基于PLC的10吨桥式起重机电气控制系统设计毕业设计.docx
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基于PLC的10吨桥式起重机电气控制系统设计毕业设计
华北科技学院
本科毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
基于PLC的10t桥式起重机电气控制系统设计
摘要
随着工业生产规模的不断扩大，桥式起重机也得到了迅速的发展。
桥式起重机主要应用室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。
它具有上下起升、前后平移、左右平移的功能，其主要由电气控制系统和机械系统组成。
本设计是桥式起重机的电气控制系统的设计。
本文对桥式起重机电气控制系统的设计主要从安全性和功能性两个方面着手进行，主要包括主电路的设计和控制电路的设计，主电路中的设计以变频器的连接和参数设定为主，控制主要以PLC程序的设计以及和变频器连线、输入输出端子的分配。
该设计主电路中改变电动机的工作状态主要由变频器器来实现，在控制电路中实现桥式起重机的各种功能主要由PLC实现。
本文是以山东华起起重机械有限公司生产的QD型10吨吊钩式桥式起重机为背景的。
在设计中，在起重机的长动控制方面大车、小车、起升机构分别都设计了三个速度档，即高速、中速、低速，由凸轮控制器控制。
在点动方面大车、小车、起升机构都设计了正反转点动，但点动速度都处于各自的低速档。
在滑行控制方面，只有大车设有滑行控制。
在限位保护方面，大车、小车两边都设有保护行程开关，小车设有一个限位保护行程开关和一个超载保护行程开关。
PLC系统选用西门子公司生产的S7-200系列的PLC和一个输入输出扩充模块EM223。
变频器选用三菱公司生产的FR-F500。
该电气控制系统有行程开关的保护措施以及变频器反馈给PLC的信号来实施保护。
关键词：
桥式起重机；电气控制系统；变频调速；PLC控制
Abstract
Withthecontinuousexpansionofproductionscale,cranealsogotrapiddevelopment.Bridgecraneismainlyusedforindoorandoutdoorstorage,factories,docksandoutdoorstorageyard.Ithasupperandlowerlift,movearound,translationfunction,whichismainlycomposedofanelectriccontrolsystemandamechanicalsystem.Thedesignofbridgecraneelectricalcontrolsystemdesign.
Inthispaper,thebridgecraneelectricalcontrolsystemdesignmainlyfromthesafetyandfunctionofthetwoaspects,includingthedesignofmaincircuitandcontrolcircuitdesign,thedesignofmaincircuitofconverterconnectionandparametersetting,controlmainlyinthedesignofPLCprogramandinverterconnection,input/outputterminalsdistribution.Thedesignofmaincircuittochangetheworkingstateofmotorismainlycomposedofafrequencyconvertertorealize,inthecontrolcircuittorealizethevariousfunctionsofbridgecraneismainlycomposedofPLCimplementation.
ThisarticleisbasedonChinaShandongliftinglimitedproductionoftypeQD10tonshookbridgecraneasthebackground.Inthedesign,inthecranemovablecontrolcrane,trolley,thehoistingmechanismarerespectivelydesignedthreespeedgear,highspeed,mediumspeed,lowspeed,byacamcontroller.Inthedynamicaspectsofcarts,trolleys,liftingmechanismaredesignedjustreversalpoint,butthespeedistheirlowgear.Intheslidingcontrol,onlythecartwithslidingcontrol.Inthelimitingprotection,TrolleyCart,bothequippedwithprotectionswitch,thecarriageisprovidedwithalimitingswitchandanoverloadprotectionswitch.PLCsystemadoptsSiemensS7-200seriesproducedbyPLCandaninput/outputexpansionmoduleEM223.InverterselectstheMitsubishicompany'sFR-F500.TheelectricalcontrolsystemofatravelswitchprotectionmeasuresaswellastheinverterfeedbacktothePLCsignaltocarryoutprotection.
