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机械毕业设计-起重机电气系统的设计,机械,毕业设计,起重机,电气,系统,设计
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桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸摘 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。因此在钢铁行业、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、减少了控制系统占用的空间、操作维护更加简单、可以根据实际的环境情况对控制系统进行改善等。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采用的是Y-的方式,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A/D模块的组合完成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FX2N-64MR可编程控制器。在论文的最后主要是对起重机模拟样机设计的解释。本论文对未来起重机的设计具有一定的参考价值和实践意义。关键词:塔式起重机;Y-启动;可编程控制器;模数转换;电动机AbstractTo complete the production process automation and mechanization crane plays an important role in modern industrial production and transportation. That automated cranes help to reduce manual labor, improve work efficiency and reduce work-related injuries has important practical significance. Therefore, it has been widely used in the steel industry, railway transport, mining acquisition, port terminals and logistics flow and other enterprises and sectors.Compared to foreign crane equipment, Chinese control system of crane equipment mostly adopts the traditional control mode. The traditional control method was modified in the subject, the programmable controller controls the crane operation.This approach simplifies the crane control system, reduce the space occupied by the control system, operation and maintenance easier, improve the control system based on the actual environmental conditions.Paper introduces the research background, purpose and significance of the research, compare and select the design, construction and load of tower crane and so on, detailed calculation of the cranes are mainly electrical equipment, analytical crane works. Completed the task in the rise and fall of the hook of high and low speed, it requires the Y- way and it analyze the circuit overcurrent, short circuit and overload protection works.Monitoring lines use a combination of current transducer and A / D module to complete the AC signal into the digital signal for the PLC to read with a preset value, then according to the set the program loop it control operation, detailed explanations of the various sections of the program. In order to enable monitoring of computer