10T塔吊电气控制系统设计(论文加+DWG图纸).pdf

1 摘摘 要要 随着改革开放的不断发展 现代化建设进入了一个全新阶段 塔式起重机需求量不断增多 50 年代初 我国塔机由仿制开始起步 20 世纪 60 年代 由于高层 超高层建筑的发展 广泛 使用了内部爬升式和外部附着式塔式起重机 并在工作机构中采用了比较先进的技术 如直流 电机调速 可控硅调速 涡流制动器 在回转和运行机构中安装液力偶合器等 在此时期 中 国开始进入了自行设计与制造塔式起重机的阶段 本文是以满足塔式起重机的各个动作而设计的电气控制系统 从塔式起重机的变幅动作 回转动作 起降动作和各个动作中的变速入手 根据继电 接触控制器原理和三相异步电机的 变速原理设计的电气控制电路 与加入 PLC 控制器的控制系统相比只由继电 接触控制器组成的电气控制系统比加入 PLC 控制器的控制系统抗干扰性强 但是对塔式起重机的钢铁结构冲击较大适合用于小型塔式起重 机 此次毕业设计题目为塔式起重机电气控制系统设计 主要包括起升机构的控制 三速变化 的设计 回转机构的绕线电机变速设计 小车变幅双速电机的控制设计 电器元件的选型 控 制柜安装布置图 电气接线图的设计等 关键词关键词 塔式起重机 变幅 起升 回转 2 Abstract As the ceaseless development of reforming and opening modernization has entered a new stage demand increased for tower crane At the beginning of 50 time our country started by imitation of tower crane Nineteen sixties due to high buildings development extensive use of internal climbing type and external attached tower crane and in the working mechanism adopts a more advanced technology such as the speed of the DC motor the silicon controlled speed eddy current brake in a rotary and a running mechanism installed in hydrodynamic coupling During this period China began to enter its own design and manufacture of tower crane s stage This paper is to meet the needs of each action and design of tower crane electrical control system From the tower crane luffing motion rotary motion and action and each action in the transmission of relay contact control according to the principle of three phase asynchronous motor and transmission principle of electrical control circuit design With the accession to the PLC controller of the control system of relay contact compared to only by the controller of the electrical control system than the accession to the PLC controller control system anti interference is strong but the impact of large tower crane steel structure suitable for small tower crane The graduation design for the tower crane electrical control system design including the lifting mechanism control three speed change rotary mechanism design the motor winding gear design trolley double speed motor control design electrical components selection control cabinet arranged diagram wiring diagram design Key Words Tower crane luffing hoisting slewing 3 目录目录 摘 要 1 Abstract 2 目录 3 第一章 