Keywords:
crane;electricalcontrolsystem;frequencycontrol;PLCcontrol
1绪论
1.1起重机拖动系统发展现状
起重机拖动系统是随着电力电子技术的发展而发展起来的。
起重机的拖动技术包括直流控制和交流控制两种方式，直流有励磁调速和调压调速。
交流调速有串电阻调速、脉冲调速、调压调速、串级调速和变频调速等多种调速方式。
最初的起重机拖动系统是由交流绕线电动机来拖动。
通过改变串入转子回路的电阻值来改变电机的机械特性。
从而达到启动、停止和调速的目的。
小功率可控硅技术的发展，国外设计出了里奥纳度系统，国内称作电动-发电-电动系统：
即由一台大功率交流电动机拖动几台直流发电机，直流发电机的输出作为直流电动机的电源，再由直流电动机拖动起重机的各个机构使其起重运行。
小功率可控硅的电流作为直流发电机的励磁电流，从而改变发电机的直流输出电压，直流电动机则获得可变的直流电源，直流电机的速度与直流电压成正比；通过以上控制回路，达到调速的目的；即通过调节小电流（小功率可控硅）来达到调节大电流（直流电动机）的目的。
当大功率可控硅的技术发展成熟，各大电气公司相继开发出了大功率的直流拖动系统。
起重机的拖动系统相应地发展成直流拖动系统。
交流电源送入直流拖动系统，直流系统将交流电整流成电压可调的直流电源来驱动直流电机，达到调速的目的。
1998年以后，随着大功率IGBT技术的发展，大功率交流变频驱动器得到了快速的发展，起重机的拖动系统逐步采用交流变频电机加交流变频驱动器的拖动形式，以代替直流系统。
这是由于相比直流系统，交流电机维护容易、费用低、调速范围广。
串电阻、涡流调速、脉冲调速等调速方案为传统调速方式，其主要缺点是启动制动电流大，对机械系统的冲击强，随环境温度变化所造成的误差大、不易实现据通讯，对电机保护不全等。
随着交流电机变频器的应用和普及，人们已经逐渐淘汰绕线式电动机转子回路串电阻调速这一落后调速方式，采用先进的变频调速技术取而代之，实现了提升机构的平滑调速和节能运行，并将电网功率因数提高到0.95以上，同时省去了调速接触器、正反转接触器等元件，完全解决了传统提升机构存在的固有缺点，使设备性能得到了极大提高。
电动机的变频调速方式主要有V/F调速和矢量调速。
V/F调速，简单的说就是调压调频，主要应用于风机、水泵等机构。
矢量变换控制是20世纪70年代原西德Blascehke等人首先提出来的。
其基本思想是把交流异步电动机模拟成直流电动机，能够像直流电动机一样进行调速控制。
采用矢量控制的目的，主要为了提高变频调速的动态性能。
变频器具有电机参数自适应功能，在投入正式运行之前同构空载电动机的试行，变频器自动测试并读取电动机的全部参数并进行优化处理，从而使电动机工作在最佳状态。
变频调速装置本身设有过电流、短路、过电压、欠电压、瞬时停电、缺相、输出端接地等故障保护。
当上述故障出现时，变频器将停止工作，并以代码形式在LCD屏幕。
1.2电气控制技术简介
电气控制技术是用以实现工业生产过程自动化的控制技术，它以各类电动机为动力的传动装置和系统为对象。
电气控制系统是其中的主干部分。
电气控制系统主要包括普通电气传动控制（速度、位置、压力、张力、流量等）系统。
综合自动化系统以及自动生产线。
他们是现代化生产的好、重要组成部分和基石。
电气控制系统广泛应用于各个工业部门及凡是需要动力的场合中，该系统是由电动机及供电、检测、控制装置组成的反馈控制系统，是把电能转化电能量的装置，其特征是：
它能自动完成能量的变换和控制所需的信息处理；其结果是：
改善人们在生产及生活中的工作条件，大幅度提高全社会生产和再生产效率。
因此，电气控制系统自动化是提高劳动生产率的合理手段，是促进国民经济不断增长的重要因素。
电气控制电路的实现，可以使继电器-接触器逻辑控制方法、可编程逻辑控制方法及计算机（单片机等）控制方法等。
而现代控制技术已将这些方法融为一体，生产现场已难以将其严格区分。
尽管如此，继电器-接触器的逻辑控制方法仍然是基本方法。
