桥式起重机plc控制改造设计.docx

1、桥式起重机plc控制改造设计毕业设计（论文）毕业设计（论文）成绩评定书毕业设计（论文）课题：桥式起重机PLC控制改造设计经毕业设计（论文）答辩，评定该同学的毕业设计（论文）成绩为 毕业设计（论文）答辩委员： 2012年 月 日毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意

2、。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 毕业设计（论文）任务如下：1、毕业设计（论文）课题：桥式起重机PLC控制改造设计2、原始资料：桥式起重机电路原理图3张，起重机电气元件表一个，该起重机的主钩采用主令控制器控制，副钩、大车、小车行走机构采用凸轮控

3、制器控制，该起重机过载保护采用过流继电器，各方向均设有行程限位开关。整个起重机控制系统共有5台电动机。3、设计要求：把上述起重机的继电-接触器控制系统改造成PLC控制，完成控制系统图绘制和PLC接线图的设计，主要完成PLC的选型设计和地址分配。4、设计时间：指导教师： 教务处主任： 年 月 日指导人评语：成绩： 指导人： 年 月 日评阅人评语：成绩： 评阅人： 年 月 日第1章 绪 论1.1 过程控制技术的发展概述在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，

4、过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：开始到70 年代为第一阶段，70 年代至90 年代初为第二阶段，90 年代初为第三阶段开始。其中70 年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期，90 年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的初期。第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、PID 策略为主，同时针对不同的对象与要求，创

5、造了一些专门的控制系统，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大滞后的Smith 预估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等等，这阶段的主要任务是稳定系统，实现定值控制。这与当时生产水平是相适应的。第二阶段是发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，满足复杂的工艺要求，提高控制质量。1975 年，世界上第一台分散控制系统

6、在美国Honeywe公司问世，从而揭开了过程控制崭新的一页。分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法(几十至上百种) 、较好的人机界面和故障检测报告功能。经过20多年的发展，它已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。第三阶段是高级阶段，目前正在

7、来到。1.2 对起重机控制电路进行PLC改造的意义目前，在企业中运行着的许多生产设备在控制技术方面都趋于落后和老化，但并未完成设备的设计寿命。特别是设备主体的工作性能还十分稳定和可靠，只是在新技术的应用上跟不上时代的发展，运行中的消耗偏高，效率较低，控制性能不够优越。在这种情况下，若只为追求新技术的应用而提前进行设备的更新换代，将造成极大的浪费，同时增大设备投资的回收难度，提高企业的产品成本。本设计中20/5吨桥式起重机电气驱动系统分为主钩、副钩、小车、大车四部分。在原传动控制中，采用转子串接电阻的调速方式，其设备存在缺点如下：1）起重机每天需进行大量的装卸操作，由于绕线式电机调速是通过电气驱

8、动系统中的主要控制元件交直流接触器和断开电动机上的串接电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的电阻因灰尘、设备震动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。2）拖动电动机容量大，启动时电流对电网冲击大，而且都是惯性负载，机械冲击也较大，机械设备使用寿命短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性低。3）起重机工作的协调性主要靠操作人员的熟练程度。由于由于副钩、大车、小车凸轮控制器之间没有固定的联系，在起重机工作时操作人员劳动强度比较大，容易疲劳，易产生误操作。要解决上述问题，最有前途的作法是对现有设备进行技术改造，提高旧设备的

9、新技术含量。这样既能有效地发挥现有设备主体的工作性能，又能降低成本、提高效率。采用PLC（可编程控制器）来控制桥式起重机的运行，可以充分体现出PLC所具有的功能强，可靠性高、编程简单、使用方便、体积小巧等优点。起重机采用PLC控制，还能解决传统控制方式下在操作方面的许多麻烦，包括开闭电机和起升电机在抓斗刚装料闭合起升时难以同步等问题。同时，通过采用PLC控制可以减轻工人的劳动强度，提高抓斗桥式起重机的工作性能。因此，PLC在该方面的应用具有重要的实用意义和推广价值。1.3 本设计的主要内容1)电气控制系统的设计方法2)继电接触器控制系统设计的一般要求3)桥式起重机电路的设计4)桥式起重机控制电