绪论 5 1 1 塔式起重机设计概述 5 1 2 塔机的发展 5 1 3 传统的塔式起重机的控制现状 5 1 4 起升机构的工作原理 6 第二章 塔机总体方案设计 7 2 1 设计要求 7 2 2 设计任务 7 2 3 塔机基本结构图 7 第三章 塔式起重机机构设计及其选择 9 3 1 起重机冶金用电动机 9 3 2 电动机的选择方法 9 3 3 起升机构 10 3 3 1 起升机构电动机的选择 10 3 3 2 起升机构制动器的选择 16 3 3 3 起升机构减速器的选择 16 3 4 变幅机构 16 3 4 1 变幅机构电动机的选择 16 3 4 2 变幅机构制动器的选择 18 3 4 3 变幅机构减速器的选择 18 3 5 旋转机构 18 3 5 1 旋转机构电动机的选择 18 3 5 2 旋转机构减速器的选择 20 第四章 PLC 的选择与课题介绍 21 4 1 PLC 的控制原理 21 4 2 用 PLC 控制塔机的优越性 21 4 3 塔机的电气控制设计内容 22 4 4 PLC 的选型 22 4 5 塔式起重机 PLC 控制系统原理 25 第五章 塔式起重机电气控制的硬件设计 26 5 1 塔机电动机控制电路设计 26 5 2 PLC 的输入输出接线设计 27 4 5 3 流程图 28 第六章 塔式起重机控制的软件设计 29 6 1 进退机构工作设计 29 6 2 左 右行机构工作设计 31 6 3 起升机构工作设计 33 6 5 回转机构 35 6 5 声光指示控制设计 37 6 6 限位保护闭锁及复位操作设计 37 总 结 38 参考文献 39 致 谢 40 5 第一章第一章 绪论绪论 1 1 塔式起塔式起重机设计概述重机设计概述 近年来 随着我国经济建设的高速增长 基本建设规模不断扩大 特别是高层建筑施工的 不断增多 塔式起重机的应用愈来愈广泛 并已成为建筑施工中的一种主要水平运输和垂直运 输机械 此次毕业设计的题目为塔式起重机电气控制系统设计 主要内容包括塔机的回转机构设计 塔机的小车牵引系统设计 塔机的起升机构设计 完成所有图纸的绘制 其中包括电气控制原 理图 施工图 电器元件接线图等 1 2 塔机的发展塔机的发展 塔式起重机简称塔机 亦称塔吊 起源于西欧 20 世纪末 20 余年国外塔机技术发展的主 要特点是 1 组合塔机 Combination crane 或称模块塔机 Modular tower crane 得到迅速发展 2 一些超重型塔机相继问世 3 适应都市改建需要的城市塔机 City Crane 应运而生并得到发展 4 安装架设速度快 450 900kN m 级塔机借助液压伸缩臂汽车起重机作为安装辅机 在 4 6 小时内可以安装完毕 5 采用较完善的调速 操控系统和电子仪表 进入 20 世纪 90 年代以后 我国塔机行业随着全国范围建筑任务的增加进入了一个新的全 盛时期 年产量连年猛增 全国塔机总拥有量截至 2000 年约为 6 万台 塔机出口业务始于 1988 年曾一度极为兴旺 据统计 1993 1997 年出口共创汇近 8400 万美圆 至此 无论从生产规模 应用范围和塔机总量等角度来衡量 我国均堪称世界首号塔机大国 塔机的学名为塔式回转起重机 属于一种非连续性搬运机械 1 3 传统的塔式起重机的控制现状传统的塔式起重机的控制现状 塔式起重机是我们建筑机械的关键设备在建筑施工中起着重要作用 我们只用了五十时间 走完了国外发达国家上百年塔机发展的路程 如今已达到发达国家水平并跻身于当代国际市场 随着高层建筑发展 对施工机械提出了新的要求 于是 160TM 附着式 45TM 内爬式 120TM 自升式等都由我国自己设计并制造 八十年代 国家建设突飞猛进 建筑用最大的 250TM 塔机 也应运而生 进人九十年代 现代化进程不断加快 国内外市场对塔机要求越来越高 众多城市 大型建筑 水利 电力 桥梁等不断增加 市场的要求加快了新产品发的力度 先后有 400TM900TM 水平臂和 300TM 动臂式塔机 叩年代开发生产的塔机产品技术性能均显著提高 起升机构采用三速电机驱动 涡流制动 电动换挡减速箱 变幅回转采用双速电机液力联轴节 驱动 或采用变频调速 有多种速度 工作平稳生产效率高 安全装置齐全 动作灵敏可靠 装 有防止误操作和野蛮操作装置 可杜绝安全事故 随着 功 率 电子技术的发展 早在六十年代 后期 国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究目前 该技术己进入了成熟稳定 的发展应用阶段 可编程序控制器 P 砚引人到交流电气传动系统后 使传动系统性能发生了质的 变化 在塔式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断 检侧显示等 达到了新的技术高度 由 变 频 器 构成的交流调速系统可取代直流调速系统 是随着计算机技术特别是大规模集成电路 制造技术的不断发展的必然结果 符合起重机的发展趋势 适合发展大起重重量的起重机 6 1 4 起升机构的工作原理起升机构的工作原理 起升采用全程磁通矢量电流控制 速度变频调速线路 使起升机构在上升 下降时可获得 稳定的速度 其调速比一般大于 10 动力电源通过开关和继电设备进入变频器 在变频器内由 