桥式起重机的变频调速--毕业设计论文.doc

河南工学院毕业设计/论文 毕业设计（论文）论文题目：桥式起重机的变频调速系 部： 电气工程系 专 业： 电机与电器 班 级： 2013级01班 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2016年05月06号摘要桥式起重机作为物料搬运系统中的一种典型设备，在工业生产中应用广泛，作用显著。因此对于提高桥式起重机的运行效率，确保运行的安全可靠性，降低物料搬运成本是十分必要的。本文根据桥式起重机大车运行的特点，采用分散驱动，结合变频调速技术，完成了桥式起重机固定三段频率的调速。将PLC作为逻辑控制器，并且为其设计了梯形图，将凸轮控制器的信号作为PLC的输入信号，PLC的输出接中间继电器线圈，通过继电器的触点控制变频器的数字输入口实现与变频器相连的两台电动机的变频调速。为了方便控制和应急处理，设计了起动、停止、故障复位和急停按钮。同时可以将电动机铭牌相关参数输入到变频器，运用变频器的保护功能保护电路。通过本设计可以控制电动机的起动、停止、运行方向、速度换挡和故障复位。从而减少了传统继电接触式控制系统的中间环节，减少了硬件和控制线，极大提高了系统的稳定性和可靠性。关键词：桥式起重机，凸轮控制器，可编程序控制器，变频调速ABSTRACTBridge crane as a material handling system of a kind of typical equipment, is widely used in industrial production, significant role. Therefore to improve the operating efficiency of the bridge crane to ensure the safety and reliability of operation, reduce material handling costs is very necessary.The according to the characteristics of the crane operation, adopting the driving of disperse, combining with the technology of frequency conversion, completed the bridge crane fixed frequency speed control. The PLC as logic controller, and the design of the ladder diagram, the cam controller signal as the input signal of the PLC, the PLC output connected to an intermediate relay coil, through the contacts of the relay control of the digital converter input port and inverter connected two motor variable frequency speed regulation. In order to facilitate control and emergency treatment, the design of the starting, stop, reset the fault and emergency stop button. At the same time the motor nameplate parameters input to the inverter, Using inverter protection circuit protection. Through this design can control the motor starting, stop, running direction, shift speed and fault reset. Thus reducing the traditional relay - contact type control system of intermediate links, reducing the hardware and control line, greatly improving the stability and reliability of the system.Key words: bridge crane cam controller programmable controller variable frequency speed regulation目录摘要I目录III第一章 绪论11.1 桥式起重机电气传动技术的国内外发展概况11.2 传统桥式起重机控制系统存在的问题21.3 本课题的研究意义及主要内容21.4 本章小结3第二章 变频调速的原理42.1 交流异步电动机变频调速原理42.2 变频调速系统的控制方式42.3 变频器的基本结构52.4 本章小结9第三章 MM440与S7-20093.1 MM440变频器93.2 PLC系统组成与各部分的作用103.3 变频器和PLC的关系133.4 本章小结13第四章 桥式起重机大车变频调速系统设计154.1 桥式起重机大车组成及特点154.2 系统总体设计164.3 变频器参数设计及PLC的I/O分配184.4 变频器实现三段调速原理的解释204.5 PLC程序设计204.6 电器布置图和电气接线图214.7 本章小结24第五章 总结与展望25致谢26参考文献27附录.28-III-第一章 绪论1.1、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，从控制电阻分级控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，到主回路可控硅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，一般依靠能耗制动、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) 、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。