起重机电气系统的设计

第 I 页 摘 要 起重机在现代工业生产和运输中 完成 生产 进程 自动化 和 机械化 扮演着重要的角色。起重机的自动化有助于减轻体力劳动，提高工作效率，降低工伤有着重要的实际意义。在钢铁行业、铁路运输、工矿采集、码头港口及物流周转等企业和部门中起重机都得到了广泛的运用。相比于国外的起重机设备，我国起重机设备的控制系统大部分还是采用比较传统的控制方式。本课题对传统的控制方式进行了改良，采用基于可编程控制器的方式来控制起重机主回路的运转。这种方式简化了起重机的控制系统、减少了控制系统部分占用的空间、操作维护更加简单等。 论文首先介绍了课题的研究背景，研究的目的及意义，设计方案的对比和选择，塔式起重机的结构和载荷情况等，详细计算了起重机主要的电器设备，分析了起重机的工作原理。完成课题中吊钩的上升和下降的高速和低速的要求，分析了线路过流、短路、过载等保护的工作原理。 实现可编程控制器线路的监控，采用的是电流变送器和模数转换模块的组合，将线路的交流信号转换成数字信号供可编程控制器读取与预设值进行比较，然后根据设定程序对主回路完成控制操作，详细地解释了各段的程序。为了能够实现电脑终端的监测，本课题增加了利用电脑组态王软件实现对可编 程控制器内部数据的读取。 本系统的控制核心是采用三菱的 64论文的最后主要是对起重机模拟样机设计的解释。 关键词 ： 塔式起重机； 启动 ；可编程控制器；模数转换；电动机 第 o an in to It in to of in is on so of in of in of of it a of / D to C LC to a to it of of In to of in to of is In of it is of 目录 目 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 题简介 . 1 重机的介绍 . 1 外塔式起重机的发展现状 . 1 内塔式起重机的发展现状 . 2 编程控制器在工业自动控制中的应用 . 2 题研究的目的及意义 . 2 章小结 . 2 2 起重机电气系统的方案设计 . 3 0/式 起重机 . 3 式起重机 简介 . 3 式起重机的结构和运动形式 . 4 式起重机控 制系统改造的原因分析 . 4 计任务 . 5 计要求 . 5 案设计 . 5 章小结 . 7 3 起重机电气系统的主回路的设计 . 8 重机主电路的设计 . 8 要电器设备计算及选型 . 8 相电动机的工作原理 . 8 重机的主要电器设备的选择 . 9 电动机电器控制线路的设计 . 13 重机保护系统的设计 . 14 流保护和短路保护 控制线路的设计 . 14 重机限位保护和联锁保护的设计 . 15 章小结 . 15 4 起重机电气系统控制部分的设计 . 16 编程控制器 . 16 编程控制器 . 16 程软件 简介 . 16 编程控制器程序的设计 . 16 编程控制器的选择 . 17 目录 编程控制器程序流程图 . 18 动机的正反转程 序部分的设计 . 19 数转换部分的设计 . 19 数转换模块 简介 . 19 流采集程序的设计 . 20 电动机过流和短路软件部分的设计 . 21 流变送器的简介 . 21 流保护和短路保护的设计 . 21 C 实时显示的设计 . 22 章小结 . 22 5 起重机模拟样机 . 23 验仪器及设备 . 23 拟样机电动机的选择 . 23 拟样机电动机额定电流的计算 . 23 拟样机电路各处电流值的计算及元器件的选择 . 23 拟样机运行前检查 . 24 重机外观及标注 . 24 重机电气绝缘检查 . 24 源柜检查 . 25 重机可编程控制器输入点检 查 . 25 重机可编程控制器输出点检查 . 25 试步骤 . 25 章小结 . 26 6 结论 . 27 致 谢 . 28 参考文献 . 29 附 录 . 30 第 1 页共 37 页 1 绪论 题简介 起重机在现代工业生产和运输中 完成 生产 进程 自动化 和 机械化 扮演着重要的角色。起重机的自动化有助于减轻体力劳动，提高工作效率，降低工伤有着重要的实际意义。