门座起重机回转机构控制系统

第1章绪论

1.1设计目的及意义

门座起重机的结构是立体的，不多占用码头的面积，具有高大的门架和较长距离的伸臂，因而具有较大的起升高度和工作幅度，能满足港口、码头、船舶和车辆的机械化装卸、，充分使用港口、码头场地，适应船舶的空载、满载作业，以及地面车辆的通行要求；还具有高速灵活、安全可靠的装卸能力，对提高装卸生产率，减轻繁重的体力劳动都具有重大的意义。

近年来随着港口运输事业的发展，港口起重机向大型化、专业化方向发展，这就要求现代港口起重机在电气传动控制调速性能要求比一般起重机要高，以保证在进行装卸作业时平稳、可靠，且有良好的低速就位性能。传统的调速控制系统已难以满足港机作业的要求，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电机来代替直流电机，从而降低成本，提高运行的可靠性。采用变频调速和可编程控制技术控制门座式起重机各系统，不仅可以明显提高门座式起重机的安全性,可靠性，而且可以提高装卸效率，降低能源的消耗，降低维修费用，减少劳动强度。满足其工况和作业需要.主要表现在：（1）明显改善钢结构性能变频调速使起升，变幅，旋转，行走运行平稳，制动冲击小；（2）变频调速以其体积小，通用性强，动态响应快，工作频率高，保护性能完善，可靠性好，使用方便等卓越的性能；（3）工作可靠性显著提高；（4）节能效果十分可观，绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻消耗大量的电能。采用变频调速系统后，非但外接电阻消耗的大量电能可以完全节约，并且在起重机放下重物时，还可将重物释放的位能反馈给电源（可反馈电网或消耗掉）；（5）调速质量明显提高，调速围宽，性能好，调速平稳，能够长时间低

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速运行，具有很高的定位精度和运行效率。起升，变幅，旋转工作速度可实现无级变速，操作者可根据负载的变化情况，实现平稳调速；（6）可简化传动链，由于可以进行无级调速，从而在机械上省去了非标准设计的减速箱；（7）结构简单，可靠性性高，易维护。

1.2发展现状及趋势

门座式起重机是港口起重机械的主力军,经过近几十年的发展,虽然我国在设计、制造工艺、设备使用维修和管理方面不断的改造推动了技术的持续进步。但是在实际生活中我们仍然面临着许多有待解决的问题。当前随着工农业生产自动化发展水平越来越高,人们对门机的要求也越来越高。

与其他行业的机械电气转动系统一样，门座起重机电气传动系统经历了直流发电机-电动机（G-M）；晶闸管—直流电动机（SCR-M）的直流电动机调速系统和异步电动机的变极调速；绕线型异步电动机转子串电阻调速；调压调速；转差电动机调速；串级调速的发展过程。众所周知，直流电动机有换向器和电刷，维护保养麻烦，价格也昂贵，容量上也受到一定限制。而上述的几种异步电机调速分别存在能耗大、调速围有限、功率因数低、不能在大功率中应用等缺点[1]。

交流异步电机变频调速是目前交流电机最完善的调速方式，速度可在整个调速围连续控制，调速平滑、精度高。有恒转矩和恒功率控制性能，对负载突变有极好响应。系统功率因数近似于1.0，对前级电源的容量配置要求低,且谐波等电网公害小，力能指标远优于其他方式。变频调速的平滑调速和其较高的稳定性是港口电机调速的方向。变频器在港口机械企业已经得到普遍的认可。目前生产的港口起重机几乎是百分之百的都使用变频调速。起重机械行业中变频调速控制系统主要采用变频调速技术和可编程逻辑控制技术，真正实现了变频器在位势能负载上的应用，可取代传统的起重机调速系统，适用于新设备的

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制造和既有设备改造。随着电控技术特别是变频调速技术的迅速发展，变频调速技术在诸多调速技术中的优势势必会引导起重机械应用企业进行变频改造，来提高起重设备的性能。同时，随着机械行业的发展，配置的变频器也会随科学技术等因素的提高而进一步的优化升级。

但在国，交流变频调速在起重机特别是大吨位起重机上的应用还刚起步，原因是作为起重机核心机构的起升机构其位能性负载特性和使用安全性的需求使一般通用变频器在性能上不能满足要求。低频时能否达到恒转矩输出；空中是否溜钩等问题一直是起重机起升机构使用变频调速的难点，还有起升机构重载下放时其再生制动能量是消耗在制动电阻上还是回馈回电网，这些一直都给起重机使用全变频调速控制系统带来困惑。近年来，矢量控制变频器的出现给起重机能否安全使用变频调速技术带来了生机，国外、国各大专业电气公司也都在致力于这方面的开发和研究，因此，怎样使矢量控制变频调速技术用于起重机电气传动，实现四象限运行，保证起升机构各种工况要求和良好的低速就位性能，对推动港口机械电气控制与调速系统的更新换代，具有非常实用的意义。

1.3 本文的主要容

论文首先对门座起重机进行了简要的介绍；接着对交流电动机变频调速的原理进行了分析分析；最后，详细介绍了门座起重机变频调速系统的设计及实现，并对所设计的系统进行了仿真。论文的主要研究容如下：

1、分析原有门座起重机交流电动机转子串电阻调速系统电控原理图，设计出符合原有起重机需求的交流变频调速系统原理图。

2、确定门座起重机交流变频调速系统各部分主要元器件的选型，以满足门座起重机的工作要求。

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3、完成系统的软硬件设计后，对整个调速系统进行仿真，验证其逻辑的合理性。 门座起重机是一种用来起吊、放下和搬运重物，并使重物在一定围移动的起重、搬运设备。门座式起重机的工作机构分为起升机构、变幅机构、旋转机构、行走机构四部分。论文主要以门座起重机行走与旋转机构电气控制系统为例，详细介绍了其变频调速系统的设计，包括电动机的选型、变频器的选择、附加配套设备的选择、系统的主电路原理图、制动单元和制动电阻的选择、可编程控制器的选用等。

第2章门座起重机概述

2.1 门座起重机简介

港口起重机是一种周期性间隙动作的机械，按其组成形式可分为轻小型起重设备、升降机、臂架类起重机、桥架类起重机等基本类型。常用于港口的起重机械主要有门座起重机、桥式起重机、浮式起重机、轮胎式起重机等。这类起重机的主要组成部分有起升机构、运行机构、旋转机构、变幅机构、金属结构以及其它相关装置等。

门座起重机是一种用来起吊、放下和搬运重物，并使重物在一定围移动的起重、搬运设备，在生产过程中起着重要作用。门座式起重机的工作机构分为起升机构、变幅机构、旋转机构、行走机构四部分。门座起重机是港口码头数量和使用最多的、结构复杂、机构最多的、最典型的电动装卸机械。它具有较好的工作性能和独特的优越结构，通用性好，被广泛地用在港口杂货码头。

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门座起重机又简称为门吊、门机，是电力驱动、有轨运行的臂架类起重机之一。它的构造大体上可以分为两大部分：上部旋转部分和下部运行部分。上部旋转部分安装在一个高大的门形底架（门架）上，并相对于下部运行部分可以实现360°任意旋转。门架可以沿

