毕业设计（论文）-塔式起重机的PLC控制和变频调速系统设计.doc

目录 i i 目目 录录 第 1 章：绪论1 1.1 塔式起重机的分类与结构1 1.2 塔式起重机的工作要求2 1.3 塔式起重机国内外发展状况3 第 2 章：塔式起重机的控制系统5 2.1 塔式起重机控制系统的概述5 2.1.1 传统的控制方式.5 2.1.2 采用 plc 和变频器控制方式.5 2.2 塔式起重机控制系统的框图6 第 3 章：塔式起重机所用电机及其选择9 3.1 塔式起重机所用电机简介9 3.2 起升电机的选择9 3.2.1 恒转矩负载特性.9 3.2.2 恒转矩调速特性的控制10 3.2.3 电机功率选择10 3.3 小车电机的选择10 第 4 章：三菱 fr-a540 变频器及系统构成 13 4.1 变频器简介13 4.2 三菱 fr-a540 变频器 14 4.3 变频器外部接线图15 4.4 变频器外部设备及其选择17 第 5 章：三菱 fx2n-48mrplc 及系统构成.19 5.1 plc 相关简介 .19 5.2 三菱 fx2n-48mrplc 及系统构成.22 5.2. 1 三菱 fx2n-48mrplc22 5.2.2 plc 输入输出点数分配23 5.3 plc 接线图 .24 5.4 plc 梯形图 .25 5.4.1 控制系统的软件设计.25 5.4.2 三菱 swopc-fxgpwin-c 编程软件使用方法 26 5.4.3 控制系统的 plc 程序图.28 参考文献：32 目录 ii 致谢33 塔式起重机的 plc 控制和变频调速系统设计 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 塔式起重机的分类与结构塔式起重机的分类与结构 塔式起重机主要用于建筑及码头等场所，其外型如图 11 所示。塔式起重机类型较 多,若按工作方式分,有固定式和运行式；若按塔身结构划分有上回转式、下回转式、自身 附着式三类；若按变幅方式划分,有小车变幅式、动臂变幅式和折臂变幅式三类;若按起重 量划分,有轻型、中型与重型三类。 图 1-1 塔式起重机 1 按塔身结构分类 （1）上回转塔式起重机 上回转塔式起重机的塔身不回转,而是通过支承装置安装在塔顶上的转塔(起重臂、平 衡臂及塔帽等组成)旋转。如上图 1-1 所示为上回转塔式起重机，它有下列特点:底部轮廓 尺寸小,对建筑场地空间要求较小,不影响建筑材料堆场的使用；由于塔身不转,故回转时转 动惯量较小；而且便于改装成附着式起重机，能适用多种形式建筑物的施工需要；但塔身 主弦杆的受力特性不好。 （2）下回转塔式起重机 下回转塔式起重机都采用整体拖运、自行架设的方式。这种塔式起重机拆装易、转场 快,多属于中小型塔式起重机。 （3）自身附着式塔式起重机 随着高层和超高层建筑大量增加,上、下回转式的起重机已不能完全满足大高度吊装 工作的需要。因为这两种塔式起重机的塔身过高时,自重太大,安装架设困难,而且一次要安 装到最高塔身,给设备的利用率和司机的视野带来不利影响,所以当建筑超过 50m 时,就要采 用自身附着式塔式起重机。这种起重机的培身依附在建筑物上,随建筑物的升高而沿着层高 逐渐爬升。 江南大学学士学位论文 2 2按变幅方式分类 （1）小车变幅式 这类塔式起重机的起重臂固定在水平位置上,变幅是通过起重臂上的运行小车来实现 的,它能充分利用幅度,起重小车可以开到靠近塔身的地方,变幅迅速,而且可以带载变幅。但 由于起重臂受较大的弯矩和压缩,所以把起重臂制作得比较笨重,起重高度必须低于起重臂 固定工作高度,不能调整仰角。 （2）动臂变幅式 这类塔式起重机的吊钩滑轮组的定滑轮固定在吊臂头部,起重机变幅由改变起重臂的 仰角来实现。这种塔式起重机可以充分发挥起重高度,一般是空载变幅,吊物不能靠近塔身, 作业幅度受到限制,有效幅度为最大幅度的 70%左右。 （3）折臂变幅式 这类塔式起重机的基本特点是小车变幅式，同时吸收了动臂变幅式的某些优点。它的 吊臂由前后两段(前段吊臂永远保持水平状态,后段可以俯仰摆动)组成，也配有起重小车,构 造上与小车变幅式的吊臂、小车相同。 3 按起重重量分类 目前塔式起重机多以重量或力矩来分类。 （1）轻型 起重量为 0.33t，起重力矩400knm，一般用于五层以下的民用建筑施工中。 （2）中型 起重量为 315t，起重力矩 601200knm，一般用于工业建筑和较高层的民用建筑施 工中。 （3）重型 起重量为 2040t， 起重力矩120knm，一般用于重型工业厂房，以及高炉、化工 塔等设备的吊装工程中。 本毕业设计研究的是上回转、中型塔式起重机。1 1.2 塔式起重机的工作要求塔式起重机的工作要求 1塔式起重机对安装场地的要求： (1) 选择安装地点，应注意起重机的臂架端部活动范围与别的建筑物及建筑物外围施工 设施之间的距离不得小于 0.5m。 (2) 有架空输电线的场所，起重机的任何部位与输电线的安全距离，应符合表 12 的规 定，以避免起重机结构进入输电线的危险区。 (3) 两台起重机之间的最小架设距离，应保证处于低位的起重机的臂架端部与另一台起 重机的塔身之间至少有 2m 的距离，处于高位起重机的最低位置的活动部位(如吊钩或平衡 重)与低位起重机中处于最高位置的部什之间的垂直距离不得小于 2m。 （4）固定式塔机的地基不能太靠近边坡，基础边缘离建筑物基础开挖边缘的距离宜取 塔式起重机的 plc 控制和变频调速系统设计 3 2m 以上，以防止塔机工作时基础塌方或发生倾斜。在有开挖边缘的地方安装大型起重机， 除了按设计要求打基础外，在基础未施工前一定要在靠边缘区打桩，以确保基础下面边缘 区的承载能力防止基础受载后整体倾斜。 