5t桥式起重机plc及变频器设计.docx
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5t桥式起重机plc及变频器设计
昆明工业职业技术学院
毕业设计任务书
20届工科类
设计题目：
桥式起重机电气控制系统
学生姓名：
指导教师：
杨云英
层次：
本科技术职称：
副教授
准考证号：
学生专业：
机械制造与自动化
助学中心名称：
昆明工业职业技术学院
设计时间：
2013年5月15日～2013年8月30日
第一部分概述
1.1桥式起重机简介
桥式起重机是桥架式起重机的一种用途很广的起重机械，桥式起重机安装在厂房高处两侧的吊车梁上，它依靠升降机构和水平运动机构在两个相互垂直的方向运动，能在矩形场地及上空完成操作，是各种生产企业广泛使用的一种起重运输设备。
它具有承载能力大、可靠性高、结构相对简单等特点，随着经济建设的发展，用户对起重机的性能要求越来越高，而早期的起重机已无法满足要求，因此需要对起重机的控制方式进行改进，满足工业生产的需要。
传统起重机的控制系统一般采用六种调速方式：
直接启动电动机、改变电动机极对数调速、转自串电阻调速、涡流制动器调速、可控硅串级调速、直流调速。
前四种为有极调速，调速范围小，且只能在额定转速下调速。
采用转子回路串电阻等方式进行调速，启动电流大，对电网冲击很大，导致机械冲击频繁，振动剧烈，容易造成机械疲劳，导致意外事故发生。
因此需要采用无级调速可以较好地解决以上问题，如可控硅串级调速，可实现无级调速，并减少启动、制动冲击，但其控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现实际应用。
采用直流电动机也是一种较好的调速手段，但由于直流电动机制造工艺复杂、维护要求高、故障率高等缺点，故使用较少。
早期的起重机采用接触器、继电器系统控制，由于频繁的动作和高压作用，经常会出现触点烧损的现象，电阻箱受工作环境的影响容易出现腐蚀、老化，造成频繁的事故。
随着电力、电子技术、计算机技术的迅速发展，变压变频调速技术（VVVF）和可编程逻辑控制器（PLC）已广泛应用于电气传动领域。
目前有以下3种调速系统。
直流驱动调速系统：
该系统通过将给定模拟量转换成数字量，通过速度环、电流环到SCR移相触发的逻辑无环流调速，可用测速反馈或电压反馈。
交流调速系统：
这是国内普遍采用的一种调速方式，是利用绕线式转子串电阻调速，随着晶闸管定子调压、调速技术的发展，技术逐渐成熟，进入实际应用阶段。
变频调速“大功率的IGBT模块是变频技术在升降设备中的控制成为可能，变频调速法现在有恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等。
我们这次设计采用变频调速。
1.2桥式起重机控制系统的功能要求
桥式起重机的功能主要是完成大型物品的运输功能。
其主要涉及两方面的功能：
检测输入信号、控制输出。
1.2.1检测输入信号
桥式起重机控制系统主要完成对操作按钮输入的检测、限位开关的检测、变频器反馈值的检测等。
（1）操作按钮输入的检测。
完成对人工操作台的输入按钮检测，主要的输入按钮有急停旋钮和启动按钮、大车运行和停止和加速及减速按钮、小车运行和停止和加速及减速按钮、升降机运行与停止和加速及减速按钮等。
（2）限位开关的检测。
限位开关一共包括三组：
大车前进、后退限位开关；小车左移、右移限位开关；升降机上升、下降限位开关。
①大车前进、后退限位开关主要检测大车的位置，防止大车运行超出允许范围。
②小车左移、右移限位开关主要检测小车的位置，防止小车运行超出允许范围。
③升降机上升、下降限位开关主要检测升降机的位置，防止升降机运行超出允许范围。
（3）变频器反馈值的检测。
