基于PLC的桥式起重机控制系统的设计终稿.doc

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学科分类号：

____08____

湖南人文科技学院

本科生毕业设计

题目：

基于PLC的桥式起重机

控制系统设计

学生姓名：

刘阳学号09421335

系部：

通信与控制工程系

专业年级：

自动化2009级

指导教师：

赵志刚

职称：

助教

湖南人文科技学院教务处制

湖南人文科技学院本科毕业设计诚信声明

本人郑重声明：

所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者签名：

二○年月日

湖南人文科技学院毕业设计

基于PLC的桥式起重机控制系统设计

摘要：

传统的桥式起重机采用继电器和串电阻调速作为主控制器及调速方式，面对现代工作生产中起重机的频繁起动、制动、反转、变速等操作容易因机械疲劳造成结构开裂、器件更换频繁等问题。

本设计是基于PLC的桥式起重机控制系统，控制系统选取西门子公司的S7-200系列PLC作为控制器实现对起重机大车、小车、主钩及副钩的起动、停止、反向运动等一系列控制，在速度调控方面采用安川VS-616G5变频器对各机构进行变频调速。

系统中还设计了完善的运行指示模块，操作人员能够清晰直观的监测起重机各部位运行情况。

通过本设计的一系列功能，在性能上提高了桥式起重机工作效率、扩大了调速范围，经济上提高了桥式起重机的使用寿命、减少了损耗，在安全方面提高了金属结构、机构和电气设备的可靠性，保证了作业安全。

关键字：

桥式起重机；变频调速；S7-200

DesignofControlSystemofBridgeCraneBasedonPLC

Abstract：

Bridgecranewithtraditionalrelayandseriesresistancespeedasthemaincontrollerandspeedcontrolmode,thefaceoffrequentcranemodernworkproductioninstarting,braking,reverse,speedandeasyoperationduetomechanicalfatiguecrackingcausedbyfrequentreplacement,devicestructureetc..ThedesignofcontrolsystemofbridgecranecontrolsystembasedonPLC,selectionofSiemenscompanyS7-200seriesPLCascontrollerofcrane,trolley,themainhookandtheauxiliaryhookstart,stop,reversemovementandaseriesofcontrolinspeedregulation,useANCHUANVS-616G5seriesinvertervariablefrequencyspeedcontrolofeachmechanism.Thesystemisdesignedtoimprovetheoperationindicationmodule,theoperatorcanmonitorthecranepartsofclearandintuitiveoperation.Throughaseriesoffunctionsofthedesign,theperformanceimprovestheworkefficiency,enlargethespeedrangeofbridgecrane,economicincreasetheservicelifeofthebridgecrane,thelossisreduced,thesafetyaspectsofimprovingreliabilityofmetalstructure,andelectricalequipment,ensuretheoperationsafety.

KeyWords：

Bridgecrane;Frequencycontrol;S7-200

I

目录

第一章绪论 1

1.1桥式起重机的研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国内发展现状 1

1.2.2国外发展现状 2

1.3本课题的研究目的和意义 3

第2章基于PLC桥式起重机控制系统的总体设计 4

2.1桥式起重机的工作原理 4

2.2系统方案设计 5

2.3电机的选型 6

2.4变频器的选型 7

2.5辅助器件的选择 8

第3章控制系统的硬件设计 10

3.1电气图 10

3.2PLC的选型 11

3.2.1主控器的选型 11

3.2.2扩展模块的选型 12

3.3系统I/O分配 12

3.4控制系统的硬件接线图 15

第4章基于PLC桥式起重机机控制系统的软件设计 16

4.1编程软件的介绍 16

4.2系统流程图的设计 16

4.2.1系统主流程图 16

4.2.2运行机构流程图 17

4.2.3起升机构流程图 18

4.3梯形图设计 19

4.3.1大车电机的控制 19

4.3.2大车抱闸系统的控制 19

第5章总结与展望 21

5.1总结 21

5.2展望 21

致谢 22

参考文献 23

附录 24

附录A系统硬件接线图 24

附录B系统完整梯形图程序 27

III

第一章绪论

1.1桥式起重机的研究背景

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，广泛应用于工矿企业的车间，仓库或露天场地。

桥式起重机一般由装有大车运行机构的桥架、装有起升机构和小车运行机构的起重小车、电气设备、司机室等几大部分组成。

经过几十年的发展，我国桥式起重机在各方面不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。

但是在实际的使用过程中，结构开裂是时有发生的事情。

造成这个现象的主要原因是频繁的超负荷作业以及过大的机械振动引起的机械疲劳[1]。

传统的起重机驱动方案主要为以下五种：

（1）直接起动电动机;

