PLC控制的变频调速系统在龙门起重机的应用.docx
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PLC控制的变频调速系统在龙门起重机的应用
PLC控制的变频调速系统在龙门起重机的应用
文摘……………………………………3
英文文摘………………………………4
第一章绪论……………………………6
第二章起重机电控系统简述…………14
第三章起重机变频调速系统…………21
第四章起重机PLC网络系统…………51
第五章起重机系统功能的实现………72
结论……………………………………75
参考文献………………………………75
摘要
本文介绍了PLC控制的变频调速技术在门式起重机拖动系统中的应用，详细介绍了PLC控制的变频调速系统的硬件构成，以及系统软件的实现。
传统起重机的电力拖动系统采用交流绕线转子异步电动机转子串电阻的方法进行起动和调速，继电一接触器控制，这种控制系统的主要缺点是:
I、起重机工作环境恶劣，工作任务中，电动机及所串电阻烧损及断裂故障时有发
生。
2、继电一接触器控制可靠性差，操作复杂，故障率高。
3、转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。
近年来，随着计算机技术和电力电子技术的迅速发展，PLC控制的变频调速技术开始应用在起重机的电力拖动系统。
广州文冲船厂的200吨门式起重机是大型起重的关键设备，电气设计立足于安全，可靠，技术先进，性能价格比合理，维修方便。
因此采用PLC控制的变频调速技术是门式起重机各项技术性能的主要保证。
本拖动系统是多电机传动系统，因此采用技术先进的直流母线方案。
逆变器采用SIEMENS工程型矢量控制变频器6SE70,整流I回馈单元提供直流母线电压并且将四象限运行的电动机再生能量回馈给电网。
控制系统采用PLC及现场总线技术，通过人机界面完成整个起重机的监控，在线诊断和数据管理。
本文着重对系统的硬件构成进行了比较分析，介绍了直流母线变频传动系统，PLC及现场总线技术。
并就起重机的应用，提出了变频器选用及验算公式，以及整个系统控制功能实现的一种方法。
实际结果证明该系统运行良好，基本达到用户要求。
关键字:
变频调速:
PLC;现场总线
ABSTRACT
ThepracticaluseofPLCcontrolledconvertertechnologyinGantryCraneshasbeenintroducedinthisthesis,andfullyintroducedthecontrolsystemconfigureandcommissioning.
ThetraditionalGantryCrane'selectricaldrivesystemadoptACwirerotatormotorinserieswithresistanceinordertostartandconductspeedcontrol.Controlsystemusedrelayhasthefollowingdisadvantages:
Theworkingenvironmentistough,duringtheworkingprocess,themotorandresistance
Oftenareeasilyburntandbroken.
Thereliabilityoftherelaycontrolisveryweak,andtheoperationisverycomplex,thefrequencyofbreakingisveryhigh
Controlspeedthroughrotatorinserieswithresistanceissoftmechanically.Thespeedchangeswhentheloadchanges,speedcontrolisnotideal
Recently,withthequicklydevelopingoftheITandPowerelectronictechnology,PLCcontrolledconvertertechnologystartusinginthedrivesysteminGantryCranes.2ooTGantryCranesofGuangzhouWenChongShipYardisthebigandkeyequipment.
Electricaldesignisthefoundationofsafety,reliabilityandadvancedtechnologyandreasonablepricing,andconvenientmaintenance.SoitistheassuranceofthefunctionwhetherifthePLCcontrolledconvertertechnology.
Thedrivingsystemusemultimotordrivesystem.ThereforetheadvancedDCBushasbeenused.InverterselectSimensmasterdrive6SE70,Rectifier/RegenerateunitofferDCvoltageandrenewedenergywillreturntopower.ThecontrolsystemusePLCandProfi-BustechnologythroughHMIinordertoaccomplishthemonitortothewholecranes,onlinediagnosis,anddatabasemanagement.
Inthisthesis,thesystemconfigurehasbeenanalyzedandcomparedaswellasDCBusconvertersystem,PLCandProfi-Bus.
Ithasbeenprovedthatthesystemhasbeenrunwell,andalsomeettherequestofourcustomers.
