基于PLC的门式起重机控制系统设计.doc

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目录

中文摘要、关键词 1

英文摘要、关键词 2

引言 3

第1章门式起重机系统概述 4

1.1门式起重机的工作参数 4

1.2门式起重机的特点 6

1.3轨道式集装箱门式起重机的分类 7

1.4主要技术性能参数 7

1.5轨道式集装箱门式起重机的机构 8

第2章门式起重机的三大工作机构 11

2.1起升机构 11

2.2小车走行机构 12

2.3大车走行机构 13

第3章门式起重机的电气设备及选用 16

3.1门式起重机的工作类型及过程 16

3.2起重机常用的下降制动方法 17

3.2电气控制系统 18

3.3电动机 19

3.4控制电器及选用 20

3.5变频器的选择 24

3.5.1变频器的主要特点 25

3.5.2变频器类型 24

3.5.3门式起重机的变频调速 25

3.5.4变频器容量选定 27

3.6可编程序控制器（PLC） 28

3.6.1PLC的主要特点：

29

3.6.2PLC的基本组成 29

3.6.3PLC的软件组成 31

第4章电器保护装置及维护 37

4.1电器设备 37

4.2导电装置以及电气电路 39

4.3电气设备的维护与检修 40

结论 42

致谢 43

参考文献 44

附录A 45

基于PLC的门式起重机控制系统设计

摘要：

门式起重机是桥式起重机的一种变形，主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。

它的金属结构像门形框架，承载主梁下安装两条支脚，可以直接在地面的轨道上行走，主梁两端可以具有外伸悬臂梁。

门式起重机具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点，在港口货场得到广泛使用。

集装箱门式起重机是目前国内外非常受推崇的一种集装箱堆场机型，我国港口越来越多地选用这种机型。

本文介绍轨道式集装箱门式起重机的三大工作机构、电气设备和电气控制系统等内容，电器设备是起重机上比较复杂的部分，它在冲击、震动与摆动的工况下作业，容易发生故障，特别在高温、多灰尘、潮湿的环境下，更容易发生故障且可能引发事故。

本文主要主要是利用PLC控制的变频调速技术，控制门式起重机拖动系统的各档速度、加速时间和制动减速，将转子绕组引出线短接，去掉电刷和集电环，节省更换电动机的费用。

而且调速性能好，时间都可以根据现场情况由变频器设置，调整方便。

负载变化时，各档速度基本不变。

采用先进的电器设备和电器控制方法提高起重机的工作效率。

关键词：

门式起重机电动机变频器接触器继电器PLC

PLC-basedcontrolsystemdesignofgantrycrane

Abstract：

Theportaltypehoistcraneisthebridge-typehoistcrane'sonekindofdistortion,mainlyusesintheoutdoorfreightyard,thematerialsyardgoods,thebulkcargohandlingoperation.Itsmetalstructureportaltypeframe,undertheloadbearingkingpostinstallstwostubslikely,maywalkdirectlyonthegroundtrack,thekingpostbothsidesmayhaveoverhangthecantileverbeam.Theportaltypehoistcranehasthelocationusefactortobehigh,theworkscopeisbig,theadaptationsurfaceisbroad,versatilitystrongandsooncharacteristics,obtainsthewidespreaduseintheharborfreightyard.

Thecontainerportaltypehoistcraneisonekindofcontainerdumpsitetypewhichpresentdomesticandforeignreceivesesteems,ourcountryharbormoreandmoreselectsthistype.Thisarticleintroducedthatrail-mountedcontainerportaltypecontentsandsoonhoistcrane'sthreebigoperatingmechanism,electricalequipmentandelectriccontrolsystem,theelectricapplianceequipmentisonthehoistcranethequitecomplexpart,itintheimpact,thevibrationandundertheswingingoperatingmodethework,easytobreakdown,underthehightemperature,themulti-dusts,themoistenvironment,easiertobreakdownspecially,andpossibletocausetheaccident.ThisarticlemainlyismainlyusesthePLCcontrolthefrequencyconversionvelocitymodulationtechnology,controlportaltypehoistcranedraggingsystem'svariousgradeofspeeds,therisetimeandthebrakedecelerates,therotorwindinglead-outwirepipenipple,removestheelectronicsbrushandtheringheader,savesreplaceselectricmotor'sexpense.Moreoverthevelocitymodulationperformanceisgood,thetimemayestablishaccordingtothescenesituationbythefrequencychanger,theadjustmentisconvenient.Whenvariationofload,variousgradeofspeedsbasicinvariable.Usestheadvancedelectricapplianceequipmentandtheelectricappliancecontrolmethodraiseshoistcrane'sworkingefficiency.

