【正文】 基于 PLC和變頻器的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計 基于 PLC 和變頻器的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 隨著現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用 ,微處理器和微電子技術(shù)的發(fā)展 ,使變頻調(diào)速控制系統(tǒng)日趨成熟。而橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)系統(tǒng)中一種典型設(shè)備 ,在企業(yè)生產(chǎn)活動中應(yīng)用廣泛作用顯著 ,故對于提高其運(yùn)行效率 ,確保運(yùn)行安全 ,降低物料搬運(yùn)成本是十分重要。傳統(tǒng)的橋式起重控制系統(tǒng)主要采用繼電器接觸器進(jìn)行控制 ,采用交流繞線串電阻的方法進(jìn)行啟動和調(diào)速 ,這種控制系統(tǒng)存在可靠性差 ,故障率高 ,電能浪費(fèi)大 ,效率低等缺點。因此根據(jù)橋式起重機(jī)的運(yùn)行特點 ,將可編程序控制器與變頻器結(jié)合應(yīng)用于橋式起重機(jī)控制系統(tǒng) ,其中 PLC 系統(tǒng)則采用 SIEMENS 公司產(chǎn)品 ,大大提高了操作精度和穩(wěn)定度 。綜合保護(hù)功能完善 ,便于及時發(fā)現(xiàn)、查找、處理故障 。并且節(jié)約了能源。 關(guān)鍵詞 :可編程序控制器 。橋式起重機(jī) 。變頻調(diào)速 。變頻器 目 錄 摘 要 I 第一章 緒 論 1 橋式起重機(jī)簡介 1 本課題設(shè)計的意義、主要內(nèi)容及基本參數(shù) 1 第二章 矢量控制變頻調(diào)速 4 變頻調(diào)速的基本原理 4 變頻器的基本結(jié)構(gòu)和功能 6 變頻器的主電路 6 變頻器的控制電路構(gòu)成 7 變頻調(diào)速的控制方式 ?矢量控制方式 8 矢量控制的基本思想 8 矢量變換規(guī)律 9 矢量變換下異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 12 矢量變換控制方程 13 第三章 橋式起重機(jī)變頻控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 15 總體設(shè)計方法 15 PLC 技術(shù)簡介 16 PLC 概述 16 Siemens S7200 結(jié)構(gòu)及工作原理 17 部件的選擇 18 電機(jī)的選用 18 變頻器的選用 20 PLC 的選用 23 常用輔件的選擇 24 起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 26 系統(tǒng)控制的要求 26 控制系統(tǒng)的 1/O 點及地址分配 26 第四章 橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計 30 S7200PLC 網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議 30 S7200PLC 網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議的種類 30 本系統(tǒng)通信協(xié)議的選擇 31 PLC 程序設(shè)計 32 PLC 編程軟件概述 32 程序設(shè)計 33 系統(tǒng)抗干擾措施 39 第五章 結(jié)束語 41 致 謝 42 參考文獻(xiàn) 43 第一章 緒 論 橋式起重機(jī)簡介 橋式起重機(jī)在冶金企業(yè)及其它行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用 ,其作用主要用來實現(xiàn)物體的升降和轉(zhuǎn)運(yùn) ,橋式起重機(jī)工作環(huán)境惡劣 ,工作任務(wù)重。它能否正常工作直接影響到生產(chǎn)效率提高和工作任務(wù)的完成 ,甚至關(guān)系到人身、設(shè)備的安全。經(jīng)過幾十年的發(fā)展 ,我國橋式起重機(jī)制造廠和使用部門在設(shè)計、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面 ,不斷積累經(jīng)驗 ,不斷改造 ,推動了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。但在實際使用中 ,結(jié)構(gòu)開裂仍時有發(fā)生。究其原因是頻繁的超負(fù)荷作業(yè)及過大的機(jī) 械振動沖擊所引起的機(jī)械疲勞。因此 ,除了機(jī)械上改進(jìn)設(shè)計外 ,改善交流電氣傳動 ,減少起制動沖擊 ,也是一個很重要的方面。 傳統(tǒng)的起重機(jī)驅(qū)動方案一般采用 :1 直接起動電動機(jī) 。2 改變電動機(jī)極對數(shù)調(diào)速 。3 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 。4 渦流制動器調(diào)速 。5 可控硅串級調(diào)速 。6 直流調(diào)速。前四種方案均屬有級調(diào)速 ,調(diào)速范圍小 ,無法高速運(yùn)行 ,只能在額定速度以下調(diào)速 。起動電流大 ,對電網(wǎng)沖擊大 。常在額定速度下進(jìn)行機(jī)械制動 ,對起重機(jī)的機(jī)構(gòu)沖擊大 ,制動閘瓦磨損嚴(yán)重 。功率因數(shù)低 ,在空載或輕載時低于 ,即使?jié)M載也低于 ,線路損耗大。目前 串級調(diào)速產(chǎn)品的控制技術(shù)仍停留在模擬階段 ,尚未實現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能和起制動性能 ,很好的保護(hù)功能及系統(tǒng)監(jiān)控功能 ,所以有時采用直流電動機(jī) ,而直流電動機(jī)制造工藝復(fù)雜 ,使用維護(hù)要求高 ,故障率高。 我們所研究的橋式起重機(jī)是電動雙梁橋式起重機(jī) ,該起重機(jī)由起重小車、橋架金屬結(jié)構(gòu)、橋架運(yùn)行機(jī)構(gòu)以及電氣控制設(shè)備等四個部分組成。機(jī)構(gòu)主要指主起升機(jī)構(gòu)、副起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。在電氣控制系統(tǒng)中 ,其供電一般是通過電纜卷筒將電源輸送到中心電器上 ,起重機(jī)機(jī)為低壓供電系統(tǒng) ,電氣控制部分集中在操作室和電氣房內(nèi) ,安全保護(hù)裝置裝在在適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀? 