毕业设计（论文）-门座式起重机电气控制系统中起升部分的PLC设计.doc

毕 业 设 计学生姓名： 学 号： 学 院： 电气工程学院 专 业： 自动化 题 目： 门座式起重机电气控制系统中起升部 分的PLC设计 指导教师： 评阅教师： 201 年 月 河北科技大学毕业设计成绩评定表姓 名学 号成 绩专 业题 目指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日答辩小组评语及成绩答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见 学院答辩委员会主任： 年 月 日 注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书（论文）中。毕 业 设 计 中 文 摘 要门座式起重机是港口码头数量和使用最多的、结构复杂、机构最多的、最典型的电动装卸机械。它具有较好的工作性能和独特的优越结构，通用性好，被广泛的应用于港口杂货码头。要求门座式起重机在不同的场合，用相对应的速度进行工作，它的目的在与是起重机在各种合理的速度下有效的工作，从而提高生产率并且确保安全生产。目前门座式起重机的电气控制由PLC和变频器配合来实现。交流变频调速相比其它起重机调速方案有明显的优点。首先，调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好；其次，调速范围较大，精度高；再次，起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。同时交流变频器体积小，便于安装、调试、维修简便，易于实现过程自动化。基于PLC的电气控制系统也具有可靠性高、抗干扰能力强、实时性好、安装简单、维修改造方便等优点。本论文以门座式起重机为背景，对门座式起重机起升部分的电气控制系统进行研究。主要内容包括主要供电线路设计，起升部分PLC程序的设计以及PLC与变频器的现场通讯研究。关键词 门座式起重机 PLC PROFIBUS 变频器毕 业 设 计 外 文 摘 要Title Gantry crane electrical control system design of PLC lifting mechanism AbstractThe portal crane is the number of port terminal and use the most complex structure, organization the most, the most typical electric handling machinery. It has better performance and unique superior structure, common good, is widely used in port cargo terminal. The portal crane requirements on different occasions, with the corresponding speed work, its purpose and cranes at various reasonable speed work effectively to improve productivity and ensure safety in production.Currently electric door controlled by PLC and inverter to match the implementation. AC variable speed governor and other crane program, has obvious advantages. First, the governor smoothness, and high efficiency. At low speeds, the characteristics of static clearance rate is higher, the relative stability; Secondly, greater speed range, high precision; Again, low starting current, no impact on the system and the power grid, energy-saving effect is obvious. Meanwhile, AC drives small size, easy installation, commissioning, maintenance is simple and easy to implement