PLC与变频器在桥式起重机控制系统改造中应用技术.docx

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PLC与变频器在桥式起重机控制系统改造中应用技术

一、问题的提出。

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二、起重机的工作原理。

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三、起重机电气控制系统硬件设计。

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3.1PLC控制系统………………………………………………………-4

3.2变频调速系统………………………………………………………-8

3.3触摸屏系统………………………………………………………..-14

四、起重机电气控制系统软件设计。

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五、改造前后技术对比。

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六、结束语。

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PLC与变频器在桥式起重机控制系统

设计中的应用

摘要：

针对100/20t桥式起重机原控制系统在启动和调速等方面存在的问题，本文采用PLC、变频器及触摸屏控制技术对其电气控制系统的硬件结构和软件进行总体优化设计。

实践表明，改造后的系统有效克服了起重机存在的缺陷，运行可靠，具有良好的工业应用前景。

关键词：

可编程控制器；变频器；触摸屏；桥式起重机；优化设计

随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC控制技术和变频调速技术以其可靠性高、运行平稳、控制过程软件化、功能强、灵活性大等特点，已广泛应用于电气传动领域。

本研究以桥式起重机的变频调速和以PLC为核心的控制系统设计为例，说明PLC控制系统和变频调速所具备的优越性。

一、问题的提出   马钢某钢厂一100/20t桥式起重机，主要用于吊钢包、吊废钢、加料等。

该起重机主要采用交流绕线转子串电阻方法进行启动与调速，继电接触器控制。

由于载荷利用率高，工况恶劣，而且重载下频繁起动、制动、反转、变速等操作，实际使用中存在如下问题：

（1）调速方式只能进行有级调速；

（2）起动/制动冲击电流大，对电动机的电刷、滑环及制动器有比较大的冲击，维修率高；（3）串电阻长期发热，电能浪费大，效率低；（4）接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高等，极大影响了该厂的效益。

   本文针对该系统的不足，将可编程序控制器、变频器和触摸屏控制技术应用于桥式起重控制系统中，使得起重机的整体特性得到较大提高，投入运行后效果良好，运行稳定。

二、起重机的工作原理

桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称天车。

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。

桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。

桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。

起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。

起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。

电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。

小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。

起重机运行机构的驱动方式可分为两大类：

一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。

中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。

起重机运行机构一般只用四个主动和从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压。

当车轮超过四个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上。

桥架的金属结构由主梁和端梁组成，分为单主梁桥架和双梁桥架两类。

单主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁和端梁组成。

主梁与端梁刚性连接，端梁两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行。

主梁上焊有轨道，供起重小车运行。

桥式起重机是使用最广泛、拥有量最大的一种轨道运行式起重机，其额定起重量从几吨到几百吨。

最基本的形式是通用吊钩桥式起重机，其他形式的桥式起重机基本上都是在通用吊钩桥式的基础上派生发展出来的。

三 、起重机电气控制系统硬件设计   桥式起重机有四个机构，分别为：

（1）主起升机构：

37kW（一台电机）；

（2）副起升机构：

30kW（一台电机）；

   （3）大车运行机构：

2×7.5kW（两台电机）；

   （4）小车运行机构：

7.5kW（一台电机）；   改进后，起重机控制系统主要由上位机-触摸屏控制系统、下位机-可编程控制器、变频调速系统以及负荷重量测量仪等组成（控制系统结构框图如图1所示）。

各机构电动机都需独立运行，大车为两台电动机同时拖动，实现同步运行。

所以整个系统有五台电动机，四台变频器。

起重机必须实现的操作功能有：

主起升机构升降、副起升机构升降、大车运行、小车运行；保护功能有：

主副起升机构上升限位、下降限位、大车限位、小车限位，超载保护等。

    本系统主要由PLC和变频器来实现起重机的运行及保护等功能。

                      图1   起重机控制系统结构框图

3.1 PLC控制系统

1、PLC的基本概念

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC,plc自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。

2、PLC的基本结构

　　PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

　　a、电源

　　PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去

　　b.中央处理单元（CPU）

　　中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

　　为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

　　c、存储器

　　存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

　　存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

　　d、输入输出接口电路

　　1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

　　2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

　　e、功能模块

　　如计数、定位等功能模块

　　f、通信模块

　　如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等

3、PLC的工作原理

　　一.扫描技术

　　当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（一）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（二）用户程序执行阶段

　　在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

　　即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

　　在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

　　（三）输出刷新阶段

　　当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

4、PLC内部运作方式

虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。

因此能大大减少控制器所需之硬件空间。

实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU中并最后执行控制运作。

在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下：

　　步骤一“输入状态检查”：

PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1或0代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。

步骤二“程式执行”：

将阶梯图程式逐行取入CPU中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。

输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。

步骤三“输出状态更新”：

将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。

此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC之反应时间，PLC输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。

每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”

