1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 研究目的及意义

旧门座式起重机电气控制采用传统的接触器、继电器相关联的控制方式，且各机构驱动电机采用转子串联切电阻调速方式，这种残旧的电气控制系统结构复杂，控制精度低，效率低，能耗高，故障率高，稳定性差，同时对起重机机械结构震动损伤大。

针对港口旧门座式起重机电气控制在现代装卸生产存在的诸多问题，同时为简化旧起重机控制系统的硬件电路，提高旧起重机电气控制系统的稳定性、可靠性，利用plc（programmable logic controller）程序控制的优势对某港口的旧门座式起重机进行plc控制技术分析、设计，并经实际改造检验，旧门座式起重机plc控制系统设计合理、可靠，稳定性好，性价比高。

由于plc程序控制具有编程简单、性能稳定，抗干扰能力强，程序可变，方便电气控制系统软硬件设计及现场施工等优势，因此，plc控制技术在港口起重机上广泛应用，同时随着港口物流行业的高速发展，港口起重机逐渐向大型化、专业化、智能化方向发展，这就要求现代港口起重机的装卸效率更高，电气控制性能更加稳定可靠。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。港口起重机电气控制系统通常在起升、变幅、行走和旋转等主要工作机构上采用变频调速控制，起重机整机采用plc程序控制，同时整机plc控制系统具有自诊断功能，逐步实现港口起重机使用简单化、人性化，同时也使港口起重机管理进一步的集中、高效。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 设计的基本内容和目标

我国在港口码头、土木建筑、水利水电等行业的大型起重机设计和制造方面取得了一些成绩，但起重机的技术性能及行业的发展在很大程度上取决于起重机电气与控制系统及整体布局方案设计的创新与提高。采取机械与电子技术相结合，将先进的控制技术、电力电子技术、计算机技术应用到机电产品的智能控制系统和智能优化设计中，实现起重机的自动化和智能化，是起重机行业未来发展的方向之一。

在港口码头背景下，本课题拟设计一个智能化的10吨起重机起升机构的电控系统。具体研究内容包括：

（1）查阅与本课题相关的国内外文献，掌握相关技术的发展动态

（2）掌握起重机电气系统的运行原理；；

（3）能够选择与使用恰当的数字仿真（譬如Matlab仿真软件）；

（4）熟悉起重机基本工作过程及其电气设计要求。

2.2 技术方案及措施

本课题中以门座港口起重机作为研究对象，查阅资料可知，传统门座式起重机的控制系统主要采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电-接触器控制，这种控制系统的主要缺点点有:

（1）门座起重机工作环境差，工作任务重，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。

（2）继电一接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高。

（3）转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。

要从根本上解决这些缺点问题，只有彻底改变传统的控制方式。近年来，随着计算机控制技术和电力电子器件的迅猛发展，电气传动和自动控制领域迎来了新的发展。其中，具有最代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在门座起重机系统提供了有利条件。变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统起重机控制系统存在诸多的问题，变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。

2.2.1 变频调速系统结构

起重机起升机构的变频调速系统主要由起升卷筒、变速箱、变频器、制动器和速度检测装置构成，如图。其中，速度检测装置的作用将起吊物在起吊过程中运行的速度状态反馈给变频器，由变频控制系统对起吊物速度进行分析，判断起吊物的运行状况是否正常，是否进行修正和启动制动装置进行制动。

图1-塔式起重机变频起升机构控制原理图

2.2.2 变频器原理及应用

变频器(Variable-frequency Drive VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。变频器主要由整流器、滤波器、逆变器、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。其中:

（1）整流器:作用是将电网三相交流电(也可以是单相)整流成直流。可以由二极管构成，也可以由晶体管构成。功率方向可逆，能进行再生运转。

（2）滤波器:异步交流电动机属于感性负载，电路中存在无功功率交换，需要具有滤波功能的中间直流环节来缓冲。变频器根据直流环节的可分为电压型变频器和电流型变频器。

（3）逆变器:同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，由六个开关元件组成的，通过控制开关元件的通断，从而获得三相交流输出。

（4）控制器:作用是按设定的程序工作，产生控制信号，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。

中小变频器中应用得最广泛的交一直一交电压型变频器，基本结构如图所示。

图2-变频器的机构图

当变频器采用恒压频比模式时，弱磁或过磁问题比较严重，恒转矩的负载运行频率受到限制，必须对变频器进行电压、转矩、转差等多种方式的补偿，才能有效解决这种问题[[44] [45]。当采用电压补偿和转矩补偿时，能有效降低电网冲击，降低静差率，增大调速范围，尤其对于电动机低速转矩的输出能力有极大提高。但电压补偿受电动机转矩的影响，容易出现过补偿和欠补偿，从而影响低速转矩的输出。采用转矩补偿的系统动态效果差，稳定性差。转差补偿能有效提高系统稳态误差，但其引起的系统电网冲击大，负载启动加速度小。所以采用各种补偿方式恒压频比控制方式，动态性能差。只适合对动态性能要求不高的负载，如变幅机构系统。不适合起升机构这种位能性恒转矩负载。

