基于PLC的起重机变频调速系统设计.docx
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基于PLC的起重机变频调速系统设计
江西理工大学
本科毕业设计（论文）
题目：
基于PLC的起重机变频调速系统设计
学院：
电气工程与自动化学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
学号：
学生：
指导教师：
职称：
时间：
2013年6月6日
题目：
基于PLC的起重机变频调速系统设计
专题题目：
监控系统设计
原始依据（包括设计（论文）的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等）：
常用的桥式起重机大多存在电能浪费严重、自动化水平低等问题,随着计算机技术和自动控制技术的不断进步与发展，许多领域中都引入了计算机自动检测与控制技术。
现在设计一种全新的基于PLC和组态监控软件的高性能起重机控制系统,减少硬件和控制线，改善传统式起重机的调速系统，降低生产成本，提高其安全可靠性和可操作性，具有十分重要的意义。
主要内容和要求：
（包括设计（研究）内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求）：
一、硬件部分：
该课题所需要的硬件包括CPU315-2DP型号的S7-300,变频器6SE70,电机，装有力控组态软件的计算机等。
二、软件部分：
主要分为两部分：
1.通过力控组态软件设计出起重机控制系统的监控系统，包括系统的组态画面及动画连接等。
2.编写起重机控制系统的PLC程序并能调试成功，将力控与西门子S7-300PLC进行连接，从而实现它们之间能够进行通讯。
由上叙述可知本课题所需要的技术有：
PLCS7-300，变频器、组态软件技术等。
所以不仅要求学生具有系统的专业综合理论知识，而且要具有一定的创新实践能力和应用能力、分析与解决问题的能力。
日程安排：
2013.3.16-2013.4.1认真收集有关资料，完成开题报告
2013.4.2-2013.4.20提出总体设计方案并进行论证
2013.4.20-2013.5.10论文主体设计，编写主程序
2013.5.11-2013.5.20论文撰写,完成初稿
2013.5.21-2013.5.28程序调试和修改论文
2013.5.29-2013.6.07编写设计说明书，准备答辩提纲，进行答辩
主要参考文献和书目：
[1]袁秀英．组态控制技术[M]．北京：
电子工业出版社，2003：
262-268．
[2]吴作明．工控组态软件PLC应用技术[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2006：
1-188
[3]刘艳梅，任双艳，李一波编著.S7-300可编程控制器（PLC）教程.北京：
人民邮电出版社，2008.1:
150～178.
[4]张运刚，宋小春，郭武强编著.西门子S7-300/400PLC技术与应用：
人民邮电出版社，2007.8：
224～350.
[5]张运刚，宋小春，郭武强编著.工业组态技术与应用：
人民邮电出版社，2008.3：
1～289.
[6]力控公司.力控快速指南.2007.
[7]陈雨春，李景学.可编程控制器应用软件设计方法与技巧.北京:
电子工业出版社，1992:
5～16，34～65.
[8]佟纯厚.近代交流调速技术.冶金工业出版社，2008.7:
41～58.
[9]刘小庆.基于PLC控制的变频调速在桥式起重机中的应用[M].武汉科技大学，2005.
[10]张三豹.变频调速起重机中的PLC.起重运输机械，2001:
27～29.
[11]吴尚庆.组态软件控制技术.北京：
理工大学出版社，2007.26～58.
[12]S7-300ModuleSpecifications:
l-18，22～24.
[13]SIEMENS公司.SIMATICS7-300可编程序控制器系统手册.2002.
[14]朱少祥.可编程控制器（PLC）原理及应用.上海交通大学出版社，1998.
[15]张扬,蔡春伟,孙明健.S7-300PLC原理与应用系统设计[M].北京:
机械工业出版社,2007.
