基于PLC控制的橋式起重機的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文

PAGE14基于PLC控制的橋式起重機的設(shè)計內(nèi)容摘要：本文研討基于可編程序控制器（PLC）和變頻器的橋式起重機控制系統(tǒng)的改進。闡述了交流橋式起重機在實際中的應(yīng)用以及PLC在改造方案中的確定，亦涉及在改造過程中設(shè)備的選型。本文以西門子S7-200系列PLC為例，講述了PLC在交流橋式起重機改造中的的控制方案。與傳統(tǒng)控制方案相比，采用PLC控制的橋式起重機可以簡化繁重的設(shè)備，使控制更加安全可靠。從經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的角度分析，本設(shè)計雖然前期投入一部分資金用于購買PLC及變頻器等設(shè)備，但是長期運行后的維修成本遠低于原系統(tǒng)，并且節(jié)能可達30%左右。設(shè)計中變頻器通過PLC進行無觸點控制，使設(shè)備運行更加準確，并且減輕了人員的勞動強度，提高了工作效率。關(guān)鍵詞：橋式起重機PLC控制系統(tǒng)目錄摘要 I前言 1本課題設(shè)計的意義、主要內(nèi)容及基本參數(shù) 1第一章變頻調(diào)速的基本原理 41.1變頻調(diào)速的基本原理 41.2變頻器的基本結(jié)構(gòu)和功能 61.2.1變頻器的主電路 61.2.2變頻器的控制電路構(gòu)成 7第二章橋式起重機變頻控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 152.1總體設(shè)計方法 152.2PLC技術(shù)簡介 162.2.1PLC概述 162.2.2SiemensS7-200結(jié)構(gòu)及工作原理 172.3部件的選擇 182.3.1電機的選用 182.3.2變頻器的選用 202.3.3PLC的選用 232.3.4常用輔件的選擇 242.4起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 262.4.1系統(tǒng)控制的要求 262.4.2控制系統(tǒng)的1/O點及地址分配 26第三章橋式起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計 303.2PLC程序設(shè)計 323.2.1PLC編程軟件概述 323.2.2程序設(shè)計 33第四章結(jié)束語 41致謝 42參考文獻 43前言橋式起重機是橋架在高架軌道上運行的一種橋架型起重機，又稱天車。橋式起重機的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運行，構(gòu)成一矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設(shè)備的阻礙。傳統(tǒng)橋式起重機采用繼電器控制與串電阻調(diào)速，使用凸輪控制器控制各臺電動機。而橋式起重器一般在碼頭、廠房內(nèi)，工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，并且重載下頻繁起動、制動、反轉(zhuǎn)、變速等，要求有一定的調(diào)速范圍。所以傳統(tǒng)的繼電器控制與串電阻調(diào)速已呈現(xiàn)諸多弊端，有必要采用新的控制方法對其進行改造。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，PLC、變頻器在工廠設(shè)備改造中得到了廣泛應(yīng)用。PLC具有可靠性高，抗干擾能力強，適應(yīng)性強，應(yīng)用靈活，編程方便，易于使用，控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試、維修方便，維修工作量少等一系列的優(yōu)點。