轨道运行，同时它又是起重机的承重部分。起重机的自重和吊重均由门架承受，并由它传到地面轨道上。门座起重机正是由此门形底座而得名的。门座式起重机如图1-1所示。

图1-1 门座起重机

门座起重机的上部旋转部分包括臂架系统、人字架、旋转平台、司机室等，还安装有起升机构、变幅机构、旋转机构。下部运行部分主要由门架和运行机构组成。门架底部能通火车，轨距有3种：能通过一列火车轨距为6m，称单线门架，能通过并排两列火车的轨距为10.5m，称双线门架，能通过并排三列火车的轨距为16m，称三线门架。码头前沿的门座起重机门架多属双线门架。门座底部装有行车车轮或运行台车，运行机构使整台起重机可以沿着地面上的轨道运行。

门座起重机的工作原理是：通过起升、变幅、旋转3种运动的组合，可以在一个环形

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圆柱体空间实现物品的升降、移动，并通过运行机构调整整机的工作位置，故可以在较大的作业围满足运移物品的需要。

2.2 门座起重机的工作机构

2.2.1 起升机构

任何起重机械都是依靠起升机构升降货物的。起升机构是起重机不可缺少的工作机构，没有它就不能称其为起重机。起升机构是最重要的机构，并且它的工作好坏将直接影响到整台起重机的工作性能。起升机构通常有以下几个方面的任务[2]：

（1）从地面上起升重物以及把重物从空中放回到地面上，与其他机构配合实现货物的位移。

（2）机构能够以各种不同的速度起升和下降重物。

（3）能够在起升运动状态和下降运动状态下制动，使货物停留在空中任意位置。 （4）在电动机突然断电的情况下，重物能够静止在空中。

（5）当电机通电后，悬空状态下的重物，能够继续起升或下降，整个机构恢复正常工作状态。

起升机构工作原理：电动机通过联轴节与减速器的高速轴相连。机构工作时，减速器的低速轴带动卷筒，将钢丝绳卷入或放出，经过滑轮系统，使吊钩实现上升或下降。机构停止工作时，制动器使吊钩连同货物静止在空中，吊钩的升降靠电动机改变转向来转换。

2.2.2 变幅机构

在起重机中用来改变复读的机构称为变幅机构，根据工作要求的不同，变幅机构的主要作用是：

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（1）通过改变幅度来改变取物装置的工作位置，以实现起重机起重能力的调整，或者装卸路线的调整，或者提高非工作状态下的起重机通过性能。

（2）通过改变幅度来扩大起重机的作业围，与起升、回转机构协同工作，使取物装置的工作围形成一环形工作空间，以提高起重机的生产率，改善其工作性能。 为使臂架绕其铰轴摆动来改变起吊货物的位置，就必须有一套专门的驱动机构。根据变幅机构工作性质和要求不同，出现了多种传动机构，如齿条、螺杆螺母、液压等。

2.2.3 旋转机构

旋转机构是用来支承旋转部分重量，并驱使旋转部分相对于不旋转部分做旋转运动的工作机构。它的作用是使被起吊的货物围绕起重机的旋转中心做旋转运动，以达到在水平面运移货物的目的。旋转驱动机构是用来实现起重机旋转部分相对于不旋转部分转动的动力和速度的传动装置。这种装置能满足起重机低速正反转、制动平稳、安全可靠的要求。从受力方面考虑，旋转驱动机构必须克服如下阻力矩：一是旋转支承装置中的摩擦阻力矩；二是风阻力矩；三是由道路坡度或浮船倾斜造成的旋转阻力矩。

2.2.4 运行机构

在装卸作业中，往往要求起重机能够调整工作位置，改变工作地点，以扩大作业围，提高装卸效率。因此，在起重机常都装有运行机构，运行机构的任务是使起重机做水平运动。运行机构按照结构特点分为无轨运行机构和有轨运行机构两大类。港口装卸用门座起重机运行机构均为有轨运行机构。有轨运行机构起重机可沿着铺设的钢轨上运行。由于这种运行机构的车轮和轨道都是钢铁制成的，故其运行阻力小，承载能力大，结构紧凑。尽管与无轨运行机构相比较工作围受到轨道的限制，但是仍是港口起重机的主要运行形式。

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门座起重机的运行机构属非工作性运行机构只是用来调整起重机的工作位置。运行机构的工作速度随起重机的用途确定。非工作性运行机构为了简化结构，减轻自重，通常采用较低的运行速度。门座起重机运行机构的驱动形式是由独立的驱动装置分别驱动各个支点上的车轮。因为这种驱动结构简单，布置方便，在港口起重机械运行机构中获得了广泛的应用。运行机构不论是何种结构，都是由运行支承装置和运行驱动装置两大主要部分组成的。运行支承装置的机械部分对于有轨运行的起重机来说主要是均衡梁、车轮和轨道。运行驱动装置包括电动机、减速器与制动器等。

2.3 门座起重机工作流程

门座式起重机作为港口码头前沿主要装卸件杂货及干散货船的设备，是通过起升、旋转、变幅机构联合动作完成货物搬运的，并且可以通过下部行走机构调整至合适工作位置。门座式起重机可带载作水平位移变幅和任意角度回转，分析其工作流程如下：空钩下降到货物上方，与货物挂钩，起重机满载提升至能够移出船舱高度制动，改变臂架伸出水平幅度至避开舱盖位置制动，做臂架旋转至卸货方向制动，同时臂架改变水平幅度至车皮卸货上方制动，满载下降到车皮制动，货物摘钩，空钩上升至进入船舱高度制动，旋转至一定位置制动，改变幅度待卸货物上方制动，空钩下降至货物上方制动，一个工作循环结束，如果连续作业重复上述动作。其工作特点：

（1）动作是间歇的、重复的、周期性的。即通过重复、短时间的工作循环，周期性地完成货物的提升和运移，每个工作循环中都包括满载和空载的过程。

（2）每个工作循环中，其主要工作机构都作正向和反向的运动，并且起动制动非常频繁。

（3）所受到的载荷的大小和方向都是变化的。如：货物的大小、风力的大小及方向、

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坡度以及起动制动时的动载荷。

[3]

2.4 门座式起重机对电气控制要求

采用先进的电控系统。起升、变幅、回转、运行机构均采用变频调速，调速性能优良，起、制动运行平稳、快速。应用 PLC 集中控制和检测，PLC 输入输出扩展接口应该留有余量，以备维护和扩展。

起升机构采用闭环控制，有吊钩和抓斗两种工作模式，由两个电机牵引两组起升钢丝绳实现开闭斗，从而实现抓取或释放物料，能够实现抓斗的自动开闭斗、防漏，具有深挖控制功能，使双机在抓斗升降过程中均衡受力[4]。

安全保护装置齐全，工作安全可靠。各机构及运动构件均设有限位保护，包括有减速限位，终点限位和极限限位。电气系统通过各限位开关和 PLC 设有多重电气联锁。设有力矩限制器进行超载和超力矩保护。还应设有作业监视系统对主要作业和工作部位进行监控。

