摘 要電氣調(diào)速控制的方法很多，對直流驅(qū)動來講 60 年代采用發(fā)電機(jī)電機(jī)系統(tǒng)。從控制電阻分級控制，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閘管整流供電系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成模塊出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)、微處理器應(yīng)用，因此控制從分立組成模擬量控制發(fā)展至今天的數(shù)字量控制。從交流驅(qū)動來講：常規(guī)的常采用繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，為滿足重物下放時(shí)的低速，一般依靠能耗制動、反接制動，后來還采用渦流制動，還有靠轉(zhuǎn)子反饋控制制動、反接制動、單相制動器抱閘松勁的所謂軟制動，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外開發(fā)研制變頻調(diào)速，PLC 可編程序控制器的應(yīng)用控制系統(tǒng)的性能更加完美。本次設(shè)計(jì)采用 PLC 和變頻器技術(shù)，以 PLC 控制變頻器，即以程序控制取代繼電接觸器控制，控制變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，設(shè)計(jì)出 PLC控制的橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的半自動化控制。關(guān)鍵詞：PLC 橋式起重機(jī) 矢量控制目 錄摘 要 .1緒 論 .3第 1 章 橋式起重機(jī)介紹 .61.1 國內(nèi)外發(fā)展概況 .61.2 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問題 .7第 2 章 調(diào)速系統(tǒng)介紹 .92.1 電動機(jī)的調(diào)速指標(biāo) .92.2 變頻調(diào)速的基本原理 .112.3 電動機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性 .12第 3 章 變頻器 .143.1 變頻器的分類 .143.2 變頻器的主電路 .153.3 變頻器的控制電路 .163.4 脈寬調(diào)制型(PWM)變頻器 .16第 4 章 可編程序控制器 .204.1 PLC 的應(yīng)用與發(fā)展和系統(tǒng)組成 .224.2 PLC 的工作原理、抗干擾分析及設(shè)計(jì) .24第 5 章 調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部件選型 .255.1 采用變頻調(diào)速的基本考慮 .265.3 橋式起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng) .31第 6 章 橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .346.1 S7-200PLC 網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議 .346.2 PLC 程序設(shè)計(jì) .35展 望 .39參考文獻(xiàn) .41第 3 頁緒 論橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個國民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的地位，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(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，推動了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。但在實(shí)際使用中，傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)所采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行啟動和調(diào)速，繼電接觸器控制，在工作環(huán)境差，工作任務(wù)重時(shí)，電動機(jī)以及所串連電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生；繼電接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，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。所串連電阻長期發(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。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的迅猛發(fā)展，同時(shí)也帶動電氣傳動和自動控制領(lǐng)域的發(fā)展。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。變頻技術(shù)的運(yùn)用使得起重機(jī)的整體特性得到較大提高，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)存在諸多的問題，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。本次設(shè)計(jì)采用 PLC 和變頻器技術(shù)，以 PLC 控制變頻器，即以程序控制取代繼電接觸器控制，控制變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，設(shè)計(jì)出 PLC 控制的橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的半自動化控制。