整流单元整流 将交流电变成直流电 经过逆变单元将直流电变为交流电 逆变单元的输出频 率全程可控 电动机可获得不同频率的交流电源 当电动机的转速超过同步转速 变频器的频率 值 时 电动机进入回馈状态 其电能返回变频器 变频器制动单元自动将这些能量释放在制动 电阻器上 使电动机获得制动转矩 装置具有过压 过流 超速 缺相等保护功能 抓斗采用电动液压系统 液压泵由 l 台电动机驱动 当主控开关上电后 在 PLC 指令控制 下 开动作接触器闭合 电动机正向转动抓斗打开 闭动作接触器闭合 电动机反向转动抓斗 闭合 抓斗开闭由触摸屏和主令控制器控制 采用主令控制器控制 控制器的挡位为 1 0 一 l 2 个方向对称 7 第二章第二章 塔机总体方案设计塔机总体方案设计 2 1 设计要求设计要求 最大载重 10t 最高速度 30m min 最小 最大工作幅度 4m 70m 2 2 设计任务设计任务 1 完成塔吊电气控制系统总体方案设计 2 重要零部件的设计 校核计算 3 绘制总装图 零部件图纸 折合 A0 图纸不少于 2 5 张 2 3 塔机基本结构图塔机基本结构图 图 2 1 塔机基本机构 1 1 固定基础 2 固定支腿 3 附着装置 8 图 2 2 塔机基本结构 2 4 顶升机构 5 下支座 6 上支座 7 回转机构 8 回转塔身 9 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 9 第三章第三章 塔式起重机机构设计及其选择塔式起重机机构设计及其选择 3 1 起重机冶金用电动机起重机冶金用电动机 起重机的工作特点是 反复短时运行 频繁的起动和逆转 频繁的电气和机械制动 经常 地过负荷 显著的机械震动和冲击 工作环境多灰尘 有的还有金属粉尘 环境温度范围大 40 度 70 度 等等 尤其是冶金用电动机的工作条件更为恶劣 为了满足起重机的工作要求 起重及冶金用电动机与一般工业用电动机相比 有它自己的 特点 1 这种电动机一般按反复短时工作制制造 不同的接电持续率下电动机的功率不同 基准 的接电持续率由 JC25 和 JC40 两种 此外还派生有带强迫通风电动机 其基准接电持续率为 JC100 用于接电持续率较高的场合 2 这种电动机的最初起动转矩倍数和最大转矩倍数大 以适应频繁的重负载下起动 制动 和逆转 满足减少起动时间和经常过载的要求 3 这种电动机的转子转动惯量 2 GD较小 转子长度与直径的比 L D 较大 以得到较小 的加速时间和较小的起动损耗 4 这种电动机允许的最大安全转速超过额定转速的倍数较高 5 其防护型式为封闭型 并且在机械机构上适当加强 考虑了使用于多灰尘场合 电动机 的密封性较好 6 为了适应高温工作环境 还制造工作环境温度 60 度的电动机 3 2 电动机电动机的选择方法的选择方法 电动机的选择应满足生产机械的要求 如速度 加速度 起动 过载能力和调速等 也应 能满足电网的要求和使用环境条件的要求 并按技术经济合理的原则进行选择 选定的电动机 应对其起动能力 过载能力 温升等方面进行校验 1 电动机类型选择 起重机上使用的电动机有交流和直流两大类型 根据之前选择的电气传动方案 在这选用 交流电动机 交流异步电动机又分为鼠笼型和绕线型两种 绕线型电动机是起重机使用最广泛的一种电 动机 也是本次设计所选用的电动机类型 2 电动机电压的选择 交流起重及冶金用电动机的功率在 250 千瓦以下 一般都选用 380 伏电动机 3 电动机转速的选择 在减速器速比允许的情况下 应尽量选用转速较高的电动机 这样 同功率的电动机重量 可以轻一些 尤其是对无底脚的端盖有凸缘的安装方式 更要求电动机重量轻 但是高速电动 机的起动损耗比较大 当每小时起动次数较多时 应考虑选用高速电动机是否合理 4 电动机安装型式的选择 起重机用电动机最常用的安装型式是机座带底脚卧式安装 带一端轴伸或两端轴伸 但为 了合理布置机构 缩小安装尺寸 有时也要求机座无底脚的端盖有凸缘的卧式或立式的安装型 式 10 3 3 起升机构起升机构 3 3 1 起升机构电动机的选择起升机构电动机的选择 1 电动机静功率计算 千瓦 起 静 0 6120 Q v N 3 1 起 Q 10 吨 v 30 米 分 起升机构采用封闭式齿轮传动式 取85 0 0 则单位 每吨 静功率约为 2 0No千瓦v 3 2 所以 经过计算得 千瓦 静 8 82 N 千瓦 千瓦6 2 0No v 对于抓斗起重机 满载抓斗由起升绳与开闭绳共同提升 由于司机操作有差异 起升绳与 开闭绳受力可能不很均匀 但因不均匀受力时间很短暂 其不均匀性也不大 故起升与开闭机 构之电动机功率仍按总功率的 50 初选 对于装卸散粒用的大型高生产率装卸桥或门座起重机 在实际使用中往往抓斗一卸空便提 升 抓斗仍处于张开状态 此时开闭绳松弛 空抓斗有可能仅有起升绳所提升 而且一般采用 直流电动机驱动 空抓斗的上升速度很高 几乎较满载抓斗高一倍 因此 要核算空抓斗高速 提升的功率 并与满载常速提升的功率相比较 取其大值 当抓斗在水中进行作业或抓取粘性 浸湿的物料时 因抽空而产生的吸附现象将使机构阻 力增大 根据经验 此时应计及 25 30 的吸附加载作用 为了满足电动机起动时间与不过热要求 对起升机构 可按下式初选相应于机构 JC 值的 电动机功率 