機電一體化電子信息畢業(yè)論文變頻器PLC在新型動臂吊車控制中的應用

1、編 號： 山西綜合職業(yè)技術學院 畢 業(yè) 論 文題目：變頻器、PLC在新型動臂吊車控制中的應用教 學 系 機電信息系 專業(yè)班級 學生姓名 指導教師姓名 山西綜合職業(yè)技術學院二九年五月十五日山西綜合職業(yè)技術學院畢業(yè)論文（設計）任務書教學系機電系專業(yè)機電一體化班級畢業(yè)論文（設計）目的畢業(yè)論文是一種總結(jié)性的實踐教學形式。通過畢業(yè)論文的完成與答辯，按照各專業(yè)培養(yǎng)目標規(guī)定的業(yè)務要求，對學生的基本能力進行較系統(tǒng)、嚴格的訓練，全面提高學生的素質(zhì)。畢業(yè)論文（設計）的內(nèi)容與要求畢業(yè)論文應結(jié)合生產(chǎn)實際、專業(yè)技術的發(fā)展或?qū)W生的就業(yè)崗位來完成。要選擇適宜的論文題目，通過查閱有關資料和到廠家現(xiàn)場收集資料，任職地進行調(diào)查、

2、分析研究，醞釀并制定試驗（設計）方案。實驗要嚴謹，設計要精心。在論文（設計）完成過程中不盲目照搬、互相抄襲。完成全部或部分實驗內(nèi)容（或社會調(diào)查），并能達到預期的目標，獨立完成畢業(yè)論文課題（論文實驗、社會調(diào)查、論文寫作等）。畢業(yè)生自主選題，既要結(jié)合本單位或本人從事的工作，又要有明確的實際背景和應用。畢業(yè)（設計）論文的內(nèi)容可以是自己的工作項目，可以是某個科研項目，也可以是自選的設計內(nèi)容，還可以使某個研究領域方向或研究成果的總結(jié)。畢業(yè)（設計）論文的選題應選擇有價值的課題并注意是否有利于展開。自主選題時，畢業(yè)學生要注意如下幾個問題：1 選題方向與專業(yè)對口。 選題要考慮主客觀條件，對自己有正確的客觀估計

3、，選出最適合自己的課題來。 選題時間宜適中，以便有充分的時間積累材料。 課題難易要適度。 課題大小要得當。論文內(nèi)容一般包括：封面，摘要，關鍵詞，目錄，符號說明，論文正文，參考文獻，附錄，致謝，畢業(yè)論文獨創(chuàng)性說明等。畢業(yè)論文（設計）具體安排 格式要求，文字格式一律參照畢業(yè)論文（設計）的撰寫規(guī)范的要求。 畢業(yè)論文（設計）篇幅的要求；不少于5000字。開始日期 年 月 日 完成日期 年 月 日指導老師 （簽名）系主任 （簽名） 年 月 日摘    要 本文介紹應用歐姆龍PLC、變頻器、觸摸屏對新型動臂吊車控制系統(tǒng)進行設計，以及配件的組成、控制方式、參數(shù)設置。并對調(diào)試運行

4、過程中出現(xiàn)的問題進行總結(jié)、分析、解決。分析了橋式吊車的控制要求，針對傳統(tǒng)橋式吊車故障的原因，介紹了利用變頻器結(jié)合PLC對其進行改造的可行性及實現(xiàn)方法。 實踐證明應用歐姆龍PLC、變頻器、觸摸屏很好的解決了新型動臂吊車的矢量控制，運行效果良好，取得了一定的社會效應和經(jīng)濟效益。關鍵詞：歐姆龍  變頻器  PLC  觸摸屏  控制     動臂吊車引 言    吊車廣泛應用于國民生產(chǎn)的各個行業(yè)，對于新型吊車的研發(fā)、制造、控制理論研究也進入了一個新的高度、階段。此新型吊車從設計原理上進行觀念性

