摘 要電氣調速控制的方法很多，對直流驅動來講 60 年代采用發(fā)電機電機系統(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)。隨著電子技術的飛速發(fā)展，集成模塊出現(xiàn)，計算機、微處理器應用，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。從交流驅動來講：常規(guī)的常采用繞線式電動機轉子串電阻調速，為滿足重物下放時的低速，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，隨著電子技術的發(fā)展，國內外開發(fā)研制變頻調速，PLC 可編程序控制器的應用控制系統(tǒng)的性能更加完美。本次設計采用 PLC 和變頻器技術，以 PLC 控制變頻器，即以程序控制取代繼電接觸器控制，控制變頻器實現(xiàn)變頻調速，設計出 PLC控制的橋式起重機的變頻調速系統(tǒng)，進而實現(xiàn)了起重機的半自動化控制。關鍵詞：PLC 橋式起重機 矢量控制目 錄摘 要 .1緒 論 .3第 1 章 橋式起重機介紹 .61.1 國內外發(fā)展概況 .61.2 傳統(tǒng)橋式起重機控制系統(tǒng)的特點和存在的問題 .7第 2 章 調速系統(tǒng)介紹 .92.1 電動機的調速指標 .92.2 變頻調速的基本原理 .112.3 電動機變頻調速的機械特性 .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 脈寬調制型(PWM)變頻器 .16第 4 章 可編程序控制器 .204.1 PLC 的應用與發(fā)展和系統(tǒng)組成 .224.2 PLC 的工作原理、抗干擾分析及設計 .24第 5 章 調速控制系統(tǒng)設計和部件選型 .255.1 采用變頻調速的基本考慮 .265.3 橋式起重機變頻調速控制系統(tǒng) .31第 6 章 橋式起重機變頻調速系統(tǒng)軟件設計 .346.1 S7-200PLC 網絡的通信協(xié)議 .346.2 PLC 程序設計 .35展 望 .39參考文獻 .41第 3 頁緒 論橋式起重機作為物料搬運機械在整個國民經濟中有著十分重要的地位，經過幾十年的發(fā)展，我國橋式起重機制造廠和使用部門在設計、制造工藝、設備使用維修、管理方面，不斷積累經驗，不斷改造，推動了橋式起重機的技術進步。但在實際使用中，傳統(tǒng)橋式起重機的控制系統(tǒng)所采用交流繞線轉子串電阻的方法進行啟動和調速，繼電接觸器控制，在工作環(huán)境差，工作任務重時，電動機以及所串連電阻燒損和斷裂故障時有發(fā)生；繼電接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復雜，故障率高；轉子串電阻調速，機械特性軟，負載變化時轉速也變化，調速不理想。所串連電阻長期發(fā)熱，電能浪費大，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，隨著計算機技術和電力電子器件的迅猛發(fā)展，同時也帶動電氣傳動和自動控制領域的發(fā)展。其中，具有代表性的交流變頻調速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應用，為 PLC 控制的變頻調速技術在橋式起重機系統(tǒng)提供了有利條件。變頻技術的運用使得起重機的整體特性得到較大提高，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機控制系統(tǒng)存在諸多的問題，變頻調速以其可靠性好，高品質的調速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重運輸機械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。本次設計采用 PLC 和變頻器技術，以 PLC 控制變頻器，即以程序控制取代繼電接觸器控制，控制變頻器實現(xiàn)變頻調速，設計出 PLC 控制的橋式起重機的變頻調速系統(tǒng)，進而實現(xiàn)了起重機的半自動化控制。此系統(tǒng)特別適用于橋式起重機在惡劣條件下的工作情況，對改善橋式起重機的調速性能，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)作為交流電動機變頻調速的起點，可以認為它的發(fā)展歷史己 40 多年了。而變頻調速技術真正高速發(fā)展時期，應該是在 PWM 調制技術的出現(xiàn)和微機控制技術發(fā)展之后。特別是最近 20 年來，隨著交流調速技術的應用普及，交流變頻調速在化工、火電廠、礦山、油田、機械制造、城市建設、水處理、甚至家電等行業(yè)己經全面推廣使用，一般主要用于節(jié)能及控制。隨著變頻技術的普及和深入，以及國際、國內電器設備使用的有關標準意識的強化，電力系統(tǒng)行業(yè)和用戶對變頻技術的質量要求也越來越高。變頻調速的發(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的主要研究對象，應用交流調速的基本理論，結合神經網絡控制、魯棒控制、模糊控制，或其他智能控制等手段，實現(xiàn)電機運第 4 頁行參數(shù)的自動辨識，以期達到自適應、自調整的最優(yōu)控制。