检测变频器的反馈值主要是为了防止溜钩的发生，在电磁制动器抱住之前和松开之后，容易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。
之所以会出现溜钩是因为：
电磁制动器在通电到断电或者断电到通电是需要时间的，大约0.6s（根据不同型号和大小改变），如果变频器较早停止输出，将很容易出现溜钩现象。
溜钩现象的出现主要分两种情况，其控制方法也分为以下两种。
①重物悬空停止过程。
设定一个停止频率，当变频器的工作频率下降至该频率时，变频器输出一个频率到达信号，发出启动电磁制动器运行的指令，然后延迟一段时间，该时间应略大于电磁制动器完全抱住重物所需时间，使得电磁制动器抱住重物，最后将变频器工作频率降低到0。
②重物悬空启动过程。
设定一个上升启动频率，当变频器工作频率上升至该频率，时，暂停上升，变频器输出一个频率到达的信号，发出停止电磁制动器运行的指令，然后延迟一段时间，该时间应略大于电磁制动器完全松开重物所需时间，使得电磁制动器松开重物，变频器工作频率逐渐升高至所需频率。
1.2.2控制输出
控制输出主要有大车电动机的控制、小车电动机的控制、升降机电动机的控制和电磁制动器的控制等。
（1）大车电动机的控制。
控制该电动机的运行方向、停止，以及加减速，实现重物前后运输的需要。
（2）小车电动机的控制。
控制该电动机的运行方向、停止，以及加减速，实现重物左右运输的需要。
（3）升降机的控制。
控制该电动机的运行方向、停止，以及加减速，实现重物运输的需要。
（4）电磁制动器的控制。
控制电磁制动器的运行和停止，用于辅助控制重物的停止。
第二部分系统总体设计
2.1桥式起重机的结构
桥式起重机是工业生产过程中一个重要的运输环节，一台效率高、可靠性高的桥式起重机将会使工厂生产效率大大提高。
2.1.1组成
图1桥式起重机基本组成
桥式起重机一般由桥架金属结构、桥架运行机构和电气控制结构等三部分组成，运行机构一般包括大车运行机构、小车运行机构和升降机运行机构，电气控制系统包括一些电缆、电气柜等设备，还有一些保护装置。
机械组成部分简单示意图如图所示。
（1）大车运行机构。
大车运行机构的大车采用两台电动机，使用一台变频器进行控制，由于大车运行机构的工作频率较小，因此采用一台变频器控制两个电动机，以节约成本，变频器的选择以所选电动机的额定功率为根据，通常选额定功率大一级的变频器，其控制电路示意图如图所示。
（2）小车运行机构。
小车运行机构为一台电动机单独驱动，使用一台变频器，变频器
的选择以所选电动机的额定功率为根据、通常选额定功率大一级的变频器，采用V/F控制方式，其刹车方式与大车运行机构相同，可采用自由停车的方式，机构开展示意图如图2所示类似。
（3）升降机运行机构。
升降机运行机构采用一台电动机单独驱动，使用一台变频器，可采用专用变频器进行重物提升控制，运行机构的启动要求迅速、平稳，同时电气制动方式可采用外接刹车方式，升降机运行机构控制电路示意图如图2所示。
2．电气控制系统
电气控制系统主要包括操作面板和电气控制柜等单元。
在该系统中需要检测较多的数字输入量，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的操作面板与电气控制柜各自独立，其示意图4所示。
图4桥式起重机操作面板
2.2桥式起重机的工作原理
2.2.1控制系统总体设计
桥式起重机系统的电气控制系统总体框图如图5所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各个限位开关的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。
图5桥式起重机电气控制系统
2.2.2工作过程