应设置紧急停车。在装卸货物操作运行过程中，设备出现异常情况或故障时，如果不能使系统停止，将导致设备损坏或事故。因此必须设置急停开关，当出现异常时，使整个系统立刻停止。

门座式起重机上应布置电气室，分别安装动力变压器和控制、照明专用变压器。供电电压为 380V，供电频率为 50Hz，供电方式为电缆卷筒。

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第3章变频调速系统的原理

3.1 交流异步电动机调速原理

根据异步电动机的转速表达式：

（3.1）

式中：

——定子供电电源频率（Hz）；

——异步电动机转差率； ——磁极对数。

由上式可以看出改变电动机电源的频率就会引起电动机参数的变化,电动机参数的变化同样会影响电动机的运行性能,因此想获得最佳的调速特性仅仅依靠改变供电电源的频率是不够得。而变频调速就是通过改变电动机的定子电压和定子频率来调节电动机的转速,从而获得所需要的调速特性。

通用变频器对异步电机调速时，输出频率和电压是按一定规律改变的，在额定频率以下，变频器的输出电压随输出频率升高而升高，即所谓变压变频调速(VVVF)。而在额定频率以上，电压并不变，只改变频率。

实际上多数变频调速场合是用于额定频率以下，低频时采用的补偿都是为了解决低频转矩的下降，其采用的方式多种多样。有矢量控制技术，直接转矩控制技术以及拟超导技术(森兰变频特有专利技术)等等。其作用不外乎动态地改变低频时的变频器输出电压、输出相位或输出频率，也就是利用电路和电脑技术，达到低速时力矩提升，并且稳定运行，又不至于电流太大而造成故障。

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3.2 变频控制技术

这里控制技术是指专用变频控制技术，处理交流电机部复杂的控制信号和控制变量力矩和速度的非线性关系。

3.2.1 v/f 控制（标量控制）

照电压、频率关系对变频器的频率和电压进行控制，称为 v/f 控制方式，又称为VVVF（Variable Voltage Variable Freqency）控制方式。基频以下可以实现恒转矩调整。早期的通用变频器大多数为开环恒压比（即：电压比频率 v/f 为常数）的控制方式。其原理是把电机当作一个大电感，恒压比可保证电流可控。其优点是控制结构简单（只关心电流的大小，即标量）、成本较低，缺点是系统性能不高。

v/f 控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。

3.2.2矢量控制

矢量控制是 70 年代初由西德 F.Blaschke 等人首先提出，它基于电机的动态数学模型和旋转坐标理论，经过坐标变换实现正交或解耦控制，可以实现分别控制电机的转矩电流和励磁电流。把交流电动机的控制以直流电动机的分析方法进行阐述，由此开创了交流电动机和等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的在本质。矢量控制的诞生，为高性能交流电动机控制技术奠定了理论基础。但由于它们实现比较复杂，当时还不为世人所重视。随着电力电子和微电子技术的发展，到 80 年代，矢量控制才进入了实用化阶段。

矢量控制基本点是控制转子磁场并以转子磁通定向，然后分解定向电流，使之成为转

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矩和磁场两个分量。然后，通过控制磁场电流分量去控制磁场，通过控制转矩电流来控制电机转矩。由于直接控制电机的转矩电流，电机的转矩响应较快，因此，这一控制方式可大大提高电机的控制性能、增强稳定性；也可大大改进电机的低速响应性能。

标量控制和矢量控制的主要区别是：标量控制只控制电机电流的大小，而矢量控制不仅控制电机电流的大小，还控制电机电流的相位。

当然，矢量控制要比标量控制复杂，需坐标变换和矢量控制，运算量大的多。另外，矢量控制理论上需要转子的磁场方向，因此，它需要电机的位置速度，由于位置信号可通过速度信号导出，它又等效于需要速度信号，通过引入速度传感器提供的速度信号来实现的矢量控制通常称之为闭环矢量控制，又由于电机的速度可以通过电机的反电势进行一定程度的估算，因此，电机的速度信号可以不引入速度传感器来实现，这种方法通常称之为开环矢量控制，也叫无速度矢量控制。

3.3 变频调速控制方式的比较与选用

3.3.1 v/f 控制方式及开闭环控制的选择设定原则

一般的 v/f 型通用变频器，其数字、模拟给定分辨率分别可达 0.01Hz/0.04Hz。最高输出频率 120Hz～650Hz，可使用于标准异步电动机、磁阻电动机和恒磁同步电动机，变频围 0.25kW～150kW。对电网的允许波动围是：电压±15％，频率±6％。主要用于水泵、风机、运输传动等无动静态指标要求的场合。

除了恒定电压频率以外，通用变频器还有其它形式的控制特性曲线供用户选择，有的变频器使用说明书称为转矩提升设定或转矩补偿的 v/f 设定。用户可根据负载情况任意选择某一档的曲线。

由于标量控制算法不需要电机模型和速度信息，因此，速度闭环仅用来帮助电机的速

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度跟踪特性，对于动静态指标要求不高的简单用途，例如泵类及风机、简单的运输机械传动，选用频率控制。对于动态指标要求尽管不高，但是转速精度要求较高的场合，如纺织行业的控制系统，可选择分辨率为 0.01Hz 的开环频率控制[5]。

对于动态指标要求不高，但是转速精度要求很高的场合，也可选择转速反馈。如果采用转速反馈，一台变频器只能控制一台电动机。当使用模拟测速机时，注意变频器的最大输入频率应受模拟测速机的最高转速的限制。

由于 v/f 控制本身控制技术是标量的，限制了变频器的动静态特性，所以，它主要应用场合是开环控制方式。

3.3.2矢量控制方式及开闭环控制的选择设定原则

一般的矢量控制型通用变频器，其数字给定分辨率可达 0.001Hz，不带测速传感器时数字/模拟给定分辨率都能达到 0.001Hz。最高输入频率为 120～650Hz，可使用于标准异步电动机、紧凑型异步电动机、磁阻电机和恒磁同步电机，功率围2.2kW～1500kW。对电网的允许波动围是：电压±15％，频率±6％。主要用于纺织机网络、轧机主传动、压力机、升降机等动态指标要求比较高的场合[6]。

在使用矢量控制变频器时应注意，电动机的极数必须与变频器使用说明书上规定的极数相同（一般是 4 极电动机）；由矢量控制的原理可知，一台矢量控制变频器仅能拖动一台电动机才能达到使用矢量控制变频器的目的；当动态指标要求比较高，或需要闭环转矩控制，或转速精度要求高时，应使用转速反馈。矢量控制变频器的设定方法与普通的 v/f 变频器设定方法基本一样。一般矢量控制变频器都有电机参数自动检测功能。

有的矢量控制变频器有三种控制供用户选择，例如安川 Varispeed G7 系列变频器就提供了：无PG（无速度）矢量 1 控制、带 PG（带速度）矢量控制、无 PG（无速度）矢量

