桥式起重机设计说明

1、 .PAGE16 / NUMPAGES161. 绪论1.1概述桥式起重机是现代工业生产和起重运输中实现实现生产过程机械化、自动化得重要工具和设备。所以桥式起重机在室外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以与物流周转等部门和场所均得到广泛的运用。桥式起重机的操纵方式一般为2种:多数为司机室的联动台操作,而小吨位起重机则可用地面手持按钮操作。但这2种操作方式都有其不足之处:操作人员易受厂房温度、粉尘、有毒气体、辐射等不良环境、不良气候因素的影响而身心疲惫降低工作效率;在起吊物品时操作人员易受视野所限需有地面操作人员配合,这既增大了安全隐患,又大大降低工作效率。所以,以增加作业安全,提高作业效率,

2、改善劳动条件与方便操作为宗旨的起重机遥控操作方式,正在受到起重机用户的重视。目前国起重机的遥控化改造主要停留在小吨位以凸轮控制器控制的起重机上,而大容量大吨位起重机的控制一般为QR1S型控制屏控制,是用主令控制器操作,较凸轮控制器而言主令控制器的闭合触点逻辑关系复杂,所以较难实现中间接口柜的设计。大部分设备经改造后很难与原有手动操作合。其原因是: 如果遥控器动作按钮太多易出现混乱、误操作和误动作,增加了操作的安全隐患;如果遥控器动作按钮过少,又无法满足多机构多挡调速的要求,所以大部分的桥式起重机的遥控化过程都是在空操线路基础上对线路的极度简化,简化的线路其电机的起动、调速、制动等过程的实际运行

3、曲线很难和原有司机室控制的运行曲线一致。所以遥控器自身设计的动作点数少和桥式起重机本身要求的多动作点需要之间的矛盾,在很大程度上限制了遥控桥式起重机的发展。以QR1S 控制柜控制下的无线遥控桥式起重机的设计为例,就国吨位起重机无线遥控电气系统进行分析, 采用PLC 的计时、记数、移位与部继电器等基本功能,通过软件编程,实现仅靠继电器难以实现的复杂的逻辑控制,将遥控器的动作点功能加以扩展,从而使地面遥控过程和司机室操纵控制保持一样的拟合性曲线。1.2 PLC控制技术的特点可编程序控制器，英文称Programmable Logical Controller，简称PLC。它是一个以微处理器为核心的数

4、字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的复杂接线、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到

5、所需的PLC后，只需按说明书的提 示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。可编程控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成（如图1所示）。 图1作为一种新型的工业自动控制装置，PLC有以下一些特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC（如图2）平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。（2）配套齐全，功能完善，适用性强。PLC可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处

6、理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。加上PLC通信能力的增强与人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易，（如图3）。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计与建造的周期大为缩短，同时

7、维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。（5）体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械部，是实现机电一体化的理想控制设备。图2 图3图2 图31.3 无线遥控技术在科学技术不断发展的今天，无线遥控技术应用已经十分广泛，大到人造卫星，小到家用电视机、空调等都使用遥控技术来进行操作，遥控技术的发展被认为是一种现代化的标志，它可以充分使人从繁杂的体力劳动中解放出来随心所欲地从远距离进行控制。无线遥控技术的发展使人们享受着科学的魅力，由于遥控技术可以减低劳动强度、提高劳动生

8、产率与提高作业的安全性等方面起着积极的作用，在工业自动化控制中无线遥控技术的应用已愈来愈被人们重视。 起重机用使用无线遥控系统具有以下几个优点：（1）节省人力对于桥式、门式起重机与汽车起重机等装卸设备，其操作挂钩可由一个人承担，操作者可直视操作，不需要指挥。对于工作效率低的起重设备，一个人可同时管理多台起重机设备。可在起重机操纵同时，完成与其关联的输送带、加料器、搬运车等其它设备控制和管理。（2）安全性遥控系统是起重机械的控制装置，如果动作有误，将发生物损、人伤的事故。因此必须保证遥控系统的百分之百的安全，具有操作者应能直接进行紧急停车和系统自动急停的安全保护。（3）提高工作效率由于操作者与地

9、面指挥由一个人承担，操作者可自行判断，进行作业，提高了作业的准确性与工作效率。（4）抗干扰性强能够不受电焊、电炉与起重机变频器等的电磁杂波干扰，能够在小围同时多台使用，互不干扰。（5）环境安全的提高在有毒气体、高温、多粉尘和危险的作业场地，可选择环境好、且安全的位置进行操作，操作者的人身安全得到保护，作业条件得到改善。（6）轻小型便于操作发射系统由操作者携带进行操作，故应体积小、重量轻、携带方便。（图4）因此，采用无线遥控方式来控制起重机, 将起重机司机从高空移至地面, 可直接与检修人员联系共同操纵起重机, 从而提高了吊装的精确性和安全性。用遥控器控制起重机的难点在于必须保证设备运行安全、可靠