表 1-2 距离输电线安全距离 电压（kv） 安全距离 11-1520-4060-100220 沿垂直方向1.53.04.05.06.0 沿水平方向1.01.52.04.06.0 (5) 安装场地在放置起重臂全长的窄长范围内应平整，无杂物和障碍物，以便于平衡臂、 起重臂等部件在地面组装及吊装。 (6) 安装场地不能选在松土止或沉陷不均的地方，其承载能力要求大于 15tm2。如达 不到要求，应采取打桩或地基夯实措施。 (7) 轨道式安装的碎石基础，如果敷设在地下建筑物(如暗沟、防空洞等)的上面。必须采 取加固措施。碎石基础的基面必须按设计要求压实，碎石基础必须平整捣实。转枕之间应 填满碎石。路基两侧或中间应设排水沟，保证路基没有积水。轨道基础应由专业人员设计， 非专业人员不可随便承担有关设计任务。 2塔式起重机的整机倾翻和基础设计计算 塔式起重机安装使用中，最主要的要求是防止塔机的整机倾翻，整机倾翻的事故是最大 的事故。塔式起重机安装中首先要进行整机倾翻的验算，从而找出基础的重量或者压重的 大小。根据 gb5144 的规定和 gnt13752 塔式起重机设计规范的要求，对塔式起重机的 整机倾翻，要进行无风静载工况、有风动载工况、突然卸载工况、安装工况和暴风袭击下 的非工况进行计算，最后根据最危险的倾翻状态，来确定基础的重量或应加的压重。 1.3 塔式起重机国内外发展状况塔式起重机国内外发展状况 1我国塔式起重机的发展现状 我国从一九五四年试制出第台 tq2-6 型塔式起重机以来，已有将近 50 年的历史。 但是，正像中国经济发展的历史进程一样，前 30 年处于一种缓慢的起步阶段，真正得到 快速发展是近 20 年的事。改革开放，中国经济的发展，大量建设工程的兴建，给塔式起 重机提供了很好的需求市场。与此相适应，在 80 年代初期，我国塔式起重机有了行业组 织，有了科研计划，组织了标准编制，使产品设计开发有章可循，这也是塔式起重机近 20 年来迅速发展的重要条件之一。到现在为止，我国塔式起重机的生产厂已接近 400 家，年 产大大小小的各种塔机已将近 1 万台，年产值已超过 30 个亿，从业人员已达 10 多万人， 生产各种规格(以主参数起重力矩划分)已有 18 种之多，最大的达 900tm，最小的为 10tm。 这还不包括水利水电工程和其他特种塔机。现在，我国的建筑用塔式起重机使用已越来越 江南大学学士学位论文 4 普遍，从普通的多层民用建筑、房地产工程、高层建筑到大型的铁路工程、桥梁工程、电 力工程、水利工程等，到处都有塔机的应用。而这些工程应用中，我国自己生产的塔机已 唱了主角，基本能满足国内建筑工程的需要。而且部分产品已远销国外。近 20 年来，市 场的需求，有力地促进了技术的进步，通过研究开发、技术创新、引进消化，我们的设计 手段和配套件生产能力也有了很大的进步，计算机辅助设计、微电子技术、程控语言控制 技术都在塔机上得到了应用。当然，也不可否认，我国的塔机产品的技术性能、制作质量 和品种型号规格，与发达国家产品相比，仍然存在较大的差距，特别是基础零部件的可靠 性、电气元件、液压元什、工艺安装、生产设备和检测手段等，差距更大。这就影响了整 机产品的质量和可靠性，增加了事故隐患。 2国外塔式起重机的发展现状 塔机起源于欧洲，据记载，1900 年欧洲颁发了第一项有关建筑用塔机的专利。1905 年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，第一台原始塔机出现于 19121914 年，1923 年 制成第一台近代塔机的原型样机，1930 年德国开始批量生产塔机，并用于建筑施工。1941 年，有关塔机的第一个标准德国工业标准 din8670 公布。该标准规定以起重量(t)和起重 幅度(m)乘积的起重力矩表示塔机的起重能力。 德国厂商在起重机大型化发展进程中处于领先地位。世界市场中 150t 以上的大吨位起 重机多数是由利勃海尔和德马泰克公司提供的。利渤海尔 ltm1800 型是目前世界最大的 at 产品，起重量 800t，安装超起装置后型号变更为 ltm11000d 型，最大起重量增至 1000t.该机售价 550 万美元。1998 年推出的 ltm1500 型（起重量 500t）售价为 540 万德 国马克。上述三种机型在行驶状态需拆下吊臂等装置分别进行运输。 塔式起重机的 plc 控制和变频调速系统设计 5 第第 2 章：塔式起重机的控制系统章：塔式起重机的控制系统 2.1 塔式起重机控制系统的概述塔式起重机控制系统的概述 目前国内塔式起重机控制系统绝大多数都是使用继电器-接触器控制方式，功能差、故 障率高。用 plc 控制代替继电器-接触器的控制方式及变频调速技术已成为塔机电气控制 发展的必然趋势。 2.1.1 传统的控制方式传统的控制方式 以往塔式起重机控制系统绝大多数都是使用继电器-接触器控制方式，功能差、故障率 高。继电器硬接线控制虽然成本低，但继电器在动作时带有冲击，加上起重机是一种频繁 起停的机械设备，使得这种控制系统寿命一般较短，维护投入大；此外，这种控制系统致 命的缺点是无法进行数据运算。大型非标的塔式起重机对电气控制系统的动作精度和可靠 性以及塔机运行时的平稳性提出了更高的要求，一般继电器硬接线控制系统难以达到这样 的要求。 塔式起重机提升高度大，司机室位置较高、此操纵难度大尤其是起吊时对吊重的快速、 准确就位要求高，所以其起升机构调速性能要好。传统的调速(起升机构)方法较多，有变 极多速电机调速机构、能耗制动调速机构、涡流制动调速机构等， 这些调速机构都存着 调速范围小、速度稳定性差，无法长时间低速下降载荷(大起重量的大型塔吊、低速运行时 间都超过 20%机构总运行时间)，而且可靠性低、维护量大、能耗高。所谓多速电机就是 把定子绕组按不同接法就形成不同极数，从而获得不同的转速。在中、小型塔机中，常用 鼠笼式多速电机，这就是所谓 yztd 系列的塔机专用多速异步起重电机。