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2 控制。这三种矢量控制的主要用途如表 3-1所示。

矢量控制的先决条件是能够精确地测取和调整由转矩和磁通所产生的电流，在采用无速度反馈矢量控制时，虽然在转矩和磁通的计算精度方面受到了一定的影响，但是不会影响调速系统的稳态精度。因此，对于在动态性能方面并无严格要求的生产工艺来说，不要轻易增加速度反馈。速度反馈是最不可靠的环节，如果使用了速度反馈，又不检测其动态性能指标，既增加了系统投资，又增加了系统的不可靠性因素。

表3-1 可选择矢量控制模式

控制模式 无 PG 矢量 1 控制 基本控制 无反馈的电流矢量控制 主要用途 可全部变速，是无PG高性能控制的必要用途。 带 PG 矢量控制 带反馈的电流矢量控制 带PG的超高性能控制(简易伺服动，高精度速度控制，力矩控制，力矩限制等等) 无 PG 矢量 2 控制 具有ASR(速度控制器) 无PG电流矢量控制 无PG的超高性能控制(简易伺服驱动，力矩控制，力矩限制等等)，介于带PG矢量和无PG矢量1控制的中间性能。

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第4章门座式起重机电气控制系统设计

4.1 电气传动方案的选择

由于散杂货码头生产货类复杂，现场作业环境恶劣，码头前沿使用的门座式起重机要求在不同的工作条件运行不同的速度，其目的是让起重机运行合理的速度以提高生产效率，确保作业现场安全。然而这种频繁的速度变换过程，若采用机械调速难以实现，实际中常对拖动电机进行变频调速。起重机控制系统调速分为两大类，即直流调速系统和交流调速系统，直流调速因具有直流电动机结构复杂，制造、维修成本高，保养困难等缺点，目前在大型起重机电气控制系统均采用交流变频调速方式。起重机控制系统采用的交流调速方式主要有绕线式异步电动机转子串电阻调速，能耗制动下降调速，涡流制动器调速，定子调压调速，变极调速及变频调速等，几种主要调速方式的优缺点及应用场合表 4-1 所示。

表4-1港口起重机常用交流调速方式对比表

调速方案 调速围 低速运行时的效率 转子串电 阻调速 1:3 低 1.线路简单、成本低、易维修 2.调速性能差，无低速下降 3.不能长期低速运行 能耗制动 调速 1:3~1:5 低 1.线路简单、成本低、易维修 2.重载下降能获得低速，上升无低速 3.直流电源因电机而异，无法标准 特点 适用驱动负载 机构 位能起升反抗 运行 位能 起升 . 可修编-

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涡流制动 器调速 1:10 低 1.线路简单、成本低、易维修 2.速度有低速，但不能长时间低速运行 3.加大了系统 位能起升反抗 运行 定子调压 调速 1:10 低 1.线路复杂、成本高 2.若采用闭环控制能得到稳定低速围 较大，能无级调速 位能起升反抗 运行 变频调速 1:100 高 1.速度可在整个调速围连续控制 2.有恒转矩性能，基频以上恒功率调速 3.性能最优，但需专用变频装置，成本高 位能起升反抗 运行 定子调压调速系统,采用转子回路切电阻及定子回路调电压相结合的方式,可以有较宽的调速围,正反向由可控硅控制,反应灵活,但是由于该系统采用模拟线路控制,用分立从元件组合而成,硬件的可靠性差,而且需要测速发电机和转子电阻,系统复杂。在低速时能量消耗到电阻上,有一定的局限性。

表 4-1 中可以看出，交流变频调速控制方式与起重机其它调速方式相比，有显著的优点，变频调速的调速围更广，可在整个调速围连续控制，开、闭环特性好，调速比可达 1：100 以上，调速精度±1%，调速平稳，负载突然变化时有极好的动态响应，可以长时间低速运行，控制得精度更高，节能效果显著,简化了电控系统,省去了电动机转子侧的大功率电阻、切换交流接触器和电动机正反转交流接触器,再加之系统传动所用变频电机属鼠笼式异步电动机类、成本相对低廉,维修少,因此变频调速是起重机最理想的交流调速方案,具有同直流传动一样的调速性能,性能价格比最高，比较适合港口起重机复杂的作业工况[7]。

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4.2 变频调速的优点

采用变频调速和可编程控制技术控制门座起重机各系统，不仅可以明显提高门座起重机的安全性、可靠性，而且可以提高装卸效率，减少能源的消耗，降低维修费用和劳动强度。满足其工况及作业需要。其优点主要表现在以下6点[8]：

（1）明显改善钢结构性能。变频调速使起升、变幅、旋转、行走运行平稳，制动冲击小。

（2）变频调速以其体积小、通用性强、动态响应快、工作频率高、保护性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而优于以往的任何调速方式。

（3）工作可靠性显著提高。主要有：①制动电磁铁的寿命大大延长。常规拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的(热刹车)；采用变频调速后，可以在基本停住的状态下进行抱闸(冷刹车)，闸皮的磨损情况大为改善。②系统的故障率大为下降。常规拖动系统是由十分复杂的接触器――继电器系统进行控制的，故障率较高；采用了变频调速控制系统后，控制系统可大大简化，可靠性大为提高。

（4）节能效果十分可观。绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻消耗大量的电能；采用变频调速系统后，不仅外接电阻消耗的大量电能可以完全节约，而且在起重机放下重物时，还可将重物释放的位能反馈给电源(可反馈电网或消耗掉)。

（5）调速质量明显提高。调速围宽、性能好，调速平稳，能够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率。起升、变幅、旋转、行走机构工作速度可实现无级变速，操作者可根据负载的变化情况，实现平稳调速。

（6）结构简单、可靠性高、易维护。各系统采用独立的控制柜，外观结构十分简单，便于日常保养和维修。使用变频器控制电机的运行，可以进行电机的软起动，而让电机具

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有很快的动态响应并且实现无级调速；对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到很及时、很准确地检测，并自动采取应变措施保护电机，确保了控制、保护动作的准确性和可靠性。

4.3 元件的选型

4.3.1 运行电机的选型及热校核

稳态运行阻力包括摩擦阻力

、运行轨道的坡阻力

和风阻力，按式（4.1）计算。

（4.1）

（1）运行摩擦阻力

主要包括车轮踏面的滚动摩擦阻力、车轮轴承的摩擦阻力以及

附加摩擦阻力三部分，按式(4.2)计算。

（4.2）

式中：

——起重机总重量，

；

；

——车轮轴承摩擦阻力系数，查国标表39得——车轮轴径，单位为毫米（mm），；

——车轮沿轨道的滚动摩擦力臂，单位为毫米（mm），查国标表40得; ——车轮踏面直径，单位为毫米（mm）,;

——考虑车轮轮缘与轨顶侧面摩擦或牵引供电电缆及集电器摩擦等的附加摩擦阻力系数，查国标表41得。

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（2）坡道阻力

按式（4.3）计算。 （4.3）

式中：

——起重机的质量，单位为千克，

;

——重力加速度；

——轨道倾斜的角度，单位为度，

。

（3）风阻力按式（4.4）计算。 （4.4）

式中：——风力系数，

；

——工作状态计算风压，查国标表15得；

——起重机构件垂直于风向的实体迎风面积，.