在启动状态下，各类设备的控制应根据操作面板上的按钮输入来控制，升降机在启动和停止时，通过检测变频器输出的频率，控制电磁制动器的运行，其工作过程如下。
（1）接通电源，启动系统。
（2）按下大车运行按钮，大车启动，通过加速、减速按钮改变大车速度。
（3）按下小车运行按钮，小车启动，通过加速、减速按钮改变小车速度。
（4）按下升降机运行按钮，升降机启动，通过加速、减速按钮改变升降机速度；当需要重物悬停半空时，减小变频器输出频率，直到设定值，频率停止下降，启动电磁制动器，将重物抱住，防止溜钩现象；当重物需从半空开始上升或下降时，增加变频器的输出频率，到达某设定值时，频率停止上升，停止电磁制动器工作，松开重物，变频器输出频率持续增加到所需值。
第三部分硬件系统配置
根据桥式起重机控制系统的机械结构及其相关设备、工作原理和控制系统的功能要求，如何设计桥式起重机控制系统和所需的各种硬件设备的连接方式，因此设计出其电气控制系统框图如图6所示，在此控制系统中核心处理器是PLC,其输入和输出量都为数字量，变频器的控制采用RS-485通信。
3.1接触器
在起重机控制系统中，其中所有的设备的运行都不是连续的，而是根据控制面板上的按钮情况进行动作的，因此需要PLC根据当前的工作情况，一级按钮的情况来控制所有设备的启停，共需要4个接触器：
大车电动机接触器、小车电动机接触器、升降机电动机接触器、电磁制动器接触器。
（1）大车电动机接触器。
大车电动机接触器包括两个部分：
一个是控制正转的接触器；另一个是控制反转的接触器，通过PLC输出的指令控制电动机的正反转和停止，从而控制大车的运行与停止。
（2）小车电动机接触器。
小车电动机接触器包括两个部分：
一个是控制正转的接触器；另一个是控制反转的接触器，通过PLC输出的指令控制电动机的正反转和停止，从而控制小车的运行与停止。
（3）升降机电动机接触器。
升降机接触器包括两个部分：
一个是控制正转的接触器；另一个是控制反转的接触器，通过PLC输出的指令控制电动机的正反转和停止，从而控制升降机的运行与停止。
（4）电磁制动器接触器。
电磁制动器接触器通过PLC输出的指令控制接触器的断开和闭合，从而控制电磁制动器的运行和停止。
3.2变频器
在该系统中，采用西门子公司的MM4系列变频器，该系列变频器是最常用也是功能较强的一种变频器，主要应用于各种工业、冶金、建筑、水利、纺织、交通等领域，性能良好，借个实惠，是一种性价比较高的变频器。
该系列中的MM440变频器是一种通用变频器，能适用于一切传动系统，采用了现代先进的矢量控制系统，使得当负载突然增加时仍能保持控制稳定性。
如果对变频器进行同性控制，需要先对变频器的参数进行设置，主要对以下几个参数进行调整，如表1所示。
表1变频器参数设置表
参数号
参数值
说明
P0005
21
显示实际频率
P0700
5
COM链路的USS设置
P2010
6
9600baud
P2011
1
USS地址
P0300
根据具体电动机设置
电动机类型
P0304
根据具体电动机设置
电动机额定电压
P0305
根据具体电动机设置
电动机额定电流
P0310
根据具体电动机设置
电动机额定频率
P0311
根据具体电动机设置
电动机额定转速
P1000
5
通过COM链路的USS设定
对于在此系统中的三个变频器，都采用通信控制，对于不同的变频器的控制，只需要将这三个变频器进行地址编号，在程序控制当中，通过对不同地址变频器发送控制命令，实现对不同变频器的控制，即对于控制不同设备的变频器，改变参数P2011中的值，在此系统中，控制大车变频器的地址为1，控制小车变频器的地址为2，控制升降机的变频器地址为3。
3.3各类按钮
在这个控制系统自动操作中，采用三个机械按钮，控制烟支装盘机系统的启动和停止，手动/自动按钮使用旋钮，即旋到一边接通，旋到另一边就断开；自动启动按钮采用触点触发式按钮；急停按钮使用旋转复位按钮，按下后系统停止，旋转后自动弹起复位。
