摘 要

门座式起重机作为港口装卸作业的主要起重设备，与港口事业的发展紧密相关，为了全面适应集装箱发展的需求，各种多用途的门座起重机开始在我国生产。这些起重机具备原来的吊钩、抓斗两用性能外，同时还具有集装箱专用吊具，适用于多种不同复杂工况。当前，起重机机械制造的发展与控制技术的发展息息相关。随着变频调速技术、PLC控制技术、计算机控制技术的发展，使得港口起重机械的控制水平随着时代的发展有了质的飞跃。

本文致力于门座式起重机的控制和运行，重点分析了门座起重机的的工艺流程以及对电气控制系统的要求，提出了基于PLC和变频器的门座式起重机电气控制系统设计方案。详细介绍了门座式起重机变频调速系统的设计与方法，包括变频器的选择、电动机的选型、附加配套设备的选择、系统的主电路原理图、可编程控制器的选用等。在完成系统的软硬件设计后，对整个调速系统进行了仿真，验证了控制方案的正确性及合理性。作为工业自动化的三大支柱之一的PLC技术，它是以处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用、维护方便等一系列优点，特别是其高可靠性和恶劣工业环境的能力更是深受用户好评，因而在冶金、能源、化工、电力等领域得到越来越广泛的应用。在起重机这一特殊领域，变频调速技术的运用使得起重机的整体性能得到较大提高，其可靠性好、高品质的调速特性、节能效益显著的特性使得具有变频调速性能的起重机械具有令人满意的运行效果。

关键词 : 门座式起重机 PLC 变频调速 旋转 变幅

Abstract

Portal cranes as the main lifting equipment for port loading and unloading operations are closely related to the development of the port industry. In order to fully meet the needs of container development, various multi-purpose portal cranes have begun to be produced in China. These cranes are equipped with original hooks and grabs, and they also have special spreaders for containers, which are suitable for a variety of complex working conditions. At present, the development of crane machinery manufacturing is closely related to the development of control technology. With the development of variable frequency speed control technology, PLC control technology and computer control technology, the control level of port lifting machinery has taken a qualitative leap with the development of the times.

This article focuses on the control and operation of the portal crane, focuses on the process flow of the portal crane and the requirements for the electrical control system, and proposes a design scheme for the electrical control system of a portal crane based on PLC and frequency converter. The design and method of the variable speed control system of the portal crane are introduced in detail, including the selection of the frequency converter, the selection of the motor, the selection of additional auxiliary equipment, the schematic diagram of the main circuit of the system, and the selection of the programmable controller. After completing the hardware and software design of the system, the whole speed control system was simulated to verify the correctness and rationality of the control scheme. As one of the three pillars of industrial automation, PLC technology is a general-purpose industrial automatic control device based on a processor and a combination of computer technology and automatic control technology. It has a series of advantages such as small size, strong functions, flexibility and versatility, easy maintenance, etc. Especially its ability of high reliability and harsh industrial environment is highly praised by users. Therefore, it gets more and more in metallurgy, energy, chemical, power and other fields. More and more widely used. In the special field of cranes, the use of variable frequency speed control technology has greatly improved the overall performance of the crane, and its reliability, high-quality speed regulation characteristics, and outstanding energy-saving benefits make the hoisting machinery with variable frequency speed control performance. Has a satisfactory operating effect..

Key words : crane, PLC, variable frequency speed control, rotating, amplitude change