指导教师（签字）：
2013年3月4日
注：
本表可自主延伸，各专业根据需要调整。
江西理工大学
本科毕业设计（论文）开题报告（综述）
题目：
基于PLC的起重机变频调速系统设计
专题题目：
监控系统设计
本课题来源及研究现状：
课题来源及意义：
目前,我国桥式起重机大部分采用工频供电,由绕线式电机异步拖动,通过改变绕线式异步电机转子串接电阻实现起动和调速,存在以下问题:
拖动电机为交流绕线式电机,控制采用主令开关的有触点控制,系统可靠性差;起动电流大,对电网冲击大;调速为有级调速,调速范围窄,调速过程不平滑;重物位能以热能形式散失,造成大量能量浪费;故障率高,维护量大等缺点。
研究现状及目标：
本设计是针对起重机变频调速的监控系统，本监控系统采用三维力控组态软件进行设计，对调速过程进行监控，设计过程中运用仿真设备进行运行，运行过程良好，稳定性高。
本设计对起重机调速运行过程进行监控，全方位，多角度，操作简单，适于工作人员进行运行维护。
课题研究目标、内容、方法和手段：
研究目标：
如何实现桥式起重机的监控系统设计。
研究内容：
通过力控软件设计组态画面，编写起重机的PLC程序，采用DP通讯实现桥式起重机多段调速。
研究方法和手段：
查阅相关资料并在指导老师的指导下进行相关设计。
设计（论文）提纲及进度安排：
设计提纲：
第一章绪论
1.1传统桥式起重机控制系统存在的问题
1.2本课题的研究意义及主要内容
1.3桥式起重机电气启动技术的国内外发展状况
第二章力控组态软件综述
2.1产品概述
2.2软件基本结构
第三章建立一个新工程
3.1工程管理器的使用
3.2工程的备份和浏览
第四章起重机的组态画面
4.1创建新画面
4.2创建图形对象
第五章定义数据库变量
5.1变量
5.2添加数据库变量
5.3数据库建点
第六章动画连接
6.1动画连接的类型
6.2动画连接的使用
第七章力控和西门子S7-300的连接
7.1力控与西门子S7-300的连接
7.2西门子S7-300编程
致谢
参考文献
附录
进度安排：
2013.3.16-2013.4.1认真收集有关资料，完成开题报告
2013.4.2-2013.4.20提出总体设计方案并进行论证
2013.4.20-2013.5.10论文主体设计,编写主程序
2013.5.11-2013.5.20论文撰写,完成初稿
2013.5.21-2013.5.28程序调试和修改论文
2013.5.29-2013.6.07编写设计说明书，准备答辩提纲，进行答辩
主要参考文献和书目：
[1]袁秀英．组态控制技术[M]．北京：
电子工业出版社，2003：
262-268．
[2]吴作明．工控组态软件PLC应用技术[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2006：
1-188
[3]刘艳梅，任双艳，李一波编著.S7-300可编程控制器（PLC）教程.北京：
人民邮电出版社，2008.1:
150～178.
[4]张运刚，宋小春，郭武强编著.西门子S7-300/400PLC技术与应用：
人民邮电出版社，2007.8：
224～350.
[5]张运刚，宋小春，郭武强编著.工业组态技术与应用：
人民邮电出版社，2008.3：
1～289.
[6]力控公司.力控快速指南.2007.
[7]陈雨春，李景学.可编程控制器应用软件设计方法与技巧.北京:
电子工业出版社，1992:
5～16，34～65.
[8]佟纯厚.近代交流调速技术.冶金工业出版社，2008.7:
41～58.
[9]刘小庆.基于PLC控制的变频调速在桥式起重机中的应用[M].武汉科技大学，2005.
[10]张三豹.变频调速起重机中的PLC.起重运输机械，2001:
27～29.
[11]吴尚庆.组态软件控制技术.北京：
理工大学出版社，2007.26～58.
[12]S7-300ModuleSpecifications:
l-18，22～24.
[13]SIEMENS公司.SIMATICS7-300可编程序控制器系统手册.2002.