鼠笼式多速电机， 型号、规格已比较多，双速的有 416、412、48 组合，三速的有 4832、4624、2422。变极调速的鼠笼电机，由于受起动电流的限制，功率在 24kw 以下比较适用。功率过高，对电网电压冲击比较大，工作不太稳定。在中等偏大型 塔机中，起重量在 8t 以上，起升速度在 100mmin 左右，24kw 电机就不够用了，如果还 用鼠笼电机变极调速就不太适用，于是就改为绕线式电机变极调速。因为绕线式电机的转 子可以串电阻，降低起动电流，提高起动力矩，减少对电网的冲击，故可以增大功率，现 在实际已用到 50kw 左右。不管是鼠笼式还是绕线式，其变极方法基本上是定子绕组采用 y 形接线法。2 2.1.2 采用采用 plc 和变频器控制方式和变频器控制方式 可编程序控制器(plc)是以微处理器为核心，综合了计算机技术、通讯技术而发展起 来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、 江南大学学士学位论文 6 易于编程、使用方便等优点。用 plc 控制代替继电器一接触器的控制已成为塔机电控发展 的必然趋势。 自 1995 年以来，国外塔式起重机已正式采用交流变频调速技术。目前，国内采用变 频调速较少，plc 使用软继电器(贮存器)来存贮和传递继电器的状态量 0 和 1 实现了继电 器动作无冲击化，plc 采用了模块化，结构简单，可靠性大大提高，维护方便；plc 使用 梯形图言，编程简单，修改方便；plc 带有 a/d 模块可以对模拟量输人进行数据处理。 plc 以其体积小、使用寿命长，性能价格比、自动化智能化水平高的特点和优势广泛应用 于现代工业控制领域。故使用变频器配合 plc 对塔式起重机进行控制，实现了对起重机的 多转速控制，控制系统更加安全、可靠。 变频调速就是利用电动机的同步转速随电机电源频率变化的特性，通过改变电动机 的供电频率进行调速的方法。利用半导体功率开关器件如晶闸管、电力晶体管等变频装 置构成变频电源对异步电动机进行调速已得到广泛采用。在第四章中可以知道，同步 转速随电源频率线性地变化，改变频率时的机械特性是一组平行的曲线，类似于直流电 机电枢调压调速特性。因此，从性能上来讲，变频调速是交流电机最理想的调速方法。 2.2 塔式起重机控制系统的框图塔式起重机控制系统的框图 塔式起重机的电路系统，由动力电路和控制电路两大部分组成，这和其它电力拖动系 统差不多。但塔机的工作环境、工作条件和需要完成的任务，决定它与别的电力拖动系统 又不一样。塔式起重机对电气系统的要求具有如下一些特点： （1）塔机作业是高空作业，危险性大，安全要求高。这就决定塔机电气系统的元件， 可靠性要高。如果故障率过高，关键时刻操作失灵的机会增加，容易发生事故。 （2）塔式起重机作业范围大，调速范围宽，高速与低速比值可以达到十几倍，这就给 交流调速提出了较高的要求。塔机电控，很大一部分精力就用在交流调速上。 （3）塔机回转机构、行走机构，都是惯性力特大的拖动机构，既要平稳起动，又不能 快速制动。它的拖动特性要软，变速要柔和，这也给电气系统提出特殊要求。 本系统将塔式起重机控制系统由继电器控制改为 plc 控制，四大机构调速均采用变频 调速.塔式起重机控制系统的系统总框图如图 2-1 所示 塔式起重机运行机构的起动时间应尽量符合实际需要，起动迅速而平稳；机构的电气 制动方式必须着重考虑.对不同的工况，可选择自由制动方式与强制制动方式.在运行机构 正常停止时，可选用自由停止方式，其停止时间可按实际生产中的运行情况设定，以尽量 满足司机操作塔式起重机的需要为主.为保证起升机构起动时具有足够大的起动转矩，可以 通过设定机械制动器的打开时间、变频器的最低运行频率、运行电流之间的关系，以满足 机构负载特性的要求.变频器内部参数的设定能保证机构具有良好的调速精度及起制动性能。 塔式起重机的 plc 控制和变频调速系统设计 7 图 2-1 塔式起重机控制系统框图 塔式起重机的起升、回转、小车行走电动机都需要独立运行，整个系统由 3 台电动机 和 3 台变频器传动，使用一台 plc 加以控制。3 江南大学学士学位论文 8 塔式起重机的 plc 控制和变频调速系统设计 9 第第 3 章：塔式起重机所用电机及其选择章：塔式起重机所用电机及其选择 3.1 塔式起重机所用电机简介塔式起重机所用电机简介 在塔机起升机构众多部件中，电机是非常重要的部件，特别是起升机构的驱动电机、 电气性和可靠性已经成为塔机性能的重要组成部分。电机是机械设备的主要执行元件，在 系统中的作用非常重要，良好的电气性能，会改善机械系统的性能，提高系统可靠性，降 低制造成本、维护保养成本。 塔机最常用的工作荷重是最大吊重的 1413，最大荷重很少应用。这就需要根据 具体情况确定其变幅速度，关键在于充分发挥变频调速器的恒转矩特性，以满足最大起重 量的要求。采用变频调速器还要充分发挥其恒功率特性，提高运行速度以提高工作效率。 选择电机时必须确定以下几个参数。 (1)基本速度 塔机最大荷重时，变幅小车在臂架上运行产生的振动较大，速度不宜过快，一般采用 低速或中速，电机在恒转矩条件下应满足这一要求。因此可把最大阻力时(其中包含风载阻 力)变幅小车运行速度定为基本速度。 (2) 最大速度 臂端所允许运行的荷重值，其工作概率最高，且运行距离最长，此时变幅小车应能达 到运行的最大速度。电机在恒功率条件下应满足这一要求，以提高工作效率。 (3) 就位速度 为了把重物平稳准确地放在预定位置，变幅机构通常要设定一个就位慢速。传统控制 中多速电机是由其最低速度确定的，绕线电机和力矩电机视重物的大小而确定，采用变频 器可以更加灵活地设定一个实用的就位速度。 