此系統(tǒng)特別適用于橋式起重機(jī)在惡劣條件下的工作情況，對改善橋式起重機(jī)的調(diào)速性能，提高工作效率和功率因數(shù)，減小起制動沖擊以及增加起重機(jī)使用的安全可靠性是非常有益的。如果說以第一個晶閘管的出現(xiàn)作為交流電動機(jī)變頻調(diào)速的起點(diǎn)，可以認(rèn)為它的發(fā)展歷史己 40 多年了。而變頻調(diào)速技術(shù)真正高速發(fā)展時(shí)期，應(yīng)該是在 PWM 調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)和微機(jī)控制技術(shù)發(fā)展之后。特別是最近 20 年來，隨著交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用普及，交流變頻調(diào)速在化工、火電廠、礦山、油田、機(jī)械制造、城市建設(shè)、水處理、甚至家電等行業(yè)己經(jīng)全面推廣使用，一般主要用于節(jié)能及控制。隨著變頻技術(shù)的普及和深入，以及國際、國內(nèi)電器設(shè)備使用的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)意識的強(qiáng)化，電力系統(tǒng)行業(yè)和用戶對變頻技術(shù)的質(zhì)量要求也越來越高。變頻調(diào)速的發(fā)展趨勢主要圍繞下面幾個方而展開。1) 高性能的智能控制變頻器380V 系統(tǒng)的低壓變頻器是國內(nèi)的主要研究對象，應(yīng)用交流調(diào)速的基本理論，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制、模糊控制，或其他智能控制等手段，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)第 4 頁行參數(shù)的自動辨識，以期達(dá)到自適應(yīng)、自調(diào)整的最優(yōu)控制。2) 速度傳感器研究從前面所述的各種變頻調(diào)速的理論可知，一般系統(tǒng)都要用到轉(zhuǎn)速傳感器。在實(shí)際使用中，由于變頻設(shè)備和被控電動機(jī)有一定的距離，而高精度的轉(zhuǎn)速傳感器都要使用專門的電源，被控電動機(jī)有的是在戶外，運(yùn)行工況非常惡劣，要保證速度反饋的準(zhǔn)確性，有時(shí)不得不采取特別措施，因此也會增加額外費(fèi)用，運(yùn)行的可靠性和控制精度也會因此受到影響。無速度傳感器的變頻調(diào)速系統(tǒng)，是通過現(xiàn)場采集的電流電壓量，以及控制的實(shí)施策略，綜合出被控電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。這種控制方案要求計(jì)算機(jī)的控制速度較高，并有足夠的精度。3) 針對功率因數(shù)提高和諧波污染的研究低壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制雖然己經(jīng)是非常成熟了，但目前國際、國內(nèi)的產(chǎn)品，一般都是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，重點(diǎn)放在電機(jī)變頻控制理論的實(shí)現(xiàn)和完善上，而對變頻器的輸出波形、功率因數(shù)，以及諧波污染等問題還沒有引起足夠的重視。最近 10 多年來，國外在這一領(lǐng)域己有較深入的研究。有的針對功率因數(shù)，有的強(qiáng)調(diào)輸出波形。多重化技術(shù)就是為了解決輸出波形問題。最近幾年的研究表明，利用 PWM 輸出控制解決諧波輸出問題，是比較理想的方法，它可以省去多重化中的變壓器，或過多的開關(guān)元器件，使變頻器的體積和重量減少，但這種方法不能解決所有諧波的消除問題，只能部分消除特定諧波。這方面的研究論文還不多，也還沒有成熟的類似低壓變頻器的產(chǎn)品出現(xiàn)。4) 高壓變頻器的研究變頻器的主要作用之一是節(jié)能。而高壓電動機(jī)的節(jié)能效果是比較明顯的，大功率的風(fēng)機(jī)和水泵用電動機(jī)一般都是高壓電動機(jī)。國內(nèi)，高壓變頻調(diào)速和它的節(jié)能控制還是一個比較薄弱的環(huán)節(jié).它主要是針對 610kV 的交流電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。這種高壓電動機(jī)廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠的送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)上。同樣也可用于其他如石油化工、礦山、冶煉、機(jī)械制造等行業(yè)的變頻節(jié)能控制。從某種意義上講，由于目前國內(nèi)還不能完全生產(chǎn)高質(zhì)量的合格電力電子器件，而且，國外低壓變頻器的性能價(jià)格比也比國內(nèi)自己研究的變頻器高得多。隨著電力電子技術(shù)最近 20 多年的飛速發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件的成本逐年下降，技術(shù)工藝和性能也得到不斷改善.電力電子器件的應(yīng)用己從傳統(tǒng)的直流調(diào)速、直流屏、斬波器等領(lǐng)域延伸到交流調(diào)速和電力系統(tǒng)的質(zhì)量控制領(lǐng)域.并正朝著高電壓、大功率的方向發(fā)展.這也是千年之交和世紀(jì)之交我國電力電子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。5) 無換向器同步電機(jī)的變頻調(diào)速無換向器電動機(jī)也是在 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的新型調(diào)速系統(tǒng)。它是一種變頻調(diào)速同步電動機(jī).