而變頻器可以提供頻率可調(diào)的交流電源，并且可以實現(xiàn)多段速度控制。因此，PLC的控制方式在橋式起重機的改造中十分流行。本文著重論述如何采用PLC作為控制核心，采用變頻器拖動電動機，實現(xiàn)傳統(tǒng)的繼電器控制橋式起重機的改造。為降低工作人員勞動強度，采用三檔位的主令控制器作為操作面板。PLC作為整個控制系統(tǒng)的核心，它接受主令控制器發(fā)出的向前、向后、零位、調(diào)速等控制信號，限位器輸入的限位信號，以及安保電路輸入的保護信號，經(jīng)PLC內(nèi)部運算后分別發(fā)送給四臺變頻器。變頻器接受來自PLC的控制信號，控制電動機按照操作人員的操作運行。主令控制器的開關(guān)與常用的啟動、停止等按鈕集中于控制艙內(nèi)的操作面板上，供操作人員操作使用。經(jīng)改造的橋式起重機有以下優(yōu)點：⑴橋式起重機的啟動、制動、加速、減速等過程更加平穩(wěn)快速，定位更加準確，減少了負載波動，安全性大幅提高。⑵系統(tǒng)運行的開關(guān)器件實現(xiàn)了無觸點化，具有半永久性的壽命。⑶由于電動機啟動電流限制得較小，頻繁啟動和停止時電動機熱耗減少，壽命延長。⑷電磁制動器在低速時動作,其閘皮的磨損很小，使用壽命延長。⑸降低了對電網(wǎng)的沖擊。⑹節(jié)約能源，變頻調(diào)速的啟動、制動、加速、減速等過程中，電機運行電流小。以本案來講，節(jié)能可達30%左右。系統(tǒng)設(shè)計要求有1臺交流橋式起重機系統(tǒng)采用接觸器控制電源電路的啟動、停止、限位；使用凸輪控制器控制大車、小車、副鉤電動機的前進、后退、零位、加速、減速而主鉤的前進、后退、零位、加速、減速等動作使用主令控制器完成改造一臺交流橋式起重機，采用起重用繞線式交流異步電動機拖動，其中橫梁的移動使用2臺相同的電動機，小車的移動使用1臺電動機，主鉤和副鉤各使用1臺電動機。用PLC作為控制核心，采用變頻器拖動電動機，實現(xiàn)傳統(tǒng)的繼電器控制橋式起重機的改造。為降低工作人員勞動強度，采用三檔位的主令控制器作為操作面板。題目分析題目中原有的交流橋式起重機系統(tǒng)采用接觸器控制電源電路的啟動、停止、限位；使用凸輪控制器控制大車、小車、副鉤電動機的前進、后退、零位、加速、減速；經(jīng)分析，電路中凸輪控制器的觸點上流過的即是電動機的工作電流，操作開關(guān)開合時容易出現(xiàn)沖擊電流，減少了接觸器觸點壽命。為了延長使用壽命，觸點往往做得十分笨重，不僅增加了設(shè)備體積，也給操作帶來了不變；轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式使機械特性變軟，所串電阻長期發(fā)熱，極大地浪費了電能；每一臺電動機配備一臺凸輪控制器或主令控制器的方式使得操作面板上的控制開關(guān)種類繁多，容易出現(xiàn)誤操作。為了克服以上缺點，在改造中采用PLC代替接觸器開關(guān)，使設(shè)備體積減小，操作強度也隨之下降；使用橋式專用變頻器代替轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，增加了機械特性硬度，也不存在發(fā)熱問題，提高了系統(tǒng)效率；5臺電動機共用一臺主令控制器控制，減少了按鈕數(shù)量，從而提高了系統(tǒng)可靠性。原有系統(tǒng)中的電磁抱閘裝置，過電流保護裝置，動作限位開關(guān)，橫梁欄桿安全開關(guān)，艙門安全開關(guān)等安保裝置均予以保留，以提高整個系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)方案選擇從以上的題目分析來看，改造后的交流橋式起重機控制系統(tǒng)包含如下幾個部分：主令控制器、限位器、保護輸入、PLC、4臺變頻器、5臺電動機（大車電動機兩臺），其控制框圖如下圖本設(shè)計使用PLC實現(xiàn)主令控制器的開合表的邏輯功能，以代替原有系統(tǒng)中為每臺電動機設(shè)置一臺主令控制器或凸輪控制器的設(shè)計。