（2）改变电动机极对数调速;（3）转子串电阻调速;（4）涡流制动器调速;（5）可控硅串级调速;（6）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[2]。

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，也没有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[3]。

在未来，机械工业的计算机化、高度自动化是不可阻挡的趋势。

现代工业控制过程中可编程控制器以其便捷的计算机化、可靠的性能得到了越来越广泛的应用。

本课题正是以可编程控制器为主控器来进行设计的。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内发展现状

起重机原理在我国宋代农业生产中就已经得到应用，但是没有得到良好的传承和发展。

我国起重机械的生产在解放前是一个空白，新中国成立后才开始研制自己的桥式起重机。

桥式起重机在国内从开始研制到今天已经走过六十年的发展历程，经历了从无到有、从简到精的蜕变，在发展的过程中主要有三个阶段。

新中国成立之后，国家将工作重心转移到经济建设当中，发展重工业便是首要的任务。

1949年10月27日，由大连起重机器厂生产出我国第一台双梁桥式起重机，该起重机重量为5吨，跨度为22.5m。

该起重机的生产成功代表着我国起重机技术步入了发展轨道。

由于我国重工业水平处于起步阶段，所以当时桥式起重机生产技术还不够成熟，该起重机仅仅能够进行简单、呆板的运作，而且需要耗费大量的人力来协同作业。

随着改革开放的不断深入，我国桥式起重机生产企业以及研究机构与国外起重机生产企业联系日益增强。

1995年10月，中国上海振华港口有限公司制造出一台ZPMC桥式起重机采用德国AEG公司的电气驱动系统，装配电子防摇系统和自动化操作系统。

为了节约人力，提高工作效率，改善作业条件，这是我国第一次将遥控系统用于桥式起重机运输机械，在控制方式上具有划时代的意义。

近年来，我国桥式起重机朝着大型化、高效化、协同作业化发展，并且取得了不俗的成绩。

2006年由太原重工股份有限公司研制成功的最新科技成果—我国第一台无线并车吊运百米钢轨新型桥式起重机在山西省科技厅举办的科技成果鉴定会上通过了专家鉴定。

2010年8月中国第二重型机械公司为镇江基地生产了第一台160/50t-32mA5级吊钩桥式起重机[4]。

1.2.2国外发展现状

在国外桥式起重机的发展历程当中，无论是从起步时间、发展速度以及发展水平方面都明显优于我国。

国外桥式起重机发展史上迎来过两次春天，第一次在第一次工业革命之后，第二次是计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术飞速发展的二十一世纪初期。

19世纪后期，第一次工业革命起于英国席卷欧洲，蒸汽机的使用代替了传统的水力驱动，起重机的技术革新犹如雨后春笋般跳入人们的眼球。

德马克公司在1873年维也纳世界博览会推出世界第一台蒸汽驱动的桥式起重机[5]。

七年之后，第一台钢铁材料制成的、以电力拖动的桥式起重机在德国出现，但是该起重机驱动方式采用的是集中全部驱动的方式，在电机同步当中存在很大的问题。

二十一世纪初，随着计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术飞速发展，国外许多桥式起重机制造公司将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现桥式起重机的自动化和智能化。

2010年，德国德马克公司制成一台可用激光查找起吊物体重心、在取物装置上装有超声波传感器引导自动抓取货物的桥式起重机，其自动防摇系统能在运行速度200m/min、加速度0.5m/s2的情况下很快使摇摆振幅减至几个毫米。

1.3本课题的研究目的和意义

本课题当中以桥式起重机为研究对象，传统的桥式起重机采用交流绕线串电阻的方式来实行启动和调速，同时采用继电-接触器控制，这种控制方式可靠性低且操作非常复杂同时故障率较高。