5、地改進.由原先建筑設備靜臂吊車的絞纜提升改為動臂的俯仰、提升同時動作，完成重載提升的功能,這項改進將明顯降低設備的制造和運行成本，與傳統(tǒng)吊車設備相比預計將達到近50%的節(jié)能效果。    新型吊車的特點是節(jié)能、控制簡便、靈活調(diào)速、精準定位、安全可靠性高等。為了實現(xiàn)上訴功能，尤其適應國家提出的可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能降耗。而且新型吊車采用了觸摸屏協(xié)助操作并顯示、PLC控制、變頻器執(zhí)行的控制方法。筆者有幸參與大連佳云高層建筑機械有限公司研制國內(nèi)首創(chuàng)的動臂吊車的開發(fā)過程，并負責電氣設計、安裝及調(diào)試工作。在這個項目中采用歐姆龍觸摸屏、PLC、變頻器。現(xiàn)將控制方式、過程介紹一下，力求

6、能夠拋磚引玉。1動臂吊車調(diào)速基本原理根據(jù)電機學理論，交流電動機的轉(zhuǎn)速公式為：n=60f (1-s)/p 上式中： f為定子的電源頻率，p為極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，n為轉(zhuǎn)速。因此，交流電機可有以下幾種調(diào)速方法：(1)改變電機極對數(shù)p，可以改變電機轉(zhuǎn)速。這是交流雙速梯采用的調(diào)速方法。(2)通過調(diào)整定子繞組電壓大小來改變轉(zhuǎn)差率s, 以達到調(diào)速目的。這是交流調(diào)速梯采用的   調(diào)速方法。(3)改變定子電源頻率f也可達到調(diào)速目的，但f最大不能超過電機額定頻率。(4)吊車作為恒轉(zhuǎn)矩負載調(diào)速時為保持最大轉(zhuǎn)矩不變，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式M=CmIcos式中Cm為電機常數(shù)，I為轉(zhuǎn)子電流，為電機氣隙磁通，co

7、s為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。必須保持恒定，又根據(jù)電壓公式U=4.44fWk，式中U為定子電壓，f為定子電壓頻率，W為定子繞組匝數(shù)，k為電機常數(shù)，必須保持U/f為常數(shù)，即變頻器必須兼?zhèn)渥儔鹤冾l兩種功能簡稱為VVVF(Vary Voltage Vary Frequency)型變頻器, 這就是動臂吊車的基本控制原理。2系統(tǒng)組成2.1 PLC   可編程控制器PLC完成系統(tǒng)邏輯控制部分，負責處理各種信號的邏輯關系，從變頻器及其它被控設備接收開關及模擬量信號，通過運算控制信號送給變頻器及其它被控設備，形成雙向聯(lián)絡關系，它是系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用歐姆龍CJ系列PLC進行控制。2.2&#

8、160;觸摸屏    本案中觸摸屏是作為顯示和控制的終端設備，顯示各被控設備的工作狀態(tài)。選用歐姆龍的NS系列觸摸屏。2.3  變頻器    變頻器實現(xiàn)電動機調(diào)速。歐姆龍3G3RV-B4450-ZV1通用變頻器可實現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制，使電動機達到理想輸出。并將無PG的U/f控制、無PG矢量控制、有PG的U/f控制、有PG矢量控制的四種控制方式融為一體，其中有PG矢量控制是最適合吊車控制要求的。容量選擇最好是采用大一數(shù)量級選配，本例中吊車電動機采用37kW的異步電動機，即37kW的電動機選45kW的變頻器, 圖1示出電氣原理圖

9、。      2.4    行運算調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡      旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡，實現(xiàn)閉環(huán)運行。為滿足吊車的要求，變頻器又要通過與電動機同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡，完成速度檢測及反饋，形成閉環(huán)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機同軸連接，對電動機進行測速。旋轉(zhuǎn)編碼器輸出A、B兩相脈沖，旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)AB脈沖的相序，可判斷電動機轉(zhuǎn)動方向，并可根據(jù)A、B脈沖的頻率測得電動機的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)編碼器將此脈沖輸出給PG卡，PG卡再將此 反饋信號送給變頻器內(nèi)部，以便進。

