起重機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計(jì)含2張CAD圖紙+帶任務(wù)書+開題報(bào)告+外文翻譯】
起重機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘 要
起重機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)輸中完成生產(chǎn)進(jìn)程自動(dòng)化和機(jī)械化扮演著重要的角色。起重機(jī)的自動(dòng)化有助于減輕體力勞動(dòng)，提高工作效率，降低工傷有著重要的實(shí)際意義。在鋼鐵行業(yè)、鐵路運(yùn)輸、工礦采集、碼頭港口及物流周轉(zhuǎn)等企業(yè)和部門中起重機(jī)都得到了廣泛的運(yùn)用。相比于國外的起重機(jī)設(shè)備，我國起重機(jī)設(shè)備的控制系統(tǒng)大部分還是采用比較傳統(tǒng)的控制方式。本課題對(duì)傳統(tǒng)的控制方式進(jìn)行了改良，采用基于可編程控制器的方式來控制起重機(jī)主回路的運(yùn)轉(zhuǎn)。這種方式簡化了起重機(jī)的控制系統(tǒng)、減少了控制系統(tǒng)部分占用的空間、操作維護(hù)更加簡單等。
論文首先介紹了課題的研究背景，研究的目的及意義，設(shè)計(jì)方案的對(duì)比和選擇，塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和載荷情況等，詳細(xì)計(jì)算了起重機(jī)主要的電器設(shè)備，分析了起重機(jī)的工作原理。完成課題中吊鉤的上升和下降的高速和低速的要求，分析了線路過流、短路、過載等保護(hù)的工作原理。
實(shí)現(xiàn)可編程控制器線路的監(jiān)控，采用的是電流變送器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的組合，將線路的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供可編程控制器讀取與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，然后根據(jù)設(shè)定程序?qū)χ骰芈吠瓿煽刂撇僮?，詳?xì)地解釋了各段的程序。為了能夠?qū)崿F(xiàn)電腦終端的監(jiān)測，本課題增加了利用電腦組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)可編程控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)的讀取。本系統(tǒng)的控制核心是采用三菱的可編程控制器。在論文的最后主要是對(duì)起重機(jī)模擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的解釋。
關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；Y-△啟動(dòng)；可編程控制器；模數(shù)轉(zhuǎn)換；電動(dòng)機(jī)
Abstract
To complete the production process automation and mechanization crane plays an important role in modern industrial production and transportation. That automated cranes help to reduce manual labor, improve work efficiency and reduce work-related injuries has important practical significance. It has been widely used in the steel industry, railway transport, mining acquisition, port terminals and other.Compared to foreign crane equipment, Chinese control system of crane equipment mostly adopts the traditional control mode. The traditional control method was modified, in the subject, on PLC-based control system for the crane.The crane control system is simplified on the way.It made operation and maintenance easier and so on.
Paper introduces the research background, purpose and significance of the research.The design schemes are compared in the paper.There are detailed data and working principle of the crane.Completed the task in the rise and fall of the hook of high and low speed, and it analyze the circuit overcurrent, short circuit and overload protection.
Monitoring lines use a combination of current transducer and A / D to complete the AC signal into the digital signal for the PLC to read compared with a preset value, then according to the setting program, it control operation.There are detailed explanations of the various sections of the program. In order to enable monitoring of computer terminals, the subject use Kingview in computer to reads internal data in PLC.Control core of the system is the use of Mitsubishi -64MR PLC. In the end of the paper,it is mainly explanation of the crane simulation prototype design.
Keywords: Tower cranes; Y-△ method;PLC; Analog-to-digital conversion; motor
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 課題簡介 1
1.2 起重機(jī)的介紹 1
1.3 國外塔式起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.4 國內(nèi)塔式起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.5 可編程控制器在工業(yè)自動(dòng)控制中的應(yīng)用 2
1.6 課題研究的目的及意義 2
1.7 本章小結(jié) 2
2 起重機(jī)電氣系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 3
2.1 10/1.6t塔式起重機(jī) 3
2.1.1塔式起重機(jī)QTZ160的簡介 3
2.1.2塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式 4
2.2 塔式起重機(jī)控制系統(tǒng)改造的原因分析 4
2.3設(shè)計(jì)任務(wù) 5
2.4 設(shè)計(jì)要求 5
2.5 方案設(shè)計(jì) 5
2.6 本章小結(jié) 7
