行车电气控制系统变频调速改造设计

西华大学毕业设计说明书 摘要 本设计基于可编程序控制器（PLC）和变频器的桥式起重机控制系统的改进。阐述了交流桥式起重机在实际中的应用以及PLC在改造方案中的确定，亦涉及在改造过程中设备的选型。本文以日本三菱公司 FX2N系列PLC为例，讲述了PLC在交流桥式起重机改造中的的控制方案。与传统控制方案相比，采用PLC控制的桥式起重机可以简化繁重的设备，使控制更加安全可靠。从经济效益与环境效益的角度分析，本设计虽然前期投入一部分资金用于购买PLC及变频器等设备，但是长期运行后的维修成本远低于原系统，并且节能可达30%左右。设计中变频器通过PLC进行无触点控制，使设备运行更加准确，并且减轻了人员的劳动强度，提高了工作效率。 【关键词】桥式起重机、 变频器、 PLC、 控制系统 Abstract This text discussion the improved design of bridge crane control system based on PLC and frequency converter. Introduced the application of Bridge crane, the application of PLC in reconstructive transform and choosing the device. The text takes Mitsubishi Japan FX2NPLC series as an example, introduced the control project of Bridge crane system. Compared with traditional control scheme，PLC-based Bridge Crane can Simplify the heavy equipment，and make control more safety and reliable. Analysis from economic benefits and environmental benefits, The maintenance cost is far below original system after long-term operation，and Saves about 30% of energy，beside a fond musts put into buying PLC and inverter and other equipment . In this design, Inverter non-contact programmable controller controls the equipment to run more accurate, as well as reduced labor strength, increased efficiency. 【Key words】 bridge crane; frequency converter; PLC; control system52目 录摘要11 绪论12 设计要求及方案选择42.1 系统设计要求42.2 题目分析42.3 系统方案选择53 系统主要硬件介绍73.1 可编程控制器7 3.1.1 PLC概述73.1.2 PLC的系统组成与各部分作用83.1.3 FX2N系列PLC的特点103.2 变频器123.2.1 变频器的简介123.2.2 交-直-交PWM变压变频器基本结构143.2.3 三相异步电动机的变频调速15 3.3 限位器及安保电路184 系统总体方案设计204.1 控制系统的I/O点地址分配204.2 控制各电机的变频器输入控制断的安排214.3 PLC系统选型224.4 变频器的选用224.5 电气控制系统原理图254.5.1 主电路图设计254.5.2 PLC接线图设计264.5.3 主、副钩起升机构设计274.5.4 大、小车运行机构设计284.6 辅助器件选择304.7 系统流程图334.7.1 大车控制系统334.7.2 小车控制系统344.7.3 升降控制系统354.7.4 升降悬停控制系统365 系统软件设计385.1 三菱PLC编程软件简介385.2 运行流程图395.3 梯形图405.4 改造后桥式起重机工作过程446 系统仿真及调试467 设计总结与体会47致谢48参考文献491绪论1).传统桥式起重机控制系统存在的问题 桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位。经过几十年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。因此，除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是-个很重要的方面。由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，因此电气控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。传统的起重机驱动方案【1】-般采用:（1）直接起动电动机；（2）改变电动机极对数调速；（3）转子串电阻调速；（4）涡流制动器调速；（5）晶闸管串级调速；（6）直流调速。 前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速：起动电流大，对电网冲击大：常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重：功率因数低，在空载或轻载时低于0.20.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。晶闸管串级调速虽各服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。2).桥式起重机电气传动技术的国内外发展概况 电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲60年代采用发电机-电机系统。