在手动控制状态时，对于每个设备都对应设置一个按钮，采用触点触发式按钮，即按下接通，松开复位。
3.4限位开关
在此系统中，公用了6个限位开关：
前进限位开关、后退限位开关、左移限位开关、右移限位开关、上升限位开关和下降限位开关。
限位开关主要是用来控制设备在运动过程中的停止时刻和位置。
（1）大车前进限位开关。
前进限位开关用于控制大车在向前运行时的位置，防止大车向前运动超出范围。
事先在纵向轨道一端的合适位置上安装好限位开关，当大车向前运行时，如果未进行停车操作，当接触到轨道前方的限位开关时，PLC控制大车停止运行。
（2）大车后退限位开关。
后退限位开关用于控制大车在向后运行时的位置，防止大车向后运动超出范围。
事先在纵向轨道另外一端的合适位置上安装好限位开关，当大车向后运行时，如果未进行停车操作，当接触到轨道后方的限位开关时，PLC控制大车停止运行。
（3）小车左移限位开关。
左移限位开关用于控制小车在向左运行时的位置，防止小车向左运动超出范围。
事先在横向轨道一端的合适位置上安装好限位开关，当小车向左运行时，如果未进行停车操作，当接触到轨道左边的限位开关时，PLC控制小车停止运行。
（4）小车右移限位开关。
右移限位开关用于控制小车在向右运行时的位置，防止小车向右运动超出范围。
事先在横向轨道另外一端的合适位置上安装好限位开关，当小车向右运行时，如果未进行停车操作，当接触到轨道右边的限位开关时，PLC控制小车停止运行。
（5）重物上升限位开关。
上升限位开关用于控制升降机向上运行时的位置，防止升降机向上运动超出范围。
事先在工作台上端的合适位置上安装好限位开关，当升降机向上运行时，如果未进行停车操作，当接触到工作台上端的限位开关时，PLC控制升降机停止运行。
（6）重物下降限位开关。
下降限位开关用于控制升降机向下运行时的位置，防止升降机向下运动超出范围。
事先在工作台下端的合适位置上安装好限位开关，当升降机向下运行时，如果未进行停车操作，当接触到工作台下端的限位开关时，PLC控制升降机停止运行。
第四部分软件系统设计
编程软件依然采用西门子公司为S7—200系列PLC开发的STEP7-Micro/WIN32。
4.1PLC选型
根据桥式起重机电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7-200系列PLC作为桥式起重机电气控制系统的控制主机。
由于桥式起重机电气控制系统涉及较多的输入/输出端口，其控制过程相对简单，因此采用CPU224作为该控制系统的主机。
在桥式起重机控制系统中使用的数字量输入点比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需扩展一定数量的I/O扩展模块。
在此采用EM223输入/输出混合扩展模块，16点DC输入/16点DC输出型，可以满足控制系统输入点的要求，虽然输出点有较多空闲，但能为后期扩展功能提供硬件条件。
4.2PLC的I/O资源配置
根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配将下面的介绍体现。
4.2.1数字量输入部分
在此控制系统中，所需要的输入量基本上都属于数字量，主要包括各种控制按钮、旋钮和各种限位开关，共有26个数字输入量，如表2所示。
表2数字输入量地址分配
输入地址
输入设备
输入地址
输入设备
I0.0
急停
I1.5
重物下降
I0.1
启动
I1.6
重物加速
I0.2
大车前进
I1.7
重物减速
I0.3
大车后退
I2.0
重物停止
I0.4
大车加速
I2.1
大车前进限位
I0.5
大车减速
