桥式起重机的PLC控制系统设计.docx
《桥式起重机的PLC控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《桥式起重机的PLC控制系统设计.docx（25页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
桥式起重机的PLC控制系统设计
2013届毕业生
毕业设计说明书
题目:
桥式起重机的PLC控制系统设计
院系名称：
电气工程学院专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
教师职称：
2013年5月24日
1引言
随着经济的发展，工业工厂生产的规模也在不断扩展，与此同时起重机也得到了迅速的发展。
桥式起重机主要应用于厂房、露天贮料场、室内外仓库以及码头等处。
它具有、左右平移、前后平移、上下起升的功能，其主要结构由机械系统和电气控制系统组成。
为了启动和调速，采用交流绕线转子异步电动机转子串电阻，配合继电器接触器控制就可以达到目的，这种方法经常使用在传统桥式起重机的电力拖动系统设计中，该方法导致的缺点有：
（a）起重机工作时的工作负重大，环境恶劣，电动机和所串电阻磨损以及断裂的故障不时发生；
（b）操作复杂的继电接触器控制系统，会时不时发生故障，危险系数较高；
（c）调速方法采用转子串电阻，机械特性较软，负载发生变化的同时转速也改变，不能产生一个令人满意的控制效果；
（d）所串电阻工作时经常发热，不仅浪费电而且工作效率也低。
近年来，随着电力电子器件和计算机技术的发展迅猛，电力拖动和自动控制技术的发展也在飞速前进。
其中，可编程控制器以及交流变频装置在这一领域获得了推广、普及以及应用，为当今编程控制器控制的变频技术在桥式起重机控制系统中的发展及运用奠定下牢固的基础。
2系统分析
2.1桥式起重机简介
桥式起重机是横架于车间、仓库及料场上空进行物料吊运的起重设备。
由于它的两端坐落在高大的水泥柱或者金属支架上，形状似桥。
桥式起重机结构示意图如图2-1所示，桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。
此外，起重机对工人劳动强度的减轻、劳动生产率的提高还有生产过程机械化的发展起着关键作用。
因此，桥式起重机是现代工业生产和起重运输中实现生产过程机械化、自动化的重要工具和设备，在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所均得到广泛的运用。
图2-1桥式起重机结构示意图
2.2本设计的控制方案
本设计的基本控制方案框图如2-2图所示，通过PLC的输入端输入控制信号，使PLC发出控制信号来控制变频器，从而让变频器开始运行，此时电磁抱闸能够得电而松开。
PLC控制变频器频率端子输入正反信号、控制变频器发出的改变频率的信号，从而使被控电动机的转速发生改变，或者转速方向发生变化。
起重机运动到期限位置，或者是主电路发生短路、过流、过载、停电等不安全的情况时，会把行程开关动作信号，变频器发生短路、过流的信号等输入到PLC中，这时，PLC发出电磁制动器制动、变频器停止工作等信号，来达到控制的要求和目的。
图2-2起重机变频调速系统框图
本文是以10吨吊钩桥式起重机为机械基础进行的电气控制系统的设计。
10吨桥式起重机主要由大车、小车、吊钩三部分组成。
大车的轨道铺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；大车上有小轨道，供小车横向移动；吊钩安装在小车上，用来提升重物。
桥式起重机三个主要部分中，吊钩、大车、小车都应该使用独立运行的电动机，大车单独使用2台电动机进行拖动，因此整个系统由3台PLC分别进行控制，操作3台变频器传动，4台电动机工作。
系统框图中各部件的功能和实现方法将在第三部分详细叙述。
2.3本设计的主要工作
本文的主要任务是设计PLC及变频器的桥式起重机的控制系统。
在设计进行过程中，侧重处理以下几个难点：
（1）学习桥式起重机，设计PLC控制的起重机电路；
（2）确定控制对象的具体参数，以利于相关配置的选择；
（3）运用CXP编程软件编写控制系统程序，实现桥式起重机基本的运行功能，并对相应程序进行改进优化，使整个控制系统达到工作可靠、调速相对简单的目标。