从控制电阻分级控制，到交磁放大控制，到晶闸管激磁控制，到主回路晶闸管即晶闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速发展，集成模块出现，计算机、微处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。从交流驱动来讲:常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放时的低速，-般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转子反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的发展，国内外开发研制变频调速，PLC可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。目前国内外几种常用调速系统配置及其性能:（1）DC-300直流驱动调速系统:GE公司DC-300、DC-2000是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统，其控制功率从300HP到40O0HP，并采用PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。该驱动系统实施主回路晶体管整流，其控制是给定模拟量通过数模转换成数字量，通过速度环、电流环到SCR移现触发的逻辑无环流的调速系统。可用测速反馈或电压反馈，对磁场弱磁，以实施恒功率控制。（2）交流调速控制系统:对于起重机械来讲，交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前，该技术己进入了成熟稳定的发展应用阶段。日本安川电机制作所于1972年就正式定为VS系列，应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发。借助电力电子技术、微电子技术的发展，由分离元件发展到大规模集成电路，从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟量控制发展到数字量控制。可编程序控制器PLC引入到交流电气传动系统后，使传动系统性能发生了质的变化。在桥式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度。（3）变频调速:变频调速技术【2】是国际上各大电气公司在70年代末80年代投入全力研制、开发，也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。这几年-些公司如德国SIEMENS，美国GE，日本三菱等推出全数字化的变频控制技术，大功率的IGBT模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。目前，变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差频率控制，变频控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用，但其控制性能有-定的差异。直流电动机之所以与有良好的控制性能，其根本原因是当励磁电流恒定时，控制电枢电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小。异步电动机产生瞬时转矩的原理虽然与直流电动机相同，但由于建立气隙磁场的励磁分量和电磁转矩所对应装置电流有功分量都应包含在定子电流中，无法直接将它们分开，在运行过程中，这两个分量有会互相影响。因此要控制异步电动机的瞬时转矩十分困难。像采用恒压频比控制、转差频率控制的变频调速系统由于是从控制电动机的平均转矩的角度出发来控制电动机的转速，因而难以获得较理想的动态性能，异步电动机在高精度调速系统和伺服系统中的应用受到限制。而矢量控制是从根本上解决了这个问题，使交流调速系统的应用范围迅速扩大。 适用于通用的鼠笼式电动机，无速度传感器的变频调速技术的应用-该技术使变频控制装置不再配套专用电机，而且可通过软件对-般的鼠笼式电机-矢量控制装置实施参数调整，进-步降低电气电机的投资而且维护保养方便。 变频器使用PWM技术可严格地使输入电流正弦COS即在下降过程各机械减速制动中，将动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时确保工况正常运行，上述发展已完成了产品系列化上市，对“变频”装置在技术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有明显的优势。同时随着PLC系统的不断成熟与完善，以及大容量变频器在位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。2设计要求及方案选择2.1 系统设计要求 现有一台15/3t交流桥式起重机如图2.1所示，采用起重用绕线式交流异步电动机拖动，其中横梁的移动使用2台相同的电动机，小车的移动使用一台电动机，主钩和副钩各使用一台电动机。5台电动机均采用了转子串电阻调速方式，以增加启动转矩，减少启动电流。由于工作环境恶劣，空气中的水分对电机滑环、碳刷及接触器腐蚀较大，加上任务重，操作流程复杂，冲击电流大，触头消蚀严重，碳刷冒火，电机及转子绕组所串电阻烧损、断裂故障时有发生，对生产影响较大。转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时，转速也变化，调速效果差，所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要求对其进行改造，减少电路中的冲击电流，改变调速方式，减少操作人员劳动强度，提高系统效率。 图2.1桥式起重机示意图.1.桥架由主梁、端梁、走台等几部分组成。 2.大车移行机构3.小车4.提升机构5 .操纵室2.2 题目分析 题目中原有的交流桥式起重机系统采用接触器控制电源电路的启动、停止、限位；使用凸轮控制器控制大车、小车、副钩电动机的前进、后退、零位、加速、减速；而主钩的前进、后退、零位、加速、减速等动作使用主令控制器完成，并且各电机均设电磁抱闸装置刹车。