[14]朱少祥.可编程控制器（PLC）原理及应用.上海交通大学出版社，1998.
[15]张扬,蔡春伟,孙明健.S7-300PLC原理与应用系统设计[M].北京:
机械工业出版社,2007.
指导教师审核意见：
指导教师（签字）：
2013年4月1日
注：
本表可自主延伸
摘要
桥式起重机作为物料搬运系统中的一种典型设备，在企业生产活动中应用广泛作用显著，因此对于提高桥式起重机的运行效率，确保运行的安全可靠性，降低物料搬运成本是十分重要的。
本文主要介绍基于PLC和组态软件的起重机变频调速系统的设计过程，该系统由安装了力控组态软件的监控上位机、PLC和变频器等组成。
其中PLC采用SIEMENS公司产品，能控制起重机的运行方向和变速换档。
通过上位机的力控组态监控软件对设备运行状态进行监控和操作，实现人机交互界面。
经调试运行的结果表明，所设计的系统人机对话方便，系统构成灵活。
减少了硬件和控制线，改善了传统式起重机的调速系统，降低了生产成本，提高了其安全可靠性和可操作性。
关键字:
PLC；桥式起重机；变频调速；组态软件。
ABSTRACT
Bridgecraneasatypicalmaterialhandlingequipmentinthesystem,widelyusedinproductionactivitiessignificantly.Therefore,toimprovetheoperationefficiencyofbridgecrane,ensurethesafetyandreliabilityofoperation,andreducematerialhandlingcostsisveryimportant.
Thispaperdescribestheconfigurationsoftware-basedPLCandfrequencycontrolcranesystemdesignprocess,thesystemiscontrolledbytheForceControlsoftwareinstalledPC,PLCandinverterandothercomponents.SIEMENSPLCusingproductswhichcancontrolthedirectionandoperationofthecranetransmissionshift.MonitoringandoperationoftheequipmentrunningstatusbyForceControlsoftware,toachievehuman-computerinteractioninterface.Thecommissioningresultsshowthatthedesignedsystemman-machinedialogueconvenientandflexiblesystemconfiguration.Reducedhardwareandcontrollines,improvethetraditionalcranecontrolsystem,reduceproductioncostsandimproveitssafetyandreliabilityandoperability.
Keywords:
PLC；bridgecrane；frequencyconversionsystem；ConfigurationSoftware.
第一章绪论
1.1传统桥式起重机控制系统存在的问题
传统的起重机驱动方案一般采用:
直接起动电动机；改变电动机极对数调速；转子串电阻调速；涡流制动器调速；可控硅串级调速；直流调速。
前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速;起动电流大，对电网冲击大;常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重;功率因数低，在空载或轻载时低于0.2～0.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。
可控硅串级调速虽各服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。
1.2本课题的研究意义及主要内容
本课题中以桥式起重机作为研究实体，由上可知，传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电-接触器控制，这种控制系统的主要缺点有:
1.桥式起重机工作环境差，工作任务重，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。
2.继电-接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高。
3.转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。
所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。
要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。
近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自动控制领域的发展。
