153T桥式起重机电气控制设备设计文献综述

153T桥式起重机电气控制设备设计文献综述15/3T桥式起重机电气掌握设备设计文献综述

专业：机械设计制造及其自动化班级：

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桥式起重机是桥架型起重机的一种，它依靠起升机构和在水平内的两个相互垂直方向移动的运行机构，能在矩形场地及其上空作业，被广泛用于工厂、矿山、港口、建筑工地等生产领域。它具有承载力量大，工作牢靠性高，制造工艺相对简洁等优点。使用起重机械能减轻工人劳动强度，提高生产率，甚至完成人们无法直接完成的某些工作。桥式起重机被广泛地应用在国民经济建设的各个领域，产品目前己经形成多个系列。随着经济建设的进展，用户对其性能要求越来越高，同时对产品的共性要求也越来越多样化。但是目前国内的桥式起重机结构型式比较落后，和国外同类产品相比仍有很大差距。对于提高桥式起重机的工作效率和牢靠稳定性，应用现代CAD/CAM技术，增加企业对市场需求的相应速度，提升企业的竞争力具有重要的实际意义。

桥式起重机作为重要的起重机械，是生产生活中不行缺少的。桥式起重机由桥架、大车运行机构、小车运行机构及起升机构组成。桥式起重机的各部分动作都是通过电气进行掌握的，为了提高桥式起重机的使用效率和牢靠稳定性，应用PLC掌握系统对起重机电气设备进行掌握已成为必定。传统的桥式起重机掌握系统采纳的是继电器规律掌握电路，这种掌握易出故障，维护不便，运行寿命短，正逐步被淘汰。而PLC掌握系统由于运行牢靠性高，使用修理便利，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点。在核心掌握部分采纳的是软件程序掌握，从而在保证起重机正常运行这个要求的状况下，大大的提高了起重机故障检查与修理的便利性和简单性，同时还克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素，取得了良好的经济效益和社会效益。为了提高自动掌握系统的牢靠性和设备的工作效率，设计了一套以PLC为核心掌握器的桥式起重机电气设备掌握系统，用来取代以往的较简单的继电器—接触器掌握。

桥式起重机电气设备调速掌握的方法许多，对直流驱动来讲60年月采纳发电机一电机系统。从掌握电阻分级掌握，到交磁放大掌握，到可控硅SCR激磁掌握，到主回路可控硅即晶闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速进展，集成模块消失，计算机、微处理器应用，因此掌握从分立组成模拟量掌握进展至今日的数字量掌握。

从沟通驱动来讲:常规的常采纳绕线式电动机转子串电阻调速，为满意重物下放时的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采纳涡流制动，还有靠转子反馈掌握制动、

反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的进展，国内外开发研制变频调速，PLC可编程序掌握器的应用掌握系统的性能更加完善。目前国内外几种常用调速系统配置及其性能:

（1）DC-300直流驱动调速系统:GE公司DC-300,DC-2000是微处理器数字量掌握的直流驱动调速系统，其掌握功率从300HP到4000HP，并采纳PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及掌握。

（2）沟通调速掌握系统:对于起重机械来讲，沟通驱动仍是国内普遍采纳的方案而且多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的进展，早在六十年月后期，国外就开头致力于晶闸管定子调压调速技术的开发讨论。

可编程序掌握器PLC引入到沟通电气传动系统后，使传动系统性能发生了质的变化。在桥式起重机实现了抓斗的自动掌握和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度。

（3）变频调速:变频调速的掌握方法有恒压频比掌握，转差频率掌握，矢量掌握，直接转矩掌握等。这些掌握方法都得到了不同程度的应用，但其掌握性能有肯定的差异。直流电动机之所以与有良好的掌握性能，其根本缘由是当励磁电流恒定时，掌握电枢电流的大小就能无时间滞后的掌握瞬时转矩的大小。异步电动机产生瞬时转矩的原理虽然与直流电动机相同，但由于建立气隙磁场的励磁重量和电磁转矩所对应装置电流有功重量都应包含在定子电流中，无法直接将它们分开，在运行过程中，这两个重量有会相互影响。

本课题中以桥式起重机作为讨论实体，由上可知，传统桥式起重机的掌握系统主要采纳沟通绕线机转子串电阻的方法进行启动和调速，继电—接触器掌握，这种掌握系统的主要缺点有：