3.2 起升电机的选择起升电机的选择 3.2.1 恒转矩负载特性恒转矩负载特性 起升电机的负载表现为位能性负载，属于恒转矩负载，其负载特性为t=f(n)，负载转 矩 tl与转速n无关，任何转速下总保持恒定或基本恒定。因为具有位能性负载的特性，其 起升电机通常工作在额定转速之下，故采用恒转矩控制方式。 变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。 如果需要在低速下稳速运行，应该考虑电机的散热能力，避免电机的温升过高。 江南大学学士学位论文 10 3.2.2 恒转矩调速特性的控制恒转矩调速特性的控制 恒转矩调速：在改变频率 的调速过程中保持电机的输出转矩不变。 异步电机的转速公式：n=60f1（1-s）/p （3-1） 当转差率s变化不大时，n近似正比于频率f1，可见改变电源频率就可改变异步电机的转 速。 3.2.3 电机功率选择电机功率选择 (1)已知条件：额定起重总重量f，提升速度v，起升机构机械效率，电机功率pn应按 下式计算： pn=（vf）/103 （3-2） 式中：pn电机功率，kw； f额定起重量(最小幅度时)+吊钩重量+钢丝绳重量，n；v提升速度，ms； 机械效率。 (2)已知条件： nn电机额定转速，tn最大起重力矩，电机功率应按下式计算： pn=2nntn/60103 （3-3） 3.3 小车电机的选择小车电机的选择 塔机小车变幅机构确定电机功率的阻力计算，是以最大荷重时的最大运行速度值为准 的。塔机变幅小车运行阻力f，主要有摩擦阻力fm、坡道阻力fp、起升绳阻力fq和风阻力 fw。 1各种阻力的计算 （1）摩擦阻力：fm =(q+g)w （3-4） 式中w摩擦阻力系数：q起升载荷，n ：g变幅小车自重载荷，n。 （2）坡道阻力：fp=(q+ g)i （3-5） 式中：i坡道阻力系数。 起升绳阻力：fq=qkl 式中kl为轮系综合系数 塔式起重机的 plc 控制和变频调速系统设计 11 风阻力： fw=acq=(aq+ag)cq （3-5） 式中： c 风力系数；a 迎风面积，a=aq+ag；ag 起升载荷迎风面积： aq 变幅小车迎风面积；q 风压。 综合以上分析，可以得出变幅机构运行阻力的公式： f=(q+g)(w+i)+ qkl+acq （3-6） 2电机功率的计算 为准确计算电机的功率，在阻力分析和阻力分类的基础上，把单位荷重在单位速度下 需要的功率称为荷重功率系数 pq，即当荷重 q=1t、速度 =lmmin 时所需要的电机功率。 把变幅小车在单位速度条件下需要的功率称为设备功率系数 pg，即当 v =lmmin 时 变幅小车自重载荷所需要的电机功率。 根据设备功率系数 pg 和荷重功率系数 pq，可以认为变幅机构运行时，设备消耗的功 率约等于 pgv；荷重所需的功率约等于 qpqv。 ，可以得出变幅机构所需电机功率的计算 公式: p=pgv+qpqv=(pg+qpqq)v （3-7） 以f023b塔机应用的变幅机构为例，该机构使用时最大起重量是10t，变幅小车约 1t，最大运行速度是60mmin。在起重量10t时荷重与变幅小车所需的功率比是10：1，分 析如下。运行速度60mmin时，电机功率44kw，荷重和小车克服阻力的运行功率，分 别是4.0 kw 和0.4kw。运行速度30mmin时，电机功率22kw，荷重与变幅小车所需的 功率分别是2.0 kw 和0.2kw。 从上述荷重运行的功率，可以计算出变幅机构的荷重功率系数为 pq=0.00667 kw t(mmin) 从上述小车克服阻力的功率，可以计算出变幅机构的设备功率系数为 pg=0.00667 kwt(mmin)4 江南大学学士学位论文 12 塔式起重机的 plc 控制和变频调速系统设计 13 第第 4 章：三菱章：三菱 fr-a540 变频器及系统构成变频器及系统构成 4.1 变频器简介变频器简介 变频器是把工频电源(50hz 或 60hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速 运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流 中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢 量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的 cpu 以 及一些相应的电路。 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流 型变频器；按照开关方式分类，可以分为 pam 控制变频器、pwm 控制变频器和高载频 pwm 控制变频器；按照工作原理分类，可以分为 v/f 控制变频器、转差频率控制变频器 和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变 频器、单相变频器和三相变频器等。 变频器中常用的控制方式有:非智能控制方式和智能控制方式。在交流变频器中使用的 非智能控制方式有 v/f 协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。智能控制 方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在变频器的控制中采用智 能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。 随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展，变频器的控制方式 今后将向以下几个方面发展。 (1) 数字控制变频器的实现 现在，变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算，变频器数字化将是 一个重要的发展方向，目前进行变频器数字化主要采用单片机 mcs51 或 80c196mc 等， 辅助以 sle4520 或 epld 液晶显示器等来实现更加完善的控制性能。 (2) 多种控制方式的结合 单一的控制方式有着各自的优缺点，并没有“万能”的控制方式，在有些控制场合，需 要将一些控制方式结合起来，例如将学习控制与神经网络控制相结合，自适应控制与模糊 控制相结合，直接转矩控制与神经网络控制相结合，或者称之为“混合控制”，这样取长补 短，控制效果将会更好。 (3) 远程控制的实现 计算机网络的发展，使“天涯若咫尺”，依靠计算机网络对变频器进行远程控制也是一 个发展方向。通过 rs485 接口及一些网络协议对变频器进行远程控制，这样在有些不适合 江南大学学士学位论文 14 于人类进行现场操作的场合，也可以很容易的实现控制目标。 (4) 绿色变频器 随着可持续发展战略的提出，对于环境的保护越来越受到人们的重视。变频器产生的 高次谐波对电网会带来污染，降低变频器工作时的噪声以及增强其工作的可靠性、安全性 等等这些问题，都试图通过采取合适的控制方式来解决，设计出绿色变频器。 变频器的选择要依据所带负载的类别来区分： (1) 风机、泵类，低速下负载转矩较小，通常可以选择普通功能型。 (2) 恒转矩类负载，例如挤压机；搅拌机；传送带；厂内运输电车、吊车的平移机构； 吊车的提升机构和提升机等，则有两种情况。采用普通功能型变频器的例子不少，为了实 现恒转矩调速，常采用加大电动机和变频器的容量的办法，以提高低速转矩；如果采用具 有转矩控制功能的高功能型变额器实现恒转矩负载的调速运行，则是比较理想的。因为这 种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕冲击负载，具有挖土机特性。从目前看， 这种变频器的性能价格比还是相当今人满意的。 (3) 恒转矩负载下的传动电动机，如果采用通用标准电动机，则要考虑低速下的强迫通 风冷却。新设备投产，可以考虑专为变频调速设汁的加强的绝缘等级并考虑了低速强迫通 风的电动机。 (4) 轧钢、造纸、塑料薄膜加工线这一类对动态性能要求较高的生产机械，原来多采用 直流传动方式。目前，矢量控制型变额器已经通用化，加之笼型异步电动机具有坚固耐用、 不用维护、价格便宜等一些天然的优点。对于要求高精度、快响应的生产机械，采用矢量 控制高性能的通用变额器是一种很好的方案。 由于塔式起重机的负载是恒转矩类负载，故选用通用型变频器。5 4.2 三菱三菱 fr-a540 变频器变频器 三菱 fr-a540 变频器为通用型变频器，功能多、适用于重负载。其中 fra500（l）变频器的功率范围为 0.4800kw。 其特点为： （1）采用先进磁通矢量控制方式，调速比可达 1：120（0.5-60hz） （2）可拆卸式风扇和接线端子，维护方便。 （3）柔性 pwm，实现更低噪音运行。 （4）内置 rs485 通信口，并可支持各种常用的现场。 （5）pid 等多种功能适合各种应用场合。 注： 表示适用电机容量是以使用三菱标准 4 极电机时的最大适用容量。 额定输出容量是指假定 400v 系列变频器输出电压为 440v。 过载能力是以过电流与变频器的额定电流之比的百分数(%)表示的。反复使用时， 必须等待变频器和电机降到 100%负荷时的温度以下。 最大输出电压不能大于电源电压，在电源电压以下可以任意设定最大输出电压。但 是，变频器输出侧电压的峰值为直流电压的水平。 塔式起重机的 plc 控制和变频调速系统设计 15 短时间额定 5s。 电源容量随着电源侧的阻抗(包括输入电抗器和电线)的值而变化。 1 变频器容量的计算: 连续运转时所需的变频器容量的计算式 （4-1） （4-2） 式中：pn一一负载所要求的电动机的轴输出功率； 一一电动机的效率(通常约 0.85)； cos 一一电动机的功率因数(通常约 0.75)； in电动机电流(a)，工频电源时的电流， k 电流波形的修正系数(pwm 方式取 1.051.1) pcn一变额器的额定容量(kva)； icn变频器的额定电流(a)。 以 f023b 塔机应用的变幅机构为例，在起重量 10t 时荷重与变幅小车所需的功率比 是 10：1，分析如下：运行速度 60mmin 时，电机功率 44kw，荷重和小车克服阻力的 运行功率，分别是 4.0 kw 和 0.4kw。由式（41）得控制起升电机的变频器容量为 6.59kw，控制小车电机的变频器容量为 0.659kw. 2 变频器的主电路 三菱 fr-a540 变频器的主电路如图 41 所示：主要由整流部分、逆变部分和滤波部 分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变器部分为 igbt 三相桥式逆变器，且输 出为 pwm 波形，滤波部分采用大电容作为滤波器。 图 4-1 fr-a540 主电路 cos n cn kp p ncn kii 江南大学学士学位论文 16 4.3 变频器外部接线图变频器外部接线图 本控制系统用三台变频器控制三台电机，分别控制起升电机（如图 42 所示） ，小车 行走电机（如图 43 所示） ，塔臂回转电机（如图 44 所示） 。6 图 4-2 控制起升电机变频器 图 4-3 控制小车电机变频器 图 4-4 控制塔臂回转电机变频器 为了提倡国家的环保政策，本控制系统加入了电源再生单元，当停止运行时，把多 余的电能回馈给电网，电源再生系统如图 44 所示：u，v，w 端口并入电网，p,n 两端 分别接变频器的 p(+),n()两端。 塔式起重机的 plc 控制和变频调速系统设计 17 图 4-5 电源再生单元 4.4 变频器外部设备及其选择变频器外部设备及其选择 在选定了变频器之后，下一步的工作就是根据需要选择与变频器配合工作的外部设备。 