【正文】 R圖 52 原拖動(dòng)系統(tǒng)的主電路 采用變頻調(diào)速的基本考慮 主拖動(dòng)系統(tǒng)1) 電動(dòng)機(jī)選型a 大車與小車變頻調(diào)速 專用電機(jī)b 吊鉤用電動(dòng)機(jī)由于要求較高，應(yīng)選用變頻專用的籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)；2) 制動(dòng)方法采用再生制動(dòng)、直流制動(dòng)和電磁機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合的方法。a 首先，通過變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生制動(dòng)和直流制動(dòng)把運(yùn)動(dòng)中的大車、小車或吊鉤迅速而準(zhǔn)確地將轉(zhuǎn)速降為 0(使它們停住)；b 對(duì)于吊鉤，常常需要重物在半空中停留一段時(shí)間(如重物在空中平移時(shí))，而變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然能使重物停住，但因容易受到外界因素的干擾(如在平移過程中常易出現(xiàn)的瞬間斷電)，可靠性較差。因此，利用電磁制動(dòng)器進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)仍然是必須的。 對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的分析大車與小車拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況與普通負(fù)載無異，本節(jié)只分析吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)。1) 空鉤 (包括極輕負(fù)載 )運(yùn)行 由于吊鉤的機(jī)械系統(tǒng)采用了蝸輪蝸桿減速，具有自鎖功能，故空鉤時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要由摩擦阻力構(gòu)成。a 上升運(yùn)行 重物的上升，完全是電動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)矩作用的結(jié)果。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)矩方向相同，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，其機(jī)械特性在第 I 象限，工作點(diǎn)如圖 53 中的 A 點(diǎn)( 高速 )與 B 點(diǎn)( 低速 )所示。b 下降運(yùn)行由于蝸輪蝸桿自鎖的原因，空鉤及輕載時(shí)是無法靠自重放鉤的，故下降運(yùn)行只能通過反接電源來實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向仍與轉(zhuǎn)矩方向相同，但方向反了，其機(jī)械特性在第 3 象限，工作點(diǎn)如圖 53 中的 C 點(diǎn)(高速)與 D 點(diǎn)(低速)所示。nBA39。39。CDT39。圖 53 不同狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)2) 重載運(yùn)行 負(fù)載加重時(shí)，工作點(diǎn)將右移。a 上升運(yùn)行 工作點(diǎn)右移至 點(diǎn)和 點(diǎn)。39。A39。Bb 下降運(yùn)行 工作點(diǎn)右移至第 4 象限，如圖 53 中的 點(diǎn)(高速)與 點(diǎn)(低速)所39。C39。D示。這時(shí)，由于重力加速度的原因，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度將超過同步轉(zhuǎn)速而進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是反轉(zhuǎn)(下降)的，但其轉(zhuǎn)矩的方向卻與旋轉(zhuǎn)方向相反，是正方向的，其作用是防止重物不斷下降，故重量相同的重物在下降時(shí)構(gòu)成的負(fù)載轉(zhuǎn)矩比上升時(shí)小。 變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要求橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的控制動(dòng)作包括：大車的左、右行；小車的前、后行；吊鉤的升、降等。所用這些，都可以通過可編程控制器(PLC)進(jìn)行無觸點(diǎn)控制。橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中需要引起注意的是關(guān)于防止溜鉤的控制。在電磁制動(dòng)器抱閘之前和松開之后的瞬間，極易發(fā)生重物由停住狀態(tài)下滑的現(xiàn)象，稱為溜鉤。防止溜鉤的控制需要注意的關(guān)鍵問題是：1) 電磁制動(dòng)器在通電到松開(或從斷電到抱閘)之間是需要時(shí)間的，約 (視型號(hào)和大小而定) 。因此，變頻器如過早停止輸出，將容易溜鉤；2) 變頻器必須避免在電磁制動(dòng)器抱情閘況下輸出較高頻率，以免發(fā)生因“過流”而跳閘的誤動(dòng)作。為此，具體控制方法如下：1) 重物停住的控制過程如圖 54 所示： XfBSftONOF正轉(zhuǎn)制動(dòng)抱閘要求制動(dòng)抱閘開始制動(dòng)抱閘完成圖 54 重物停住的控制過程 a 設(shè)定一個(gè)“停止起始頻率” ，當(dāng)變頻器的工作頻率下降到 時(shí)，變BSf BSf頻器將輸出一個(gè)“頻率到達(dá)信號(hào)” 。