3系统硬件电路的设计
3.1主令控制器
主令控制器又称作主令开关。
主令控制器一般由触头系统、操作机构、转轴、齿轮减速机构、凸轮、外壳等几部分组成。
其动作原理与万能转换开关相同，都是靠凸轮来控制触头系统的关合。
但与万能转换开关相比，它的触点容量大些，操纵档位也较多。
一般有转换开关、按钮、和位置开关等类型
主令控制器主要在电气传动装置中应用，按一定顺序分合触头，来实现发布命令、控制线路联锁和转换的目的。
适合在电路进行频繁的接通和切断的情况下应用，对绕线式异步电动机的启动、制动、换向和调速进行远距离的控制。
起重机操作者可按要求通过主令控制器向可编程控制器PLC发出各种控制信号操作起重机。
大车、小车及吊钩各设一台主令控制器分别操作，在这里，主令控制器的作用是将电动机的转向，调速指令传送到系统。
使用具有11个挡位，每挡只有一个触点的主令控制器。
3.2电动机的选择
采用变频器的交流起重机各电动机，可以使用专用的变频调速起重机，也可以用起重机原有的线绕转子电动机，将转子绕组短接就可以了。
本文中选用的电动机型号如表3-4所示。
表3-4桥式起重机电动机型号表
序号
符号
名称
型号
规格
1
M1
大车电动机
YZR160M2-6
18A；7.5kw；940r/min
2
M2
大车电动机
YZR160M2-6
18A；7.5kw,，940r/min
3
M3
小车电动机
YZR132M-6Z
6.5A；2.5kw；908r/min
4
M4
吊钩电动机
YZR200L-6Z
49A；22kw；964r/min
3.3PLC的使用
PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC进行着系统逻辑控制部分的工作，主令控制器把操作信号送至PLC进行变频器控制，以及系统的安全防护，是起重机控制系统的核心。
3.3.1PLC的选型
欧姆龙PLC是一种功能完善的紧凑型PLC，能为业界领先的输送分散控制等提供高附加值机器控制；它还具有通过各种高级内装板进行升级的能力，大程序容量和存储器单元，以Windows环境下高效的软件开发能力。
本文选用三个欧姆龙CPM2A-40CDR-A型号的PLC。
这个型号的PLC可以接入AC100—220V，具有输出为24点入16点的继电器。
3.3.2外部接线及I/O分配
PLC外部接线示意图如图3-1所示。
图3-1PLC外部接线图
根据PLC外部接线以及程序设计得到的PLC控制输入/输出分配如表3-2所示
表3-2PLC控制I/O分配表
输入信号
输出信号
输入点编号
代号
名称
输出点编号
代号
名称
00000
SB1
启动
01000
KA1
正转
00001
SB2
停止
01001
KA2
反转
00002
SB3
急停
01002
KA3
挡位
00003
SB4
复位
01003
KA4
挡位
00004
SA11
前进控制5
01004
KA5
挡位
00005
SA10
前进控制4
01005
KA6
复位
00006
SA9
前进控制3
01006
KA7
急停
00007
SA8
前进控制2
01007
KA8
过载
00008
SA7
前进控制1
01008
KM
电源
00009
SA1
零锁
00010
SA2
后退控制5
00011
SA3
后退控制4
00012
SA4
后退控制3
00013
SA5
后退控制2
00014
SA6
后退控制1
00100
FR
热保护
00101
SQ1
向前限位
00102
SQ2
后退限位
00103
SQ3
安全开关1
00104
SQ4
安全开关2
00105
SQ5
安全开关3
在图3-1中起重机启动、复位按钮，主令控制器的11个挡位触点，以及系统安保用的各种限位开关都接在PLC的输入口上，输出口是许多小型继电器。
它们是用来控制变频器的输出相序和频率的，K1控制变频器的正向相序端，K2控制变频器的反向相序端，当K1，K2有一个被接通时，变频器输出一定的相序的电源；K1，K2都接通时又或是都断开时，变频器不再输出电源。
K3,K4,K5分别与变频器的多段频率选择端X1，X2，X3相连接，这三个端子的组合，能够产生七种速度。
本文只采用了其中的五挡速度。
3.4变频器
变频器把从商用电源中输入的交流电，变换成直流电，它能够输出任意频率，从而实现控制三相异步电动机转速的目的。
