论文总字数：18730字

摘 要

本文主要是设计MQ2535门座式起重机起升机构的电气控制系统，在这个电气控制系统里，采用PLC编程控制和变频器调速的方法，目的是实现门座式起重机起升机构以不同速度、不同的工作模式进行起升和下降工作。具体要使用到PLC控制变频器对电机进行调速。论文内容主要包括MQ2535门式起重机起升机构电气控制系统的分析与硬件电路的设计，以及PLC控制程序的设计。

本文通过使用安川变频器实现变频调速，起升机构共有两台变频器，采用矢量控制方式，目的是使门座式起重机起升机构实现四个档位的速度调节，同时采用西门子S7-300PLC进行起升运行控制。完成了PLC设备选型、PLC硬件配置、PLC输入输出结构设计以及起升机构PLC梯形图的设计。

本文的特色在于：使用西门子S7-300型PLC通过编程控制变频器对门座式起重机起升机构电机进行速度控制，以实现门座式起重机起升机构的作业要求。

关键词：变频调速；PLC控制；门座式起重机

Abstract

This paper mainly designs the electrical control system of the MQ2535 door-mount crane lifting mechanism, in which PLC programming control and inverter speed control method are used, in order to realize the lifting work of the door crane lifting mechanism at different speeds and different working modes. Specifically, the motor should be controlled by PLC control drive. The paper mainly includes the electrical diagram and PLC control procedure and PLC control system of MQ2535 door crane rotating mechanism and walking mechanism.

This topic through the use of inverter to achieve variable frequency speed, the lifting mechanism share a inverter, the use of vector control methods, the purpose is to make the door crane lifting mechanism to achieve four gear speed changes, lifting mechanism can carry out lifting and down the load, lifting equipment contains grabs and hooks, and the use of Siemens S7-300 PLC type control. Finally, through on-board debugging, correct errors, to achieve the purpose of designing control system.

The characteristics of this paper are: the use of Siemens S7-300 PLC through the programmatic control of the inverter to the door crane lifting mechanism motor speed control, and finally complete the door-seat crane lifting mechanism electrical control system.

Key Words：Frequency Control; PLC control; crane;

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 变频调速分析与设计 5

2.1 门座式起重机简介 5

2.2 调速原理 6

2.2.1 变极调速 6

2.2.2 变转差率调速 7

2.2.3 变频调速 7

2.3 变频器选型 8

2.4 本章小结 11

第3章 起升机构电气控制分析与设计 12

3.1 门座式起重机控制系统组成 12

3.2 起升机构控制系统硬件电路设计 13

3.3 本章小结 18

第4章 起升机构PLC程序分析与设计 19

4.1 PLC基本原理及优点 19

4.2 PLC的功能及基本组成 21

4.3 起升机构的程序设计 23

4.4 本章小结 32

第5章 总结 33

参考文献 34

致谢 35

绪论

研究背景与意义

随着中国的贸易市场逐渐变大，国内外贸易量将持续加大。而国际化贸易中，约有四分之三的货物通过海运从港口完成，大量的货物运输带来的必然是装卸方面的高标准严要求，港口是装卸的重要节点，而起重机，在港口领域有着不可或缺的作用。因此本文研究起重机，意在提高起重机的运行效率，为社会经济建设做出贡献。

本课题主要研究的是门座式起重机，门座式起重机主要用于港口和露天堆料场，由起升、回转、变幅和运机构组成。

门座式起重机不仅可用于港口装卸和建筑工地，也可使用在一些造船场合。对于造船场合来说，由于大型船舶的体型大，质量高，因此在对其进行组装过程中，不能用到其他设备，只能使用起重量大、安全性好、可多级调速的起重机，因此起重机广泛应用于造船场合，因此这类场合对起重机的性能，如起重量和安全性较为看重。而建筑场合下，起重机需要进行物料搬运，大型建筑场合往往会遇到是较为深的地基，因此对于吊具的下放深度有一定的要求，这不可避免地会对吊具的稳定性有要求。在最近的火神山雷神山医院的建筑中，起重机扮演着物料搬运者的工作，对现场物料进行搬运，这对变幅机构的广度有着一定的要求。在医院建成后，起重机将会被运输到其他场合进行工作，建筑工地不比其他工作场合，在建筑工作完成后，起重机在此处便没有了作用，须拆卸运输到其他场合使用。而与之恰好相反的是港口的起重机。其工作场合固定，被搬运的物料也比较稳定，多是集装箱或者散物料，因此起重量也很确定，但是对起重机的效率要求较高。