process automation. PLC-based electrical control system also has high reliability, strong anti-jamming capability, real-time, simple installation, easy maintenance and reconstruction and so on.In this thesis, portal cranes in the background, door pedestal crane electrical control system up part of the study. The main contents include the main power circuit design, design and on-site lifting Communications Research PLC PLC and inverter part of the program. The will be a great help for my future work .Key Words Portal crane PLC PROFIBUS Inverter目 录1 绪论 11.1 课题背景 11.2 国内外研究发展概况 31.3 本文的内容与组织结构 42 门座式起重机的基本结构 52.1 门座式起重机的基本结构概述 52.2 门座式起重机起升结构及参数 72.3 门座式起重机其他结构的介绍 102.4 门座式起重机配电系统 113 门座式起重机控制系统的硬件配置 123.1 PLC 的选型 123.2 变频调速系统 144 门座式起重机起升部分控制系统程序设计及分析 244.1 STEP 项目系统组态 244.2 起升机构程序流程图 26结论 28致谢 29参考文献 30附录 A 31 本 科 毕 业 设 计 第 38 页 共 38页1 绪论1.1 课题背景随着经济和社会的高速发展，我国的装备制造业整体实力也逐渐的发展和强大。我国近几年来更是发展迅猛，全球主要起重机制造厂商陆续进驻中国市场，世界起重机生产基地迅速向中国聚集。门座式起重机作为码头专用的机械设备进行装卸、搬运和堆码作业，它具有高效的作业能力、低成本建设费用、机动灵活、通用性强等优点1。使其广泛应用于港口船舶、建筑工地、码头矿山、石油化工、水利水电等场合用以装卸货物。随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为物料搬运重要设备的起重机在现代化生产过程中应用月历来越广，作用越来越大，对起重机的要求也越来越高，起重机正经历着一场巨大的变革2。门座起重机在现在港口装卸中十分常见，可用来装卸多种货物。并且能够根据重物类别不同而变更使用吊具。恰恰是由于门机通用性比其他起重机要强，在港口机械中的利用率也明显高于其他种类的起重机。要想保障它在日常中运行性能稳定并且大幅提升其正常运行年限，那么整个门座式起重机的电气控制系统的可靠度、控制精度和由于频繁启动给机械系统带来的冲击，也就成为港口门座式起重机最为关键的问题。重型起重机采用PLC控制具有很多好处：目前国际驰名品牌能够确保干扰小，PLC可长时间不间断运行。由于PLC的实用性，它做到了逻辑控制和顺序控制，极大程度的减少了中继的数量。它具有成本低，故障点相对于其他控制明显减少，对于连续变化的输入输出量，可自由进行模拟量和数字量的转换，通过编程实现控制程序，进一步的精确控制，从而取代了继电器。PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理3。PLC站点能够互相通信，也能连接其他智能设备，通过连接智能设备可查找故障点。变频调速相对优于其他调速方式，星-三角启动方式降压起动。启动瞬间的电流高大额定电流的4到7倍。变频器采用软启动方式，使用了变频器电机启动时电流减少到额定电流，减少了电机维修更换；控制方便，提供了多种控制方式，通过操作面板即可实时监控点及多项参数，游客根基实际需要轻松调整给定设置；变频闭环控制，不仅精度高，而且是按需出力节能效果好，“零速制动”控制最大限度降低了由于运动惯性在制动时对设备自身的冲击。利用PLC控制与变频调速控制的优势结合：可以大大提高门座式起重机电机控制的可靠性，提高了电机控制精度，缩短操作运行指令响应时间，延长了设备使用寿命，节约电能，符合目前国家提出的“节能减排”这一主题，应大力广泛推广港口设备等诸多领域4。传统门座式起重机主要选用继电器作为主要控制元件，然而又因所需继电器数量较多从而使控制体积相对较大等众多缺点。在频繁工作时硬件损耗大，并且因为出头容易产生电弧导致经常误动作。安装麻烦且变更、修理线路费时费力。