I2.2
大车后退限位
I0.6
大车停止
I2.3
小车左移限位
I0.7
小车左移
I2.4
小车右移限位
I1.0
小车右移
I2.5
重物上升限位
I1.1
小车加速
I2.6
重物下降限位
I1.2
小车减速
I2.7
大车变频器复位
I1.3
小车急止
I3.0
小车变频器复位
I1.4
重物上升
I3.1
升降机变频器复位
4.2.2数字量输出部分
在这个控制系统中，主要输出控制的设备有各种接触器、电动机等，共有7个输出点，其具体分配如表3所示
表3数字输出量地址分配
输出地址
输出设备
输出地址
输出设备
Q0.0
大车正向运行接触器
Q0.4
升降机正向运行接触器
Q0.1
大车反向运行接触器
Q0.5
升降机反向运行接触器
Q0.2
小车正向运行接触器
Q0.6
电磁制动器
Q0.3
小车反向运行接触器
根据控制系统的功能要求、如表2和表3所示的I/O分配情况，以及如图所示的硬件结构框图，设计出桥式起重机控制系统的硬件接线图，如图所示，此控制面板上的按钮全部为手动控制方式。
小
小
4.2.3其他资源配置
要完成系统的控制功能除了需要PLC主机及扩展模块之外，还需要各种限位开关、接触器和变频器等仪器设备。
以上介绍了桥式起重机的结构，以及PLC外围电路连接，这些是桥式起重机控制系统的硬件基础，该部分的设计与控制系统是否能实现其预想的功能有很大关系。
在完成硬件设计的基础上，就可以根据起重机的控制要求，进行软件设计。
软件设计采用自上而下的设计方法，需要先设计出控制系统的功能流程图，然后根据具体的控制要求，逐步细化控制框图，最后完成每个功能模块的设计，然后进行编译、调试、修改过程。
4.3总体流程设计
根据系统的控制要求，控制过程全部在人工控制下运行，每个设备可单独运行，也可同时运行，以测试设备的性能，桥式起重机控制系统流程图如图8所示。
图8控制系统流程图
可以通过按钮对打车、小车和起重机进行启停控制，并且可以通过按钮增大或减小变频器的频率来改变其速度，以检测调速性能。
4.3.1大车控制系统
人工操作大车的运行、停止、加速及减速，按下启动按钮后，系统开始上电工作，其工作过程主要包括以下几个方面。
（1）通过按钮控制大车的运行。
（2）通过按钮控制大车的停止。
（3）通过按钮控制大车的加速。
（4）通过按钮控制大车的减速。
（5）前进限位开关防止大车向前运行超出范围。
（6）后退限位开关防止大车向后运行超出范围。
以上工作过程并不是顺序控制方式，而是按照PLC检测到按钮状态进行启动，大车控制系统流程图如图9所示。
4.3.2小车控制系统
人工操作小车的运行、停止、加速及减速，按下启动按钮后，系统开始上电工作，其工作过程主要包括以下几个方面。
（1）通过按钮控制小车的运行。
（2）通过按钮控制小车的停止。
（3）通过按钮控制小车的加速。
（4）通过按钮控制小车的减速。
（5）左移限位开关防止小车向左运行超出范围。
（6）右移限位开关防止小车向右运行超出范围。
以上工作过程并不是顺序控制方式，而是按照PLC检测到按钮状态进行启动，小车控制系统流程图如图所示。
4.3.3升降机控制系统
人工操作升降机的运行、停止、加速及减速，按下启动按钮后，系统开始上电工作，其工作过程主要包括以下几个方面。
（1）通过按钮控制升降机的运行。
（2）通过按钮控制升降机的停止。
（3）通过按钮控制升降机的加速。
（4）通过按钮控制升降机的减速。
（5）上升限位开关防止升降机向上运行超出范围。
（6）下降限位开关防止升降机向下运行超出范围。
以上工作过程并不是顺序控制方式，而是按照PLC检测到按钮状态进行启动，起重机控制流程图如图所11示。
4.3.4升降机悬停控制系统
人工操作升降机在空中停止，按下启动按钮后，系统开始上电工作，其工作过程主要包括以下几个方面。
