【導讀】湖南機電職業(yè)技術(shù)學院。課題名稱15/3橋式起重機變頻調(diào)速改造。院系電氣工程學院。專業(yè)機電一體化技術(shù)。湖南機電職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書

　　

【正文】 C相區(qū)別，故常常把可編程序控制器簡稱為 PLC。 可編程序控制器的主要功能 近年來 PLC 把自動化技術(shù)、計算機和通信技術(shù)融為一體。它可完成以下主要功能：1 邏輯控制 2 定時控制 3 記數(shù)控制 4 步進控制 5A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換 6 數(shù)據(jù)處理 7通信與聯(lián)網(wǎng) 8 對控制系統(tǒng)監(jiān)控 可以預料，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展， PLC 的功能也會不斷拓寬和增強。 PLC 的主要優(yōu)點 編程簡單 PLC 的基本指令不多；編程器的使用簡便；對程序進行增減、修改和運行監(jiān)視很方便。 可靠性高 PLC 是專門為工業(yè)控制而設計的，在設計與制造過程中均采用了諸如屏蔽、濾波、隔離、無觸點、精選元器件等多層次有效的抗干擾措施。此外， PLC 還具湖南機電職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書 有很強的自診斷功能，可以迅速方便地檢查判斷出故障，縮短檢修時間。 通用性好 PLC 品種多，檔次也多，可由各種組件靈活組合成不同的控制系統(tǒng)，以滿足不同的控制要求。同一臺 PLC 只能改變軟件則可實現(xiàn)控制不同對象或不同的控制要求。在構(gòu)成不同的 PLC 的控制系統(tǒng)時，只需在 PLC 的輸入輸出端子上接上不同的相應的輸入輸出信號， PLC 就能接收輸入信號和輸出控制信號。 功能強 PLC 具有很強的功能，能進行邏輯、定時、計數(shù)和步進等控制，能完成A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能。而且 PLC 技術(shù)發(fā)展很快，功能不斷增強，應用領(lǐng)域會更廣。 使用方便 PLC 體積小，重量輕，便于安裝。 PLC 編程簡單，編程器使用簡便。PLC 自診斷能力強，能判斷和顯示出自身故障，使操作人員檢查判斷故障方便迅速，而且接線少，維修時只需更換插入式模塊，維護方便。修改程序和監(jiān)視運行狀態(tài)也容易。 設計、施工和調(diào)試周期短 PLC 在許多方面是以軟件編程來取代硬件接線，用 PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)比較簡單， 編程容易，安裝使用方便，目前的 PLC 已商品化，硬件軟件較齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，不需要很多配套的外圍設備和大量的復雜的接線，程序調(diào)試修改也很方便。因此可大大縮短 PLC 控制系統(tǒng)的設計、施工和投產(chǎn)周期。 從上述 PLC 的功能特點可見 ， 在許多方面可以取代繼電接觸控制。但是 PLC 也有其缺點：目前價格還比較高；工作速度比計算機慢；使用中檔和高檔 PLC，要求使用者具有相當?shù)挠嬎銠C知識； PLC 制造廠家和 PLC 品種類型很多，而指令系統(tǒng)和使用方法不盡相同，這給用戶帶來不便。 PLC 的應用與發(fā)展和系統(tǒng)組成 目前 PLC 廣泛應用于汽車制造、石油、化工、冶金、輕工、機械、電力等各行各業(yè)，實現(xiàn)邏輯、步進、數(shù)字、機器人、模擬量等的自動控制 。 我國研制與應用 PLC 起步較晚， 1973 年開始研制， 1977 年開始應用， 20 世紀 80年代初期以前發(fā)展較慢， 20 世紀 80 年代隨著成套設備或?qū)Ｓ迷O備引進了不少 PLC。 近幾年來國外 PLC 產(chǎn)品大量進入我國市場，我國已有許多單位在消化吸收引進 PLC 技術(shù)的基礎(chǔ)上，仿制或研制 PLC 產(chǎn)品。 20 世紀 80 年代中后期，我國開發(fā)應用 PLC 技術(shù)發(fā)展迅速， 目前 PLC 發(fā)展方向主要是朝著小型化、廉價化、標準化、系列化、智能化、高速化、湖南機電職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書 大容量化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展，這將使 PLC 功能更強，可靠性更高，使用更方便，適用面更廣 。 PLC 是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機系統(tǒng)基本相同。按結(jié)構(gòu)形式的不同， PLC 可分為整體式和組合式。 中央處理單元 (CPU) 中央處理單元一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內(nèi)，CPU 通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入 /輸出接口電路相連接。它是PLC 的運算、控制中心。 存儲器 根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下 3 種： a 系統(tǒng)程序存儲器 b 用戶程序存儲器 c 工作數(shù)據(jù)存儲器 I/O 單元 I/O 單元也稱為 I/O 模塊 。 PLC 通過 I/O 單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。