到如今PLC发展到了拥有各种规模的产品。体积小、重量轻、能耗低可用于各种规模的工业控制环境。如今PLC大部分拥有强大的数据运算能力，并且拥有逻辑处理功能，应用于各种数字控制领域5。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中，加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成的各种控制系统变得非常容易6。现在国内新建大型港口门座式起重机借鉴国外控制经验，开始引进PLC与变频调速相结合控制这一技术，部分旧设备改造也在使用。大型高效起重机已渐渐具有智能控制系统。当今时代，主流技术发展成为驱动装置为智能化控制，并且具有可编程PLC逻辑控制器、故障诊断、数据管理系统和变压变频调速等功能。设备的控制精度与稳定性由于电控系统的智能化而取得大幅提升，节约能源，便于维修检查，成为提高整机技术水平和企业生产效率的良好途径。结合以上观点，作为比较普遍选用的对象，本文以其为工程背景，在智能电气控制系统设计方面进行研究工作。1.2 国内外研究发展概况如今我国生产的工程起重机吨位较小，而进口起重机的大比例为重吨位，原因是由于我国在大型起重机的研发水平较低，还处于发展进程，相对于进口起重机在性能方面还有着很大距离。国内生产的起重装置中大多数还在使用传统的控制方式，包括继电器与接触器联合控制、绕线电机转子串电阻调速方式、绕线电机等。如此传统的技术早已不能满足生产的需要。另一方面，对于整体方案设计来说，普通的运行机理，计算办法等也逐渐不能满足整个行业方面的发展要求，滞后于整个起重机行业。国内人员不注重技术方面的研究，无法大幅度高性能的改进门座式起重机，导致我国市场需要大份额引进国外技术，使得国外技术得到资金支持进而更加有利于国外技术人员进一步研究。国外技术人员进行过大量的精细研究。例如，为保证门座起重机运行的稳定性，研究将模糊逻辑控制器应用到智能门座起重机系统中以控制门座起重机的有效载荷位置和摆动角度，与传统的自动门式起重机相比具有更强的稳定性。世界许多的工程起重制造商，选用多种现代工艺技术对起重机进行系统的智能控制。将计算机控制、现场总线和通讯技术等应用于起重机的四大机构，使重型起重机功能更加强大。起重机，特别是专用大型起重机的市场不断扩大，品种也不断更新，以特有的功能满足特殊的需要，发挥出最佳的效用，例如冶金、核电、造纸、垃圾处理的专用起重机，防爆、防腐、绝缘起重机和铁路、船舶、集装箱专用起重机的功能不断增加，性能不断提高，适应性比以往更强7。随着自控、计算机还有电子技术的不断进步，用于工程恶劣条件下，可控编程控制器PLC和交流变频技术不断完善。在大型起重设备上，我国起重业也响应世界主流工艺，在技术上也渐渐选了用PLC-变频器调速等，在应用方面取得了较大范围的普及。为了增加企业生产效率，采用PLC和变频器可大幅提升技术水平。1.3 本文的内容与组织结构本文主要研究国内厂家上海振华重工的MQ4043的门座式起重机。该机械大体分成了四个机构：包括起升机构、变幅机构、旋转机构和行走机构。四大动作机构全部采用整流回馈调速控制。整机采用PLC控制。由于四大系统控制原理类似，由于起升结构复杂，起制动频繁而且冲击力大。控制精度要求高，故选取最有代表性的起升结构进行设计研究。研究内容包括：a) PLC的硬件组态和软件编程；b) 从6KV高压进线端开始的输入电路；c) 设备的现场通信。以期使门机的起升结构具有良好的调速性能，工作时无严重的冲剂和异响，震动小，运动平稳，工作可靠。2 门座式起重机的基本结构图2.1 门座式起重机2.1 门座式起重机的基本结构概述门座式起重机又叫做门机。为臂架型可沿轨道移动的起重机。门座式起重机先进的技术设备使门机具有较好的工作性能和稳定结构，从而使它成为了港口装卸任务中的主要角色。本文以型号为MQ4043门机为研究对象。该机结构是四连杆臂架系统，包括起升、变幅、旋转和行走四大机构。货物在变幅过程中做水平移动，平衡系统采用杠杆系统，是变幅平稳，并降低了变幅所需的功率。四大机构全部采用整流回馈装置调速控制，整机采用PLC控制，使整个机构具有良好地调速性能，工作室无严重的冲击和异响，震动小，运动平稳，工作可靠8。四大机构结构如下：a) 行走机构为非工作性机构。除了改变泊位还有防风状况下移动较长距离，其他状况下只运动较近距离。行走机构包括四组台车。每组台车独立安在门架端梁的四个支撑下部。各组台车分别安装行走轮8只，四个驱动轮在前，其余四个在后9。变频电动机连接开始齿轮传动带转动，从而使驱动轮带动门机移动。减速机使门机减速移动及停止移动。门机四个行走腿上分布着四个声光报警器，当运行电机启动时，开始发出闪光和声响。橡胶缓冲器作为缓冲起重机与起重机，起重机与外界相撞时产生的震动，安装在运行轨道外侧。