【正文】 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(dòng)中應(yīng)用廣泛作用顯著，故對(duì)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(dòng)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(diǎn)。因此根據(jù)橋式起重機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，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(shí)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 1 本課題設(shè)計(jì)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 6 6 7—矢量控制方式 8 8 9 12 13第三章 橋式起重機(jī)變頻控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 15 15 PLC技術(shù)簡(jiǎn)介 16 PLC概述 16 Siemens S7200結(jié)構(gòu)及工作原理 17 18 18 20 PLC的選用 23 24 26 26 26第四章 橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 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(lèi) 30 31 PLC程序設(shè)計(jì) 32 PLC編程軟件概述 32 33 39第五章 結(jié)束語(yǔ) 41致 謝 42參考文獻(xiàn) 43第一章 緒 論橋式起重機(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(lái)實(shí)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(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)橋式起重機(jī)制造廠和使用部門(mén)在設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷改造，推動(dòng)了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。但在實(shí)際使用中，結(jié)構(gòu)開(kāi)裂仍時(shí)有發(fā)生。究其原因是頻繁的超負(fù)荷作業(yè)及過(guò)大的機(jī)械振動(dòng)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(jì)外，改善交流電氣傳動(dòng)，減少起制動(dòng)沖擊，也是一個(gè)很重要的方面。傳統(tǒng)的起重機(jī)驅(qū)動(dòng)方案一般采用:(1)直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。(2)改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)調(diào)速。(3)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。(4)渦流制動(dòng)器調(diào)速。(5)可控硅串級(jí)調(diào)速。(6)直流調(diào)速。前四種方案均屬有級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍小，無(wú)法高速運(yùn)行，只能在額定速度以下調(diào)速。起動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大。常在額定速度下進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)，對(duì)起重機(jī)的機(jī)構(gòu)沖擊大，制動(dòng)閘瓦磨損嚴(yán)重。功率因數(shù)低，，線路損耗大。目前串級(jí)調(diào)速產(chǎn)品的控制技術(shù)仍停留在模擬階段，尚未實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能和起制動(dòng)性能，很好的保護(hù)功能及系統(tǒng)監(jiān)控功能，所以有時(shí)采用直流電動(dòng)機(jī)，而直流電動(dòng)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(dòng)雙梁橋式起重機(jī)，該起重機(jī)由起重小車(chē)、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(gè)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(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)。在電氣控制系統(tǒng)中，其供電一般是通過(guò)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?jī)?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(jì)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(dòng)和調(diào)速，繼電一接觸器控制，這種控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)有: ，工作任務(wù)重，電動(dòng)機(jī)以及所串電阻燒損和斷裂故障時(shí)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(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。所串電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低。 要從根本上解決這些問(wèn)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 * ，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(gè)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(shí)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)，大車(chē)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。—定子的電源頻率，單位為Hz?！姍C(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率?！姍C(jī)的極對(duì)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(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素時(shí)希望保持每極磁通量為額定值不變。磁通太弱，沒(méi)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(huì)使磁通飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過(guò)熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對(duì)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(dòng)機(jī)每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是: （）式中: —?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，單位為V?！ㄗ宇l率，單位為Hz?！ㄗ用烤€繞組串聯(lián)匝數(shù)?！ɡ@組系數(shù)?！罉O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。1．基頻以下調(diào)速即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)。由上式可知，要保持不變，單頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低然而繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以控制的，但電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)，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(shí)，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(shí)，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时瓤刂铺匦詾閎線()，無(wú)補(bǔ)償?shù)臑閍線()。:2．基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，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(lái)，可得到異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升容許的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)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”。變頻器的功能是為電動(dòng)機(jī)提供可變頻率的電源,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速。變頻器具備對(duì)電機(jī)和變頻器本身的完善保護(hù)功能,如過(guò)熱、過(guò)載、過(guò)流、過(guò)壓、缺相、接地等,從而避免備在不正常狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,保護(hù)設(shè)備不至于損壞。電力電子開(kāi)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、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的功率集成器件(PID),以智能化功率集成電路(SPIC)，高壓功率集成電路(HVIC)為代表的功率集成電路(PIC)等三個(gè)發(fā)展時(shí)期。從晶閘管發(fā)展到PID, PIC通過(guò)門(mén)極或柵極控制脈沖可實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的全控器件。在器件的控制模式上，從電流型控制模式及發(fā)展到電壓型控制模式，不僅大大降低了門(mén)極(柵極)的控制功率，而且大大提高了器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度，從而使器件的工作頻率不斷提高。在器件結(jié)構(gòu)上，從分立器件發(fā)展到由分立器件組合成功率變換電路的初級(jí)模塊，繼而將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、緩沖電路、檢測(cè)電路等組合在一起的復(fù)雜模塊。整流電路一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對(duì)工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式，可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。逆變電路逆變電路是利用六個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開(kāi)關(guān)元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。它的主要作用是在控制電路的控制下，將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。包括主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分，是變頻器的核心部分。控制電路的優(yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪?duì)逆變器開(kāi)關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能。隨著電力半導(dǎo)體器件和微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電力變頻技術(shù)新的突破性發(fā)展，70年代后期發(fā)展起來(lái)的脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)技術(shù)成了現(xiàn)在最常用的變頻器功率開(kāi)關(guān)器件的控制策略。SPWM(Sinusoidal PWM)則是較為常用的技術(shù)。其通常是采用調(diào)制的方法，即把正弦波作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載被，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制即可得到SAM波形。通常采用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度線性關(guān)系，且左右對(duì)稱(chēng)，當(dāng)它與正弦波調(diào)制信號(hào)相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于正弦波幅值的脈沖，這正好符合SPWM控制的要求。三角載波的頻率fc,和正弦調(diào)制波的頻率fr,之比即fc / fr =Nc稱(chēng)為載波比。用生成的SPWM波控制逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷，可得到等幅且脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖列輸出電壓。正弦調(diào)制波的頻率fr,即是逆變器的輸出頻率f1改變fr,便可改變f1三角載波的幅值為恒定，因而改變正弦調(diào)制彼的幅值就改變了矩形脈沖的面積，由此實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值的改變?！噶靠刂品绞绞噶靠刂频幕舅枷胧?將異步電動(dòng)機(jī)的物理模型等效變換成類(lèi)似直流電動(dòng)機(jī)的模型，再仿照直流電動(dòng)機(jī)去控制它，等效的原則是在不同坐標(biāo)中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相同。由電動(dòng)機(jī)原理可知，異步電動(dòng)機(jī)三相定子繞組電流在空間產(chǎn)生一個(gè)角速度為ω1的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。若有兩個(gè)互相垂直的M繞組和T繞組與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，繞組中分別通以直流電流iM和iT，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)可以與三相合成磁動(dòng)勢(shì)等效且炳個(gè)磁動(dòng)勢(shì)有相同的幅值、轉(zhuǎn)速和方向。又令M繞組的軸線與三相合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向平行，