起重机的电气控制系统
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1 引言(或绪论)1.1 课题简介本次毕业设计课题为“20/5t桥式起重机电气控制系统设计”。
其主要任务是将接触—继电器控制的传统桥式起重机利用PLC进行改造.用到的实验台是THJPES-2型机床PLC电气控制实训考核装置,所以本次任务的重点是完成模拟实验.本次设计的控制部分主要是西门子S7—200 PLC系统,并结合STEP7软件进行了简单的控制编程。
1.2桥式起重机在现代工业中的发展情况桥式起重机是现代工业生产和起重运输中实现生产过程机械化、自动化重要的工具和设备.所以桥式起重机在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所均得到广泛的运用。
经过多年的发展,我国桥式起重机的应用不断扩大,随着技术进步,针对实际中桥式起重机的恶劣工作坏境及长时间超负荷作业而导致的事故,为桥式起重机改造提出了新的要求,以便在实际操作更加安全、更加高效。
1.3PLC在工业自动控制中的应用可编程程序控制器简称PLC,是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物,是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器,是一种以微机处理器为核心用作数字控制的专用计算机。
它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求,同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯,摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式,形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构,使用户程序的编制清晰直观、方便易学,调试和查错都很简单。
PLC现已成为现代工业控制三大支柱(PLC、CAD/CAM、ROBOT)之一,以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通讯联网功能等优异性能,日益取代由大量中间继电器组成的传统继电—接触器控制系统在机械、化工、冶金等行业中的重要作用。
PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一.微电子技术与计算机技术的结合,使PLC 的功能变得更加强大,通过可编程控制的实现,为PLC 增添了使用上的灵活性。
探析起重机械电气系统故障的常见原因和检查方法摘要:近年来,中国的机械化生产业已远远走在了全球的前列,在机械化生产方式中,最常见的机器就是起重机器,它可以在大规模的机械化生产方式中,进行人力不能进行的重型货物的吊装,重型货物的提升和运送,因此,它是一种在工业生产过程中非常重要的传送装置。
起重机械的重量比较大,操作起来也有很大的困难,因为设备本身就有很多不稳定的因素,这也就导致了一些事故的发生,这给施工人员的生命财产安全带来了很大的威胁。
因此,有关部门要对起重机械的使用过程中产生的系统故障展开具体的分析,本文将对起重机械电气系统故障的原因及检查方面展开论述。
关键词:起重机械;电气系统;故障原因;措施1起重机械电气控制系统因为起重设备的尺寸和重量都比较大,因此,起重设备的第一电源是使用电力系统,因此,在施工期间,一旦起重设备的电力系统发生故障,将会对整个施工项目产生很大的影响,轻的话,会对项目的进度产生很大的影响,严重的话,还会对施工人员的生命和财产产生危害。
所以,对吊装设备的电气系统进行定期的检查、评估和总结,是整个吊装设备的重要组成部分,从而能够及时的发现吊装设备的电气系统的问题,并加以改善,使吊装设备的使用寿命和使用寿命大大减少,从而保证了吊装设备的使用质量,保证了吊装设备的使用寿命。
文章着重从技术方面进行了分析,并从源头上尽量消除起重机的电气系统,使起重机发生故障的几率降低到最小。
按照起重设备的构造,可分为3类,相应地,对其进行控制的电力系统也不同,有门式、塔式、桥式三类,以桥式起重机为例,其结构包括桥架、大车移动机构、小车、升降机构、司机座等。