10、、平稳和动作灵活准确, 避免因高温、高粉尘和强电磁干扰等工业环境因素的影响造成遥控系统控制失常和误动作。 图4 图5由此可见，自动化技术已经成为现代工业控制的主角。其中PLC和无线遥控系统技术运用于桥式起重机，改善了操作环境，提高了系统的监控、调节能力。通过软件编程,实现仅靠继电器难以实现的复杂的逻辑控制。通过现代技术的互相融合，不断创新，也为控制系统的设计提供了多样化的方案选择。1.4 课题任务与要求本次设计主要针对QR1S起升控制柜工作原理和控制功能的实际需求，基于PLC和无线遥控技术，设计一种操作便捷的自动控制系统。根据实际设计方案，完成QR1S起升控制柜工作原理的设计、硬件选型、利用软

11、件进行编程与调试运行，并借助工业控制技术实验室辅助设计条件，对方案进行现场调试，不断改进，寻求最优化的设计。2. 工作原理和控制要求2.1QR1S起升控制柜工作原理电气设备是起重机的重要组成部分。电气设备一般由3大部分构成：供配电与保护设备，各主要机构(主起升机构、副起升机构、大车运行机构和小车运行机构)的传动与控制设备；照明、信号、采暖、降温的电气设备。第2大部分是主要的电气设备，由各主要机构的电力拖动与控制与相应的安全保护装置所组成，如控制柜(屏)、电阻器、制动器的电力驱动器件、操作器件(按钮、主令控制器或凸轮控制器)。起重机对电气传动的要求有：调速、平稳或快速起制动、大车运行纠偏和电气同

12、步、吊重止摆等，首先是调速要求，且以起升机构对调速要求最高，因为起升机构经常满载起制动、换向、又要求准确停车。起重机调速绝大多数要在运行过程中进行，而且变换次数多，故机械变速一般不太适合，大多数需采用电气调速。虽然先进的变频调速技术己成功应用于起重机，但现场许多起重机仍采用转子串电阻方式调速。2.1.1主令控制器QR1S起升控制屏控制线路QR1S控制线路是起重运输机械研究所、电气传动研究所等6家单位组成的交流低调速电控设备新系列联合设计组在1992年底发布的。其主电路和控制电路的局部电路见图6。该线路的特点是：(1)不对称可逆电路(2)配用主令控制器挡位为303(3)起动电阻级数(不包括软化级

13、)分2种：被控电动机的功率为100 kW与以下时为4级；125kW与以上时为5级。第1，2级电阻系手动切除，其余均由延时继电器控制的加速接触器自动切除。(4)下降第1挡为反接制动，实现重载(半载以上)慢速下降。下降第2挡为单相制动，实现轻载(半载以下)慢速下降。下降第3挡为强力下降或再生发电制动，用于各种负载的快速下降。(5)停车时，制动器先断电，06 s后电动机再断电，以防溜钩。(6)制动方式液压推杆制动。下降时正向接触器K10、单相接触器K71、反向接触器K20切换应保持一定的时间间隔以免电弧造成相间短路，推荐时间间隔在011016 s，这是由直流缓吸缓放延时继电器K072来保证的。这样在

14、下降各挡位转换时电动机定子绕组有瞬间断电现象，但制动器不能断电抱闸以免造成下降运行的冲击和震动，直流断电延时继电器K041有这方面的作。它的另一作用是停车时防止重物溜钩，为使停车时重物能可靠停止在空中需把K041的延时整定值设为06 s。但原线路没有考虑：当工作中因故障电动机断电超过06 s，负载发生的最大坠落距离能否控制在安全围。可以计算一下，电动机断电时间超过06 s时，K041断开使制动器抱闸，不考虑制动滑行距离，从出现故障到制动器抱闸负载可能发生的最大坠落距离S：05gt =18rfl，不在安全围。图6 原主电路和控制电路（a）主电路 （b）控制电路2.1.2线路改进如图7所示，去掉继

15、电器K072，在电动机进线端并联一个交流断电延时继电器K045，其延时闭合的常闭触头分别串联在K10、K71、K20线圈回路中，延时断开的常开触头串联在K72制动线圈回路中，K045延时整定值设为02 s。下降时随着接触器K10、K71、K20切换K045线圈也断电，其延时闭合的常闭触头能确保不因切换过速造成相间短路，它能完全代替继电器K072，另外K045延时断开的常开触头能避免制动器断电抱闸造成下降运行的冲击和震动。当工作中因故障电动机断电时间超过02 s，负载发生的最大坠落距离S=05gt= 02 m，该坠落距离在多数情况下是安全的。继电器K041的主要作用是停车时防止重物溜钩。通过几个