輸入單元接收用戶設備的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運行時 CPU 從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點對 應的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設備的執(zhí)行元件。 電源部分 PLC 一般使用 220V 的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為 PLC 的中央處理器、存儲器等電路提供 5V， +12V， +24V 的直流電源，使 PLC 能正常工作，電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結(jié)構(gòu)的 CPU，通常電源封裝到機殼內(nèi)部：對于模塊式 PLC，有的采用單獨電源模塊，有的將電源與 CPU 封裝到一個模塊中。 擴展接口 擴展接口用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使 PLC 的 配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 通信接口 為了實現(xiàn) “ 人一機 ” 或 “ 機一機 ” 之間的對話， PLC 配有多種通信接口。 PLC 通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機和其他的 PLC 或計算機相連。 湖南機電職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書 當 PLC 與打印機相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打??；當與監(jiān)視器 (CRT)相連時，可將過程圖像顯示出來；當與其他 PLC 相連時，可以組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)路，實現(xiàn)更大規(guī)模的控制；當與計算機相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合性控制。 編程器 編程器的作用是提供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān) 視。 編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機編程，且往往需要將體形圖轉(zhuǎn)化為機器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機編程，也可以脫機編程，具有LCD 或 CRT 圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用 PC作為編程器， PLC 生產(chǎn)廠家配有相應的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，井可以 實現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)換。程序被下載到 PLC，也可以將 PLC 中的程序上 傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡，還可以實現(xiàn)遠程編程和傳送?，F(xiàn)在已有些 PLC 不再提供編程器，而且提供微機編程軟件了，并且配有相應的通信連接電纜 。 湖南機電職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書 第五章 調(diào)速控制系統(tǒng)設計和部件選型 橋式起重機俗稱行車，是工礦企業(yè)中應用得十分廣泛的一種起重機。其運行機構(gòu)由三個基本獨立的拖動系統(tǒng)構(gòu)成： 大車拖動系統(tǒng) 拖動整臺起重機順著車間作 “ 橫向 ” 運動 (以操作者的坐標為準 )。 小車拖動系統(tǒng) 拖動吊鉤及重物順著橋架作 “ 縱向 ” 運動。 吊鉤拖動系統(tǒng) 拖動重物作吊起或放下的上、下運動。 負荷特點 各拖動系統(tǒng)負荷轉(zhuǎn)矩 LT 都與 “ 阻力 ” LF 和回轉(zhuǎn)半徑 LR 的乘積成正比： LT = LF LR 在大車和小車拖動系統(tǒng)中， LF 是摩擦力，而在吊鉤拖動系統(tǒng)中， LF 是被吊物和吊鉤的重力。 由 式 51可知，負載轉(zhuǎn)矩 LT 的大小與速度無關(guān)，因而具有 “ 恒轉(zhuǎn)矩 ” 的特點。 對拖動系統(tǒng)的要求 大車和小車對拖動系統(tǒng)的要求較為一般，這里重點介紹對吊鉤拖動系統(tǒng)的要求。 (1)在全調(diào)速范圍內(nèi)，電動機的有效轉(zhuǎn)矩線應是恒轉(zhuǎn)矩的； (2)起動時，除上述負載轉(zhuǎn)矩 LT 外，還必須克服靜摩擦力。所以，拖動系統(tǒng)應有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩； (3)重物下降時，除空鉤和極輕負載外，在絕大多數(shù)情況下，都是依靠自身的重力而下降的。為了克服重物因重力加速度而不斷加速，電動機必須產(chǎn)生足夠的制動轉(zhuǎn)矩，使重物在所需轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)下降 ； 湖南機電職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書 (4)重物在空中停住的前后，不能發(fā)生 “ 溜鉤 ” 。 