摘 要

PLC以其控制体积小可靠性高使用方便而在港口机械中普遍使用，PLC的技术也在随着科技的发展而不断地进步和更新，通过阅读有关港口门机电气和PLC有关的相关文献加深了了解之后，对MQ4035门座起重机的运行机构进行了电气系统的PLC程序设计，在整个程序设计中先通过阅读该型号门座起重机电气原理图，对该起重机各机构的工作原理进行了详实的了解，然后对行走机构的电机变频器等电器元件进行了选型工作，最后针对行走机构所需要完成的功能和相关保护，编写了行走机构的PLC程序并做了仿真分析的除了理想的结果，在结尾还对所做的程序做了环境与经济分析。在整个设计过程中通过对比各种方案的优劣及考虑了各个方案在当前环境下是否适应，这个过程让我学会了提出问题，思考问题，解决问题的能力和学会运用所学知识去做一些新的东西的一些思路和经验。

关键词：门机；行走机构；变频器；PLC

Abstract

PLC to control the small size of its reliability and ease of use in the port machinery in general use, PLC technology is also with the development of science and technology continue to progress and update, by reading the port gate machine electrical and PLC related literature to deepen After understanding, the MQ4035 portal crane operating mechanism of the electrical system of the PLC program design, in the entire program design by reading the model of the door crane electrical schematic diagram, the working principle of the crane agencies were detailed Understanding, and then the travel mechanism of the motor frequency changer and other electrical components of the selection work, and finally for the travel agencies need to complete the function and related protection, the preparation of the walking mechanism of the PLC program and do a simulation analysis in addition to the ideal results, At the end of the process also made the environment and economic analysis. Through the whole design process by comparing the merits of various programs and taking into account the various programs in the current environment is to adapt to this process I learned to ask questions, think about the problem, the ability to solve problems and learn to use the knowledge to do some New things with some ideas and experiences.

Key words: portal crane; travel mechanism; inverter; PLC

第1章 绪论

1.1 设计目的及意义

我研究的课题是采用变频调速的门机运行机构电气系统设计 。作为一名即将毕业的大四学生，深知将理论联系设计实践的重要性，因此选择了这个毕业设计。由于本人所学专业便是港口起重机，在前三年多的学习中便学习了不少相关方面的知识：起重机的相关结构，系统控制电路的基础知识，PLC软件的简单设计等等。而这次毕业设计正好能让我对学过的知识进行再次回顾，以加深理解和记忆。相信在这次的毕业设计中能让我在通过整合学过的知识的过程中，领悟到新的东西。通过这次毕业设计，毫无疑问我学过的知识点会理解的更深，对于起重机运行机构的具体工作方式和电气控制有一个更加全面的认知，PLC编程能力也会更加的熟练，为以后毕业离校后的工作积累一定程度的经验，提升自己的设计能力。当然更加期望在现有的基础上能够对电气系统的设计有一些提高。

1.2 发展现状及趋势

从PLC出现就一直在高速发展，到了如今这个阶段PLC在无论大小各种各样规模的工业控制的场合中都可以完全适应。现代PLC具有完善的逻辑运算功能和不凡的数据处理能力，这两种能力使得PLC被大量用于数字控制的领域显得水到渠成。近年来各种工业控制中（温度控制、CNC、位置控制）都已经被PLC渗透，而这都是PLC的功能单元大量涌现的具体表现，也从侧面反映了PLC的适应性强。由于现代设计抗干扰系统以及大规模集成电路的应用，所以PLC的可靠性高。拿用差不多规模的继电器系统来作比较，用PLC来构成控制系统，开关节点和电气的接线大大减少，最多可减少几千分之一，因此故障率也就很大程度上下降了。除了上述优点外，PLC还具有硬件故障自测的功能，出现故障时，可以在我们未察觉到以前检测到故障，然后发出警报信息，这样就可以及时告知操作者具体地方出现了故障，方便及时排除故障，减少更大可能产生的损失。在所应用的软件中，故障自诊断程序还可以由使用者自己编写，并将编写的程序插入所需要的其他的电路和相关设备中，从而使得系统中更多的电路和设备中可以获得故障自诊断保护，由于自诊断保护动作由PLC完成，这就大大减少了人工诊断的工作量，大大提升了工作效率。现在国内新建大型谁口门座起直机借鉴岸桥控制经验开始引进PLC与变频调速相结合控制这一技术。