不论变频器供电的电压是单相的还是三相的，经过变频器内部的转换、滤波以及逆变之后，输出的都为三相交流电。
因此，欧姆龙变频器只能控制三相电动机，不可以控制单相电动机。
从变频器的构成方面看，其基本的动作原理能够用“交—直—交”来概括。
变频器的功能是提供比率可调节的交流电源给电动机，是实现电动机调速的关键设备。
具有普通反抗性负载的大小车，应当配用普通型或者是高功能型号的变频器。
考虑到转速的平稳顺滑的调节对起重机而言不是特别重要，就可采用变频器机外开关多段速度选择方式实现速度控制，这和选择主令控制器作为操作器件是相配的。
起重机的变频器，尤其是吊钩的变频器，需要配用制动电阻。
在起重机下放重物时，由于重力作用电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈至起重机变频器的直流电路里，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。
因此，必须使用制动电阻来消耗这些再生到直流电路里的能量，使电压能够保持在允许范围之内。
3.4.1变频器的选用
桥式起重机的负载类型属于恒转矩负载类型，有两种变频器类型可以选择：
一是采用普通功能型变频器。
二是采用具有转矩控制功能的高功能型变频器。
本设计采用普通型变频器。
变频器的容量要与电动机功率优化匹配，但不能仅由电动机的功率确定变频器的容量，变频器的额定输出电流也是选择变频器的容量时必须考虑的。
不论连续恒载单台变频器单台电动机运行，还是一台变频器并联多台电机运行，所需的变频器容量都需要同时满足下列的三个计算式
（3.4.1-1）
（3.4.1-2）
（3.4.1-3）
在三个式子中：
为负载所要求的电动机的轴输出功率；
为电动机的效率（通常约0.85）；
为电动机的功率的因数（通常约0.75）；
为电动机的电压（V）；
为电动机工频电源时的电流（A）；
为电流波形的修正系数（PWM方式时取1.05~1.10）；
为变频器的额定容量（kw）；
为变频器的额定电流（A）。
经计算，吊钩变频器的额定容量、额定电流分别为36.92kw、52.53A；大车变频器的额定容量、额定电流分别为25.35kw、38.52A；小车变频器的额定容量、额定电流分别为4.57kw、6.95A。
所以，三台都采用欧姆龙3G3RV-ZV1型号变频器。
3G3RV-ZV1变频器可接入三相电源200A,功率范围从0.4kw到110kw,输入电压为三相AC380-460V/50HZ/60HZ，能够满足所需变频器要求。
3G3RV-ZV1变频器采用欧姆龙最新矢量控制算法，结合高集成的制造技术，融入现代人性化的设计风格及安全规。
由于涵盖了风机泵类专用功能、闭环矢量控制功能、宽广的功率范围、高次谐波对策、欧姆龙专用监控软件以及网络总线功能，3G3RV-ZV1可以为客户的各种应用提供完美的解决方案。
3.4.2变频器外部接线
使用变频器后，接触器交换电源的相序将不必要使用，单单操作其相序的控制端口，电动机的正反转就可以实现，控制会变得简单许多。
变频器外部接线图如图3-2所示。
图3-2变频器接线示意图
3.4.3变频器制动电阻的选择
制动电阻的作用是当电容电压超过设定值后，经过制动电阻消耗回馈电能。
再生电流三相全波整流后的平均值约等于其峰值，而所需附加制动转矩中可扣除电动机本身的制动转矩。
有关资料表明：
当放电电流等于电动机额定电流的一半时，就可以得到与电动机的额定转矩相等的制动转矩，因此制动电阻的粗略算法为：
（3.4.3-1）
式中：
为电动机的额定电流；
为直流回路电压。
直流回路电压可计算为
吊钩电动机的额定电流为49A，变频器制动电阻的取值范围为6Ω—12Ω；
大车电动机的额定电流为18A，变频器制动电阻的取值范围为17Ω—34Ω；
小车电动机的额定电流为6.5A，变频器制动电阻的取值范围为46Ω—91Ω。
3.5继电器的选用
热继电器是一种保护电器，专门用来对过载机电源断相进行保护，以防止电动机因上述故障导致过热而损坏。
热继电器具有结构简单、体积小、成本低等特点，选择适当的热元件可得良好的反时限特性。
所谓反时限特性就是指热继电器动作时间随电流的增大而减小的性能。
热继电器的机构主要有三部分组成：
动作机构；加热元件；复位机构。