原拖動系統(tǒng)的主電路 原拖動系統(tǒng)的主電路如圖 所示，其主要特點是： 選用電動機 大多采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機； 調(diào)速方法 在電動機的轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串 入 五段外接電阻 R1~R5(也有七段或更多 )，由接觸器 KM1 ~KM4 的狀態(tài)來決定串入電阻的多少，從而調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速高低； 制動方法 采用電磁制動器進行機械制動。 M3~ 1KM2KM34KM134R5 圖 原拖動系統(tǒng)的主電路 采用變頻調(diào)速的基本考慮 主拖動系統(tǒng) 電動機選型 (1)大車與小車 變頻調(diào)速 專用電機 (2)吊鉤用電動機 由于要求較高，應選用變頻專用的籠型轉(zhuǎn)子異步電動機 ； 制動方法 湖南機電職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書 采用再生制動、直流制動和電磁機械制動相結(jié)合的方法。 (1)首先，通過變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生制動和直流制動把運動中的大車、小車或吊鉤迅速而準確地將轉(zhuǎn)速降為 0(使它們停住 )； (2)對于吊鉤，常常需要重物在半空中停留一段時間 (如重物在空中平移時 )，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，利用電磁制動器進行機械制動仍然是必須的。 對電動機運行狀態(tài)的分析 大車與小車拖動系統(tǒng)的運行狀況與普通負載無異，本節(jié)只分析吊鉤拖動系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)。 空鉤 (包括極輕負載 )運行 由于吊鉤的機械系統(tǒng) 采用了蝸輪蝸桿減速，具有自鎖功能，故空鉤時的負載轉(zhuǎn)矩主要由摩擦阻力構(gòu)成。 (1)上升運行 重物的上升，完全是電動機正向轉(zhuǎn)矩作用的結(jié)果。這時，電動機的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)矩方向相同，電動機處于電動狀態(tài)，其機械特性在第 I 象限，工作點如圖 中的 A 點 (高速 )與 B 點 (低速 )所示。 (2)下降運行 由于蝸輪蝸桿自鎖的原因，空鉤及輕載時是無法靠自重放鉤的，故下降運行只能通過反接電源來實現(xiàn)。電動機的旋轉(zhuǎn)方向仍與轉(zhuǎn)矩方向相同，但方向反了，其機械特性在第 3 象限，工作點如圖 53 中的 C 點 (高速 )與 D點 (低速 )所示。 nB39。B39。CC 39。DT39。A 圖 不同狀態(tài)下電動機的工作點 湖南機電職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書 重載運行 負載加重時，工作點將右移。 （ 1） 上升運行 工作點右移至 39。A 點和 39。B 點。 （ 2） 下降運行 工作點右移至第 4象限，如圖 中的 39。C 點 (高速 )與 39。D 點 (低速 )所示。這時，由于重力加速度的原因，電動機的旋轉(zhuǎn)速度將超過同步轉(zhuǎn)速而進入再生制動狀態(tài)。電動機的旋轉(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構(gòu)成的負載轉(zhuǎn)矩比上升時小。 變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要求 橋式起重機拖動系統(tǒng)的控制動作包括：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)進行無觸點控制。 橋式起重機控制系統(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： 電磁制動器在通電到松開 (或從斷電到抱閘 )之間是需要時間的，約 (視型號和大小而定 )。因此，變頻器如過早停止輸出，將容易溜鉤； 變頻器必須避免在電磁制動器抱情閘況下輸出較高頻率，以免發(fā)生因 “ 過流 ”而跳閘的誤動作。 為此，具體控制方法如下： 重物停住的控制過程 如圖 所示： Xf BSfBBtONOFFOFFOFFONOFF正 轉(zhuǎn)制 動 抱 閘 要 求制 動 抱 閘 開 始制 動 抱 閘 完 成 圖 重物停住的控制過程 （ 1） 設定一個 “ 停止起始頻率 ” BSf ，當變頻器的工作頻率下降到 BSf 時，變頻器湖南機電職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書 將輸出一個 “ 頻率到達信號 ” 。發(fā)出制動電磁鐵斷電指令； （ 2） 設定一個 BSf 的維持時間 BBt ， BBt 的長短應略大于制動電磁鐵從開始釋放到完全抱 閘 所需要的時間； （ 3） 變頻器將工作頻率下降至 0。 重物升降的控制過程 （ 1） 設定一個 “ 升降起始頻率 ” RDf ，當變頻器的工作頻率上升到 RDf 時，將暫停上升。為了確保當制動電磁鐵松開后，變頻器已能控制重物的升降到不會溜鉤，所以，在工作頻率達 RDf 的同時，變頻器將開始檢測電流，并設定檢測電流所需時間 RCt ； （ 2） 當變頻器確認已經(jīng)有足夠大的輸出電流時，將發(fā)出一個 “ 松開指令 ” ，使制動電磁鐵開始通電； （ 3） 設定一個 RDf 的維持時間 RDt ， RDt