terminals, the subject use Kingview in computer to reads internal data in PLC.Control core of the system is the use of Mitsubishi FX2N-64MR PLC. In the end of the paper it is mainly explanation on the crane simulation prototype design. The paper has a certain reference value and practical significance for the future design of the crane.Keywords: Tower cranes; Y- method;PLC; Analog-to-digital conversion; motor 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第38页共35页目录摘 要IABSTRACTII目录11 绪论31.1 课题简介31.2 起重机的介绍31.3 塔式起重机在国外的发展现状31.4 塔式起重机在我国的发展现状41.5 可编程控制器在工业自动控制中的应用41.6 课题研究的目的及意义41.7 本章小结42 起重机电气系统的方案设计52.1 10/1.6t塔式起重机52.1.1 QTZ160塔式起重机介绍52.1.2塔式起重机的结构和运动形式62.2 塔式起重机控制系统改造的原因分析62.3 系统设计主要任务72.4 设计要求72.5 方案设计72.6 本章小结93 起重机电气系统的主回路的设计103.1 起重机主电路设计103.2 主要电器设备计算及选型103.2.1三相电动机工作原理103.2.2起重机的主要电器设备113.3 主电动机电器控制线路设计153.4 起重机保护系统的设计163.4.1过流保护和短路保护控制线路的设计163.4.2起重机限位保护和联锁保护173.5 本章小结174 起重机电气系统控制部分的设计184.1 可编程控制器184.1.1FX2N系列可编程控制器的基本组成184.1.2GX developer编程软件简介184.2 塔式起重机可编程控制器程序控制184.3 可编程控制选型设计194.3.1可编程控制器程序流程图204.4 电动机的正反转程序部分214.5 模数转换模块FX2N-4AD224.5.1模数转换模块FX2N-4AD的简介224.5.2模数转换模块电流采集程序说明224.6 主电动机过流和短路软件部分的设计234.6.1电流变送器234.6.2过流保护和短路保护梯形图234.7 PC实时显示设计244.8 本章小结245 起重机模拟样机255.1 实验仪器及设备255.1.1模拟样机电动机255.1.2模拟样机电动机额定电流255.2 模拟样机电路各处电流值的计算及元器件的选择255.2.1自动空气开关的选择255.2.2交流接触器的选择265.2.3模拟电流变送器设备的选择265.3 模拟样机运行前检测265.3.1起重机外观及标注265.3.2起重机电气绝缘检测265.3.3电源柜检测275.3.4起重机可编程控制器输入点检测275.3.5起重机可编程控制器输出点检测275.4 调试步骤275.5 本章小结286 结论29参考文献301 绪论1.1 课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。因此在钢铁行业、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,发生过流、过载和短路保护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显示。1.2 起重机的介绍起重机大致可分为塔式起重机、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。1.3 塔式起重机在国外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,因此塔式起重机的高端市场大部分被国外塔式起重机所占据。1.4 塔式起重机在我国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。目前我国已成为世界塔式起重机生产大国,也是世界塔式起重机主要需求市场之一1。1.5 可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。1.6 课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。1.7 本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。2 起重机电气系统的方案设计2.1 10/1.6t塔式起重机2.1.1 QTZ160塔式起重机介绍本课题选择QTZ160塔式起重机,QTZ160塔式起重机为水平臂、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。QTZ160塔式起重机各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。