Keywords:

gantry;crane;motor;inverterccontactor;relay;PLC

引言

随着社会生产力的发展，在运输业发生了一场技术革命——集装箱运输。

六十年代中期集装箱运输受到世界各国的普遍重视，从而得到了迅速发展，以形成一个完整的体系。

国际标准化组织为集装箱规定了统一的规格、重量。

为发展集装箱运输，又出现了许多种类的装卸机械，集装箱龙门起重机就是其中的一种。

集装箱龙门起重机由普通龙门起重机发展而来，是专门用来装卸集装箱的一种起重机，被广泛的用于码头、车站、货场等。

集装箱龙门起重机最早出现于1958年。

1965年以后轨道式集装箱龙门起重机有了很大的发展，随后在1971~1972年轮胎式集装箱龙门起重机又有显著的增多。

目前，国内外集装箱龙门起重机正朝着装卸自动化的方向发展，为了提高装卸效率，采用计算机控制起重机的各种动作，它可以安全、准确的将集装箱搬运到指定的位置，起重机械是物流机械化系统中的重要设备。

社会化大生产愈发展，居民生活水平愈提高，物料搬运和人员的输送量就愈大，起重机械的应用范围也就愈广泛。

根据人类生产和生活的需要，许多具有持殊用途的新型设备不断出现。

本课题通过PLC完成系统逻辑控制部分控制电动机的正、反转、调速等控制信号进入PLC，PLC经处理后，向变频器发出起停、调速等信号，使电动机工作，是系统的核心。

利用PLC控制的变频调速技术，门式起重机拖动系统的各档速度、加速时间和制动减速，调速性能好。

第1章门式起重机系统概述

起重机械是一种对重物能同时完成垂直升降和水平移动的机械。

在工业和民用建筑工程中，起重机械作为主要施工机械用于建筑构件和材料在运输过程的装卸，并将构件吊到设计位置进行安装等，不仅解决了人力无法胜任的作业，而且能保证工程质量，缩短工期，降低成本，成为极其重要的建筑施工机械。

起重机械的分类：

起重机械的种类很多，按使用的动力设备可分为内燃机作动力和电动机作动力两种；按起重机载荷率可分为轻型、中型、重型、特重型四类；按起重结构可分为龙门式和臂架式两类；按回转台的角度可分为全回转式和非全回转式；按行走机构的构造可分为固定式和移动式两类。

建筑施工中常用的为移动式起重机，包括：

塔式起重机、汽车式起重机、轮胎式起重机、履带式起重机，以及最基本的起重机械—卷扬机等。

随着高层建筑中作为垂直运输机械而迅速发展的施工升降机也已纳入起重机械范围。

起重机械的主要性能参数包括：

起重量、工作幅度、起重力矩、起升高度以及工作速度等。

1.1式起重机的工作参数

1．起重量

起重量是指起重机能吊起重物的质量，其中应包括吊索和铁扁担或容器的质量，它是衡量起重机工作能力的一个重要参数。

通常称为额定起重量，用“Q”表示。

起重量的单位过去惯用“t”表示，现都用“KN”表示（10KN约等于1t）。

起重机随着工作幅度的变化，其起重量也随之变化。

因此，额定起重量有最大起重量和最大幅度起重量之分。

最大起重量是指基本起重臂处于最小幅度时所允许起吊的最大起重量；最大幅度起重量是指基本起重臂处于最大幅度时所允许起吊的最大起重量。

一般起重机的额定起重量是指基本起重臂处于最小幅度时允许起吊的最大起重量，也就是起重机铭牌上标定的起重量。

2．工作幅度

工作幅度是指在额定起重量下，起重机回转中心轴线到吊钩中心线的水平距离，通常称为回转半径或工作半径，用“R”表示，单位为“m”。

工作幅度表示起重机不移位时的工作范围，它包括最大幅度（Rmax）和最小幅度（Rmin）两个参数。

对于俯仰变幅的起重臂，当处于接近水平的水平夹角为13°时，从起重机回转中心轴线到吊钩中心线的水平距离最大，为最大幅度；当起重臂仰到最大角度（一般水平夹角为78°）时，回转中心轴线到吊钩中心线距离最小，为最小幅度。