在台车边缘两座门机相对的位置装有限位开关，避免两辆门机相对运动时相撞。在每个车轮外侧安装了能够打扫运行前方障碍物作用的清扫装置，保证了门机在行走时产生振动甚至脱轨。支撑架、平衡梁、驱动台车、从动台车组成了8轮行走台车。平衡梁为箱型结构，它承受起重机的自重和外载荷，并连接着主动台车和从动台车。铰接孔为销轴式结构。固定门机机构设在了车架中间。b) 起升机构为2套独立的卷扬机构。卷扬装置通过钢丝绳起吊重物，变频电机带动联轴节以及硬齿面减速器转动，制动器对装置进行减速制动。每套装置相互工作互不干扰。c) 旋转机构由驱动电机、回转支承以及脚踏液压制动器组成。减速器采用的是振华减速机、TXC48.115-00，速比为100.71。旋转机构有两套相同的传动装置。每套装置由立式电机、二级立式行星减速器、极限力矩联轴器和外啮和齿轮、回转支撑传动装置组成。在使用过程中要定期检查减速器的润滑油，并按要求定期进行更换。制动器采用型号为YWK11-500的液压脚踏液压制动器，为常开式制动器，可由操作者自由操作制动力矩的大小，使旋转制动平稳无冲击10。制动器上的手轮是供长期制动使用。旋转支撑使用的是洛阳轴承有限公司产品，旋转支撑是用来支撑门机旋转部分重量和承担旋转部分倾覆力矩，同时也是门机旋转机构的一个传动部件，在使用过程中要定期对旋转支承进行润滑。制动手轮上装有电气连锁行程开关。开关会在手轮旋紧时自动断开电源，导致旋转机构不能继续工作。d) 变幅机构的驱动装置由变频电机、液压制动器、减速器和齿条导向装置等部分组成。齿条导向既可以导向，又能够让齿条和小齿轮啮合。变幅机构的减速器采用的是硬齿面减速器，速比为141，在使用过程中要定期检查减速器的润滑油，并按要求定期更换。制动器采用的是电动液力推杆制动器，为保证制动器正常工作，应该一直使变压器油保持为够用状态。通过测量制动的力矩、制动行程和制动间隙，保证制动器一直保持良好状态，避免故障发生影响生产甚至产生事故。制动装置动作灵活，安全可靠。变幅机构的齿条齿轮是一对开式传动，变幅机架上有调整齿轮齿条啮合间隙的偏心轮。使用过程中由于磨损原因，啮合间隙可能会发生变化，可调整偏心轮是装置恢复正常。2.2 门座式起重机起升结构及参数2.2.1 起升机构组成657823411-电动机 2-联轴器 3-制动器 4-减速器 5-卷筒 6-导向滑轮 7-滑轮组 8-吊钩组图2.2 起升结构传动图驱动装置、保护装置、传动装置、卷绕系统和取物装置组成了门机的起升部分。驱动装置：是指用来起升货物的原动机，在此处驱动的原动机选择的是电动机。驱动装置通常设计为两组相同的起升绞车，用于抓斗作业时，在开闭斗过程中，一组作开闭用，一组作支持用。传动装置：连接电动机和钢丝绳卷筒，原动机转速低、转矩小，不能够带动卷筒转动。但是传动装置能把原动机的动力转成转速高，转矩大的动力。其任务是传递转矩和速度。卷绕系统：钢丝绳在卷绕系统中的功能是将货物垂直升降的位移转换成卷筒旋转运动的传递动力。借助卷绕系统钢丝绳对导向轮或卷筒的作用力，可设测力装置，实现称量及超载保护等功能。取物装置：取物机构包括抓斗和吊钩组等特殊功用的器件，港口使用此种取物机构的原因大多是由于其构造简单并且使用易上手，材质轻还能够安全的完成作业，能迅速的悬挂或卸下物料导致效率明显高于其他装置。保护装置：机械或电气方面的故障能使电动机处于不正常状态，包括在运行时过载、过温、相位缺失、短路，影响电动机的使用寿命甚至在短时间内烧毁电机，所以对电动机采取有效的保护措施是一个重要的问题。必须安装相应的保护装置，而且要设置限位和连锁保护。2.2.2 起升结构的任务a) 可将机构所能达到的空间中运行货物，实现货物的搬运；b) 机构能够以各种不同的速度起升和下降重物；c) 在起升过程中要保证货物能随时停止，达到操作指令要求；d) 在起升过程中机构到达减速区即使手柄全速也能够自动减速，以保护机构正常运转；e) 在起升过程中机构到达终点限位时无论手柄在何位置都能停止运行。2.2.3 起升机构的工作原理起升部分的工作原理是，变频电机经过联轴节带动齿轮减速器，齿轮减速器低速轴又带动绕有钢丝绳的卷筒11。通过控制变频电机的正反转，使卷筒上钢丝绳的缠绕的运动变成钢丝绳的上下运动，从而使货物的上升和下降；当电源断电是，通过电力液压控制器制动，取物装置和重物停止运动。在上转柱上方安装有载荷传感器。起升钢丝绳绳通过运动产生拉力传递到传感器，最终显示在仪表中。起升负荷打到额定值的90%时，超负荷装置以声音报警，达到105%时，则保护装置起作用，并断开起升线路，货物只能下降不能上升，其他机构不允许动作。凡因超载引起的停机，须要先将手柄回零，再推向下降位置，卸载至恢复正常工作。