论文总字数：20103字

摘 要

港口起重机作为港口装卸作业的重要生产设备，在港口吞吐量不断增大的背景下，对设备要求更加安全、可靠并且实现自动化、智能化。

论文运用西门子S7-300系列的PLC、普传科技PI500系列起重专用变频器以及YZR系列三相异步电动机等，使得电气控制系统安全智能、维护方便，行走平稳可靠。

本文以港口10吨门座起重机为研究对象，首先简述门座起重机起升机构、变幅机构、旋转机构和行走机构，分析其他机构与行走机构之间运行时的协作及制约关系。其次，根据门座起重机行走机构工作原理对行走机构功能的输入输出点进行归纳。再次，根据输入输出点选用对行走机构电气控制系统设计所需PLC、变频器、驱动电机等其他硬件配置。最后，设计门座起重机行走机构工作流程框图和电气原理图，设计PLC梯形图程序并运用PLCSIM仿真软件进行程序仿真，进行安全性、可靠性分析并得出结论。

本文研究的港口10吨门座起重机行走机构电气控制系统设计具备可靠性、安全性的特点，因项目实施对港口作业影响较大，因此对论文的研究未进行具体实现。

关键词：港口起重机；门座起重机；PLC；变频器

Abstract

As an important production equipment for port loading and unloading operation, port crane is required to be more secure, reliable, automatic and intelligent under the background of increasing port throughput.

In this thesis, Siemens S7-300 series PLC, universal technology PI500 series special frequency converter for lifting and YZR series three-phase asynchronous motor are used to make the electrical control system safe, intelligent, easy to maintain, stable and reliable.

This paper takes the port 10 ton gantry crane as the research object. Firstly, the lifting mechanism, luffing mechanism, rotating mechanism and traveling mechanism of the gantry crane are briefly described, and the cooperation and restriction relationship between other mechanisms and traveling mechanism are analyzed. Secondly, according to the working principle of the gantry crane traveling mechanism, the input and output points of the traveling mechanism function are summarized. Thirdly, according to the input and output points, the PLC, frequency converter, drive motor and other hardware configuration needed in the design of the electrical control system of the traveling mechanism are selected. Finally, the work flow chart and electrical schematic diagram of the gantry crane traveling mechanism are designed, the PLC ladder diagram program is designed and the plcsim simulation software is used to simulate the program, and the safety and reliability analysis is carried out and the conclusion is drawn.

The electrical control system design of the traveling mechanism of the port 10 ton gantry crane studied in this paper has the characteristics of reliability and safety. Because the implementation of the project has a great impact on the port operation, the research of this paper has not been realized.

Key Words: Port Crane; Portal Crane; PLC; frequency converter

目 录

摘要 I

Abstract II

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 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本文主要研究内容和论文章节安排 2

第2章 港口10吨门座起重机 4

2.1 简介 4

2.2 门座起重机四大机构简介 5

2.2.1 起升机构 5

2.2.2 变幅机构 5

2.2.3 旋转机构 5

2.2.4 行走机构 6

2.3 四大机构之间的联系 6

第3章 门座起重机行走机构电气控制系统总体设计 7

3.1 行走机构相关技术参数 7

3.2 行走机构控制要素 7

3.3 行走机构输入、输出点归纳 8

3.4 电气控制系统的总体设计 9

第4章 行走机构电气控制系统硬件配置 10

4.1 可编程序控制器（PLC）简介及选用 10

4.2 驱动电机的选用 10

4.3 变频器简介及选用 11

4.3.1 变频器简介 11

4.3.2 变频器选用 12

第5章 行走机构电气控制系统的软件设计及仿真 14

5.1 行走机构工作流程框图 14

5.2 PLC与变频器连接原理图 16

5.3 行走机构PLC梯形图程序 17

5.4 梯形图程序仿真 20

5.5 可靠性分析 21

第6章 总结与展望 23

参考文献 24

附录A 25

致谢 33

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

2020年德国媒体评价中国为“世界的工作台”，港口货运在中国与世界贸易往来中发挥着重要的作用。2017年世界十大港口集装箱吞吐量排行榜中，我国有7大港口上榜。面对巨大的货物量，需要多台起重机快速高效的完成装卸，提高港口起重机装卸货物的效率变得越来越重要。由于港口建设时的规划问题以及土地资源的珍贵，使得港口扩建、增加起重机台数来适应巨大吞吐量变得艰难。

港口起重机作为港口散杂货的主要装卸设备，面对与日俱增的港口吞吐量，结构越来越复杂，对作业的安全性、平稳性和可靠性要求越来越高。传统的接触器、继电器控制系统已无法承受当下港口频繁的吊装搬运作业，港口越来越需要高效率、智能化、自动化的现代化起重机。因而，设计一个工作效率高、性能高和控制精确的港口起重机来适应当代的港口作业量和作业环境，成为一个必要的问题。

为解决上述问题，日趋成熟并适用于各种工业生产环境中的可编程控制器（PLC）和变频控制技术可应用于港口起重机的电气控制系统中。本次毕业设计的任务就是基于典型的PLC和变频器完成10吨门座起重机行走机构的电气控制系统设计。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

国际上起重机已有几百年的发展历史，技术先进、性能较好、可靠性高且品种齐全，主要生产国有德国、美国、日本、法国等，世界知名公司有利勃海尔、德国格鲁夫、马尼托瓦克、神钢等。

随着欧美起重机技术逐渐成熟，市场逐渐饱和，研究趋向于效率、质量、节能等方向。例如，为了实现绿色港口的概念，越来越多的专家学者致力于港口起重机节能降耗^[3]。以某门式起重机为研究对象，利用仿真软件建立了该起重机的机械模型、电机模型和控制模型。将这三种模型集成到整个仿真平台中，通过对港口起重机起吊、变幅运行的仿真，分析起吊、变幅过程中的功率和能耗^[16]。典型的港口起重机在作业过程中会频繁的搬运重物、高空、起吊、放下和变幅^[5]。因此，重物下降过程中产生的势能一般没有加以再利用而是消耗了。一般情况下，动力制动消耗能量，导致能量消耗高，效率低。为提高能源利用率，越来越多的学者和专家研究将门机作业过程中产生的大量势能转化为可用的电能，对减少能源浪费，实现资源的合理利用具有重要意义^[4]。

1.2.2 国内研究现状

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