千瓦 静电N KNJC 3 3 表 3 1 起升机构按静功率初选电动机的系数 电 K值 查表 3 1 得 电 K 0 7 0 8 所以 238 28 8 0N千瓦 千瓦 静电 KNJC 11 大多数起重机的工作循环周期小于 10 分钟 而起升机构每次运行时间往往在 1 2 分钟内 在这种工况下使用的起升机构电动机 在求出静功率侯 可按重复短时工作制 JC 40 选择 电动机型号 表 3 2 所选电动机型号与参数 基准工作制 S3 6 次 h 负载持续率 JC 40 型号 定 功 率 kW 定子 电流 A 转子 电流 A 最大转矩 额定转矩 空载 电流 A 转速 r min 效率 率 因 数 81250 MYZR 30 63 4 68 8 2 8 31 4 720 87 0 8 2 起动时间和起动平均加速度验算 起升机构电动机的起动力矩主要用来克服载荷静力矩以及由高速轴上转动件的质量引起的 惯性力矩 375 975 0 1 22 0 2 米公斤 联电 起 静惯静平起 GDGDk n n vQ t MMMM 3 4 由 3 4 式得到起动时间 375 975 0 MM 1 22 0 2 秒 联电 起 静平起 起 GDGDk n n vQ t 3 5 式中 起 Q 起升载荷重量 千克 v 物品上升速度 米 秒 n 电动机转速 转 分 2 电 GD 电动机转子飞轮矩 2 米千克 2 联 GD 电动机轴上带制动轮联轴器的飞轮矩 2 米千克 k 计及其他传动件飞轮矩影响的系数 换算到电动机轴上时可取 k 1 1 1 2 平起 M 电动机平均起动力矩 米千克 其值见表 3 3 12 表 3 3 电动机的平均起动力矩 平起 M 电动机型式 平起 M 三相交流绕线式 1 5 1 8 额 M 三相交流鼠笼式 0 7 0 8 max M电 并激直流电动机 1 7 1 8 额 M 串激直流电动机 1 8 2 0 额 M 复激直流电动机 1 8 1 9 额 M 复激直流电动机 1 8 1 9 额 M 注 1 额 M 电动机额定力矩 额 M 975 n N 米千克 N 电动机额定功率 千 瓦 n 电动机额定转速 转 分 2 max M电 电动机实际最大力矩 max M电 0 7 0 8 额 M 式中 为电动机最 大力矩倍数 由表 3 3 得 平起 M 1 6 额 M 1 6x975 720 30 40 625 米千克 经计算得 起 t 1 3 秒 对于中 小起重量的起重机 起动时间应该短一些 对于大起重量的起重机 起动时间可 以稍长 速度高时 也可长一些 但起动时间也不能太长 可按表 3 4 提供的数值来核算 表 3 4 起升机构起动时间 起重机起升机构工作特性 起 t 秒 安装用起重机 v10 30 米 分 1 1 5 大起重量桥式与龙门起重机 v30 60 米 分 1 1 5 港口用门座起重机 v 30 80 米 分 2 2 5 本次设计的起重机 是属于中 小起重机 根据表 3 4 起 t应在 1 1 5 秒 范围内 可 以看到 起 t 1 3 秒 在这个范围内 但是起动时间也不能太短 以免造成过大冲击 通常由起动平均加速度来核算 13 秒 米 起 平 2 t v a 3 6 经计算得 平 a 0 38 秒 米 2 起重机供安装用或吊运液态物料时 要求运行平稳 其加速度要小些 起重机用在高生产 率场合并对平稳性无严格要求时 其加速度可以大些 平均加速度值见表 3 5 如将起升机构的平均加速度控制在表列数值内 则起动时间一般是可以满足要求的 表 3 5 起升机构平均加速度 起重机用途 平 a 秒 米 2 作精密安装用 0 1 吊运液态物料 0 1 一般加工车间 仓库及堆场用吊钩 电磁及抓斗起重机 0 2 港口用吊钩门座起重机 0 4 0 6 港口用抓斗门座起重机 0 5 0 7 冶金工厂中生产率高的起重机 0 6 0 8 港口用吊钩龙门起重机 0 6 0 8 港口用装卸桥 0 8 1 2 根据上表 3 5 的 平 a 0 38 秒 米 2 在一般抓斗起重机要求的范围之内的 所以起动加 速度是合适的 综上所述 起动时间和起动平均加速度验算合格 3 电动机发热验算 电动机工作中因温升而发热 过高的温升会使绕组的绝缘材料老化 故需要对按静功率初 选的电动机作发热验算 以控制电动机的温升在容许范围内 电动机发热验算的常用方法是 找出一个不变的等效负载 它与实际变化的负载在使电动 机发热上等效 如所选电动机的热容量大于由这个等效负载产生的热容量 电动机就不会过热 平均损耗法式验算电动机容量较精确的方法 但不便于实用 在这 我采用 综合系数法 载荷变化系数与起动特性系数法 1 热平衡方程式 制制 稳 静 起 静起起工电 tN tt NtNtN 22 0 0222 2 N QQ Q 2 3 7 式中 电 N 电动机容许功率 电 N 40 40 K N 起 N 电动机起动功率 制 N 电动机制动功率 采用机械制动时 制 N 0 静 N 满载时的静功率 28 8 千瓦 14 2 换算成 JC 40 额定值时的功率 由 3 7 式 经转化后得 静静起 NNKN 404040 Q 3 8 式中 Q 载荷变化系数 Q 2 QQ Q 1 2 0 0 起 起动特性系数 起 工起平起 工起 ttK1 tt21 22 K 系数 与电动机配合何种电阻器有关 