采用西門子S7-200型PLC作為控制核心，具有較強的控制功能,壽命長，可適用于頻繁開合的場合。由于起重機機構(gòu)多為恒轉(zhuǎn)矩負載，故選用帶低速轉(zhuǎn)矩提升功能的電壓型變頻器。平移機構(gòu)慣量較大，負載變化相對小，屬于阻力性負載，故大車、小車選用U/f開環(huán)控制方式的安CIMR-F7B4045型變頻器；起升機構(gòu)慣量較小，負載變化大，屬于位能性負載，為獲得快速的動態(tài)響應(yīng)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)，獲得理想的動態(tài)性能，通常采用矢量控制方式，故主副鉤的升降機構(gòu)選用安川CIMR-G7B4055型變頻器，采用閉環(huán)矢量控制方式可獲得穩(wěn)定的工作狀態(tài)和良好的機械特性。橋式起重機的電氣傳動系統(tǒng)有大車電動機兩臺、小車電動機一臺、2系統(tǒng)硬件設(shè)計由于本設(shè)計采用一臺S7-200型PLC控制四臺變頻器操作5臺電動機的運行，因此，四臺變頻器所需的輸入口線均接在這臺PLC上，再由四臺變頻器分別控制相應(yīng)的電動機。下圖（圖2）畫出了橋式起重機的PLC控制原理圖。為簡便起見，圖中并未畫出全部的I/O口線。PLC實現(xiàn)的主令控制器繼電接觸器為基礎(chǔ)的橋式起重機電路，往往以凸輪控制器②實現(xiàn)大車、小車、副鉤的操作，以主令控制器加繼電器屏實現(xiàn)主鉤的操作。但凸輪控制器操作中同時切換的觸點畢竟太多，且切換的又多是電動機主電路的觸點，為了切換大容量電流，觸點都制造得厚重，這就為操作帶來了阻力和很大的勞動強度。另一方面，凸輪控制器中有形的觸點在頻繁的切除中很容易出故障，給維修帶來了不便。本設(shè)計中設(shè)法使用PLC實現(xiàn)起重機中各電動機主輔電路的邏輯連接關(guān)系，將有形的觸點化為PLC內(nèi)部無形的邏輯關(guān)系。表1給出了一個經(jīng)精簡后的主令控制器的開合表，并為各擋位接通的觸點安排了PLC的輸入口。為滿足大電流切換的需要PLC的輸出必須連接接觸器及繼電器可編程控制器特點2.3.1.1高可靠性、抗干擾能力強⑴所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。⑵各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10~20ms.⑶各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。⑷采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。⑸對采用的器件進行嚴格的篩選。⑹良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟、硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。⑺大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高變頻器變頻器為電動機提供頻率可調(diào)節(jié)的交流電源，是實現(xiàn)電動機速度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備。本系統(tǒng)變頻器采用日本安川CIMR-G7B、CIMR-F7B系列起重專用變頻器。變頻器容量的選擇變頻器容量的選擇是以電動機的額定功率為依據(jù)的。由于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機與通用鼠籠異步電動機相比，其繞組的阻抗較小，因此使用變頻器調(diào)速時應(yīng)考慮紋波電流引起的過電流跳閘情況，同樣功率下的電動機，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機額定電流往往較大，所以選擇時應(yīng)考慮一定余量。