10、路的工作原理5)桥式起重机电路控制器件的选择6)桥式起重机电路的检修第2章 桥式起重机电气控制2.1 桥式起重机简介2.1.1 桥式起重机的结构与分类起重机是一种用于起吊和放下重物并使重物在短距离内水平移动的起重设备。起重设备有多种形式，有桥式、塔式、门式、旋转式和缆索式等。桥式起重机通常分为单主梁、双梁起重机两大类。按吊具不同又可分为吊钩、抓斗、电磁、两用(吊钩和可换的抓斗)桥式起重机。此外还有防爆、绝缘、双小车、挂梁等桥式起重机 。不形式的起重机分别用在不同的场合。如车站货场使用的门式起重机；建筑工地使用的塔式起重机；生产车间使用桥式起重机。桥式起重机一般通称行车或天车。桥式起重结构示意如

11、图2.1所示，起重机可以在大车能够行走的整个车间范围内进行起重运输。桥式起重机主要由大车和小车组成桥架机构，主钩和副钩组成提升机构。大车的轨道敷设在沿车间两侧的立柱上，大车可在轨道上沿车间纵向移动；大车上有小轨供小车横向移动；主钩和副钩都装在小车上，主钩用来提升重物，副钩除了可提升轻物外，在它额定负载范围内也可协同主钩轻转或翻倒工作用。但不允许两钩同时提升两个物件，两个吊钩再单独工作时均只能起吊重量不超过额定重量的重物，当两个吊钩同时工作时，物件重量不允许超过主钩的起重量。大车运行机构有分别驱动和集中驱动两种，目前我国生产的桥式起重机大都采用分别驱动方式。小车由起升机构和小车运行机构组成，小车

12、运行机构采用集中驱动方式。2.1.2桥式起重机的供电特点起重机的电源为380V，由公共的交流电源供给 。由于起重机在工作时是经常移动的，同时，大车与小车之间、大车与厂房之间都存在相对运动，因此，要采用可移动的电源设备供电。一般采用软电缆供电。软电缆可随大、小车的移动而伸展和叠卷。另一种方法是采用滑触线和集电刷供电。三根交流电源经由三根主滑触线与滑动的集电刷，引进起重机驾驶室内的保护控制柜上再从保护控制柜引出两相电源至凸轮控制器，另一相称为电源的公用相，它直接从保护控制柜接到各电动机的定子接线端。滑触线通常采用角钢、圆钢或工字钢等钢性导体制成。2.1.3 桥式起重机的主要技术参数桥式起重机的主要

13、技术参数有起重量、跨度、起升高度、起升速度、运行速度和工作级别等。1、起重量 系指被起升物的重量，有额定起重量和最大起重量两个参数。额定起重量是指起重机允许吊起的物品连同可分吊具重量的总和。最大起重量是指在正常工作条件下允许吊起的最大额定起重量。起重机械最大起重量在国家标准GB783-87中已有规定。2、跨度 起重机主梁两端车轮中心线间的距离，即大车轨道中心线间的距离称作跨度。3、起升高度 吊具或抓取装置的上极限位置与下极限位置之间的距离，称为起升高度。4、工作速度 桥式起重机的工作速度包括起升速度及大、小车运行速度。起升速度指吊物(或其它取物装置)在稳定运动状态下，额定载荷时的垂直位移速度。

14、中、小起重量的起重机起升速度一般为820m/min。小车运行速度一般为3050mmin。大车运行速度一般为80120m/min。5、工作级别 起重机的工作级别是根据起重机利用等级和载荷状态划分的，它反映了起重机的特性。按工作级别使用起重机，可安全又充分发挥起重机的功能。关于工作级别可参阅GB3811-83起重设计规范中的有关规定。2.2 桥式起重机对电力拖动和电气控制的要求桥式起重机工作环境恶劣，粉尘大，温度高，空气潮湿，其工作性质为重复短时工作制。因此，拖动电动机经常处于起动、制动、调速、反转工作状态；同时，负载很不规律，经常承受大的过载和机械冲击；另外，起重机要求有一定的调速范围。为此，专

15、门设计制造了YZR系列起重及冶金用三相感应电动机。为了更好地起重行业更新桥式起重机配套电机的需要，在YZR系列基础上运用计算机重新设计其电磁方案，研究出了YZR-Z系列起重专用电机。2.2.1 起重用电动机的特点1)电动机按断续周期工作制设计制造，其代号为S3。在断续工作状态下用负载持续率FC%表示。 (2-1)一个周期通常是为10min，标准的负载持续率有15%、25%、40%、60%等几种。2)具有较大的起动转矩和最大转矩，适应重载下的起动、制动和反转。3)电动机转子制成细长形，转动惯量小，减小了起、制动时的能量损耗。4)制成封闭型，具有较强的机械结构，有较大的气隙，以适应多尘土和较大机械

