qm1633型门机plc电气控制系统分析港口电气专业学位论文.docx
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qm1633型门机plc电气控制系统分析港口电气专业学位论文
专科毕业设计（论文）
设计题目：
MQ1633型门机电气控制系统分析
系部：
电气工程系
专业：
电气自动化技术（港口方向）
班级：
港口电气101302
姓名：
张超学号：
103915130231
指导教师：
胡春玉职称:
讲师
2013年5月南京
摘要
门座式起重机（门机）是现代港口码头使用最为普遍的，工作性能较好和最为典型的电动装卸机械，结构复杂，机构最多，被广泛的应用于港口装卸作业。
门机要求在不同的场合有不同的速度进行工作，其目的在于确保生产安全和一定的工作效率，速度的控制必然离不开变频器和PLC，交流变频调速和其他调速方案相比，具有明显的优点，其速度可在整个调速范围内连续控制，开闭环特性好，调速比可达1:
100以上，调速精度正负1%，可以长时间低速运行，节能效果显著，省去了电动机转子侧的大功率电阻，实现自动化切换交流接触器和电动机正反装接触器，再加上系统传动用的是鼠笼式异步电动机，成本相对较低，维修较少。
关键词：
电气控制系统电气故障
Abstract
Electronicgantrycraneisoneoftheimportantproductionmachineriesinshipyard,butliftingaccidentsoccurfrequently,onepartwascausedbythefaultoftheelectricalsystem,andfurthermoreliftingequipmentfailurehasalsobeenoneofthefactorsaffectproduction.Theelectricalcontrolsystemisthecore.Comprehensiveunderstandingoftheelectricsystemcomposition,workingprinciple,routinemaintenanceforequipmenthaspositivesignificanceinkeepingtheequipmentingoodrunningandensuringtheproductionneeds.ThispaperemphaticallyanalyzestheprincipleofelectriccontrolsystemandtheneedleonthebasisoforiginalequipmentforadditionalPLCcontroltransformation,furtherimproveequipmentautomationdegreeandsecurity.
Keywords:
electricalcontrolsystemelectricalfault
目录
1引言1
2MQ1633门机的概述2
2.1MQ1633门机的简介2
2.2MQ1633主要技术参数2
2.3MQ1633门机的控制与保护3
3门机电气控制原理4
3.1门机电源控制原理4
3.2起升机构5
3.3变幅机构5
3.4旋转机构6
4PLC和变频器在大车行走和主钩升降中的应用7
4.1PLC和变频器介绍7
4.2系统组成8
4.3程序设计9
结论14
致谢15
参考文献16
1引言
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。
作为一名港口机械电气维修工人，必须对门机的电气相关知识充分的理解，避免因为误操作而引起安全事故。
门机除电气控制保护装置外，还装有起重量或起重力矩限制器、起重机夹轨器等安全本文没有做机械方面详细介绍，在实习六个月的这段时间里通过不断的理论与实践的磨合，能把理论知识付诸实践，然后再通过实践总结出理论，本文由总到分的介绍了门机的主要机构，在具体详细的分析了某一机构的具体工作过程以及工作中常见的几种故障现象。
本文重点对MQ1633型门座起重机的电气控制系统进行分析，在港口作业过程中门机担任了至关重要的作用，门机的安装通常都是在码头，分为海侧和陆侧，通过沿码头铺设轨道实现门机的水平运行，在门机的大车大车运行机构中，大车行走通过8台7.5kw电机带动，通过夹轨器沿轨道做水平方向行走，运行停止通过安装在电机旁的8台制动器制动，门机工作时通过变幅，起升，旋转等机构的共同配合下，实现对货物的装卸。
