基于plc和变频器的桥式起重机控制系统设计

基于plc和变频器的桥式起重机控制系统设计内容摘要：

/2/2/233/23/2/230111001011PLrLPLLLPLrLPLPLLPLrLLPLLPLrMMMMMMMMTMTMiiii211 () 为了进一步简化方程式 (2. 15)，可选择 M 轴与电机 转子磁链 2 的方向重合，T轴逆时针转 900，与 2 垂直。 通过这种设定，就得到转子磁通定向的异步电动机电压方程式（ ），也就是矢量控制所依据的异步电动机数学模型。 0011TMuu=/2/233/2/20111001011000rLLPLrPLPLLPLrLLPLLPLrMMMMMMTMTMiiii211 () 矢量变换控制方程 在矢量控制中，被控制的物理量是定子电流，因此必须从数学模 型中找到定子电流各分量与其它物理量的关系。 由式 ()矩阵的第三行得 0=   239。 239。 21 MMM iPLriPL  =  239。 21239。 2 MMMM iPLiPLir  () 上式括号部分： 239。 21 MMM iPLiPL  =P 2M () 所以有 0= 239。 2Mir + P 2M 2Mi = P 2M /39。 2r () 将式 ()代入式 ()的方程中，可解得 1Mi 、即 2M = 239。 21 MMM iLiL  = 39。 2239。 21 rPLiL MMM  () 1Mi = MML rPL 239。 239。 2 /1  = 221 MMLPT  () 14 式中， 2239。 239。 22 // rLrLT  为转子回路时间常数。 而 22  M () ∴221 1 MM L PTi  () 再从式 ()第四行得 239。 2239。 23130 TMMM iriLiL   =   239。 2239。 213 TMMM iriLiL  = 239。 223 Tir () ∴ 39。 2 232 riT  () 又因为 0239。 21  TTM iLiL ，则将式 ()代入得 223139。 22  MTMT L TiLLi  () 由此可得式 ()和式 ()为矢量变换控制所用得方程式， 并画出矢量变换的控制结构如图 所示 : iT1 i1 θ / θ /1 + θ 1 ω 3 θ 3 + θ IM1 来自位置脉冲检测 图 K/P ψ 2 运算器 LM/T2 247。 1/P LM/1+T2P 15 第三章 桥式起 重机变频控制系统 的 硬件设计 总体 设计 方法 控制系统由 PLC 控制，四大机构调速均采用变频调速。 桥式起重机变频调速系统主要由上位机 (工业触摸屏系统 )、下位机 (PLC 控制系统 )、变频调速系统组成。 系统结构图 如图 1 PG卡 旋转编码器 变频器 主钩电机 制动器 PG卡 旋转编码 变频器 副钩电机 制动器 变频器 小车电机 制动器 变频器 大车两台电机 两台制动器 工业触摸屏 P L C 图 控制系统结构图 下面分别对各 主要 机构调速控制进行说明。 起升机构 起升机构属位能负载机构。 主起升和副起升两台电机各使用一个变频器。 变频器的选择， 应以选择变频器的额定电流为基准，一般以电动机的额定电流，负载率， 变频器运行的效率为依据。 16 控制方式选用带 PG 的矢量控制方式。 PLC 接受电机的旋转编码器经数模转换卡送达的反馈信号，避免吊钩的下滑。 运行机构 大车运行机构 中 两台电机用一个变频器。 考虑到运行机构的工作频率较少，为节省成本 ，在调速中运行机构共用一台变频器。 变频器的选择，一般以电动机的额定功率作为选择的依据。 通常选额定功率大一级的变频器。 控制方式选用无 PG v/f 的变频控制方式。 PLC 技术简介 PLC 概述 可编程程序控制器 (Programmable Controler)，也称为 PLC(programmable Logic controler)，即是可编程逻辑控制器。 其 采用计算机结构，主要包括 CPU,存储器、输入、输出接口及模块、通讯接口及模块、编程器和电源六个部分。 如图 所示， PLC 内部采用 总线结构，进行数据和指令的传输。 外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为 PLC 的输入变量，他们经 PLC外部输入端子输入到内部寄存器，经 PLC内部逻辑运算或其他各种运算处理后送到输出端子，作为 PLC 的输出变量，对现场设备进行各种控制。 主机 编程器或编程软件 电源 输入模块 输出模块 CPU 存储器 通信模块 17 图 可编程控制器基本结构示意图 Siemens S7200 结构及工作原理 (1)S7200 系列 PLC 介绍 S7200 系列 PLC 功能强、速度快、具有模块化、具有极高的可靠性、极丰富的指令集、 实时特性、良好的通信能力等。 它 的强大 功能使其无论是在独立运行中，或相连成网络都能实现复杂控制功能。 可以根据对象的不同，选用不同的型号和不同数量的模块。 并可以将这些模块安装在同一机架上。 (2) Siemens S7200 主要功能模块介绍 1. CPU 模块 S7200 的 CPU 模块包括一个中央处理单元、电源以及数字 I/0 点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。 CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。 从 CPU 模块的功能来看，CPU 模块为 CPU222。 这里介绍 CPU222。 CPU222 它有 8 输入 /6输出， I/0 共计 14 点。 和 CPU 221 相比，它可以进行一定的模拟量控制和 2 个模块的扩展，因此是应用更广泛的全功能控制器。 当 CPU的 I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要 进行 I/0扩展，I/O扩展包括 I/0点数的扩展和功能模块的扩展。 典型的数字量 I/0扩展模块有 :输入扩展模块 EM221有两种 :8种 DC, 8点 AC输入。 输出扩展模块 EM222有三种 :8点 DC 晶体管输出， 8点 AC输出、 8 点继电器输出。 输入 /输出混合扩展模块 EM2323有六种 :分别为 4点 ((8 点、 16点 )DC 输入 /4点 (8点、 16 点 )DC 输出、 4点 (8点、16点 )DC 输入 /4点 (8点、 16 点 )继电器输出。 当需要完成某些特殊功能的控制任务时， CPU 主机可以扩展特殊功能模块 .如要求 进行 PROFIBUSDP现场总线连接时，就需要 EM277 PROFIBUSDP 模块，在这里主要介绍模拟量输出模块 EM232。 EM232 模块提供了有 2 输出模拟量通道，具有 12 位的分辨率，且具有多输入，输出信号范围。 其内部集成了 D/A 转换器、放大器等多种功能的电路，可用18 于复杂的控制场合。 它能够不用外部放大器而与传感器直接相连，可根据输出模拟量的大小，通过其外置的 D工 P开关选择不同的档位及分辨率，且模拟量的输出可作为测量传感器的恒流源使用。 Siemens S7200 PLC 的工作原理： 各种 PLC 具体工作原理大同小异都采用扫描工作方式。 Siemens S7 200PLC的工作过程 :PLC 上电后，首先进行初始化，然后进入循环工作过程。 一次循环过程可归纳为公共处理、程序执行、扫描周期计算处理、 I/0 刷新和外设端口服务五个工作阶段，一次循环所用的时间称为一个工作周期 (或扫描周期 )，其长短与用户程序的长短以及 PLC 机本身性能有关，其数据级 ms级，典型值为几十 ms。 部件 的 选择 电机的选用 一、变频调速对电机的要求 采用变频调速时，由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电机转速 范围的扩大产生了一些与在工频电源下传动时不同的特征。 主要反映在功率因数、效率、输出力矩、电机温升、噪音及振动等方面。 随着高开关频率的工 GBT 等电力电子器件的使用、 PWM 调制、矢量控制、增强型 V/f控制方法的应用、使变频器输出波形、谐波成份、功率因数及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了变频控制电机的低速区转矩。 同时由于变频控制软件的优化使用，使电机可以避开共振点，解决了系统在大调速区间内可能发生的共振问题。 二、变频起重机系统中电机的选型 起重机起升和运行机构的调速比一般不大于 1:20，且为断续工作制，通 常接电持续率在 60%以下，负载多为大惯量系统。 严格意义上的变频电机转动惯量较小，响应较快，可工作在比额定转速高出很多的工况条件下，这些特性均非起重机的特定要求。 普通电机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致。 在连续工作时考虑到冷却效果限制了普通电机转矩应用值，普通电机仅在连续工作时的变频驱动特性比变频电机稍差。 三、电机冷却 西门子变频器在调速比为 1:20 的范围内能确保起重机上普通电机有 150%19 的过载力矩值。 电机在起动过程中可承受 倍额定电流值，远大于变频起动要求的 倍值，运行机构的电机在以额定速 度运行时电机通常工作在额定功率以下，因此高频引起的 倍电流值可不予考虑。 但若电机要求在整个工作周期内在大于 1:4 的速比下持续运行则必须采用他冷式电机。 四、电机效率 国外以 4 极电机作变频电机首选极数，因此时电机有最好的功率因数和最高的工作效率，使能耗降为最低。 目前，国内用于起重机械的 4极电机有强迫通风冷却的 YZFXXX4型电机等。 五、电机起动转矩及电机运行的功率因数 起重机运行机构的转动惯量较大，为了加速电机需有较大的起动转矩，故电机容量需由负载功率 P 厂及加速功率 Pa 两部分组成。 一般情况下 ja PP ,电机容量 P 为   msj PaPP / 式中 ms 一电机平均起动起动转矩倍数 起重机起升机构的负荷特点是起动时间短 (13s)，只占等速运动时间的较少比例。 转动惯量较少，占额定起升转矩的 10%20%。 其电机容量 P为  1000/gvCP P (kw) 式中 PC 一起重机额定提升负载， kg v 一额定起升速度， m/s g 一重力加速度， g=9. 81m/s  一机构总效率 为使电机提升 倍试验载荷，能承受电压波动的影响，其最大转矩值必须大于 2,否则必须让电机放容，从而降低电机在额定运行时的工作效率。 通过利用上述公式的计算，选用改造后的桥式起重机各执行机构。