（1）重物停止时，变频器频率逐渐降低，下降至某设定值后，停止下降，启动定时器。
（2）定时到，启动电磁制动器。
（3）电磁制动器启动后，变频器频率降低至0Hz。
（4）重物启动时，变频器频率逐渐升高，上升至某设定值后，停止上升，启动定时器。
（5）定时到，停止电磁制动器。
（6）电磁制动器停止后，变频器频率逐渐上升，重物在空中启动。
以上工作过程根据重物所处的位置，并按照PLC读取的变频器参数进行控制，升降机悬停控制流程图如图12所示。
4.4各个模块梯形图设计
在设计程序过程中，会使用到许多寄存器、中间继电器、定时器等软元件，为了便于编程及修改，在程序编写前应先列出可能用到的软元件，如表4所示。
表4元件设置
元件
意义
内容
备注
M0.0
起重机停止标志
ON有效
M0.1
起重机启动标志
ON有效
M0.2
起重机电磁制动器启动标志
ON有效
M0.3
大车电动机正传标志
ON有效
M0.4
大车电动机反转标志
ON有效
M0.5
大车停止标志
ON有效
M0.6
小车电动机正转标志
ON有效
M0.7
小车电动机反转标志
ON有效
M1.0
小车停止标志
ON有效
M1.1
升降机上升标志
ON有效
M1.2
升降机下降标志
ON有效
M1.3
升降机停止标志
ON有效
M2.0
达到升降机下限额频率标志
ON有效
M2.1
电磁制动器启动标志
ON有效
M2.2
送0Hz到升降机变频器标志
ON有效
M2.3
到升降机上限频率标志
ON有效
M2.4
送上限频率标志
ON有效
M2.5
断开电磁制动器标志
ON有效
M3.0
电磁制动器运行标志
ON有效
M4.0
USS_INIT指令完成标志
ON有效
M4.1
确认大车变频器的响应标志
ON有效
M4.2
指示大车变频器的运行状态标志
On为运行;off为停止
M4.3
指示大车变频器的运行方向标志
on为逆时针;off为顺时针
M4.4
指示大车变频器上的禁止位状态标志
On为被禁止;off为不禁止
M4.5
指示大车变频器故障位状态标志
On为故障;off为无故障
M5.0
USS_INIT指令完成标志
ON有效
M5.1
确认小车变频器的响应标志
ON有效
M5.2
指示小车变频器的运行状态标志
On为运行;off为停止
M5.3
指示小车变频器的运行方向标志
On为逆时针;off为顺时针
M5.4
指示小车变频器上的禁止位状态标志
On为被禁止;off为不禁止
M5.5
指示小车变频器故障位状态标志
On为故障;off为无故障
M6.0
USS_INIT指令完成标志
ON有效
M6.1
确认升降机变频器的响应标志
ON有效
M6.2
指示升降机变频器的运行状态标志
On为运行;off为停止
M6.3
指示升降机变频器的运行方向标志
On为逆时针;off为顺时针
M6.4
指示升降机变频器上的禁止位状态
On为被禁止;off为不禁止
M6.5
指示升降变频器故障位状态标志
On为故障;off为无故障
T37
频率降低定时器
T38
频率升高定时器
VD10
下降频率阈值寄存器
VD20
上升频率阈值寄存器
VD30
大车频率寄存器
VD40
小车频率寄存器
VD50
升降机频率寄存器
VD60
升降机频率反馈值寄存器
VB400
USS_INIT指令执行结果
VB402
USS_CTRL错误状态字节
VW404
大车变频器返回的状态字原始值
VD406
大车全速度百分值的变频速度
-200%～200%
VB500
USS_INIT指令执行结果
VB502
USS_CTRL错误状态字节
VW504
小车变频器返回的状态字原始值
VD506
小车全速度百分值的变频速度
-200%～200%
VB600
USS_INIT指令执行结果
VB602
USS_CTRL错误状态字节
VW604
升级会员 