其电气牵引系统可分成两部分:一是用于起重机“横向”移动的大车牵引系统;小车牵引系统主要用于牵引吊钩、吊桥作“纵向”移动;吊钩牵引系统是用来提升、放下合适的重块,并使其上下移动的。
提升机负责升降重物,大、小车负责平移重物,就像在图1中看到的那样,这三台电动机为断续周期工作,一般情况下,电机转子都是使用细长型的,这样做的目的是为了减少启动、制动时间及消耗。
起重機的電氣控制起重機是專門用來起吊和短距離搬移重物的一種生產機械,通常也稱為吊車、行車或天車。
按其結構及運動形式的不同,可分為橋式起重機、門式起重機、塔式起重機、旋轉起重機及纜索起重機等。
其中以橋式起重機的應用最為廣泛並具有一定的代表性。
一、橋式起重機的主要結構及運動形式橋式起重機由橋架(雙稱大車),裝有提升機構的小車、大車運行機構及操縱室等幾部分組成。
1- 駕駛室 2-輔助滑線架 3-交流磁力9865 4 3 2 17控制盤 4-電阻箱5-起重小車 6-大車拖動電動機 7-端梁8-主滑線 9-主梁橋架是橋式起重機的基本構件,它由主梁、端梁、走臺等幾部分組成。
主梁跨架在車間上空,其兩端聯有端梁,主梁外側裝有走臺並設有安全欄杆。
橋架的一頭裝有大車移行機構、電氣箱、起吊機構和小車運行軌道以及輔助滑線架。
橋架一頭裝有駕駛室,另一頭裝有引入電源的主滑線。
大車移行機構是由驅動電動機、制動器、傳動軸、減速器和車輪等幾部分組成。
其驅動方式有集中低速驅動、集中高速驅動和分別驅動方式三種:集中低速驅動是由一臺電動機通過減速器同時帶動兩個主動輪,使傳動軸的轉速低於電動機軸的轉速,與車輪的轉速相同,一般是50~100r/min。
集中高速驅動是由電動機通過制動輪直接與聯軸節、傳動軸聯接,再通過減速器與車輪聯接。
這樣,運行機構的傳動軸的轉速與電動機的轉速相同,一般是700~1500r/min。
分別驅動是由兩套獨立的無機械聯繫的運行機構組成。
每套運行機構由電動機通過制動輪、聯軸節、減速器與大車車輪聯接,省去了中間傳動軸。
但分別驅動的運行機構是用兩臺同樣型號的電動機,用同一控制器控制。
分別驅動與集中驅動相比,自重較輕,安裝和維護方便,實踐證明使用效果良好。
目前我國生產的橋式起重機大部分採用分別驅動方式。
小車運行機構由小車架、小車移行機構和提升機構組成。
小車架由鋼板焊成,其上裝有小車移行機構、提升機構、欄杆及提升限位開關。
小車可沿橋架主梁上的軌道左右移行。
门座起重机电气系统门座起重机的动力设备就是电动机。
为了满足生产的需要,进行各种动作,必须通过各种不同的电器组合成各种不同的控制线路,对电动机实施控制,使电动机能自动启动、反转、调速和制动。
另外,还需进行如超重、超程、稳性及各种电气安全保护。
一门座起重机的供电门座起重机的供电由以下几部分构成。
(一)馈电1.电缆馈电电缆馈电是最普通的馈电方法,如图5—8所示。
电缆一端接上电源,另一端固定在起重机支腿电缆卷筒上,电缆卷筒中心装有滑环,电流经电缆滑环(位于电缆卷筒中心)引到起重机上。
电缆随起重机移动而收放,一般用活配重来带动电缆卷筒转动。
在卷筒轴上装有绳轮,钢丝绳卷绕在绳轮上,且钢丝绳的一端固定在绳轮上,而另一端绕过固定在支腿上部的滑轮挂住活配重。
当起重机移动距电箱愈来愈远时,由于电缆拉力使电缆卷筒转动,绳轮跟着转动,将钢丝绳绕在绳轮上使活配重提起。
当起重机移向配电箱时,由于活配重的下降,使电缆卷筒反转,将电缆卷回。
用活配重收放电缆,简单可靠。
2.滑触馈电滑触馈电是沿起重机运行路线上敷设光导线或角钢,在运行机构上装有受电器,用滚动或滑动接触,将电流传递至各驱动机构。
滑触馈电在门座起重机上应用较少。
大连港的半门座起重机上采用此方法供电。
3.地沟馈电地沟馈电与滑触馈电属同一类型,所不同的是滑触设备被安置在地沟中,如图5-9所示。
为了安全生产,不妨碍行人和流动机械的运行,用软钢带或铰链钢板将整个地沟盖上,起重机经过时将板铲起,过后盖好。
图5 8电缆馈电示意图1 导轨;2走轮;3配电箱;4电缆插头5 电缆卷筒;6 电缆;7 门腿;8滑轮;9门机底座;10活配重;ll机房(二)中心受电器门座起重机控制室及臂架随旋转机构转动,电流引入起重机后,必须再用滑环受电器将电流接通。