法国、英国、德国等大电气公司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。(2)、变频调速:目前，变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用，但其控制性能有一定的差异。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。1.1 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，也是一个很重要的方面。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，所以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。1.2、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，也是一个很重要的方面。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，所以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。1.3、本课题的研究意义及主要内容由上可知，传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕组转子串电阻的方法进行起动和调速，继电接触器控制，这种控制系统的主要缺点有:(1)、桥式起重机工作环境差，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问题，只有彻底改变传统的控制方式。近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自动控制领域的发展。其中，具有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桥式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，可以解决传统桥式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。由于起重机行业的特殊性，变频调速系统的应用相对滞后。采用变频调速取代传统的起重机控制系统是近几年才开始应用的新技术。无论是在起重机老产品还是新产品设计，变频调速都是优选方案。变频调速装置的先进性能特别适用于起重机的恶劣工况，对改善起重机的调速性能，提高工作效率和功率因数，减小起制动冲击以及增加起重机使用的安全可靠性是非常有益的。相比较发达国家而言，我国的相关技术水平差距较大。主要技术难度体现在:起重机对电控系统运行的稳定性和可靠性要求愈来愈高；起重机的起重量及运行速度等技术参数越来越大；起重机的自动化程度越来越高；起重机对管理和通讯的性能要求越来越严格。为此，有必要对桥式起重机电控系统的应用研究。由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果。1.4、本章小结本章阐述了传统桥式起重机存在的问题，介绍了电气传动在国内外发展的状况，说明了本课题的研究意义，为课题的研究做铺垫。第二章 变频调速的原理2.1、交流异步电动机变频调速原理根据三相异步电动机的转速公式： （2-1）式中: n异步电动机的转速，单位为r/min; f定子的电源频率，单位为Hz; s电机的转速滑差率; p电机的极对数。由式（2-1）可知，调节了三相交流的频率，也就调节了同步转速，也就调节了异步电动机转子的转速。只要平滑地调节三相交流电的频率，就能实现异步电动机的无级调速。变频调速的最大特点是：电动机从高速到低速，其转差率始终保持最小的数值，因此变频调速时，异步电动机的功率因数都很高。可见，变频调速是一种理想的调速方式。但它需要由特殊的变频装置供电，以实现电压和频率的协调控制。2.2、变频调速系统的控制方式当三相异步电动机的定子绕组接上三相交流电压时，在定子绕组中就有三相交流电流通过，定子三相电流会产生旋转磁场，其磁感应线通过定子和转子铁芯而闭合，旋转磁场不仅在转子每相绕组中要感应出电动势E2，而且在定子每相绕组中也要感应出电动势E1。设定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2，定子每相绕组感应电动势E1的幅值为： （2-2）式中：电网的频率；定子绕组系数；通过每相绕组的磁通最大值，在数值上等于旋转磁场的每极磁通，=。由式（2-2）可知，只要控制好和，便可以控制磁通中不变，因此需要考虑基频以下和基频以上两种情况。2.2.1、基频以下调速由式（2-2）可知，要保持不变，当频率f，从额定值向下调节时，必须同时降低，然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则得/=常值。低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能再忽略。这时，可以人为的把电压抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性为B线，无补偿的为A线。如图2.1所示：图2.1 恒压频比控制特性2.2.2、基频以上调速由式（2-2）可知，让频率从基频往上调时，不可能继续保持/的值不变，因电压不能超过额定电压。这时，只能保持电压不变，其结果是：使气隙磁通最大值随频率升高而降低，电动机的同步转速升高，最大转矩减少，输出功率基本不变。所以，基频以上调速属于弱磁恒功率调速，其机械特性如图2.2所示：图2.2 基频以上调速的机械特性2.3、变频器的基本结构变频器的基本结构图如图2.3所示：图2.3 变频器的基本结构图2.3.1、变频器的主电路变频器的主电路由整流电路、中间直流电路和逆变电路三部分组成。电压型交直交变频器主电路的基本结构如图2.4所示：图2.4 电压型交直交变频器主电路的基本结构（1）、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。（2）、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，属于感性负载，无论电动机处于电动还是发电制动状态，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。