10、60;          3 改造后系統(tǒng)的基本情況3.1系統(tǒng)的組成     在現(xiàn)代工業(yè)控制中，PLC由于具有可靠性高，抗干擾能力強，適應性強，應用靈活，編程方便，易于使用，控制系統(tǒng)設計、安裝、調(diào)試、維修方便，維修工作量少等一系列的優(yōu)點而得到了廣泛的應用，由于本系統(tǒng)主要是一些邏輯控制，所以以PLC作為控制核心，整個系統(tǒng)的輸入26點，輸出點27點，可選用三菱FX2N-64MR，該型號是PX系列中功能最強速度最快的PLC，它有32個輸入點，32個輸出點，內(nèi)置用戶存儲器為8

11、K步。    對于橋式吊車抓斗的開合、提升、大車、小車電機分別用四臺FRNIC5000G7型變頻器拖動；對抓斗的開合電機、提升電機由原來45KW的繞線式電機改為30KW鼠籠型電機，大車小車的配用電機不變，但將轉(zhuǎn)達子繞組引出線短路，去掉碳刷和滑環(huán)；為使工作安全和可靠，防止因停電、變頻器跳閘或制動單元失靈而導致起吊物下砸出現(xiàn)危險，原有機械抱閘制動裝置仍保留。 3.2調(diào)速系統(tǒng)的工作情況      橋吊中電機所帶負載都為恒轉(zhuǎn)矩負載，抓斗開合、大車、小車電機都運行在1、3象限，均為電動狀態(tài)，抓斗提升電機可運行在1、3、4象限

12、，采用變頻調(diào)速，機械特變硬，當負載轉(zhuǎn)矩變化時，電機轉(zhuǎn)速基本不變。     橋式吊車的速度調(diào)節(jié)可利用變頻器的多級頻率選擇功能，將FWD、CM接通則正轉(zhuǎn)，REV、CM接通則反轉(zhuǎn)，將X1、CM，X2、CM，X3、CM三對端子分別接通，或其中兩對或三對同時接通，可得7種頻率，從而可方便地得到橋吊所要求的正反兩個方向各6種速度。     應現(xiàn)場工作人員的要求，為照顧操作習慣，橋吊的轉(zhuǎn)速控制仍采用原來的主令控制器和凸輪控制器。利用主令控制器的五對觸頭，來得到變頻器輸出的6種轉(zhuǎn)速。電機加減速的時間可以通過變頻器的設定來進行改3.

13、3PLC控制接線及程序設計     整個系統(tǒng)有五臺電動機、四臺變頻器，PLC的輸入輸出點數(shù)較多，各變頻器與PLC的連接情況類似，為說明問題，在此僅以抓斗提升變頻器與PLC的連接為例，說明其工作情況。系統(tǒng)中PLC的部分I/O分配。     由于系統(tǒng)中五臺電機（其中M3、M4是并聯(lián)運行，兩者控制情況完全一樣）的運行情況主要由輸入直接控制，所以系統(tǒng)的梯形圖程序的設計可以根據(jù)各輸入和電機的運行關系采用經(jīng)驗法設計，利用起保停電路直接由輸入信號得到各電機和制動電磁鐵的得電和失電情況，4 系統(tǒng)設計4.1 PLC繞線電機改造方案

14、此 種方案只需對原交流控制器進行編程即可，為了節(jié)省I/O點，改為有主令控制器控制電機的正反轉(zhuǎn)、前后行走和鉤子的升降。電機的提速與減速有兩個按鈕開關進 行控制。本系統(tǒng)有20路輸入、30點輸出共50點，采用西門子S7-200(CPU為224)PLC，其擴展2塊數(shù)字量模塊EM222、1個EM223模 塊。 (2) 公用程序 設置公用程序可以充分利用PLC的I/O點，減少外部接線，其程序主要是實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)、與提減速，其間用輔助繼電器輸出為后面的程序調(diào)用作準備。 該程序主要用比較的指令來實現(xiàn)電機的提減速，在按I0.1或I0.2時，使存儲器VB100中存儲的數(shù)字在15間順序變化，控制串入轉(zhuǎn)子電阻的數(shù)量