由于它位于门座起重机的旋转中心,又称中心受电器,如图5一l0所示。
它由一组相互绝缘的滑环固定在起重机的转轴上,电刷安装在机架上,借助弹簧的压力与滑环保持紧密的接触。
桥式抓斗起重机电气控制系统机(简称桥抓)把各种辅材抓到各自的小仓,桥抓中各电动机使用凸轮操作控制接触器及变阻器的方式,问题很多,大大影响了正常生产。
笔者根据变频器、PLC广泛使用所表现出的优良性能,并考察某厂小型桥式起重机改造的方法,对我公司5000t/d生产线生料调配站的16t大型桥式抓斗起重机电气控制系统进行了改造。
关键词:桥式;抓斗起重机;电气;控制系统1原控制方式存在的问题1.1桥抓的结构组成桥抓结构主要由4部分组成:大车及行走机构(15kW2)、小车及行走机构(7.5kW)、抓斗起升机构(90kW)及抓斗开合机构(90kW)。
其中,大车及小车机构属于平移机构,主要带动起升机构及物料进行平移行走,抓斗起升机构主要是拖动物料上下运动,而抓斗开合机构主要作用是抓取及释放物料。
1.2传统电力拖动系统的缺点该桥抓电气拖动系统采用绕线式异步电动机转子回路串接电阻调速方式,是起重机械中最常见的调速方法。
该方法在使用中存在以下问题:1)设备故障率高:因工作环境差,粉尘、腐蚀性气体极易对电动机滑环、碳刷及接触器等造成不良影响,加之电动机启动频繁,电流及机械冲击大,因此日平均故障率可高达数次。
2)控制线路复杂:电动机调速级数越多,需要接入的接触器与变阻器就越多,这使得控制线路十分庞大复杂,故障点多。
3)功率损耗大:转子回路串入电阻后,电动机转差变大,机械特性变软,以热能形式释放的电动机损耗功率增多。
4)机械方面:由于电动机启动频繁,电流及机械冲击大,造成桥抓钢丝绳经常断裂。
主梁及导轨振幅增大,设备人员极其不安全。
5)调速范围窄:由于调速范围小,从而造成速度稳定性差,无法长时间低速下放重物。
1.3实际生产中存在的问题生料调配站中的桥抓在运行过程中负载的变化十分复杂,在拖动过程中对转矩要求高,特别要求调速系统在低速包括零速时应能输出较大转矩(150%额定力矩),动态响应快,能承受四象限力矩的变化。
尤其是抓斗的卷扬和开闭电动机在使用过程中反复承受无数次的倒顺转操作,经常受强电流、大力矩冲击,对电动机和机械部件损伤较为严重,故障率高,严重影响生产。
起重机的电气控制系统起重机钢结构负责载荷支承;起重机机构负责动作运转;起重机机构动作的起动、运转、换向和停止等均由电气或液压控制系统来完成,为了起重机运转动作能平稳、准确、安全可靠是离不开电气有效的传动、控制与保护。
1.起重机电气传动起重机对电气传动的要求有:调速、平稳或快速起制动、纠偏、保持同步、机构间的动作协调、吊重止摆等。
其中调速常作为重要要求。
一般起重机的调速性能是较差的,当需要准确停车时,司机只能采取“点车”的操纵方法,如果“点车”次数很多,不但增加了司机的劳动强度,而且由于电器接电次数和电动机起动次数增加,而使电器、电动机工作年限大为缩短,事故增多,维修量增大。
有的起重机对准确停车要求较高,必须实行调速才能满足停准要求。
有的起重机要采用程序控制、数控、遥控等,这些技术的应用,往往必须在实现了调速要求后,才有可能。
由于起重机调速绝大多数需在运行过程中进行,而且变化次数较多,故机械变速一般不太合适,大多数需采用电气调速。
电气调速分为二大类:直流调速和交流调速。
直流调速有以下三种方案:固定电压供电的直流串激电动机,改变外串电阻和接法的直流调速;可控电压供电的直流发电机———电动机的直流调速;可控电压供电的晶闸管供电———直流电动机系统的直流调速。
直流调速具有过载能力大、调速比大、起制动性能好、适合频繁的起制动、事故率低等优点。
缺点是系统结构复杂、价格昂贵、需要直流电源等。
交流调速分为三大类:变频、变极、变转差率。
调频调速技术目前已大量地应用到起重机的无级调速作业当中,电子变压变频调速系统的主体———变频器已有系列产品供货。
变极调速目前主要应用在葫芦式起重机的鼠笼型双绕组变极电动机上,采用改变电机极对数来实现调速。
变转差率调速方式较多,如改变绕线异步电动机外串电阻法、转子晶闸管脉冲调速法等。
除了上述调速以外还有双电机调速、液力推动器调速、动力制动调速、转子脉冲调速、蜗流制动器调速、定子调压调速等等。