对于小车变幅的起重臂，当小车行到臂架头部端点位置时，为最大幅度；当小车处于臂架根部端点位置时，为最小幅度。

起重机的起重量，随幅度变化而变化，同一台起重机，幅度不同，其起重量也不同。

对于有支腿装置的轮式起重机，还应以有效幅度A表示，即用支腿侧向工作时，在额定起重量下，吊钩中心垂线到该侧支腿中心线的水平距离。

有效幅度反映起重机的实际工作能力；没有使用支腿侧向工作时，则工作幅度用A1（单胎）或A2（双胎）表示。

3．起重力矩

起重力矩是指起重机的起重量与相应幅度的乘积，以M表示，M=RQ。

起重力矩的单位过去惯用tm表示，现都用表示，它是起重机的综合起重能力参数，能全面和确切地反映起重机的起重能力。

塔式起重机需要经常在大幅度情况下工作，故以起重力矩作为表示型号的主参数。

塔式起重机的起重力矩，通常是指最大幅度时的起重力矩。

起重机的起重特性曲线是表示起重机的起重量与幅度关系的曲线，不同幅度有不同的额定起重量，将不同幅度和相应的额定起重量以线连接起来，可以绘制成起重特性曲线。

所有起重机的操纵台旁都有这种曲线图，使操作人员能很快地查出起重机在某一幅度时的最大起重量。

对于能配用几种不同臂长的起重机，对应每一种长度的起重臂都有其起重特性曲线。

4．起升高度

起升高度是指自地面到吊钩钩口中心的距离，用“H”表示，单位“m”，它的参数标定值通常以额定起升高度表示。

额定起升高度是指满载时吊钩上升到最高极限，自吊钩中心到地面的距离。

当吊钩需要放到地面以下吊取重物时，则地面以下深度叫下放深度，总起升高度为起升高度和下放深度的和。

对于动臂式起重机，当起重臂长度一定时，起升高度随着幅度的减少而增加，这一特性可以用起升高度曲线表示，它和起重特性曲线相对应。

5．工作速度

起重机的工作速度包括起升、变幅、回转和行走等速度。

（1）起升速度

起升速度是指起重吊钩上升或下降的速度，单位为“m/min”。

起重机的起升速度和起升机构的卷扬牵引速度有关，而且和吊钩滑轮组的倍率有关。

2绳比4绳快一倍；单绳双比双绳快一倍。

一般表示起升速度参数，应注明绳数。

（2）变幅速度

变幅速度是指吊钩从最大幅度到最小幅度的平均线速度，单位为“m/min”。

俯仰变幅起重臂的变幅速度也就是起重臂升起和降落的速度，一般落臂速度要快于升臂速度。

（3）回转速度

回转速度是指起重机在空载情况下，其回转台每分钟的转数，单位为“r/min”。

（4）行走速度

行走速度是指起重机在空载情况下，行走时最大的速度，单位为“m/min”。

（5）自重及质量指标

①自重起重机的自重是指起重机处于工作状态时起重机本身的总重，以“G”表示，单位为“t”或“KN”。

②质量指标质量指标是指起重机在单位自重下有多大的起重能力，通常用质量利用系数K表示，它反映了起重机设计、制造和材料的技术水平，K值越大越先进。

起重机质量利用系数（）的表示形式是以起重力矩和与此相对应的起升高度来表示，如下式：

（1－1）

1.2门式起重机的特点

轨道式集装箱门式起重机在我国铁路系统的应用较早，而在港口的应用只是最近十几年的事情，且先主要用于内河小型集装箱码头。

近年来，轨道式集装箱门式起重机技术发展很快，随着国际燃油价格的不断上涨，许多集装箱码头正在考虑放弃原定的轮胎式集装箱门式起重机堆场方案而改用轨道式集装箱门式起重机方案。

与轮胎式集装箱门式起重机相比，轨道式集装箱门式起重机具有以下优点：

1．场地利用率更高，跨中一般可堆放8一l5列集装箱加1个或多个车道，而标准的轮胎式集装箱门式起重机跨中只能堆放6列集装箱加1个车道。

2．定位能力好，且可以提供最迅速和最有效的集装箱存储和检索系统，易于实现堆场自动化，如果和自动搬运车或移箱输送机等配合作业，可以达到很高的作业效率。

3．各机构的运行速度更高，作业效率更高。

4．以电力为动力，无废气排放，噪声低，环保性能好。

但是，轨道式集装箱门式起重机也有许多不足，比如地面轨道安装要求较高，起重机转场困难，对于周转时间较长的堆场，设备利用率较低。

另外，起重机运行轨道的存在，使路面不再平整。

有的轨道式集装箱门式起重机还带有吊钩横梁，可以与集装箱吊具实现快速互换，以实现重大件杂货的吊装作业。

还有的轨道式集装箱门式起重机可以横跨港池或利用长悬臂装卸船舶，这在中小港口可以实现一机多用，降低设备投资。

目前，轮胎式集装箱门式起重机有一些行业性标准，国家标准正在制定过程中。

轨道式集装箱门式起重机还没有像轮胎式集装箱门式起重机那样形成完善的参数系列，轨距和外伸距等更多的是依据集装箱堆场的场地条件来确定，而这也正是轨道式集装箱门式起重机得以推广的一大优势。