5个电动机都使用转子串电阻调速，其中主钩电动机串有7级电阻，其余电动机串有5级电阻。 经分析，电路中凸轮控制器的触点上流过的即是电动机的工作电流作开关开合时容易出现冲击电流，减少了接触器触点寿命。为了延长使用寿命，触点往往做得十分笨重，不仅增加了设备体积，也给操作带来了不变；转子串电阻的调速方式使机械特性变软，所串电阻长期发热，极大地浪费了电能；每一台电动机配备一台凸轮控制器或主令控制器的方式使得操作面板上的控制开关种类繁多，容易出现误操作。 为了克服以上缺点，在改造中采用PLC代替接触器开关，使设备体积小，操作强度也随之下降；使用桥式专用变频器代替转子串电阻调速，增加了机械特性硬度，也不存在发热问题，提高了系统效率；5台电动机共用一台主令控制器控制，减少了按钮数量，从而提高了系统可靠性。原有系统中的电磁抱闸装置，过电流保护装置，动作限位开关，横梁栏杆安全开关，舱门安全开关等安保装置均予以保留，以提高整个系统的可靠性。2.3 系统方案选择 从以上的题目分析来看，改造后的交流桥式起重机控制系统包含如下几个部分：主令控制器、限位器、保护输入、PLC、4台变频器、5台电动机（大车电动机两台），其控制框图如下图图2.2 交流桥式起重机控制系统框图 本设计使用PLC实现主令控制器的开合表的逻辑功能，以代替原有系中为每台电动机设置一台主令控制器或凸轮控制器的设计。限位器与保护输入均保留传统的开关器件，并将其输入到PLC中以便处理。 桥式起重机的运行机构多为恒转矩负载，可以使用专用的变频调速起重电机，也可以使用起重机原有的线绕转子电动机，将转子绕组短接就可以了。 从技术改造出发，首先要考虑最大限度地利用原有设备和器件，用最小的投入产生最大的经济效益。故改造后的系统仍采用桥式起重机原有的线绕转子电动机。其型号见表2-1。 表2-1 电动机的型号名 称型 号功率（W）电流（A）转速（r/min）重量（kg）定子转子主钩电动机YZR-315M-1075 kW160149.35791180副钩电动机YZR-200L-815kw33.553.5712129小车电动机YZR-132MB-63.7 kW9.214.5908108大车电动机YZR-160MB-67.5 kW1826.5940160 桥式起重机的电气传动系统有大车电动机两台、小车电动机一台、15吨主钩、3吨副钩提升电动机各一台，这次设计总的思路是用4台变频器来控制5台电机。起重机提升和运行机构的调速比一般不大于1:20，且为断续工作制，通常接电持续在60%以上，负载多为大惯量系统。因此起重机的运行机构选用普通电机，提升机构的电机选用适合频繁起动、转动惯量小、起动转矩大的变频用电机。电动机功率的选择，必须根据生产的需求来决定。一般来说，起重机用电动机比一般工业生产机械所用的功率大10%左右。3系统主要硬件介绍由于本设计采用一台PLC控制四台变频器操作5台电动机的运行，因此，四台变频器所需的输入口线均接在这台PLC上，再由四台变频器分别控制相应的电动机。下图（图2.1）画出了桥式起重机的PLC控制原理图。为简便起见，图中并未画出全部的I/O口线。图3.1 桥式起重机的PLC控制原理图3.1 可编程控制器PLC是本系统的控制核心，负责接收主令控制器、限位器、开关等输入器件和变频器等输出器件的开通与关断。3.1.1 PLC概述可编程程序控制器(programmable controller)【3】，其早期主要应用于开关量的控制，现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。可编程序控制器是-种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联成-个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC自问世以来，经过多年的发展，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、性能价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗、体积减少，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程FO和通信网络、数据处理以及图像显示也有了长足的发展，所有这些已经使PLC应用于连续生产的过程控制系统，使之成为最受欢迎的工业控制类产品。3.1.2 PLC的系统组成与各部分的作用PLC是-种通用的工业控制装置，其组成与-般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式。整体式PLC是将中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相连。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离-般不超过10m。无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配合与组合。它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。1.中央处理单元(CPU)中央处理单元-般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在-个芯片内，CPU即通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接口它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。2.存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:(1)系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能有用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。(2)用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中，由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的ARM。