目前起重机用电阻器由 JC 25 和 JC 40 两种 根据配用的电阻器型号 K 值分别近似的取为 25 K25 JC 和 40 K40 JC 平起 电动机平均起动力矩倍数 平起 1 5 1 8 计算时可取 平起 1 7 起 t 起动时间 工 t 机构开动一次的工作时间 平均值按v Ht 平工 算 平 H 0 2 0 4 H 为平均 起升高度 H 额定起升高度 v 额定起升速度 0 Q 取物装置重量 Q 物品重量 比值 工起 tt由计算得出 也可按表 3 6 中的经验值取用 15 表 3 6 机构 工起 tt的经验值 机构名称 起重机用途及特点 工起 tt 起升 通用起重机 电磁 抓斗起重机 装卸桥 安装用起重机 0 05 0 1 0 1 0 15 0 1 0 15 0 2 0 25 运行 运行距离长的起重机 吊钩 电磁及抓斗起重机 安装用起重机 装卸桥大车 装卸桥小车 0 1 0 1 0 2 0 2 0 3 0 2 0 3 0 3 0 4 变幅 安装用起重机 装卸用起重机 0 1 0 2 0 2 0 3 旋转 安装用起重机 装卸用起重机 0 1 0 2 0 2 0 3 在这里 根据实际情况所设计的是抓斗起重机 所以 工起 tt 0 1 0 15 对于抓斗起重机 取 5 0 00 QQQ 其 K Q 值见表 3 7 表 3 7 K Q 值 配用 JC 25 电阻器时 配用 JC 40 电阻器时 机构的 JC 值 起重机名称 15 25 40 40 60 抓斗起重机 0 75 0 92 3 8 式中的 40 40 K 起 Q值见图 3 1 图 3 1 值 所以按 3 8 式计算得到 40 N 0 8 28 8 23 04 千瓦 30 千瓦 符合电动机不过热条件 16 所以 电动机不会过热 表 3 8 所选用的电动机参数 基准工作制 S3 6 次 h 负载持续率 JC 40 型号 定 功 率 kW 定子 电流 A 转子 电流 A 额定转矩 最大转矩 空载 电流 A 转速 r min 效率 功率 因数 81250 MYZR 30 63 4 68 8 2 8 31 4 720 87 0 80 3 3 2 起升机构制动器的选择起升机构制动器的选择 1 制动力矩及制动安全系数 起升机构制动器之制动力矩需满足下面条件 制静制制 MK M 3 9 式中 制 K为制动安全系数 在这里 制 K 1 5 制 K为满载时制动轴上的静力矩 经计算 制 M 630N m 2 制动器型号 所选制动器的型号为 YWZ300 45 3 3 3 起升机构减速器的选择起升机构减速器的选择 根据起升机构的计算载荷及传动比 从标准减速器系列中选取 因为传动比为 20 49 所以所选的减速器型号为 ZQ65 15 75 42 3 4 变幅机构变幅机构 3 4 1 变幅机构电动机的选择变幅机构电动机的选择 1 电动机功率计算 按第一类载荷确定驱动功率 齿条或螺杆的均方根 等效 轴向力为 i ii t t 2 S S均方 千克 3 10 式中 i S 取齿条轴向力组合之大者 17 i t 每一变幅位置间隔所需要的时间 可由齿条行程 Y 及移动速度 V 算出 V Yi i 1 i Y t 秒 于是变幅功率为 102 VS N 均方 均方 千瓦 3 11 式中 V 齿条移动速度 米 秒 变幅驱动机构效率 经计算得 均方 N 9 8 千瓦 接电持续率为 JC 40 查手册选用变幅电动机型号为8L180 YZR 2 电动机过载能力验算 由计算可选出电动机在 JC 40 时的额定功率 N 11kw 及转速 n 700r min 则额定力矩 额 M 975N n 米千克 15 32 米千克 电动机平均起动力矩 采用电阻分级起动 额平起 M 81 51M 22 98 27 58 米千克 电动机过载力矩 实际最大力矩 额电 M 80 0 7M max 26 81 30 64 米千克 3 起动时间验算 375 E60 MM 1 22 0 秒 联电 静平起 起 GDGDk n n t 3 12 经计算得 起 t 3 4 秒 据手册 港口装卸用门座起重机 1 秒 起 t 4 秒 我所选的电动 机起动时间在这个范围之内 所以满足要求 选用的电动机的具体参数如下表 3 9 18 表 3 9 所选用的变幅电动机参数 基准工作制 S3 6 次 h 负载持续率 JC 40 型号 定 功 率 kW 定子 电流 A 子 电 流 A 额定转矩 最大转矩 空载 电流 A 转速 r min 效率 功率 因数 8L180 YZR 11 26 8 44 2 72 14 8 700 81 0 77 3 4 2 变幅机构制动器的选择变幅机构制动器的选择 这里是平衡变幅机构 由于超载对于制动轴上静力矩影响较小 故可用较小的安全系数 1 工作状态时 25 1 M M IImax 制 制工 K 3 13 2 非工作状态时 1 15 M M III 制 制非 K 3 14 式中 制 M为制动器的制动力矩 i M Im IImax 齿 rS axI 千克米 i M III 齿非r S 千克米 根据计算选择型号为 YWZ300 45 3 4 3 变幅机构减速器的选择变幅机构减速器的选择 变幅机构的减速器一般都是采用标准系列型号 因为速比为 40 所以在这里采用涡轮减速 器 型号是 CWU200 40 II 3 5 