Keywords:
Converter;PLC;FieldBus
第一章
绪论
1.1概述
近年来，随着我国造船事业的发展，许多船厂需要大吨位的门式起重机进行安装作业。
这种门式起重机要求作业时平稳、可靠有良好的低速就位性能。
调速精度要求比较高。
200吨门式起重机是广州文冲船厂大型起重的关键设备，这台设备的建造是为了提高造船修船的效率。
由于这台设备的重要性，因此要求配备技术先进、性能可靠的电控系统。
传统起重机的电力拖动系统多采用交流绕线转子异步电动机转子串电阻的方法进行起动和调速，继电一接触器控制，这种控制系统的主要缺点是:
1起重机工作环境恶劣，工作任务中，电动机及所串电阻烧损及断裂故障时有发生。
2.继电一接触器控制可靠性差，操作复杂，故障率高。
3转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。
随着变频调速技术的发展，起重机开始应用变频器来控制交流电机驱动起升、行走机构并获得了理想的效果。
对于控制点较多的门式起重机，PLC、现场总线技术开始替代传统的继电器控制。
通过HMI（人机界面软件）使得操作界面更友好，下层控制器的历史数据和报等信号等能够直接读取，便于控制及进行故障诊断。
广州文冲船厂的200吨门式起重机的电气设计立足于安全，可靠，技术先进，性能价格比合理，维修方便。
因此采用PLC控制的变频调速技术。
经过详细的方案论证，最终驱动系统选择了西门子公司的整流/回馈直流母线方案，控制系统采用现场总线技术。
笔者实际参与了整个项目的投标，选型，二次设计到安装调试各阶段。
本文就门式起重机电控系统的选型调试提出了一种行之有效的方案，并对起重机起升机构同步控制，抱闸控制，行走机构纠偏控制，现场总线技术的应用提出了一种解决方案。
另外，对调试过程中遇到的一些实际问题也作了简单的阐述。
1.2门式起重机电气传动系统方案与原理
1.2.1门式起重机负载特点
为了提高生产率以及适应各种工作的要求，起重机的工作速度应该是可控制的尤其是起重机起升机构，当轻载和空钩下降时，在大起升高度升降重物时，为节省时间，需较高的工作速度，当吊运危险物品、重载以及进行安装工作时，为了安全可靠和准确定位，则要求较低的工作速度甚至微速.因此，起重机一般设有速度调节装置，且要求其工作平稳可靠、结构简单、操作方便、调速范围大等.
对于门式起重机，其核心机构是起升机构，在起升机构上电气控制调速必须解决的关键技术为:
1）低频时能保证恒转矩输出，以避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象;
2）满负载时在空中制动停车或再提升时，不产生溜钩现象;
3）电动机减速或重载下放时，再生制动能量必须迅速释放。
对于门式起重机的行走机构，为了保证停车位置的准确，也必须将负载按照四象限运行来考虑。
下面列举几种起重机常用的调速方案并进行比较。
1.2.2转子电路串电阻调速
传统的门式起重机多采用绕线式交流异步电动机转子电路串电阻调速。
绕线式交流异步电动机转子电路串接不同电阻时的机械特性如图1-1所示。
其中，电阻R2>Rl>R，当电动机负载转矩M相同时，转速随电阻增大而降低.即串接电阻后电动机同步转速no和最大转矩Mmax不变，转差率S增大，转速降低.利用此方法可改善电动机的起动特性和控制工作速度.