15、來實現(xiàn)調(diào)速，其部分程序如下。 LD I0.4 EU LD M11.0 ED OLD LD M11.1 ED OLD LD Q0.0 ED LDB= VB100, 0 = M10.0 LDB>= VB100, 5 = M10.2 LDN M10.2 A I0.5 EU LD M11.0 O M11.1 LDN M10.0 A I0.6 EU LD M11.0 O M11.1 LDB= VB100, 1 = M10.3 LDB= VB100, 2 = M10.4 LDB= VB100, 3 = M10.5 LDB= VB100, 4 = M10.6 LDB= VB100, 5 = M10.7

16、 LDB= VB100, 0 = Q0.1 (3) 電機控制程序 電機控制程序只需將公用程序中的輔助繼電器與電機相應的輸出對應起來即可。由于程序比較簡單，這里不再詳述。 4.2 PLC變頻器改造方案 橋式起重機有大車2臺、小車電機1臺、主鉤電機1臺、副鉤電機1臺，共五臺電機，由于大車2臺電機是同步，因此在改造過程中共用一對號變頻器進行控制，這樣共需要4臺變頻器。結(jié)構(gòu)圖2所示。 圖2 方案結(jié)構(gòu)圖 (1) 輸入、輸出點的確定及設備選型 本系統(tǒng)共有輸入點:14點，輸出點:24點，共38點。 (2) 控制程序設計 在 設計程序時，可以繼續(xù)采用方案一中的設計方法，將主令控制器的程序作為公用程序，節(jié)省部分

17、輸入點。在設計公用程序時根據(jù)不同型號的變頻器速度輸入的編號對 進行編程。PLC輸出除電源外，其它均采用小型繼電器，程序通過控制小型繼電器動作來實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)、升降、前后行走及速度調(diào)節(jié)。由于程序設計與方案 一大致相同，其速度輸出程序如下。 LDN I0.1 /停止按鈕 A Q0.0 /電源啟動 LPS LDB= VB100, 1 /一檔 OB= VB100, 2 /2檔 OB= VB100, 3 /3檔 OB= VB100, 4 /4檔 OB= VB100, 5 /5檔 ALD LPS A I0.3 = Q0.1 /正轉(zhuǎn) LPP A I0.4 = Q0.2 /反轉(zhuǎn) LRD LDB= VB10

18、0, 1 O M10.0 O M10.1 ALD = Q0.3 /變頻速度輸出選擇1 LRD LDB= VB100, 2 O M10.0 ALD= Q0.4 /變頻速度輸出選擇2 LRD LDB= VB100, 4 O M10.1 OB= VB100, 3 ALD = Q0.5 /變頻速度輸出選擇3 = M10.0 LPP AB= VB100, 5 = M10.15原系統(tǒng)分析： 橋式起重機(天車)是一種用來起吊、放下和搬運重物、并使重物在一定距離內(nèi)水平移動的起重、搬運設備，在生產(chǎn)過程中有著重要應用。5噸橋式起重機，原設備電氣驅(qū)動系統(tǒng)分為起重機升降、小車、大車三部份。其中起重機升降由一臺13kW