1.3轨道式集装箱门式起重机的分类

轨道式集装箱门式起重机的结构形式很多，早期有桁架结构和L型箱形单梁结构等，但目前基本上都采用箱形双梁结构形式。

轨道式集装箱门式起重机可分为不带悬臂、单悬臂和双悬臂3大类。

其中单悬臂结构形式的轨道式集装箱门式起重机主要受使用场地的限制，从结构受力角度讲并不是一种好的结构形式，使用较少。

对于带悬臂结构形式的轨道式集装箱门式起重机，又可分为门腿只需要通过20ft集装箱和门腿需要通过40ft集装箱2大类。

对于悬臂结构形式的轨道式集装箱门式起重机，根据门架是否配有马鞍架和斜拉杆，又可分为3大类，即不带马鞍架和斜拉杆；配有马鞍架和斜拉杆。

1.4主要技术性能参数

轨道式集装箱门式起重机的主要技术参数有起重量、起升高度、跨距和伸距、工作速度以及工作类型等。

1．起重量

轨道式集装箱门式起重机的起重量有3个指标，即额定起重量、吊具下起重量、吊钩下起重量。

目前吊具下最大起重量超过50t，但大多为30.5～42t。

2．起升高度

起升高度有2种表述方法，即以“m”为单位的绝对起升高度和堆箱高度。

起重机的起升高度大多在15m上下，目前最大的已超过20m。

从堆箱高度上讲，大多为堆3过4、堆4过5和堆5过6，目前最大的达到堆8过9。

3．跨距和伸距

轨道式集装箱门式起重机的跨距目前最小为15m，最大超过60m，大多在25～35m之间；起重机的工作伸距一般不超过10m。

在国外，轨道式集装箱门式起重机广泛用于内河港口，兼做装卸和堆场。

在莱茵河两岸的集装箱码头广泛采用这种机型，如曼海姆集装箱码头，装备有2台轨道式集装箱门式起重机，其中l台跨距为65m，外伸距为13m；另1台跨距为65．5m，外伸距为14.5m，起重量均为35t。

本设计轨道式集装箱门式起重机的跨距为40m,两端悬臂均长10m。

4．工作速度

起重机的速度参数包括起升速度、小车运行速度和大车运行速度。

随着经济的不断发展和技术水平的不断提高，对起重机的速度要求也越来越高。

起升速度：

Kunz公司为汉堡港制造的6台轨道式集装箱门式起重机，起升速度达到80m/min；ZPMC等生产的轨道式集装箱门式起重机起升速度满载为40m/min，空载为80m/min。