2.2.4 MQ4043门机起升系统参数下面涉及到的参数均以曹妃甸港MQ4043型号门座式起重机为例：(1) 最大起重量：（抓斗）40t （吊钩）60T起重量：通过设备能承受货物重量的大小来定义的起重能力，称为起重量，单位为吨，它是设备的重要参数，一般根据设备的额定值来定义设备的起重量。根据采用不同的取物装置，定义的设备起重量有所不用，对于吊钩等较轻的取物装置来说起重量指的是货物的和重量，如果是采用抓斗等较重的取物装置来说，起重量就是指取物装置和货物两者一共的重量，当起重臂的幅度是最小时起重能力最大成为最大起重量。2.起升高度：只货物能被起升和下降的最大距离。轨道面上面（吊钩）距离为35m （抓斗）距离为23m3.起升工作速度：上升： 0-40t 60m/min 40-60t 40m/min下降：20t 70m/min工作幅度：起重量40t 幅度33m 起重量40t 幅度43m2.2.5 MQ4043门机起升系统元件本机构减速器采用的是德国SEW传动机械公司生产的硬齿面减速机，减速机型号是FH295.101.G1A-00，传动比为60，出轴形式124。在使用过程中定期检查减速机润滑油，定期进行更换。起升机构的电动机号为YZP2-355L-4，功率为280kw，由大连天元厂生产。制动器：起升机构高速轴采用YP21-ED80-60-630x30-IB.IIB电动液力推杆制动器，应保证有足够的变压器油。制动器应该经常进行制动力矩，制动行程和间隙的调整。更换或进行重要检修后，需要试吊最大额定起重量40吨的货物离地五分钟，已验证制动器的可靠性。钢丝绳：起升钢丝绳为6x29Fi-Iwrc-38-1770，共四根，每根长度为150米，钢丝绳的一头采用铝合金压制绳头，保证钢丝绳润滑良好并经常检查钢丝绳两端的固定螺栓是否禁锢可靠，更换钢丝绳时，需要注意钢丝绳的旋向，左旋的卷筒穿右旋的钢丝绳，右旋的卷筒穿左旋的钢丝绳。2.3 门座式起重机其他机构的介绍a) 门架门架是由钢板焊接成钢构件，由圆筒体、横梁、端梁组成。圆筒体与旋转支承通过螺栓连接。门架支承着门机的旋转部分重量和所有外载荷，并通过与之相连的行走机构，将所有外载荷传递给轨道。门架上设有上下通行的梯子平台。在门架的横梁内安装有高压电气房，在海测的端梁上安装有电缆卷筒。b) 转盘与机器房转盘为钢板焊接成箱型主梁的框架结构，前右侧伸出司机室支撑梁，后部箱体为固定配重。机器房内布置有起升机构、旋转机构，而上转柱的两片板梁之间布置有电气房，电气房内安装有冷暖空调，保证电气房处于恒温状态。机器房前后门采用塑钢推拉门，窗户为塑钢窗，其板壁采用带有隔热层的复合材料。c) 操作室操作室内设有司机座椅以及副驾驶座，联动操作平台、操作踏板，照明开关箱，电话以及仪表显示等。操作室由方钢管骨架组成，四壁用装饰板和铝合金嵌条镶牢，中间有五十毫米厚的泡沫塑料隔热层。操作室为全封闭式，有制冷热的空调机，司机座椅的高低、前后可调。d) 臂架系统臂架系统是四连杆结构，并有平衡系统，用来作为货物和臂架及平衡系统的重心在变幅过程中做水平移动。起重臂、象鼻梁、大拉杆、小拉杆均为铰连接。各铰点均装有滚动轴承。臂架系统中有梯子平台，通往臂架的各铰点处和滑轮位置设置在使维修人员方便进行日常检查和维修工作的地方，维修人员必须经常检查结构件绞点处焊接和母材情况，如开焊、开裂或局部失稳必须及时进行维修。e) 电缆卷筒、高压电源通过电缆和安装在海测门架端梁上的卷筒进入高压开关柜。高压开关柜位于高压电气房，再通过高压变压器进行变压。电缆卷筒收纳高压电缆，防止电缆缠绕或漏电导致门机不能正常运行甚至发生事故。f) 集中润滑系统门座式起重机除了变幅齿轮箱、减速箱、大车行走部分和起升机构卷筒承座以外，其余润滑包括三部分：旋转机构及以上部分、旋转立式行星减速器。整机采用电动集中润滑系统，臂架系统以及回转大轴承系统分别润滑，设有独立润滑泵。2.4门座式起重机配电系统门座式起重机的供电系统可分为三部分：a）驱动电源：6000V高压电源通过电缆卷筒到门机内部，经高压变压器变成400V电压，变压器前端有真空开关。变压后的电源向门机各个机构供电。b）控制电源：直流24伏，由主电源通过三相整流变压器变成直流电源或由蓄电池两路电源供电，用于各个控制回路的供电。在保证主电源失电的情况下，控制回路能继续运做。c）照明电源：由主电源通过电箱变压器输出AC220V照明电源，用于起重机的日常的照明和电气的使用门座式起重机的配电图如图2.3所示，6000V交流电压由变电所输入到门座式起重机下方，经由高压电缆卷盘输入到门机底座处高压开关柜，在高压开关柜后变成400V交流电压。再经整流逆变最终变成605A的电流供起升支持电机使用。1-高压电缆卷盘 2-高压开关柜 3-起升支持电机M3M3M3M3M3M3M3123图2.3 配电系统单线图3 门座式起重机控制系统的硬件配置3.1 PLC的选型PLC为可编程控制器，英文全称Programmable Logic Device，专门为工业控制应用而设计的，由初单一的逻辑控制发展经数十年发展成为集逻辑控制、运动控制、过程控制于一体或突出某一重点的综合性控制系统。