1、本设计采用普通型变频器。变频器的容量要与电动机功率优化匹配，但不能仅由电动机的功率确定变频器的容量，变频器的额定输出电流也是选择变频器的容量时必须考虑的。1连续恒载单台变频器单台电动机运行的场合所需的变频器容量（kVA）需要同时满足下列的三个计算式 （3.1.2-1） （3.1.2-2） （3.1.2-3）起升机构电机为YZR200L-6Z/22型号，该电机是6个磁极，额定转速964r/min,额定电流49.1A, 额定电压为380V。将其相关参数带入以上三式，其中 k值取1.07，在式（3.1.2-1） 中 36.92kw（3.1.2-2） 中 34.57kw（3.1.2-3） 中 52.5
2、3A起升机构电机变频器可以选择型号为FR-F540-30K-CH同理可知：小车电机变频器可以选择型号为FR-F540-3.7K-CH。大车电机变频器可以选择型号为FR-F540-30K-CH。2、变频器的配置和制动电阻变频器基本配置的选择变频器的基本配置有隔离开关、交流接触器、交流电抗器、直流电抗器。隔离开关的主要作用是将用电设备与电源隔开。本设计中大车的变频器的额定电流为57A, 小车的变频器的额定电流为7.5A,起升机构的为57A。所以隔离开关选择型号为GLCK-125A的隔离开关，该型号的隔离开关额定电流为125A。交流接触器的作用:电源一旦断电，在变频器内部保护功能起作用时，通过接触器
3、自动将变频器与电源电源脱开，以免在外部端子控制状态下重新供电时变频器自行工作，以保护设备的安全及人身安全。在本设计中交流接触器选择为GTM1L-225系列的额定电流为125A。在选择交流电抗器的容量时，一般按下式进行 （3.2.1-1）式中：U为额定电压，单位V。I为额定电流，单位A。为最大频率，单位Hz。 L为电感量，单位H。制动电阻的选择制动电阻的粗略算法为： （3.2.2-1） 为电动机的额定电流；为直流回路电压。直流回路电压可计算为变频器FR-F540-3.7K-CH的额定电流为7.5A,则制动电阻的取值范围为40欧80欧。变频器FR-F540-30K-CH的额定电流为57A，则制动电
4、阻的取值范围为5.26欧10.52欧。二、电气控制系统的设计1、桥式起重机控制要求的分析桥式起重机主要有三个控制对象，即大车、小车、起升机构。对于大车，必须可以左右移动。左右移动的速度可以划分成三个档，即高速、中速、低速。根据起重机械安装使用维修检验手册上的数据，起重量小于50吨的起重机，大车的高速速度为80125m/min,中速为63100m/min,低速为2050m/min。本设计中的QD型起重机，在工频电源下大车的速度为112.5m/min,即高速。中速在中速档中本设计选择为75m/min，低速在低速档中选择为35m/min。由于该三档速度所使用的传动机械是不变的传动系数也不变，于是可得
5、：，=33.3Hz，=15.6Hz，式中为中速档大车变频器的工作频率，为大车变频器低速档工作的频率。为了大车定位准确，需要增加点动控制功能，点动控制的为三档速度中的低速档。对于小车，必须可以前后移动。前后移动的速度也可以划分成三个档，即高速、中速、低速。根据起重机械安装使用维修检验手册上的数据，起重量小于50吨的起重机，小车的高速速度为4063m/min,中速为3250m/min,低速为1025m/min。本设计中的QD型起重机，在工频电源下小车的速度为43m/min,即高速。中速在中速档中本设计选择为35m/min，低速在低速档中选择为15m/min。 ，=40.7Hz,=17.4Hz ，式
6、中为中速档变频器的工作频率，为变频器低速档工作的频率。对于起升机构，必须可以上下移动。上下移动的速度也可以划分成三个档，即高速、中速、低速。根据起重机械安装使用维修检验手册上的数据，起重量小于50吨的起重机，起升机构的高速速度为6.316m/min,中速为512.5m/min,低速为1.65m/min。本设计中的QD型起重机，在工频电源下起升机构的速度为13.3m/min,即高速。中速在中速档中本设计选择为8m/min，低速在低速档中选择为3m/min。=30Hz，=11.2Hz，式中变频器的频率设定电位器选择阻值为1000欧，额定功率为0.5W。三、电气控制原理图的设计 桥式起重机控制系统的
7、主电路它主要由三台变频器、四台电动机、三个电磁制动器、三个指示灯组成。大车变频器连接有两个电动机，小车和起升机构各连接一台变频器。三台电磁制动器YB1、YB2、YB3都是断电制动，通电松开。每个变频器都接有6个信号输入触点，分别控制变频器的正转、反转、变频器停止输出信号、控制高速的频率的电压信号、控制中速的频率的电压信号、控制低速的频率的电压信号。变频器的接线端子A是变频器异常信号输出端，三个变频器的该接线分别用A1、A2、A3来表示。变频器的指示灯HL1、HL2、HL3是用来指示变频器运行状况的，当变频器正在停止或正在直流制动时，该灯就会点亮。图中的L1、L2、L3分别是三台变频器的交流电抗
8、器，它的主要作用是限制冲击电流，改善功率因数，滤除高次谐波从而减少不良影响。R1、S1是变频器控制系统电源输入端。四、 控制系统的PLC程序设计大车的PLC程序设计。运用西门子PLC编程软件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6，大车梯形图程序编写如下： 大车控制系统的梯形图程序小车的PLC程序设计。运用西门子PLC编程软件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6，小车梯形图程序编写如下：小车控制系统的梯形图程序起升机构的PLC程序设计。运用西门子PLC编程软件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6，起升机构梯形图程序编写如下：起升机构控制系统的梯形图程序五、结语桥
9、式起重机电气控制系统的设计中主要由两部分组成，即主电路和控制电路。主电路主要由隔离开关、断路器、交流电抗器、3个变频器。其中变频器具有短路保护，缺相保护、过载保护等，从而使主电路中省去各个电动机的热继电器、熔断器、缺相保护装置等。从而减少了主电路中的电气元件。即使电路简化又节省了成本，而且使用变频器使主电路的安全性、稳定性、可靠性增加。并且变频器优良的调速性能使电动机省去了转子串电阻调速装置。控制电路中实施控制的主要元件是PLC，被控对象分别为大车、小车、起升机构，都采用凸轮控制器来控制他们低、中、高转速，都设有正反转点动，变频器故障信号保护，电磁制动器都采用断电制动。除此之外，大车还设有滑行
10、控制，该控制具有缓冲震荡、节能的效果。基于PLC的桥式起重机的电气控制系统所设计的面比较广，知识结构复杂，由于本人研究能力和研究时间有限，论文中存在不足在所难免，希望各位老师同学指正，并希望在以后的工作和学习中能够加以补充和完善。参考文献1倪远平主编现代低压电器及其控制技术，重庆大学出版社.20032郑凤翼、杨洪升主编怎样看电气控制电路图，人民邮电出版社.20043万力主编起重机械安装使用维修检验手册，冶金工业出版社.20004文涛、李桂莲主编电气控制与可编程序控制器，煤炭工业出版社.20055何超主编交流变频调速技术，北京航空航天大学出版社.201115/3T桥式起重机电气控制设备设计文献综