桥式起重机大多工作任务繁重、工作环境相对恶劣，传统的桥式起重机容易发生电动机以及所串电阻烧损的情况，不仅影响到正常的生产进而造成经济损失，更有甚者造成人员伤亡。

经过本系统设计改造之后桥式起重机的起动、抱闸制动以及变速等过程更加平稳，定位更加精确，而且大大减少了负载波动，提高了安全性能。

系统运行过程中，开关器件实现了无触点化，具有半永久性的使用寿命。

经改进后，电动机起动电流大幅减小，在起动和停止时电机的热耗减少，大大的延长了电机的寿命。

电磁制动器在电机低速时进行抱闸刹车，减少了闸皮的磨损，使其使用寿命延长。

在经济方面效果尤为显著，由于电机的运行电流小，不仅使运行耗电大幅降低，而且减少了对电网的冲击一定程度上保护了其他设备。

现代工业朝着自动化、智能化、集成化和信息化发展，PLC技术在现代工业技术中得到了越来越普遍的应用[6]。

通过本课题的设计，使我加深了对可编程控制器的理解，强化了对可编程控制器的应用能力。

在动手能力、分析问题能力以及解决问题的能力上有很大的提升，同时对当今国内工业生产现状有了更深层次的认识，为即将毕业后走上工作岗位奠定了一定的基础。

第2章基于PLC桥式起重机控制系统的总体设计

2.1桥式起重机的工作原理

本设计是针对涟源钢铁公司实际生产情况需求来进行设计的。

该起重机共有两个起升机构，核载量为20/5t。

整个起重机系统当中含有五台电机以及四台变频器，分别为大车的两台电机以及一台变频器，小车的一台电机以及一台变频器，主钩和副钩各一台电机及一台变频器。

桥式起重机由大车控制机构、小车运行机构、主起升机构、副起升机构构成。

通过对四个机构的控制来完成桥式起重机功能的实现。

图2-1为桥式起重机的结构图。

图2-1桥式起重机结构图

以下是对该控制系统各机构结构和功能的介绍：

（1）大车运行机构。

该机构控制桥式起重机在横梁轨道上的横向移动，由两台电动机、一台变频器以及电磁制动器构成。

在大车运行的过程中，通过控制电动机的正反转来实现运行方向的选择。

在速度控制方面，选用变频器作为速度控制设备，可以实现三个档位的调速，驾驶员可根据实际情况选择不同档位的运行速度。

当大车运行至指定位置时，电磁制动器通电制动，大车运行停止[7]。

（2）小车运行机构。

该机构控制桥式起重机在横梁轨道上的纵向移动，由一台电动机、一台变频器以及电磁制动器构成。

在运行方向控制中该运行系统与大车运行机构类似，也是通过控制电机的正反转来实行方向的控制。

由于小车运行机构运行时所需动力较低，所以一台电动机就能够满足要求。

在速度控制方面通过变频器的变频调速实现小车能够通过三个不同速度运行，运行至指定位置时，通过电磁制动器实现抱闸停车。

（3）主起升机构。

该机构由一台大功率电动机、一台变频器以及电磁制动器构成，主要用于重量较重的物体的起吊。

吊钩的起升与下降过程中采用变频器对上升与下降速度进行调节，以此来节约时间提高工作效率。

吊钩的起降方向控制通过电机的正反转来实现。

电磁制动器主要用于吊钩运行至指定位置时的制动。

（4）副起升机构。

由于主起升机构运行功率较大，当起吊物体重量较轻时不宜采用主起升机构进行起吊。

副起升机构的主要功能是针对重量低于5t的物体进行起吊，虽然增加了造价但是从节约运行成本的长远角度来看还是比较经济的。

副起升机构由一台电动机、一台变频器以及电磁制动器构成，电动机功率与主起升机构相比较小[8]。

在方向、速度、制动控制方面与主起升机构大体相同。

2.2系统方案设计

根据控制系统的功能要求，本系统是通过可编程控制器为主要控制器来实现桥式起重机的工作正常运转。

通过操作人员在操作室操作，PLC在接到操作

图2-2系统总体设计方案

人员的指令后经过处理将命令交给变频器，通过变频器的变频调速控制大车、小车以及起升机构电动机的运转来实现桥式起重机的运行，并且可以通过控制电机正反转改变各机构运行方向，控制变频器变频信号的输出改变个机构运行速度。