稳态运行阻力：

稳态运行功率

按式（4.5）计算。

（4.5）

式中：——运行速度，； ——运行机构总传动效率，

；

——运行机构电动机台数，。

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根据稳态运行功率查港口起重机用电机选型手册，本设计选择8台功率相近的变频调速电动机：YZP112M2-4型电动机，额定功率

运行机构稳态平均运行功率

按式（4.6）计算：

，转速

。

（4.6）

式中：G——稳态负载平均系数，查国标表P.1和表Q.1得——起重机总重量，——车轮轴承摩擦阻力系数，——坡道阻力系数，

； ；

；

——起重机正常工作状态的风阻力，; ——运行速度，

；

；

——运行机构总传动效率，

——运行机构电动机台数,。

查国标表Q.1得，门座起重机运行机构的接电持续率，。所选电动

机YZP112M2-4在相应和值下的输出功率为4.5KW。因为，故所选电动机的

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发热校核为合格。

4.3.2 回转机构的电机选型及热校核

等效回转稳态阻力矩

按式（4.7）计算：

（4.7）

式中：

——回转摩擦阻力矩，主要是回转支承装置的摩擦阻力矩；

——正常工作状态下的等效风阻力矩，按风阻力矩的0.7倍计算； ——等效坡道阻力矩，按坡道阻力矩的0.7倍计算。 （1）回转摩擦阻力矩

滚动轴承式摩擦阻力矩：

（4.8）

式中：——滚动体法向载荷绝对值之和〔N〕,根据计算得

； 。

；

——回转阻力系数，滚柱式取——轴承滚道平均直径〔m〕，

（2）等效风阻力矩

当臂架与风向垂直时，由风力产生的回转阻力矩达到最大值：

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（4.9）

式中：

——物品上的风力〔N〕，

；

——幅度（m），

；

——回转部分上的风力〔N〕，

N；

——回转部分迎风面形心到回转轴线的距离〔m〕，。

其等效风阻力矩：

（4.10）

（3）等效坡度阻力矩 起重机回转坡度阻力矩

为：

（4.11）

式中：——起重机各回转部件的重力(N); ——各部件重心至回转轴线的距离（m）； ——坡度角度（）； ——起重机回转角度（）。 当

时，坡度阻力最大：

（4.12）

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等效坡度阻力矩为: （4.13）

等效回转稳态阻力矩:

等效回转功率按式（4.14）计算：

（4.14）

式中：——起重机回转速度（r/min）,

——回转机构总传动效率，

；

;

根据等效回转功率查港口起重机用电机选型手册，本设计选择2台功率相近的变频调速电动机：YZP200L-4型电动机，额定功率

回转机构稳态平均运行功率

按式（4.15计算：

，转速

。

（4.15）

式中：G——稳态负载平均系数，查国标表P.1和表Q.1得——不考虑起制动阶段的电动机平均阻转矩，——等效坡度阻力矩，

——正常工作状态下的等效风阻力矩，；

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； ；

;

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——运行机构总传动效率，；

——运行机构电动机台数,——回转机构的总传动比;

；

n——电动机额定转速（r/min）,。

查国标表Q.1得，门座起重机回转机构的接电持续率，。

所选电动机YZP200L-4在相应和值下的输出功率为30KW。因为选电动机的发热校核为合格。

，故所

4.3.3 变频器及配套设备的选型

1、变频器的选型必须遵循以下原则：

（1）变频器的输出功率和电流选择必须等于或大于被驱动异步电机的功率和电流。 由于变频器的过载能力没有电机过载能力强，一旦电机有过载，损坏的首先是变频器(如果变频器的保护功能不完善)；又如果设备上已选用的电机功率大于实际机械负载功率，但是有可能用户会将把机械功率调节到达到电机输出功率，此时，变频器一定要可以胜任，也就是说变频器的功率选用一定要等于或大于电机功率。个别电机额定电流值较特殊，不在常用标准规格附近，又有的电机额定电压低，额定电流偏大，此时要求变频器的额定电流必须等于或大于电机额定电流。

（2）必须认清变频器调速与机械变速存在本质上的区别。

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绝对不能不假思索地将某电机使用机械变速改为相同功率的变频器变速。因为功率是转矩与转速的乘积：

（4.16）

式中：——转矩();

——角速度();

——转矩;

——转速r/min。

机械变速时(例如齿转变速、皮带变速)、若变速比为k，在电机功率不变时，忽略变速器效率：

（4.17）

即转速下降k倍，会造成转矩升高k倍，它属于恒功率负载。 （3）变频器的选用型号应根据使用要求而作仔细考虑。 1）基本考虑容是使用环境条件、电网电压、负载大小及性质。

2）环境温度长期较高，安装在通风冷却不良的机柜时，会造成变频器寿命缩短。电子器件、特别是电解电容等器件、在高于额定温度后，每升高10℃寿命会下降一半，因此环境温度应保持较低，除设置完善的通风冷却系统以保证变频器正常运行外，在选用上增大一个容量等级，以使额定运行时，温升有所下降是完全必要的。

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3）电网电压处于不正常时，将有害于变频器。电压过高，如对380V的线电压如上升到450V就会造成损坏，因此电网电压超过使用手册规定围的场合，要使用变压器调整，以确保变频器的安全。

4）高海拔地区因空气密度降低，散热器不能达到额定散热器效果，一般在1000m以上，每增加100m容量下降10%，必要时可加大容量等级，以免变频器过热。

5）使用于不同用途时，选择变频器的系列型号应作分析，对于一般用途变频器采用V/F=常数控制方式已可满足，对于负载变化围大，而且又要求较高运转精度的场合，特别是低速时要求有稳定的速度和负载能力时，则要选用矢量控制等方式的变频器，对数控机床等精密传动还要采用闭环控制和有速度传感器的方式，相应的变频器也要有这些配合的接口，选用时需要综合考虑。

6）变频器使用不同场所对变频器的防护等级要作选择，为防止鼠害、异物等进入应作防护选择。

7）当变频器为降低电动机噪声而将调制频率重新设置得较高并超过出厂设置频率时,会造成变频器损耗增大。设置频率越高，损耗越大，因此要适当减载。

8）矢量控制方式只能对应一台变频器驱动一台电机，而且变频器的额定电流应等于或大于电机额定电流，电机的实际使用电流不能比额定电流小太多(不低于变频器额定电流的1/8)。为了正确地使用矢量控制，在驱动前，变频器对电机冷态参数还需进行输入或自动识别。

9）一台变频器驱动多台电机时，变频器容量应比多台电机容量之和大，并且只能选 择V/F控制模式，不能用矢量控制模式。

10）当多台变频器的逆变单元共用一个整流/回馈单元时，即采用公共直流母线方式，

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有利于多台逆变器制动能量的储存和利用，此时整流/回馈单元的容量要足够大，并要有防止小功率变频器整流桥过载损坏的措施。使用中对多台电机不能同时制动。

2、本设计所用变频器的选择

根据以上变频器选用原则，本设计选用安川公司A1000系列变频器。根据变频器的输出功率和电流选择必须等于或大于被驱动异步电机的功率和电流，本设计运行机构选用的变频器为1台安川A1000系列型号为CIMR-AB4A0103的变频器，最大适用电机容量为45kW。回转机构选用的变频器为1台型号为CIMR-AB4A0165的变频器，最大适用电机容量为75kW。