3 起重機(jī)電氣系統(tǒng)的主回路的設(shè)計(jì) 8
3.1 起重機(jī)主電路的設(shè)計(jì) 8
3.2 主要電器設(shè)備計(jì)算及選型 8
3.2.1三相電動(dòng)機(jī)的工作原理 8
3.2.2起重機(jī)的主要電器設(shè)備的選擇 9
3.3 主電動(dòng)機(jī)電器控制線路的設(shè)計(jì) 13
3.4 起重機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14
3.4.1過流保護(hù)和短路保護(hù)控制線路的設(shè)計(jì) 14
3.4.2起重機(jī)限位保護(hù)和聯(lián)鎖保護(hù)的設(shè)計(jì) 15
3.5 本章小結(jié) 15
4 起重機(jī)電氣系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì) 16
4.1 可編程控制器 16
4.1.1可編程控制器系列的基本組成 16
4.1.2編程軟件GX Developer的簡介 16
4.2可編程控制器程序的設(shè)計(jì) 16
4.3 可編程控制器的選擇 17
4.3.1可編程控制器程序流程圖 18
4.4 電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)程序部分的設(shè)計(jì) 19
4.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì) 19
4.5.1模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊-4AD的簡介 19
4.5.2電流采集程序的設(shè)計(jì) 20
4.6 主電動(dòng)機(jī)過流和短路軟件部分的設(shè)計(jì) 21
4.6.1電流變送器的簡介 21
4.6.2過流保護(hù)和短路保護(hù)的設(shè)計(jì) 21
4.7 PC實(shí)時(shí)顯示的設(shè)計(jì) 22
4.8 本章小結(jié) 22
5 起重機(jī)模擬樣機(jī) 23
5.1 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備 23
5.1.1模擬樣機(jī)電動(dòng)機(jī)的選擇 23
5.1.2模擬樣機(jī)電動(dòng)機(jī)額定電流的計(jì)算 23
5.2 模擬樣機(jī)電路各處電流值的計(jì)算及元器件的選擇 23
5.3 模擬樣機(jī)運(yùn)行前檢查 24
5.3.1起重機(jī)外觀及標(biāo)注 24
5.3.2起重機(jī)電氣絕緣檢查 24
5.3.3電源柜檢查 25
5.3.4起重機(jī)可編程控制器輸入點(diǎn)檢查 25
5.3.5起重機(jī)可編程控制器輸出點(diǎn)檢查 25
5.4 調(diào)試步驟 25
5.5 本章小結(jié) 26
6 結(jié)論 27
致 謝 28
參考文獻(xiàn) 29
附 錄 30
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第 I 頁 摘 要 起重機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)輸中 完成 生產(chǎn) 進(jìn)程 自動(dòng)化 和 機(jī)械化 扮演著重要的角色。起重機(jī)的自動(dòng)化有助于減輕體力勞動(dòng)，提高工作效率，降低工傷有著重要的實(shí)際意義。在鋼鐵行業(yè)、鐵路運(yùn)輸、工礦采集、碼頭港口及物流周轉(zhuǎn)等企業(yè)和部門中起重機(jī)都得到了廣泛的運(yùn)用。相比于國外的起重機(jī)設(shè)備，我國起重機(jī)設(shè)備的控制系統(tǒng)大部分還是采用比較傳統(tǒng)的控制方式。本課題對(duì)傳統(tǒng)的控制方式進(jìn)行了改良，采用基于可編程控制器的方式來控制起重機(jī)主回路的運(yùn)轉(zhuǎn)。這種方式簡化了起重機(jī)的控制系統(tǒng)、減少了控制系統(tǒng)部分占用的空間、操作維護(hù)更加簡單等。 論文首先介紹了課題的研究背景，研究的目的及意義，設(shè)計(jì)方案的對(duì)比和選擇，塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和載荷情況等，詳細(xì)計(jì)算了起重機(jī)主要的電器設(shè)備，分析了起重機(jī)的工作原理。完成課題中吊鉤的上升和下降的高速和低速的要求，分析了線路過流、短路、過載等保護(hù)的工作原理。 實(shí)現(xiàn)可編程控制器線路的監(jiān)控，采用的是電流變送器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的組合，將線路的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供可編程控制器讀取與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，然后根據(jù)設(shè)定程序?qū)χ骰芈吠瓿煽刂撇僮?，詳?xì)地解釋了各段的程序。為了能夠?qū)崿F(xiàn)電腦終端的監(jiān)測，本課題增加了利用電腦組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)可編 程控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)的讀取。 本系統(tǒng)的控制核心是采用三菱的 64論文的最后主要是對(duì)起重機(jī)模擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的解釋。 關(guān)鍵詞 ： 塔式起重機(jī)； 啟動(dòng) ；可編程控制器；模數(shù)轉(zhuǎn)換；電動(dòng)機(jī) 第 o an in to It in to of in is on so of in of in of of it a of / D to C LC to a to it of of In to of in to of is In of it is of 目錄 目 錄 摘 要 ................................................................................................................ I .................................................................................................... 緒論 ............................................................................................................. 1 題簡介 ............................................................................................................... 1 重機(jī)的介紹 ....................................................................................................... 1 外塔式起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................................................... 1 內(nèi)塔式起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................................................... 2 編程控制器在工業(yè)自動(dòng)控制中的應(yīng)用 ........................................................... 