热继电器的动作机构一般都设有温度补偿装置，这主要是保证其特性在一定温度范围内基本不变。
在热继电器使用过程中，热继电器的整定值一般参考电动机的额定电流选取，大约是是后者额定电流的（0.95-1.05）倍。
本设计选用的三个热继电器都是由上海富继电气有限公司生产的JR30系列的。
其中FR1的技术参数是整定电流是18.9A，选择JR30-20型号；FR2的技术参数为整定电流是6.9A选择JR30-20型号；FR3的整定电流是51.6A，选择JR30-163型号。
热继电器FR1-FR3主要是为电动机M1-M4提供过载保护和电源断相保护。
3.6熔断器的选用
熔断器是常用的短路保护元件，电动机和线路的短路故障引起很大短路电流，它将使输电线路过热，短路电流流过电动机绕组时还会使绕组烧坏。
因此，采用熔断器可在电动机发生故障时将主电路切断，使电动机脱离电源。
熔断器是由熔断器管和熔体两部分组成的，熔体是金属丝或金属片。
将熔体串联在被保护电路中，当流过它的电流超过规定值时，熔体就自动熔断，直接切断电路起到保护作用。
起重机的控制及主回路中，都装有熔断器。
应正确选用熔体和熔断器。
有分支电路时，分支电路的熔体额定电流应比前一级小2-3级；对不同性质的负载，如电动机的主电路和控制电路等，应尽量分别保护，装设单独的熔断器。
在本文中：
FU0选择的型号是RL1系列有填料封闭管式熔断器,适用于交流50Hz，额定电压至380V，额定电流至200A的线路中，作电气设备短路或过载保护之用。
FU1选择的是RT14-20，额定电流是20A；FU2选择的是RT14-20，额定电流是7A；FU3选择的是RT14-20，额定电流是52A。
RT14-20为填料封闭管式圆筒帽形熔断器适用于交流50Hz，额定电压为550V，额定电流为100A及以下的工业电气装置的配电设备中，作为线路过载和短路保护之用。
3.7主电路原理图
桥式起重机控制系统的主电路如图3-3所示，它主要由三台变频器、四台电动机、三个电磁制动器组成。
大车变频器连接有两个电动机，小车和吊钩各连接一台变频器。
YA、YB、YC为电磁抱闸。
每个变频器都接有8个信号输入触点，分别控制电动机的正转、反转、变频器停止输出信号、控制5档速度的频率的电压信号。
图3-3交流桥式起重机主电路原理图
4系统软件设计
4.1系统主程序设计
目前，可编程控制器的应用已成为工业自动化强有力的工具，得到了广泛的普及推广应用。
可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的优势:
可靠性高，PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件，它的连线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短而易操作，程序的输入可直接显示，更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找，然后进行修改;软件系统主程序框图如图4-1所示。
图4-1系统主程序框图
4.2CXP编程软件简介
CX-Programmer（简称CXP）软件,作为OMRON公司新的编程软件，采用的是完全Windows风格的界面。
操作界面中包括窗口、菜单、状态条还有工具条等选项。
可以用鼠标操作，也可以用键盘操作。
而且能够打开多个窗口，方便对多个例程（INSTANCE，或工程）、多个PLC以及多个程序进行处理。
CXP编程软件，适用于C、CV、CPM2等系列的欧姆龙PLC，它能够让用户进行程序的建立、编辑、检查、调试以及监控等操作。
同时，CXP编程软件还具有完备的维护功能，这都让程序的开发还有系统的维护变的较为简单和快捷。
4.3桥式起重机控制系统程序设计
图4-2桥式起重机PLC控制系统程序流程图。
整个桥式起重机PLC控制系统程序设计流程图如图4-2所示。
操作桥式起重机时按下启动按钮后，首先要确定系统操作是否安全如安全门开关是否合上，起重量是否超过额定起重量等，之后系统才能进行运行。
先运行吊钩，执行吊钩运行程序，在吊钩完成指令达到指定位置后再运行小车.执行小车运行程序，使小车安全地完成指令达到指定位置。
最后运行大车，执行大车运行程序，大车安全地完成指令达到指定位置后系统结束运行.