QTZ160塔式起重机主要技术参数如表2-1所示。表2-1 QTZ160塔式起重机主要技术参数起升高度(m)固定式附着式48、65152幅度(m)最小幅度最大幅度2.565605550最大起重量(t)10起升机构倍率24速度(r/min)100503085025154起重量(t)1.55543101010功率(kw)55回转机构速度(r/min)功率(kw)power0.65.52牵引机构速度(r/min)功率(kw)power60/30/8.45/3/1.1顶升机构速度(r/min)工作压力(mpa)功率(kw)power0.57257.5平衡重臂架长度(m)65605550重量(t)21.820.118.416.7整机自重(t)固定式54.253.553.152.6附着式93.292.592.191.6工作级别A3工作温度-20+402.1.2塔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2-1所示,主要由塔身、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。吊钩升降有升降各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2-1所示。图2-1 塔式起重机结构图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2.2 塔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,由于出现人员伤亡。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Y-型调速方式,降低设备成本和维修成本。2.3 系统设计主要任务设计就是根据题目的要求而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通过低压控制高压,实现课题要求的功能,并且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。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控制主电路的通断,对电流的监测与保护主要是通过电流变送器将交流信号等比输入到AD模块,AD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。2.4 设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1.1倍且持续时间达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。2.5 方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67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1.1倍且持续时间达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10KW以下者可以直接启动,10KW以上者视情况而定(本课题对此不作具体说明)。降压启动方式主要有Y-降压启动方式、自耦补偿降压启动方式等降压启动方式。a)Y-降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。Y-降压启动适合轻载启动或者空载启动。b)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。c)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3-1的各机构电动机功率数据,起升和回转机构采用Y-降压启动方式,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: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。Y-型调速方式:Y-的调速方式结构简单,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Y-型调速方式。(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1.1倍且持续时间达1分钟则产生过流跳闸并产生声光报警信号。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AD模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AD模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,利于操作和维护。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,可以实现远程监控和控制,实时显示数据,但是目前市面上工业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。2.6 本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。