2.3.2、变频器的控制电路构成变频器的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。2.3.3、控制算法随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技术新的突破性发展，70年代后期发展起来的脉宽调制PWM技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。PWM控制利用了采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。根据这个原理，可以用一系列等幅而不等宽的脉冲来近似正弦被，且脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为SPWM。SPWM各脉冲的宽度和间隔可以准确计算出来，按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的SPWM波形。但这种计算很繁琐。较为常用的方法是采用调制的方法，即把正弦波作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制即可得到SPWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度线性关系，且左右对称，当它与正弦波调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于正弦波幅值的脉冲，这正好符合SPWM控制的要求。三角载波的频率,和正弦调制波的频率,之比即，称为载波比。用生成的SPWM波控制逆变器开关器件的通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出电压。正弦调制波的频率即是逆变器的输出频率，改变便可改变。三角载波的幅值为恒定，因而改变正弦调制波的幅值就改变了矩形脉冲的面积，由此实现输出电压幅值的改变。根据以上介绍的SPWM逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波形。但这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。微机控制技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易。变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。电机在带动较大负载在启动时，会有较大的冲击电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。电源功率因素大，所需容量小，完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。2.4、本章小结本章通过对通用型变频器的原理及各部分电路的分析，我们可以利用变频器的优越特性，让其为三相异步电机供电，协调控制电压和频率，满足我们在工作环境条件差，工作任务大，控制精度要求高的变频调速拖动。第三章 MM440与S7-2003.1、MM440变频器MM440是一种集多种功能于一体的变频器，该系列有多个型号，其恒定转矩控制方式的额定功率范围为120W200KW,可变转矩控制方式的额定功率可达250KW，它适用于电动机需要调速的各种场合。可通过数字操作面板或通过远程操作器方式，修改其内置参数，即可满足各种调速场合的要求。MM440的型号有8种：AF、FX和GX。每种变频器的额定功能按字母顺序排列越来越大，另外每种型号都有单相和三相两种输入电压。3.1.1、MM440的主要特点(1)、内置多种运行控制方式；(2)、快速电流限制，实现无跳闸运行；(3)、内置式制动斩波器，实现直流注入制动；(4)、具有PID控制功能的闭环控制，控制器参数可自动整定；(5)、多组参数设定且可相互切换，变频器可用于控制多个交替工作的生产过程；(6)、多功能数字、模拟输入输出口，可任意定义其功能和具有完善的保护功能。3.1.2、MM440的控制方式MM440主要有以下几种控制方式： (1)、线性V/f控制：变频器输出电压与频率为线性关系，用于恒定转矩负载。（2）、带磁通电流控制（FCC）的线性V/f控制：在这种模式下，变频器根据电动机特性实时计算所需要的输出电压，以此来保持电动机的磁通处于最佳状态。此方式可提高电动机效率和改善电动机动态响应特性。（3）、抛物线V/f控制：变频器输出电压平方与频率为线性关系，用于变转矩负载。（4）、特性曲线可编程的V/f控制：变频器输出电压与频率为分段线性关系，此种控制方式可应用与在某一特定频率下为电动机提供特定的转矩。（5）、带“能量优化控制（ECO）”的线性V/f控制：此方法的特点是变频器自动增加或降低电动机电压，搜寻并使电动机运行在损耗最小的工作点。(6)、有无传感器矢量控制：用固有的滑差补偿对电动机的速度进行控制。采用这一控制方式时，可以得到大的转矩，改善瞬态响应特性和具有优良的速度稳定性，而且在低频时可提高电动机的转矩。(7)、有无传感器的矢量转矩控制：变频器可以直接控制电动机的转矩。当负载要求具有恒定的转矩时，变频器通过改变向电动机输出的电流，使转矩维持在设定的数值。3.1.3、MM440保护功能MM440系列变频器所具有的保护功能有：过电压欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护、电动机过热保护和PTCKTY电动机过载保护等。3.2、PLC系统组成与各部分的作用可编程序控制器PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一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/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O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/O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，距离一般不超过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。