PLC选型的基本原则：在满足生产或控制工艺的条件下，保证系统的可靠运行、维护方便以及最好的性价比。3.1.1 PLC工作原理在PLC运行过程中CPU根据设定的扫描速度对数据进行采样，采样后输入到CPU并经过它的处理后传输到用户程序，根据输入数据制定控制执行程序，制定完成后通过输出模块传输出来就完成一个扫描执行过程，在整个运行中CPU要不断重复此项工作来保证控制程序正常工作。a) 输入采样输入采样时通过编程控制器读入需要采集的信号和数据状态，在采集过程中要制定采集位号循环扫描时间，将收集到的数据信号传输到相应的单元内。数据采集之后将转到执行程序和刷新程序，在运算到后两个程序的过程中，对于存储的采集数据会一直保持不变即在此过程中输入信号中发生了改变这就要求采集的信号状态足够平稳能保证在每个扫描周期内都能正确采集信号。b) 程序执行在此阶段要严格按照程序要求的命令进行执行，一般按照常规的要求是按照从上到下从左到右的顺序进行扫描程序，对扫描的结果在内部按照运算程序进行计算，对于在运行过程中更改的程序只能到下个运行周期才回执行新的命令。c) 输出刷新数据扫描处理之后就要通过输出部分传输兵刷新指令，在这个阶段的主要任务就是CPU把存储区内的数据和信号全部刷新并存入输出锁存器然后通过输出模块连接并驱动相应的外部设备执行指令。PLC基本构架如图：图表3.1 PLC基本构架3.1.2 PLC的基本功能a) 运算PLC的运算功能包括逻辑运算功能、计数功能和计时功能，根据编程器的复杂程度不同和使用要求不同，功能的逐渐增加可以是实现数据移位、数据比较、数据传输和代数运算功能，对于更复杂的设备还有例如PID算法的高级算法功能。根据编程器和外围设备要实现连接的要求，已经实现了各个编程器之间的通讯功能以及编程器和下位机之间可以通讯并实现控制调试的功能。在实际应用中一般要根据实际设备和控制程序的要求来选取实用的功能，一般只需要基本的逻辑运算以及计数和计时的功能就可以满足需要，只有根据实现选用合适的功能才能达到最优化设计，做到省时省力。b) 控制由于实际使用条件可以选择控制功能，它基本可以实现前馈补偿和比值运算以及PID等控制运算方法。一般可编程控制器通过智能输入输出单元来实现控制可以使存储空间有效利用并提高处理的速度，对于模拟量电路的控制可选择采用单回路也可以选择多回路来控制，通常使用顺序逻辑控制功能。c) 通信大中型PLC系统必须能够连接大部分现场总线以及标准通讯协议（如TCP/IP）。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络，也要与工厂管理网（TCP/IP）相连接。可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常同DCS接口等；大中型可编程逻辑控制器通讯总线（含接口设备和电缆）应1:1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。可编程逻辑控制器系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%12。可编程逻辑控制器系统的通讯网络主要形式有下列几种：1）PC为主站，数台同型号PLC为从站，构成简易PLC网络；2）1台PLC作为通信的主站，其他同型号PLC为从站，从而构成主从式可编程逻辑控制器网络；3）可编程逻辑控制器通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）专用可编程逻辑控制器网络（各厂商的专用可编程逻辑控制器通信网络）。为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线）通信处理器。d) 编程功能根据是否能实时编辑把编辑器分为在线编程和离线编程，离线编程是指在编程时不能对设备进行操作，只能在编程结束后才能控制设备，原因是只有一个CPU控制编程或是操作。另一种操作方式称为在线编辑，在线编辑通过两个CPU来实现，一个CPU用来控制现场操作并能和编程器进行通讯交换数据，另一个CPU用来支持编程器的编程。根据需要不同选择不同的设备来达到有效配置。编程可以通过不同的语言来实现，分为图形化语言和文本语言等。一般图形语言有顺序功能图和梯形图以及功能模块图三种，文本语言有语句表和结构文本，根据实际需要选择不一样的语言按照其标准编辑可以达到更好的效果。e) 诊断功能根据编程器的构成方式可分为硬件和软件诊断，硬件诊断是根据编程器的结构特点进行检查判断的，而软件诊断则是根据程序软件的特性进行判断并确定故障，可以通过系统自身错误检验进行测试或者通过CPU和其他部件之间的通讯进行故障监测，确定故障并排除。