它的工作机构具有较高的运转速度，起升速度可达60m/min，变幅速度可达50m/min，使用率高，每昼夜可达22h，台时效率也很高，一般可达100t/h以上；它的结构是立体的，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、转载，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。
2MQ1633型门机的概述
2.1MQ1633型门机的简介
本起重机安装于惠龙港内港池码头，数量2台。
以抓斗作业为主、兼顾吊钩，采用380V，50Hz电缆供电。
设备的控制系统采用PLC控制，起升、旋转、变幅、行走系统均采用变频调速。
本机采用先进技术制造，结构布局合理，自重轻、效率高、操作简便、运行平衡、对位准确、维修方面和安全可靠，能适应24小时抓斗连续作业。
起重机结构形式为圆筒式主梁结构（板凳门架）。
采用四连杆组合臂架，齿条变幅，旋转采用滚柱回转大轴承。
能作起升/开闭、变幅、360°旋转及整机沿轨道行走。
起升/开闭机构、变幅机构和旋转机构按工作机构设计，行走机构按非工作机构设计。
起升/开闭、变幅、旋转机构三个工作机构既可单独动作也可进行联动动作，四大机构的操作均能在司机室内实施。
2.2MQ1633型主要技术参数
额定起重量：
10—30m25t
变幅速度：
≥50（m/min）
工作幅度:
最大33m，最小9.5m
行走速度：
27（m/min）
起升高度：
轨上28m，轨下15m
旋转速度：
1.5（r/min）
起升速度：
≥60（m/min）
尾部旋转半径：
≤8.5米
起重量：
16t<起重量≤25t
供电电源和方式：
380V，三相，50Hz
利用级别U8
载荷情况Q3
工作级别A8
电源上机方式：
单电缆卷筒上机
机构名称
利用级别
载荷情况
工作级别
起升/开闭机构
T8
L3
M8
旋转机构
T6
L3
M7
变幅机构
T6
L3
M7
大车行走机构
T4
L2
M4
起重机抗倾覆稳定性也要符合GB3811-83第Ⅳ级有关规定。
保证起重机在工作状态（≤20m/s风速）和非工作状态（处于锚定状态，71m/s风速）下，具有足够的整机稳定性能。
2.3MQ1633型门机的控制与保护
起升/开闭、大车、回转及变幅机构的调速系统起制动应平稳，反应灵敏，调速范围要广，低速时性能稳定，能够实现无级调速。
起升/开闭、大车运行、回转及变幅机构均要选用足够功率的交流变频电动机驱动，其中大车运行机构同支持机构共用一套调速装置，变幅、开闭机构各独用一套调速装置。
该装置均为全数字式交流矢量变频调速系统，可对各参数进行数字设定，对整套装置的工作参数进行显示。
起升/开闭机构根据负荷的变化进行恒功率和恒转距驱动，也可以根据负荷的变化实现速度和转距的均衡。
起升/开闭、大车运行及变幅机构通过设置合格的加减速时间，使得操作无冲击效应，当司机手柄回零时，驱动器首先将机构的转速降至额定转速的10%，再进行机械制动。
但在紧停或电源故障时，应立即制动。
起升/开闭、大车运行及变幅机构的电动机要选择响应性能好、抗过载能力强、散热能力佳的专用变频电机。
起重机各机构的运行联锁通过可编程序控制器（PLC）来完成，I/O点配置留有10%余量，可编程序控制器要独立供电，具有多种通信接口，PLC的CPU速度和内存能够满足起重机控制和管理的要求。
三门机控制原理
3.1门机电源控制原理
主电源经35kv/10kv高压变压器后经高压母线设备分别输送到各用电柜，再由各用电柜进行2次变压转换为所需电源，经高压隔离开关输送到门机各地表电箱，电箱由一400A空气断路开关和两个220v空气开关组成，由400A空开经卷筒电缆输送到电缆卷筒上面的中心受电器，经中心受电器与集电器，输送到门机的各个机构，实现固定部分与旋转部分电源的连接，频率为50赫兹的电压，经电压表电流表，再经电抗器，整流回馈电路，将交流电整流成直流电，然后经过各个机构的逆变器把直流电整流成连续可控的交流电输送到各机构电机，以对电机的控制，实现变频器，PLC，编码器，制动单元，限位开关，紧停开关，中间继电器，手柄等之间的连锁控制，在司机室内通过手柄操作，将信号经中间继电器（为避免信号干扰）传递到PLC模块输入端，通过PLC控制电机的运转，然后变频器再通过编码器的输出端实现对电机转速的控制，从而实现整个电气控制系统的自动化控制。
如图1所示电源接线图，U1，V1，W1经10kv/380变压器变为380v电压后经过消谐装置，急停开关后，直接引出的；U2，V2，W2经变压器T1后反馈到其相应的三相接线端。