發(fā)出制動(dòng)電磁鐵斷電指令；b 設(shè)定一個(gè) 的維持時(shí)間 ， 的長短應(yīng)略大于制動(dòng)電磁鐵從開始釋放到BSfBt完全抱閘所需要的時(shí)間；c 變頻器將工作頻率下降至 0。2) 重物升降的控制過程a 設(shè)定一個(gè) “升降起始頻率 ” ，當(dāng)變頻器的工作頻率上升到 時(shí)，將暫RDf RDf停上升。為了確保當(dāng)制動(dòng)電磁鐵松開后，變頻器已能控制重物的升降到不會(huì)溜鉤，所以，在工作頻率達(dá) 的同時(shí)，變頻器將開始檢測電流，并設(shè)定檢測電流所需RDf時(shí)間 ；RCtb 當(dāng)變頻器確認(rèn)已經(jīng)有足夠大的輸出電流時(shí)，將發(fā)出一個(gè)“松開指令” ，使制動(dòng)電磁鐵開始通電；c 設(shè)定一個(gè) 的維持時(shí)間 ， 的長短應(yīng)略大于制動(dòng)電磁鐵從通電到RDfRDt完全松開所需要的時(shí)間；d 變頻器將工作頻率上升至所需頻率。 上述過程如圖 55 所示：RDfXfCtONOF正轉(zhuǎn)輸出電流制動(dòng)釋放要求制動(dòng)釋放開始制動(dòng)釋放完成圖 55 重物升降的控制過程3) 變頻器的零速全轉(zhuǎn)矩功能和直流強(qiáng)勵(lì)磁功能為了有效地防止溜鉤，某些新型變頻器設(shè)置了一些獨(dú)特的制動(dòng)功能，如：a 零速全轉(zhuǎn)矩功能變頻器可以在速度為 0 的狀態(tài)下，保持電動(dòng)機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩，且不需要速度反饋裝置。這一功能保證了吊鉤由升降狀態(tài)降速為 0 時(shí)，電動(dòng)機(jī)能夠使重物在空中停止，直到電磁制動(dòng)器將軸抱住為止，從而防止了溜鉤。b 啟動(dòng)前的直流強(qiáng)勵(lì)磁功能變頻器可以在啟動(dòng)前自動(dòng)進(jìn)行直流強(qiáng)勵(lì)磁。使電動(dòng)機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩(可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的 200%)維持重物在空中的停住狀態(tài)，以保證電磁制動(dòng)器在釋放過程中不會(huì)溜鉤。 橋式起重機(jī)采用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)1) 工作可靠性顯著提高 主要有以下幾個(gè)方面：a 消除了電動(dòng)機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)由于用籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)取代了繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，從而消除了電刷和滑環(huán)等薄弱環(huán)節(jié)。b 制動(dòng)電磁鐵的壽命可大大延長原拖動(dòng)系統(tǒng)是在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行抱閘的，采用變頻調(diào)速后，可以在基本停住的狀下進(jìn)行抱閘，閘皮的磨損情況將大為改善；c 操作手柄不再易損 原系統(tǒng)的操作手柄因受力較大，屬于易損件。采用變頻調(diào)速后，操作手柄的受力將很小，不易損壞；d 控制系統(tǒng)的故障率大為下降 原系統(tǒng)是十分復(fù)雜的接觸繼電器系統(tǒng)進(jìn)行控制的，故障率較高。采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)可大大簡化，可靠性大為提高。2) 節(jié)能效果十分可觀 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的外接電阻內(nèi)將消耗大量電能。采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，非但外接電阻內(nèi)消耗的大量電能可以完全節(jié)約，并且在吊鉤放下重物時(shí)，還可以將重物釋放的位能反饋給電源。3) 調(diào)速質(zhì)量明顯提高 采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，調(diào)速比可達(dá) 1：50 以上，調(diào)速精度達(dá) 1%。且調(diào)速?平穩(wěn)，能夠長時(shí)間低速運(yùn)行，具有很高的定位精度和運(yùn)行效率。4) 可簡化傳動(dòng)鏈 由于可以進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，從而在機(jī)械上省去了非標(biāo)設(shè)計(jì)的減速箱，使傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。 橋式起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)本次設(shè)計(jì)是為 10t 橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)一套變頻調(diào)速系統(tǒng)， 在設(shè)計(jì)中，其大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)及提升機(jī)構(gòu)均采用變頻調(diào)速，并應(yīng)用可編程序控制器(PLC)進(jìn)行信號(hào)協(xié)調(diào)和邏輯控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 56 所示：圖 56 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 主要技術(shù)規(guī)格1) 起重量 10t ；2) 起升速度 ；3) 運(yùn)行速度 ； 對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的主要技術(shù)要求1) 起升機(jī)構(gòu)的調(diào)速比為 1:10；大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速比為 1:6；小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速比為 1:4。