（1）桥式起重机工作环境差，工作任务重，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。

（2）继电—接触器掌握系统牢靠性差，操作简单，故障率高。

（3）转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不抱负。所串电阻长期发热，电能铺张大，效率低。

随着电力电子技术的进展，变频调速作为一种调速方法自本世纪初提出以来进展非常快速，它在节能，维护量小，自动掌握性能好等方面有明显的优点，变频技术正普遍应用于电力拖动领域，特殊是对一些耗能较大的设备实行变频调速，取得了明显的节能效果，而起重机械设备的拖动调速系统在低于额定转速时，仍旧主要是通过转子的外接电阻消耗能量来实现。近年来，各大有色企业都在进行技术改造，工程项目许多，在每

一个工程项目中，都少不了桥式起重机。比如江西铜业集团公司贵溪冶炼厂备料车间，梅山热轧技改和2号连铸机工程，中铝广西分公司，中国铝业青海分公司第三电解厂等都采纳了变频调速技术，并采纳了PLC进行掌握。在9O％的起重机上胜利地运用了变频调速技术。使起重机在全速范围内实现了高精度掌握，不论轻载或重载均有稳定的运行速度，起、制动平稳，减小了机械传动机构的冲击，调速范围宽，可达1：10以上；变频调速转矩响应快，零速能够输出额定转矩，为防止松闸、抱闸时的溜钩现象供应了牢靠的保证；主令掌握信号与变频器给出的低速抱闸信号相结合掌握制动器动作，达到低速抱闸及精确     定位功能，并可减轻制动器的磨损。起重机采纳先进的可编程掌握技术PLC和变频器技术，以程序掌握取代继电器----接触器掌握，沟通电动机调速方式采纳变频调速。

要从根本上解决这些问题，只有彻底转变传统的掌握方式。近年来，随着微机技术的迅猛进展和电子计算机技术的广泛应用，PLC掌握技术开头应用在起重机的电力拖动系统。电控系统是起重机正常工作的关键设备，电气设计立足于平安，牢靠，技术先进，性能价格比合理，修理便利。因此采纳PLC掌握的调速技术是起重机各项技术性能的主要保证。

PLC掌握系统的主要特点：

（1）采纳PLC对起重机电控系统进行掌握和管理,使其工作时对信号显示和故障监测非常便利,可大大缩短检修时间。

（2）采纳PLC作为电控系统装置,可节约司机室内的空间,便利司机操作。

（3）电控系统的规律掌握大多由PLC以扫描方式执行用户程序来完成。与继电器掌握电路相比,削减了大量的中间继电器和时间继电器,使单台起重机的电控配置达到相当高的技术水平,各种调速装置(如可控硅定子调压调速装置、沟通变频)均可顺当联接于PLC的掌握当中,从而实现对各机构电动机的高精度实时掌握。

（4）使用PLC的掌握系统的自动化程度较高,既适用于新产品的开发,又适用于老设备的改造。随着起重机电控设备更新换代步伐的加快和计算机自控技术的不断进展,应用高科技技术来保证起重机平安牢靠性,将是必定的趋势。

一、PLC的系统组成与各部分的作用

PLC是一种通用的工业掌握装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式。

整体式PLC是将中心处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机协作使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程

器和上位机等外部设备的连接。

组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能工I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相连.装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过l0m,无论哪种结构类型的PLC，都可以依据需要进行协作与组合。它主要是由CPU、电源、存储器和特地设计的输入/输出接口电路等组成。

1.中心处理单元(CPU)

中心处理单元一般由掌握器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和掌握总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。它是PLC的运算、掌握中心。它根据系统程序所给予的功能，完成以下任务:（1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；

（2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；

（3）用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；

（4）PLC进入运行状态后，依据存放的先后挨次逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；

（5）将用户程序的执行结果送至输出端。

2.存储器

依据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:

（1）系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们打算了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能有用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。

（2）用户程序存储器:用户依据掌握功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中，由于用户程序需要常常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会失去数据，因此使用RAM作用户存储器的PLC，都用后备电池爱护RAM，以免电源掉电时，失去用户程序。当用户程序调试修改完毕，不盼望被随便改动时，可将用户程序写于EPROM。目前较先进的PLC采纳快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会失去，不需要后备电池爱护。

（3）工作数据存储器:工作数据是常常变化、常常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区中，开拓有元件映像寄存器和数据表。

元件映像寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器。计数器、帮助继电器等

内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来在存放A/D转换得到的数字和数字运算的结果等。依据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。

3.I/O单元

I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种掌握信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中心处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电掌握信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件。