P3C13,P3C14经过两相变压器后变为220V，通过整流单元整流成直流24v，10A的电源上和柜内电器柜的各电源处。
17，19端头接到联动台PLC输入的电源/PLC柜的接头上。
18,20分别是两个输出检测接头，他们通过C3C7，C3C8接到PLC柜内的两个模块输入口上。
在整流单元正常运行时，C3C7把闭合信号传递给PLC，经过内部处理后，模块输出端控制的接触器得电吸合，整流单元照常运行。
当整流单元发生故障时C3C8断开，把断开信号传到PLC，PLC经过处理信号控制输出模块的接触器使其常开触点闭合，整流单元停止，并通过变频器显示故障。
电流经过整流后，通过L+,L-输出的直流电源电对旋转机构，大车行走，起升机构，变幅机构的逆变器L+,L-端口供电。
图1.电源接线分布图
3.2起升机构
起升机构主要用于对货物的的提升和下降，该机构主要有两个电机，一个为支持机，另一个电机为开闭机，两个电机可以单独工作也可以同时工作，当联动台上面的抓斗/吊钩选择开关SA打到抓斗位置时，同时单机/双机打到双机位置时，两个电机同时工作即双机工作，反之则单机工作，当手柄打到上升档位时，上升方向的信号通过通讯卡控制变频器运行，制动器中继得电吸合后，制动器得电松开，电机正常运转，当手柄打回零位档时，上升方向运行信号断开，变频器控制电机减速停车，当电机运转停止且转速接近零时，制动器失电，抱闸制动，制动电阻消耗掉电机感生回路电能制动，自动的控制起升电机平稳停下来。
无论是什么形式的起重机，起升机构硬件组成基本一致：
吊钩、抓斗、限位、制动器、钢丝绳、电动机、减速器、钢丝绳卷筒。
三相异步电动机通过供电的变化来控制电机的正反转、高低速转、大小转矩转动，电动机的高速轴一般会连接至三级减速箱，通过减速箱改变速度和输出做功。
高速轴一般还会有高速制动器，在停车时制动器闸，防止吊在半空中的物件下滑造成安全事故。
减速箱的输出轴与钢丝绳卷筒通过齿轮连接，钢丝绳缠绕在钢丝绳卷筒上的，外引钢丝绳穿在吊钩上。
减速限位，停止限位为了防止吊钩冲顶，吊钩上升到一定高度就会先减速然后停止。
这样电机转动时就会通过三级减速箱后带动输出轴转动从而带动钢丝绳卷筒转动，卷筒的转动控制吊钩的起升，停车时通过高速制动和低速制动实现平稳停车。
3.3变幅机构
变幅机构是由一台电动机来驱动;根据增减幅操作要求,电动机能够正反两方向运行，分四级起动，且有调速要求。
变幅机构部分带有位能负载特征,而且属于变负载机构,当增幅时负载转矩可能超载,需要加超负荷限制器幅度保护，此外变幅机构运行过程中的振动与冲击较大,特别是在增幅极限和增幅终点时更是如此,因此对于其调速要求较高。
为了保证制动过程的平稳,采用了双制动器来实现软制动。
逐级切除启动电阻法原理：
如图2所示，刚开始启动时，主触点1KM,2KM,3KM均断开，启动电阻全部接入，KM闭合电动机得电。
电动机的机械特性曲线可以看出，当Tst=TA时,负载转矩为TL，加速转矩Ta1=TA-TL,转速沿直线上升；当轴上输出转矩下降到TB时，为使系统保持较大的加速度，KM3闭合使各相电阻中的Rst3被短接，启动电阻由R3减为R2，只要R2的大小选择合适，并把握好电阻的切除时间，就能使电阻在刚被切除的瞬间让电动机轴上输出转矩重新回升到TA，从而电动机重新获得最大的加速转矩，电动机的机械特性曲线由Ⅲ变为Ⅱ。
各段电阻的切除过程与上述相似，直到电阻完全被切。
图2.转子串电阻调速
3.4旋转机构
旋转机构控制模式为带PG的矢量控制方式。
旋转制动采用变频器内部电气制动和脚踏液压制动器两种方式，当旋转操作手柄回零后，变频器进行自动减速制动，制动时间大约为6秒，液压制动器为制动泵驱动依靠机械摩擦片制动，制动力矩大小完全由人工来控制，为防止在操作过程中误踏脚踏制动器，可能导致紧急制动造成变频器过流，通常会设有电气联锁限位，当踩下脚踏制动器时，该联锁限位动作，程序会切断旋转电气回路，自动将旋转制动时间设为安全制动时间，使机构能够安全平稳制动。
旋转机构的电气保护有短路保护、过电流保护、过载保护、失压保护、缺相保护、零位保护等多种保护，当变频器出现故障时，必须按下联动台上的故障复位按钮进行复位。
除在制动器设有脚踏制动器联锁限位，还设有锚定联锁限位开关。
旋转锚定限位在联动台有信号指示，当旋转锚定限位开关打开后，即锚定销插入锚定孔后，切断旋转机构控回路，禁止旋转机构运行。