低压是现代工业过程自动化的重要基础件，是组成电气成套设备的基础配套元件，包括控制电器和配电器。
电气控制技术是一门实用性很强的技术科学。
也是一门多学科交叉的专门技术。
它集中体现了电机控制技术、传感器技术、电力电子技术、微电子技术、自动控制技术和通信技术的有机结合剂最新发展成就。
几乎每种技术出现的新进展，特别是计算机技术的应用、新型控制策略的出现，都不断地改变着电气控制技术的面貌，促使它正向着集成化、智能化、信息化、网络化方向发展。
电器元件本身也朝着新领域发展，不断涌现出新产品一些电器元件被电子化、集成化；一些电器元件采用了新技术成为智能化、可通讯电器；有些完全改变了传统电器的观念，从传统的现场开关量、模拟量信号控制方式，转为现场级的数字化网络方式。
这些都体现了当代工业现代化的技术进步，标志着现代电气控制技术将产生巨大的变革和飞跃。
1.3本课题设计的任务与意义
本设计的任务主要有以下几个方面：
（1）对桥式起重机控制要求的分析来明确需要控制对象以及在控制中出现的相关情况的保护和限制，从而使所设计的系统能够按照设计的要求安全、可靠、稳定地运行。
同时又要考虑该设计在现有条件下的可实现性和必要性。
（2）确定控制对象的具体参数，以利于相关配置的选择。
（3）根据控制要求确定控制方案。
（4）绘制主电路和控制电路原理图实现其控制方案。
（5）相关参数的计算与主要元器的选择。
（6）绘制安装接线图。
（7）编写PLC梯形图。
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，继电一接触器控制，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）继电一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。
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。
2桥式起重机简介及相关参数的介绍
2.1桥式起重机的简介
桥式起重机是横架于车间、仓库和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。
桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，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。
它是使用范围最广、数量最多的一种起重机械。
（1）桥式起重机应用
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。
所以桥式起重机在室内外工矿企业、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。
（2）桥式起重机分类及相关组成
桥式起重机可分为普通桥式起重机、简易梁桥式起重机和冶金专用桥式起重机三种。
普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组桥式起重机。
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。
桥架主梁的结构类型较多比较典型的有箱形结构、四桁架结构和空腹桁架结构。
箱形结构又可分为正轨箱形双梁、偏轨箱形双梁、偏轨箱形单主梁等几种。
正轨箱形双梁是广泛采用的一种基本形式，主梁由上、下翼缘板和两侧的垂直腹板组成，小车钢轨布置在上翼缘板的中心线上，它的结构简单，制造方便，适于成批生产，但自重较大。
偏轨箱形双梁和偏轨箱形单主梁的截面都是由上、下翼缘板和不等厚的主副腹板组成，小车钢轨布置在主腹板上方，箱体内的短加劲板可以省去，其中偏轨箱形单主梁是由一根宽翼缘箱形主梁代替两根主梁，自重较小，但制造较复杂。
