毕业论文-基于plc和变频器的桥式起重机控制系统设计

毕业论文-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。