选用外部设备是为了达到下述目的： （1)保证变频器驱动系统能够正常工作； （2)提高对变频器和电动机的保护； （3)减小变频器对其他设备的影响。 变频器外部设备如图4-6所示，其中1为电源变压器t；2为电源侧断路器qv；3为电磁接 触器1km：4为高频滤波器fil；5为交流电抗器1acl和2aci；6为制动电阻r；7为变频侧 电磁接触器2km：8为工频电网切换用接触器3km。 图 4-6 变频器的外围设备 (1)电源变压器t。选用目的：如果电网电压不是变频器所需要的电压等级使用电源 变压器将高压电源变换到通用变频器所需要的电压等级。 (2)电源侧断路器qf。选用目的：用于变频器、电动机与电源的通断。在出现过流或 短路事故时能自动切断变频器电源，以防事故扩大。选择方法：如果没有工频电网切换电 路f接触器3km)考虑在变频调速系统中，电动机的起动电流可以控制在较小范围内，因 江南大学学士学位论文 18 此电源侧断路器qf的额定电流可按变频器的额定电流来选用。如果有工频电网切换电路， 当变频器停止工作时，电源直接通过t频电网切换电路给电动机供电，所以电源侧断路器 qf应按电动机的起动电流进行选择，最好选用无熔断丝断路器。 (3)电磁接触器lkm。选用目的： 电源一旦断电后能够自动将变频器与电源脱开，以 免在电网重新供电时变频器进行工作以保护设备和人身安全；在变频器内部保护功能起 作用时，通过电磁接触器lkm将变频器与电源脱开。变频器即使无电磁接触器1km也可使 用，使用时应注意如下事项：不要用电磁接触器lkm频繁地起动和停止f变频器输入电路的 开闭寿命大约为10万次)；不能用电磁接触器1km 停止变频器。选择方法：接触器选用方 法与低压断路器相同。但接触器一般不会有同时控制多台变频器的情形。 (4)高频滤波器fil。用于限制变频器因高次谐波对外界的干扰。即在交流调速控制系 统投入使用后再选购。 (5)交流电抗器1acl和2acl。1acl用于抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因 数。选用与否要视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网电压允许的波动程度而定。 2acl用于改善变频器输出电流的波形减低电动机的噪声。 (6)制动电阻r。制动电阻用于吸收电动机再生制动的再生电能。它可以缩短大惯性负 载的自由停车时间，还可以在位能负载下放时，实现再生运行。各种变频器的说明书上都 提供了该公司的外接制动电阻的规格和型号。 控制起升电机的变频器容量为 6.59kw，空气开关选用国产 dzx4-40 20a，交流接触 器选用国产 cjx4-25d ac220v，热继电器选用国产 jrs4-18321d/g 整 15.4a。控制小车 电机的变频器的容量为 0.659kw，空气开关选用施耐德 c45ad 3p 6a，交流接触用施耐德 lc1-d0610m5c-la1-dn31c，热继电器选用施耐德 lr2-d1307c。 塔式起重机的 plc 控制和变频调速系统设计 19 第第 5 章：三菱章：三菱 fx2n-48mrplc 及系统构成及系统构成 5.1 plc 相关简介相关简介 plc 是本世纪 60 年代发展起来的一种新型自动化控制装置。其特点为控制程序可变， 有很好柔性；具有高度可靠性，功能完善，适用于工业环境；易于掌握，便于维修；体积 小，省电；价格低廉。近几年来，又开发出远程 i/o,数据出理，网络化管理等功能，讯速 在工业自动化控制领域中扮演了重要的角色 1plc 的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照 逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过 气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 gm（通用汽车）公司提出取代继电气控制装 置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采 用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 programmable controller（pc） 。 个人计算机（简称 pc）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点， 可编程序控制器定名为 programmable logic controller（plc） ，现在，仍常常将 plc 简称 pc。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 plc 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。 在这时期，plc 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度 提高，plc 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 dcs 系统。 plc 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特 点。plc 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 2 plc 的结构 基本 plc 框图如图 51 所示。从结构上分，plc 分为固定式和组合式（模块式）两 种。