也可以認(rèn)為是一種用半導(dǎo)體電子開關(guān)線路代替換向器和電刷作第 5 頁用的直流電動機(jī)。根據(jù)采用的控制方式不同.可分為直流無換向器電動機(jī)和交流無換向器電動機(jī)。直流無換向器電動機(jī)采用交-直-交或直-交變頻控制系統(tǒng);交流無換向器電動機(jī)采用交-交變頻控制系統(tǒng)。近 10 年來.國內(nèi)外雜志上有許多相關(guān)的研究論文。而且，也有一定的成果出現(xiàn)。第 6 頁第 1 章 橋式起重機(jī)介紹1.1 國內(nèi)外發(fā)展概況電氣調(diào)速控制的方法很多，對直流驅(qū)動來講 60 年代采用發(fā)電機(jī)電機(jī)系統(tǒng)。從控制電阻分級控制，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閘管整流供電系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成模塊出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)、微處理器應(yīng)用，因此控制從分立組成模擬量控制發(fā)展至今天的數(shù)字量控制。從交流驅(qū)動來講：常規(guī)的常采用繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，為滿足重物下放時(shí)的低速，一般依靠能耗制動、反接制動，后來還采用渦流制動，還有靠轉(zhuǎn)子反饋控制制動、反接制動、單相制動器抱閘松勁的所謂軟制動，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外開發(fā)研制變頻調(diào)速，PLC 可編程序控制器的應(yīng)用控制系統(tǒng)的性能更加完美。目前國內(nèi)外幾種常用調(diào)速系統(tǒng)配置及其性能：l) DC-300 直流驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)：GE 公司 DC-300，DC-2000 是微處理器數(shù)字量控制的直流驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)，其控制功率從 300HP 到4000HP，并采用 PLC 對整機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)施故障診斷、檢測、報(bào)警及控制。該驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)施主回路 SCR 整流，其控制是給定模擬量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過速度環(huán)、電流環(huán)到 SCR 移現(xiàn)觸發(fā)的邏輯無環(huán)流的調(diào)速系統(tǒng)。可用測速反饋或電壓反饋，對磁場弱磁，以實(shí)施恒功率控制。2) 交流調(diào)速控制系統(tǒng)：對于起重機(jī)械來講，交流驅(qū)動仍是國內(nèi)普遍采用的方案而且多數(shù)停留在繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻來調(diào)速。隨著功率電子技術(shù)的發(fā)展，早在六十年代后期，國外就開始致力于晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)的開發(fā)研究。目前，該技術(shù)已進(jìn)入了成熟穩(wěn)定的發(fā)展應(yīng)用階段。日本安川電機(jī)制作所于 1972 年就正式定為 VS 系列，應(yīng)用于起重機(jī)及軋機(jī)輔助設(shè)備的交流調(diào)速。法國、英國、德國等大電氣公司亦在這方面展開了重點(diǎn)研制開發(fā)。借助電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，由分離元件發(fā)展到大規(guī)模集成電路，從而實(shí)現(xiàn)控制部件的微型組件化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，進(jìn)而從模擬量控制發(fā)展到數(shù)字量控制?？删幊绦蚩刂破?PLC 引入到交流電氣傳動系統(tǒng)后，使傳動系統(tǒng)性能發(fā)生了質(zhì)的變化。在橋式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)了抓斗的自動控制和故第 7 頁障診斷、檢測顯示等，達(dá)到了新的技術(shù)高度。3) 變頻調(diào)速：變頻調(diào)速技術(shù)是國際上各大電氣公司在 70 年代末80 年代投入全力研制、開發(fā)，也是國際國內(nèi)這幾年全力研制應(yīng)用的目標(biāo)與方向。這幾年一些公司如德國 SIEMENS，美國 GE，日本三菱等推出全數(shù)字化的矢量控制技術(shù)，大功率的 IGBT 模塊的出現(xiàn)使變頻技術(shù)在起升機(jī)械、電梯等位能負(fù)載控制成為現(xiàn)實(shí)。目前，變頻調(diào)速的控制方法有恒壓頻比控制，轉(zhuǎn)差頻率控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。這些控制方法都得到了不同程度的應(yīng)用，但其控制性能有一定的差異。直流電動機(jī)之所以與有良好的控制性能，其根本原因是當(dāng)勵磁電流恒定時(shí)，控制電樞電流的大小就能無時(shí)間滯后的控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的大小。異步電動機(jī)產(chǎn)生瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的原理雖然與直流電動機(jī)相同，但由于建立氣隙磁場的勵磁分量和電磁轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)裝置電流有功分量都應(yīng)包含在定子電流中，無法直接將它們分開，在運(yùn)行過程中，這兩個分量有會互相影響。