16、冲击的工作环境；具有较高的耐热绝缘等级，允许温升较高。2.2.2 提升机构与移动机构对电力拖动自动控制的要求为了提高起重机的生产率和生产安全，对起重机提升机构电力拖动自动控制提出如下要求：1) 具有合适的升降速度，空钩能快速升降，轻载提升速度应大于额定负载的提升速度。2) 具有一定的调速范围，普通起重机调速范围为3:1，对要求较高的起重机，调速范围可达(510):1。3) 适当的低速区，提升重物开始或下降重物到预定位置附近，都需要低速。为此，在30%额定速度内应分成几档，以便灵活操作。高速向低速过渡应逐级减速，保持稳定运行。4)提升的第一档为预备档，用以消除传动间隙，将钢丝张紧，避免过大的机械

17、冲击。但预备级的起动转矩不能大，一般限制在额定转矩的一半以下。5)负载放下时，依据负载大小，拖动电动机可以是电机状态、倒拉反接制动状态与再生发电制动状态。6)为了安全，有机械抱闸的机械制动，以减轻机械抱闸的负担。不允许只有电气制动而无机械制动，不然发生电源事故停电时，在无制动力矩作用下，重物将自由下落，造成设备或人身事故。大车运行机构与小车运行机构对电力拖动自动控制的要求比较简单，只要有一定的调速范围，分几档进行控制即可。为实现准确停车，应采取制动停车。2.3 起重机电动机的工作状态分析2.3.1 大车、小车行走机构电动机的正、反向电动状态运行起重机大车和小车运行机构电动机的负载转矩为运行传动

18、机构和车轮滚动时的摩擦阻力矩，其值为一常数，方向始终与运动方向相反。因此，大车与小车来回移动时，拖动电动机处于正向与反向电动状态运行。2.3.2 提升重物时的正向电动工作状态提升物品时，电动机负载转矩TL由重力转矩TW及提升机构摩擦阻转矩Tf两部分组成，当电动机电磁转矩T克服负载转矩TL时，重物将被提升；当二者相等时，重物以恒定速度提升。特性如图2.2所示特性，此时电动机处于正向电动状态。2.3.3 当空钩或轻载下放时的反向电动状态当空钩或轻载下放时，由于负载重力转矩小于提升机构摩擦阻转矩，此时依靠重物自身重量不能下降。为此，电动机必须向着重物下降方向产生电磁转矩，并与重力转矩一起共同克服摩擦

19、阻转矩，强使空钩或轻载下放，这在起重机中常叫做强迫下降。电动机工作在反转电动状态，如图2.3所示。电动机运行在- na下，以na速度下放重物。2.3.4 在中载或重时的再生制动状态在中载或重载长距离下降重物时，可将提升电动机按反转相序接线，产生下降方向的电磁转矩，此时电磁转矩T与重力转矩TW的方向一致，仍如图2.3所示，使电动机很快加速并超过电动机的同步转速。此时，转子绕组内感应电动势和电流均改变方向，产生阻止重物下降的电磁转矩。当电磁转矩=负载转矩时，电动机以高于同步转速的速度稳定运行，所以也可称为超同步制动，如图2.4所示。2.3.5 下放重载时的倒拉反接制动状态在下放重型载荷时，为获得低

20、速下降，确保起重机工作安全平稳，常采用倒拉反接制动。此时，电动机定子仍按正转提升相序接线，但在转子电路中串接较大电阻，这时电动机起动转矩小于负载转矩TL，因此电动机就被载荷拖动，迫使电动机反转反转以后电动机的转差率增大，转子的电动势和电流都加大，转矩也随之加大，直至T=TL，如图2.5所示。2.3.6 低速下放或中载时的单相制动状态单相制动状态是将电动机定子三相绕组中的任意两相并联后与第三相绕组串联接在电源线电压上，使电动机构成单相接电状态。这时，电动机定子产生一个脉动磁场，将这个脉动磁场分解为两个转速相同、转向相反的旋转磁场。这两个旋转磁场都要产生感应电流，产生转矩。所以，电动机的电磁转矩将

21、是这两个旋转磁场产生的转矩之和。图2.6中曲线1、2分别为正向和反向旋转磁场产生的机械特性，曲线3为合成机械特性。由曲线3可知，当n=0时，T=O，故此时电动机通电后不能起动旋转，但若在外力作用下使电动机起动，可使电动机工作。如果加大电动机转子外加电阻，使其正向与反向特性变软，则合成特性为一条通过坐标原点在二、四象限的直线，如图2.7所示，此时电动机处于制动状态。这时，如果电动机在重力负载作用下，电动机将处于第四象限的倒拉制动状态，称为单相倒拉制动，适用于轻载低速下降。与倒拉反接制动下放物件相比，不会出现轻载不但不下降反而上升之弊端。但不适用于重载下放，因此时将发生高速下降的飞车事故。2.4