起重机 是工业生产中必不可少的重要工具和设备。在钢铁行业、铁路运输、工矿采集、码头港口及物流周转等企业和部门中，起重机都得到了广泛的运用。 本课题主要是研究塔式起重机电气系统的设计 ， 针对传统塔式起重机的控制系统进行了改良 。 传统的控制系统采用的是以继电器的控制方式这种方式 有着诸多的缺陷，因此对这种控制系统进行了改良，采用以可编程控制器为核心的控制系统。实现了对线路电流的监测和控制，线路发生过流、过载和短路的情况下可以立即做出保护控制，接入电脑终端可以实现对主回路的各个机构的电动机进行控制和调速及各个机构电动机线路电流的实时监测。 重机 的介绍 起重机 大致可分为桥式起重机、塔式起重机、小型起重，其具体的结构特点和功能如下。 （ 1）桥式起重机，桥式起重机的结构与桥梁类似，主要装备起升机构、俯仰机构和行走运行机构，起重机可在行走运行机构所能到达的区域进行作业。市面上常见的类似起重机如：龙门起重机、梁式起重机等。 （ 2）塔式起重机是目前市面比较常见的起重机之一。主要用于高楼建设施工中对建筑设备和材料进行运输。常见的塔式起重机的工作机构主要由吊臂伸缩机构、吊塔旋转机构、吊钩升降机构和顶升机构等部分组成市面上常见的类似起重机 如 ：回转起重机、汽车起重机等。 （ 3）小型起重设备，该类起重机结构简单，易于操作和移动，适用于一些轻型物件的输送。 市面上常见的类似起重机如：滑车、电动葫芦等。 外塔式起重机的发展现状 塔式起重机起源于西欧 ， 目前国外的塔式起重机的控制系统采用均是基于可编程控制器的控制系统，控制系统更加完善，对不同的环境进行特定的优化，加入了多种安全保护机构除了限位保护机构和超载保护机构外还加入了风速保护机构和地面震动保护机构，多重保护设施来保护设备的安全运行，稳定可靠。国外的塔式起重机以中高端机型为主 ，由于国外塔式起重机加工工艺精密，稳定性高，故障率极低。 第 2 页共 37 页 内 塔式起重机的发展现状 中国 塔式起重机已经发展近五十多年时间 了。综观中国起重机的发展历程，我国的塔式起重机建设初期主要是以进口为主，近年来我国的塔式起重机大部分为自主研发产品，符合不断发展的中国国情。我国的塔式起重机从小型塔式起重机到重型塔式起重机，从低端塔式起重机到高端塔式起重机逐步形成比较完整的体系。随着我国的不断发展人口不断增多土地不断减少，高楼甚至摩天大楼已经是一个城市建设必经之路，所以塔式起重机是现代建筑施工的重要设备之一。我国的塔式起重机相对于发达国家起步较晚，但是我国的塔式起重机发展迅速，我国用近五十年的时间走完 国外发达国家上百年塔式起重机的 发展 历程 1。 编程控制器在工业自动控制中的应用 可编程控制器亦称可编程控制器 。可编程控制器是对传统继电器控制的改进，融入了微机技术。 可编程控制器充分的结合了微机处理器的优点来满足不同行业和领域的控制要求 。 将传统的继电器和时间继电器等替换为通过 可编程控制器内部软继电器的方式实施控制，减少了空间的占用和故障率。可编程控制器为操作人员设计了梯形图形式的编程，降低了操作人员的学习成本，清晰明了直观、便于上手、调试和查错。因为可编程控制器拥有体积小、稳定性高、功能强大、可以远程通讯联网等功能，所以可编程控制器在现代的工业中被广泛的使用，日益取代由大量中间继电器组成的传统继电器和接触器控制的系统。 题 研究的目的及意义 目前塔式起重机在高楼建筑中是货物装卸的重要设备。根据相关数据的统计，绝大数塔式起重机电气系统控制均是采用传统的交流接触器和继电器的 控制方式，这种传统的控制方式，系统结构复杂，控制效率低下，控制精度低，故障率高，稳定性差并且这些控制设备频繁震动对设备损耗较大。本课题主要针对目前传统的塔式起重机中的电气设备系统结构复杂，控制效率低下，控制精度低，故障率高，稳定性差等问题作出了具体的改造。改用基于可编程控制器可编程控制器的电气系统的设计，以此来提高起重机电气系统的性能。对目前起重机电气系统的设计具有重要的实践意义和参考价值。 章小结 本章是全文的开篇概述，主要介绍了本课题 的背景和应用，介绍了 塔式起重机国内外的发展现状 和可编程控制器在工业自动控制中的应用。