1.3 设计成果概述及本报告的主要内容

本次毕业设计共完成行走电路电路图等设计图纸共3张（使用CAD绘制），完成了TIA Portal v13软件的编程，实现了运行正反转反锁保护功能行走限位保护功能以及故障报警功能并且还与回转完成了互锁功能；完成了上述功能的仿真，验证了我所编写的PLC程序在逻辑上是可行的；并且在选型变频器过程中还完成了配套设备比如电机制动电阻断路器等电器元件的计算选型，在确定电气传动方案和变频控制方案的过程中通过对比各种方案的优缺点最终选用变频调速的电气传动方案以及无PG矢量2控制的变频控制方案。此次设计中所绘制的图分别为行走电路的电路图，行走限位器电路图以及PLC输入输出控制电路，在绘制行走电路电路图时主要考虑了变频器、行走电机、制动器、风机、卷筒以及防爬器在完成行走动作过程中的逻辑关系以及连接方式；在绘制行走限位器时主要考虑了电机过热、铆钉限位等情况下应该触发行走限位来完成制动停车动作；在绘制PLC输入输出控制电路时考虑了档位之间的切换、与回转的互锁以及故障的及时处理等情况。

本次设计中最满意的地方就是变频器及配套设备的选型部分，在这一部分中从电机的选型开始就在考虑各种因素，比如行走机构的工况、在这种工况下各个参数（风力系数等）的选取、电机功率大小对行走机构功能实施的影响；在整个选型部分都还加进了环境和经济分析；在初步选型后还对一些尤其重要的元件进行了校核和验算。

为了详细记录整个设计成果作下乐乐这篇报告。整篇报告由六章组成：第一章的内容是绪论，也就是对整个设计所做的总结；第二章简单介绍了门座起重机并给出了本次设计会用到的技术参数：第三章简要的介绍了几种变频控制技术并且选定了无 PG 矢量 2 控制的控制方案；第四章的主要内容是运行电机与回转电机共用一个变频器及相互之间的关系，并绘制了变频器的接线图，完成了行走机构的PLC编程，并对程序进行了简要的阐释：第六章主要是对本次设计作了一个环境与经济分析。

第2章 门座起重机概述

2.1 门座起重机的工作机构

2.1.1 起升机构

起重机中载荷升降这一动作主要由起升机构来完成，起升机构是起重机最重要的机构，它的工作性能是评判起重机性能好坏的重要指标。

起升机构工作原理：机构工作时，电动机与减速器的高速轴连接，减速器的低速轴连接卷筒，卷筒用来控制钢丝绳的卷放动作，再连接滑轮系统，来完成起升或下降的动作。当机构需要停止起升或下降动作时，吊钩连同货物一起通过制动器的制动作用来实现停止动作，吊钩的上升和下降动作可以通过改变电机专项来实现。

2.1.2 变幅机构

变幅机构是起重机中专门用来改变幅度的工作机构，变幅机构可以通过改变幅度来改变工作环形空间的大小，可以大大的提高起重机的工作效率，性能也更加优越。

2.1.3 旋转机构

起重机中用来承载旋转部分的重量而且使旋转部分做相对于不旋转的部分做回转运动的工作性机构称为旋转机构。它可以完成在水平面上运送货物，但却不能独自改变货物的高度。

2.1.4 运行机构

起重机都需要装有运行机构，实现起重机水平方向上的运动。为了完成行走减速限位和行走停止限位需要在轨道的两端设置许多的行程开关；若一条轨道上有超过一台设备，有可能会造成设备之间的碰撞，设置防撞限位可以有效的防止；行走机构不工作时，应开启锚定，使起重机固定在轨道上，此时锚定，行走机构不能运行；此次设计采用防爬器来进行防风。

2.2 MQ4035门座式起重机运行机构技术参数

表2.1 技术参数

变频调速系统的原理

3.1 交流异步电动机调速原理

异步电动机转速表达式：

（3.1）

式中： ——定子供电的电源频率（Hz）；

——异步电动机的转差率；

——磁极对数。

由上式可以看出单独改变电源频率会影响到电机其它参数的变化，间接影响到电动机的运行性能，因仅仅改变电源频率来改变电动机转速并不是最好的调速方法，实际上，我们通常采用的变频调速是通过改变定子电压和定子频率来实现调速，以求获得比较好的调速特性，提高运行性能。

3.2 变频控制技术

3.2.1 v/f 控制（标量控制）

v/f 控制方式就是对所使用的变频器按照电压与频率的相互关系来进行控制的方式，这种控制方式也成为VVVF控制方式，这种控制方式的优点是控制结构比较简单、所需要的成本较低。而且标量控制方式不需要速度传感器，控制电路相对来说比较简单，对负载的要求也不高。

3.2.2矢量控制

矢量控制就是控制转子磁场来分解定向电流，使之成为转矩和磁场两个分量。由于控制电机的转矩电流的控制方式为直接控制，所以电机的转矩响应较快，因此，这一控制方式可大大提高电机的控制性能、增强稳定性；也可大大改进电机的低速响应性能。

上述两种控制方式的主要区别是：矢量控制不仅能做到标量控制能够做到控制电机电流的大小，还能控制标量控制控制不到的电机电流的相位。