基于PLC控制的桥式起重机的设计

速度档位 X001 X002 X003 0 0 0 0 1 1 0 0 2 0 1 0 3 1 1 0 4 0 0 1 5 1 0 1 6 0 1 1 7 1 1 1 注： 0-断 ，1-通 2.4 变频器

变频器为电动机提供频率可调节的交流电源，是实现电动机速度调节的关键设备。本系统变频器采用日本安川CIMR-G7B、CIMR-F7B系列起重专用变频器。 2.4.1 变频器控制方式的选择

由于起重机机构多为恒转矩负载，故选用带低速转矩提升功能的电压型变频器。

大车、小车是普通反抗性负载，负载变化相对小，属于阻力性负载，可以配用普通型或高功能型变频器，故大车、小车选用U/f 开环控制方式的安川CIMR-F7B4045 型变频器；而主钩及副钩负载变化大，属于位能性负载，为获得快速的动态响应，实现对转矩的快速调节，获得理想的动态性能，通常采用矢量控制方式，故主钩升降、副钩升降选用安川CIMR-G7B4055型变频器，采用闭环矢量控制方式以获得稳定的工作状态和良好的机械特性。

从变频器工作频率的控制来看，可以采用变频器模拟量电压控制端加接电位器方式，这样电动机的转速是无极调速的。但这样的方式与传统的操作方式相差较远，考虑到转速平滑调节对起重机来说并不重要，则可以采用变频器机外开关多段速度选择方式实现速度控制，这和选取主令控制器作为操作器件是配套的。采用变频器后，电动机的正反转控制也变得简单的多了，不再需要使用接触器交换电源的相序，只要操作变频器的相序控制端口就可以了。 2.4.2 变频器容量的选择

变频器容量的选择是以电动机的额定功率为依据的。由于绕线转子异步电动机与通用鼠笼异步电动机相比，其绕组的阻抗较小，因此使用变频器调速时应考虑纹波电流引起的过电流跳闸情况，同样功率下的电动机，绕线转子异步电动机额定电流往往较大，所以选择时应考虑一定余量。虽然起重机升降机构的转动惯量很小，加速时间较短，但考虑到电网电压波动的因素，以及安全劳动部门对起重机1.25倍额定静载荷检测要求等因素来选择起升机构电动机的变频器容量。大车、小车运行机构属于大惯量负载，其加减时间一般不超过20 s，变频器的短时过载能力为150％，不同的加速时间对变频器容量的计算不同，当加速时间>2 min时，变频器功率选择应放大些，以此来选择大车、小车运行机构电动机的变频器容量。

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2.4.3 变频器制动电阻

起重机变频器，特别是主钩及副钩变频器，需配用制动电阻。起重机放下重物时，由于重力作用电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中去，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许的范围内。制动电阻就是用于消耗这部分能量的。 2.5 电动机选择

桥式起重机的运行机构多为恒转矩负载，可以使用专用的变频调速起重电机，也可以使用起重机原有的线绕转子电动机，将转子绕组短接就可以了。

提升机构的电机选用适合频繁起动、转动惯量小、起动转矩大的变频用电机。目前，国外以四极电机作变频电机首选极数。电机功率为： P?VW??10?3 式1

式中P——功率，kw；

W——额定起重量(最小幅度时)＋吊钓重量＋钢丝绳重量，N； V——提开速度，m/s； η——机械效率。

用变频器驱动异步电动机时，由于变频器的换向冲击电压及开关元件瞬间的开闭而产生冲击电压(浪涌电压)引起电机绝缘恶化，对电压型PWM变频器应尽量缩短变频器与电机间接线距离或者考虑加入阻尼回路(滤波器)。