阐明利用可编程控制器控制的优越性和对目前起重机电气系统的设计的意义。为下文的深入研究做了充分的铺垫。 第 3 页共 37 页 2 起重机电气系统的方案设计 0/式 起重机 式起重机 简介 本课题选择 式起重机， 水平臂、上回转、自升式塔式起重机，主要用于大型工业厂房、高层或超高层民用建筑及其它工程的吊装作业。独立高度 45 米，最大起升高度 152 米，特殊要求可加高至 200 米，最大工作幅度根据需要可组合为 65米、 60 米、 55米和 50米，最大起重量 10吨。 工作机构采用了各种先进技术，控制系统采用可编程控制器，起升机构采用双速绕线电机，工作平稳，定位准确，速度达 100 米 /分，吊重时从低速到高速可逐档平稳变化 。其 配备了力矩限制器、高度限制器、回转限制器、起重量限制器等安全装置。 式起重机 主要技术参数如表 2 表 2起升高度 (m) 固定式 附着式 48、 65 152 幅度 (m) 最小幅度 最大幅度 5 60 55 50 最大起重量 (t) 10 起升机构 倍率 2 4 速度 (r/100 50 30 8 50 25 15 4 起重量 (t) 5 4 3 10 10 10 功率 (55 回转机构 速度 (r/功率 (kW) 牵引机构 速度 (r/功率 (kW)0/30/(r/工作压力 (功率 (kW)5 衡重 臂架长度 (m) 65 60 55 50 重量 (t) 机自重 (t) 固定式 着式 作级别 作温度 +40 第 4 页共 37 页 式 起重机的结构和运动形式 塔式起重机的结构示意图如图 2要由 塔身 、 回转塔身、变幅机构 、 载重小车、吊钩 组成。 塔身 固定于 地面 ， 吊塔旋转机构 、 吊臂伸缩机构及吊钩升降等机构可在司机室里完成操作 。 吊钩升降各 有 2档工位，分别对应提升或下降时的低速和高速。塔式起重机结构图如图 2 图 2式起重机结构图 01 固定基础 02 固定支腿 03 附着装置 04 顶升机构 05 下支座 06 上支座 07 回转机构 08 回转塔身 09 司机室 10 变幅机构 11 载重小车 12 吊钩 13 起重臂 14 起重臂拉杆 15 塔顶 16 平衡臂拉杆 17 平衡臂 18 平衡重 19 起升机构 20 电控柜 21 塔身 式起重机控制系统改造的原因分析 某楼房建筑工地 ，配备了 1台塔式起重机，其塔式起重机是 1998 年投产使用的，起重机有起升、回旋、变幅三个机构，电气系统的控制方式采用的是传统继电器和交流接触器组合的控制方式，起升调速是采用串电阻的调速方式，配备了短路保护、过载保护和欠压保护等。此塔式起重机没有配备过流保护、风速监测保护、超载保护提醒等。施工人员经常在大风中使用或者超载使用，频频出现电动机烧坏、交流接触器烧坏。由于调速机构机构的接触器频频出现故障，因此操作人员在操作作业的时候经常要根据自己的经验对其进行控制，操作难度很大。 本课题就是针对目前传统的控制方式进行了改良 ， 采用以可编程控制为核心的控制方式 ， 起升机构采用 调速方式，降低设备的成本和维修成本。 第 5 页共 37 页 计任务 设计就是根据题目的要求对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。 硬件设计是对设计要求的分析的结果，了解元件的相关功能和性能，详细计算各元件的相关参数对元件进行合理的选择。软件设计是对可编程控制器进行编程实现课题要求，并通过调试优化产品功能。 本课题是利用以可编程控制器为核心控制 起重机电气系统的的主回路 。设计过程中有两个最关键的部分 ， 系统的硬件设计和控制软件的编写 。 （ 1） 硬件 问 题 起重机控制系统的硬件主要有 3大部分组成，即主电路和主电路控制部分以及显示部分。 主电路 部分 由电机及其相关的低压控制电器组成，由可编程控制器对低压控制电器进行控制。硬件的设计需要可编程控制器、传感器及电机的相关知识。 在解决硬件的过程中，需要了解相关的知识和查阅大量的书籍，然后集合所学的知识进行深究。 （ 2） 软件问题 软件设计主要包括对低压电器设备的控制 、 电流监测与保护 。 对低压电气设备的控制主要是 可编程控制器控制接触器的线圈来实现主电路的通断，对电流的监测与保护是通过电流变送器将交流信号等比输入到模数转换模块，模数转换模块再将模拟量转换成数字量，送入可编程控制器 与预设值比较 ，大于等于预设值则断开主电路的常闭主触头同时产生声光报警。硬件电路完成后 要编写程序 。根据电路的实际情况和故障进行 程序的多次调试。查阅书籍的相关指令和代码 ， 对较长的程序尽量简化用简单的程序去代替复杂的程序 。最后调试出满足课题所有要求的程序代码。 计要求 具体要实现的功能为 （ 1）设计起重机行走、吊塔旋转、吊臂伸缩及吊钩升降等机构电气控制系统（包括主电路及控制系统）。 （ 2） 要求吊钩升降机构有升降 2 个档工位 。吊钩提升需要有高速和低速两个档位，吊钩下降需要高速和低速两个档位。 （ 3）要求主电路有过电流保护功能，运行中当电机运行电流大于额定电流的 且持续时间达 1分钟则产生过流跳闸并产生声光报警信号。 （ 4） 要求设计主电机短路保护 并产生声光报警信号。 案设计 传统塔式起重机电气系统控制方式采用继电器和接触器组合的控制方式 ，调速方式采用 电动机转子串电阻的调速方式 ，启动方 式采用全压直接启动方式。这种电气控制系 第 6 页共 37 页 统复杂，故障率高，效率低，能耗高，操作维护难度大，稳定性差。由于传统塔式起重机有诸多的问题，针对这些问题进行了改良和设计。 本设计按下面思路展开 。 根据设计要求需要实现的基本功能，大致可分为 电动机部分 ， 电流监测部分 ， 数字显示部分 这三个部分。 （ 1）电动机启动部分 电动机的启动方式会直接对线路的电流的造成影响。三相异步电动机的启动方式有全压直接启动方式和降压启动方式两种方式。 全压直接启动方式 ， 控制线路简单 ， 但异步电动机的全压启动电流一般可达到额定电流的 6 7 倍 ，直接影响线路保护装置（当电机运行电流大于额定电流的 且持续时间达 1分钟则产生过流跳闸并产生声光报警信号。 过大的启动电流会对电动机造成损伤 ， 如电动机的使用寿命的减少 ， 电动机的启动转矩降低 ， 使变压器二次电压大幅度下降 ， 严重可导致电动机无法再次启动和运转 。 同时 ， 过大的电流还会引起电源电压的波动 ， 影响统一供电网络中其他设备的正常工作 。一般电动机容量在 10下者可以直接启动， 10课题对此不作具体说明）。 降压启动方式主要有 压启动方式、自耦补偿降压启动方式等降压启动方式。 压启动方式， 电动机的星形启动的电压和电流都是三角形启动的电压和电流的 1/3，星形启动的电流是线电流的的 1/3，三角形启动的电流等于线电流。所以星形启动电流是三角形启动电流的 1/3。 压启动适合轻载启动或者空载启动。 自耦补偿启动方式是利用自耦变压器降低到电动机定子绕组的电压，以减小起动电流。它适用于容量较大的低压电动机作减压起动用，应用比较广泛，有手动和自动控制线路。不过它的体积比较大，质量也比较大，价格比较高 2。 其他降压启动方式还有，延边三角形降压启动方式、定子串电阻降压启动方式、软启动方式，这些启动方式目前很少采用，所以本课题对此降压启动方式不再详细解释说明。 根据表 3各机构电动机功率数据，起升和回转机构采用 压启动方式，伸缩和顶升机构采用全压直接启动方式。 （ 2）电动机调速部分 串电阻调速方式 传统的调速方式采用串电阻的调速方式 ， 这种调速方式价格便宜 ， 但是 结构复杂，控制精度低， 调速范围小 ，效率低，故障高，能耗高，稳定性差，同时频繁切换会对调速机构的寿命产生损伤。 变频调速方式 第 7 页共 37 页 变频调速方式是通过变频器改变电源的频率来实现对电动机的调速 。 变频调速方式已经被广泛的运用在工业电动机的调速上 ， 这种调速方式有着 ， 结构简单 ， 稳定性高 ，调速范围宽 ， 效率高 ， 能耗低 ，但是变频器价格比较高昂。 型 调速方式 调速方式结构简单，能耗低，价格相对便宜无需增加额外设备，但是仅有两种调速范围，适用于不需要调整具体速度的塔式起重机设备上。 