与此同时，PLC将各种信息传输给显示模块，显示模块能够将起重机各种状态直观、清晰的反馈给操作人员，例如大车、小车以及起升机构限位指示灯，变频器及不同机构电机故障指示灯。

在遇到故障之后报警模块能够及时报警并将信息传递给操作人员，以便操作人员及时作出处理，避免造成人员伤亡和财产损失。

系统总体设计方案如图2-2所示。

2.3电机的选型

本设计当中共有五台电机，分别为大车运行机构中两台电机、小车运行机构中一台电机、主起升机构一台电机、副起升机构一台电机。

选择电机时，通常要依据很多准则，比如所需功率、最大转矩、接电持续率、起动等级、控制类型、速度变化范围、供电方式、保护等级、环境温度以及海拔高度等。

本设计当中主钩和副钩属于起升机构，大车与小车属于运行机构，根据机构的工作特性不同，我们在电动机的选择时考虑的情况也不同。

大车运行时，运行轨道较长，且运行机构较重，为了提高效率并且满足生产需求选取两台电机并联的形式带动大车运行，根据涟源钢铁厂实际生产情况大车运行时要求功率在11kw左右，所以大车运行机构中所选电机为YZR160M1-6，该电机功率为5.5KW。

小车运行机构当中，小车运行轨道较短且小车运行机构重量较轻，较小功率的电机就能够满足小车运行要求。

小车运行机构中选取一台YZR160M1-6电机作为该机构动力装置。

主起升机构核定起吊上限为20t，通过最大允许起升力、起升速度以及起升机构效率三方面考量，起升机构电机所需最大功率约为30kw，所以在起升机构当中所选电机型号为YZR250M1-8,该电机功率为30kw，能够满足起升机构运行要求。

为了节省能源提高工作效率，在起吊5t以下的物体时采用副起升机构。

由于副起升机构起吊物体相对较轻，最大允许起升力相对较小，所以在副起升机构中所选电机为YZR200L1-8，该电机功率为15KW[6]。

本系统当中所选电机均为YZR系列，该系类电动机是断续工作的，它的特点是可以经常起动、制动和反转，负载在大小与方向上经常变化，能够满足桥式起重机运行机构和起升机构的工作要求。

在结构上，YZR系列电动机转子作得比较细长，有效的减小了起动与停车时的惯性。

YZR系列电动机具有过载能力大和机械强度高的特点，特别适合驱动各种类型的起重和冶金机械或其它类似的设备。

图2-3YZR系列电动机

2.4变频器的选型

变频器的选用通常根据所调控的三相异步电动机的额定电流或者三相异步电动机实际运行中的最大电流来决定。

本系统当中各机构中所选变频器必须能够给电动机提供150%的额定转矩输出。

起升系统当中为防止溜钩现象的发生，变频器还必须具有零速时的转矩功能[9]。

针对本系统的设计要求，选取选用日本安川公司的VS-616G5变频器作为各机构变频调速器件，VS-616G5变频器配有外接的制动单元和制动电阻，通过改变外接制动单元和制动电阻阻值的大小来改变调控电流的大小进而满足各机构的调速要求。

VS-616G5变频器属于电压型变频器，它包括了四种调速方式：

标准V/F控制、带PG反馈的V/F控制、无传感器的磁通矢量控制和带PG反馈的磁通矢量控制。

VS-616G5只需简单的参数设置就可以用于广泛的应用领域。

VS-616G5变频器具有全磁通矢量控制，在低频下也能提供150%额定转矩的起动转矩。

在速度反馈环节可做到零速控制，即使在零速下也有150%的额定转矩输出，有效的防止了起升机构溜钩现象发生，在发生故障时，也能确保无冲击安全运行，此特性在起重机械中尤为重要。

除此之外，安川VS-616G5具有比较合理的价格、完整的理论计算书以及辅件推荐值，同时，安川公司所生产的各系列变频器在我国一直占有较大的市场份额，拥有完善的售后服务系统。

图2-4VS-616G5变频器端子图

图2-4为安川VS-616G5变频器端子图，其中R、S、T为三相交流电源输入口，1、2为正反转输入口，3为外部故障输入口，4为故障复位输入点，5、6、7为速度切换档位输入点，8为点动输入点，B1、B2为外部串电阻接口，U、V、W为三相异步电机接线端，21、22、23为模拟信号输出端，18、19、20、9、10、25、26、27为数字信号输出口。