电动机功率的选择，必须根据生产的需求来决定。一般来说，起重机用电动机比一般工业生产机械所用的电动机的功率大10%左右。

电动机的选择取决于下面两个主要条件：

(1) 发热 电动机在工作时，一方面将电能转变为机械能而做功，另一方面由于电动机绕组本身的阻抗要消耗一部分电能转变成热能，使电动机的温度升高。电动机由于受体积结构等的限制，内部绝缘材料的耐热能力很差，极易造成老化。当温度超过电动机所允许的限度时，绝缘能力被破坏，电动机将烧毁。电动机铭牌上都规定有电动机的温升，它指的是电动机在额定负载下运行时，定子发热后的允许温升与周围环境温度之差。

(2) 过载能力 各种电动机都有一定的过载能力。交流电动机的过载能力tm是最大转矩Mmax与额定转矩Mn的比值，即一般起重机用的交流异步电动机的过载能力为2.5～3.3。交流电动机的过载能力为： tm?Mmax 式2 Mn式中，Mmax--电动机允许的最大转矩； Mn--电动机的额定转矩。

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各种电动机的过载能力可从设计手册中查得。

电动机因过载而发生温升需要有一段时间，从发热方面来说，容许有短时的过载。但就过载能力而言，即使在很短时间内也是允许的。所以发热和过载能力必须同时考虑。

桥式起重机的电气传动系统有大车电动机两台、小车电动机一台、15吨大钩、3吨小钩提升电动机各一台，这次设计总的思路是用4台变额器来控制5台电机。根据分析计算后电机的基本选型见表4。 表4 电动机的选择 各部分 小车 大车 主钩 副钩 型号 YZ160MR-6Z YZ160M2-6 YZ80-S-10Z YZ180L-6Z 标称功率 额定电流 额定转矩 额定转速 过载能力 转动惯量 KW 11 22 110 30 A 22 43.7 200 58 N.m 70 140.0 700.2 190.9 r/min 1465 1465 1465 1465 3.5 3.5 3.3 3.2 kg.m 0.085 0.148 1.768 0.248 重量 kg 125 210 680 280 2.6 安全装置

起重小车的安全装置主要有栏杆、限位开关、撞尺缓冲器、排障板等 2.6.1 栏杆

桥式起重机起重小车运行的轨道中间为钢丝绳和吊钩工作的空间，考虑到维修人员在小车上工作的安全，小车架朝着这个空间的两边都焊有保护栏，小车架的另两边朝着走台，为方便维修人员的上下小车不设栏杆。 2.6.2 限位开关

当起升机构或运行机构运动到极端位置时，用限位开关来切断电源开关，防止因操作失误发生事故。 2.6.3 缓冲器

为防止运行机构的行程限位开关失灵，小车架上安装了弹簧缓冲器。在桥架小车轨道的极端位置处装上挡铁，用它来阻挡小车的运动并使缓冲器吸收碰撞时的能量。国家规定，容许的最大减速度为4m/s。当小车速度不高时，也可用橡胶块和木块来缓冲。 2.6.4 排障板

焊在小车架上位于车轮外边的钢板，它的作用是在运行时排除小车轨道上可能存在的障碍物，如维修时遗忘而搁在轨道上的工具等。

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3 系统软件设计

PLC程序的编制以实现PLC在系统中的任务为目的。整个桥式起重机的程序分为主程序、公用程序、大车程序、小车程序、主钩程序、副钩程序6个部分。主程序接收相应的按钮输入，分别调用其余5个子程序。公用程序实现PLC模拟的主令控制器的功能，并将信息存入中间继电器中。而大车、小车、主钩、副钩等程序分别具体控制各电机的运行。现分别介绍各程序的功能： 3.1 主程序

主程序功能简单，主要是实现调用各子程序。当PLC上电工作时，SM0.0接通，调用公用程序，完成初始化。另外，设有总电路开关，当启动开关I0.0接通，停止开关I0.1及过电流保护开关I0.7常闭触头闭合时，接通总电源输出开关Q0.0，并自保持。这时整个电路将通电，公用程序完成初始化，等待操作人员按下大车、小车、主钩或副钩的启动按钮，启动相应子程序。主程序梯形图设计如下：

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