毕业设计董艳军桥式起重机plc控制改造设计.docx

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毕业设计董艳军桥式起重机plc控制改造设计

毕业设计（论文）答辩委员会

毕业设计（论文）成绩评定书

专业班级：

06机电一体化姓名：

董艳军

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）答辩委员会主任：

副主任：

年月日

毕业设计（论文）任务书

根据机电一体化专业教学计划安排，董艳军同学毕业设计（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，该起重机的起升机构采用主令控制器控制，大车、小车行走机构采用凸轮控制器控制，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4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：

自9月23日至12月26日

指导教师：

成教处主任：

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

1.1电气控制技术的发展…………………………………………………………1

1.2对铣床控制电路进行PLC改造的意义……………………………………1

1.3本设计的主要内容…………………………………………………………………2

第2章桥式起重机控制电路的原理分析…………………………………………………3

2..1桥式起重机简价……………………………………………………………………3

2.2起重机电动机的工作状态分析…………………………………………………….5

2.3起重机控制原理分析……………………………………………………………….7

第3章起重机PLC控制系统的设计…………………………………………………….16

3.1可编程序控制器的功能重操特点………………………………………………16

3.2PLC控制系统的设计基本原则与主要内容……………………………………18

3.3PLC硬件的选择…………………………………………………………………19

3.4减小所需I/0点数的方法…………………………………………………………22

3.5PLC的造型设计…………………………………………………………………25

第4章桥式起重机PLC控制系统的程序设计……………………………………………34

4.1PLC控制程序设计的一般步骤……………………………………………………34

42桥式起重机控制程序的设计………………………………………………………35

第5章桥式起重机PLC控制系统的检修…………………………………………………42

5.1桥式起重机常见故障及可能原因…………………………………………………42

5.2桥式起重机常见故障的检查………………………………………………………42

5.320T桥式起重机电气控制线路的常见故障的检修………………………………43

参考文献……………………………………………………………………………………46

结束语………………………………………………………………………………………47

第1章绪论

1.1电气控制技术的发展

19世纪末，电动机逐渐代替了蒸气机，出现了电力拖动。

在其初期，常以一台电动机拖动多台设备，或使一台机床的多个动作由同一台电动机拖动，称为集中拖动。

20世纪20年代电力拖动方式由集中拖动发展为单独拖动。

90年代出现了多电动机拖动方式。

它不仅简化了机械结构，也为机械的自动化控制创造了良好的条件。

此外，在生产过程中，要求对影响产品质量的各种参数能自动调整，这些都促使电气自动控制技术迅速发展。

继电-接触器控制系统的特点：

具有单一性，即一台控制装置只能针对某一种固定程序的设备，一旦程序有所变动，就得重新配线。

且其输入、输出信号只有通和断两种状态，因而该控制是断续的，不能连续反映信号的变化，故称为断续控制。

60年代出现了一种能够根据生产需要，方便地改变控制程序的顺序控制器。

它是通过组合逻辑元件的插接或编程来实现继电-接触器控制线路的装置，能满足程序经常改变的控制要求，使控制系统具有较大的灵活性和通用性，但仍使用硬件手段且装置体积大，功能也受到一定限制。

70年代出现了用软件手段来实现各种控制功能以微处理器为核心的新型工业控制器——可编程序控制器。

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气操作维护人员的技能和习惯，使用户程序的编制清晰直观，方便易学，且调试和查错容易。

它广泛应用于大规模的生产过程控制，具有通用性强，程序可变，编程容易，可靠性高，使用维护方便等优点，故目前世界各国已作为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制。

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。

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。

起重机是具有起重吊钩或其它取物装置（如抓斗、电磁吸铁、集装箱吊具等）在空间内实现垂直升降和水平运移重物的起重机械。

它的特点是：

工作频繁，具有周期性和间歇性，要求工作可靠并确保安全。

起重机按其构造分，有桥架型起重机（如桥式起重机、龙门起重机等），缆索型起重机，臂架型起重机（如塔式起重机、流动式起重机、门座起重机、铁路起重机、浮动起重机、桅杆起重机等）；按其取物装置和用途分为：

吊钩起重机、抓斗起重机，电磁起重机，冶金起重机，堆垛起重机，集装箱起重机，安装起重机，救援起重机等。

它们广泛应用于工厂企业、港口车站、仓库料场、建筑安装、水（火）电站等国民经济各部门。

因为起重机工作频繁，具有周期性和间歇性，要求工作可靠并确保安全。

所以为了迅速提高企业对高新技术的消化速度和应用程度，提高对现有机电设备继电-接触器典型控制环节的分析能力，掌握大专所学技术理论知识，以20t桥式起重机控制电路的PLC改造设计为例，学习PLC控制系统的设计方法，合理选择和确定控制方案，提高PLC控制程序的编写技能和技巧，学习新老技术的完美结合，为将来从事技术管理工作打下坚实的基础。

