基于PLC的起重机控制系统的设计基于PLC的起重机控制系统的设计

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摘要桥式起重机是机械生产中最常用的一种起重机械,在生产过程中起着非常重要的作用。所以提高桥式起重机的运行效率,确保运作过程中的安全保障和降低生产成本是非常重要的。传统的桥式起重机一般都是采用起重用绕线式交流异步电动机拖动。起升机构和运行机构上的电机一般都是采用转子串电阻调速方式。这种调速方式操作复杂,可靠性差,故障率高,且电能浪费大,效率低。随着近几年控制技术的飞速发展,我们可以针对桥式起重机控制系统中存在的上述问题,把可编程序控制器和变频器等技术应用到桥式起重机控制系统中。本次设计主要讨论的是基于可编程序控制器(PLC)和变频器的桥式起重机控制系统的改进。并且阐述了PLC和变频器控制的基本原理。PLC系统采用西门子公司的S7200,能控制起重机大车、小车的运行方向和速度,吊钩的升、降方向和速度,同时能检测各个电机故障现象。该设计主电路中改变电动机的工作状态主要由变频器来实现,在控制电路中实现桥式起重机的各种功能主要由PLC来实现。最后对可编程控制器进行软件设计,编制出安全可靠高效的控制程序。关键词桥式起重机;变频器;可编程控制器ABSTRACTBRIDGECRANEISTHEMECHANICALPRODUCTIONOFTHEMOSTCOMMONLYUSEDASAHOISTINGMACHINERY,PLAYSAVERYIMPORTANTROLEINTHEPROCESSOFPRODUCTIONSOTOIMPROVETHEEFFICIENCYOFBRIDGECRANE,ENSURETHESECURITYOPERATIONPROCESSANDREDUCECOSTOFPRODUCTIONISVERYIMPORTANTTRADITIONALBRIDGECRANEISUSEDCOMMONLYONREUSEOFWOUNDROTORASYNCHRONOUSMOTORDRAGCOMMUNICATIONHOISTINGMECHANISMANDOPERATIONALMECHANISMONTHEMOTORROTORSERIESRESISTANCESPEEDCONTROLMODEISGENERALLYADOPTEDBUTTHISWAYOFSPEEDREGULATINGOPERATIONCOMPLEXITY,POORRELIABILITY,FAILURERATEISHIGH,ANDTHEPOWERWASTE,LOWEFFICIENCYWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFCONTROLTECHNOLOGYINRECENTYEARS,WECANACCORDINGTOTHEABOVEPROBLEMSEXISTINGINTHEBRIDGECRANECONTROLSYSTEM,THEPROGRAMMABLECONTROLLERANDFREQUENCYCONVERTERISAPPLIEDTOTHEBRIDGECRANECONTROLSYSTEM,ANDHASCARRIEDONTHEDETAILEDDESIGNTHISDESIGNISMAINLYDISCUSSEDTHEIMPROVEMENTOFTHEPROGRAMMABLECONTROLLERPLCANDINVERTERBRIDGECRANECONTROLSYSTEMANDEXPOUNDEDTHEBASICPRINCIPLESOFPLCANDFREQUENCYCONVERTERCONTROLADOPTINGSIEMENSS7200PLCSYSTEM,CANCONTROLTHECRANECART,THEDIRECTIONANDSPEEDOFTHECAR,THEASCENDINGANDDESCENDINGDIRECTIONANDSPEEDOFTHEHOOK,ATTHESAMETIMECANDETECTVARIOUSMOTORFAULTPHENOMENONINTHISDESIGN,CHANGINGTHEWORKINGSTATEOFTHEMOTORINCIRCUITMAINLYBYTHEFREQUENCYCONVERTERDEVICETOREALIZEINTHECONTROLCIRCUITTOACHIEVETHEFUNCTIONSOFBRIDGECRANEISMAINLYCOMPOSEDOFPLCTOREALIZEFINALLYTHEPROGRAMMABLECONTROLLERSOFTWAREDESIGN,DEVELOPTHESAFE,RELIABLEANDEFFICIENTCONTROLPROGRAMKEYWORDSBRIDGECRANE;FREQUENCYCONVERTER;PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111桥式起重机的简介112本课题研究的内容和意义1121课题设计的内容1122课题设计的意义213国内外起重机控制系统的发展状况22桥式起重机的控制321桥式起重机的主要结构及运动形式322传统桥式起重机的控制原理423传统桥式起重机控制系统的缺点524控制方案的设计53桥式起重机控制系统的硬件设计631系统硬件设计632PLC实现的主令控制器633电机的选用7331变频调速对电动机的要求7332变频起重机系统中电动机的选型7334计算及电机的选取834变频器10341变频器选型10342变频器的主电路10343变频器的控制电路11344变频器选择及电流验证12345变频器主要参数设置1335制动电阻的选择1436可编程控制器14361可编程控制器的概述14362可编程控制器选型15363I/O端口分配16364PLC系统接线方式1737安全措施184系统软件设计1941主程序1942公用程序2043大车控制程序2344其他子程序设计255结论及展望2851结论2852展望28致谢29参考文献301绪论11桥式起重机的简介在工业生产中广泛使用各种起重机械,对物料作起重、运输、装卸和安装等作业,广泛应用在工矿企业、车站、港口、仓库、建筑工地等部门。