旋转机构旋转机构 3 5 1 旋旋转机构电动机的选择转机构电动机的选择 1 电动机功率 所需要的电动机功率为 19 n 975 MMM N 风等效倾等效摩 千瓦 3 15 止止摩 tgr GR M k r 米千克 3 16 式中 G 包括物品重量在内的起重机旋转部分的重量 千克 R 支承轨道的平均半径 米 r 滚子的半径 米 k 滚子在轨道上的滚动摩擦系数 米 止 滚子止推轴承中的摩擦系数 止 r 滚子止推轴承的平均半径 米 圆锥形滚子对其轴线的斜角 度 经计算得 N 6 3 千瓦 初选电动机的型号为 YZR160L 8 2 起动时间验算 电动机的起动时间按等加速起动计算 1 M 375 M maxmax 2 2 22 1 秒 风倾静平起 联电 起 i MM i GD GDGDkn t 3 17 经计算得 起 t7 8 秒 符合手册中的时间要求范围 所以可取 查手册的所选用的旋转电动机的具体参数如下表 3 10 表 3 10 所选用的旋转电动机参数 基准工作制 S3 6 次 h 负载持续率 JC 40 型号 定 功 率 kW 定子 电流 A 转子 电流 A 额定转矩 最大转矩 空载 电流 A 转速 r min 效 率 功 率 因数 8L160 YZR 7 5 20 3 23 2 73 12 7 705 78 5 0 72 20 3 5 2 旋转机构减速器的选择旋转机构减速器的选择 旋转机构的减速器采用标准系列的减速器 根据旋转机构驱动装置的传动型式 表 3 11 旋转机构减速系统 类型 三角带传动 一级减速 速比 i1 290 216 类型 蜗轮减速器 WHC210 40 二级减速 速比 i2 40 类型 开式齿轮传动 减 速 系 统 三级减速 速比 i3 143 18 21 第四章第四章 PLC 的选择与课题介绍的选择与课题介绍 4 1 PLC 的控制原理的控制原理 可编程控制器是一种工业控制计算机 其核心就是一台计算机 但由于有接口器件及监控 软件的包围 因此 其外形不像计算机 操作使用方法 编程语言甚至工作原理都与计算机有 所不同 另一方面 作为继电控制盘的替代物 由于其核心为计算机芯片 因此与继电器控制 逻辑的工作原理也有很大区别 可编程控制器的工作过程如下 a 输入处理 程序执行前 可变成控制器的全部输入端子的通 断状态读入输入映像寄存器 在程序执行 中 即使输入状态变化 输入映像寄存器的内容也不变 直到下一扫描周期的输入处理阶段才 读入这变化 另外 输入触点从通 ON 断 OFF 或从断 OFF 通 ON 变化到处于 确定状态止 输入滤波器还有一响应延迟时间 约 10ms b 程序处理 对应用户程序存储器所存的指令 从输入映像寄存器和其他软元件的映像寄存器中将有关 软元件的通 断状态读出 从 0 步开始顺序运算 每次结果都写入有关的映像寄存器 因此 各软元件 X 除外 的映像寄存器的内容随着程序的执行在不断变化 输出继电器的内部触点的动作由输出映像寄存器的内容决定 c 输出处理 全部指令执行完毕 将输出 Y 的映像寄存器的通 断状态向输出锁存寄存器传送 成为可 编程控制器的实际输出 可编程控制器内的外部输出触点对输出软元件的动作有一个响应时间 即要有一个延迟才动作 4 2 用用 PLC 控制塔机的优越性控制塔机的优越性 可编程控制器原理及应用 为电气控制 机电一体化专业的重要专业基础课之一 它所 涵盖的知识面相当广泛 对学生的要求比较高 不仅要具备良好的编程知识 而且还应具备其 它相关专业领域内的知识 并具有主动探索知识的能力 可编程控制器是继单片机 STD 总线 后微机控制技术应用的又一里程碑 由于极高的可靠性及应用极为方便 国内外正在迅速普及 应用 并提高发展 它早已突破纯粹开关量控制的局限而进入到过程控制 位置控制 通信网 络 图形工作站等领域 成为机电控制及过程控制不可缺少的核心控制部分 微机技术已经并 继续在改变世界 以微机技术为基础的可编程控制器也正在改变着工厂自动控制的面貌 近 20 年来随着科学技术的迅猛发展 可编程控制器以其可靠性极高 能经受恶劣环境的考验使用极 方便的巨大优越性 迅速占领工业自控领域 成为工业自动控制的首选产品 与机器人 CAD CAM 并称为工业生产自动化的三大支柱 起重机是一种循环 间歇运动的机械 主要用于物料的装卸 在工业生产 建筑及物流系 统中是不可缺少的设备 有着广泛的用途 塔式起重机是起重机的一种 适用于冶金 水泥 化工 及其他企业的仓库和车间 在室内或露天的固定空间 从事矿石 石灰石 矿粉 焦渣 焦碳 煤 矿等散粒物料的搬运工作 由于该类型设备笨重 运输安装困难 对其他产品质量 的检测一般要在现场进行 由于对塔式起重机的检测需要在现场进行 就要求检测控制设备要接线方便 便于携带 工作可靠 控制灵活 PLC 可以满足这些要求 22 4 3 塔机的电气控制设计内容塔机的电气控制设计内容 我主要设计起重机的 PLC 控制系统 主要完成电气控制部分 起重机控制应具有灵活的控 制方式 合理的运行方式 塔机工作机构分为 5 种 起升机构 变幅机构 小车牵引机构 回转机构和大车走行机构 动臂式塔机设臂架变幅机构 兼有架设和变幅两种功能 起升机构 变幅机构及小车牵引机构 在构造上极为相似 均由电动机 联轴器 制动器 减速器和卷筒等部件组成 4 4 PLC 