图1-1转子串电阻机械特性
这种方法调速简单可靠，成本低，方便维修，缺点是有级调速，冲击大，在外接电阻器上功率损耗大，低速时机械特性软，不易获得稳定的轻载低速，下降工况时调速困难，故一般与制动器配合使用。
1.2.3晶闸管定子调压调速
电动机的晶闸管定子调压调速是一种较先进的调速方式，它具有调速比大，工作可靠，响应速度快等特点，已被国内外生产厂家广泛地用作起重机的主要调速方式之一。
起重机定子调压调速系统，是指向绕线式转子异步电动机的定子提供一种电压可变的电源，转子外串相应段数的电阻以调节其转差率Si，使电动机在稳定的工作区内降速运行的一种调速系统。
在绕线式异步电动机转子串联电阻不变的情况下，改变电机的供电电压，其输出转矩与电压的平方成正比。
其特性曲线如图1-2所示，图中虚线是2.1倍电动机额定电流时的等电流曲线。
总体来说，晶闸管定子调压调速方案能平滑调节速度.且低速时特性较硬.调速范围可达1:
10，上升、下降均可调速.但系统较复杂.尤其是串电阻消耗功率，发热量大，维护不方便。
1.2.4直流调速系统
直流电动机的转速特性可用下式表示:
n=（u一laR）/Keφ
式中，n-电动机转速;
U一电枢供电电压;
R一电枢回路总电阻;
Ke一有电机结构决定的电势常数
式中Ke为常数，la的大小取决于负载转矩，因此直流电动机的调速方法有三种:
（1）[调节电枢供电电压U。
改变电枢电压主要从额定电压向下调，电动机额定转
速向下变速，属恒转矩调速。
（2）改变电动机主磁通。
。
只能减弱磁通，从电动机额定转速向上调，属恒功率
调速方法。
（3）改变电枢回路电阻Ra
改变电阻调速缺点很多，目前很少采用。
自动控制的直流调速系统往往一调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合使用。
在门式起重机的应用中，满载时采用调压调速，轻载时采用弱磁调速。
直流调速调整性能好，可无级调速，操作轻便，但设备较复杂，成本高、体积大、噪音大，
可靠性差，维护也不方便。
1.2.5交流调速系统
由异步电动机的转速公式：
n=60f（1-s）/p（1-2）
（式中，n为转速,f为电源频率，p为极对数，s为转差率）
可知，异步电动机的转速n近似与供电电源频率f成正比。
而异步电动机的感应电动势E为:
El=4.44fυkφ
式中，f同上式，υ为绕组的匝数,k为绕组系数冲为磁通加果忽略电动机定子阻抗压降，则端电压U。
为
U=E1=4.44fυkφ
在改变电源频率￡实现调速的过程中，应使电源电压U、同时增减并使Ud为常数，这样才能保证电机的磁通。
不会有大幅度波动，从而保证电机出力的恒定。
因此，根据Ul和S之间的关系，可以得出以下三种工作方式:
（1）UJf,为常数
此时电源电压和频率均在低于额定值的范围内变化。
但随着电源电压下降，定子阻抗压降作用逐渐明显，将破坏EJS为常数的关系，使磁通中减少，因而这种工作方式的调
速范围较小。
（2）保持电动机最大转矩M恒定
若让电源电压U、和频率8按一定函数关系变化，自动补偿电动机定子阻抗压降的影响，保持Edft为常数，就可以使电动机在低频时的驱动能力增强。
这种工作方式用在额定转速的范围内调速，适合于驱动需要较大调速范围的恒转矩负载。
（3）恒功率和恒转矩调速
由于不允许电压U、超过电动机额定电压，在实现额定转速以上的调速时，应保持电源电压不变并为额定值，仅使频率增加。
此时电动机磁通中减少，输出转矩也随之下降，但输出功率近似恒定.这种工作方式用在额定转速以上范围调速，适合动恒功率负载。
在额定转速以下调速仍保持Et/8为常数，适合驱动恒转矩负载。
由于起重机起升机构负载为恒转矩负载，此采用恒功率和恒转矩调速的工作方式完全满足起重机起升机构的需要。
变频调速是起重机调速最理想的方案，调速比可达1:
10以上，可实现无级调速，各挡速度机械特性很硬，重载低速起动和运行稳定可靠，加减速时间的设定使各挡起制动速度相当平稳。
适合起重机起动转矩大、低速大扭矩及负载变化大的工况。
具有较高的控制精度，设计有故障显示、分析及参数监控功能，便于使用和维护，并且易于实现自动控制及远程控制。
所以说，变频调速在起重机上的应用具有广阔的前景。
1.3门式起重机的控制系统方案
1.3.1PLC控制系统