2) 速度傳感器研究從前面所述的各種變頻調速的理論可知，一般系統(tǒng)都要用到轉速傳感器。在實際使用中，由于變頻設備和被控電動機有一定的距離，而高精度的轉速傳感器都要使用專門的電源，被控電動機有的是在戶外，運行工況非常惡劣，要保證速度反饋的準確性，有時不得不采取特別措施，因此也會增加額外費用，運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速系統(tǒng)，是通過現(xiàn)場采集的電流電壓量，以及控制的實施策略，綜合出被控電機的實際轉速。這種控制方案要求計算機的控制速度較高，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速系統(tǒng)的控制雖然己經是非常成熟了，但目前國際、國內的產品，一般都是矢量控制和直接轉矩控制，重點放在電機變頻控制理論的實現(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，國外在這一領域己有較深入的研究。有的針對功率因數(shù)，有的強調輸出波形。多重化技術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。而高壓電動機的節(jié)能效果是比較明顯的，大功率的風機和水泵用電動機一般都是高壓電動機。國內，高壓變頻調速和它的節(jié)能控制還是一個比較薄弱的環(huán)節(jié).它主要是針對 610kV 的交流電動機進行變頻調速控制。這種高壓電動機廣泛應用于火力發(fā)電廠的送風機和引風機上。同樣也可用于其他如石油化工、礦山、冶煉、機械制造等行業(yè)的變頻節(jié)能控制。從某種意義上講，由于目前國內還不能完全生產高質量的合格電力電子器件，而且，國外低壓變頻器的性能價格比也比國內自己研究的變頻器高得多。隨著電力電子技術最近 20 多年的飛速發(fā)展，功率半導體器件的成本逐年下降，技術工藝和性能也得到不斷改善.電力電子器件的應用己從傳統(tǒng)的直流調速、直流屏、斬波器等領域延伸到交流調速和電力系統(tǒng)的質量控制領域.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之交我國電力電子技術應用的發(fā)展趨勢。5) 無換向器同步電機的變頻調速無換向器電動機也是在 20 世紀 70 年代發(fā)展起來的新型調速系統(tǒng)。它是一種變頻調速同步電動機.也可以認為是一種用半導體電子開關線路代替換向器和電刷作第 5 頁用的直流電動機。根據(jù)采用的控制方式不同.可分為直流無換向器電動機和交流無換向器電動機。直流無換向器電動機采用交-直-交或直-交變頻控制系統(tǒng);交流無換向器電動機采用交-交變頻控制系統(tǒng)。近 10 年來.國內外雜志上有許多相關的研究論文。而且，也有一定的成果出現(xiàn)。第 6 頁第 1 章 橋式起重機介紹1.1 國內外發(fā)展概況電氣調速控制的方法很多，對直流驅動來講 60 年代采用發(fā)電機電機系統(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)。隨著電子技術的飛速發(fā)展，集成模塊出現(xiàn)，計算機、微處理器應用，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。從交流驅動來講：常規(guī)的常采用繞線式電動機轉子串電阻調速，為滿足重物下放時的低速，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，隨著電子技術的發(fā)展，國內外開發(fā)研制變頻調速，PLC 可編程序控制器的應用控制系統(tǒng)的性能更加完美。目前國內外幾種常用調速系統(tǒng)配置及其性能：l) DC-300 直流驅動調速系統(tǒng)：GE 公司 DC-300，DC-2000 是微處理器數(shù)字量控制的直流驅動調速系統(tǒng)，其控制功率從 300HP 到4000HP，并采用 PLC 對整機驅動系統(tǒng)實施故障診斷、檢測、報警及控制。該驅動系統(tǒng)實施主回路 SCR 整流，其控制是給定模擬量通過數(shù)模轉換成數(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)流的調速系統(tǒng)?？捎脺y速反饋或電壓反饋，對磁場弱磁，以實施恒功率控制。2) 交流調速控制系統(tǒng)：對于起重機械來講，交流驅動仍是國內普遍采用的方案而且多數(shù)停留在繞線式電機轉子串電阻來調速。隨著功率電子技術的發(fā)展，早在六十年代后期，國外就開始致力于晶閘管定子調壓調速技術的開發(fā)研究。目前，該技術已進入了成熟穩(wěn)定的發(fā)展應用階段。日本安川電機制作所于 1972 年就正式定為 VS 系列，應用于起重機及軋機輔助設備的交流調速。法國、英國、德國等大電氣公司亦在這方面展開了重點研制開發(fā)。借助電力電子技術、微電子技術的發(fā)展，由分離元件發(fā)展到大規(guī)模集成電路，從而實現(xiàn)控制部件的微型組件化、智能化、標準化、系列化，進而從模擬量控制發(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)生了質的變化。