的选型的选型 CPM1A 系列 PLC 是欧姆龙公司生产的小型整体式可编程序控制器 其结构紧凑 功能性强 CPM1A 系列 PLC 属于高性能小型机 它包括多种类型的主机 I O 扩展单元 实现模拟量 输入 输出的特殊功能单元以及实现对外通信的通信单元等 CPM1A 系列 PLC 主机类型见表 表 4 1 PLC 主机类型 主机类型 型号 输出方式 使用电源 I O 扩展 外部中断 CPM1A 10CDR A 继电器 AC100 200V CPM1A 10CDR D 继电器 CPM1A 10CDT D 晶体管 NPN 10 点 I O 型 输入 6 点 输出 4 点 CPM1A 10CDT1 D 晶体管 PNP DC24V 最多 2 点 CPM1A 20CDR A 继电器 AC100 200V CPM1A 20CDR D 继电器 CPM1A 20CDT D 晶体管 NPN 20 点 I O 型 输入 12 点 输出 8 点 CPM1A 20CDT1 D 晶体管 NPN DC24V 最多 4 点 表 4 1 续 主机类型 型号 输出方式 使用电源 I O 扩展 外部中断 CPM1A 30CDR A 继电器 AC100 200V CPM1A 30CDR D 继电器 CPM1A 30CDR D 晶体管 NPN 30 点 I O 型 输入 18 点 输出 12 点 CPM1A 30CDR D 晶体管 PNP DC24V CPM1A 40CDR A 继电器 AC100 20V CPM1A 40CDR D 继电器 CPM1A 40CDT D 晶体管 NPN 40 点 I O 型 输入 24 点 输出 16 点 CPM1A 40CDT1 D 晶体管 PNP DC24V 最大可 以连接 3 台 20 点 的输入 输出扩 展 I O 单 元 最多 4 点 CPM1A 系列 PLC 为防止因输入信号抖动以及外部干涉而造成的误动作 对输入信号配备了 可选择输入时间常数 1ms 2ms 4ms 8ms 16ms 32ms 64ms 128ms 的输入滤波器 实现了平稳 的输入 输出 在 CPM1A 系列 PLC 主机的的面板上 除了正常的运行显示外 还包括两个可预置数据的模 拟量设定电位器及连接外部设备和编辑器的外设端口 用户可以通过 RS 232C 或 RS 422 通信适 配器连接其他 PLC 或上位计算机构成网络 CPM1A 系列 PLC 具有丰富的指令系统 其常用指令有 17 条 其他应用指令有 76 条 除了 基本逻辑指令 定时器 计数器指令 移位寄存器指令外 还有算术运算指令 逻辑运算指令 数据传送指令 数据比较指令 数据转换指令 高速计数器控制指令 脉冲输出控制指令 中 23 断控制指令 子程序控制指令 步进控制指令及故障诊断指令等 表 4 2 CPM1A 指令一览表 助记符 字数 指令功能 助记符 字数 指令功能 ADB 4 二进制加 END 1 结束 ADD 4 单字 BCD 加 FAL 2 继续运行故障 分析 ADDL 4 双字 BCD 加 FALS 2 停止运行故障 分析 AND 1 与 IL 1 互锁 AND LD 1 逻辑块与 ILC 1 解除互锁 AND NOT 1 与非 INC 2 BCD 递增 ANDW 4 字逻辑非 INI 4 模式控制 ASC 4 ASCII 码转移 INT 4 中断控制 ASFT 4 异步移位寄存器 IORE 3 I O 刷新 ASL 2 算术左移 JME 2 跳转结束 ASR 2 算术右移 JMP 2 跳转 BCD 3 BIN BCD 转换 KEEP 2 锁存继电器 BCMP 4 块比较 LD 1 载入 BCNT 4 位记数 LD NOT 1 载入非 BIN 3 BCD BIN 变换 MCRO 4 宏指令 BSET 4 块设置 MLB 4 二进制乘 CLC 1 清进位位 MLPX 4 数字译码 CMP 3 单字比较 MOV 3 传送 CMPL 4 双字比较 MOVB 4 位传送 CNT 2 记数器 MOVD 4 数字传送 CNTR 3 可逆记数器 MSG 2 信息显示 COLL 4 数据调用 MUL 4 单字 BCD 乘 COM 2 字逻辑非 MULL 4 双字 BCD 乘 24 续表 4 2 助记符 字数 指令功能 助记符 字数 指令功能 CTBL 4 注册比较表 MVN 3 传送非 DEC 2 BCD 递减 NOP 1 空操作 DIFD 2 下微分 OR 1 或 DIFU 2 上微分 OR LD 1 逻辑块或 DIST 4 变址传送 OR NOT 1 或非 DIV 4 单字 BCD 除 ORW 4 字逻辑或 DIVL 4 双字 BCD 除 OUT 2 输出 DMPX 4 数字编码 OUT NOT 2 输出非 DVB 4 二进制除 PRV 4 当前值读出 PULS 设置脉冲 SRD 3 数字右移 RET 1 子程序返回 STC 1 置进位位 ROL 2 循环左移 STEP 2 步结束 ROR 2 循环右移 STIM 4 间隔定时器中断 RESET 2 复位 SUB 4 单字 BCD 减 SBB 4 二进制减 SUBL 4 双字 BCD 减 SBN 2 子程序定义 TCMP 4 表比较 SBS 2 子程序调用 TIM 2 定时器 SDEC 4 七段译码 TIMH 3 高速定时器 