旋转和行走机构的电动机，由于数量较多，而且是平移机构，对转矩要求不高，通常采用 v/f 方式进行控制。这种方式可以采用一台变频器带动多台电动机，其中旋转机构一台变频器控制两台电动机，行走机构一台变频器控制八台电动机。

3、变频器配套设备的选择

变频器的配套设备包括断路器、接触器、交流电抗器、制动单元和制动电阻。 （1）断路器的后面可以接一台或多台变频器及其它负载。当变频器或其它负载因过电流故障时，可自动切断供电电源，防止事故扩大，以及在维修时为了安全可以通过断路器来切断电路与电源的连接。断路器可以使用普通空气开关或高灵敏切断的断路器，视需要而定，选用时总通过电流应大于负载总电流 1.5 倍以上。本设计旋转机构选用380A 的断路器，行走机构使用280A 的断路器。

（2）接触器用于日常操作变频器电源的通断和断路器断开再通电时变频器不会自动运行而使电动机动作，选用时额定电流也要大于变频器输出电流 1.5 倍以上。本设计旋转机构选用380A 的断路器，行走机构使用280A 的断路器。

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（3）电源侧交流电抗器

通用变频器把电网电压的交流电转变为直流电后都经电容滤波，电容器的使用使输入电流呈尖峰脉冲状，当电网阻抗小时，这种尖峰脉冲电流极大，造成很大的谐波干扰，并使变频器整流桥和电容器容易损坏。当变压器容量大于变频器容量 10倍以上，电网配电变压器和输电线的阻不能阻止尖峰脉冲电流时或者同一电源上有晶闸管设备或开关方式控制功率因数补偿装置时，三相电源不平衡度大于 3%时，都要对输入侧功率因数作提高和抑制干扰，都需使用电源侧交流电抗器。

一般而言，电源逆变器、电源侧交流电抗器的电感量，采用 3%阻抗即可防止突变电压造成接触器跳闸，使总谐波电流畸变下降到原先的 44%左右。实际使用中为了节省费用，常采用 2%阻抗的电感量，但这对环保而言是不好的。比较好的场合应使用 4%阻抗或更大的电抗器。

（4）制动单元和制动电阻选择

采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。通过变频器调速系统的再生制动和直流制动把运动中的起升、变幅、旋转的速度迅速而准确地降到 0(使它们停止)。变频调速系统中有一个重要的部分需要考虑，那就是制动单元和制动电阻。制动单元和制动电阻用来释放掉负荷由势能转换来的电能。

变频器在带大位能负载高速下放时，从高速减至零速。从机械特性上分析，电动机产生与转速方向相反的大于负载的制动转距，以保证负载在下降过程中减速，电动机工作在第Ⅳ象限；从能量角度分析，电动机处于发电状态，大量机械动能和重力位能转化为电能，除部分消耗在电动机部铜损和铁损外，大部分电能经逆变器反馈至直流母线，使直流母线电压升高。普通变频器没有向电网逆变的功能，往往需要靠制动单元控制，将过量的电能

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消耗在制动电阻上。如果电能在短时间不能释放，就会使直流母线电压过高，变频器发出过压故障(OV)报警。

制动单元的作用是电平检测和斩波，当检测到的电压高于设定值时，打开制动电阻回路，让电阻消耗部分电能，释放的电功率取决于制动单元的容量和电阻值[9]。变频器部减速时间设定值，即最高速减至零速的时间，是衡量制动过程的标准参数。减速时间短，要求变频器输出制动转矩大，电气制动功率大，短时间释放电能大，即要求制动单元容量大，能耗电阻值小。

一般当负载惯量不太大时，认为电机制动时最大有70%能量消耗于制动电阻，30%的 能量消耗于电机本身及负载的各种损耗上，此时

（4.18）

式中：UC——制动时母线上的电压（V）； P——电机功率(KW)； R——制动电阻

。

一般对三相 380 时，U ≈ 700V；单相 220 时，U ≈ 390V。

为了确保制动单元功率管不被损坏，制动电阻的选择原则是[10]：制动电阻的功率应大于负载功率，且制动电阻要大于制动单元所允许的最小电阻，但太大了制动效果不好，所以要适当。

旋转机构采用三相380 V,75kW变频器，制动电阻值为：

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行走机构采用三相380V，45KW变频器，制动电阻为：

4.3.4 减速器的选择

回转机构减速器传动比的计算公式：

（4.19）

式中：

——电动机的额定转速(r/min)；

——回转速度（r/min）。

回转机构的减速器按启动功率及速比在场频目录上选用标准减速器。运行机构减速器传动比的计算公式：

（4.20）

式中：D——车轮踏面直径（mm）,D=600mm;

——电动机的额定转速（r/min）,

;

v——运行速度（m/min）,v=20r/min。

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运行机构的重要特点之一是直线运动部分的惯性质量远大于转动部分的惯性质量，即起（制）动动载荷的影响是减速器损坏的主要因素。GB3811-83规定，对于动载荷较大的起重机工作机构，其减速器应考虑实际的作用载荷来进行选择或设计计算。

4.3.5 制动器的选择

起重机周期及间歇性的工作特点，使各个工作机构经常处于频繁启动和制动状态，制动器成为动力驱动的起重机各机构中不可缺少的组成部分，它既是机构工作的控制装置，又是保证起重机作业的安全装置。

回转机构采用常开式制动器，并用脚踏杠杆或液压操纵。由于采用可操纵式制动器，因此可按照需要来加以适当控制，使制动平稳和准确停车。制动器的最大制动力矩应当使起重机在顺风、下坡的条件下，在一定时间停止住。同常把减速器装在减速器高速轴上。

运行机构如果最小制动时间太小，宜采用双级制动，并通过电气控制系统中的时间继电器，合理调整二级制动器的制动时间；或采用可操纵的制动装置，一边司机可按当时所需制动力矩大小来调整对制动装置的操纵。

4.4 电气控制系统的设计

4.4.1行走与回转机构电气控制系统设计

本次设计采用PLC+变频器的驱动方式控制门座起重机的行走和回转机构，控制硬件配置主要由主令控制器、PLC、变频器、电动机及其它电气单元组成。主令控制器信号被发至PLC输入模块，PLC再将操作信号发送到变频器，使变频器产生相应的频率控制电机转速，进而实现对门机行走和旋转机构的控制。图4-1所示为门座起重机行走与旋转机构变频调速系统框图。

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图4-1 门座起重机行走与旋转机构变频调速系统框图

图4-2所示为变频调速系统的单线原理图

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图4-2 变频调速系统的单线原理图

4.4.2 变频器接线图的设计

变频器是变频调速系统的核心装置,它主要分为交一交变频器和交一直一交变频器两种类型\"交一交变频器是把频率固定的交流电源变换成频率连续可调的交流电源\"虽然它没有中间环节,变频的效率也比较高,但是连续可调的频率围窄,一般是在额定频率的1/2以下,故它主要用于容量较大的低速拖动系统中\"交一直一交变频器是先把频率固定的交流电 整流成直流电,再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电源\"由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制,因此,在频率的调节围,以及改善频率后电动机的特性等方面,都有很明显的优势,这也是如今起重机变频调速统多用这种变频器的原因,本文中采用绝大多数变频器采用的交一直一交变换方式[11]。