5、plc目前的主要品牌

ABB，松下，西门子，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷等。

   综合考虑，PLC控制单元我们选用西门子S7-300系列，该系列可编程序控制器具有可靠性高、抗干扰能力强、模块化、性价比高等特点。

S7-300系列PLC可用梯形图、语句表和功能块图进行编程，指令丰富，功能强，操作方便。

该桥式起重机各机构采用四个档位的控制器操作，加上各种保护，计算出输入点数为28点，输出点数为24点。

   总体配置硬件如下：

（1）中央处理模块（CPU）：

选用6ES7 315-2AG10-0AB0；

（2）数字量输入模块（两块）：

选用6ES7 321-7BH00-0AB0，16点；

   （3）数字量输出模块（两块）：

选用6ES7 322-1HH01-0AA0，16点；

   （4）电源模块：

选用PS307一块。

3.2 变频调速系统   桥式起重机调速控制系统多由继电接触器电路和分立电子元件电路组成。

其电路复杂,体积庞大,给设备维护带来极大的不便,且效率较低。

而采用先进电力电子技术和计算机技术的变频调速控制系统,可以克服以上的局限性,具有以下显著的优点:

（1）变频调速系统属于转差功率不变型调速系统。

无论低速还是高速,其转差功率不变,效率最高。

（2）变频器采用无触点电力电子元件,节省了大量的继电器和接触器,简化了外部接线,缩小了控制设备的体积。

（3）变频器内部控制的核心是CPU单元,具有较强的运算和控制能力,能够实现参数化调速控制,设置合理的电机运行参数,保证起重机各机构有较大的调速范围和较高的调速精度。

（4）变频器内部具有故障自诊断功能,能实现系统的过电压、过电流和过载保护等功能,液晶显示界面可显示出故障信息。

该系统性能可靠,故障率极低。

三菱FR-A740系列变频器，自身保护功能齐全，如过流，过载，过压等都能及时报警及停止，减少了起重机故障，提高了安全性能。

同时三菱变频器具有限流作用，可以减少启动时对电网冲击，有利于车间内其它设备正常运行。

其接线端子有RS485通讯接口，配备相应的通讯模块，通过PLC实现集中控制（设定变频器控制命令、运行频率、相关功能码参数的修改，变频器工作状态及故障信息的监控等）。

   各机构变频器、制动单元、制动电阻配置如下：

（1）主起升机构：

FR-A740-45K-CHT（配IPC-DR-3S制动单元1个，制动电阻10Ω/25kW一套）；

（2）副起升机构：

FR-A740-37K-CHT（配IPC-DR-3S制动单元1个，制动电阻11Ω/20kW一套）；

   （3）大车运行机构：

FR-A740-18.5K-CHT（配IPC-DR-1L制动单元1个，制动电阻30Ω/6kW一套）；

   （4）小车运行机构：

FR-A740-11K-CHT（配IPC-DR-1L制动单元1个，制动电阻60Ω/3kW一套）。

图3.2.1大车变频控制回路

控制系统的逻辑控制功能及过程

桥式起重机变频调速电力拖动系统PLC逻辑控制梯形图如图2所示。

逻辑控制功能主要功能：

（1）.变频器运行、停止控制。

（2）.控制制动器，保证电动机停止时能够及时制动，既不提前，也不延后。

　　（3）.升降变频器控制方式切换。

　　（4）.电气闭锁保护控制。

　（5）.升降、开闭变频器中任意一台变频器报故障时，两台变频器均能够立即停止输出。

并同时制动。

　　（6）.任何时刻断电，系统将立即停止，制动器制动。

图2桥式起重机变频调速电力拖动系统PLC逻辑控制梯形图

吊钩升降、开闭机构电气拖动系统：

吊钩升降、开闭机构拖动系统各有一台电机，由于吊钩升降、开闭机构拖动系统电机是同时工作，因此两套机构不能共用一套变频器。

在司机操作室联动台上分别设有吊钩升降、开闭机构主令控制器Ks、Kf。

系统的控制指令，由司机室联动台主令控制器Ks、Kf给出，经PLC运算后给出控制变频指令：

上升、下降、、打开、关闭、加速、减速。

吊钩升降、开闭机构制动打开由变频器输出继电器经PLC逻辑运算后驱动制动器控制接触器Cs、Cf，使制动器动作。

变频器内部保护功能有：

短路、过压、缺相、失压、过流、超速、接地等各种保护功能和故障自诊断及显示报警功能。

当变频器出现短路、过流等故障时，变频器给出故障信号输入PLC，并停止输出，PLC接到故障信号后，切断变频器电源，控制制动器抱闸，并发出报警信号。

吊钩升降、开闭机构除了变频器内部有保护功能外，线路还设置了下列保护：

①.零位保护：

由主令控制器零位触点实现；②.限位保护：

由高度限制器实现；③.线路设有低压断路器作为短路保护。

　　大车、小车运行机构电气拖动系统：

大车、小车运行机构分别由一台变频电机驱动，系统控制方法与起升机构电气传动系统类似。

、控制系统的控制要点

　　桥式起重机拖动系统的控制包括:

大车的左、右行及速度档；小车的前、后行及速度档；吊钩的升、降，开、闭及速度档等，抓斗式起重机拖动系统变频器控制回路电气原理图见图3。

这些都可以通过变频器可编程控制器进行无触点控制。

　图3桥式起重机拖动系统变频器控制回路电气原理图

3.3 触摸屏系统   工业触摸屏选用西门子的5.7英寸TP170A彩色触摸操作面板，与PLC控制系统连接，利用强大的工业触摸屏组态软件进行开发。

它一方面采用直观人机界面，能够明确指示操作员机器设备目前的状况，使操作简单明了，减少失误；另一方面人机界面具有故障显示及控制变频器全变频调速等功能，通过上位机、下位机通讯，实现实时监控。

四、 起重机电气控制系统软件设计   软件设计要求实现系统设定的功能，同时要求可靠性好，易于操作和维护。

因此根据起重机工作要求，本系统将控制程序模块化，主要包括主起升控制模块，副起升控制模块，大车运行控制模块，小车运行控制模块，保护功能模块。

这样不仅减少了程序语句，缩短了程序处理时间，提高了控制系统的响应能力，还利于实现起重机带负载快速调试，便于调试人员迅速查找、优化程序，PLC系统控制流程图如图4所示。

变频器通电

PLC检测变频器无故障

准备好

抱闸、风机电源通电

打开抱闸

驾驶员操作开始运行

PLC得到运行信号

风机开始运行

大车运行

小车运行

主钩运行

副钩运行

变频器频率开始下降，速度减小

频率降到频率到达值（设定）

抱闸抱上

变频器停止运行

延时一段时间（设定），风机停止运行

图4   PLC程序流程图

五、改造前后技术对比   经过实际应用，改造后的系统性能得到了很大的改善。

不仅可以明显提高起重机的安全性、可靠性，而且可以提高工作效率，降低能源的消耗，降低维修费用，减少劳动强度，满足其工况和作业需要。

主要表现在：

（1）上位机选择触摸屏控制系统，提示整机工作状况以及各种故障信息，极大方便了各类操作人员的使用和维修。

（2）下位机采用PLC来实现各电机的启、停，数值的转换、速度的检测。

   （3）采用变频器实现起重机电机的调速运行，调速范围宽、性能好。

系统设有主副起升、大、小车走行各四档工作速度，操作者 可根据负载的变化情况，随时修改各档速度值。

  （4）结构简单、可靠性高、易于维护。

主副起升、大车、小车四套变频调速控制系统采用独立的控制柜，每个控制柜包括变频器、可编程控制器以及低压元件，外观结构十分简单。

系统还具有过流保护、过压保护、欠压保护等功能，确保了控制、保护动作的准确性和可靠性。

 5）节能效果显著。

绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内消耗大量的电能。

采用变频调速系统后，非但外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，并且在起重机放下重物时，还可将重物释放的位能反馈给电源。

六、 结束语   经改造后的桥式起重机将可编程序控制器、变频器和触摸屏控制技术应用于桥式起重机控制系统中，使得起重机的整体特性得到较大提高，解决了传统桥式起重机控制系统存在的问题。

变频调速技术改造起重机电力拖动控制系统，不但使控制性能得到极大的提高也降低了系统的能耗，具有良好的工业应用前景。

因此，该控制系统的研究与应用具有较强的推广价值。

致谢词

值此设计完成之际，心中充满了一片感激之情，在整个论文完成的过程中得到了我的导师谢婷谢老师的精心指导，在此要向她致以最崇敬的感谢。

谢老师总是在百忙之中抽出时间来为我们解答论文设计过程中的疑惑，老师严谨踏实的研究作风，渊博深厚的知识，孜孜不倦的诲人，我感到由衷的敬佩。

导师以其严谨、求实的治学态度，高度的责任心和敬业精神，给予我极大的鼓励和帮助，导师踏实认真、开拓创新的治学作风将使我终身受益，本论文从选题到完成无不浸透着恩师的心血。

在此期间，导师多次询问我设计的进度，提醒我该注意的问题，并在我课题遇到困难时，给予我耐心的指导及帮助，借此机会，谨向我恩师表达我衷心的感谢和崇高的敬意！

感谢我公司具有多年施工经验的老师傅们，他们给予我现场实际讲解和考察的机会。

最后我要诚挚地感谢我的家人，是他们无微不至的关怀、一贯的体谅与支持，使我能在工作和学习上不断前进，他们是我努力工作和积极生活的精神支柱。

对我的亲人、同学和朋友们表示深深的谢意！

高勇谨致

参考文献

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