当变频器采用直接转矩控制模式时，直接转矩控制就是直接在定子坐标系控制电动机的

磁链和转矩来实现调速控制。相比矢量控制，简化系统结构，没有解藕和复杂的坐标变换问题。有很大的应用前景。但与矢量控制相比，调速性能相对较差，调速范围小，应用于起重机起升机构不如矢量控制模式，而且直接转矩控制在实际应用中，还没太多实际的经验。

所以，根据起升机构的负载特点（如图3所示）和机构调速技术要求，在具体实施过程中选择变频器带测速反馈的矢量控制方式。当机构电动机功率选型完成后，根据电气控制系统的设计，再进行变频器的选型。

图3-调速方式对比

2.2.3 PLC控制技术应用

门座式起重机电气控制系统采用PLC程序控制，利用控制程序实现起重机起升、变幅、旋转、行走等机构的正常运行，利用PLC控制变频器的运行，实现电磁制动装置的工作，保护和连锁功能。针对PLC控制器的选择主要考虑PLC的机型、容量、I/0模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求，保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。为提高门座式起重机运行可靠性，简化整机的外部电路，起重机电气控制系统采用PLC程序控制，其主要原因为PLC控制程序有足够多的编程元件和丰富的功能指令，可以在不增加外部硬件成本情况下，通过梯形图的设计实现复杂的控制功能；并且梯形图的设计、调试，可与外围硬件设备安装同时进行，以缩短成套电气系统的安装、调试时间。起重机各机构主令控制器操作信号的输出，变频器信号的输入、输出，限位开关输出，超载报警输出，相序检测器等信号的输出直接输入到PLC控制器。通过PLC控制程序监测起重机的运行，并经PLC程序的内部功能指令实现对整机的故障诊断，起重机一旦出现故障，控制系统立即停止运行，并发出相应的报警信号。

起重机系统除了实现四种工作机构的模块外应包括机构的安全保护控制和运动控制电路。为了实现上述功能，对机构进行了智能电气控制改造处理，即通过PLC的应用对塔机的变幅、提升以及回转动作进行实现，通过传感器信号的应用保护塔机的位置、力矩以及重量等。具体来说，如当起重力矩超过最大允许值时，电控系统“超力矩”报警灯应闪烁，蜂鸣器发出声音，同时起升机构上升运动被禁止，变幅小车向外运动被禁止；当起重量超过最大允许值时，电控系统“超重”报警灯应闪烁，蜂鸣器发出声音，同时起升机构上升运动被禁止等保护功能。根据人机交互的具体需求，在实际设计中对短信通信模块进行引入，且同PLC连接后能够使塔机参与者能够实现部分信息的查询，以此对人机交互需求进行满足。

根据设计要求中系统所具备功能，通常会对整体式进行选择。不仅要考虑PLC的结构、体积，而且要考虑其成本，同时还要具有扩展功能。在PLC端点总数选择时，需要留有10%~20%的余量。具体PLC控制器选型在系统功能确定后确定。

2.2.4 断路器和接触器的选择

根据系统的总体设计方案以及功能需求，该塔式起重机PLC控制系统的具体要求即具有较高的控制灵活性。便于安装拆卸、具有较高的工作可靠性以及便利的接线方式等。在对PLC选择时，需要保证能够满足上述要求。PLC作为塔式起重机电气系统中的重要部分，需要保证在精度、相应速度以及稳定性方面能够满足要求。塔式起重机PLC控制系统，在硬件选型方面也十分关键，需要同电流电压相结合的方式实现目标。同时，在具体硬件选型方面不仅需要考虑硬件性能，还需要做好成本方面的考量，即需要在保证能够对系统需求满足的基础上对具有较高性价比的元件进行选择。

在接触器选择方面，主要考虑电动机最大的额定电流。查阅资料发现，如某起升机构电机最大额定电流57 A，以此即可以选择LCl-D65接触器进行，即单个接触器、交流线圈、最大额定电流65 A的接触器。

在起重机控制系统设计当中，断路器不仅具有对电路的通断作用，同时还具有过流保护功能。在实际选择时，要以电路当中的额定电流为基础。^[17]

3. 研究计划与安排

3 进度安排

第1周~第3周：熟悉10吨起重机的基本机构。。

第4周~第5周：确定设计电气系统的部件参数和整体思路。

第6周~第10周：完成电气系统的设计工作。

4. 参考文献（12篇以上）

4 参考文献

[1] 刘永峰,田洪森.国内外工程起重机发展状况研究.《施工技术》 2008,37(12) 476-477

[2] 苏晴，张氢.集装箱起重机防摇及速度控制研究[j]建筑机械(上半月). 2008 (04),25-27

[3] 华惠忠.塔式起重机的变频技术应用探讨. 《建筑机械化》.2005(2)