11、述专业： 机械设计制造及其自动化 班级：作者： 指导老师：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。它具有承载能力大，工作可靠性高，制造工艺相对简单等优点。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。随着经济建设的发展，用户对其性能要求越来越高，同时对产品的个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
12、起重机的工作效率和可靠稳定性，应用现代CAD/CAM技术，增强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，是生产生活中不可缺少的。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控制的，为了提高桥式起重机的使用效率和可靠稳定性，应用PLC控制系统对起重机电气设备进行控制已成为必然。传统的桥式起重机控制系统采用的是继电器逻辑控制电路，这种控制易出故障，维护不便，运行寿命短，正逐步被淘汰。而PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点。在核心控制部分采用的是软件程
13、序控制，从而在保证起重机正常运行这个要求的情况下，大大的提高了起重机故障检查与维修的方便性和容易性，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。为了提高自动控制系统的可靠性和设备的工作效率，设计了一套以PLC为核心控制器的桥式起重机电气设备控制系统，用来取代以往的较复杂的继电器接触器控制。桥式起重机电气设备调速控制的方法很多，对直流驱动来讲60年代采用发电机一电机系统。 从控制电阻分级控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，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发展，集成模块出现，计算机、微处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制发展至今
14、天的数字量控制。从交流驱动来讲:常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放时的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转子反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的发展，国内外开发研制变频调速，PLC可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。 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是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统，其控制功率从300HP到4000HP，并采用PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。 （2）交流调速控制系统 :对于起重机械来
15、讲，交流驱动仍是国内普遍采用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发展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。可编程序控制器PLC引入到交流电气传动系统后，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控制和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度。（3）变频调速:变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用，但其控制性能有一定的差异。直流电动机之所以与有良好的控制性能，其根本原因是当励磁电流恒定时，控制电枢电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小。异步电动
16、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分量和电磁转矩所对应装置电流有功分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，这两个分量有会互相影响。本课题中以桥式起重机作为研究实体，由上可知，传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕线机转子串电阻的方法进行启动和调速，继电接触器控制，这种控制系统的主要缺点有： （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）继电接触器控制系统可靠性差，操作复杂，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，调速不理想。所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。随着电力电
17、子技术的发展，变频调速作为一种调速方法自本世纪初提出以来发展十分迅速，它在节能，维护量小， 自动控制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，特别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，仍然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，工程项目很多，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用了变频调速技术，并采用了PLC进行控制。在9O 的起重机上成功地运用了变频
18、调速技术。使起重机在全速范围内实现了高精度控制，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、抱闸时的溜钩现象提供了可靠的保证；主令控制信号与变频器给出的低速抱闸信号相结合控制制动器动作，达到低速抱闸及准确定位功能，并可减轻制动器的磨损。起重机采用先进的可编程控制技术PLC和变频器技术，以程序控制取代继电器-接触器控制，交流电动机调速方式采用变频调速。要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。近年来，随着微机技术的迅猛发展和电子计算机技术的广泛应用，PLC控制技术开始应用在