3 起重机电气系统的主回路的设计3.1 起重机主电路设计根据要求,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1.1倍且持续时间达1分钟则产生过流跳闸并产生声光报警信号。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3-1图所示。图3-1 起重机的主电路的接线图3.2 主要电器设备计算及选型3.2.1三相电动机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,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3-2所示。图3-2 三相电动机结构示意图3.2.2起重机的主要电器设备(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%-100%时,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3-1。表3-1 各执行机构电机参数电机型号电机功率起升机构YZRSW280-4/855KW回转机构YEJ132S-4B5.5KW2伸缩机构YZTDE180-241.1KW顶升机构Y132M-47. 5KW电动机额定电流的计算1.起升机构电动机的额定电流:In=PnUncos3=550003800.9220.873=104.18A (3-1)过电流的跳闸电流为额定电流的1.1倍,则其跳闸电流为114.59A。2.回转机构的额定电流:In=PnUncos3=110003800.9220.873=20.84 A (3-2)过电流的跳闸电流为额定电流的1.1倍,则其跳闸电流为22.92A。3.伸缩机构的额定电流:In=PnUncos3=11003800.9220.873=2.08 A (3-3)过电流的跳闸电流为额定电流的1.1倍,则其跳闸电流为2.29A。4.顶升机构的额定电流:In=PnUncos3=75003800.9220.873=14.21A (3-4)过电流的跳闸电流为额定电流的1.1倍,则其跳闸电流为15.63A。(2)自动空气开关的选择自动空气开关的功能是为了实现课题要求中的短路保护的功能。自动空气开关通常选用电动机保护型,应按 In来选择。在Y-启动时,为满足电机的超载运行,最大电流选择电动机额定电流In的1.52.5倍。起升机构自动空气开关的电流为:I=In(1.52.5) A=156.26A260.44A (3-5)回转机构自动空气开关的电流为:I=In(1.52.5) A=31.25A52.09A (3-6)伸缩机构自动空气开关的电流为:I=In(1.52.5) A=4.25A7.09A (3-7)顶升机构自动空气开关的电流为:I=In(1.52.5) A=21.31A35.51A (3-8)分别应该选取:德力西电气自动空气开关CDM3-3P-160A 、DZ47-3P-63A 、DZ47-3P-32A、DZ47-3P-32A 。(3)热继电器的选择热继电器的功能是为了实现课题要求中的过载保护的功能。过载是指电动机长期超负荷运行,运行电流大于其额定电流,但超过额定电流的倍数更小些,通常为额定电流的1.051.1倍。各机构的过载保护的范围为:109.38A114.59A、21.88A22.92A、2.98A3.11A、14.92A15.63A。根据各个机构的范围选择合适的热继电器。考虑到是交流电源,所以选取具有断相保护的JR36系列热继电器,同时具有温度补偿、整定电流可调和手动复位等功能,由电动机的额定电流选择热继电器,YZRSW280-4/8型电机可用JR36-160,YEJ132S-4B型电机可用JR36-32,YZTDE180-24电机用JR36-20,Y132M-4型电机可用JR36-20。(4)交流接触器的选择接触器的选择主要依据以下几个方面:根据负载性质选择接触器的类型。根据主回路的额定电流和电压进行判断。主回路的额定电压不得超过交流接触器的额定电压。主回路的额定电流不得超过交流接触器的额定电流。同时还应根据电动机的负载情况和运行方式,可以适当的增加和减小。交流接触器铭牌上的频率要与主回路的频率保持一致。本课题选择CJT1系列交流接触器,CJT1系列交流接触器按电流等级分为10A、20A、40A、60A、100A、150A。吊塔KM1,KM2流过的电流为: I=(1/3)I_n=60.15A (3-9)故KM1,KM2的电流60.15A,选取:CJT1-100吊臂KM3,KM4流过的电流为:I=(1/3)I_n=12.029A (3-10)故KM3,KM4的电流12.029A,选取:CJT1-20吊钩KM5,KM6流过的电流为: I=(1/3)I_n=8.20A (3-11)故KM5,KM6的电流8.20A,选取:CJT1-10吊钩KM7,KM8流过的电流为: I=(1/3)I_n=1.2A (3-12)故KM7,KM8的电流1.2A,选取:CJT1-10KM13流过的电流为Y接启动时的线电流为: I=(1/3)I_n=34.73A (3-13)故KM13的电流34.73A,选取:CJT1-40KM17流过的电流为Y接启动时的线电流为: I=(1/3)I_n=0.69A (3-14)故KM17的电流0.69A,选取:CJT1-10KM9流过的电流为流过型的相电流为: I=(1/3)I_n=60.15A (3-15)故KM9的电流60.15A,选取:CJT1-100KM16流过的电流为流过型的相电流为: I=(1/3)I_n=1.2A (3-16)故KM16的电流1.2A,选取:CJT1-10KM12流过的最大电流为: I=(1/3)I_n=1.2A (3-17)故KM12的电流1.2A,选取:CJT1-10(5)电流变送器的选择电流变送器将测量的主回路的交流或者直流电流按线性比例输出到连续的接收装置里。