其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机系统提供了有利条件。
变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题，变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。
由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势，适合发展大起重重量的起重机;提高工作速度、扩大调速范围;提高金属结构、机构和电气设备的可靠性和使用寿命;改善司机操作的条件，保证作业安全，提高自动化控制程度和扩大远距离控制系统的使用范围尤其是把它们应用到作业频繁的仓库堆垛起重机和环境恶劣的冶金起重机上。
1.3桥式起重机电气启动技术的国内外发展状况
目前国内外几种常用调速系统配置及其性能:
1.DC-300直流驱动调速系统:
GE公司DC-300、DC-2000是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统，其控制功率从300HP到40O0llP，并采用PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。
该驱动系统实施主回路SRC整流，其控制是给定模拟量通过数模转换成数字量，通过速度环、电流环到SCR触发的逻辑无环流的调速系统。
可用测速反馈或电压反馈，对磁场弱磁，以实施恒功率控制。
2.交流调速控制系统:
对于起重机械来讲，交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。
随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。
目前，该技术己进入了成熟稳定的发展应用阶段。
日本安川电机制作所于1972年就正式定为VS系列，应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。
法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发。
借助电力电子技术、微电子技术的发展，由分离元件发展到大规模集成电路，从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟量控制发展到数字量控制。
3.变频调速:
变频调速技术是国际上各大电气公司在70年代末80年代投入全力研制、开发，也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。
这几年一些公司如德国SIEMENS，美国GE，日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术，大功率的IGBT模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。
变频器使用PWM技术可严格地使输入电流正弦功率-即在下降过程各机械减速制动中，将动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时确保工况正常运行，上述发展已完成了产品系列化上市，对“变频”装置在技术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有明显的优势。
同时随着PLC系统的不断成熟与完善，以及大容量变频器在位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。
第二章力控组态软件综述
2.1产品概述
典型的计算机控制系统通常可以分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结构，构成了一个分布式的工业网络控制系统。
力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，比如在分布式网络应用中，所有应用（例如趋势曲线、报警等）对远程数据的引用方法与引用本地数据完全相同，通过“组态”的方式可以大大缩短了自动化工程师的系统集成的时间，提高了集成效率。
2.2软件基本结构
力控监控组态软件基本的程序及组件包括：
工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O驱动程序、控制策略生成器以及各种数据服务及扩展组件，图2-1为力控组态软件结构图：
图2-1力控组态软件结构图
主要的各种组件说明见下：
工程管理器（ProjectManager）
工程管理器用于工程管理包括用于创建、删除、备份、恢复、选择工程等。
开发系统（Draw）
开发系统是一个集成环境，可以完成创建工程画面、配置各种系统参数、脚本、动画、启动力控其它程序组件等功能。
界面运行系统（View）
界面运行系统用来运行由开发系统Draw创建的画面，脚本、动画连接等工程，操作人员通过它来实现实时监控。
实时数据库（DB）
实时数据库是力控软件系统的数据处理核心，构建分布式应用系统的基础，它负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。