2 題研究的目的及意義 ....................................................................................... 2 章小結(jié) ............................................................................................................... 2 2 起重機(jī)電氣系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) ..................................................................... 3 0/式 起重機(jī) ............................................................................................ 3 式起重機(jī) 簡介 .................................................................... 3 式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式 .............................................................. 4 式起重機(jī)控 制系統(tǒng)改造的原因分析 ............................................................... 4 計(jì)任務(wù) ............................................................................................................... 5 計(jì)要求 ............................................................................................................... 5 案設(shè)計(jì) ............................................................................................................... 5 章小結(jié) ............................................................................................................... 7 3 起重機(jī)電氣系統(tǒng)的主回路的設(shè)計(jì) ............................................................. 8 重機(jī)主電路的設(shè)計(jì) ........................................................................................... 8 要電器設(shè)備計(jì)算及選型 ................................................................................... 8 相電動(dòng)機(jī)的工作原理 .......................................................................... 8 重機(jī)的主要電器設(shè)備的選擇 .............................................................. 9 電動(dòng)機(jī)電器控制線路的設(shè)計(jì) ......................................................................... 13 重機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ..................................................................................... 14 流保護(hù)和短路保護(hù) 控制線路的設(shè)計(jì) ................................................ 14 重機(jī)限位保護(hù)和聯(lián)鎖保護(hù)的設(shè)計(jì) .................................................... 15 章小結(jié) ............................................................................................................. 15 4 起重機(jī)電氣系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì) ........................................................... 16 編程控制器 ..................................................................................................... 16 編程控制器 .................................................... 16 程軟件 簡介 ........................................................... 16 編程控制器程序的設(shè)計(jì) ................................................................................. 16 編程控制器的選擇 ......................................................................................... 17 目錄 編程控制器程序流程圖 .................................................................... 18 動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)程 序部分的設(shè)計(jì) ..................................................................... 19 數(shù)轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì) ......................................................................................... 19 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 簡介 .......................................................... 19 流采集程序的設(shè)計(jì) ............................................................................ 20 電動(dòng)機(jī)過流和短路軟件部分的設(shè)計(jì) ............................................................ 21 流變送器的簡介 ................................................................................ 21 流保護(hù)和短路保護(hù)的設(shè)計(jì) ................................................................ 