雖然起重機升降機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量很小，加速時間較短，但考慮到電網(wǎng)電壓波動的因素，以及安全勞動部門對起重機1.25倍額定靜載荷檢測要求等因素來選擇起升機構(gòu)電動機的變頻器容量。大車、小車運行機構(gòu)屬于大慣量負載，其加減時間一般不超過20s，變頻器的短時過載能力為150％，不同的加速時間對變頻器容量的計算不同，當(dāng)加速時間>2min時，變頻器功率選擇應(yīng)放大些，以此來選擇大車、小車運行機構(gòu)電動機的變頻器容量。變頻器制動電阻起重機變頻器，特別是主鉤及副鉤變頻器，需配用制動電阻。起重機放下重物時，由于重力作用電動機將處于再生制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要反饋到變頻器直流電路中去，使直流電壓不斷上升，甚至達到危險的地步。因此，必須將再生到直流電路里的能量消耗掉，使直流電壓保持在允許的范圍內(nèi)。制動電阻就是用于消耗這部分能量的5.變頻器參數(shù)設(shè)定：主鉤變頻器多段速度設(shè)定：將Pr4設(shè)定為50Hz，Pr5設(shè)定為20Hz，Pr6設(shè)定為5Hz（Pr4.Pr5.Pr6為變頻器高.中.低速設(shè)定），Pr79設(shè)定為3（外部控制模式）電機的選擇起重機提升和運行機構(gòu)的調(diào)速比一般不大于1:20，且為斷續(xù)工作制，通常接電持續(xù)在60%以上，負載多為大慣量系統(tǒng)。嚴格意義上的變頻電機，轉(zhuǎn)動慣量較小，回應(yīng)速度較快，可工作在比額定轉(zhuǎn)速高出很多的工況條件下，這些特性均非起重機的特定要求。普通電機與變頻電機在不連續(xù)工作狀態(tài)下特性基本一致；在連續(xù)工作時考慮到冷卻效果限制了普通電機轉(zhuǎn)矩應(yīng)用值，普通電機僅在連續(xù)工作時的變頻驅(qū)動特性比變頻電機稍差。

普通變頻器在調(diào)度比為1:20的范圍內(nèi)確保起重機上普通電機有150％的超載力矩值。此外起重機電機多用于大慣量短時工作制，通常不工作時間大于或略小于工作時間。電機在起動過程中可承受2.5倍額定電流值，因此高頻引起的1.1倍電流值可不予考慮。但若電機要求在整個工作周期內(nèi)在大于1:4的速比下持續(xù)運行則必須采用風(fēng)冷式電機。作為提升機構(gòu)的電機選用適合頻繁起動、轉(zhuǎn)動慣量小、起動轉(zhuǎn)矩大的變頻用電機。目前，國外以四極電機作變頻電機首選極數(shù)。電機功率為：

P=(WV/η)*10-3

式中

P—功率，kw；

W—額定起重量(最小幅度時)＋吊釣重量＋鋼絲繩重量n；

V—提升速度，m/s；

η—機械效率?？刂剖直cPLC接線圖PLC與變頻器接線圖服限位器及安保電路橋式起重機作為工礦、機械中重要的起吊設(shè)備，對安全性與可靠性的要求較高。起重機設(shè)有緊急開關(guān)，可以在出現(xiàn)事故時緊急停止，橫梁（大車，下同）設(shè)有欄桿安全開關(guān)，操作艙設(shè)有艙口安全開關(guān)，橫梁、小車、主副鉤均設(shè)有安全限位開關(guān)和電磁抱閘系統(tǒng)，電路設(shè)有過電流繼電器。這些保護可以保證起重機的安全運行，現(xiàn)分別敘述這些保護模塊的功能。另外變頻器中包含短路、過壓、缺相、失壓、過流、超速、接地等各種保護功能和故障自診斷及顯示報警功能，可在電動機出現(xiàn)這些故障時起保護作用，在此不再贅述。2.2.1限位器橋式起重機限位器包含橫梁前后向限位開關(guān)、小車左右向限位開關(guān)、主鉤限位開關(guān)及副鉤限位開關(guān)。本系統(tǒng)的限位開關(guān)使用直動式行程開關(guān)，它的動作原理是靠移動物體碰撞其可動部件使常開觸頭接通、常閉觸頭分斷，實現(xiàn)對電路的控制。移動物體一旦離開，行程開關(guān)復(fù)位，其觸點恢復(fù)為原始狀態(tài)。