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状分析 2

第2章 门座起重机概述 4

2.1 门座起重机简介 4

2.2 门座起重机的变幅机构和旋转机构 5

2.2.1 变幅机构 5

2.2.2 旋转机构 5

2.3 门座起重机工作流程 5

第3章 变频调速系统的原理 7

3.1 交流异步电动机调速原理 7

3.2 变频控制技术 7

3.2.1 v/f 控制 7

3.2.2矢量控制 8

3.3 变频调速控制方式的比较与选用 8

3.3.1 v/f 控制方式及开闭环控制的选择设定原则 8

3.3.2矢量控制方式及开闭环控制的选择设定原则 9

第4章 电气主回路控制系统设计 11

4.1 电气传动方案的选择 11

4.2 变频调速的优点 12

4.3 元件的选型 13

4.3.1供电方式： 13

4.3.2 变频器及配套设备的选型 14

4.3.3 制动器的选择 15

4.4 电气控制系统的设计 16

4.4.1变幅与回转机构电气控制系统设计 16

4.4.2 变频器接线图的设计 17

第5章PLC控制系统的设计 20

5.1 PLC技术介绍 20

5.1.1 PLC 的主要特点： 20

5.1.2 PLC 的主要功能 20

5.1.3 PLC 的基本组成 20

5.2 PLC硬件配置及程序流程设计 21

5.3 PLC输入输出模块外部接线图设计 22

5.4 PLC输入输出分配表 25

5.5 门座起重机旋转机构控制系统PLC程序 26

5.6 门座起重机变幅机构控制系统PLC程序 31

第6章 仿真结果分析 35

6.1使用S7-PLCSIM仿真软件的步骤 35

6.2旋转机构程序设计及仿真结果分析 35

6.3旋转机构程序设计及仿真结果分析 37

6.4本章小结 40

第7章 环保性与经济性分析 41

7.1环保性分析 41

7.2经济性分析 41

第8章 总结与展望 42

8.1 总结 42

8.2 展望 42

参考文献 43

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

门座式起重机是一个立体结构，在空间上并不会过多的占用码头的面积。通常起重机工作在码头上，它的门架非常高大，而且伸臂也比较长，因此起升高度和工作幅度都比较大，能满足港口、码头、船舶和车辆的机械化装卸、转载。能够充分利用港口和码头场地，来满足船舶的空载和满载作业以及地面车辆的通行要求。一般来说，门式起重机具有高速，灵活、安全可靠的装卸能力，对装卸生产率的提高和繁重体力劳动的减轻都具有重大的意义。

近年来，随着港口运输事业的快速发展，对港口起重机的要求也不断的提高，港口起重机逐渐向大型化、专业化的方向发展，就必然要求现代港口起重机在电气传动控制调速性能方面比普通起重机要高的多，只有这样才能保证在起重机在进行作业时保持平稳、可靠，并且保证良好的低速就位性能。由于传统的调速控制系统已经很难满足港机作业的要求，对于从事港口运输的企业和人们来说，都是希望在更多的场合下能够用可调速的交流电机来代替直流电机，从而达到降低成本，提高运行的可靠性的目的。门座式起重机各系统一旦采用了变频调速和可编程控制技术来控制后，不仅能让门座式起重机的安全性,可靠性得到明显的提高，同时还可以提高装卸效率，降低能耗，降低维修成本，减轻劳动强度。为了满足其工况和作业需要.主要表现在：

（1）显著改善钢结构性能，变频调速使起升机构，变幅机构，旋转机构，行走机构运行平稳，制动冲击小；

（2）变频调速的特点是体积小，通用性强，动态响应快，工作频率高，保护性能好，可靠性好，使用方便等；

（3）工作可靠性显著提高；

（4）节能效果非常可观，绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内消耗大量的电能。采用变频调速系统后，不仅可以充分节省外部电阻消耗的大量电能，而且在起重机放下重物时，它还可以将由重量释放的势能反馈给电源。（可反馈电网或消耗掉）

（5）调速质量显著提高，调速范围宽，性能好，调速稳定，可长时间低速运行，具有定位精度高，运行效率高。起升，变幅，旋转工作速度可实现无级变速，操作人员可根据负载变化实现稳定的调速；

（6）传动链可以简化，因为可以进行无级调速，从而在机器上省去了非标准设计的减速箱；

（7）结构简单，可靠性性高，维护方便。

1.2 国内外研究现状分析

门座式起重机是港口起重机械的主力军,经过近几十年的发展,虽然我国在设计、制造工艺、设备使用维修和管理方面不断的改造，推动了港口起重机研发技术的持续进步。但是在实际生活中，我们仍然面临着许多亟待解决的问题。而且随着工农业生产自动化发展水平越来越高,当前人们对门机的要求也越来越高。