22、起重机控制原理分析2.4.1 起重机的保护箱起重机电气控制一般具有下列保护与联锁环节：电动机过载保护；短路电流保护；失压保护；控制器的零位保护；行程限位保护；舱盖、栏杆安全开关及紧急断电保护等。另外，起重机有关机构安装各类可靠灵敏的安全装置，常用的有缓冲器、起升高度限位器、负荷限制器及超速开关等。采用凸轮控制器或凸轮、主令两种控制器操作的交流桥式起重机，广泛使用保护箱。保护箱由刀开关、接触器、过电流继电器等组成，用于控制保护起重机，实现电动机过流保护，以及失压、零位、限位等保护。起重机上用的标准保护盘为XQB1系列。图2.8为XQB1-250-4F/口型保护箱的电气原理图。它用来保护5台绕线转

23、子感应电动机，大车为分别驱动。图中Q为三相刀开关，KM为线路接触器，KOC0为总过电流继电器，KOC1KOC5为各机构电动机过电流继电器，SA1、SA2、SA3、SA4分别为小车、主钩、大车、副钩的零位保护触点，SQ1-SQ8分别为大车、小车和提升机构的限位开关，SQ11为紧急事故开关，SQ9、SQ10为舱口门和桥架门安全开关，HL为电源信号灯，AL为电铃，XS1XS3为电源(36V、220V)插座，EL1EL4为照明灯。2.4.2 起升机构控制原理分析（主钩和副钩）桥式起重机的起升机构一般采用凸轮控制器或主令控制器操作，由于主令控制器与磁力控制屏组成的控制电路较复杂，使用元件多，成本高，故一

24、般在以下情况下采用主令控制器控制：1)拖动电动机容量大，凸轮控制器容量不够。2)操作频率高，每小时通断次数接近或超过600次。3)起重机工作繁重，操作频繁，要求减轻司机劳动强度，要求电气设备具有较高寿命。4)起重机要求有较好的调速、点动等运行性能。本设计中，20/5t交流桥式起重机的起升机构主钩采用的是POS1型主令控制电路，如图2.9所示，它是由主令控制器发出动作指令，使磁力控制屏中各相应接触器动作，来换接电路，控制起升机构电动机按与之相应的运行状态来完成各种起重吊运工作。副钩也采用主令控制器来控制其原理与与主钩的控制原理大体相同，副钩中没有点动操作，其制动采用电磁抱闸，如图2.10所示。2

25、.4.2.1 控制电路特点1)可逆不对称电路；2)主令控制器档数为3-0-3，12个回路；3)电动机转子串接电阻级数：当被控制电动机功率为100kW及其以下时为4级可短接电阻，125kW以上时为5级；其中第一、二级电阻系手动控制切除，其余由时间继电器自动控制切除，其延时整定值为0.6s、0.3s、0.15s；4)下降“1”档为倒拉反接制动档，可实现重型负载的低速下降。当主令控制器手柄由：“0”扳到下降“1”档时，电路不动作，只有当控制器手柄由下降“2”或下降“3”档返回下降“1”档时，电路才动作，以避免发生轻载在该档发生不但不下降反而上升的现象；5)下降“2”档为单相制动档，实现轻载时的低速下

26、降；输入点数为56个，输出点数为39个；6)下降“3”档为再生制动档，可获得高于同步转速的高速下降。主令控制器主要用于要求按一定顺序频繁操纵的控制线路中，如绕线电动机按顺序切除转子附加电阻，也可实现与其它控制线路联锁、转换的目的。它的结构与万能转换开关有些类似，也是通过手柄操作凸轮，使触点按规定的接通表也是通过手柄操作凸轮，使触点按规定的接通表闭合或断开电路，但其触点对数较多。主令控制器的触点没有灭弧装置，使触点分断能力只比按钮稍大。在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。设计中应用的i/o端子数分别是：输入点数为56个，输出点数为39个；图2.9 POS1型主令控制电路原理图7)停车时，电路