各開關(guān)按照電動機容量并留有一定余量選定，推薦選用LX31或JLXK1系列開關(guān)。2.2.2安保開關(guān)安保開關(guān)包括橫梁欄桿安全開關(guān)、操作艙安全開關(guān)、緊急開關(guān)、各電動機過電流保護開關(guān)等。將這些開關(guān)接在PLC輸入口上，構(gòu)成起重機的安全保護電路。2.2.3電磁抱閘起重機是一種間歇動作的機械，要經(jīng)常地啟動或制動。為保證起重機安全準確的吊物，無論起升機構(gòu)中或者運行機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中都應(yīng)該設(shè)有制動裝置。本設(shè)計采用機械抱閘裝置YA，將該裝置并聯(lián)在三相交流電源A、C兩相上。當(dāng)按下啟動按鈕后，YA得電打開，按下停止按鈕時，YA抱緊，起制動作用，YA與電動機同步。起重小車的安全裝置主要有欄桿、限位開關(guān)、撞尺緩沖器、排障板等欄桿橋式起重機起重小車運行的軌道中間為鋼絲繩和吊鉤工作的空間，考慮到維修人員在小車上工作的安全，小車架朝著這個空間的兩邊都焊有保護欄，小車架的另兩邊朝著走臺，為方便維修人員的上下小車不設(shè)欄桿。2.6.2限位開關(guān)當(dāng)起升機構(gòu)或運行機構(gòu)運動到極端位置時，用限位開關(guān)來切斷電源開關(guān)，防止因操作失誤發(fā)生事故。2.6.3緩沖器為防止運行機構(gòu)的行程限位開關(guān)失靈，小車架上安裝了彈簧緩沖器。在橋架小車軌道的極端位置處裝上擋鐵，用它來阻擋小車的運動并使緩沖器吸收碰撞時的能量。國家規(guī)定，容許的最大減速度為4m/s。當(dāng)小車速度不高時，也可用橡膠塊和木塊來緩沖。2.6.4排障板焊在小車架上位于車輪外邊的鋼板，它的作用是在運行時排除小車軌道上可能存在的障礙物，如維修時遺忘而擱在軌道上的工具等。2.3可編程控制器PLC是本系統(tǒng)的控制核心，負責(zé)接收主令控制器、限位器、開關(guān)等輸入器件和變頻器等輸出器件的開通與關(guān)斷。起重機操作面板圖副鉤向上低副鉤向上中副鉤向上副鉤向上低副鉤向上中副鉤向上高大車向前高檔小車向前高小車向前中小車向前低啟動按鈕大車向前高檔小車向前高小車向前中小車向前低啟動按鈕急停鈕主鉤向上中檔主鉤向下低主鉤向上高檔大車向前中檔主鉤向上低檔大車向前低檔主鉤向上低檔大車向前低檔停停停停大車向后低檔大車向小高檔副鉤向下高副鉤向下中副鉤向下低小車向后高小大車向后低檔大車向小高檔副鉤向下高副鉤向下中副鉤向下低小車向后高小車向后中小車向后低大車向小中檔主鉤向下高檔主鉤向下中主鉤向下高檔主鉤向下中檔大車工作過程啟動主回路得電大車向前高檔大車向前中檔大車向前中檔大車向前低檔大車向前低檔大車向前高檔檔大車向前高檔大車向前中檔大車向前中檔大車向前低檔大車向前低檔大車向前高檔檔大車電動機反轉(zhuǎn)大車變頻器X3大車電動機反轉(zhuǎn)大車變頻器X2大車電動機反轉(zhuǎn)大車變頻器X1大車電動機正轉(zhuǎn)大車變頻器X1大車電動機正轉(zhuǎn)大車變頻器X2大車電動機正轉(zhuǎn)大車變頻器X3大車電動機反轉(zhuǎn)大車變頻器X3大車電動機反轉(zhuǎn)大車變頻器X2大車電動機反轉(zhuǎn)大車變頻器X1大車電動機正轉(zhuǎn)大車變頻器X1大車電動機正轉(zhuǎn)大車變頻器X2大車電動機正轉(zhuǎn)大車變頻器X3小車工作過程啟動主回路得電小車向前高檔小車向前中檔小車向前中檔小車向前低檔小車向前低檔小車向前高檔檔小車向前高檔小車向前中檔小車向前中檔小車向前低檔小車向前低檔小車向前高檔檔小車電動機反轉(zhuǎn)小車變頻器X3小車電動機反轉(zhuǎn)小車變頻器X2小車電動機反轉(zhuǎn)小車變頻器X1小車電動機正轉(zhuǎn)小車變頻器X1小車電動機正轉(zhuǎn)小車變頻器X2小車電動機正轉(zhuǎn)小車變頻器X3小車電動機反轉(zhuǎn)小車變頻器X3小車電動機反轉(zhuǎn)小車變頻器X2