本課題設(shè)計的意義、主要內(nèi)容及基本參數(shù) 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)主要采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行啟動和調(diào)速 ,繼電一接觸器控制 ,這種控制系統(tǒng)的主要缺點有 : ,工作任務(wù)重 ,電動機(jī)以及所串電阻燒損和斷裂故障時有發(fā)生。 ,操作復(fù)雜 ,故障率高。 ,機(jī)械特性軟 ,負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速也變化 ,調(diào)速不理想。所串電阻長期發(fā)熱 ,電能浪費(fèi)大 ,效率低。 要從根本上解決這些問題 ,只有徹底改變傳統(tǒng)的控制方式。其中 ,具 有代表性的交流變頻調(diào)速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應(yīng)用 ,為 PLC 控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機(jī)系統(tǒng)提供了有利條件。變頻調(diào)速以其可靠性好 ,高品質(zhì)的調(diào)速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。 本論文研究了變頻調(diào)速技術(shù)在 20/5t * 通用橋式起重機(jī)中的應(yīng)用 ,并且根據(jù)原有的控制結(jié)構(gòu) ,結(jié)合組態(tài)軟件和 PLC 技術(shù) ,提出了一個改進(jìn)的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu) ,并且采用此體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。 本課題橋式起重機(jī)基本參數(shù) : 該機(jī)的起重量為 20/5 噸 ,其跨度 L 為 小車起升速度為 15m/min,大車起升速度為 ,大車運(yùn)行速度為 75m/min。 第二章 矢量控制變頻調(diào)速 變頻調(diào)速的基本原理 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 : ( 1) 其中 : ?異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,單位為 r/min。 ?定子的電源頻率 ,單位為 Hz。 ?電機(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率 。 ?電機(jī)的極對數(shù)。 由上式 可知 ,如果改變輸入電機(jī)的電源頻率 ,則可相應(yīng)改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。 在電動機(jī)調(diào)速時 ,一個重要的 因素時希望保持每極磁通量為額定值不變。磁通太弱 ,沒有充分利用電機(jī)的磁心 ,是一種浪費(fèi) :若要增大磁通 ,又會使磁通飽和 ,從而導(dǎo)致過大的勵磁電流 ,嚴(yán)重時會因為繞組過熱而損壞電機(jī)。對于直流電機(jī)來說 ,勵磁系統(tǒng)是獨立的 ,所以只要對電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適 ,保持不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中 ,磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。 三相異步電動機(jī)每相電動勢的有效值是 : () 式中 : ?氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢有效值 ,單位為 V。 ?定子頻率 ,單位為 Hz。 ?定子每線繞組串聯(lián) 匝數(shù) 。 ?基波繞組系數(shù) 。 ?美極氣隙磁通量 ,單位為 Wb。 由公式可知 ,只要控制好和便可以控制磁通不變 ,需要考慮基頻額定頻率 以下和基頻以上兩種情況 。 即采用恒定的電動勢。由上式可知 ,要保持不變 ,單頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時 ,必須同時降低然而繞組中的感應(yīng)電動勢是難以控制的 ,但電動勢較高時 ,可以忽略電子繞組的漏磁阻抗壓降 ,而認(rèn)為定子相電壓 U1 ≈ E,則得 U1 /f1 常值。低頻時 ,U1 和讀數(shù)較小 ,定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著 ,不能在忽略。這時 ,可以人為的把電壓 U 抬高一些 ,以便近似的不補(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮愎β时瓤刂铺匦詾?b 線 ,無補(bǔ)償?shù)臑?a 線。如圖 所示 : 圖 恒壓頻比控制特性 在基頻以上調(diào)速時 ,頻率 f 可以從往上增高 ,但電壓 u 磁通與頻率成反比的降低 ,相當(dāng)于與直流電機(jī)弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來 ,可得到異步電動機(jī)的變頻調(diào)速控制特性 ,如圖 。如果電動機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流 ,則電動機(jī)都能在溫升容許的條件下長期運(yùn)行 ,這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下 ,屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào) 速”的調(diào)速 ,而在基頻以上基本上屬于“恒功率調(diào)速”。 圖 異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制特性 變頻器的基本結(jié)構(gòu)和功能 變頻器的基本結(jié)構(gòu)見圖 圖 變頻器的結(jié)構(gòu)圖 變頻器的功能是為電動機(jī)提供可變頻率的電源 ,實現(xiàn)電動機(jī)的無極調(diào)速。變頻器具備對電機(jī)和變頻器本身的完善保護(hù)功能 ,如過熱、過載、過流、過壓、缺相、接地等 ,從而避免備在不正常狀態(tài)下長時間運(yùn)行 ,保護(hù)設(shè)備不至于損壞。 變頻器的主電路 電力電子開關(guān)器件 電力半導(dǎo)體器件己經(jīng)歷了以晶閘管為代表的分立器件 ,以可關(guān)斷 晶閘管GTO,巨型晶體管 GTR,功率 MOSFET、絕緣柵雙極晶體