电流变送器的特点:(1)测量电流和输出电流按线性比例;(2)输出4到20mA的直流电流。根据(3-1)、(3-2)、(3-3)、(3-4)公式计算的结果,起升机构线路的选用的MIK-DJI-B(0-150A)电流变送器、回转机构线路的选用的MIK-DJI-B(0-50A) 电流变送器、伸缩机构线路的选用的MIK-DJI-B(0-10A) 电流变送器、顶升机构线路的选用的MIK-DJI-B(0-50A) 电流变送器。(6)电缆线的选择55KW、5.5KW2、1.1KW、7.5KW三相异步电动机额定电流分别为104.17A、20.84A、2.83A、14.21A 。根据表3-2安全规格,分别选择16mm2、1mm2、0.75mm2、0.75mm2铜线。根据制造厂商制定的规定选择导线时,导线中通过的电流不允许超过表3-2规定。表3-2 电缆线的安全规格导线标称截面(mm2)导线的持续容许电流(A)BX型铜芯橡皮线BLX型铝芯橡皮线BV、BVR型铜芯塑料线BLV型铝芯塑料线0.7518-16-121-19-1.5271924182.5352732254453542326584555421085657559161108510580251451101381053.3 主电动机电器控制线路设计(1)根据图3-1,主回路的硬件设计中,主回路电气线路是由以可编程控制器为核心的控制系统来控制主回路的接触器来实现保护要求。同时主回路中的自动空气开关和热继电器来实现硬件保护,即短路保护和过载保护(2)电气控制原理1.停止按钮SB1,手动按钮开关,可控制电动机的停止运行。2.主交流接触器(KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM12)。电动机主回路使用的接触器,启动时接触器中的电流为电动机启动电流,运行时接触器中的电流为正常的线电流。3.Y型连接的交流接触器(KM13、KM17)。用于电动机启动时Y型连接的交流接触器,启动时通过Y型连接降压启动的线电流,启动结束后停止工作。4.型连接的交流接触器(KM9、KM16)。用于电动机启动结束后恢复型连接作正常运行的接触器,通过绕组正常运行的相电流。5.热继电器(或点击保护器FR)。热继电器主要设置三相电动机的过负荷保护;点击保护器主要设备有三相电动机的过载保护、断相保护、短路保护和平衡保护等。(3)控制过程按下紧急停止按钮SB1,起重机设备停止运转。吊塔旋转操作:按下吊塔左旋转按钮SB2,KM1和KM13接触器常开主触头闭合电动机M1通电Y型启动吊塔左旋转并且吊塔左旋转指示灯亮起,8秒后KM13断开,KM9闭合电动机三角形运行完成启动全过程,当其运行到最左端触碰到左限位开关SQ9,KM1接触器常开主触头断开其电动机断电并立即停止运转;按下吊塔右旋转按钮SB3,KM2和KM13接触器常开主触头闭合电动机M1通电Y型启动吊塔右旋转并且吊塔右旋转指示灯亮起,8秒后KM13断开,KM9闭合电动机三角形运行完成启动全过程,当其运行到最右端触碰到右限位开关SQ10,KM2接触器常开主触头断开其电动机断电并立即停止运转;吊臂操作:吊臂旋转操作:按下吊臂伸出按钮SB4,KM3接触器常开主触头闭合电动机M1通电,吊臂伸出并且吊臂伸出指示灯亮起,完成启动全过程,当其运行到最末端触碰到末限位开关SQ11,KM4接触器常开主触头断开其电动机断电并立即停止运转;按下吊臂缩回按钮SB5,KM4接触器常开主触头闭合电动机M2通电,吊臂缩回并且吊臂缩回指示灯亮起,完成启动全过程,当其运行到最末端触碰到末限位开关SQ12,KM4接触器常开主触头断开其电动机断电并立即停止运转;吊钩操作:吊钩旋转操作:按下吊钩上升按钮SB6,KM7和KM17接触器常开主触头闭合电动机M1通电Y型启动吊钩上升并且吊钩上升指示灯亮起,8秒后KM17断开,KM16闭合电动机三角形运行完成启动全过程,当其运行到最末端触碰到末限位开关SQ13,KM8接触器常开主触头断开其电动机断电并立即停止运转;按下吊钩下降按钮SB7,KM8和KM17接触器常开主触头闭合电动机M2通电Y型启动吊钩下降并且吊钩下降指示灯亮起,8秒后KM17断开,KM16闭合电动机三角形运行完成启动全过程,当其运行到最末端触碰到末限位开关SQ14,KM8接触器常开主触头断开其电动机断电并立即停止运转。按下吊钩高速按钮SB8,吊钩提升档位切换为高速状态并且高速运行指示灯亮起,启动的默认状态为低速。顶升操作:顶升旋转操作:按下顶升上升按钮SB9,KM5接触器常开主触头闭合电动机M1通电,顶升上升并且顶升上升指示灯亮起,完成启动全过程,当其运行到最末端触碰到末限位开关SQ15,KM6接触器常开主触头断开其电动机断电并立即停止运转;按下顶升下降按钮SB10,KM6接触器常开主触头闭合电动机M3通电,顶升下降并且顶升下降指示灯亮起,完成启动全过程,当其运行到最末端触碰到末限位开关SQ16,KM6接触器常开主触头断开其电动机断电并立即停止运转;故障指示:当相应线路出现短路时,短路指示灯亮起;当相应线路出现过留时,过流指示灯亮起。