门式起重机的执行机构工作时需频繁启动、制动和正反转，因此要求其电控系统有较高的安全性和可靠性。
传统的电控系统，由于要考虑各机构间复杂的工况联锁和保护报警，采用了大量的时间继电器和中间继电器，使控制柜内的布线十分复杂，给调试和维护都带来不便。
采用PLC作控制器，可以用PLC的定时器取代时间继电器，用软件编程来实现各机构间的多重联锁和保护报警.大大减少了中间继电器，使系统的设计变得简单，提高了电气控制的可靠性。
此外，通过PLC还可以实现对变频器的控制及复杂的工艺要求。
门式起重机PLC主要控制功能有:
接受主令控制器的速度控制信号,控制吊机的行走，起升动作及速度控制。
（1）安全联锁及保护报等信号的处理。
（2）起升，行走机构的同步控制
（3）吊重检测及闭环控制
（4）辅助系统及电源配电系统的监控
1.3.2起重机监控系统
随着微电子、微机和控制技术的不断推新，PLC己发展成为一种多功能、智能化的综合控制器.其应用不仅实现了生产过程自动控制，而且还构成适合工业环境的实时网络，使系统以单台PLC控制延伸到大型工业网络的分散设备上，
采用PLC网络链接通讯，实现大量数据的高速传送与管理，通过SCADA/HMI上位机监控管理软件可实现对起重机智能化的操作管理.上位机监控管理软件的主要功能有:
（1）在线功能:
实时显示运行状态，图形模拟，用户界面友好便于操作。
（2）故障报警
（3）自动监测联锁功能
（4）历史维护数据的记录
（5）操作统计与记录
（6）帮助功能
（7）系统报告，系统可以实现统计和打印故障报表、操作报告、重复性故障率等相关数据报表。
1.4本课题的工作和意义
为了适应造船发展的需要，广州文冲船厂建造200吨龙门起重机。
本课题将围绕该起重机电控系统的设计，选型及调试进行阐述。
重点放在系统方案选型及调试。
本课题的主要工作有：
（1）起重机传动系统的方案选型
（2）起重机控制及现场总线通讯网络的方案选型
（3）起重机电控系统的设计调试，重点在于起升机构的抱闸控制，同步控制，行走机构的纠偏控制及安全联锁控制。
本课题的意义在于相对于传统的起重机电控系统，提出了先进的.面向未来发展的变频调速系统及PLC网络控制系统的一套实际应用方案。
对系统选型注意的问题，起重机的特殊控制要求以及调试进行了综合分析。
对今后同类起重机电控系统的应用有一定的参考价值。
1.5本章小节
本章详细介绍了各种起重机电气传动及控制系统的特点，以及对本课题的工作和意义做了阐述。
第二章
广州文冲船厂200吨龙门起重机电控系统简述
2.1200吨门式起重机的构造
200吨门式起重机是广州文冲船厂大型起重的关键设备。
起重机由主梁，刚性腿，柔性腿，平衡梁，车架等结构组成一个门架，在柔性腿和主梁间设有柔性铰。
并有上小车，下小车，大车行走机构，起升机构等构成各运行机构，以适合造船工艺的要求。
另有润滑，电梯，维修起重机等辅助设备协同构成一个整体。
2.2电控系统简述
2.2.1系统功能
电控系统的供电电源为IOKV+50/u,50Hz+0.5Hz，经1000KVA,lOKV/400V干式变压器变为AC380V,220V电源。
本机电器设备分别布置在电气室，司机室，高压室，上小车机房，下小车机房，刚性腿下平台，柔性腿下平台等。
各个机构的操作都可在司机室内完成。
所有操作可由司机一人在司机室联动台完成。
系统的功能包括:
1.重载翻身
本机有三只主钩，上小车两只主钩hII，每钩起重能力100吨。
下小车一只主钩LII，起重能力120吨。
另一只副钩，起重能力25吨。
三只主钩空中翻身时的最大载重量为200吨。
三只主钩抬吊时的最大载重量为300吨。
两只主钩抬吊时的最大载重量为200吨。
2.吊重差
允许上小车两钩的吊重差最大20吨。
3.上小车主钩I,n，下小车主钩Iu能单独升降，上小车主钩1,II能同时升降。
上小车主钩1,1I和下小车主钩III能同时升降。
（其中1,R,QI中的任何一只吊钩能单独升降，以完成水平调整。
）
4.副钩单种升降。
5.上小车和下小车能单独行走，亦能共同行走。
6.上小车，下小车钩子的升降能和上小车，下小车行走共同运动。
7.大车行走机构。
刚性腿边或柔性腿边，在纠偏时能单独运动。
8.上小车，下小车钩子的升降能和大车共同运动。
9.上小车，下小车的行走能和大车一起运动。