I/O驱动程序（I/OServer）
I/O驱动程序负责力控与控制设备的通信，它将I/O设备寄存器中的数据读出后，传送到力控的实时数据库，最后界面运行系统会在画面上动态显示。
网络通信程序（NetClient/NetServer）
网络通信程序采用TCP/IP通信协议，可利用Intranet/Internet实现不同网络节点上力控之间的数据通信，可以实现力控软件的高效率通信。
远程通讯服务程序（PortServer）
该通信程序支持串口、以太网、移动网络等多种通信方式，通过力控在两台计算机之间实现通信，使用RS232C接口，可实现一对一（1：
1方式）的通信；如果使用RS485总线，还可实现一对多台计算机（1：
N方式）的通信，同时也可以通过电台、MODEM、移动网络的方式进行通信。
Web服务器程序（WebServer）
Web服务器程序可为处在世界各地的远程用户实现在台式机或便携机上用标准浏览器实时监控现场生产过程。
控制策略生成器（StrategyBuilder）
控制策略生成器是面向控制的新一代软逻辑自动化控制软件，采用符合IEC61131-3标准的图形化编程方式，提供包括：
变量、数学运算、逻辑功能、程序控制、常规功能、控制回路、数字点处理等在内的十几类基本运算块，内置常规PID、比值控制、开关控制、斜坡控制等丰富的控制算法。
同时提供开放的算法接口，可以嵌入用户自己的控制程序。
第三章建立一个新工程
学习力控的直接目的是开发工程应用程序，下面介绍怎样用力控来开发一个工程。
3.1工程管理器的使用
在建立一个新工程时，首先通过力控的“工程管理器”指定工程的名称和工作的路径，不同的工程一定要放在不同的路径下。
3.1.1启动工程管理器
开始→所有程序→力控6.1→力控6.1，启动力控的“工程管理器”，如图3-1所示：
图3-1工程管理器
3.1.2新建工程应用
按“新建”按钮，出现如下对话框：
图3-2新建工程
项目类型：
包括新建工程和模版工程。
新建工程是未经过任何处理的空白工程，需要用户自己从头开发。
模版工程已经对工程做了相应的优化，用户可以在生成的模版工程上进行修改、添加后得到自己的工程，从而缩短开发工期。
项目名称：
新建的工程的名称。
这里取名为“起重机控制系统”。
描述信息：
对新建工程的描述文字。
点击“确定”按钮，此时在工程管理器中可以看到添加了一个名为NewApp1的工程，工程名可以修改，然后再点击“开发系统”按钮，进入力控的组态开发界面。
3.2工程的备份和浏览
3.2.1工程备份
在菜单上点击“备份”按钮，可将力控工程备份成PCK或PCZ格式的压缩文件，备份文件可以随意拷贝移动，任何的力控6.0组态软件都可将其恢复成原工程。
3.2.2工程恢复
恢复与备份是一对相反的操作，恢复是将工程备份生成的工程PCK或PCZ格式压缩文件解压缩并恢复成原工程。
3.2.3工程搜索
工程搜索是查找已有的工程应用。
3.2.4开发
点击开发按钮，进入选中工程的开发环境Draw。
3.2.5运行
点击运行按钮，进入选中工程的运行环境View。
第四章起重机的组态画面
4.1创建新画面
进入力控的开发系统后，可以为每个工程建立无数个画面，在每个画面上可以组态相关联的静态或动态图形。
进入开发环境DRAW后，需要创建一个新窗口。
点击“文件[F]”/“新建”，将出现“窗口属性”对话框，如图4-1所示。
在窗口名字栏写上“起重机控制系统”，在说明栏上“建立的第一个工程”。
图4-1新建窗口
在窗口风格相关选项中，显示风格选择“覆盖窗口”，边框风格选择“无边框”，勾选“打开其它窗口时自动关闭”选项。
设置好窗口背景颜色以及大小高度等选项，点击确认保存，这样就创建了一个名为“起重机控制系统”的窗口。
4.2创建图形对象
在力控组态应用中，最重要的一部分是监控画面中图形对象的制作。
现场数据采集到装有力控组态的计算机中后，操作人员通过力控组态仿真的画面对象便可以实现监控。
在本例中，画面对象有：
导轨、起重机大车、起重机小车、起重机挂钩、控制面板及各个按钮开关、限位灯等，如图4-2。
下面逐步介绍本项目的画面对象组态方法和步骤。
图4-2起重机控制系统组态画面
在电脑屏幕上出现了“起重机控制系统”画面，同时出现了Draw的工具箱。
4.2.1创建导轨
现在在“起重机控制系统”画面里画出象征大车导轨的图形对象，使用鼠标点击工具箱的矩形，然后把鼠标移动到画面的适当地方按住左键拖拽出一个矩形，选中矩形右键点击“对象属性”弹出“改变对象属性”窗口，将填充色设为蓝色，如图4-3所示：
图4-3改变对象属性
使用鼠标点击工具箱的立体管道，然后把鼠标移动到上面画出的矩形的适当位置按住左键拖拽出一个立体管道。
如果需要可以移动图形对象的位置及修改其大小。
单击该对象，拖动其边线修改阀门的大小；若需要移动该对象的位置，可以把光标定位在该对象上，拖动鼠标即可。
画好一边的导轨后，复制其至合适的位置，这样，起重机大车的导轨就创建好了。
如图4-4所示：
图4-4创建导轨
4.2.2创建大车
现在在“起重机控制系统”画面里画出象征大车的图形对象，使用鼠标点击工具箱的矩形，然后把鼠标移动到画面的适当地方按住
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