在橋式起重機實現(xiàn)了抓斗的自動控制和故第 7 頁障診斷、檢測顯示等，達到了新的技術高度。3) 變頻調速：變頻調速技術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)，也是國際國內這幾年全力研制應用的目標與方向。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，大功率的 IGBT 模塊的出現(xiàn)使變頻技術在起升機械、電梯等位能負載控制成為現(xiàn)實。目前，變頻調速的控制方法有恒壓頻比控制，轉差頻率控制，矢量控制，直接轉矩控制等。這些控制方法都得到了不同程度的應用，但其控制性能有一定的差異。直流電動機之所以與有良好的控制性能，其根本原因是當勵磁電流恒定時，控制電樞電流的大小就能無時間滯后的控制瞬時轉矩的大小。異步電動機產生瞬時轉矩的原理雖然與直流電動機相同，但由于建立氣隙磁場的勵磁分量和電磁轉矩所對應裝置電流有功分量都應包含在定子電流中，無法直接將它們分開，在運行過程中，這兩個分量有會互相影響。因此要控制異步電動機的瞬時轉矩十分困難。像采用恒壓頻比控制、轉差頻率控制的變頻調速系統(tǒng)由于是從控制電動機的平均轉矩的角度出發(fā)來控制電動機的轉速，因而難以獲得較理想的動態(tài)性能，異步電動機在高精度調速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中的應用受到限制。而矢量控制是從根本上解決了這個問題，使交流調速系統(tǒng)的應用范圍迅速擴大。適用于通用的鼠籠式電動機，無速度傳感器的矢量控制變頻調速技術的應用，該技術使變頻控制裝置不再配套專用電機，而且可通過軟件對一般的鼠籠式電機矢量控制裝置實施參數(shù)調整，進一步降低電氣電機的投資而且維護保養(yǎng)方便。變頻器使用 PWM 技術可嚴格地使輸入電流正弦 ，即在下1cos降過程各機械減速制動中，將動能和位能轉化為電能反饋電網，達到理想的節(jié)能指標，同時確保工況正常運行，上述發(fā)展己完成了產品系列化上市，對 “變頻”裝置在技術上以及經濟上與其他驅動裝置競爭將有明顯的優(yōu)勢。同時隨著 PLC 系統(tǒng)的不斷成熟與完善，以及大容量變頻器在位能負載上的成功應用，變頻調速系統(tǒng)必將成為未來調速市場的主流。1.2 傳統(tǒng)橋式起重機控制系統(tǒng)的特點和存在的問題橋式起重機作為物料搬運機械在整個國民經濟中有著十分重要的第 8 頁地位，經過幾十年的發(fā)展，我國橋式起重機制造廠和使用部門在設計、制造工藝、設備使用維修、管理方面，不斷積累經驗，不斷改造，推動了橋式起重機的技術進步。但在實際使用中，結構開裂仍時有發(fā)生。究其原因是頻繁的超負荷作業(yè)及過大的機械振動沖擊所引起的機械疲勞。因此，除了機械上改進設計外，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)橋式起重機的電控系統(tǒng)采用轉子回路串接電阻進行有級調速，致使機械沖擊頻繁，振動劇烈，因此電氣控制上應采用平滑的無級調速是解決問題的有效手段。傳統(tǒng)的起重機驅動方案一般采用：（1）直接起動電動機；（2）改變電動機極對數(shù)調速；（3）轉子串電阻調速；（4）渦流制動器調速；（5）可控硅串級調速；（6）直流調速。前四種方案均屬有級調速，調速范圍小，無法高速運行，只能在額定速度以下調速：起動電流大，對電網沖擊大；常在額定速度下進行機械制動，對起重機的機構沖擊大，制動閘瓦磨損嚴重；功率因數(shù)低，在空載或輕載時低于0.20.4，即使?jié)M載也低于 0.75，線路損耗大?？煽毓璐壵{速雖克服了上述缺點，實現(xiàn)了額定速度以下的無級調速，提高了功率因數(shù)，減少了起制動沖擊，價格較低，但目前串級調速產品的控制技術仍停留在模擬階段，尚未實現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調速性能和起制動性能，很好的保護功能及系統(tǒng)監(jiān)控功能，所以有時采用直流電動機，而直流電動機制造工藝復雜，使用維護要求高，故障率高。由于傳統(tǒng)橋式起重機的電控系統(tǒng)通常采用轉子回路串接電阻進行有級調速，盡管起動性能與調速性能較交流鼠籠型電動機有很大改善，但由于采用有級調速，依然存在以下問題：1)控制檔位較多時，控制電路復雜，系統(tǒng)的故障率較高；2)在換檔時依然存在電流與轉矩沖擊，重載情況下尤為突出；3)低速定位時由于采用“倒拉反接制動”運行方式，轉子中串入了較大電阻導致機械特性變得很軟，低速定位困難；4)能量損耗大，特別是重載低速時的損耗尤其嚴重第 9 頁第 2 章 調速系統(tǒng)介紹調速就是在一定的負載下，根據(jù)生產的需要人為地改變電動機的轉速。這是生產機械經常向電動機提出的要求。調速性能的好壞往往影響到生產機械的工作效率和產品的質量。2.1 電動機的調速指標1) 調速范圍電動機在額定負載(電流為額定值)情況下所能得到的最高轉速與最低轉速之比稱為調速范圍，用 D 表示，即minaxmina:(2-1)2) 調速方向調速方向指調速后的轉速比原來的額定轉速(基本轉速)高還是低。若比基本轉速高，稱為往上調，比基本轉速低，稱為往下調。3) 調速的平滑性調速的平滑性由一定范圍內能得到的轉速級數(shù)來說明。級數(shù)越多，第 10 頁相鄰兩轉速的差值越小，平滑性越好。如果轉速只能跳