19、的繞線式異步電動機驅(qū)動，大車由兩臺4kW繞線式異步電動機、小車由一臺2.5kW繞線式異步電動機驅(qū)動。在原傳動控制中，采用轉(zhuǎn)子串接電阻的調(diào)速方式.由于工作環(huán)境差,粉塵和有害氣體對電機的集電環(huán)、電刷和接觸器腐蝕性大，加上工作任務重,實際過載率高,由于沖擊電流偏大,容易造成電動機觸頭燒損、電刷冒火、電動機及轉(zhuǎn)子所串電阻燒損和斷裂等故障,影響現(xiàn)場生產(chǎn)和安全,工人維修量和產(chǎn)生的維修費用也很高.并且原調(diào)速方式機械特性較差,調(diào)速不夠平滑，所串電阻長期發(fā)熱浪費能量。綜上所述原設備存在的主要缺點如下： （1）拖動電動機容量大，起動時電流對電網(wǎng)沖擊大，電能浪費嚴重。 （2）起重機升降、小車、大車起動、停止速度過快

20、，而且都是慣性負載，機械沖擊也較大，機械設備使用壽命縮短，操作人員的安全系數(shù)較差，設備運行可靠性較低。 （3）由于電動機一直在額定轉(zhuǎn)矩下工作，而每次升降的負載是變化的，因此容易造成比較大的電能浪費。 （4）起重機每天需進行大量的裝卸操作，由于繞線式電機調(diào)速是通過電氣驅(qū)動系統(tǒng)中的主要控制元件-交流接觸器來接入和斷開電動機轉(zhuǎn)子上串接的電阻，切換十分頻繁，在電流比較大的狀態(tài)下，容易燒壞觸頭。同時因工作環(huán)境惡劣，轉(zhuǎn)子回路串接的銅電阻因灰塵、設備振動等原因經(jīng)常燒壞、斷裂。因而設備故障率比較高，維修工作量比較大。同樣小車、大車的運轉(zhuǎn)也存在上述問題。 （5）在起重機起升的瞬間，升降電動機有時會受力不均勻，易

21、過載，直接造成電機損壞或者鋼絲繩斷裂。 （6）為適應起重機的工況，起重機的操作人員經(jīng)常性的反復操作，起重機的電器元件和電動機始終處于大電流工作狀態(tài)，降低了電器元件和電動機的使用壽命。 （7）起重機工作的協(xié)調(diào)性主要靠操作人員的熟練程度。由于升降、大車、小車三個凸輪控制器之間沒有固定的聯(lián)系，在起重機工作時操作人員勞動強度比較大，容易疲勞，易產(chǎn)生誤操作。 針對上述現(xiàn)有技術存在的不足，本次改造的起重機采用先進的可編程控制技術（PLC）和變頻器技術，以程序控制取代繼電器-接觸器控制，交流電動機調(diào)速方式采用變頻調(diào)速，進而實現(xiàn)了起重機的半自動化控制。 6改造方案： 6.1電動機選型 A.大車與小車用電動機可

22、選用普通的籠型轉(zhuǎn)子異步電 動機； B.升降用電動機由于要求比較高，應選用變頻專用的籠 型轉(zhuǎn)子異步電動機。 原設備系統(tǒng)采用的是繞線式異步電動機，出于經(jīng)濟方面的考慮，通過短接轉(zhuǎn)子回路也能進行使用。 6.2調(diào)速方法 采用目前國際先進技術具有矢量控制功能的變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻后轉(zhuǎn)速可以分檔控制，一般采用6段速度運行，從低到高自由切換。 6.3制動方式 采用再生制動、直流制動和電磁機械制動相結(jié)合的方法。 A.首先，通過變頻器調(diào)速系統(tǒng)的再生制動和直流制動把運動中的大車、小車和起重機的速度迅速而準確地降到0(使它們停止)； B.對于起重機，常常會有重物在半空中停留一段時間（如重物在半空中平移），而變頻調(diào)速系統(tǒng)