2.起重机的自动控制可编程序控制器———程序控制装置一般由电子数字控制系统组成,其程序自动控制功能主要由可编程序控制器来实现。
自动定位装置———起重机的自动定位一般是根据被控对象的使用环境、精度要求来确定装置的结构形式。
自动定位装置通常使用各种检测元件与继电接触器或可编程序控制器,相互配合达到自动定位的目的。
大车运行机构的纠偏和电气同步———纠偏分为人为纠偏和自动纠偏。
人为纠偏是当偏斜超过一定值后,偏斜信号发生器发出信号,司机断开超前支腿侧的电机,接通滞后支腿侧的电机进行调整。
自动纠偏是当偏斜超过一定值时,纠偏指令发生器发出指令,系统进行自动纠偏。
电气同步是在交流传动中,常采用带有均衡电机的电轴系统,实现电气同步。
地面操纵、有线与无线遥控———地面操纵多为葫芦式起重机采用,其关键部件是手动按钮开关,即通常所称的手电门。
有线遥控是通过专用的电缆或动力线作为载波体,对信号用调制解调传输方式,达到只用少通道即可实现控制的方法。
无线遥控是利用当代电子技术,将信息以电波或光波为通道形式传输达到控制的目的。
起重电磁铁及其控制———起重电磁铁的电路,主要是提供电磁铁的直流电源及完成控制(吸料、放料)要求。
其工作方式分为:定电压控制方式和可调电压控制方式。
3.起重机的电源引入装置起重机的电源引入装置分为三类:硬滑线供电、软电缆供电和滑环集电器。
硬滑线电源引入装置有裸角钢平面集电器、圆钢(或铜)滑轮集电器和内藏式滑触线集电器进行电源引入。
软电缆供电的电源引入装置是采用带有绝缘护套的多芯软电线制成的,软电缆有圆电缆和扁电缆二种形式,它们通过吊挂的供电跑车进行引入电源。
4.起重机的电气设备与电气回路不同类型的起重机的电气设备是多种多样的,其电气回也不一样,但电气回路基本上还是由主回路、控制回路、保护回路等组成。
在这里不必一一介绍,只简要地介绍一下电动起重机的典型产品通用桥式起重机的主要电气设备和基本电气回路。
1).通用桥式起重机的电气设备通用桥式起重机的电气设备主要有各机构用的电动机、制动电磁铁、控制电器和保护电器。
电动机桥式起重机各机构应采用起重专用电动机,它要求具有较高的机械强度和较大的过载能力。
应用最广泛的是绕线式异步电动机,这种电动机采用转子外接电阻逐级起动运转,既能限制起动电流确保起动平稳,又可提供足够的起动力矩,并能适应频繁起动、反转、制动、停止等工作的需要。
要求较高容量大的场合可采用直流电动机,小起重量起重机,运行机构中有时采用鼠笼式电动机。
绕线式电动机型号为JZR;JZR2和JZRH和YZR系列电动机。
鼠笼式电动机型号为JZ;JZ2和YZ系列电动机。
制动电磁铁制动电磁铁是各机构常闭式制动器的打开装置。
起重机常用的打开装置有如下四种:单相电磁铁(MZD1系列)、三相电磁铁(MZS1系列)、液压推动器(TY1系列)和液压电磁铁(MY1系列)。
操作电器又称为控制电器,它包括控制器、接触器、控制屏和电阻器等。
主令控制器主要用于大容量电动机或工作繁重、频繁起动的场合(如抓斗操作)。
它通常与控制屏中相应的接触器动作,实现主电动机的正、反转、制动停止与调速工作。
其常用型号为LK4系列和LKI4系列。
凸轮控制器主要用于小起重量起重机的各机构的控制中,直接控制电动机的正、反转和停止。
要求控制器具有足够的容量和开闭能力、熄弧性能好、触头接触良好、操作应灵活、轻便、档位清楚、零位手感明确、工作可靠、便于安装、检修和维护。
常用型号为KT10和KT12系列。
电阻器在起重机各机构中用于限制起动电流,实现平稳和调速之用。
要求应有足够的导电能力,各部分连接必须可靠。
保护电器桥式起重机的保护电器有保护柜、控制屏、过电流继电器、各机构的行程限位、紧急开关、各种安全联锁开关及熔断器等。
对于保护电器要求保证动作灵敏、工作安全可靠、确保起重机安全运转。
2).电气回路桥式起重机电气回路主要有主回路、控制回路及照明信号回路等。
(1)主回路直接驱使各机构电动机运转的那部分回路称为主回路,如图2-18所示。
它是由起重机主滑触线开始,经保护柜刀开关1QS保护柜接触器主触头,再经过各机构控制器定子触头至各相应电动机,即由电动机外接定子回路和外接转子回路组成。
(2)控制回路桥式起重机的控制回路又称为联锁保护回路,它控制起重机总电源的接通与分断,从而实现对起重机的各种安全保护。
由控制回路控制起重机总电源的通断,原理如图2-19所示。