2) 系統(tǒng)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，從空載到滿載，必須做到工作正常、運(yùn)行平穩(wěn)。各機(jī)構(gòu)正、反向工作的轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)小于 2s 。3) 起升機(jī)構(gòu)在不同負(fù)載下，各檔轉(zhuǎn)速在切換時(shí)無沖擊現(xiàn)象；額定載荷時(shí)各檔次切換時(shí)的溜鉤距離不得超過額定上升速度的 1/65。4) 起升機(jī)構(gòu)應(yīng)保證能起吊 倍額定載荷的重物，能在空中停住，且不溜鉤。5) 從全速運(yùn)行到完全停住的制動(dòng)時(shí)間：起升機(jī)構(gòu)不大于 2s；大車不大于3s；小車不大于 2s。 系統(tǒng)配置及選型1) 電動(dòng)機(jī)的選型 提升機(jī)構(gòu)則選用 YTP 系列變頻調(diào)速專用電機(jī)，其主要特點(diǎn)如下：a 對(duì)定、轉(zhuǎn)子槽形和定子繞組的分布作了特殊考慮可抑制高次諧波的影響。b 電磁負(fù)荷設(shè)計(jì)考慮了一定的裕度，既能保證電機(jī)在高頻時(shí)的過載能力，又能在低頻時(shí)有恒轉(zhuǎn)矩的輸出。c 使用 F 級(jí)絕緣系統(tǒng)，在高次諧波作用下仍可保證可靠絕緣。d 采用獨(dú)特的冷卻結(jié)構(gòu)，使用單獨(dú)的軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)，從而保證了電機(jī)在低速恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)溫升不超過允許值。e 能承受 160%額定轉(zhuǎn)矩、歷時(shí) 1min 的過載；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩的 倍。f 可安裝旋轉(zhuǎn)編碼器等速度反饋器件，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。2) 變頻器的選型某些公司已有針對(duì)起重機(jī)的專用變頻器，但價(jià)格昂貴。本次設(shè)計(jì)選用的是西門子 MM440 系列變頻器，該變頻器具有如下特點(diǎn)：a 有全程磁通矢量控制。在 1Hz 的低頻下，即使無速度反饋環(huán)節(jié)，也能提供150% 額定轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如增加速度反饋環(huán)節(jié)，可以做到零速控制(即使在零速下也有 150%額定轉(zhuǎn)矩輸出)。b 可配備制動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。c 在全速范圍內(nèi)具有恒轉(zhuǎn)矩特性。無速度反饋時(shí)，速比為 1000:1，控制精度為 %；有速度反饋時(shí)，速比達(dá) 1000:1，控制精度為 %，完全滿足要求。? ?綜合上述，選定各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的配置見表 46。表 56 變頻調(diào)速系統(tǒng)的配置變頻器型號(hào) 電機(jī)型號(hào)（容量/kW） 備注起升機(jī)構(gòu) 6SE64402AD315DA1 YTP160L4(15) 變頻調(diào)速專用電機(jī)大車 6SE64402AD315DA1 YTP132M4(2 )?變頻調(diào)速專用電機(jī)小車 6SE64402AD255CA1 YTP132M4() 變頻調(diào)速專用電機(jī) 系統(tǒng)介紹1) 大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu) 見表 56，小車由單臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，并由單獨(dú)得變頻器供電；大車為雙梁結(jié)構(gòu)，分別用兩臺(tái) 的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，由一臺(tái)功率較大的變頻器 15kW 供電。大、小車變頻器都預(yù)置 V/F 控制方式，不帶旋轉(zhuǎn)編碼器。2)起升機(jī)構(gòu) 起升機(jī)構(gòu)用變頻調(diào)速專用電機(jī)。變頻器可以實(shí)現(xiàn)無測速調(diào)速并預(yù)置為恒矢量控制方式。3)制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻 本系統(tǒng)對(duì)于重物下降時(shí)電動(dòng)機(jī)再生電能，采用由變頻器直流回路內(nèi)接入制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻消耗掉的方式。