与传统行业的机械电气转动系统一样，门座起重机的电气传动系统经历了漫长时间的变化，从直流发电机-电动机开始；到晶闸管—直流电动机的直流电动机调速系统和异步电动机的变极调速；再到绕线型异步电动机转子串电阻调速；调压调速；转差电动机调速；串级调速的发展过程。对于专业的人来说，我们都知道直流电动机有换向器和电刷，维护起来非常麻烦，不容易操作，而且价格也十分昂贵，最重要的是它在容量上也受到一定的限制。上述的几种异步电机调速分别存在能耗大、调速范围有限、功率因数低、不能在大功率中应用等缺点^[1]。

众所周知交流异步电机变频调速是目前最强的交流电动机调速方式，它的转速可在整个调速范围内进行连续控制，调速非常平滑而且精度也是相当的高。有良好的恒转矩和恒功率控制性能，对于一些突然变化的负载能够作出突出的响应。因为系统功率因数近似为1.0，较低的前级供电电源配置要求,且谐波等电网公害也是相当的小，性能指标也远远超过其他的变频调速方式。港口起重机的调速重点方向是变频调速的平滑调速及高的稳定性。由于变频器技术的不断发展，它在港口机械制造企业已经得到越来越普遍的认可。目前几乎市场上100%的港口起重机都使用了变频调速系统。港口起重机的变频调速控制系统主要采用变频调速技术和可编程逻辑控制技术，从技术上讲，这才真正实现了变频器在位势能负载上的应用，真正彻底取代了传统的起重机调速系统，适用于新设备的制造和既有设备改造，这无疑是起重机行业的一大里程碑，大大提高了起重机的各项工作性能。随着电动机控制技术的发展，尤其是变频调速技术的迅猛发展，变频调速技术已经在许多调速技术中的优势得到体现，这些也将必然会引导越来越多的起重机械应用企业进行变频改造，来提高起重设备的性能，提高企业产品在市场中的竞争力。同时，随着机械工业的发展，配置的变频器也会进一步优化升级，与起重机共同发展，达到一个新的高地。

在中国，起重机中交流变频调速的应用还比较落后，技术也是不够成熟，长期以来，得不到快速的发展，特别是大吨位起重机上的应用才刚刚起步。因为起升机构作为起重机上最重要的机构，其位能性负载特性的需求使得市场上一般的变频器在性能上不能满足它的高要求。在低频的时候，能否达到恒转矩输出和空中是否存在溜钩等问题，一直都是起重机作为核心机构的起升机构使用变频调速的难点。还有当起升机构重载下放时，其再生制动能量是消耗在制动电阻上还是回馈回电网，这些都是一些列要解决并思考的问题。近年来，科学技术也是不断地发展，变频器的种类也越来越多，惊喜的是矢量控制变频器的出现给起重机带来了可观的生机。据调查，国内外各大专业电气公司也纷纷致力于这方面的开发和研究，越来越多的资本和企业的加入，使得矢量控制变频调速技术研究得到不断地突破。因此，研究如何使矢量控制变频调速技术被广泛应用于起重机电气传动中，真正实现四象限运行，确保能够符合起升机构的各种工况要求和良好的低速就位性能，对推动港口机械电气控制与调速系统的升级，港口作业效率的进一步提升，都具有很高的现实意义。

第2章 门座起重机概述

2.1 门座起重机简介

港口起重机是一种机械设备，它的类型也是十分的复杂多样，按照不同的标准进行划分就会有不同的结果，如果按照其组成形式可分为小型起重设备、升降机、臂架类起重机、桥架类起重机等。通常在港口使用的的起重机主要有浮式起重机、门座起重机、桥式起重机、轮胎式起重机等。这些起重机都有一个共同的特点，那就是它的主要组成部分有起升机构、运行机构、旋转机构、变幅机构、金属结构以及其它相关装置。