SET 2 置位 TR 暂存继电器 SFT 3 移位寄存器 WSFT 3 字位移 SFTR 4 双向移位寄存器 XCHG 3 数据交换 SLD 3 数字左移 XFER 4 块传送 SNXT 2 步定义 步开始 XNRW 4 字逻辑同或 SPED 速度输出 XORW 4 字逻辑异或 25 4 5 塔式起重机塔式起重机 PLC 控制系统原理控制系统原理 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预 调速 塔式起重机控制系统的系统总框图如图 1 所示 塔式 起 重机的起升 变幅 回转 运行电动机都需要独立运行 整个系统由 6 台电动机 和 4 台变颇器传动 使用一台 PLC 加以控制 图 4 1 系 统 总 框 图 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 以滴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 由于起升机构电机使用脉冲编码器 作为速度反馈装置 通过侧量脉冲编码器的脉冲数 利用二者之差控制电机的速度 所以选择脉 冲编码器及其安装时 应当考虑周全 PLC 变 频 器 变 频 器 变 频 器 变 频 器 行走 电机2 台 回转 电机2 台 变幅 电机 主钩 电机 制动 器 制动 器 制动 器2台 制动 器2台 旋转 编码 器 PC 卡 26 第五章第五章 塔式起重机电气控制的硬件设计塔式起重机电气控制的硬件设计 起重机的电气控制硬件设计主要包括电动机是怎样连接的以及怎样与 PLC 连接 下面我们 将分章介绍 5 1 塔机电动机控制电路设计塔机电动机控制电路设计 图 5 1 塔吊主线路 图 5 2 接触器开关接线图 DDD 主钩主钩大车大车小车小车 三个独立的倒顺接触器开关三个独立的倒顺接触器开关 转臂转臂前后前后升降升降 27 5 2 PLC 的输入输出接线设计的输入输出接线设计 根据塔式起重机检测过程的控制要求 PLC 控制系统的输入包括 自动运行开关的输入信 号 手动前进 后退开关信号 手动左行 右行开关信号 手动上升 下降开关信号 共计 9 个开关量输入信号 PLC 控制系统的输出 前进 后退接触器驱动信号 左行 右行接触器驱动信号 上升下 降接触器驱动信号 顺时针逆时针回转接触器信号 电铃和指示灯驱动信号 共计 10 个开关量 输出信号 根据系统的 I O 点数 并考虑富裕量 可选用日本欧姆龙 CPM1AH 30CDR 其 I O 点数为 18 点输入 12 点输出 系统 I O 输入输出地址分配如下表所示 表 5 1 I O 地址 序号 输入元件 输入地址 输出元件 输出地址 1 自动运行开关 S1 0000 指示灯 1000 2 手动前进开关 S2 0001 前进接触器 KM1 1001 3 手动后退开关 S3 0002 后退接触器 KM2 1002 4 手动左行开关 S4 0003 左行接触器 KM3 1003 5 手动右行开关 S5 0004 右行接触器 KM4 1004 6 手动上升开关 S6 0005 上升接触器 KM5 1005 7 手动下降开关 S7 0006 下降接触器 KM6 1006 8 顺时针回转开关 S8 0007 顺回转接触器KM7 1007 9 逆时针回转开关 S8 0008 逆回转接触器KM8 1008 10 电铃 B 1009 28 5 3 流程图流程图 启动 急停 故障解除 故障 升降 变幅 回转 结束 报警升降程序 变幅程序 回转程序 行走程序行走 N Y N N N N Y Y Y Y Y N Y 29 第六章第六章 塔式起重机控制的软件设计塔式起重机控制的软件设计 起重机的电气控制软件设计主要是根据要求画出梯形图 总梯形图见附录 以下我将总梯 形图分模块进行分析 6 1 进退机构工作设计进退机构工作设计 进退机构的梯形图程序设计如图所示 运行时有手动操作和自动操作两种 自动运行过程 如下 a 当PLC开机工作时 通过内部继电器M1产生初始化脉冲 使各个计数器 CNT001 CNT004 复位 b 当自动运行开关 S1 合上后 0000 的常开接点闭合 1001 线圈接通 进退机构执行元件 进行 接触器通电 起重机开始前进 同时 所有的定时器 计数器开始工作 定时器 TM00 每 5s 产生一个脉冲 脉冲的保持时间为一个扫描周期 为计数器提供计数信号 c 当 CNT001 计到 6 时 即延时 30s CNT001 的常闭接点断开 使 1001 线圈断电 进退 机构停止前进 d 再过 45s 后 CNT002 计数器计到 15 CNT002 的常开接点闭合 1002 线圈接通 起重机 开始后退 工作 30s 后 CNT003 计数器到 21 CNT003 的常闭接点断开 1002 的线圈断开 使 后退停止 e 休息 45s CNT004 计数到 30 CNT004 的常开接点闭合 使所有计数器复位 又重新计 数 进入第二次循环 除了上述的自动控制方式外 根据需要也可以进行手动操作 从图所示的梯形图可知 1001 有两条控制支路 0001 的常开接点和 0000 的常闭接点串联构成手动操作支路 当 S2 合上时 1001 有输出 KM1 接通 前进运行 当 S2 断开