27、保证制动器驱动元件先于电动机0.6s停电，防止溜钩；8)采用时间继电器KT1延迟电动机可逆运行转换时间，防止接触器KM1-KM3、KM3-KM2可逆转换时可能造成的相间短路。同时，由于KT1的短暂延时，在控制器手柄由“0”扳到下降“3”位时，接触器KM3不动作；9)重型载荷时，在某些场合需经常使用点动操作，为此可对控制器进行在某些场合需经常使用点动操作重型载荷时，在某些场合需经常使用点动操作，为此可对控制器进行在某些场合需经常使用点动操作，为此可对控制器“0”-下降“2”-“0”的操作。为简化操作在某些场合需经常使用点动操作，为此可对控制器，可在图2.9中按加接ab与cd环节，此时可操作脚踏开

28、关SF，使SF常开触点闭合，然后扳动控制器手柄进行“0”-下降“1”-“0”的操作，即可实现点动控制。使SF常开触点闭合，然后扳动控制器手柄进行“0”-下降“1”-“0”的操作，即可实现点动控制。图2.10 POS1型副钩主令控制电路原理图2.4.2.2 电路工作情况分析 合上电源开关Q1、Q2，主令控制器SA置于“0”位，零电压继电器KHV1通电吸合并自锁，直流电磁式时间继电器KT3、KT4、KT5通电吸合，其常闭断电延时闭合触点断开，为断电延时做准备。(1)提升重物的控制1)控制器手柄由“0”位扳至上升“1”位时，由于触点KM1断开，使时间继电器KT3断电释放，其触点KT3（SA8支路）经

29、0.6s延时后闭合，使KM4通电吸合，短接一段转子电阻R1，电动机运行在图2.11“上1”特性曲线上。短接一段转子电阻R1，电动机运行在图2.11“上1”特性曲线上。短接一段转子电阻R1，电动机运行在图2.11“上1”特性曲线上。短接一段转子电阻R1，电动机运行在图2.11“上1”特性曲线上。在KM8通电吸合后，经KM8、KM1触点使KT2通电吸合，触点KT2（SA5支路）、KT2（SA11支路）瞬时闭合，前者为KM8延时断电，制动器延时闭合准备，后者为KM1通电提供又一通道。图2.11起升电机的机械特性2)当控制器手柄由提升“1”位扳到提升“2”位时，接触器KM5通电吸合，短接转子电阻R2，

30、电动机运行在图2.11的上2特性曲线上。同时，触点KM5（KT4线圈支路）断开，使时间继电器KT4断电释放，触点KT4(SA10支路)经0.3s延时后闭合，为进一步提高转速做准备。3)控制器手柄由提升“2”位扳至提升“3”位时，接触器KM6通电吸合，再短接一段转子电阻R3，进入图2.11“上3”特性上，但这并不是电动机稳定运行状态。因为此时触点KM6（KT5线圈支路）断开，使时间继电器KT5断电释放，经0.15s延时后又使接触器KM7通电吸合，再短接一段转子电阻R4，只剩一段常接电阻R5，电动机稳定工作在图2.10“上3”特性曲线上。当控制器手柄由提升“3”位依次扳回提升“2”位与提升“1”位

31、时，电动机相应工作在图2.11“上2、上1”特性上。但当由提升“1”位扳回“0”位时，电路保证KM8先断电，经KT2延时触点断开才使KM1断电释放，这就使制动器先进行制动，然后再切断电动机提升相序电源，保证有效地制动。(2)下降重物的控制1)当控制器手柄由“0”位扳到下降“1”位时，接触器KM1、KM8仍处于断电释放状态。所以，电动机未接电源，制动器未打开，不致引起重载下降，也不会引起轻载不但不下降反而上升的现象发生。但此时时间继电器KT3、KT4、KT5通电吸合，为断电延时做准备。2)当控制器手柄由下降“1”位扳至下降“2”位时，将上升限位开关SQ1短接；时间继电器KT1通电吸合，经延时后使接触器KM3通电吸合，相继使接触器、继电器KM8、KT2通电吸合；接触器KM4通电吸合，使电动机转子电阻R1短接。在串入较大转子电阻情况下，制动器松开，电动机定子接入单相交流电源，处于单相制动状态运转，可实现轻型载荷的低速下降。电动机运行在图2.11单相制动特性曲线上，即“下2”曲线上。3)当控制器手柄由下降“2”位扳向下降“3”位时， KM3、KT1同时断电释放，经KT1（0.110.16s）的延时后，使KM2通电吸合，以保证在KM3断电释放后，KM2才通电吸合，避免发生三相短路。并使KT2、KM4、KM5、KM8相继通电吸合。