2.5辅助器件的选择

本控制系统当中需要一些必要的辅助器件才能够完成控制功能的实现，必要的辅助器件包括交流接触器以及热继电器。

1、交流接触器

交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。

它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。

主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点。

本系统当中采用交流接触器控制电机正反转以及抱闸装置的通断。

在选择交流接触器时首先考虑该接触器所控电路的工作电流，为了避免电流波动对交流接触器带来的损坏，在选取接触器时所选接触器的额定电流一般为线路正常电流的2至3倍[10]。

各机构抱闸系统中，电磁制动器的工作电压为20A,所选交流接触器型号为NSFC1-50,该接触器额定电流为50A。

运行机构中大车及小车所接变频器额定电流均为30A，所选接触器型号为GTM1L-75,该接触器额定电流为75A。

主起升机构变频器为48A,副起升机构变频器额定电流为47A。

起升机构中所选接触器为GTM1L-125交流接触器[8]，该接触器的额定电流为125A。

图2-5GTM1L-125交流接触器

2、热继电器

本系统采用热继电器作为电机的过载保护装置。

热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定程度时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电机的过载保护[11]。

大车运行机构当中电机额定电流为30A，大车控制电路中所选热继电器型号为LRD-53C，该热继电器整定电流范围为30至40A。

小车运行机构中电机额定电流为11.6A，控制电路中所选热继电器型号为LRD-21C,该热继电器整定范围为12-18A。

主起升机构和副起升机构中电动机额定电流分别为48A、47A，起升机构控制电路中所选热继电器为LRD-59C，该继电器整定电流范围为48-65A。

图2-5施耐德热继电器

第3章控制系统的硬件设计

3.1电气图

本设计中需要控制五台电机作为动力装置以及四台变频器作为调速装置。

通过控制交流接触器的通断控制电机正反转进而控制各机构运行方向。

在制动方面，本设计采用电磁制动器对各机构进行制动。

为了避免过电流对系统的影响，采用热继电器与电机串联接入电路。

主要电气图如图3-2所示，图中QS

图3-1电气接线图

为总开关，输入电压为380V，FU为熔断器，YA1、YA2、YA3、YA4为电磁制动器。

KM1、KM2、KM4、KM5、KM7、KM8、KM10、KM11为交流接触器，通过控制它们的通断来控制电机正反转，通过控制KM3、KM6、KM9、KM12通断来实现各机构的抱闸制动。

FR1、FR2、FR3、FR4、FR5为热继电器，当流入电机中的电流过大时，热继电器便会断开以保护电路中器件不被烧毁。

3.2PLC的选型

3.2.1主控器的选型

采用PLC为主控制器的桥式起重机控制系统，其中起停按钮，三个档位的控制信号，电机正反转的控制信号，各机构制动器的通断控制，限位保护控制以及报警提示等，估计需要I/O口数70~90个。

本控制系统属于中小型控制系统，选择一款结构紧凑、功能强、具有很高性价比的小机型PLC最为合适。

因此本设计选用西门子公司S7-226PLC[12]。

西门子S7-226PLC属于西门子S7-200系列。

S7-200系列PLC功能强、速度快、具有模块化、具有极高的可靠性、极丰富的指令集、实时特性、良好的通信能力等。

它的强大功能使其无论是在独立运行中，或相连成网络都能实现复杂控制功能。

西门子S7-226PLC有24个数字输入点和16个数字输出点，同时还拥有7个I/O扩展模板，最大I/O个数可扩充至128/120。

特殊端子间提供DC24V/400mA传感器电源，这个电源可以作为输入端的检测电源使用，也可用于对外围设备提供电源，例如故障指示灯等元件。

内置RAM存储器的容量为8K，典型值为2.6K条指令，内部继电器、定时器以及计数器个数都为256个。

图3-2S7-200系类PLC

3.2.2扩展模块的选型

由于PLC上I/O口数量不能够满足本系统要求，所以必须外接扩展模块。

西门子S7-226PLC配有数字量输入输出模块（EM223）,在一块模块