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章桥式起重机控制电路的原理分析

2.1桥式起重机简介

2.1.1桥式起重机的构造与分类

桥式起重机主要由桥架、大车运行机构、起升机构、小车运行机构和电气控制设备等组成。

桥架是桥式起重机的基本构件，主要由主梁、端梁、走台等组成，结构示意如图2.1所示。

主梁上铺有钢轨供小车运行。

一般在主梁外侧装有走台，一侧为安装和检修大车运行机构而设，另一侧为安装小车导电装置。

主梁两端各与端梁相连接。

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，小车运行机构采用集中驱动方式。

桥式起重机的供电方式多采用角钢导电与电缆导电的滑线供电方式。

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。

2.1.2桥式起重机的主要技术参数

桥式起重机的主要技术参数有起重量、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。

中、小起重量的起重机起升速度一般为8～20m/min。

小车运行速度一般为30～50m／min。

大车运行速度一般为80～120m/min。

起重机行程长可快些，行程短可慢些。

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，它反映了起重机的工作特性。

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。

2.1.3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。

2.1.3.1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。

FC%=负载持续时间/周期时间*100%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。

2.1.3.2提升机构与移动机构对电力拖动自动控制的要求

为提高起重机的生产率和安全，对起重机提升机构电力拖动自动控制提出如下要求：

1）具有合理的升降速度。

空载最快，轻载稍慢，额定负载时最慢。

2）具有一定的调速范围，受允许静差率的限制，普通起重机的调速范围为2-3。

3）提升的第一档应作为预备级，该级起动转矩一般限制在额定转矩的一半以下。

为了消除传动间隙，将钢丝绳张紧，以免过大的机械冲击。

4）下放重物时，依据负载大小，拖动电动机可运行在下放电动状态（加力下放）、倒拉反接制动状态、超同步制动状态或单相制动状态。

5）必须设有机械抱闸以实现机械制动。

大车运行机构和小车运行机构对电力拖动自动控制的要求比较简单，要求有一定的调速范围，分几档进行控制，为实现准确停车，采用机械制动

桥式起重机应用广泛，起重机的电气控制设备已系列化、标准化。

常用的电气设备有控制器、保护箱和控制站，可根据拖动电机容量大小、工作频繁程度和对可靠的要求来决定。

2.2起重机电动机的工作状态分析

2.2.1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。

2.2.2提升重物时的正向电动工作状态

提升物品时，电动机负载转矩由重力转矩及提升机构摩擦阻转矩两部分组成，当电动机电磁转矩克服负载转矩时，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。

2.2.3下放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。

2.2.4下放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，此时电磁转矩与重力转矩的方向一致，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。

2.2.5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死，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，如图2.5所示。

2.2.6低速下放轻载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，电磁转矩=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。

2.3起重机控制原理分析

2.3.1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，用于控制和保护起重机，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4台绕线转子感应电动机，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，KOC1～KOC4为各机构电动机过电流继电器，SA1、SA2、SA3分别为小车、提升、大车控制器的零位保护触点，SQ1-SQ5分别为大车、小车和提升机构的限位开关，SQ6为紧急事故开关，SQ7、SQ8为舱口门和桥架门安全开关，HL为电源信号灯，AL为电铃，XS1～XS3为电源（36V、220V）插座，EL1～EL4为照明灯。

图2.8XQB1-250-4F/口型保护箱的电气原理图

2.3.1起升机构控制原理分析

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，在以下情况下一般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，20t交流桥式起重机的起升机构采用的是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。

2.3.1.1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；

图2.9POS1型主令控制电路原理图

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降；

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。

7）停车时，电路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“0”-下降“2”-“0”的操作。

为简化操作，可在图2.9中加接ab与cd环节，此时可操作脚踏开关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。

2.3.1.2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2.10“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。

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，电动机运行在图2.10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2.10“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”位时，电动机相应工作在图2.10“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“O”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2.10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（0.11～0.16s）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。

电动机定子按下降相序接线，转子短接电阻R1、R2两段电阻，制动器松开，电动机运行在图2.10“下3’”特性上。

另外，触点KM5（KT4线圈支路）断开，使KT4断电释放，经0.3s延时使KM6通电吸合，短接转子电阻R3，电动机运行在图2.10“下3’”特性上，而触点KM6（KT5线圈支路）断开，又使KT5断电释放，经0.15s延时后，使KM7通电吸合，又短接一段电阻R4，电动机运行在图2.10“下3”特性上。

该档可用于任何负载的强力下降或再生制动下降。

一般来说，对于重型载荷的短距离下降，可选择下降“1”档，以倒拉反接制动下降为宜；对于轻型载荷的矩距离下降，可选择下降“2”档，以单相制动下降；对于轻型和中型载荷的长距离下降，可选择下降“3”，以强力或再生制动下降；对于重型载荷的长距离下降，可选将控制器手柄扳至下降“3”档作高速下降，当距离落放点较近时，再将手柄扳回下降“1”档，以低速来完成余下行程的下放，这样既安全、平稳而又经济。

4）当控制器手柄由下降“3”位扳到下降“2”位时，电动机处于单相制动状态，获得低速下降。

5）当控制器手柄由下降“2”位扳回到下降“1”位时，KM3、KT1、KM4断电释放，KT2相继断电释放，但因触点KT2（SA5支路）延时0.6s才断开，触点KT1（SA4支路）经0.11-0.16s延时闭合，这就使KM1通电吸合，电动机按提升相序接通电源，转子电阻全部串入。

同时，由于KM8相继通电吸合，在KM1、KM8辅助触点作用下，使KT2恢复通电吸合，又保持KM1、KM8的通电吸合。

此时，电动机工作在倒拉反接制动状态，实现重型载荷的低速下降。

6）当控制器手柄由提升或下降各档位扳回到“0”位时，制动器制动，但触点KT2（SA4支路）需经0.6s延时才断开，在延时期间KM1仍保持通电吸合，电动机仍产生提升的电磁转矩，在该转矩与制动器共同作用下防止溜钩现象。

7）换向时间继电器KT1（动合延时0.11-0.16s，开断延时0.15-0.20s），以延长可逆转换时间，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，在主令控制器手柄快速由“0”位扳到下降“3”位途径下降“2”位时，KM3不动作，不会进行单相制动。

（3）点动操作控制

在图2.9电路中接入ab与cd环节形成图2.11。

图中ab与cd环节中的SF为脚踏开关，KM9为接