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变频器的操作控制方式一般有四种：端子控制、通信控制、模拟量控制和面板控制。本设计中采用端子控制。变频器的主回路中，与其它元件的连接从电源到电机依次为断路器、接触器、电抗器、变频器、电动机。旋转和运行机构的变频器接线图分别如图4-3和4-4所示。

图4-3 旋转转机构变频器接线图

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图4-4 运行机构变频器接线图

司机通过主令控制器发出电动机正反转以及速度档位指令，可编程控制器（PLC）接收到指令后进行程序运算，然后给中间继电器的线圈通电，控制中间继电器的主触头吸合，从而接通变频器线路，使电动机运行。变频器部的故障输出信号和零速信号均反馈回 PLC。其中故障输出信号的作用是当变频器有故障时，PLC 能及时停止发送运行指令，保护了变频器和其它电器设备。零速信号是 PLC 编程实现零速刹车的关键信号。

4.4.3 PLC控制系统的设计

可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。

国际电工委员会通过的定义为：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境中应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其部存储程序，执行逻

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辑运算、顺序控制、定时、计数与算术运算操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备都按照易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

一、PLC 的主要特点： 1、高可靠性

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用了现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺制造，部电路采取了先进的抗干扰技术，所以具有很高的可靠性。从PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点数已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息。PLC 主要有以下方面特点：

（1）所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 部电路之间在电气上隔离。

（2）各输入端均采用 R—C 滤波器，其滤波时间常数一般为10ms～20ms。 （3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 （4）采用性能优良的开关电源。 （5）对采用的器件进行严格的筛选。

（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU 立即采取有效的措施，以防止故障扩大。

（7）大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成的冗余系统或由三个 CPU 构成表决系统，使可靠性更进一步提高。

2、丰富的 I/O 接口模块

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PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等，有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备与之连接。采用模块化结构

3、编程简单易学 4、安装简单、维护方便 5、体积小、重量轻、能耗小 二、PLC 的主要功能[12]：

1、条件控制功能；2、定时功能；3、步进控制功能；4、数据处理功能；5、A/D与 D/A 转换功能；6、运动控制功能；7、过程控制功能；8、扩展功能；9、远程 I/O 功能；10、通信联网功能；11、监控功能。

三、PLC 的基本组成 1、中央处理单元（CPU）

在 PLC 中 CPU 按系统程序赋予的功能，指挥 PLC 有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面[13]：

（1）接收从编程器输入的用户程序和数据。

（2）诊断电源、PLC 部电路的工作故障和编程中的语法错误等。

（3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中。 （4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。

（5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的容，通过输出单元实现输出控制。有些 PLC 还具有制表打印或数据通信等功能。

2、存储器

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存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器 RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM 和 EEPROM。

3、输入/输出单元 4、通信接口 5、智能接口模块 6、编程装置 7、电源 8、其他外部设备 四、PLC 的软件组成[14]

PLC 的软件由系统程序和用户程序组成。PLC 常见的编程语言有：梯形图语言、语 句表语言、逻辑图语言、功能表语言、高级语言等。 五、PLC 编程技术要点：

1、列出 PLC 输入/输出通道分配表。

2、根据功能流程图画出程序流程图及程序结构功能模块图。 3、随时登记所用程序元素，便于检查和避免重复。 4、多使用部继电器，避免过于复杂的混联逻辑。

5、注意考虑系统功能要求中没有想到的问题，比如互锁、联锁等。 6、进行程序的修改及简化。

7、将程序输入 PLC 并使用模拟 I/O 装置按照控制要求进行模拟调试。 六、设计中应注意的问题[16]

为提高系统的可靠性，在设计过程中，应该注意以下几个方面的问题：

[15]

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1、使输出模块（端口）的负荷留有一定的余地。PLC 装置本身最易受到损坏的部件就是输出模块。降低输出端口负荷的最简单的方法是给它加上功率放大环节，即使用吸合功率和保持功率都相对较小的中间继电器进行转换。另外，设计和选型时应特别注意这些输出模块的输出特性。

2、注意对输出模块的外电路保护。为防止因外电路短路等原因造成输出端口的损坏，可在其输出口设置短路保护装置。

3、联锁、互锁功能的软、硬件设置。单纯在 PLC 部逻辑上的联锁和互锁，往往在外电路发生故障时就失去作用。如电机的正、反向接触器的互锁以及交、直流接触器的互锁等，仅在应用程序中实现是不够的。因为，接触器往往会出现主点“烧死”而在线圈断电后主电路仍不断开的故障，这时如给出相反的控制命令则会造成主电路的严重短路。解决这一问题的方法是将两接触器的常开辅点引入 PLC 输入口，再在软件中把它们以常闭的方式串入对方输出点线圈，就可起到较完善的保护作用。再加上硬件上的互锁，就更完善了。

4、对PLC电源的要求及系统的失压保护。在起重机装卸现场，供电质量普遍较差，干扰、波动、低电压运行和瞬间高压经常出现，都会对PLC装置的运行产生影响。尽管大部分PLC系统都有较强的电源适应能力，但是采用高质量的稳压电源无疑会增加系统的可靠性。在应用程序开发时要特别注意系统的失压保护，要处处考虑出现失压状态时系统初始状态的恢复和联锁。

本设计采用的可编程控制器为西门子S7-300 系列控制器。硬件组成包括2块16位输入的数字量输入模块SM321；2块16 位输出的数字量输出模块SM322；一个 CPU 模块和一个电源模块。根据系统特点及价格因素,可选用如图4-5所示的硬件配置。

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图4-5 PLC硬件配置

程序的流程图如图4-6所示，首先判断旋转机构是否正常，如果不正常，则发出故障报警；否则再判断是否需要行走，如果不需要，则旋转机构按控制信号运行；如果需要行走，则判断行走机构是否正常，如果不正常，则发出故障报警；否则行走机构按控制信号运行。

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图4-6 程序流程图

根据对行走和旋转机构的控制要求来设计PLC的梯形图程序。对行走和旋转机构的控制的基本要求有实现正常启动和关掉变频器的要求；实现故障保护和零压欠压保护，实现电机的正反转和多级调速，实现制动要求，保证行走和旋转机构的运行安全。从这些要求出发，设计合理的PLC逻辑，配合硬件设备来完成这些功能和要求。图4-7和4-8分别是PLC输入和输出点接线简图。

为方便查看各个输入输出点的作用功能和编梯形图时核对各点逻辑的正确性，以及为各个输入输出节点分配PLC中的地址，编写了PLC的符号定义表，见附录A表A1和表A2。

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旋转机构和行走机构控制系统的梯形图分别见附录B和附录C。