16、大吨位起重机的改造实践证明，线路改进后，能有效预防起重机下降过程中的重物坠落事故.图7 电路的改进 （a）改进后电路 （b）改进后控制电路2.2无线遥控系统2.2.1系统的组成无线遥控系统主要由两部分组成:发射装置和接受装置。发射装置时刻检测系统可能发生的故障(如缺相) ,并发送相应的特征码;接受装置时刻接收发送装置发送的特征码,并根据特征码判断故障类型,驱动相应的执行机构。2.2.2硬件设计发射装置如图8所示,包括信号输入部分、电源部分和发射部分。三相交流电经电压互感器和整流装置被转换为12V的直流电流经光耦,其中C相电经过二极管和降压作为微处理器的工作电压,并给蓄电池涓流充电。接收装置包括

17、信号输入部分、电源部分和驱动部分,如图9所示。2.2.3软件设计按一下启动按钮ON,由于J2 的自锁功能使系统得电,单片机的P30输出高电平,继电器J1 闭合,P33输出高电平,发射器得电,使发射器EN = 1,使P10 P11 P12 P13 = 1001, P14 P15 P16 P17 = 0010,发射器把0101发射出去,然后,P33输出低电平,发射器失电,EN=0。微处理器循环检测P31和P32口的状态。由于3个光耦的输出串联在一起,当A、B、C三相中任一相出现故障即缺相时, P31变为高电平,此时,使P33输出高电平,继电器J3 闭合,发射装置得电,使发射器EN = 1, P10

18、 P11 P12 P13 = 1010, P14 P15 P16 P17 =1000,从而发射器把1010发射出去, P33、P30输出低电平,继电器J3、J1 断开,发射器和系统断电。当停止按钮OFF按下时, P33输出高电平,继电器J3 闭合,发射装置得电, P32为低电平,单片机使发射器EN = 1,使P10 P11 P12 P13 = 0101, P14 P15 P16 P17 = 0100,发射器把0101发射出去, P33、P30输出低电平,继电器J3、J1 断开,发射器和系统断电。发送软件流程图如图10所示。 图8 图9限于篇幅,接收系统中略去了电源和流程图,其原理与发送系统类似

19、,当接受器收到数据后, OV输出高电平,请求微处理器读取数据,如: P10 P11 P12 P13=1010,或P10 P11 P12 P13 = 0101时, P30输出低电平,使继电器吸合,断开A、B、C三相电,并使P14 P15 P16P17 = 1000;如P10 P11 P12 P13 = 1001时, P31输出低电平,使继电器吸合,合上A、B、C三相电,使P14P15 P16P17 = 0010。在整个系统中值班人员可根据发送装置和接受装置的指示灯情况判断故障。图102.3.1无线遥控QR1S 控制柜的PLC 设计2.3.1.1QR1S 系列遥控接口控制柜起升机构摇杆式主令遥控器

20、闭合关系见图11。由图11可知遥控器主令闭合逻辑关系简单, 仅为3图1主起升机构摇杆式主令遥控器闭合表挡4位,但QR1S 控制柜主令控制器闭合关系较复杂为3 挡11位,且上升下降线路左右不对称,将简单的遥控器小主令扩展为逻辑关系复杂的大主令设计的关键。首先利用传统的继电器控制方法,将遥控器接收输出继电器K31K34 进行不同的逻辑组合,得到K301K311 中间继电器的输出,分别对应QR1S主令闭合表111触头的闭合关系,使遥控器的4位操作指令完全等效驾驶室QR1S 控制柜的11位主令。再利用K301K311中间继电器的辅助触头代替QR1S主令控制器闭合触点即可得到在继电器控制下的遥控化QR1

21、S控制柜(图12)。可以看出在继电器控制下的遥控QR1S 控制柜的线路复杂且存在如下缺点:(1) 动态品质差, 响应速度慢,实现一个终端动作往往要求在其之前的几个中间继电器发生连续动作;(2) 同一个继电器的辅助触头被多处使用,当该继电器发生故障时导致多处线路无常工作,扩大了故障面;(3) 存在继电器控制下的共性隐患,如触头平繁动作易弧焊易烧毁、重载工况下效率低、能耗大等以上是从传统的起重机QR1S 控制柜出发,通过比较遥控器简单主令和QR1S 自身主令的复杂要求, 利用传统的继电器控制将遥控器主令动作点通过不同的逻辑组合而得到等效主令的继电器输出,进而和QR1S 控制柜接口, 得到了在继电器控制遥控操作下的QR1S 控制柜线路, 但该线路存在动作拖沓冗长、响应速度慢的弊端和传统继电器控制柜所无法克服的共性隐患。因此可利用PLC 先进功能对遥控器主令控制下的QR1S 控制柜进行PLC 逻辑化等效转换