中央处理单元(CPU)：中央处理单元一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内，CPU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。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:（1）、接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；（2）、诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；（3）、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；（4）、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；（5）、用户程序的执行结果送至输出端。 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） 、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。系统程序是不能由用户更改的，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RAM。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RAM，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。目前较先进的PLC采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会失去，不需要后备电池保护。（3）、工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM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。元件映像寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器。计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/D转换得到的数字和数字运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。I/O单元：I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O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、行程开关以及其他一些传感器的信号。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。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，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一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LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。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，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。3.2.1、西门子S7-200系列PLC特性(1)、S7-200系列PLC介绍S7-200系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，具有模块化、紧凑的结构。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括电力设施、民用设施、机械、机床等领域。S7-200系列具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作便捷、内置丰富的集成功能、实时特性，良好的通信能力，丰富的扩展模块。S7-200系列的强大功能使其无论是在独立运行中，还是相连成网络都能实现复杂控制功能。所以它具有极高的性价比。S7-200系列可以根据对象的不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。(2)、西门子S7-200主要功能模块介绍CPU模块:S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字IO点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。从CPU模块的功能来看，CPU模块为CPU22*，它具有五种不同的结构配置的CPU单元。该系统采用CPU226,CPU226它有24输入16输出，IO共计40点，和CPU224相比，增加了通信口的数量，通信能力大大增强。它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。IO扩展模块:当CPU的IO点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行IO扩展，IO扩展包括IO点数的扩展和功能模块的扩展。典型的数字量IO扩展模块有:输入扩展模块EM221有两种:8种DC,8点AC输入;输出扩展模块EM222有三种:8点DC晶体管输出，8点AC输出、8点继电器输出。输入/输出混合扩展模块EM2323有六种:分别为4点(8点、16点)DC输入、4点(8点、16点)DC输出、4点(8点、16点)DC输入、4点(8点、16点)继电器输出。功能扩展模块:当需要完成某些特殊功能的控制任务时，CPU主机可以扩展特殊功能模块.如要求进行PROFIBUS-DP现场总线连接时，就需要EM277 PROFIBUS-DP模块。