由于RAM掉电会失去数据，因此使用RAM作用户存储器的PLC，都用后备电池保护ARM，以免电源掉电时，失去用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写于EPROM。(3)工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的-些数据。这部分数据存储在ARM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区中，开辟有元件映像寄存器和数据表。3.1/O单元I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他-些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件。4.电源部分PLC-般使用22Ov的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供V5、+lV2、+2V4的直流电源，使PLC能正常工作。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部:对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到-个模块中。5.扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。6.通信接口为了实现“人-机”或“机-机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印：当与监视器(CTR)相连时，可将过程图像显示出来：当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制：当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。7.编程器编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将体形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它-般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LDC或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在已有些PLC不再提供编程器，而且提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。3.1.3 FX2N系列PLC的特点1). FX2N系列PLC内部资源介绍a 输入继电器X FX2N的基本单元中的输入点按照X000X007，X010X017这样的八进制格式进行编号；扩展单元的输入点则接着基本单元的输入点顺序进行编号。来自现场设备的外部输入信号与硬件上的输入点一一对应，被PLC扫描读入后，存入输入映像寄存器，表现为程序可多次调用的输入继电器状态。输入继电器X的基本功能是可以读取外部输入信号的状态。b 输出继电器Y FX2N的基本单元的输出点按照Y000Y007,Y010Y017这样的八进制格式进行编号；扩展单元的输出点也接着基本单元的输出点顺序进行编号。PLC运行时，要接受各路X的输入状态、运行控制程序，然后将运行结果传送至输出继电器Y进行输出。因此，所有输出继电器都对应一个硬件上的输出信号，用来驱动PLC的各路负载。输出继电器Y的基本功能是可以在用户程序的控制下改变负载的状态。c 辅助继电器M 在可编程控制器内部可多次使用，但不能输出的继电器叫辅助继电器或内部继电器。辅助继电器与输出继电器的不同点是它只在程序中使用，既不能直接读取外部输入状态，也不能直接驱动外部负载。辅助继电器 M在程序中的作用相当与继电器控制系统中的中间继电器，其功能是在程序中用于中间状态暂存、移位、辅助运算或赋予特别用途。PLC的内部继电器分普通型、掉电保持型和赋予特殊用途型三类。d 状态寄存器S 状态寄存器是用于步进顺序控制时表达工序号的继电器。FX2N系列PLC中状态寄存器S按十进制编号，从S0S999共1000点，其中S0S9供初始状态使用；S10S19供返回原点使用；S20S499为普通型；S500S899为断电保持型S900S999供报警使用。状态寄存器不做工序号使用时，可作为内部继电器使用。e 定时器T 定时器是将可编程控制器内的1ms、10ms、100ms等时钟脉冲进行加法计数，当它达到规定的设定值时，其输出点就工作。定时器利用内部时钟脉冲的可测量范围为0.0013276.6s。FX2N系列PLC中的定时器按十进制编号，从T0T255共256个，其中T0T199是100ms普通定时器，当定时线圈的驱动输入变为OFF时，当前值不保持，线圈再得电时计数从零开始，这些定时器中，只有T192T199可以用在子程序和中断子程序中；T200T245为10ms普通定时器；T246T249是10ms累积定时器，其当前值为累积数，所以，当定时线圈的驱动输入为OFF时，当前值被保持，作为累积操作使用；T250T255是100ms累积定时器。f 计数器C 计数器的计数方式分为向上计数向下计数，向上计数是在线圈得电时从零开始对被计脉冲计数，计到预置位置时触头动作；向下计数则是在线圈得电时从预置值开始计数，计到零时触头动作。FX2N系列PLC中的计数器按十进制编号，从C0C255共256个，其中C0C99是16位向上计数的普通计数器，当计数线圈的驱动输入变为OFF时，当前值不保持，线圈再得电时计数从头开始。C100C199是16位向上计数的断电保持型计数器，当计数线圈的驱动输入为OFF时，当前值被保持，线圈再得电时计数从原计数值开始，16位向上计数范围为1。C200C219时32位可逆计数的普通计数器；C220C234是32位可逆计数的断电保持型计数器，32位可逆计数范围为-+。这些计数器是可编程控制器的内部信号用的，其应答速度通常为数10Hz以下。其余的C235C255计数器均为高速计数器，这些计数器直接对来自外部的高速脉冲(例如来自光电编码器、光电编码盘、光栅等)进行32位可逆计数，其输入脉冲可以由输入点X000X007输入，计数值不受可编程控制器的运算控制，最高计数频率为60kHz。