经以上分析及生产需要，选用西门子PLC、模块式结构，选择CPU模块的具体型号为CPU317-2DP/PN，该型号CPU可完全满足门座式起重机的运行及生产需要。3.2 变频调速系统3.2.1 变频调速原理根据电机学理论，在三相交变电流通过三相交流异步电动机定子绕组后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场的转速即为电动机的同步转速n，如式 式（3.1）式中-同步转速，单位：r/min; -电源频率，单位：Hz； -磁极对数。而转子绕组切割旋转磁场产生感应电动势与感应电流，在旋转磁场作用下，转子受电磁力矩作用随着旋转磁场旋转，转子的转速如式所示，转子转速即为电动机转速。 式（3.2）式中-转子转速，单位：r/min -转差率。由式3.2可得出变极调速、变转差率调速、变频调速三种对三相交流电动机进行调速的方法，这三种方法分别通过改变三相交流电动机的极对数，转差率、电源频率实现。按照能量变化的方式，变频器可分为“交-交”，“交-直-交”。“交-交”变频器把固定频率的交流电转换成频率连续可调的交流电，它相对其他变频器的长处是交换频率高，不足之处为连续可以调节的频率范围缩小，通常小于额定频率的二分之一，所以通常将它装配在巨型慢速拖动系统里。交-直-交变频器先将交流电转换成直流电，然后将直流电转换成频率可变的交流电。交流电源A/D交流直流直流变频器直流交流VVVF电动机图3.2 交-直-交变频器的原理框图上图3.2为交-直-交变频器的原理框图。交频调速的特点是：调速范围广且持续；容易实现正反正的切换，具有通用的外部端子方便构成自动控制系统；电动机可在线运行，运行电流小、转矩大，电源波动对电网和设备的损害小，能装配在频繁起制动装置中；有利于以后的维护修理。3.2.2 变频器工作原理通过采用变频器对大功率电机进行调速控制非常实用，变频调速是比较理想的调速方式，提高了生产率、避免了大牛拉小车，改善产品性能，提高设备自动化程度，通过变频器调节由于变频器内滤波电容的作用，增大了电网的有功功率，节省了能量的消耗，而且控制简便、对于电动机组的运行和维护提供了方便。由于变频调速电流变化曲线平滑，对设备冲击力小，延长了设备使用寿命，保证了码头日常作业的可靠性。变频器是将工频电源转换成任意频率、任意电压交流电源的一种电气设备，变频器的使用主要是调整电机的功率、实现电机的变速运行。变频器的组成主要包括控制电路和主电路两个部分，其中主电路还包括整流器和逆变器等部件13。工作原理：通过控制电路来控制主电路，主电路中的整流器将交流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波，逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压的交流电，部分变频器还会在电路内加入CPU等部件，来进行必要的转矩运算14。变频器的出现因为交流电机要实现无极调速。而晶闸管等器件的产生，电气技术有了翻天覆地的进步。变频器调速技术同时获得了大幅度提高，特别是脉宽调制变压变频调速技术更是让变频器登上了新的台阶。变频器的种类繁多，按照变频器的使用环境不同可以用作通用变频器、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；按照变频器工作原理分类可分为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。3.2.3 SINAMICS S120介绍西门子SINAMICS S120变频器系列控制模式多样。包括矢量、伺服、V/f等。本论文选用可反馈矢量控制模式来运行起升电机。闭环控制的速度反馈采用增量式旋转编码器。这样系统能够保证其拥有最低限度的调速硬度以及精良的低频转矩。这样即便变频器的工作频率为0，起升电机也能输出足够大的转矩，防止了起升机构在低频、满负载时无法带动负载。SINAMICS S120集矢量控制与伺服控制与一身，可分为DC-AC和AC-AC两种类型。所谓DC-AC，是指控制单元、整流、逆变都为独立模块。目前DC-AC类型功率范围从0.9kw到1200kw，AC-AC模块有控制单元和功率模块组成，功率范围从0.12kw到250kw。本文所用到的是DC-AC类型。在本文所用到的驱动器之中，中心控制单元为CU320模块。控制单元的firmware存储在其CF卡内。在日常工作中，维修人员可以通过CF卡里的软件对整个变频器进行固件升级。当前最新的版本号为V2.6.2。DC-AC S120的系统组成如图3.3所示：图3.3 DC-AC S120的系统组成一个带拓展性能卡的CU320可以驱动6个伺服轴或者3个矢量轴，8个V/F轴。