4.电源部分

PLC一般使用220V的沟通电源，内部的开关电源为PLC的中心处理器、存储器等电路供应5V,+12V,+24V的直流电源，使PLC能正常工作。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部；对于模块式PLC，有的采纳单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。

5.扩展接口

扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加敏捷以满意不同掌握系统的需要。

6.通信接口

为了实现“人—机”或“机—机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。

当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器(CRT)相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的掌握;当与计算机相连时，可以组成多级掌握系统，实现掌握与管理相结合的综合性掌握。

7.编程器

编程器的作用是供应用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。

编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将体形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管

件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和挨次功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在已有些PLC不再供应编程器，而且供应微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。

二、PLC的工作原理

最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的掌握装置，但这两者的运行方式是不相同的：继电器掌握装置采纳硬规律并行运行的方式，即假如这个继电器的线圈通电或断电，该继电器全部的触点(包括其常开或常闭触点)在继电器掌握线路的哪个位置上都会马上同时动作。PLC的CPU则采纳挨次规律扫描用户程序的运行方式，即假如一个输出线圈或规律线圈被接通或断开，该线圈的全部触点(包括其常开或常闭触点)不会马上动作，必需等扫描到该触点时才会动作。为了消退二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器掌握装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采纳了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器掌握装置的处理结果上就没有什么区分了。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以肯定的扫描速度重复执行上述三个阶段。PLC的工作方式和通用微机不完全一样，因此用PLC设计自动掌握系统与微机的掌握系统的开发过程也不完全一样。需要依据PLC的特点，以程序形式来体现其掌握功能。

三、PLC的硬件和软件

PLC在90年月已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。按I/O点数分，可分为：微型PLC:32I/O；小型PLC:256I/O；中型PLC:1024I/O；大型PLC:4096I/O；巨型PLC:8195I/O。

近年来有单机支持300回路和65000点I/O的大型系统对应中型PLC以上，均采纳16位～32位CPU，微、小型PLC原采纳8位CPU，现在依据通讯等方面要求，有的也改用16位～32位CPU。由于I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点～256点的占31%，合计位整个PLC销售额的78%，所以对微、小型PLC讨论力度更大。

1）PLC的硬件

PLC掌握器本身的硬件采纳积木式结构，各厂家产品结构大同小异。以德国西门子S7-300为例，为总线模板框式结构，基本框架(CPU母板)上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板;假如I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板;另一种方法是配备远程I/O从站等。这些都说明白PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商(代理商)、系统集成商、最终用户带来许多便利，为营销供应链带来很大便利，这是一大胜利阅历。

PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还进展了一系列特别功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的ASCII/BASIC模板，用于反馈掌握的PID模板，用于运行掌握、机械加工的高速计数模板、单轴位置掌握模板、双轴位置掌握模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大进展。另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。

PLC中的CPU与存储器协作，完成掌握功能。它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采纳快速的巡回扫描周期，一般为0.1～0.2s，更快的则选用50ms或更小的扫描周期。它是一个数字采样掌握系统。

2）PLC的软件

为了完成掌握策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的掌握系统梯形图，而编制了一套掌握算法功能块(或子程序)，称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用。指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。细分一般PLC的指令系统有:基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、规律运算指令、特别运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。另外PLC还提高了充分的计时器、计数器、

内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大便利。

四、桥式起重机的工艺要求

1.桥式起重机的主要技术参数

(1)起重机：15/3t

(2)工作速度：

●起升速度：8～20m/min；

●小车速度：30～50m/min；

●大车速度：80～120m/min。

2.提升机构与移动机构对电气掌握的要求

为了提高起重机的生产率和生产平安，对起重机提升机构电力拖动自动掌握提出如下要求：

(1)具有合适的升降速度，空钩能快速升降，轻载提升速度应大于额定负载的提升速度。

(2)具有肯定的调速范围，一般起重机调速范围为3:1，对要求较高的起重机，调速范围可达(5～10):1。

(3)适当的低速区，提升重物开头或下降重物到预定位置四周，都需要低速。为此，在30%额定速度内应分成几档，以便敏捷操作。高速向低速过渡应逐级减速，保持稳定运行。

(4)提升的第一档为预备档，用以消退传动间隙，将钢丝张紧，避开过大的机械冲击。但预备级的起动转矩不能大，一般限制在额定转矩的一半以下。

(5)负载放下时，依据负载大小，拖动电动机可以是电机状态、倒拉反接制动状态与再生发电制动状态。

(6)为了平安，有机械抱闸的机械制动，以减轻机械抱闸的负担。不允许只有电气制动而无机械制动，不然发