21 C 實(shí)時(shí)顯示的設(shè)計(jì) ........................................................................................... 22 章小結(jié) ............................................................................................................ 22 5 起重機(jī)模擬樣機(jī) ....................................................................................... 23 驗(yàn)儀器及設(shè)備 ................................................................................................. 23 擬樣機(jī)電動(dòng)機(jī)的選擇 ........................................................................ 23 擬樣機(jī)電動(dòng)機(jī)額定電流的計(jì)算 ........................................................ 23 擬樣機(jī)電路各處電流值的計(jì)算及元器件的選擇 ......................................... 23 擬樣機(jī)運(yùn)行前檢查 ......................................................................................... 24 重機(jī)外觀及標(biāo)注 ................................................................................ 24 重機(jī)電氣絕緣檢查 ............................................................................ 24 源柜檢查 ............................................................................................ 25 重機(jī)可編程控制器輸入點(diǎn)檢 查 ........................................................ 25 重機(jī)可編程控制器輸出點(diǎn)檢查 ........................................................ 25 試步驟 ............................................................................................................. 25 章小結(jié) ............................................................................................................. 26 6 結(jié)論 ........................................................................................................... 27 致 謝 ............................................................................................................. 28 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................... 29 附 錄 ............................................................................................................. 30 第 1 頁共 37 頁 1 緒論 題簡介 起重機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)輸中 完成 生產(chǎn) 進(jìn)程 自動(dòng)化 和 機(jī)械化 扮演著重要的角色。起重機(jī)的自動(dòng)化有助于減輕體力勞動(dòng)，提高工作效率，降低工傷有著重要的實(shí)際意義。起重機(jī) 是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的重要工具和設(shè)備。在鋼鐵行業(yè)、鐵路運(yùn)輸、工礦采集、碼頭港口及物流周轉(zhuǎn)等企業(yè)和部門中，起重機(jī)都得到了廣泛的運(yùn)用。 本課題主要是研究塔式起重機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ， 針對(duì)傳統(tǒng)塔式起重機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了改良 。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用的是以繼電器的控制方式這種方式 有著諸多的缺陷，因此對(duì)這種控制系統(tǒng)進(jìn)行了改良，采用以可編程控制器為核心的控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)線路電流的監(jiān)測和控制，線路發(fā)生過流、過載和短路的情況下可以立即做出保護(hù)控制，接入電腦終端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主回路的各個(gè)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制和調(diào)速及各個(gè)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)線路電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測。 重機(jī) 的介紹 起重機(jī) 大致可分為橋式起重機(jī)、塔式起重機(jī)、小型起重，其具體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能如下。 （ 1）橋式起重機(jī)，橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)與橋梁類似，主要裝備起升機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)和行走運(yùn)行機(jī)構(gòu)，起重機(jī)可在行走運(yùn)行機(jī)構(gòu)所能到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行作業(yè)。市面上常見的類似起重機(jī)如：龍門起重機(jī)、梁式起重機(jī)等。 （ 2）塔式起重機(jī)是目前市面比較常見的起重機(jī)之一。主要用于高樓建設(shè)施工中對(duì)建筑設(shè)備和材料進(jìn)行運(yùn)輸。常見的塔式起重機(jī)的工作機(jī)構(gòu)主要由吊臂伸縮機(jī)構(gòu)、吊塔旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、吊鉤升降機(jī)構(gòu)和頂升機(jī)構(gòu)等部分組成市面上常見的類似起重機(jī) 如 ：回轉(zhuǎn)起重機(jī)、汽車起重機(jī)等。 （ 3）小型起重設(shè)備，該類起重機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，易于操作和移動(dòng)，適用于一些輕型物件的輸送。 市面上常見的類似起重機(jī)如：滑車、電動(dòng)葫蘆等。 