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图4-7 PLC输入模块外部接线图

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图4-8 PLC输出模块外部接线图

第5章系统程序仿真

5.1使用S7-PLCSIM仿真软件的步骤

（1）单击STEP7编程的STMATIC管理器工具条中的【Simulation on/off】按钮，或者执行菜单命令CPU视图对象，同时建立STEP7与仿真CPU的连接。此时仿真PLC的电源处于接通状态，CPU处于STOP模式，扫描方式为连续扫描。

（2）在SIMATIC管理器中打开将要仿真的用户项目，选中【Blocks】对象，点击工具条中下载按钮，或者执行菜单命令【PLC】/【Download】，将所有的块下载到仿真PLC中。

（3）点击S7-PLCSIM工具条中标有“I”的按钮，或者执行菜单命令【Insert】/【Input

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Variable】，创建输入IB字节视图对象。用类似的方法可以生成输出字节QB，为储存器的形式显示，根据被监视变量的情况确定M视图对象的显示格式。

5.2仿真结果及分析

根据设计好的梯形图程序，应用step7仿真模块，对行走与旋转电气控制系统进行模拟仿真，旋转与行走机构程序仿真的结果分别如图5-1和5-2所示：

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图5-1 旋转机构程序仿真结果

当总断路器I0.0、旋转变频器断路器I0.1和旋转电机接触器I0.2闭合后，旋转变频器和旋转风机电源接通并自锁，然后再按下旋转零位档I1.1和旋转电机正转按钮I1.6，旋转电机正转，同理当旋转电机反转按钮I1.7闭合，旋转电机反转。当旋转主令控制器处于1位时，档位1中间继电器M0.2得电，同时档位选择1和档位选择2继电器失电，输出分别为0,0；当旋转主令控制器处于2位时，档位2中间继电器M0.3得电，同时档位选择1继电器失电，档位选择2继电器失电，输出分别为0,1；当旋转主令控制器处于3位时，档位3中间继电器M0.4得电，同时档位选择1继电器得电，档位选择2继电器失电，输出分别为1,0；当旋转主令控制器处于4位时，档位4中间继电器M0.5得电，同时档位选择1和档位选择2继电器得电，输出分别为1,1。当旋转变频器出现故障即I0.3闭合后，发出故障报警，同时旋转机构停止运行。

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图5-2 行走机构程序仿真

当总断路器I0.0、行走变频器断路器I2.0和行走电机接触器I2.12闭合后，行走变频器和行走风机电源接通并自锁，然后再按下行走零位档I2.7和行走电机正转按钮I3.4，行走电机正转，同理当行走电机反转按钮I3.5闭合，行走电机反转。当行走主令控制器处于1位时，档位1中间继电器M1.2得电，同时档位选择1和档位选择2继电器失电，输出分别为0,0；当行走主令控制器处于2位时，档位2中间继电器M1.3得电，同时档位选择1继电器失电，档位选择2继电器失电，输出分别为0,1；当旋转主令控制器处于3位时，档位3中间继电器M1.4得电，同时档位选择1继电器得电，档位选择2继电器失电，输出分别为1,0；当旋转主令控制器处于4位时，档位4中间继电器M1.5得电，同时档位选择1和档位选择2继电器得电，输出分别为1,1。当行走到极限位置即碰到行程开关I3.7后，I3.7断开，行走机构停止运行。当行走变频器出现故障即I2.2闭合后，发出故障报警，同时旋转机构停止运行。

从仿真结果和分析中可看出，程序达到了预期的效果，表明程序在逻辑上是可行的。

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第6章总结与展望

6.1 总结

门座式起重机是是向着大型化、自动化、轻型化、标准化的方向发展，并且随着产品设计和制造工艺的提高逐渐地走向世界。门座式起重机电气控制系统的应用，使物料装卸速度加快，成本降低，安全可靠，大大提高了企业的生产效率。

本文针对门座式起重机行走与旋转机构的电气控制系统进行设计与研究，所做的主要工作如下：

（1）参阅了相关的文献资料，对国外门座起重机的调速系统现状进行了综述，表明了目前交流变频调速系统对门座起重机的重要性。

（2）分析了门座起重机的的工艺流程以及对电气控制系统的要求，提出了基于 PLC和变频器的门座式起重机电气控制系统设计方案。

（3）详细介绍了门座起重机交流变频调速系统的设计方法，包括电动机的选型、变频器的选择、附加配套设备的选择、系统的主电路原理图、可编程控制器的选用等。

（4）完成系统的软硬件设计后，对整个调速系统进行了仿真，验证了控制方案的正确性及合理性。

6.2 展望

本文虽然完成了门座起重机交流变频调速系统的设计，但是所设计的系统相对来说还是比较基本的变频调速系统，仍有许多方面值得进一步深入研究，变频调速系统的性能还有很大的提高空间。本文还有必要在以下方面继续研究：

（1）变频器频率指令的给定可以采用模拟量输入的方式来取代开关量的输入。这

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样电动机将可以实现以任意转速运行（在额定转速以）。

（2）一台变频器控制起重机多个机构电机的运行。这样可以减少变频器的数量， 节省成本。

（3）控制系统不能实现全自动装卸货物，需要手动设置，只能实现半自动抓取物料，影响整机自动化程度。在现场监控，位置检测等方面有待进一步研究。

参考文献

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[16] 万盛, 施柏平, 尤彦. PLC在门座式起重机电控系统改造中的应用[J]. 梅山科技, 2010, 3:20-23.

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附录A

输入 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 符号 SB0 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SL0 SL1 SL2 SL3 SL4 SB8 SB9 SB10 SB11 SB12 SB13 SB14 SB15 SB16 SL5 SL6 SL7 SL8 SL9 SB17 SB18 地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 I3.0 I3.1 I3.2 I3.3 I3.4 I3.5 数据类型 BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL 注释 总断路器 旋转变频器接触器 旋转电机接触器 旋转变频器故障 旋转制动单元热敏开关 旋转制动单元断路器 旋转制动单元接触器 旋转故障复位 旋转零位档 旋转主令控制器1位 旋转主令控制器2位 旋转主令控制器3位 旋转主令控制器4位 旋转电机正传 旋转电机反转 行走变频器断路器 行走电机接触器 行走变频器故障 行走制动器热敏开关 行走制动单元断路器 行走制动单元接触器 行走故障复位 行走零位档 行走主令控制器1位 行走主令控制器2位 行走主令控制器3位 行走主令控制器4位 行走电机正转 行走电机反转 . 可修编-

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30 31

ST1 ST2 I3.6 I3.7 BOOL BOOL 正转行程保护 反转行程保护 表A1 PLC输入分配表

输出 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 符号 KM0 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 KMF1 KM8 KM9 KM10 KM13 KM14 KM15 KM16 KM17 KMF2 地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 数据类型 BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL

注释 旋转变频器故障 旋转制动器接通 旋转档位选择1 旋转档位选择2 旋转电机正传 旋转电机反转 旋转变频器接通 旋转正常指示 旋转风机电源 行走故障报警 行走制动器接通 行走档位选择1 行走档位选择2 行走电机正转 行走电机反转 行走变频器接通 行走正常指示 行走风机电源 表A2 PLC输出分配表

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