操作手柄从零位推到其他档位时，以PLC作为控制器控制变频器以设定的加减速时间达到所需的速度。
旋转机构各开关、连锁限位、接触器、保护限位、联锁触点等外部信号，经I/O输入输出模块进入PLC，经PLC控制后对机构的进行控制，当机构发生外部故障时，无法运行时，PLC控制变频器停止运行，制动器紧急制动，安装于PLC柜的触摸屏会显示故障部位，当故障解除后，按下故障复位按钮，PLC输出复位信号控制变频器参数复位。
旋转编码器输出的转速信号进入PLC高速模块，经转换、计算等一系列数据运算后由通讯端口进入变频器控制运行速度，起升电机与增量型编码器PG同轴连接将电机运转速度信号反馈给变频器进行速度控制，通讯端口将信息反馈到PLC进行运算控制。
4PLC和变频器在主钩升降中的应用
4.1PLC和变频器的介绍
一、PLC控制器
PLC也可称为编程序控制器，可编程控制器是一种可实现数字运算的操作系统，它具有较多的输入输出接口，同时它还拥有较强的驱动功能。
PLC运行可分为输入采样，程序执行，输出刷新三个工作阶段，也就是一个扫描周期，在扫面周期PLC的CPU重复执行这三个过程，进行输入采样时能够以扫描的方式将按钮、开关、主令控制器的输入状态读入，并且将他们存在I/O的相应单元中；在程序执行过程中PLC按照由左往右由上而下的顺序依次进行扫描预先编好的梯形图，PLC在扫描同时进行相应的逻辑运算，逻辑运算的结果可作为刷新在RAM存储区中状态的依据；当程序扫描结束后，PLC进入了输出阶段，在此阶段，CPU按照I／0映象区内对应的数据和状态，刷新所有的输出锁存电路，最后通过输出电路来驱动相应的负载，如各种接触器、电磁阀线圈、变频器或信号指示灯等执行器件，PLC控制器输出。
二、变频器调速原理
变频器简单地说就是将电源的三相（或单相）交流电，经整流桥整流为直流电（交一直变换），再把直流电经逆变器变为电压和频率可调的三相（或单相）交流电源（直一交变换）。
其间电能不发生任何变化，而只有频率发生改变。
转子的转速计算公式如下：
（1）式中：
n--转子的转速；f--定子频率；s--异步电动机转差率；p--磁极对数。
由式
（1）可知，异步电动机调速的途经有调整输入频率、改变转差率和改变磁极对数。
改变电机的磁极对数实际上就是改变定子旋转磁场的转速，加上电机的磁极对数是相对固定的，所以只有通过改变定子绕组的接法来实现。
但是这种方法的缺点是显而易见的，主要是：
最多只有4挡调速，不能得到最佳的运行效果，负载能力下降，工作效率下降，调速时必须改变绕组的接法，故控制电路比较复杂。
改变转差率是通过在转子电路中串联电阻来实现的，这种方法只能用于绕线式电机，其缺点是因为要串联的电阻在电机外部，在电机的结构上就必须加入电刷和滑环，增加了故障率，同时调速电阻上将白白地消耗掉许多电能，调速后的机械特性不理想。
而改变电动机定子侧供电电源的输入频率，即可改变电机的同步转速和电机转子额定转速。
但频率下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。
为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制，该协调控制的装置就称为变频器。
在起重机上调速，电机产生的最大转矩不能变，这就需要维持磁通不变。
现在使用的精确交流控制系统多为矢量控制，其基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转距和磁场2个分量，经过坐标变换实现正交和解耦控制。
直接转矩与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是采用瞬态转矩的控制方式，把转矩直接作为被控制量来控制，其性能类似于他励直流电机特性。
4.2系统组成
根据门机的机械设计，在大车的的海侧和陆侧各安装了两台行走电机，主钩安装了两台起升电机，电机应选用专用的变频电机，正常情况下，大车行走和主钩升降电机不可以同时运行，因为大车行走机构和主钩升降电机共用同一台变频器，大车的海侧两台电机与主钩的一个电机公用一台，陆侧两台与另外一台电机公用一台，他们的变频器型号，设置参数完全相同，因此可以满足大车行走时两条腿的同步和升降时候吊钩的同步。
因其他机构电气控制系统基本相通，重点对大车与主钩的主电路、控制电路、PLC运行过程进行分析。
图3.主电路图
一、主电路