外塔式起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 塔式起重機(jī)起源于西歐 ， 目前國外的塔式起重機(jī)的控制系統(tǒng)采用均是基于可編程控制器的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)更加完善，對(duì)不同的環(huán)境進(jìn)行特定的優(yōu)化，加入了多種安全保護(hù)機(jī)構(gòu)除了限位保護(hù)機(jī)構(gòu)和超載保護(hù)機(jī)構(gòu)外還加入了風(fēng)速保護(hù)機(jī)構(gòu)和地面震動(dòng)保護(hù)機(jī)構(gòu)，多重保護(hù)設(shè)施來保護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行，穩(wěn)定可靠。國外的塔式起重機(jī)以中高端機(jī)型為主 ，由于國外塔式起重機(jī)加工工藝精密，穩(wěn)定性高，故障率極低。 第 2 頁共 37 頁 內(nèi) 塔式起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 中國 塔式起重機(jī)已經(jīng)發(fā)展近五十多年時(shí)間 了。綜觀中國起重機(jī)的發(fā)展歷程，我國的塔式起重機(jī)建設(shè)初期主要是以進(jìn)口為主，近年來我國的塔式起重機(jī)大部分為自主研發(fā)產(chǎn)品，符合不斷發(fā)展的中國國情。我國的塔式起重機(jī)從小型塔式起重機(jī)到重型塔式起重機(jī)，從低端塔式起重機(jī)到高端塔式起重機(jī)逐步形成比較完整的體系。隨著我國的不斷發(fā)展人口不斷增多土地不斷減少，高樓甚至摩天大樓已經(jīng)是一個(gè)城市建設(shè)必經(jīng)之路，所以塔式起重機(jī)是現(xiàn)代建筑施工的重要設(shè)備之一。我國的塔式起重機(jī)相對(duì)于發(fā)達(dá)國家起步較晚，但是我國的塔式起重機(jī)發(fā)展迅速，我國用近五十年的時(shí)間走完 國外發(fā)達(dá)國家上百年塔式起重機(jī)的 發(fā)展 歷程 [1]。 編程控制器在工業(yè)自動(dòng)控制中的應(yīng)用 可編程控制器亦稱可編程控制器 ?？删幊炭刂破魇菍?duì)傳統(tǒng)繼電器控制的改進(jìn)，融入了微機(jī)技術(shù)。 可編程控制器充分的結(jié)合了微機(jī)處理器的優(yōu)點(diǎn)來滿足不同行業(yè)和領(lǐng)域的控制要求 。 將傳統(tǒng)的繼電器和時(shí)間繼電器等替換為通過 可編程控制器內(nèi)部軟繼電器的方式實(shí)施控制，減少了空間的占用和故障率?？删幊炭刂破鳛椴僮魅藛T設(shè)計(jì)了梯形圖形式的編程，降低了操作人員的學(xué)習(xí)成本，清晰明了直觀、便于上手、調(diào)試和查錯(cuò)。因?yàn)榭删幊炭刂破鲹碛畜w積小、穩(wěn)定性高、功能強(qiáng)大、可以遠(yuǎn)程通訊聯(lián)網(wǎng)等功能，所以可編程控制器在現(xiàn)代的工業(yè)中被廣泛的使用，日益取代由大量中間繼電器組成的傳統(tǒng)繼電器和接觸器控制的系統(tǒng)。 題 研究的目的及意義 目前塔式起重機(jī)在高樓建筑中是貨物裝卸的重要設(shè)備。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，絕大數(shù)塔式起重機(jī)電氣系統(tǒng)控制均是采用傳統(tǒng)的交流接觸器和繼電器的 控制方式，這種傳統(tǒng)的控制方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制效率低下，控制精度低，故障率高，穩(wěn)定性差并且這些控制設(shè)備頻繁震動(dòng)對(duì)設(shè)備損耗較大。本課題主要針對(duì)目前傳統(tǒng)的塔式起重機(jī)中的電氣設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制效率低下，控制精度低，故障率高，穩(wěn)定性差等問題作出了具體的改造。改用基于可編程控制器可編程控制器的電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以此來提高起重機(jī)電氣系統(tǒng)的性能。對(duì)目前起重機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)踐意義和參考價(jià)值。 章小結(jié) 本章是全文的開篇概述，主要介紹了本課題 的背景和應(yīng)用，介紹了 塔式起重機(jī)國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 和可編程控制器在工業(yè)自動(dòng)控制中的應(yīng)用。闡明利用可編程控制器控制的優(yōu)越性和對(duì)目前起重機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的意義。為下文的深入研究做了充分的鋪墊。 第 3 頁共 37 頁 2 起重機(jī)電氣系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 0/式 起重機(jī) 式起重機(jī) 簡介 本課題選擇 式起重機(jī)， 水平臂、上回轉(zhuǎn)、自升式塔式起重機(jī)，主要用于大型工業(yè)廠房、高層或超高層民用建筑及其它工程的吊裝作業(yè)。獨(dú)立高度 45 米，最大起升高度 152 米，特殊要求可加高至 200 米，最大工作幅度根據(jù)需要可組合為 65米、 60 米、 55米和 50米，最大起重量 10噸。 工作機(jī)構(gòu)采用了各種先進(jìn)技術(shù)，控制系統(tǒng)采用可編程控制器，起升機(jī)構(gòu)采用雙速繞線電機(jī)，工作平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，速度達(dá) 100 米 /分，吊重時(shí)從低速到高速可逐檔平穩(wěn)變化 。其 配備了力矩限制器、高度限制器、回轉(zhuǎn)限制器、起重量限制器等安全裝置。 式起重機(jī) 主要技術(shù)參數(shù)如表 2 表 2起升高度 (m) 固定式 附著式 48、 65 152 幅度 (m) 最小幅度 最大幅度 5 60 55 50 最大起重量 (t) 10 起升機(jī)構(gòu) 倍率 2 4 速度 (r/100 50 30 8 50 25 15 4 起重量 (t) 5 4 3 10 10 10 功率 (55 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 速度 (r/功率 (kW) 牽引機(jī)構(gòu) 速度 (r/功率 (kW)0/30/(r/工作壓力 (功率 (kW)5 衡重 臂架長度 (m) 65 60 55 50 重量 (t) 機(jī)自重 (t) 固定式 著式 作級(jí)別 作溫度 — +40℃ 第 4 頁共 37 頁 式 起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式 塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2要由 塔身 、 回轉(zhuǎn)塔身、變幅機(jī)構(gòu) 、 載重小車、吊鉤 組成。 塔身 固定于 地面 ， 吊塔旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 、 吊臂伸縮機(jī)構(gòu)及吊鉤升降等機(jī)構(gòu)可在司機(jī)室里完成操作 。 吊鉤升降各 有 2檔工位，分別對(duì)應(yīng)提升或下降時(shí)的低速和高速。塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖 2 圖 2式起重機(jī)結(jié)構(gòu)圖 01 固定基礎(chǔ) 02 固定支腿 03 附著裝置 04 頂升機(jī)構(gòu) 05 下支座 06 上支座 07 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 08 回轉(zhuǎn)塔身 09 司機(jī)室 10 變幅機(jī)構(gòu) 11 載重小車 12 吊鉤 13 起重臂 14 起重臂拉桿 15 塔頂 16 平衡臂拉桿 17 平衡臂 18 平衡重 19 起升機(jī)構(gòu) 20 電控柜 21 塔身 式起重機(jī)控制系統(tǒng)改造的原因分析 某樓房建筑工地 ，配備了 1臺(tái)塔式起重機(jī)，其塔式起重機(jī)是 1998 年投產(chǎn)使用的，起重機(jī)有起升、回旋、變幅三個(gè)機(jī)構(gòu)，電氣系統(tǒng)的控制方式采用的是傳統(tǒng)繼電器和交流接觸器組合的控制方式，起升調(diào)速是采用串電阻的調(diào)速方式，配備了短路保護(hù)、過載保護(hù)和欠壓保護(hù)等。此塔式起重機(jī)沒有配備過流保護(hù)、風(fēng)速監(jiān)測保護(hù)、超載保護(hù)提醒等。施工人員經(jīng)常在大風(fēng)中使用或者超載使用，頻頻出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)燒壞、交流接觸器燒壞。由于調(diào)速機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)的接觸器頻頻出現(xiàn)故障，因此操作人員在操作作業(yè)的時(shí)候經(jīng)常要根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行控制，操作難度很大。 本課題就是針對(duì)目前傳統(tǒng)的控制方式進(jìn)行了改良 ， 采用以可編程控制為核心的控制方式 ， 起升機(jī)構(gòu)采用 調(diào)速方式，降低設(shè)備的成本和維修成本。 第 5 頁共 37 頁 計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)就是根據(jù)題目的要求對(duì)硬件和軟件進(jìn)行規(guī)劃，并選擇最合適的硬件電路和軟件程序來達(dá)到目的。 硬件設(shè)計(jì)是對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析的結(jié)果，了解元件的相關(guān)功能和性能，詳細(xì)計(jì)算各元件的相關(guān)參數(shù)對(duì)元件進(jìn)行合理的選擇。軟件設(shè)計(jì)是對(duì)可編程控制器進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)課題要求，并通過調(diào)試優(yōu)化產(chǎn)品功能。 本課題是利用以可編程控制器為核心控制 起重機(jī)電氣系統(tǒng)的的主回路 。設(shè)計(jì)過程中有兩個(gè)最關(guān)鍵的部分 ， 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和控制軟件的編寫 。 （ 1） 硬件 問 題 起重機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要有 3大部分組成，即主電路和主電路控制部分以及顯示部分。 主電路 部分 由電機(jī)及其相關(guān)的低壓控制電器組成，由可編程控制器對(duì)低壓控制電器進(jìn)行控制。硬件的設(shè)計(jì)需要可編程控制器、傳感器及電機(jī)的相關(guān)知識(shí)。 在解決硬件的過程中，需要了解相關(guān)的知識(shí)和查閱大量的書籍，然后集合所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行深究。 （ 2） 軟件問題 軟件設(shè)計(jì)主要包括對(duì)低壓電器設(shè)備的控制 、 電流監(jiān)測與保護(hù) 。 對(duì)低壓電氣設(shè)備的控制主要是 可編程控制器控制接觸器的線圈來實(shí)現(xiàn)主電路的通斷，對(duì)電流的監(jiān)測與保護(hù)是通過電流變送器將交流信號(hào)等比輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊再將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送入可編程控制器 與預(yù)設(shè)值比較 ，大于等于預(yù)設(shè)值則斷開主電路的常閉主觸頭同時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警。硬件電路完成后 要編寫程序 。根據(jù)電路的實(shí)際情況和故障進(jìn)行 程序的多次調(diào)試。查閱書籍的相關(guān)指令和代碼 ， 對(duì)較長的程序盡量簡化用簡單的程序去代替復(fù)雜的程序 。最后調(diào)試出滿足課題所有要求的程序代碼。 計(jì)要求 具體要實(shí)現(xiàn)的功能為 （ 1）設(shè)計(jì)起重機(jī)行走、吊塔旋轉(zhuǎn)、吊臂伸縮及吊鉤升降等機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)（包括主電路及控制系統(tǒng)）。 （ 2） 要求吊鉤升降機(jī)構(gòu)有升降 2 個(gè)檔工位 。吊鉤提升需要有高速和低速兩個(gè)檔位，吊鉤下降需要高速和低速兩個(gè)檔位。 （ 3）要求主電路有過電流保護(hù)功能，運(yùn)行中當(dāng)電機(jī)運(yùn)行電流大于額定電流的 且持續(xù)時(shí)間達(dá) 1分鐘則產(chǎn)生過流跳閘并產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)。 （ 4） 要求設(shè)計(jì)主電機(jī)短路保護(hù) 并產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)。 案設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)塔式起重機(jī)電氣系統(tǒng)控制方式采用繼電器和接觸器組合的控制方式 ，調(diào)速方式采用 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式 ，啟動(dòng)方 式采用全壓直接啟動(dòng)方式。這種電氣控制系 第 6 頁共 37 頁 統(tǒng)復(fù)雜，故障率高，效率低，能耗高，操作維護(hù)難度大，穩(wěn)定性差。由于傳統(tǒng)塔式起重機(jī)有諸多的問題，針對(duì)這些問題進(jìn)行了改良和設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)按下面思路展開 。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求需要實(shí)現(xiàn)的基本功能，大致可分為 電動(dòng)機(jī)部分 ， 電流監(jiān)測部分 ， 數(shù)字顯示部分 這三個(gè)部分。 （ 1）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)部分 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式會(huì)直接對(duì)線路的電流的造成影響。三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式有全壓直接啟動(dòng)方式和降壓啟動(dòng)方式兩種方式。 ① 全壓直接啟動(dòng)方式 ， 控制線路簡單 ， 但異步電動(dòng)機(jī)的全壓啟動(dòng)電流一般可達(dá)到額定電流的 6～ 7 倍 ，直接影響線路保護(hù)裝置（當(dāng)電機(jī)運(yùn)行電流大于額定電流的 且持續(xù)時(shí)間達(dá) 1分鐘則產(chǎn)生過流跳閘并產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)。 過大的啟動(dòng)電流會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)造成損傷 ， 如電動(dòng)機(jī)的使用壽命的減少 ， 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低 ， 使變壓器二次電壓大幅度下降 ， 嚴(yán)重可導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)無法再次啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn) 。 