但矢量与伺服不能混合。目前，西门子又推出性能更高的控制单元CU320-2，分为DP和PN两种类型，其运算能力更强，可以带6个矢量轴，12个V/F轴15。S120的典型控制网络回路如3.4所示：图3.4 S120典型控制回路通过典型控制回路能够得出S120 DC-AC驱动系统的组成。整个系统由控制单元CU320、整流模块（ALM 、BLM、SLM）、电动机模块（其中包括单轴与双轴）、23V直流电源电源、端子模块及其它选件板、进线电抗器与滤波器、电机、编码器接受模块、DRIVE-CLIQ连接电缆、动力电缆、上位监控或控制系统构成。其中CU320作为中心控制单元可以控制驱动器的启停及其他控制方式，并可以作为西门子PLC的从站接受PLC控制。CU320本身带有PROFIBUS接口，在扩展槽上插入CBE20后可以进行PROFINET通信。整流模块有ALM、BLM、SLM三种。ALM模块是智能型整流模块，BLM模块只具有单纯的整流功能，SLM模块为带有回馈功能的整流模块。这三种模块各不相同，通过对不同模块的选用来完成不同的任务。电机模块可选单轴和双轴。电机有三种：不带编码器的电机，不带编码器的电机只能进行作业，不能通讯以及存储信息。带有标准编码器的电机，带有标准编码器的电机能够进行数据转换以及存储。带Drive-CLIQ接口的电机。Drive-CLIQ，是一种全新的传动接口。它允许变频器各机构以及电机和编码器之间可以快速可靠地通讯。通过Drive-CLIQ可将控制单元（CU320）与功率单元（Power Unit），传动与外部选件链接在一起。不带编码器的电机只能通过电源线与驱动器链接；带有Drive-CLIQ接口的电机可以通过Drive-CLIQ电缆与驱动器链接；带有标准编码器的电机则可以通过编码器转换模块SMC30与驱动器进行Drive-CLIQ通信。图3.5为整个门座式起重机电气控制系统的现场通信图。由图可知，在现场通信的PROFIBUS-DP主从网络中，CPU317-2DP/PN作为总站，控制着PROFIBUS DP总线上的六个从站。主站的PN接口与人机交互界面进行NET通讯。作为从站的CU320模块则通过DRIVE-CLIQ接口与整流器和逆变器进行通信。逆变器则由SIEMENS的传感器SMC30与带有编码器的电机进行通信。PS307CPU317-2DP/ PN2DPNETDIDIDIDIDODOPS307ET200MDIDIDIDIDOPODET200MDIDIDIDIET200MPS307DIDIDOET200MDIDIDIDO力矩限制器CU320SLM整流器变幅驱动器SMC 30CU320起升支持驱动器SMC 30起升开闭驱动器SMC 30旋转驱动器1旋转驱动器2SMC 30SMC 30DP通讯DRIVE-CLIQ通讯NET通讯图3.5 现场通信图3.2.4 变频调速系统图对于一般用途的变频调速采用Vf=C控制方式就可以满足要求；而对于负载变化范围大，并且要求运转精度较高的场合，尤其是低速时要求有稳定的速度和稳定的负载能力时，应选用矢量控制的方式进行调速16。起升机构负载变化范围大，对速度和负载能力的稳定性要求高，因而起升机构采用闭环矢量控制的方式进行调速。控制方式采用端子进行控制，变频器通过模拟量输入端子接收PLC的模拟量输出完成对输出电压频率的调节，电机的正反转及停止信号通过变频器的数字量输入端口给定17。起升结构支持部分主要包括一台电机、两台制动器、风机和一套变频系统。整个电路通过上位机工业触摸屏和下位机的 PLC 控制。可编程逻辑控制器有很多输入输出的开关量信号。输入有限位、操作、故障等。输出有接触器、指示灯和到变频器的控制信号。PLC 通过ROFIBUS 总线将控制信号发送给变频器，并接受变频器的反馈数据。门座式起重机起升支持机构由刀开关QA0控制整个机构的通断电；合闸按钮SB2和主接触器QA4控制变频系统的通断电；风机以及两个制动器通过CU320控制启停；起升支持机构的上升和下降以及速度的控制是通过调速手柄来实现，手柄有8个相对应的频率输出，而电动机的正反转、停止和调速控制由 PLC 通过 PROFIBUS 总线发送的控制指令来控制；限位开关BG0、BG2分别为支持机构上减速限位和下减速限位，用来输入支持绳索即将到达终点，起到减速并且保护作用；限位开关BG1、BG3分别为支持机构上终点限位和下终点限位，用来输入绳索已经达到终点，起到停止运行并保护的作用。图中其它元件有起短路保护作用的熔断器 FA，一旦发生短路事故，熔丝马上熔断，电动机同时通知运转；起过载保护作用的热继电器BB1、BB2、BB3，当过载时，他的热元件发热，将动断触点断开，使接触器断电，风机、制动器1、制动器2立即断电。热继电器有一种是有可以安装在两相机构之中的，也就是有两个热元件，它们各自串接在任意两相中。这样不