3.2.2、西门子S7-200 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，西门子 S7-200 PLC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。一次循环过程可归纳为公共处理、程序执行、扫描周期计算处理、IO刷新和外设端口服务五个工作阶段，一次循环所用的时间称为一个工作周期(或扫描周期)，其长短与用户程序的长短以及PLC机本身性能有关，其数据级ms级，典型值为几十ms。各阶段完成的任务如下:（1）、公共处理:复位监视定时器，进行硬件检查、用户内存检查等。检查正常后，方可进行下面的操作。如果有异常情况，则根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行。（2）、程序执行:在程序执行阶段，CPU按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行解释、执行，CPU从输入映像寄存器(每个输入继电器对应一个输入映像寄存器，其通/断状态)和元件映像寄存器(即与各种内部继电器、输出继电器对应的寄存器读出各继电器的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入元件映像寄存器中。（3）、扫描周期计算处理:若设定扫描周期为固定值，则进入等待循环，直到该固定值到达时，再往下进行。若设定扫描周期为不定的(即决定于用户程序的长短等，为不定值)，则进行扫描周期的计算。（4）、IO刷新:在此阶段，进行IO刷新。输入刷新时，CPU从输人电路中读出各输入点状态，并将此状态写入输入映像此存器中；输出刷新时，将输出继电器的元件影响寄存器的状态传送到输出锁存电路，再经输出电路隔离和功率放大，驱动外部负载。（5）、外设端口服务:完成与外设端口连接的外围设备编程器或通信适配器的通信处理。CPU从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像寄存器:在程序执行阶段，CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映像寄存器中;在紧接着的下一个IO刷新阶段，将输出映像寄传奇的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递到输出端子，从而控制外接器件动作。PLC的循环扫描工作方式也为PLC提供了一条死循环自诊断功能。PLC内部设置了一个监视定时器WDT，其定时时间可由用户设置为大于用户程序的扫描周期，PLC在每个扫描周期的公共处理阶段将监视定时器复位。正常情况下，监视定时器不会动作，如果由于CPU内部故障使程序进入死循环，那么，扫描周期将超过监视器的定时时间，这时，监视定时器动作，运行停止，以示用户。3.3、变频器和PLC的关系在工业自动化应用技术领域，速度调节和控制是经常用到的环节。变频器具有高效的驱动性能和良好的控制特性，在提高控制质量、减少维护费用和节能等方面都取得了明显的经济效益。在这些场合，变频器所发挥的作用是其他任何控制设备和装置都不能取代的。虽然变频器可以单独使用，但大多数情况还是作为一个组成部分在工业自动化控制系统中使用。所以，作为主控制器的PLC和作为执行及检测器件的变频器之间就必须相互配合，共同完成控制任务。PLC可以控制变频器的频率给定信号，以使变频器输出相应的速度控制曲线，控制工艺指标；变频器上的检测信号和其他智能控制信号也可以接入PLC，完成系统的报警和速度控制，比如通过变频器控制电机的启动、停止及正、反转，也可以使用一个变频器去控制若干电动机的运行。3.4、本章小结本章对西门子MM440通用变频器的特性和S7-200可编程序控制的的原理及特点进行了阐述。可以运用它们的特点，把S7-200作为主控制器，MM440作为执行及检测器件让它们相互配合，共同完成控制任务。第四章桥式起重机大车变频调速系统设计4.1、桥式起重机大车组成及特点桥式起重机大车主要由电动机、减速器、制动器、传动轴、联轴节、车轮等部件组成。减速器是桥式起重机运行机构的主要部件，它的作用是传递扭矩，减少传动机构的转速。起重机上所使用的减速器是属于闭式齿轮传动。齿轮装在密封的闭式箱内，这种减速器的润滑性好，同时又不容易受灰尘和各种气体侵袭。制动器是桥式起重机上的重要部件之一，习惯上把制动器叫做“抱闸”或“刹车”根据结构以及动力的不同，有电磁制动器和液压制动器之分。在桥式起重机的各机构中，只有具备可靠地制动器后，对运行机构的准确性和安全工作才有保证。联轴器是用来联接运行机构转动轴的，仅起联接作用。不能补偿连接的两根轴之间的径向或轴向位移的联轴器，称为刚性联轴器。允许被联接的两根轴之间有一定径向和轴向位移的联轴器，称为补偿联轴器。补偿联轴器在起重机上具有特殊意义，它可以保证桥架在吊运物件而产生弹性变形状态时，起重机能有较好的运转特性。车轮踏面分为圆柱形和圆锥形。从动轮大多数是圆柱形的。圆锥形车轮能在一定程度上防止桥架扭斜。圆锥车轮必须配用圆弧顶面的轨道，且轮径的大端应放在跨度的内侧。踏面的锥度与轨道头部的弧半径有关，统一采用1:10锥度。大车车轮的踏面两侧都有轮缘(双轮缘)，轮缘的作用是导向以防止脱轨。大车的驱动方式有集中驱动和分散驱动。集中低速驱动形式是由一台电动机通过减速器同时带动两个主动轮使传动轴的转速低于电动机轴的转速，与车轮的转速相同，一般是50100转/分。这种传动方式的优点是，传动轴转速低，因而安全。缺点是，传动扭矩大，因而轴、轴承、联轴节和铀承座尺才较大，使整个机构较重，一般应用在510吨小起重量、小跨度的桥式起重机上。集中高速驱动的大车运行机构，是由电动机通过制动轮直接与联轴节、传动袖联接再通过减速器与车轮联接。运行机构的传动轴的转速与电动机的转速相同一般是7001500转/分。所以传递扭矩小，传动轴和轴系零件尺寸也较小，传动机构的重量也较轻。缺点是加工装配精度要求较高，以减少偏心在高速旋转中所引起的激烈振动，一般要求轴在每米长度上的径向跳动不大于0.5毫米。分别驱动的大车传动机构中，中间设有较长的传动轴，在装有运行机构的走台两瑞各有一套驱动装置。每套驱动装置由电动机通过制动轮、联袖节、减速器与大车车轮联接。分别驱动的运行机构，是用两台同样型号的电动抓用同一控制器控制。分别驱动与集中驱动相比较，具有下列优点由于省去传动轴，自重较轻，安装和维修方便，实践证明使用效果良好。该系统采用分别驱动。4.2、系统