j 数据寄存器D、V、Z 数据寄存器是存储数据值数据的元件。FX2N系列PLC中的数据寄存器全是16位的(最高位为正负位)，用两个寄存器组合就可以处理32位(最高位为正负位)数值。D寄存器按十进制编号，从D0D8196个，其中D0D199是通用数据寄存器；D200D511是断电保持的数据寄存器，D512D7999是断电保持的专用数据寄存器；D8000D8195是已被系统程序赋予了特殊用途的数据寄存器。数据寄存器之中还有成为寻址用的V、Z寄存器，范围从V0V7，Z0Z7，共16点。h 常数与指针 PLC程序中使用常数数值时，K表示十进制整数值，H表示十六进制数值。PLC程序中指针有分支用和中断用的两种。分支指针用于指定条件跳转，或子程序调入地址。中断指针I用于指针输入中断、定时中断，计数中断的中断子程序4。2). FX2N系列PLC的工作原理 各种PLC具体工作原理大同小异都采用扫描工作方式，FX2N系列PLC【4】的工作过程:PLC上电后，首先进行初始化，然后进入循环工作过程。一次循环过程一般分为3个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段。完成上述3个阶段称作1个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。 a 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和描出刷新阶段。在这2个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 b 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 c 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进人输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时才是PLC的真正输出。至此，PLC完成了1个工作周期。3.2 变频器变频器为电动机提供频率可调节的交流电源，是实现电动机速度调节的关键设备。3.2.1 变频器的简介1) .变频器的分类 按变频的原理有交交变频器和交直交变频器。前者是将频率固定的交流电源变换成频率连续可调的交流电源，其主要优点是没有中间环节，变换频率高，但其连续可调的频率范围较窄，一般在 ，故主要用于容量较大的低速拖动系统中。后者是将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变电路，把直流电逆变成频率连续可调的三相电流。由于把直流电逆变成交流电较易控制，因此在频率的调节范围、变频后电动机特性的改善等方面都具有明显的优势，目前使用最多的变频器均为交直交变频器【5】。 根据直流环节的储能方式不同，交直交变频器又分为电压型和电流型两种。 电压型变频器是指变频器整流后是由电容来滤波，现在使用的交直交变频器大部分为电压型变频器。 电流型变频器是指变频器整流后是由电感元件来滤波，目前少见。 根据调压方式不同，交直交变频器又分成脉幅调制型和脉宽调制型两种。 脉幅调制是指变频器输出电压大小是通过改变直流电压大小来实现的，常用PAM表示。这种调压方式很少使用。 脉宽调制是指变频器输出电压大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的，常用PWM表示。目前使用最多的占空比按正弦规律变化的正弦脉宽调制，即SPWM方式。2).变频器的组成 （1）变频器的主电路包括整流电路、滤波及限流电路、直流中间电路、逆变电路和能耗制动电路等部分组成，其中整流电路和逆变电路是很重要的两部分，下面简单介绍一下整流电路和逆变电路。 a 整流电路 一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其它辅助电路。 b 逆变电路 逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属感性负载，无论电动机处于拖动状态还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为1。因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠这之间直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。 （2）变频器控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。3.2.2 交直交PWM变压变频器基本结构如图3.2所示 图3.2 交直交PWM变压变频器 PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单；采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高；输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能；逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高；采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。 早期的交直交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形波（对于电流型逆变器），这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为明显。 为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器。由于它的优良技术性能，当今国内外各厂商生产的变压变频器都已采用这种技术，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。 