因此要控制異步電動機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩十分困難。像采用恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)由于是從控制電動機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，因而難以獲得較理想的動態(tài)性能，異步電動機(jī)在高精度調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。而矢量控制是從根本上解決了這個問題，使交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。適用于通用的鼠籠式電動機(jī)，無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，該技術(shù)使變頻控制裝置不再配套專用電機(jī)，而且可通過軟件對一般的鼠籠式電機(jī)矢量控制裝置實(shí)施參數(shù)調(diào)整，進(jìn)一步降低電氣電機(jī)的投資而且維護(hù)保養(yǎng)方便。變頻器使用 PWM 技術(shù)可嚴(yán)格地使輸入電流正弦 ，即在下1cos降過程各機(jī)械減速制動中，將動能和位能轉(zhuǎn)化為電能反饋電網(wǎng)，達(dá)到理想的節(jié)能指標(biāo)，同時(shí)確保工況正常運(yùn)行，上述發(fā)展己完成了產(chǎn)品系列化上市，對 “變頻”裝置在技術(shù)上以及經(jīng)濟(jì)上與其他驅(qū)動裝置競爭將有明顯的優(yōu)勢。同時(shí)隨著 PLC 系統(tǒng)的不斷成熟與完善，以及大容量變頻器在位能負(fù)載上的成功應(yīng)用，變頻調(diào)速系統(tǒng)必將成為未來調(diào)速市場的主流。1.2 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問題橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個國民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的第 8 頁地位，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(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(jì)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。由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級調(diào)速，致使機(jī)械沖擊頻繁，振動劇烈，因此電氣控制上應(yīng)采用平滑的無級調(diào)速是解決問題的有效手段。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(shí)低于0.20.4，即使?jié)M載也低于 0.75，線路損耗大?？煽毓璐壵{(diào)速雖克服了上述缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了額定速度以下的無級調(diào)速，提高了功率因數(shù)，減少了起制動沖擊，價(jià)格較低，但目前串級調(diào)速產(chǎn)品的控制技術(shù)仍停留在模擬階段，尚未實(shí)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(shí)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。由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級調(diào)速，盡管起動性能與調(diào)速性能較交流鼠籠型電動機(jī)有很大改善，但由于采用有級調(diào)速，依然存在以下問題：1)控制檔位較多時(shí)，控制電路復(fù)雜，系統(tǒng)的故障率較高；2)在換檔時(shí)依然存在電流與轉(zhuǎn)矩沖擊，重載情況下尤為突出；3)低速定位時(shí)由于采用“倒拉反接制動”運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)子中串入了較大電阻導(dǎo)致機(jī)械特性變得很軟，低速定位困難；4)能量損耗大，特別是重載低速時(shí)的損耗尤其嚴(yán)重第 9 頁第 2 章 調(diào)速系統(tǒng)介紹調(diào)速就是在一定的負(fù)載下，根據(jù)生產(chǎn)的需要人為地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這是生產(chǎn)機(jī)械經(jīng)常向電動機(jī)提出的要求。調(diào)速性能的好壞往往影響到生產(chǎn)機(jī)械的工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。2.1 電動機(jī)的調(diào)速指標(biāo)1) 調(diào)速范圍電動機(jī)在額定負(fù)載(電流為額定值)情況下所能得到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用 D 表示，即minaxmina:(2-1)2) 調(diào)速方向調(diào)速方向指調(diào)速后的轉(zhuǎn)速比原來的額定轉(zhuǎn)速(基本轉(zhuǎn)速)高還是低。若比基本轉(zhuǎn)速高，稱為往上調(diào)，比基本轉(zhuǎn)速低，稱為往下調(diào)。3) 調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性由一定范圍內(nèi)能得到的轉(zhuǎn)速級數(shù)來說明。級數(shù)越多，第 10 頁相鄰兩轉(zhuǎn)速的差值越小，平滑性越好。如果轉(zhuǎn)速只能跳