4.3PLC程序编写
PLC控制大车的梯形图如图4-3所示。
利用PLC控制的变频调速技术，桥式起重机的控制系统的各挡速度、加速时间都可以根据现场情况通过变频器来进行设置，这种方法使调整操作变的方便，容易。
而且，在负载发生变化时，各个挡位的速度能够保持基本不变，确保了调速性能，是起重机的拖动系统更加安全，可靠。
由于控制原理相同，小车，吊钩的梯形图没有写在正文中，详情见附录。
在梯形图中，开始的四个支路完成安全保护系统的任务。
其中复位为故障排除后，重新工作时的复位按钮，紧急停车为应急开关，过载为过电流继电器动作。
起重机的安全保护通过控制电源来完成：
1.只有所有的操作开关均处于零位时，控制系统的总电源才可以接通；2.控制系统的总电源在全部的应急保护动作、安全位置保护时多能被切断。
针对变频器控制有两个方面：
1.通过01000及01001连接的继电器K1、K2控制变频器相序控制端口得到实现，主令控制器的各个触点决定了电动机的转向；2.通过主令控制器的触点控制PLC的01002、01003、01004输出的组合进而实现控制变频器的输出频率的目的，这里只用了其中的5挡速度。
图4-3PLC控制大车运行梯形图
PLC指令如下：
0LD0.02
1OUT10.06
2LD0.03
3OUT10.05
4LD0.13
5OUT10.07
6LDNOT0.02
7ANDNOT1.02
8ANDNOT1.03
9ANDNOT1.04
10ANDNOT1.05
11LD0.07
12AND0.00
13OR0.00
14ANDLD
15ANDNOT0.01
16OUT10.08
17LDNOT10.07
18AND10.08
19LD0.04
20OR0.05
21OR0.06
22OR0.07
23OR0.08
24ANDLD
25ANDNOT1.02
26ANDNOT10.01
27OUT10.00
28LD0.14
29OR0.13
30OR0.12
31OR0.11
32OR0.10
33ANDNOT1.03
34ANDNOT10.00
35OUT10.01
36LD0.03
37OR0.10
38OUT10.02
39LD0.05
40OR0.11
41OUT10.03
42LD0.07
43OR0.13
44OUT10.04
结论
本次毕业设计，对桥式起重机的PLC控制系统进行了研究和设计，本文装置实现了设计要求中基本的要求，实现了桥式起重机中大车、小车还有吊钩的变频调速拖动。
在本文中根据系统总体的设计方案，分模块详细介绍了系统各部分硬件构成。
主要包括核心控制器电路设计、PLC的选用以及外部接线图的设计、变频器的选用以及其接线图的设计，同时也介绍了本文所用到的主令控制器。
其中，第三部分重点介绍了PLC和变频器的选用，这是本系统硬件电路设计的核心，设计的优劣直接关系到系统的工作情况。
系统软件设计的过程中，确定好程序的设计思路之后再进行相应程序的编写，可以有效地避免程序出错。
同时在本章中附录了部分主要程序及指令表，并且在程序中进行了注释，使程序的设计构想能够被更好地理解。
致谢
随着桥式起重机的PLC控制系统设计接近尾声，四年的大学生活就要画上句号，回首往昔，有太多的怀念与感动。
在即将离开这个曾经带给我欢乐和收获的母校之际，我有很多话要对你们说。
首先，感谢母校给了我再次锻炼和成长的机会。
让我有机会接受了众多学识渊博的老师的教导，丰富了学识，开阔了眼界。
结识了更多充满青春活力、有理想、有激情的工大学子，让我的大学生活因此而丰富多彩。
参考文献
[1]王建,杜艳丽，孙怀荣.欧姆龙PLC入门与典型应用[M].北京：
中国电力出版社，2008.
[2]郑宝林.图解欧姆龙PLC入门[M].北京：
机械工业出版社，2008
[3]高安邦，等.机电一体化系统设计禁忌[M].北京：
机械工业出版社，2008
[4]徐建俊.电机与电气控制项目教程[M].北京：
机械工业出版社，2008
[5]尹昭辉，姜福详，高安邦.数控机床的机电一体化改造设计[J].电脑学习，2006（4），8.
[6]高安邦，杜新芳，高云.全自动钢管表面除锈机PLC控制系统[J].电脑学习，1998（5）.
[7]邵俊鹏，高安邦，司俊山.钢呸高压水除鳞设备自动检测及PLC控制系统[J].电脑学习，1998（3）.
[8]高安邦.全自动集成式燃油锅炉燃烧器的研制[J].电脑学习，1998
（2）.
[9]马春山，智淑亚，高安邦.现代化高速话缆绝缘线芯生产线的电控（PLC）系统设计[J].基础自动化，1996（4）.
[10]高安邦，崔永焕.同位素分装机PLC控制系统[J].电脑学习，1995（4）.
[11]卢巧.欧姆龙PLC编程指令与梯形图快速入门 [M].北京：
电子工业出版社，2011.
[12]周建清.机床电气控制项目式教学[M].北京：
机械工业出版社，2008
[13]刘海智.PLC在塔式起重机中的应用[J].价值工程，2012（33）.
[14]王殿君.PLC在起重机械中的应用及问题分析[J].中国高新技术企业2010
[15]王冬青.欧姆龙CP1系列PLC原理与应用[M].北京：
电子工业出版社，2011.
[16]LUZhi-jiang.PLCApplicationintheAutomaticStraight-lineWelder[J].Occupation,2010,02（01）:
159.（inChinese）.
[17]WilliamSinghose,DoorooKim.InputShapingControlofDouble-PendulumBridgeCraneOscillations[J].
[1
升级会员 