固定式 plc 包括 cpu 板、i/o 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个 不可拆卸的整体。模块式 plc 包括 cpu 模块、i/o 模块、内存、电源模块、底板或机架， 江南大学学士学位论文 20 这些模块可以按照一定规则组合配置。7 输输入 图 5-1 plc 的基本结构框图 3cpu 的构成 cpu 是 plc 的核心，起神经中枢的作用，每套 plc 至少有一个 cpu，它按 plc 的系 统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的 状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 plc 内部电路的工作状态和编程 过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指 令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 cpu 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构 成，cpu 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 plc 不可缺少的组成单元。 cpu 的控制器控制 cpu 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由 震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算， 并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 cpu 速度和内存容量是 plc 的重要参数，它们决定着 plc 的工作速度，io 数量及软 件容量等，因此限制着控制规模。 4i/o 模块 plc 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（i/o）完成的。i/o 模块集成了 plc 的 i/o 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电 信号变换成数字信号进入 plc 系统，输出模块相反。i/o 分为开关量输入（di） ，开关量 输出（do） ，模拟量输入（ai） ，模拟量输出（ao）等模块。 开关量是指只有开和关（或 1 和 0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常 输入/ 输出 模块 编程器 中央处理单元 (cpu) 用户现场设备 框架 （带电源） 塔式起重机的 plc 控制和变频调速系统设计 21 用的 i/o 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220vac、110vac、24vdc，按隔离方式分，有继电器隔 离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20ma,0-20ma） 、电压型（0-10v,0-5v,-10- 10v）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 i/o 外，还有特殊 i/o 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 i/o 点数确定模块规格及数量，i/o 模块可多可少，但其最大数受 cpu 所能管理的 基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 5电源模块 plc 电源用于为 plc 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24v 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220vac 或 110vac） ，直流电源（常用的 为 24vac） 。 6底板或机架 大多数模块式 plc 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使 cpu 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 7plc 系统的其它设备 （1）编程设备：编程器是 plc 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用 于编程、对系统作一些设定、监控 plc 及 plc 所控制的系统的工作状况，但它不直接参 与现场控制运行。小编程器 plc 一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件） 充当编程器。 （2）人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一 体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 （3）输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如 eprom、eeprom 写入器、 条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 8plc 的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络 在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制器“的观点说 法。 