3.4 起重机保护系统的设计3.4.1过流保护和短路保护控制线路的设计(1)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1.1倍且持续时间达1分钟则产生过流跳闸并产生声光报警信号。要求设计主电机短路保护并产生声光报警信号。过流和短路保护电气线路都由低压断路器和接触器构成保护的,控制线路均由可编程控制器控制接触器线圈来实现电气线路的通断。主线路的接线图如图3-3 a)所示,可编程控制器线路接线如图3-3 b)所示。a) 主线路的接线图 b) 可编程控制器线路接线图图3-3 电流变送器接线示意图低压断路器的作用是当发生过载或短路等故障时能自动切断电路,接触器能控制电动机的启动和停止。可编程控制器的控制过程如下:过流保护:电流变送器将被测主回路交流电流线性等比转换成420mA的直流信号,送入AD模块,AD模拟块将模拟信号转换成数字信号,送入到可编程控制器,可编程控制器进行内部计算和比较,比较结果大于预设值(额定电流的1.1倍)且定时器计时超过1分钟则使主回路接触器的线圈失电,主回路交流接触器的主触头断开,电动机停止运转,并产生声光报警信号。根据(3-1)、(3-2)、(3-3)、(3-4)的公式,各机构线路经过电流变送器,送入到AD模块的最小跳闸电流分别为:起升机构:I=114.5915020=15.27mA (3-18)回旋机构:I=22.925020=9.168mA (3-19)伸缩机构:I=2.2921020=4.58mA (3-20)顶升机构:I=15.635020= 6.25mA (3-21)短路保护:当主回路发生短路情况时,低压断路器断开,线路电流为零,电流变送器将被测主回路交流电流线性等比转换成420mA的直流信号,送入AD模块,AD模块把模拟量转化成数字量后在可编程控制器内与预设值比较,比较结果等于预设值则使主回路接触器的线圈失电,主回路交流接触器的主触头断开,并产生声光报警信号。 3.4.2起重机限位保护和联锁保护1.限位保护本课题设计的塔式起重机的各个机构都设计了限位保护,当起重机的电动机运行到最顶端限位部分触碰到限位开关,限位开关动作,将信号传输给可编程控制器,可编程控制器停止该电动机的运转,并在显示监控设备中显示电动机停止的原因,在当前情况下,控制系统仅允许电动机反向运转或者其它电动机的运转。2.正反转切换和星三角形切换联锁保护同一线路的电动机的正反转和星三角同时接通时会发生短路现象,对设备造成损伤。所以在硬件设计和软件设计中均设计了联锁保护。硬件设计中的联锁保护,接触器采用的是3个常开主触头和1个常闭主触头,将常闭主触头串联到另一个接触器的线圈中。在软件设计中,在接通另一个接触器的线圈之前,必须先断开第一个接触器的线圈。3.5 本章小结本章主要介绍了起重机电气系统主回路的部分。详细计算了主回路各个机构线路的额定电流的数值和主要电器设备的相关参数,详细说明了选择每个低压电器的原因。介绍了主回路的工作原理和控制过程,同时还介绍了起重机的保护部分的工作原理包括过流、短路保护、限位保护和联锁保护。4 起重机电气系统控制部分的设计4.1 可编程控制器可编程序控制器简称可编程控制器,现在在工业中已经是最常用、最可靠的工业控制微型计算机。它融入微机技术和通讯技术及大规模集成电路的科技成果。具有众多的优势,可以方便的用于监控和计算。4.1.1FX2N系列可编程控制器的基本组成FX2N的基本单元可以根据控制模块大小外加扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成叠装式可编程控制器控制系统。可编程控制器的基本单元内部包括CPU、存储器、输入输出口及电源部分。扩展单元是用于增加I/O点数的装置,内部设有电源。扩展模块用于增加I/O点数及改变I/O点比例,内部无电源,需要由基本单元或扩展单元供电。由于扩展单元及扩展模块内部无CPU,因此必须与基本单元一起使用3。特殊单元是一些专门用途的装置,如位置控制模块、模拟量控制模块、计算机通信模块等。电源部分,可编程控制器电源为各模块提供工作电源,FX2N系列提供24V直流工作电源。4.1.2GX developer编程软件简介 GX developer编程软件是用作可编程控制器的编程,外观简洁直观,操作方便,对可编程控制器可以实现实时监测和控制、对运行程序可以实现仿真运行和故障诊断,写入可编程控制器的程序主要是通过梯形图、指令等形式编制程序。4.2 塔式起重机可编程控制器程序控制为了提高塔式起重机的稳定性,降低故障率,减少控制系统空间占据和简化外部设备的输入和输出的部分。本课题的塔式起重机以可编程控制器为核心的控制系统,通过可编程控制器的程序来控制电气系统的工作,主要原因是可编程控制器有足够多的内部软继电器和其他特殊功能,可以通过不增加外部设备的情况下,实现对电气系统的复杂控制,满足课题要求。可编程控制器操作信号的输出实现对线路的控制,电动机运转按钮的输入,限位开关的输入,A/D模块数字信号的输入等,实现了对线路的监测和控制,输入信号经过可编程控制器,在其内部进行数据读取和运算,对其电气系统进行故障诊断,一旦检测出线路发生故障,立即做出停止运行的动作,同时发出声光报警信号。4.3 可编程控制选型设计市面上可编程控制器的价格还比较高昂,所以要根据实际的需求,合理选择I/O口的数量的可编程控制器设备。