左边部分为起重机的主回路,即直接为各机构电动机供电并使其运转的那部分电路。
右边部分则为起重机的控制回路。
从图2-19中可知,在主回路刀开关1DK推合后,控制回路于A;B处获得接电,而主回路因接触器KM主触头分断未能接电,故整个起重机各机构电动机均未接通电源而无法工作。
因此,起重机总电源的接通与分断,就取决于主接触器主触头KM的接通与否,而控制回路就是控制主接触器KM主触头的接通与分断,也就是控制起重机总电源的接通与分断,故把这部分控制主回路通断的电路称之为控制回路。
控制回路的组成如图2-19所示,控制回路由三部分组成:①号电路零位起动部分电路、②号电路限位保护部分电路和③号电路联锁保护部分电路。
在①号电路内包括起升、小车、大车控制器的零位触头(它们分别用SCH O、SCSO、SCLO表示)和起动按钮SB;在②号电路内包括起升、小车和大车限位器的常闭触头(它们分别用SQ H、SQS1、SQS2、SQL1、SQL2表示);在③电路中包括主接触器KM的线圈、紧急开关SE、端梁门开关SQ1、SQ2及各过电流继电器FA0、FA1、FA2、FA3、FA4的常闭触头。
①号电路与②号电路通过主接触器KM之常开联锁触头KM1、KM2并接后与③号电路中串联接入电源而组成一个完整的控制回路。
控制回路的工作原理a.起重机零位起动由图2-19所示,当保护柜刀开关1DK推合后,在控制回路中,由于KM1和KM2未闭合而只有①号电路和③号电路串联并通过熔电器FU1和FU2接于电源之A、B 两点。
只要各机构控制器手柄置于零位,即非工作位置,此时SCH O、SCSO、和SCLO各控制器零位触头闭合,各安全开关S E、CQ1、CQ2和FA1—FA4之触头都处于正常闭合状态,此时按下起动按钮SB,则主接触器KM之线圈构成闭合回路接电而将其主触头吸合,遂将起重机总电源接通。
b.起重机电源接通的自锁原理在按下起动按钮SB接触器吸合接通总电源同时,接触器KM的常开联锁触头KM1和KM2将随之闭合,遂将包括各机构限位器常闭触头在内的②号电路与①号电路并接于控制回路中,故当起动按钮SB脱开使①号电路分断后,因有②号电路取代①号电路并与③号电路串联而使接触器KM线圈持续通电吸合,故其主、副触头保持闭合状态,使起重机总电源保持接通状态,从而实现起重机供电联锁作用。
这时,扳动起重机各机构控制器手柄置于工作位置,则起重机即可产生相应动作。
由于各机构限位触头接在②号电路中,故可起到相应的限位保护作用。
c.零压保护起重机总电源为保护柜中主接触器的通断所控制,当电源供电电压较低时(低于额定电压的85%),因电磁拉力小,主接触器KM的静铁芯不能吸合动铁芯,其主、副触头就不能闭合,即不能合闸(或工作时掉闸),从而可实现欠电压保护。
d.零位保护从图2-19所示,①号电路中各控制器零位触头SCH O、SCSO、SCLO任一个不闭合(即其控制器手柄置于工作位置时),按下起动按钮SB,控制回路因此在此处分断而不能形成闭合回路,无法使接触器通电吸合,故起重机不能起动。
这就避免了在控制器手柄置于工作位置时接通电源而发生危险动作所造成的危害。
故对起重机起到零位保护作用。
e.各电动机的过载和短路保护在控制回路的③号电路中,串有总过电流继电器和保护各电动机的过电流继电器常闭触头,当起重机因过载、某电动机过载、发生相间或对地短路时,强大的电流将使其相应的过电流继电器动作而顶开它的常闭触头,使接触器KM的线圈失电,导致起重机掉闸(接触器释放),从而实现起重机的过载和短路保护作用。
f.各机构的限位保护起重机起动且按钮SB脱开后的控制回路原理图如图2-20所示。
此时②号电路取代①号电路而接入控制回路中,保护主接触器持续通电吸合。
当某机构控制器手柄置于工作位置时,如起升机构吊钩上升,此时之控制回路原理图如2-21所示。
这时起升控制器上升方向联锁触头SCH1闭合(下降方向联锁触头SCH2断开),只串有上升限位器SQH常闭触头的这一分支电路与L2(V2)相接而使主接触器通电闭合,当吊钩升至上极限位置而将上升限位器SQH常闭触头撞开时,则控制回路断开而使主接触器KM线圈失电释放,导致主回路断电,电动机停止运转,吊钩停止上升,起到上升方向的限位保护作用。
如欲使吊钩下降,重新工作,则必须将各机构控制器手柄复位回零,重新起动。