通常，门座式起重机是一种用来起升、放下、和搬运重物，并使重物在一定范围内转动的起重机械设备，在港口运输业的生产过程中起着非常重要的作用，没有起重机，港口就无法顺利的作业。门座式起重机的工作机构按照国际标准通常分为四部分，包括起升机构、变幅机构、旋转机构和行走机构。在港口所有的电动装卸机械设备中，门座起重机是数量和使用最多的电动装卸机械。它具有有很多优点，比如良好的工作性能，独特的优越结构，通用性好，在港口杂货码头上被广泛的应用。

为了方便称呼，简化语言，门座起重机在港口上也被俗称为门吊和门机，它的构造从空间结构上大体可以分为两大部分：上部旋转部分和下部运行部分。很显然，上部旋转部分安装在一个高的门形底架上，并且可以相对于下部运行部分做360°无死角任意旋转运动。龙门架可以沿着特殊的轨道运行，同时它也是起重机的承重部分，在设计选型的时候也要被考虑进去。起重机的自重和吊重均由门架承受并由它传到地面轨道上，这对地面轨道和混凝土场地的承载能力也具有一定的考验。门座式起重机如图2-1所示。

图2-1 门座式起重机

2.2 门座起重机的变幅机构和旋转机构

2.2.1 变幅机构

变幅机构是在起重机中用来改变幅度的机构，根据工作要求的不同，变幅机构的主要作用是：

（1）通过改变幅度来改变取物装置的工作位置，改变结构的受力类型，从而调整起重机的起重能力，或者对装卸路线进行一定的调整，或者让非工作状态下的起重机通过性能得到提高，利于其他设备车辆的通行，提高港口作业生产效率。。

（2）通过改变幅度可以扩大起重机的作业范围，同时也可以配合起升和旋转转机构进行协同工作，使取物装置的工作范围从有限的范围变成一圆形工作空间，提高起重机的生产能力并改善其性能。

2.2.2 旋转机构

起重机上部旋转部分的重量通常由旋转机构来支承，旋转结构是驱使旋转部分相对于不旋转部分做旋转运动的工作机构。它可以让被起升的货物围绕起重机的旋转中心做旋转运动，从而达到在有限的空间内快速在水平面内运输货物的目的。旋转驱动机构是用来实现起重机上部旋转部分相对于下部非旋转部分回转的唯一动力和速度的传动装置。该装置能够很好地满足起重机低速正反转、制动平稳、安全可靠的要求。同时，从受力方面来考量，旋转驱动机构也要必须克服一些阻力矩，比如转支承装置中的摩擦阻力矩、风阻力矩，还有由道路坡度或浮船倾斜造成的旋转阻力矩。只有能够很好地克服这些力矩，旋转机构的工作性能才能得到认可。

2.3 门座起重机工作流程

门座式起重机作为港口码头最主要的装卸杂货及干散货船设备，在码头作业过程中发挥着无可代替的作用，它可以通过起升、旋转、变幅机构联合动作来实现货物搬运的要求，并且可通过下部行走机构调整到适当的工作位置，对货船进行快速作业。门座式起重机具有旋转机构和变幅机构，所以它可以在带载荷的情况下作水平位移变幅和任意角度回转，作业非常灵活，可操空性强，从整体来看，它的工作流程主要是以下几个过程：首先起重机的空钩下降到货物的顶部，将货物慢慢挂起，然后起重机满载提升货物到能够移出船舱的高度时，起重机操作员对起升机构进行制动，紧接着改变臂架的伸出水平幅度，在避开舱盖位置时操作员进行制动，当臂架旋转到卸货方向时也要进行制动，同时改变臂架水平幅度，直到到达车皮卸货上空时再进行制动，最后满载货物下降到车皮内时进行制动，货物摘钩，空钩上升到进入船舱高度时制动，旋转至一定位置制动，改变幅度待卸货物上方制动，空钩下降至货物上方制动，就这样一个工作循环结束，如果要进行连续作业，则重复循环上述周期动作。

第3章 变频调速系统的原理

3.1 交流异步电动机调速原理

根据异步电动机的转速表达式：

（3.1）

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：