本课题选择FX2N-64MR,32个输出端口,32个输入端口,继电器输出(有触电,可带交直流负载)。I/O地址定义如表4-1所示。表4-1 I/O地址定义序号功能输入序号功能输出01停止X00001吊臂伸指示灯Y00002吊臂伸X00102吊臂缩指示灯Y00103吊臂缩X00203吊塔左指示灯Y00204吊塔左旋转X00304吊塔右指示灯Y00305吊塔右旋转X00405吊钩上指示灯Y00406吊钩上升X00506吊钩下指示灯Y00507吊钩下降X00607吊钩低速指示灯Y00608吊钩高速X00708吊钩高速指示灯Y00709顶升升X01009顶升升指示灯Y01010顶升降X01110顶升降指示灯Y01111吊臂伸限位X01211短路保护指示灯Y01212吊臂缩限位X01312过流保护指示灯Y01313吊塔左限位X01413线路一号故障Y01414吊塔右限位X01514线路二号故障Y01515吊钩上限位X01615线路三号故障Y01616吊钩下限位X01716声光报警Y01717顶升升限位X02017顶升降Y02218顶升降限位X02118顶升升Y02319吊钩-型Y02520吊钩-星型Y02621吊钩下Y02722吊钩上Y02823吊塔-型Y03026吊塔-星型Y031续表27吊塔右Y03228吊塔左Y03329吊臂缩Y03430吊臂伸Y0354.3.1可编程控制器程序流程图图4-1 可编程控制器程序流程图控制程序流程图说明:当起重机满足启动条件的时候,可编程控制器开始运转,启动时先检测线路的故障如过流和短路的情况,当线路启动时存在过流和短路保护,直接进入故障信号显示部分,调用故障显示程序。当线路不存在故障的情况下,可以运行起重机的正常工作任务。当收到起升运行信号的情况下,调用起升运行程序,开始运行起升任务。当收到回旋运行信号的情况下,调用回旋运行程序,开始运行回旋任务。当收到伸缩运行信号的情况下,调用伸缩运行程序,开始运行伸缩任务。当收到顶升运行信号的情况下,调用顶升运行程序,开始运行顶升任务。4.4 电动机的正反转程序部分X0为停止输入口,X01为吊臂伸输入口,当X10输入口接通则电动机(Y37输出口)运转并自锁,X2和Y36对其互锁防止电动机的正方转,同时接通导致电路短路损坏设备。149段程序将X15输入口的高速和低速的切换集成在一个输入口中,这里就运用到了比较的程序CMP。当计数器为0则为低速,为1则为高速。吊钩启动时默认低速运行,防止启动的时候电动机运转过快导致设备损坏和人员损伤,给工作人员留足一定的反应时间。电动机的正反转程序的梯形图如图4-2。图4-2 电动机正反转梯形图4.5 模数转换模块FX2N-4AD4.5.1模数转换模块FX2N-4AD的简介FX2N-4AD为4通道12位模数转换模块,它可以将模拟电压或电流转换为最大分辨率为12位的数字量,并以二进制补码方式存入内部16位缓冲寄存器中,通过扩展总线与FX2N基本单元进行数据交换。FX2N-4AD的技术指标如表4-2所示。表4-2 FX2N-4AD技术指标项目电压输入电流输入四通道模拟量电压或电流的输入,可通过对其输入端子的选择实现模拟量输入范围DC:-10V10V(输入阻抗:200k)(绝对最大量程15V DC)DC:-20mA20mA(输入阻抗:250)(绝对最大量程32mA )数字输出范围12位转换结果,以16位二进制补码方式存储,其输出范围为:-2048+2047分辨率5mV(10V默认范围:1/200020A(20mA默认范围:1/1000)综合精度1%(对于-10V到10V的范围)1%(对于-20mA到20mA的范围)转换速度15ms/通道(常速),6ms/通道(高速)外接输入电源24(110%)V,55mA,可由可编程控制器基本单元或扩展单元内部供电:5V,30mA模拟量用电-10V10V-20mA10mA隔离方式模拟和数字之间为光耦隔离:4个模拟通道之间没有隔离 4.5.2模数转换模块电流采集程序说明FX2N-4AD模块的的基本应用编程,FX2N-4AD通过FROM和TO指令把可编程控制器基本单元进行数据交换。图4-3所示为FX2N-4AD与可编程控制器基本单元连接的位置编号为0号,计算数的采样次数设为4,并且由可编程控制器的数据寄存器D0、D1、D2、D3接受该平均值。模数转换模块采集程序的梯形图如图4-3所示。续图图4-3 模数转换模块采集程序梯形图4.6 主电动机过流和短路软件部分的设计4.6.1电流变送器电流变送器是将被测的交流信号线性等比的转换成直流信号的设备。输出的直流信号范围为4到20mA。电流变送器的特点如下:(1)线性等比输出,有较高的准确度。(2)结构简单易于维护和操作;(3)准确度高,极高的线性度;(4)体积小、功耗低、抗干扰性强。4.6.2过流保护和短路保护梯形图72段程序是寄存器D0的值送入到D10对D10进行转码将四书近指浮点转换成二进制浮点数,才可以进行DEMUL和DEDIV的二进制乘除法,将模数转换模块的电流变量转换成常规的数值方便读数。116段程序是过流和保护的关键程序,这里用到了32位区间比较法,大于15或者低于1且持续时间大于等于一分钟则产生声光报警信号,此程序为了调试节约时间采用3秒钟代替1分钟。当D200的数值大于15也就是过流的情况则M5软继电器通,当D200数值小于1也就是空气开关跳闸线路电流为0则M3软继电器通。过流保护和短路保护程序的梯形图如4-4图所示。图4-4过流和短路保护程序梯形图4.7 PC实时显示设计显示部分采用电脑实时监控,电脑通过组态王软件对可编程控制器设备进行监控。