论文总字数：17338字

摘 要

旧有的港口起重机电控系统已经不满足现代化港口的需要。为适应港口现代化，智能化的趋势，本设计使用PLC和变频器的电控系统,代替原有的使用转子串电阻调速方式﹑由继电器-接触器组成的继电控制系统。这不仅能提高起重机整机效率,也满足建设智能化港口的需求。本设计首先对交流控制系统和起重机的现状和发展进行的介绍,分析了MQ10-30门座式起重机旋转机构的控制要求，设计了MQ10-30门机旋转机构的电气主系统和控制系统,最后在SIMULINK中搭建了一个交流调速系统并仿真调试，用以说明本设计的效果，并给出结论。

关键字：港口起重机 旋转机构 交流调速系统 SIMULINK

ABSTRACT

The old port crane electronic control system has not met the needs of modern ports. In order to adapt to the trend of port modernization and intelligentization, this design uses the electric control system of PLC and frequency converter instead of the relay control system which is composed of relay and contactor, it can not only improve the efficiency of crane, but also meet the demand of intelligent port construction. Firstly, the paper introduces the current situation and development of AC control system and crane, analyzes the control requirements of the rotating mechanism of MQ10-30 portal crane, and designs the electric main system and control system of the rotating mechanism of MQ10-30 portal crane, finally, an AC speed regulation system is built in SIMULINK and simulated to illustrate the effect of the design and give a conclusion.

Keywords: Port Crane, rotating mechanism, AC speed control system, SIMULINK

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 III

1绪论 1

1.1设计的背景和意义 1

1.2.国内外发展现状 1

1.3起重机电气控制系统现状 2

1.4本文的主要内容 3

2 门座起重机和交流调速系统简介 4

2.1门座起重机 4

2.2门机四大机构及其功能 5

2.3 交流调速系统简介 6

2.3.1交流电机变频调速基础 6

2.3.2矢量控制技术 7

2.3.3变频器 8

2.4旋转机构电气控制系统的设计要求 9

3旋转机构电气控制系统设计 11

3.1设计概要 11

3.2电气主系统和控制系统设计 12

3.2.1主回路设计 12

3.2.2控制回路设计 12

3.3元件选型 12

3.3.1PLC选型 12

3.3.2电机选型 13

3.3.3变频器选型 14

3.4 PLC程序设计 17

3.4.1旋转机构运行原理 17

3.4.2旋转机构限位保护 18

3.5变频器参数设置 20

4交流调速系统MATLAB仿真 22

4.1搭建simullink模型 22

4.1.1电源部分 22

4.1.2整流器部分 23

4.1.3平波回路部分 23

4.1.4逆变器回路 24

5.1.5电机模型 25

5.1.6完整的模型 26

5.2系统仿真结果 26

5.2.1 50Hz运行 26

5.2.2 5Hz运行 27

5结论 28

参考文献 29

附录A　电气主系统 30

附录Ｂ　PLC　I／O点位表 31

附录Ｃ　PLC端子接线图 32

附录D变频器端子接线图 33

1绪论

1.1设计的背景和意义

航运作为全球交通运输的重要组成部分，而港口作为航运的枢纽，亦成为了现代物流系统中的重要关节点，承担着航运与航运，航运与陆运中转站的角色，在全球贸易中站据不可或缺的作用。

半个多世纪以来，发展始终是世界的主旋律，随着科技的进步和全球贸易的发展，港口运输的发展如火如荼，江河湖海上船舶往来不绝，一座又一座的现代化大港口不断的出现。

在港口在全球贸易中扮演重要角色的过程中，港口起重机正是其中的关键。正是通过起重机，一件又一件的货物，从一艘船搬上了另一艘船，从航运转向了陆运亦或从陆运转向了航运，起重机帮助港口发挥了中转站的作用。港口的发展也依赖于起重机技术的进步。

近年来,我国的科学技术也取得了较快的发展和进步,港口的运输总量不断的上升,2017年集装箱港口吞吐量世界排名前十的大型港口和口岸中,中国有7座大型港口首次上榜。吞吐量的进一步上升直接要求着集装箱港口船舶和起重机的性能及其运行的效率要随之进一步提高,要提高起重机的性能，可以从两方面入手，一是改进起重机的机械结构，二是改进起重机的电控系统。起重机电控系统的设计涉及电气控制技术，它是用以实现工业生产过程自动化的控制技术，以各类电动机为动力的传动装置和系统为对象，运用电气控制技术实现电气控制电路，融合交叉多门学科实现智能化，信息化，现代化的电气控制系统。

