5KW，額定電壓380V。4.2.2、常用輔件的選擇本變頻系統輔件由斷路器、接

54、觸器、電抗器、中間繼電器、制動電阻等組成。(1)、斷路器為避開變頻器投入時直流電路電容器的充電電流峰值，為此變頻器配置的斷路器容量應為電機額定電流的1.31.4倍，整定值為斷路器額定值的34倍。可選DZ20Y-160/3300型斷路器。(2)、接觸器接觸器在變頻器主回路中僅在變頻器輔助器件或控制回路故障時起斷開主回路的作用，一般不作回路開斷器件用，故可按電機額定電流選用接觸器容量，無須按開斷次數考核其壽命。可選CJ20-25型接觸器。(3)、中間繼電器選擇中間繼電器的主要參數有：中間繼電器的額定電壓；常開常閉觸頭數量；線圈額定電壓。因控制電路電壓為交流220V，可選用RCL114024，一開一

55、閉型中間繼電器。(4)、電抗器當變頻器直接連接于一個大容量的電源變壓器時，或電網回路中接有移相電容器，可能會在電網中產生過峰值電容，致使變頻器損壞。為此，在變頻器的輸入端加接交流電抗器，以抑制變頻器造成的高頻峰值電流，或電容器開斷造成的峰值電流對變頻器的危害。同時，電抗器的接入還可以起較低電機噪聲、改善起動轉矩、在電機輕載時改善電機功率因數的作用。電抗器容量按電機容量配置，可參見變頻器生產廠推薦的配置表，或按以下公式計算：式中：U為額定電壓，單位V; I為額定電流，單位A； f為最大頻率，單位Hz。(5)、制動單元為減小大慣性系統的減速時間，解決變頻器直流電路上的過電壓問題。常在其直流電路中加

56、接一檢測直流電壓的晶體管。一旦直流回路電壓超過一定的界限，該晶體管導通，并將過剩的電能通過與之相接的制動電阻器轉化為熱能耗。在能量消耗的同時加速了轉速的減小，該能量消耗得愈多，制動時間愈小，此裝置即為變頻器的制動單元。在變頻器上接制動電阻用來消耗電機發電制動狀態下從動能轉換來的能量。制動電阻可參加變頻器生產廠推薦的配置表。4.2.3、系統硬件電氣原理圖大車的控制電路電氣原理圖如圖附錄1所示，大車的主電路電氣原理圖如圖附錄2所示：4.3、變頻器參數設計及PLC的I/O分配4.3.1、變頻器的參數設計首先將電機銘牌數據輸入P0300P0311，大車變頻器應輸入兩個電機的總電流及總功率，并且大車變頻器帶有兩個電機時應該運行于V/f控制方式，速度變化采用固定頻率的