作为港口起重机械的主要电气设备，门座式起重机工作机构包含四大部分，它们分别是起升机构、回转机构、变幅机构和行走机构。起升机构是对吊具进行控制的机构，能改变负载高度，由两台电机驱动，为安全起见，不与其他的机构同时工作。变幅机构用于将起重机的塔臂进行伸展，起重机的变幅机构决定着起重机能工作的范围。回转机构用于起重机的转动，能改变负载的水平位置。行走机构位于起重机底端，控制起重机的移动，改变起重机的位置。这些工作都将在司机室，由驾驶员通过控制面板上的操作杆进行控制，这些操作感的输入信号被PLC接收，通过PLC的逻辑运算后，用以控制变频器等相关被控原件。完成对起重机的运动过程的控制。

针对目前存在的控制系统较为落后的问题，需要对MQ2535门座式起重机控制系统进行设计，将研发更加安全稳定、效率更加高效的起升机构设计作为任务目标。

国内外研究现状

当下的港口起重机，已经实现自动化，不会采用以往使用的继电器控制，而是使用电气系统控制。同时为了进行多档位的调速，门座式起重机使用调速系统对工作电机进行调速，目前的主流调速方式是交流变频调速，不过仍有小部分采用直流调速。当下的电气控制系统多用PLC进行控制，输入信号在PLC内经由逻辑运算后输出给变频器，变频器接收信号后控制电机转速，从而达到控制各个机构的目的。

对于PLC的研究，国外对电力线通信的研究开始较早，最开始工业上大多采用继电器控制系统，但其接线麻烦，控制逻辑难以直观表达，对工程师要求较高，因此，出现一款接线简单、控制方便、逻辑直观的，用于替代继电器控制系统的控制程序被制造出来。PLC带着其自身简单轻便、价格低廉、学习容易的特点，被不断地广泛运用。现在的大型PLC的发展方向，向着功能多样齐全、速度高、网络化、可远程无线控制、逐层递进控制的方向。小型PLC则发挥其小型轻便、价格低廉、功能补强的方向上发展着。随着5G时代的不断推进，PLC网络控制将是当下PLC技术的发展路线，PLC之间相互连接构成网络、与工厂内部网络相并，无线连接互联网，这些未来的PLC发展也将成为可能。不同厂家的PLC协议也在进行改进，厂家之间也相互合作，欲实现相同的通信协议，让不同类型的PLC加入新的网络，实现对各种场合的配合，以构建更加庞大的网络系统，这使得PLC成为了集散控制系统里不可或缺的成分。

由于不同厂商PLC的编程语言完全不同，这使得使用者们不得不掌握多种编程语言来更好地利用当下市场花样繁多的PLC。这对PLC的发展无异于是一种阻碍，为此，PLC操作向的简易化方向发展被提上日程，为了简化操作和应对复杂任务，西门子走在了前列的先行者地位上，其对编程软件设计了大量的优化，大大降低了用户使用的操作门槛。为PLC操作向的简易化发展打下了基础。

为了满足工业自动化控制的各种需要，PLC在其功能性上做了延伸发展，增添了各种新的控制模块和控制元件。这些模块同时也在为智能化发展做着贡献，比如温控模块、外部故障检测模块和智能I/O模块，这些模块扩展了PLC的应用范围，同时增强了功能，提高了系统的可靠性。PLC各厂家之间在硬件不断换代，提高模块丰富度，提升功能的同时，也在相互合作，在协议上同时对制造自动化协议（MAP）的靠拢，也让PLC的技术规范越来越规范化和标准化。

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