小车运行速度：

Noell、Kunz、ZPMC、交通部水运所等单位研制的起重机小车运行速度都达到了120m/min；国外目前最大已达到240m/min。

大车运行速度：

Kunz生产的轨道式集装箱门式起重机大车运行速度为l80m/min。

门吊的工作速度有三种，根据起重机用途和起重量的不同而不同。

（1）起升机构的起升速度V起，它与超重量和生产率有关，通常起重量大而起升速度低生产率高，速度可以大些；一般不超过20米/分；

（2）起重小车走行速度V小车，—般不超过50米/分；

（3）起重机大车走行速度V大车。

—般不超过120米/分。

本设计轨道式集装箱门式起重机：

大车运行速度是30米/分，小车运行速度是60米/分，起升速度是20米/分。

5．工作类型

起重机工作类型是表明起重机工作的载荷变化和忙闲程度的参数。

载荷变化程度是起重机的实际超重量与额定起重量之间的变化关系。

有的起重机额定起重量很大，如几十吨。

但只是偶然起吊这样重的货物，经常起吊的货物重量仅是额定起重量的1/2或1/3。

忙闲程度是指超重机工作时的长短。

如有的一年内要工作7000小时，有的工作4000小时，还有2000小时、1000小时不等。

根据载荷变化程度和忙闲程度把超重机的工作类型分为四种类型：

（1）轻型（JC＝15％）；

（2）中型（JC＝25％）；（3）重型（JC＝40％）；（4）特重型（JC＝60％）。

1.5轨道式集装箱门式起重机的机构

1．门架结构

轨道式集装箱门式起重机的门架结构一般采用箱形双主梁对称结构，不带悬臂的大多采用中轨梁，带悬臂的大多采用偏轨梁。

近几年，不带悬臂的轨道式集装箱门式起重机在一些大中型港口得到推广应用，其主要特点是由于不需要集装箱通过门腿，所以门腿大多为梯形结构形式，两主梁中心距（小车轨距）很小，小车运行机构大多采用集中驱动，一般不存在跑偏问题，自重也较轻。

一般跨距小于或等于35m的轨道式集装箱门式起重机，两侧门腿都采用刚性门腿；当起重机的跨距大于35m时，则一侧采用刚性门腿，另一侧采用柔性门腿，用以补偿吊重和温度所引成的结构变形。

本设计轨道式集装箱门式起重机正是如此。

2．起升机构

目前轨道式集装箱门式起重机大多采用专用的集装箱吊具，起升机构采用4根钢丝绳。

所以在起升机构的设计中，必须考虑吊具的同步升降问题。

为实现吊具的同步升降，很多机型采用1套驱动机构驱动1个四联卷筒；或采用1个双出轴电机分别驱动2个减速机，每个减速机各驱动1个双联卷筒；也有的轨道式集装箱门式起重机采用2套独立的驱动机构，卷筒采用双联卷筒，为实现同步升降，将2个高速轴通过联轴器连起来。

近几年，采用卓轮行星减速机驱动的四联卷筒起升机构在许多码头、货场得到应用，通过合理设置钢丝绳缠绕系统，可以使起升机构既能保证同步升降，同时又具有一定的防摇效果。

起升机构的整体布局非常紧凑，但价格较高。

本设计中，轨道式集装箱门式起重机的起升机构有主副起升机构。

3．回转机构

在港口，根据用户要求，有的轨道式集装箱门式起重机上利用电动推杆等装置可以使吊具实现3～50的小角度周转，便于吊具对箱；当然也有很多机型根本不考虑回转问题；还有的机型采用带翻板的集装箱吊具，也可以实现吊具小角度回转，以方便吊具对箱。

前在铁路货场使用的轨道式集装箱门式起重机起重小车大多具有完善的回转机构，其起重小车分为上下两层，上下车之间设回转支承。

回转支承一般采用4个沿环形轨道的行走滚轮或回转大轴承。

回转驱动机构大多采用1套或2套三合一的立式行星减速机。

4．小车运行机构

根据小车轨距大小，轨道式集装箱门式起重机的小车运行机构可选用集中驱动或分别驱动。

（1）对于不带悬臂的轨道式集装箱门式起重机，小车轨距约为6～7m，几乎全部采用集中驱动。

（2）对于带悬臂但只允许20ft集装箱通过门腿的轨道式集装箱门式起重机，小车轨距约为8～9m，此时小车运行机构有的采用集中驱动，有的要用分别驱动。

（3）对于带悬臂的需要40ft集装箱通过门腿的轨道式集装箱门式起重机，小车轨距约为16m，此时小车运行机构全部采用2套或4套独立的驱动机构分别驱动。

小车采用分别驱动时，越来越多地选用三合一驱动机构。

另外，小车采用分别驱动时必须考虑小车行走时两侧车轮的同步运行问题。

5．大车运行机构

轨道式集装箱门式起重机的大车运行机构一般采用4套或8套独立的驱动机构。

减速器采用轴装式或卧式，前者目前在高效率起重机上应用普遍，而且经常选用三合一驱动装置，工作可靠，但价格较高。

而后者属于比较传统的做法，由于技术上非常成熟，尤其成本比较低，所以在新研制的机型仍应用得非常普遍。

起升机构和小车运行机构大多选用盘式制动器，而大车运行机构可选用块式制动器、盘式制动器、液压轮边制动器，近年来防风惯性制动器也有较多应用。

6．电气传动与控制系统

近几年，随着交流调速控制技术的不断完善，绝大部分起重机采用交流驱动，直流驱动系统越来越少。

原来所谓调速性能好的直流驱动系统已经被交流变频调速系统所代替。

目前的轨道式集装箱门式起重机几乎全部采用交流变频调速系统，起升机构具有恒功率调速功能，以实现满载低速、空载高速的起升要求，提高起重机的作业效率。