PWM调制原理【5】是以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的-系列等幅不等宽的波，正弦波调制波如图3.3所示。图3.3 正弦波调制波 按照波形面积相等的原则，每-个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。3.2.3 三相异步电动机的变频调速 调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。这是生产机械经常向电动机提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品的质量。1).电动机的调速指标【2】 a 调速范围 电动机在额定负载(电流为额定值)情况下所能得到的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用D表示，即 (3-1)b 调速方向 调速方向指调速后的转速比原来的额定转速(基本转速)高还是低。若比基本转速高，称为往上调，比基本转速低，称为往下调。c 调速的平滑性 调速的平滑性由一定范围内能得到的转速级数来说明。级数越多，相邻两转速的差值越小，平滑性越好。如果转速只能跳跃式的调节，例如只能从3000r/min一下调节到1500r/min，在又调节到1000 r/min等，两者之间的转速无法得到，这种调速称为有级调速。如果在一定的调速范围内的任何转速都可以得到则称为无级调速。无级调速的平滑性当然就比有级调速好。平滑的程度可用相邻两转速之比来衡量，称为平滑系数，即 (3-2）越接近于1，平滑性越好。无级调速时=1，平滑性最好。 d 调速的稳定性 调速的稳定性是用来说明电动机在新的转速下运行时，负载变化而引起转速变化的程度，通常用静差率来表示。其定义为：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降-与理想空载转速之比，即 （3-3）s越小，稳定性越好。静差率与机械特性的硬度有关。机械特性的硬度的定义为 （3-4）越大，转矩变化时，变化的程度就越小，机械特性就越硬，静差率就越小，稳定性就越好。静差率还与理想空载转速的大小有关。例如两条平行的机械特性硬度相同，在静差率公式中的-相同，由于不同，他们的s就不同，大的，s小，小的，s就大。 生产机械在调速时，为保持一定的稳定性会对静差率提出一定的要求。静差率还会对调速范围起到制约的作用，因为如果调速时所得到的最低转速下的s太大，则该转速性太差，便难以满足生产机械的要求。 e 调速时的允许负载 电动机在各种不同转速下满载运行时，如果允许输出的功率相同，则这种调速方法称为恒功率调速；如果允许输出的转矩相同，则这种调速的方法称为恒转矩调速。2).变频调速的基本原理 根据异步电机的知识，异步电机的转速公式为： （3-5） 其中：异步电动机的转速，单位为r/min； 定子的电源频率，单位为Hz； 电机的转速滑差率； 电机的极对数。三相异步电动机的调速方法可分为两大类：一类是通过改变同步转速来改变转速，具体方法有变极调速(改变)和变频调速(改变)；另一类是通过改变转差率来实现调速，这就需要让电动机从固有特性上运行改为人为特性上运行，具体方法有变压调速(改变)，转子电路串电阻调速(改变)，等等由上式可知，如果改变输入电机的电源频率，则可相应改变电机的输出转速。 在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持 不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。 三相异步电动机每相电动势的有效值是： （3-6）式中： 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V； 定子频率，单位为Hz； 定子每相绕组串联匝数； 定子基波绕组系数； 每极气隙磁通量，单位为Wb； 由公式可知，只要控制好和，便可以控制磁通中不变，需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况； a 基频以下调速 当电源频率在基频以下调速时，电动机转速下降，但在调节电源频率的同时，必须同时调节电动机的定子电压，且始终保持常数，否则电动机无法正常工作。这是因为三相异步电动机定子绕组相电压，当下降时，若不变，则必使电动机每极磁通增加，在电动机设计时，处于磁路磁化曲线的膝部，的增加将进入磁化曲线饱和段，使磁路饱和，电动机空载电流剧增，使电动机负载能力变小，而无法正常工作。为此，电动机在基频以下调速时，应使恒定不变。所以，在频率下调的同时应使电动机定子相电压随之下调，并使常数。可见，电动机额基频以下的调速为恒磁通调速，由于不变，调速过程中电磁转矩不变，属于恒转矩调速。 b 基频以上调速 当电源频率在基频以上调节时，电动机的定子相电压是不允许在额定相电压以上调节的，否则会危及电动机的绝缘。所以，电源频率上调时，只能维持电动机定子相电压不变。于是，随着升高将下降，但上升，故属于恒功率调速。 把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特性，如图2-1所示。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”2。图3-1 异步电动机变频调速控制特性Fig. 3-1 Variable frequency speed-governing control characteristics of asynchronous motor3.3 限位器及安保电路桥式起重机作为工矿、机械中重要的起吊设备，对安全性与可靠性的要求较高。起重机设有紧急开关，可以在出现事故时紧急停止，横梁（大车，下同）设有栏杆安全开关，操作舱设有舱口安全开关，横梁、小车、主副钩均设有安全限位开关和电磁抱闸系统，电路设有过电流继电器。这些保护可以保证起重机的安全运行，现分别叙述这些保护模块的功能。另外变频器中包含短路、过压、缺相、失压、过流、超速、接地等各种保护功能和故障自诊断及显示报警功能，可在电动机出现这些故障时起保护作用，在此不再赘述。1) .限位器 桥式起重机限位器包含横梁前后向限位开关、小车左右向限位开关、主钩限位开关及副钩限位开