四桁架式结构由四片平面桁架组合成封闭型空间结构，在上水平桁架表面一般铺有走台板，自重轻，刚度大，但与其他结构相比，外形尺寸大，制造较复杂，疲劳强度较低，已较少生产。
空腹桁架结构类似偏轨箱形主梁，由四片钢板组成一封闭结构，除主腹板为实腹工字形梁外，其余三片钢板上按照设计要求切割成许多窗口，形成一个无斜杆的空腹桁架，在上、下水平桁架表面铺有走台板，起重机运行机构及电气设备装在桥架内部，自重较轻，整体刚度大，这在中国是较为广泛采用的一种型式。
普通桥式起重机主要采用电力驱动，一般是在司机室内操纵，也有远距离桥式起重机控制的。
起重量可达五百吨，跨度可达60米。
简易梁桥式起重机又称梁式起重机，其结构组成与普通桥式起重机类似，起重量、跨度和工作速度均较小。
桥架主梁是由工字钢或其他型钢和板钢组成的简单截面梁，用手拉葫芦或电动葫芦配上简易小车作为起重小车，小车一般在工字梁的下翼缘上运行。
桥架可以沿高架上的轨道运行，也可沿悬吊在高架下面的轨道运行，这种起重机称为悬挂梁式起重机。
冶金专用桥式起重机在钢铁生产过程中可参与特定的工艺操作，其基本结构与普通桥式起重机相似，但在起重小车上还装有特殊的工作机构或装置。
这种起重机的工作特点是使用频繁、条件恶劣，工作级别较高。
主要有五种类型：
铸造起重机
供吊运铁水注入混铁炉、炼钢炉和吊运钢水注入连续铸锭设备或钢锭模等用。
主小车吊运盛桶，副小车进行翻转盛桶等辅助工作,为了扩大副钩的使用范围和更好地为炼钢工艺服务，主、副钩分别布置在各自有独立小车运行机构的主、副小车上，并分别沿各自的轨道运行。
夹钳起重机
利用夹钳将高温钢锭垂直地吊运到深坑均热炉中，或把它取出放到到运锭车上。
锭脱起重机
用以把钢锭从钢锭模中强制脱出。
小车上有专门的脱锭装置，脱锭方式根桥式起重机。
据锭模的形状而定：
有的脱锭起重机用项杆压住钢锭，用大钳提起锭模；有的用大钳压住锭模，用小钳提起钢锭。
加料起重机
用以将炉料加到平炉中。
主小车的立柱下端装有挑杆，用以挑动料箱并将它送入炉内。
主柱可绕垂直轴回转，挑杆可上下摆动和回转。
副小车用于修炉等辅助作业。
锻造起重机
用以与水压机配合锻造大型工件。
主小车吊钩上悬挂特殊翻料器，用以支持和翻转工件；副小车用来抬起工件。
（3）检查项目
桥式起重机的安全检查为了保证桥式起重机的安全运行，在起重机运行期间需进行一些安全常规检查，检查项目及要点如下：
①起升高度限位器、行程限位开关及各联锁机构性能正桥式起重机常，安全可靠。
②各主要零部件符合安全要求：
开口增大小于原尺寸的15%，扭转变形小于10%；板钩衬套磨损小于原尺寸的50%，板钩心轴磨损小于5%，无剥落、毛刺、焊补。
吊钩挂架及滑轮无明显缺陷。
钢丝绳表面钢丝磨损、腐蚀量小于钢丝直径的40%，断丝在一个捻距内小于总丝数的10%，无断头，无明显变细，无芯部脱出、死角扭拧、挤压变形、退火、烧损现象。
钢丝绳端部连接及固定的卡子、压板、锲块连接完好，无松动，压板不少于2个，卡子数量不少于3个。
卷筒无裂纹，连接、固定无松动；筒壁磨损小于原壁厚的20%；安全卷不少于2圈，卷筒与钢丝绳直径比例符合要求。
平衡轮固定完好，钢丝绳应符合的要求。
制动器无裂纹，无松动，无严重磨损，制动间隙两侧相等尺寸合适，有足够的制动力，制动带磨损小于原厚度的50%。
通过对桥式起重机的安全常规检查，对杜绝人身事故，减少设备事故，提高设备运转率，降低检修费用等均起到了显著作用。
（4）安全滑触线
安全滑触线是一种新型移动供电装置，以其绝缘、安全、耐温、抗振、节能等优越性能逐步替代了旧式裸露角铁及铜排滑触线。
安全滑触线由填嵌在工程塑料型管或槽板中的光滑平整的T2铜排或嵌有耐磨导体的铝型材作为载流体，组合成输电导管，导管下有开口槽以利集电器运行，并由集电器的高耐磨铜基石墨电刷将电力导向工作电器。
桥式起重机在使用中易断电，有时在输电导管内产生火花，严重时滑触线某放炮"，造成集电器更换过于频繁，影响生产。
为此，进行了如下改进：
①增大集电器电刷倒角，并打磨光滑；
②增加集电器两相对电刷间弹簧强度、弹性，保证弹簧恢复自如；
③加深。