本课题仅需要实现调速功能即可 ， 对调速没有过多的要求 ，从能耗、效率、稳定性、价格等方面考虑， 选择 调速方式。 （ 3）电流监测部分 要求主电路有过电流保护功能，运行中当电机运行电流大于额定电流的 分钟则产生过流跳闸并产生声光报警信号。 这个有两种方案 通过电流变送器将线路电路的交流电流等比转换成直流电流信号，传输给 块送入可编程控制器与预设值进行比较。优点：电流检测精准，稳定性高，可以实时显示电流数值，操作维护方便简单，缺点：成本高。 通过电流互感器和整流电路 将线路电路的交流电流等比转换成直流电流信号，传输 给 块送入可编程控制器与预设值进行比较。优点：成本相对便宜，可以实时显示电流数值，缺点：相对电流变送器方案，操作维护复杂，稳定性差。 通过电流互感器和电流继电器对线路进行保护。优点：成本最低，操作维护相对简单，缺点：不能实时显示电流数值。 本课题采用电流变送器的方案 。 （ 4）数字显示部分 实时显示电流数值，采用数码管直接显示，成本低，便于操作和维护。 电脑终端监测，采用组态王软件数据显示，可以实现远程监控。 采用触摸屏显示，可以实现远程监控，但是目前市面上工业级触摸屏价格还比较昂贵。 本课题采用 电脑终端对线路状态进行实时显示 。 章小结 本章主要介绍了所设计的塔式起重机电气系统和本课题需要完成的课题设计要求。针对传统塔式起重机电气系统的控制方式进行了分析，详细说明传统塔式起重机电气系统存在问题。对传统塔式起重机的电气系统的改良列出了若干个方案，对每个方案进行了分析和对比，选择最为合适的设计方案。 第 8 页共 37 页 3 起重机电气系统的主回路的设计 重机主电路的设计 根据要求，主回路的电动机需要有过流、过载和短路保护的功能。要求 吊钩升降机构有升降 2个档工位 ， 分别对应提升或下降的低速和高速 。当电动机的运行电流大于额定电流的 分钟则产生过流跳闸并产生声光报警信号。要求 电机短路保护 并产生声光报警信号，同时能实时显示电流数值。起重机的主电路的接线图如图3 图 3重机的主电路的接线图 要电器设备计算及选型 相电动机的工作原理 电动机的工作原理是将电能转换成机械能的电气设备 ， 采用的是 电磁感应的工作原理。 工业生产中采用的是交流电动机 。 本课题采用的是交流电动机中的三相异步电动机 ， 第 9 页共 37 页 三相异步电动机主要由 定子和转子两部分组成。定子是固定部分，转子是旋转部分。 三相异步电动机的结构示意图 如图 3 图 3相电动机结构示意图 重机的主要电器设备的选择 （ 1）电动机的选择 电机选用的原则主要有以下几点： 需要查看电动机的最大载荷时电动机的各项参数 ， 选择符合条件的电动机以吗，满足运行中的各项要求 。 根据电动机的使用环境，选择不同的电动机，环境潮湿的电动机需要由防潮的功能，对于危险环境里就要选择安全级别较好的电动机如防爆的电动机。同时还要考虑环境相适应的冷却方式的电动机。 详细计算电动机的容量是否符合运行中的安全标准。电动机工作在 额定负载的75% ， 电动机的工作效率最高 。为了提高运行效率还需要考虑电动机的 极数及电压等级 。 选择稳定性和可靠性高的电动机同时工作人员易于设备维护。 根据厂商提供的数据和各个机构的电动机的型号和功率参数如表 3 表 3执行机构电机参数 电机型号 电机功率 功率因素 效率 起升机构 55转机构 8 伸缩机构 8 顶升机构 . 55 第 10 页共 37 页 电动机额定电流的计算 : 起升机构电动机的额定电流如公式 3 = 3= 550003803 = （ 3 过电流 的跳闸电流为额定电流的 ， 则其跳闸电流为 回转机构电动机的额定电流如公式 3 = 3= 110003803 = （ 3 过电流 的跳闸电流为额定电流的 ， 则其跳闸电流为 伸缩机构电动机的额定电流如公式 3 = 3= 11003803 = （ 3 过电流 的跳闸电流为额定电流的 ， 则其跳闸电流为 顶升机构电动机的额定电流 如公式 3 = 3= 75003803 = （ 3 过电流 的跳闸电流为额定电流的 ， 则其跳闸电流为 （ 2）自动空气开关的选择 自动空气开关的功能是为了实现