plc 具有通信联网的功能，它使 plc 与 plc 之间、plc 与上位计算机以及其他智能 设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。 plc 的通信，还未实现互操作性，iec 规定了多种现场总线标准，plc 各厂家均有采 用。 对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先， 网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络 层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制 的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确 定不同层次所使用的网络标准。 江南大学学士学位论文 22 9plc 与其它控制装置相比有许多优点： （1）可靠性较高。 （2）要求空间较小。 （3）维护较容易。 （4）可重复使用。 （5）如果要求改变可重新编程。 5.2 三菱三菱 fx2n-48mrplc 及系统构成及系统构成 5.2.1 三菱三菱 fx2n-48mrplc plc 功能在这几年得到突飞猛进的发展。三菱 plc 以其高性能，低价格应合了中国 工控行业的需要，在国内得到了广泛的应用。三菱 plc 产品系列十分丰富，可以广泛的满 足不同用户的需要。fx2n 系列是三菱 plc 是 fx 家族中最先进的系列。三菱 plc 具有高 速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的 灵活性和控制能力。fx2n-48mr 可编程控制器(简称 sl2n)是 48 路 i/o 板式小型可编程控 制器(sl2n)是带有 48 路 i/o、4 路 ad、2 路 da、rs232crs485 通信接口、扩展接口的 一体化小型可编程控制器，可灵活运用在各种工业自动控制场合。具有可靠性高、抗干扰 能力强、价格低廉等特点。以下是三菱 fx2n-48mr 的结构及基本配置。 1 输入继电器 （x） plc 的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，plc 内部与输入端子连接的输入继电 器 x 是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致（按八进制输入） ，线 圈的吸合或释放只取决于 plc 外部触点的状态。内部有常开/常闭两种触点供编程时随时 使用，且使用次数不限。输入电路的时间常数一般小于 10ms。各基本单元都是八进制输 入的地址，输入为 x000 x007，x010 x017，x020 x027 。它们一般位于机器的上 端。 2 输出继电器（y） plc 的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器的线圈由程序控制，输出 继电器的外部输出主触点接到 plc 的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供 内部程序使用。输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。输出电路的时间常数是固 定的 。各基本单元都是八进制输出，输出为 y000 y007，y010y017，y020y027 。 它们一般位于机器的下端。 3 辅助继电器（m） plc 内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继电器一样，由 plc 内各软元件的触点 驱动。辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用。它的电 子常开/常闭触点使用次数不受限制。但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的 驱动必须通过输出继电器来实现。如下图 5-3 中的 m300，它只起到一个自锁的功能。在 塔式起重机的 plc 控制和变频调速系统设计 23 fx2n 中普遍途采用 m0m499，共 500 点辅助继电器，其地址号按十进制编号。辅助继 电器中还有一些特殊的辅助继电器，如掉电继电器、保持继电器等。 4 定时器（t） 在 plc 内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出 触点动作，时钟脉冲有 1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数 k 作 为设定值，也可以用数据寄存器（d）的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使用有 掉电保护功能的数据寄存器。即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会 发生误动作。 5 计数器（c） fx2n 中的 16 位增计数器，是 16 位二进制加法计数器，它是在计数信号的上升沿进 行计数，它有两个输入，一个用于复位，一个用于计数。每一个计数脉冲上升沿使原来的 数值减 1，当现时值减到零时停止计数，同时触点闭合。直到复位控制信号的上升沿输入 时，触点才断开，设定值又写入，再又进入计数状态。 6 数据寄存器 数据寄存器是计算机必不可少的元件，用于存放各种数据。fx2n 中每一个数据寄存 器都是 16bit（最高位为正、负符号位） ，也可用两个