23、雖然能使重物靜止，但因設備容易受到外界因素的干擾，（如在平移過程中常易出現(xiàn)的瞬間斷電）因此，利用電磁制動器進行機械制動仍然是必須的。 6.4變頻器的零速全轉(zhuǎn)矩功能和直流制動勵磁功能 艾默生高性能矢量TD3000系列變頻器，具備了有效的防止溜鉤的一些獨特的制動功能，如： A.零速全轉(zhuǎn)矩功能變頻器可以在速度為0的狀態(tài)下，保持電動 機有足夠大的轉(zhuǎn)矩。這一功能保證了起重機有升降狀態(tài)降為0時，電動機能夠使重物在空中停止，直到電磁制動器將軸抱住為止，從而防止了溜鉤的放生。 B.起動前的直流強勵磁功能變頻器可以在起動之前自動進行直流強勵磁。使電動機有足夠大的轉(zhuǎn)矩（有速度傳感器的矢量控制：200%rpm；無速

24、度傳感器的矢量控制：150%/0.5Hz）,維持重物在空中的停住狀態(tài)，以保證電磁制動器在釋放過程中不會溜鉤。 7橋式起重機采用變頻調(diào)速的優(yōu)點和系統(tǒng)介紹 7.1變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)點 1.變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的保護功能強 A.變頻調(diào)速以其體積小、通用性強、動態(tài)響應快、工作頻率高、保護性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式； B.使用變頻器控制電機的運行控制，可以進行電機的軟啟動，而讓電機具有很快的動態(tài)響應并且實現(xiàn)無級調(diào)速；另外對電機的一些參數(shù)做到補償；對電源的缺相、欠壓、過壓、過流等都能做到很及時很準確的檢測而自動采取應變措施保護電機； 7.2.工作可靠性顯著提高，主要有

25、以下幾個方面： A.電磁鐵的壽命可大大延長原拖動系統(tǒng)是在運動的狀態(tài)下進行抱閘的，采用變頻調(diào)速后，可以在基本停住的狀態(tài)下進行抱閘，閘皮的磨損情況大為改善； B.操作手柄不易損壞原系統(tǒng)的操作手柄因常常受力過大，屬于易損件。采用變頻調(diào)速后，操作手柄的受力將大大的減小，不容易損壞； C.控制系統(tǒng)的故障率大為下降原系統(tǒng)是由于十分復雜的接觸器、繼電器系統(tǒng)進行控制的，故障率較高。采用了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)可大大簡化，可靠性大為提高。 3.節(jié)能效果十分可觀繞線轉(zhuǎn)子異步電動機在低速運行時，轉(zhuǎn)子回路的外接電阻內(nèi)消耗大量的電能。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，非但外接電阻內(nèi)消耗的大量電能可以完全節(jié)約，并且在起重機放下重

26、物時，還可將重物釋放的位能反饋給電源。 7.3可編程序控制器（PLC）選擇： 此方案,選用美國緊湊型EC20系列可編程序控制器。EC20系列可編程序控制器是艾默生(EMERSON)公司致力于工業(yè)自動化領域全新推出的新一代可編程序控制器，它代表了工業(yè)自動化控制的最高水平，是最新計算機技術與工業(yè)控制技術的完美結(jié)合。具特點主要如下： ·體積小，結(jié)構(gòu)緊湊； ·采用功能強大的最新MCU和CPLD工業(yè)控制專用芯片； ·豐富的硬件資源，高執(zhí)行速度； ·強大的組網(wǎng)功能：支持MODBUS協(xié)議和自由端口協(xié)議； ·功能強大的用戶指令集，包括PID等復雜指令； ·獨特的抗干擾設計，重要數(shù)據(jù)的掉電保護功能； ·板件嚴格的三防處理，寬電壓設計，適應惡劣現(xiàn)場環(huán)境。 PLC按控制程序、輸入控制信號來完成起重機各種工況的協(xié)調(diào)，并決定起重機的各種工作狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設計采用PLC梯形圖語言來編程完成，用PLC控制工作可靠，掃描速度快，控制非常靈活。 7.4變頻器選擇： 此方案，變頻器選用安川品牌變頻器。 采用變頻器驅(qū)動異步電動機調(diào)速，通常應根據(jù)異步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機實際運行中的電流值（最大值）來選擇變頻器，通常令變頻器的額定電流（1.051.10）電動機的額定電流或電動機實際運