針對(duì)橋式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)起、制動(dòng)頻繁，要求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，以及下降時(shí)處于制動(dòng)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間較長等特點(diǎn)，因此： a 制動(dòng)單元應(yīng)加大一個(gè)檔次，以便允許有較大的制動(dòng)電流，縮短制動(dòng)過程； b 制動(dòng)電阻的額定功率應(yīng)加大一倍。 4)溜鉤的防止 本系統(tǒng)中，由于變頻器具有零速下的轉(zhuǎn)矩控制功能，故只需通過 PLC 和變頻器之間信號(hào)的適當(dāng)配合，即可圓滿解決溜鉤問題。第 6 章 橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) S7200PLC 網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議 S7200PLC 網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議的種類 S7200CPU 支持多種通信協(xié)議。根據(jù)所使用的 S7200CPU，網(wǎng)絡(luò)可以支持一個(gè)或多個(gè)協(xié)議，包括通用協(xié)議和公司專用協(xié)議。專用協(xié)議包括點(diǎn)到點(diǎn)(pointtopoint)接口協(xié)議(PPI)、多點(diǎn)(MultiPoint)接口協(xié)議(MPI), Profibus 協(xié)議、自由通信協(xié)議和 USS 協(xié)議。 協(xié)議 PPI 通信協(xié)議是西門子專門為 S7200 系列 PLC 開發(fā)的一個(gè)通信協(xié)議。主要應(yīng)用于對(duì) S7200 的編程、S7200 之間的通信以及 S7200 與 HMI 產(chǎn)品的通信?？梢酝ㄟ^ PC/PPI 電纜或兩芯屏蔽雙絞線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。支持的波特率分別為 , 。PPI 是一個(gè)主/從協(xié)議，在這個(gè)協(xié)議中，S7200 一般作為從站，自己不能發(fā)送信息，只有當(dāng)主站，如西門子編程器、TD200 等 HMI，給從站才進(jìn)行響應(yīng)。 協(xié)議Profibus 協(xié)議通常用于實(shí)現(xiàn)分布式 I/0 設(shè)備(遠(yuǎn)程式 I/0)的高速通信。許多廠家生產(chǎn)類型眾多的 Profibus 設(shè)備。這些設(shè)備包括從簡單的輸入或輸出模塊到電機(jī)控制器和可編程控制器。S7200CPU 可以通過 EM277 ProfibusDP 擴(kuò)展的方法連接到 Profi busDP 協(xié)議支持的網(wǎng)絡(luò)中。協(xié)議支持的波特率為 9600KB/s 到12MB/s。 協(xié)議 USS 通信協(xié)議是西門子專門為 S7200 系列 PLC 開發(fā)的一個(gè)通信協(xié)議。主要應(yīng)用于對(duì) S7200 之間的通信以及 S7200 與變頻器產(chǎn)品的通信。可以通過 485 電纜或兩芯屏蔽雙絞線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。支持的波特率分別為 , 。USS 是一個(gè)主/從協(xié)議，在這個(gè)協(xié)議中，S7200 一般作為主站，變頻器自己不能發(fā)送信息，只有當(dāng) S7200 主站發(fā)信息給從站，從站才進(jìn)行響應(yīng)。 PLC 程序設(shè)計(jì) PLC 編程軟件概述 S7200 的編程語言是 STEP 7micro/win32，它是用于 S7200 系列 PLC 進(jìn)行編程、調(diào)試的全新軟件，它是在國際標(biāo)準(zhǔn)工 EC11313 的基礎(chǔ)上建立的，可以用LAD, FBD 和 STL 來編程。 STEP 7micro/win32 軟件的一個(gè)特點(diǎn)是調(diào)試功能很強(qiáng)大，不僅能在線讀取數(shù)據(jù)，而且能在線修改過程數(shù)據(jù)，對(duì)于調(diào)試大型復(fù)雜控制程序非常有效。STEP 7micro/win32 軟件還附帶一些控制程序模塊，如 PID 調(diào)節(jié)模塊，這些模塊可以從主控制程序中直接調(diào)用，以便實(shí)現(xiàn)不同的功能。STEP 7micro/win32 軟件工具包采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，它采用文件塊的形式管理用戶編寫的程序及程序運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)。該工具軟件包為 S7200CPU 與其它系統(tǒng)部件(如觸摸屏、變頻器)的使用提供了便利。 程序設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，PLC 程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號(hào)(按鈕、繼電器)的輸入，判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號(hào)去控制接觸器、繼電器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。除此之外，另一個(gè)任務(wù)就是接受上位機(jī)的控制命令，以進(jìn)行自動(dòng)采樣。PLC 的軟件設(shè)計(jì)部分我們采用模塊化的方法，PLC 程序設(shè)計(jì)共有三個(gè)模塊:按鈕處理模塊、通信模塊、故障報(bào)警模塊。 （一）按鈕模塊按鈕模塊主要處理各電機(jī)和電磁閥的啟?？刂迫鐖D 61Big_Left 大車左進(jìn)Big_Stop 大車停止Big_Right 大車右進(jìn)Big_leftRing