10.上小车，下小车钩子1,II,山的升降能和上小车，下小车行走，大车行走共同运行。
11.下小车的主，副钩不允许同时运行。
12.各机构都设有行程限位。
行程限位设预限位，端限位和极限位各一套。
2.2.2起重机动作机械联锁保护
（1）起升机构
起升机构包括上小车两只主钩I、“，下小车主钩III和副钩IV;其机械联锁保护功能要求如下:
表2-1起升机构联锁保护功能
Tab2-1Liftunitinterlockfunction
保护装置
功能
上升极限停止
断电，机械制动，紧急停车
上升正常停止
电气制动，正常停车
上升自动减速
限速至预置值
上升自动减速
限速至预置值
下降正常停止
电气制动，正常停车
下降极限停止
断电，机械制动，紧急停车
制动器限位
不允许升降
超速停止
断电，机械制动，紧急停车
超风速
断电，机械制动，紧急停车
零位联锁
断电，机械制动，紧急停车
40%载荷以下
允许倍速
90%载荷以下
报警
105%载荷保护
报警，只允许下降，不允许上升
偏载联锁
报警，只允许下降，不允许上升
同步超差联锁
电气制动，正常停车，手动纠差
（2）行走机构
上小车，下小车行走机构机械联锁保护功能要求如下
大车行走机构机械联锁保护功能要求如下:
2.2.3起重机变频电动机的选择
起重机采用变频调速通常有两个目的:
一是代替绕线式电动机改善起制动性能，使起制动更加平稳;二是代替直流电动机在不同的速度下长期稳定运行。
选择起重机变频电动机，要对使用工况，电机特性.变频调速原理了解下才能根据工艺参数正确选择。
这里不涉及到具体的计算，仅对要注意的事项说明如下:
（I）起重机变频电动机的工作制习惯上对于一般桥式起重机、门式起重机，其起升和运行机构电动机的工作制都取为S3，但两种机构的选择系数不同。
通常比较正确的取法是起升机构按S3，运行机构、回转机构、工作变幅机构按S4或S5，非工作俯仰机构按S2。
电动机的工作制、接电持续率和起动次数的作用效果是使电动机发热，其综合影响可以通过发热验算来解决。
（2）选择变频电动机的基本原则I所选电动机的最小转矩能满足额定载荷下稳定运行的需要;11最大转矩能保证起、制动过程中加速、减速的需要;爪温升不超过允许值。
200吨龙门起重机配置的电动机和编码器:
（I）起升I、11;YTSZ315L-10,110KW两台，各内置两只编码器和超速开关:
（2）起升111;YTSZ315M1-10,132KW一台，内置两只编码器和超速开关;
（3）副起升:
YTSZ280M-8,55KW一台，内置一只编码器和超速开关;
（4）上小车行走:
YTSZ160L-611KW四台，上小车自由轮装一只编码器;
（5）下小车行走;YTSZ180L-615KW两台，下小车自由轮装一只编码器;
（6）大车行走;YTSZ160L-611KW十六台，大车行走两侧自由轮各装一只编码器。
2.2.4其他配置
（1）行走机构在轨道旁每间隔一定间距，设置纠差检测开关。
（2）夹轨器、锚定系统
（3）润滑系统
（4）风速仪
（5）称重传感器及信号放大系统，用于四只吊钩
（6）电视监控系统（用于司机室显示监控）
（7）照明系统，配备照明变压器
（8）通讯系统
（9）电控室、司机室配置冷暖空调
（10）分电控室、机房、高压室配置通风机
（11）紧急停车
在司机联动台上、电气控制室、刚性腿两侧、柔性腿两侧、上小车、下小车设置紧
急停车按钮。
（12）大车运行警示装置
在大车的端部装有四套声光报警装置，大车运行时，该报警装置动作，警示地面人员。
2.3本章小结
本章描述了广州文冲船厂200吨龙门起重机的构造和电控系统的功能及要求，提出了对电控系统要实现的功能和整机安全联锁保护。
第三章
起重机变频调速传动系统
传统的起重机调速方法较多，但都存在调速范围小、速度稳定性差、无法长时间低速下降载荷等缺点，而且系统复杂，可靠性低、维护量大、能耗高。
全变频调速系统作为一种先进的调速方案开始在起重机上应用。
本章介绍广州文冲船厂200吨龙门起重机的多电机传动变频调速系统方案。
3.1变频器的技术概要
变频调速作为一种新型的调速方法自本世纪初提出以来发展十分迅速，它在节能，维护量小，自动控制性能好等方面
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