同時(shí) ， 過大的電流還會(huì)引起電源電壓的波動(dòng) ， 影響統(tǒng)一供電網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的正常工作 。一般電動(dòng)機(jī)容量在 10下者可以直接啟動(dòng)， 10課題對(duì)此不作具體說明）。 ②降壓啟動(dòng)方式主要有 壓啟動(dòng)方式、自耦補(bǔ)償降壓啟動(dòng)方式等降壓啟動(dòng)方式。 壓啟動(dòng)方式， 電動(dòng)機(jī)的星形啟動(dòng)的電壓和電流都是三角形啟動(dòng)的電壓和電流的 1/√3，星形啟動(dòng)的電流是線電流的的 1/3，三角形啟動(dòng)的電流等于線電流。所以星形啟動(dòng)電流是三角形啟動(dòng)電流的 1/3。 壓啟動(dòng)適合輕載啟動(dòng)或者空載啟動(dòng)。 自耦補(bǔ)償啟動(dòng)方式是利用自耦變壓器降低到電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓，以減小起動(dòng)電流。它適用于容量較大的低壓電動(dòng)機(jī)作減壓起動(dòng)用，應(yīng)用比較廣泛，有手動(dòng)和自動(dòng)控制線路。不過它的體積比較大，質(zhì)量也比較大，價(jià)格比較高 [2]。 其他降壓啟動(dòng)方式還有，延邊三角形降壓啟動(dòng)方式、定子串電阻降壓啟動(dòng)方式、軟啟動(dòng)方式，這些啟動(dòng)方式目前很少采用，所以本課題對(duì)此降壓啟動(dòng)方式不再詳細(xì)解釋說明。 根據(jù)表 3各機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)功率數(shù)據(jù)，起升和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用 壓啟動(dòng)方式，伸縮和頂升機(jī)構(gòu)采用全壓直接啟動(dòng)方式。 （ 2）電動(dòng)機(jī)調(diào)速部分 ①串電阻調(diào)速方式 傳統(tǒng)的調(diào)速方式采用串電阻的調(diào)速方式 ， 這種調(diào)速方式價(jià)格便宜 ， 但是 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度低， 調(diào)速范圍小 ，效率低，故障高，能耗高，穩(wěn)定性差，同時(shí)頻繁切換會(huì)對(duì)調(diào)速機(jī)構(gòu)的壽命產(chǎn)生損傷。 ②變頻調(diào)速方式 第 7 頁共 37 頁 變頻調(diào)速方式是通過變頻器改變電源的頻率來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 。 變頻調(diào)速方式已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用在工業(yè)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速上 ， 這種調(diào)速方式有著 ， 結(jié)構(gòu)簡單 ， 穩(wěn)定性高 ，調(diào)速范圍寬 ， 效率高 ， 能耗低 ，但是變頻器價(jià)格比較高昂。 ③ 型 調(diào)速方式 調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡單，能耗低，價(jià)格相對(duì)便宜無需增加額外設(shè)備，但是僅有兩種調(diào)速范圍，適用于不需要調(diào)整具體速度的塔式起重機(jī)設(shè)備上。 本課題僅需要實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能即可 ， 對(duì)調(diào)速?zèng)]有過多的要求 ，從能耗、效率、穩(wěn)定性、價(jià)格等方面考慮， 選擇 調(diào)速方式。 （ 3）電流監(jiān)測部分 要求主電路有過電流保護(hù)功能，運(yùn)行中當(dāng)電機(jī)運(yùn)行電流大于額定電流的 分鐘則產(chǎn)生過流跳閘并產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)。 這個(gè)有兩種方案 ①通過電流變送器將線路電路的交流電流等比轉(zhuǎn)換成直流電流信號(hào)，傳輸給 塊送入可編程控制器與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較。優(yōu)點(diǎn)：電流檢測精準(zhǔn)，穩(wěn)定性高，可以實(shí)時(shí)顯示電流數(shù)值，操作維護(hù)方便簡單，缺點(diǎn)：成本高。 ②通過電流互感器和整流電路 將線路電路的交流電流等比轉(zhuǎn)換成直流電流信號(hào)，傳輸 給 塊送入可編程控制器與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較。優(yōu)點(diǎn)：成本相對(duì)便宜，可以實(shí)時(shí)顯示電流數(shù)值，缺點(diǎn)：相對(duì)電流變送器方案，操作維護(hù)復(fù)雜，穩(wěn)定性差。 ③通過電流互感器和電流繼電器對(duì)線路進(jìn)行保護(hù)。優(yōu)點(diǎn)：成本最低，操作維護(hù)相對(duì)簡單，缺點(diǎn)：不能實(shí)時(shí)顯示電流數(shù)值。 本課題采用電流變送器的方案 。 （ 4）數(shù)字顯示部分 ①實(shí)時(shí)顯示電流數(shù)值，采用數(shù)碼管直接顯示，成本低，便于操作和維護(hù)。 ②電腦終端監(jiān)測，采用組態(tài)王軟件數(shù)據(jù)顯示，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。 ③采用觸摸屏顯示，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，但是目前市面上工業(yè)級(jí)觸摸屏價(jià)格還比較昂貴。 本課題采用 電腦終端對(duì)線路狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示 。 章小結(jié) 本章主要介紹了所設(shè)計(jì)的塔式起重機(jī)電氣系統(tǒng)和本課題需要完成的課題設(shè)計(jì)要求。針對(duì)傳統(tǒng)塔式起重機(jī)電氣系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行了分析，詳細(xì)說明傳統(tǒng)塔式起重機(jī)電氣系統(tǒng)存在問題。對(duì)傳統(tǒng)塔式起重機(jī)的電氣系統(tǒng)的改良列出了若干個(gè)方案，對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行了分析和對(duì)比，選擇最為合適的設(shè)計(jì)方案。 第 8 頁共 37 頁 3 起重機(jī)電氣系統(tǒng)的主回路的設(shè)計(jì) 重機(jī)主電路的設(shè)計(jì) 根據(jù)要求，主回路的電動(dòng)機(jī)需要有過流、過載和短路保護(hù)的功能。要求 吊鉤升降機(jī)構(gòu)有升降 2個(gè)檔工位 ， 分別對(duì)應(yīng)提升或下降的低速和高速 。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流大于額定電流的 分鐘則產(chǎn)生過流跳閘并產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)。要求 電機(jī)短路保護(hù) 并產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)能實(shí)時(shí)顯示電流數(shù)值。