19、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，电气设计立足于安全，可靠，技术先进，性能价格比合理，维修方便。因此采用PLC控制的调速技术是起重机各项技术性能的主要保证。PLC控制系统的主要特点： （1）采用PLC对起重机电控系统进行控制和管理, 使其工作时对信号显示和故障监测十分方便, 可大大缩短检修时间。 （2）采用PLC作为电控系统装置, 可节省司机室内的空间, 方便司机操作。 （3）电控系统的逻辑控制大多由PLC以扫描方式执行用户程序来完成。与继电器控制电路相比, 减少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
20、压调速装置、交流变频） 均可顺利联接于PLC的控制当中,从而实现对各机构电动机的高精度实时控制。 （4）使用PLC的控制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发展, 应用高科技技术来保证起重机安全可靠性, 将是必然的趋势。一、PLC的系统组成与各部分的作用PLC是一种通用的工业控制装置，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是将中央处理器（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扩展单元与主机配
21、合使用。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，都可以根据需要进行配合与组合。它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。 1.中央处理单元 （CPU）中央处理单元一般由控制器、运算器和寄存器组
22、成，这些电路都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，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，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，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 根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
23、算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了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:用户根据控制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，由于用户程序需要经常改动、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，都用后备电池保护 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，不希望被随意改动时，可将用户程序写于EPROM。目前较先进的PLC采用快闪存储
24、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，不需要后备电池保护。 （3）工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。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，开辟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、辅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。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电
25、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控制信号，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央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控制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的交流电源，内
26、部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供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，有的采用单独电源模块，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的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。 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 （
27、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，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。 7.编程器 编程器的作用是提供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
28、用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。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不再提供编程器，而且提供微机编程软件了，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控制装置，但这两者的运行方式是不相同的： 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。PLC
29、的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制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采用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与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。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以一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