起重机的电控系统主要涉及五个方面，行走机构的电控系统，变幅机构的电控系统，旋转机构的电控系统，起升机构的电控系统以及其他辅助设施的电控系统。

本课题拟定在现代化港口码头的背景下，设计一个10吨起重机旋转机构的电控系统。

1.2.国内外发展现状

旋转电机电控系统实际上的主要部分就是电机的交流调速控制系统，最初的旋转电机的电控系统在公元二十世纪出现，当时主要是使用继电控制系统来进行控制旋转电机的起停和旋转电机调速，但由于之前继电控制系统本身的响应速度较慢，导致旋转电机控制对象响应的滞后，控制的准确度也很不好。到了二十世纪三十年代，电机的调速系统由之前的旋转电机断续控制转变为了连续的实时控制，可以随时对旋转电机控制对象的速度进行实时监测,还能对旋转电机控制对象的速度偏差，以进行及时的修正，大大提高了其及时性和控制准确度。二十世纪五十年代,随着晶闸管以及之后一系列的可关断电力电子控制器件的设计和发明，电机的变频控制也得以成功实现。随着先进的计算机可编程技术在电子工业上的广泛应用，控制电机的系统逐渐演化为可编程采样控制，由于电机采样的周期元小于电机变化的周期，也就是可以说它算是连续的可编程控制，这样也就开创了可编程控制电机系统的一个新纪元。由此而来，1969年，世界上第一台新型的工业可编程计算机——可编程电气控制器(PLC)的诞生。PLC的成功诞生，使得这种电气控制系统的设计和工作更可靠，更易维修，更安全能有效适应生产工艺和条件的变化。

近些年国内对旋转机构的研究结构设计上比较多，出现比较多词眼的是钢结构有限元分析^[1]，机械结构设计^[2]等，对于控制系统的研究主要是介绍如何使用变频器^[3]，如何建立起重机港口间的通信连接^[4]方面文章，国外一些文献则对起重机进行控制系统建模^[5]，将起重机作为欠驱系统进行分析控制仿真^[6]，用最优控制的方法对如何消除起重钩旋转倾斜载荷的震荡进行研究^[7]。

1.3起重机电气控制系统现状

上个世纪起重机普遍采用转子串电阻的调速系统，该系统结构并不复杂，成本廉价，但它是基于开环的控制系统，机械特性并不像直流电动机这样硬，调速的精准度并不高，稳定性也不好，调速方式也属于有极调速，调速的范围有限，启停操作时冲击电流明显，会很大的影响机械的使用年限。可编程控制器(PLC)由于具备继电控制系统难以比拟的可靠性，使用起来简单方便，编程十分便于学习，无论是安装调试还是维护都十分的方便，同时集成多种网络接口，非常便于组建工业以太网，现已取代继电器—接触器组成的继电控制系统，被广泛应用于各类机械设备中。现在生产的起重机已使用PLC控制系统代替原有的继电控制系统。

目前国内港口起重机电气控制调速系统除部分采用直流调速外，绝大多数采用交流变频调速技术，起重机整机电气控制系统采用 PLC 程序控制。这样的系统，不仅集成度高，安装维护相当方便，更由于具备强大的网络功能，能实现整个港口的通信，方便集中管理和高效管理。

近年来，变频控制技术的发展，给起重机电控系统带来了很大的变化，u/f变频控制让有极调速成为过去，矢量控制更是极大的优化了交流电机的调速系统的动态性能，这极大的拉近了交流调速和直流调速在性能上的差距，是交流调速理论的新篇章。直接转矩控制技术的研究和使用，使变频调速控制技术日趋成熟，以其更高的调速精度、更宽的调速范围、更快速的动态响应及能在四象限可逆运行等特点，现代变频调速控制技术完全可以适应现代机械自动化生产的各个领域^[8]。

1.4本文的主要内容

本设计选定的设计目标是设计一套MQ10-30门座式起重机旋转机构的电控系统。主要内容如下：

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