起重機(jī)的主電路的接線圖如圖3 圖 3重機(jī)的主電路的接線圖 要電器設(shè)備計(jì)算及選型 相電動(dòng)機(jī)的工作原理 電動(dòng)機(jī)的工作原理是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電氣設(shè)備 ， 采用的是 電磁感應(yīng)的工作原理。 工業(yè)生產(chǎn)中采用的是交流電動(dòng)機(jī) 。 本課題采用的是交流電動(dòng)機(jī)中的三相異步電動(dòng)機(jī) ， 第 9 頁共 37 頁 三相異步電動(dòng)機(jī)主要由 定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子是固定部分，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分。 三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 如圖 3 圖 3相電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 重機(jī)的主要電器設(shè)備的選擇 （ 1）電動(dòng)機(jī)的選擇 電機(jī)選用的原則主要有以下幾點(diǎn)： ① 需要查看電動(dòng)機(jī)的最大載荷時(shí)電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù) ， 選擇符合條件的電動(dòng)機(jī)以嗎，滿足運(yùn)行中的各項(xiàng)要求 。 ② 根據(jù)電動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境，選擇不同的電動(dòng)機(jī)，環(huán)境潮濕的電動(dòng)機(jī)需要由防潮的功能，對(duì)于危險(xiǎn)環(huán)境里就要選擇安全級(jí)別較好的電動(dòng)機(jī)如防爆的電動(dòng)機(jī)。同時(shí)還要考慮環(huán)境相適應(yīng)的冷卻方式的電動(dòng)機(jī)。 ③詳細(xì)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的容量是否符合運(yùn)行中的安全標(biāo)準(zhǔn)。電動(dòng)機(jī)工作在 額定負(fù)載的75% ， 電動(dòng)機(jī)的工作效率最高 。為了提高運(yùn)行效率還需要考慮電動(dòng)機(jī)的 極數(shù)及電壓等級(jí) 。 ④選擇穩(wěn)定性和可靠性高的電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作人員易于設(shè)備維護(hù)。 根據(jù)廠商提供的數(shù)據(jù)和各個(gè)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和功率參數(shù)如表 3 表 3執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型號(hào) 電機(jī)功率 功率因素 效率 起升機(jī)構(gòu) 55轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 8 伸縮機(jī)構(gòu) 8 頂升機(jī)構(gòu) . 55 第 10 頁共 37 頁 ⑤電動(dòng)機(jī)額定電流的計(jì)算 : 起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的額定電流如公式 3???? = ??????????????????√3= 55000380×3 = （ 3 過電流 的跳閘電流為額定電流的 ， 則其跳閘電流為 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的額定電流如公式 3???? = ??????????????????√3= 11000380×3 = ? （ 3 過電流 的跳閘電流為額定電流的 ， 則其跳閘電流為 伸縮機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的額定電流如公式 3???? = ??????????????????√3= 1100380×3 = ? （ 3 過電流 的跳閘電流為額定電流的 ， 則其跳閘電流為 頂升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的額定電流 如公式 3???? = ??????????????????√3= 7500380×3 = （ 3 過電流 的跳閘電流為額定電流的 ， 則其跳閘電流為 （ 2）自動(dòng)空氣開關(guān)的選擇 自動(dòng)空氣開關(guān)的功能是為了實(shí)現(xiàn)課題要求中的短路保護(hù)的功能 。自動(dòng)空氣開關(guān)通常選用電動(dòng)機(jī)保護(hù)型，應(yīng)按 ????來選擇。在 動(dòng)時(shí)，為滿足電機(jī)的超載運(yùn)行，最大電流選擇電動(dòng)機(jī)額定電流 ????的 起升機(jī)構(gòu)自動(dòng)空氣開關(guān)的電流如公式 3示 ?? = ???? ×(A= （ 3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)自動(dòng)空氣開關(guān)的電流如公式 3示 ?? = ???? ×(A= （ 3 伸縮機(jī)構(gòu)自動(dòng)空氣開關(guān)的電流如公式 3示 ?? = ???? ×(A= （ 3 頂升機(jī)構(gòu)自動(dòng)空氣開關(guān)的電流如公式 3示 ?? = ???? ×(A= （ 3 分別應(yīng)該選?。旱铝ξ麟姎庾詣?dòng)空氣開關(guān) （ 3）熱繼電器的選擇 第 11 頁共 37 頁 熱繼電器的功能是為了實(shí)現(xiàn)課題要求中的過載保護(hù)的功能。過載是指電動(dòng)機(jī)長期超負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行電流大于其額定電流，但超過額定電流的倍數(shù)更小些，通常為額定電流的 。各機(jī)構(gòu)的過載保護(hù)的范圍為： 據(jù)各個(gè)機(jī)構(gòu)的范圍選擇合適的熱繼電器。 考慮到是交流電源，所以選取具有斷相保護(hù)的 列熱繼電器，同時(shí)具有溫度補(bǔ)償、整定電流可調(diào)和手動(dòng)復(fù)位等功能，由電 動(dòng)機(jī)的額定電流選擇熱繼電器， 型電機(jī)可用 電機(jī)可用 （ 4） 交 流接觸器的選擇 接觸器的選擇主要依據(jù)以下幾個(gè)方面： ①根據(jù)負(fù)載性質(zhì)選擇接觸器的類型。 ②根據(jù)主回路的額定電流和電壓進(jìn)行判斷。主回路的額定電壓不得超過交流接觸器的額定電壓。主回路的額定電流不得超過交流接觸器的額定電流。同時(shí)還應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載情況和運(yùn)行方式，可以適當(dāng)?shù)脑黾雍蜏p小。 ③交流接觸器銘牌上的頻率要與主回路的頻率保持一致。 本課題選擇 0A、 20A、40A、 60A、 100A、 150A。 吊塔 ?? = (1/√3)×??_?? = （ 3 故 ?。?臂 ?? = (1/√3)×??_?? = （ 3 故 取： 升 ?? = (1/√3)×??_?? = （ 3 故 ?。?鉤 ?? = (1/√3)×??_?? = （ 3 故 取： 塔 接啟動(dòng)時(shí)的線電流如公式 3I=(1/3)×??_?? = （ 3 故 ?。?鉤 接啟動(dòng)時(shí)的線電流如公式 3?? = (1/3)×??_?? = （ 3 故 ?。? 第 12 頁共 37 頁 吊塔 的相電流如公式 3?? = (1/√3)×??_?? = （ 3 故 ?。?鉤 的相電流如公式 3?? = (1/√3)×??_?? = （ 3 故 取： 5）電流 變送器的選擇 電流變送器將測量的主回路的交流或者直流電流按線性比例輸出 到連續(xù)的接收裝置里。電流變送器的特點(diǎn)：（ 1）測量電流和輸出電流按線性比例；（ 2）輸出 4 到