组态王可以实现对可编程控制器数据的读取和控制。本课题主要是监控模数转换模块的电流量。当线路电流达到预定值并大于等于1分钟时则可编程控制器进行相应的操作。组态王显示界面如图4-5所示。图4-5 组态王显示界面4.8 本章小结本章主要介绍了可编程控制器的功能和特性,介绍了模数转换模块的功能和特性。同时介绍了程序的运行流程,电动机的正反转的程序和模数转换模块的采集电流的程序和过流及短路保护的程序。5 起重机模拟样机5.1 实验仪器及设备实验仪器及设备:(1)计算机一台;(2)电流表、电压表等计量仪表;(3)电烙铁、胶钳、剥线钳、螺丝刀、扳手等常用安装工具;(4)兆欧表、箝型表、万用表等检测工具;(5)FX2-64MR可编程控制器及A/D、D/A模块一套;(6)三相交流电动机3台;(7)低压断路器、交流接触器等常用电器。5.1.1模拟样机电动机Y系列全程为全封闭自扇冷式三相鼠笼型异步电动机。使用非常普遍,应用于一般无特殊要求的机械设备。电动机的型号如表5-1所示。模拟样机中的三相异步电动机型号为:Y200L-4,其参数如表5-1所示。其中:YY系列交流电机,200机座中心高度为200mm,L长铁芯,4电机极数为4(转速为1500转/分钟)。Y2001-4电动机技术参数如表5-1所示。表5-1 Y2001-4电动机技术参数型号额定电压V额定功率KW额定电流A转速%效率COS功率因素堵转转矩额定转矩堵转电流额定电流最大转矩额定转矩Y200L-43803056.8147092.20.872775.1.2模拟样机电动机额定电流 (5-1)根据公式的计算值与铭牌数据一致。5.2 模拟样机电路各处电流值的计算及元器件的选择5.2.1自动空气开关的选择自动空气开关通常选用电动机保护型,应按In来选择。在Y-启动时,为满足电机的超载运行,最大电流选择电动机额定电流In的1.52.5倍。自动空气开关自动空气开关的电流为: I=In(1.52.5)A=85.2A142A (5-2)应该选取:德力西电气自动空气开关DZ47-3P150A。5.2.2交流接触器的选择KM1,KM2,KM3,KM4,KM7,KM8流过的电流为: I=(1/3)In=32.79A (5-3)故KM1的电流32.79A,选取:CJT1-40; KM13,KM14,KM17流过的电流为Y接法的电动机的线电流为: I=(1/3)In=18.9A (5-4)故KM3的电流18.9A,选取:CJT1-20;KM9,KM10,KM12,KM16流过的电流为接法的电动机的相电流为: I=(1/3)In=32.79A (5-5)故KM2的电流32.79A,选取:CJT1-40。5.2.3模拟电流变送器设备的选择起重机的模拟样机选择吊钩线路的电流作为模拟的部分,吊钩电动机线路通过电流变送器输送到A/D模块的过流跳闸电流为15.27mA,所以选择20K欧姆,和三节1.5V电池,可以输出15.27mA及以上的电流,这样就可以模拟过流保护的过程。5.3 模拟样机运行前检测5.3.1起重机外观及标注(1)交流接触器与木板之前要用钉子安装固定牢固,当接触器在工作中会产生震动,在震动的情况下,钉子不易脱落;(2)导线的排布清晰明了,用不同颜色的线来区分不同导线的功能;(3)导线之间尽量不要有交叉;(4)监测控制部分要有明显的标识。5.3.2起重机电气绝缘检测(1)不要讲导线的包裹的导体裸露在外,如果有裸露在外的导体,应用绝缘胶布对其进行绝缘包裹;(2)每一排端子都需要盖上绝缘盖;(3)为了防止交流接触器在正反转和星三角切换中,交流接触器切换过快而产生短路现象,因此在启动每一个电动机的一个功能的时候都给了1秒钟的延迟动作。5.3.3电源柜检测在插上插头之前先断开电源部分的空气开关和主回路的空气开关。一切正常的情况下先打开电源部分的空气开关然后再打开主回路的空气开关。断电的情况下先断开主回路的空气开关然后再断开电源部分的空气开关。5.3.4起重机可编程控制器输入点检测模拟样机的输入端口主要是按钮部分,调试每个按钮是否接触良好。先将可编程控制器设为停止状态,按每一个按钮,看可编程控制器上是否有亮灯,亮灯着为接通良好,没有亮灯则为没有接触上,应该检测按钮与可编程控制器的连接线是否接触良好。5.3.5起重机可编程控制器输出点检测自动空气开关在断开的情况下,接入220V的交流电源,通过控制输入部分的按钮,看交流接触器是否按照程序要求动作,有动作则交流接触器的线圈与输出端接触良好,没有动作则应该检查导线是否没有接触上。当不是按照设定的程序动作则需要检查导线是否连接到其他的输出端口处,如果连接没有问题,则检查程序是否编写正确,通过编程软件的模拟仿真,验证程序的功能。5.4 调试步骤(1)准备工作。断开其他电源,只接通主机电源将相应程序下载到主机中。断开三相电源和可编程控制器电源,按实验接线图认真接线,先接可编程控制器控制线路,再接主电气控制线路。仔细检查接线以确保接线无误。查看各电气元件上的接线是否牢固。 检查接线无误后,插上三相电源。(2)电气控制原理停止按钮SB1。手动按钮开关,可控制电动机的停止运行。主交流接触器(KM1、KM2、KM3、KM4、KM7、KM8、KM12)。电动机主运行回路使用的接触器,启动时接触器中的电流为电动机启动电流,运行时接触器中的电流为正常的线电流。吊钩的档位切换主要是通过星-
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