图中接触器KM1、KM2通过实行机械互锁达到一个变频器控制三台电机；大车行走电磁抱闸制动器通电时将闸瓦松开，使电机可以运转，失电时，电磁抱闸制动器对电机进行制动，防止大车由于惯性作非操作性移动；大车行走电机和主钩升降电机的高低速抱闸均采用液压推杆式机构，抱闸电机通电时，通过液压力推动液压推杆的将闸瓦松开，高速抱闸时，将高速旋转的电机轴进行抱闸保护；低速抱闸时对低速转动的钢丝绳的卷筒盘进行抱闸保护；因此能够实现快速制动而不有损机械的效果。
二、控制回路
PLC选用S7-200，CPU224XP是PLC的主模块，模块输入电源为直流24伏，输出类型为继电器型，PLC电源为220v50HZ交流电，为了力求简洁，图中没有画出PLC的电源接线。
EM223为扩展模块，输入直流24伏电压。
变频器A它能够对两套电机分时进行驱动，通过端子DIN6的接通与断开进行电机的选择，当DIN6端子所在回路KM2断开时，变频器按第一套参数控制电机运行，当DIN6端子所在回路开关KM2接通时，变频器按第二套参数控制电机运行，为了方便分析我们将大车行走控制设定为第一套运行参数，主钩的升降为第二套运行参数，此外变频器内置+24V直流电源供变频器输入端子DIN1-DIN6使用；变频器的输出端子RO1、RO2其所需电源由外部直流电源供电，并作为PLC的输入信号。
4.3PLC程序设计
一、设计思路
大车行走和主钩升降都有三个档位，一挡为低速档最慢，二挡为中速档稍快，三挡为高速档最快。
在操作门机时首先要通过大车和主钩的转换开关作出选择，在PLC程序中把I2.1不接通状态当做选择大车，接通状态为选择主钩。
若选择大车则KM1吸合，通过机械互锁使KM2被锁不能吸合，变频器调用第一套控制参数运行（即大车电机的控制参数）。
当转换开关打到主钩位置时，KM2吸合且KM1被锁住不能吸合，此时变频器调用第二套运行参数（即主钩电机的控制参数），同时还需注意在进行主钩操作时，必须保证低速抱闸的闸瓦已经打开。
在大车或主钩没有运行到各自的极限位置时，通过联动台上面的手柄操作把档位运行的指令信号传递给PLC,PLC就会给变频器发出动作的指令，变频器的频率就会从零一直上升到档位所对应的频率，在频率变化过程中，力矩会不断的上升，当输出的力矩超过所设定的值后运行输出端就会向PLC反馈变频器运行的信号，PLC在接到运行信号后就会将行走电机或升降电机的高速抱闸制动器打开，变频器运行时不允许对大车/主钩的选择开关进行转换，因为电机是感性负载，突然断电会在变频器输出侧产生高压，导致变频器的损坏，因此要在变频器停止一段时间后再进行转换。
反之，如果运行过程中出现故障，输出信号段RO2就会断开从而变频器停止输出，并将故障信号反馈到PLC。
二、输入输出地址表、外部接线、梯形图设计如下
现场器件
内部等效继电器地址号
说明
内部等效继电器地址号
说明
输
入
手柄
I0.0
零位档
输
出
Q0.0
左/升1档
主钩手柄
I0.1
主钩下降1档
Q0.1
右/降1档
主钩手柄
I0.2
主钩上升1档
Q0.2
多速2档
主钩手柄
I0.3
主钩多速2档
Q0.3
多速3档
主钩手柄
I0.4
主钩多速3档
Q0.4
大车驱动
大车手柄
I0.5
大车右行1档
Q0.5
主钩驱动
大车手柄
I0.6
大车左行1档
Q0.6
大车制动
大车手柄
I0.7
大车多速2档
Q0.7
高速抱闸
大车手柄
I1.0
大车多速3档
Q1.0
低速抱闸
SA1
I1.1
低速抱闸
SQ1
I1.2
大车左极限
SQ2
I1.3
大车右极限
SQ3
I1.4
主钩上极限
SQ4
I1.5
主钩下极限
SQ5
I2.0
低速抱闸信号
SA2
I2.1
大车主钩选择
RO1
I2.2
变频器运行
RO2
I2.3
变频器故障
表1.输入输出地址表
图4.PLC接线图
在实际中，控制系统还包括其他的输入信号的输入条件，例如超载限制，风速检测，同时变频电机还要有其专用的散热风机和电缆卷筒装置等控制，在此只进行分析主要的控制部分。
图5.梯形图2
四、结
图6.梯形图2
三、总结
以PLC作为控制器的变频调速技术已经得到了广泛的应用，可靠性高，易维护，被应用于多种起重机。
门式起重机拖动系统可通过对变频器的参数设置来控制各档速度、加速时间和制动减速时间等，当负载发生变化时，各档运行速度基本不变，可见以PLC作为控制器的变频调速技术具有良好的性能。
结论
MQ1633型门座式起重机因其具有结构简单，成本较低的优点，在现代港口的装卸货作业中仍有较多使用，但由于继电器、接触器的控制，使得其操作维护成本较高，安
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