加固集电器中的弹簧座，保证电刷的恢复弹簧在工作中不易"串位"；
④两段安全滑触线连接处连接块要有倒角，保证集电器平滑过渡。
同时，为保证安全滑触线的正常使用，行车工的规范操作、维修工的定期保养、定期检查也必不可少。
2.2桥式起重机相关参数的介绍
本设计是以山东华起起重机械有限公司生产的QD型10吨吊钩桥式起重机为机械基础的电气控制系统的设计
QD型吊钩桥式起重机是采用国际先进标准制造的系列产品。
整机结构新颖、造型美观、工艺性好、操作灵活平稳、安全可靠。
主要特点：
（1）桥架采用箱形主梁，自动埋弧焊焊接。
（2）小车导电采用工字钢轨道电缆导电新装置，安全可靠。
（3）起升机构根据要求还可设第二套安全装置。
增加可靠性。
（4）零部件标准化、系列化、通用化。
（5）操纵室视野开阔，全部机构均在操纵室内操纵，工作舒适操纵灵活。
本产品广泛适用于普通重物的装卸与搬运，还可配以多种专用吊其进行特殊作业，当露天使用时带有防雨设备。
表中数据为室内起重机用，室外起重机总重和轮压约增加5％，起重机按使用繁忙程度分为中级（A5）和重级（A6）两种工作制度。
选用时应注明工作制度，工作环境的最高、最低气温及电源种类等技术要求。
还可根据用户要求的跨度设计制造。
本设计中设计中选择A6工作级别，
表2.2-1桥式起重机电气设备相关参数
跨度
m
28.5
起重量
t
10
最高起升高度
m
16
起升机构速度
m/min
13.3
小车速度
43
大车速度
112.5
起升机构电机
型号/KW
YZR200L-6Z/22
小车电机
YZR132M-6Z/2.5
大车电机
YZR160M2-6/2×7.5
电源
三相交流380V50Hz
2.3本设计的控制方案
本设计的基本控制方案就是通过PLC的输入端输入控制信号从而使PLC发出控制信号去控制变频器使变频器启动工作，同时断电电磁制动器得电松开，同时相关指示灯亮。
当PLC控制变频器频率端子输入信号时或正反信号，控制变频器的端子对变频器发出改变频率的信号正反转的信号，从而使被控电动机的转速发生改变或者转速方向发生改变。
当起重机运动到期限位置或主电路发生短路、过流、断相、过载、突然停电等时，会使行程开关动作或变频器发出短路、过流等信号输入到PLC输入端，使PLC发出变频器停止、电磁制动器制动等信号。
从而达到控制的要求和目的。
图2.3-1是电气控制方案的控制框图，图中YB1、YB2、YB3是电机M1、M2、M3的断电电磁抱闸制动器，图中的箭头方向表示控制控制信号流动的方向。
图2.3-1控制方案简图
3变频调速系统的设计
3.1变频器的选择和参数设定
3.1.1变频器的基本原理及接线端子的介绍
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流、过压、过载保护等功能。
变频器按变换环节分为两大类：
交—直—交变频器，交—交变频器。
交—交变频器是把固定频率的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。
其主要有点是没有中间环节。
但连续可调的频率范围窄，一般在额定频率的1/2以下，故它主要用于低速大容量的拖动系统。
交—直—交变频器是先把交流电变换成直流电，然后再把直流电变换成频率连续可调的交流电。
交—直—交变换是常见变频器采用的变换方式。
交—直—交变频器是由整流器、中间滤波器和逆变器三部分组成。
整流器是三相桥式整流电路，其作用为将特定的电压和频率的交流电变换为直流电，然后作为逆变器的直流供电电源；中间滤波器由电抗器或电容组成，其作用是对整流后的电压或电流进行滤波；逆变器也是三相电桥式整流电路，但它的作用与整流器相反，是将直流电变换为可调的交流电，它是变频器的主要组成部分。
图3.1.1-1是变频器的构成简图，其中DC框为滤波器。
图3.1.1-1变频器的构成简图V/F通用变频器的控制方式及其原理
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