它对减轻工人劳动强度、提高劳动生产率、促进生产过程机械化起着重要作用,是现代化生产中不可缺少的工具。时至今日,在其承载结构、驱动机构、取物装置、控制系统及安全装置各方面都有了很大的发展。由于现代设计方法的建立和计算机辅助设计手段的应用,使起重机设计思维观念和方法有了进一步的更新。因此,起重机将向现代化、智能化、更安全可靠的方向发展。起重机械种类很多,其中桥架型起重机是使用最广泛的一种起重机械。通用桥式起重机又称“天车”或“行车”,它是一种横架在固定的跨间上空用来吊运各种物件的设备。桥式起重机按起吊装置不同,又可分为吊钩桥式起重机、抓斗桥式起重机和电磁盘桥式起重机等。其中以吊钩桥式起重机应用最广。本次设计就是以吊钩桥式起重机进行讨论与分析的。6桥式起重机一般由可整体前后移动的横梁大车、左右移动的小车、固定在小车上可上下移动的主副钩、操纵室、小车导电装置辅助滑线、起重机总电源导电装置主滑线等部分组成。图11为桥式起重机总体示意图。1驾驶室2辅助滑线架3交流磁力控制盘4电阻箱5起重小车6大车拖动电动机7端梁8主滑线9主梁图11桥式起重机整体示意图12本课题研究的内容和意义121课题设计的内容本次设计主要研究如何用可编程控制器与变频器相结合来取代传统的控制系统。设计的起重机的起重量为20/5吨,其跨度L为195M主钩起升速度为75M/MIN,副钩起升速度为15M/MIN。大车运行速度为75M/MIN,小车运行速度为45M/M。986543217传统的20/5T交流桥式起重机,一般都是采用起重用绕线式交流异步电动机拖动。但是起重机的工作环境一般比较恶劣,较长时间的使用会导致碳刷的接触器磨损较大,加上任务重,操作流程复杂,触头消蚀严重。且转子串电阻调速调速效果不理想。所以我们要设法对其控制方式进行改造,减少电路中的冲击电流,改变调速方式,减少操作人员劳动强度,提高系统效率。本设计主要内容就是熟练掌握变频器的控制原理,以及熟知PLC的工作原理和熟练使用编程指令。122课题设计的意义近几年自动化控制技术和电气传动得到了飞快的发展。其中,具有代表性的就是交流变频调速装置和可编程控制器在机械领域的结合应用,为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机应用提供了有利条件。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机运输机械行业中具有广泛的发展前景。PLC控制变频器的系统能够适合起重机的工作要求,对提高工作效率,改善起重机的调速性能,减小起制动冲击以及增加起重机的安全系数有很大的作用。所以有对桥式起重机电控系统进行研究很必要。由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统,是随着大规模集成电路制造技术不断发展的必然结果,符合起重机的发展趋势,适合发展大起重量得起重机;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。913国内外起重机控制系统的发展状况随着工业生产的机械化程度不断变高,生产效率不断提高,生产物件的运输要求也随之变高,就要求有控制更加便捷化和高速化的起重机,而且要对安全性和可靠性提出更高的要求。目前国外先进的的起重机控制系统基本实现了自动化、智能化和数字化的相结合。起重机的更新和发展,在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。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、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统,实现起重机的自动化和智能化。大型高效起重机新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由全数字化控制驱动装置、可编程序控制器、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。8经过几十年的发展,我国国内桥式起重机的控制技术水平已得到一定程度的提高,但是与国际水平还有一定距离。目前国内使用的桥式起重机大多还是采用的传统的控制方法,采用继电器控制和串电阻调速,使用凸轮控制器控制电动机。2桥式起重机的控制21桥式起重机的主要结构及运动形式桥式起重机由桥架(双称大车),装有起升机构的小车、大车运行机构及驾驶室等几部分组成,如下图21所示图21桥式起重机结构图桥架是桥式起重机的基本构件,它由主梁、端梁、走台等几部分组成。主梁跨架在车间上空,其两端联有端梁,主梁外侧装有走台并设有安全栏杆。小车运行机构由小车架、小车移行机构和提升机构组成。小车架由钢板焊成,其上装有小车移行机构、提升机构、栏杆及提升限位开关。小车可沿桥架主梁上的轨道左右移行。在小车运动方向的两端装有缓冲器和限位开关。小车移行机构由电动机、主动轮、制动器等组成。电动机经减速后带动主动轮使小车运动。提升机构由电动机、减速器、卷筒、制动器等组成,提升电动机通过制动轮、联轴节与减速器联接,减速器输出轴与起吊卷筒相联。大车移行机构则是由驱动电动机、制动器、传动轴、减速器、联轴器、角型轴承箱和车轮等几部分组成。其车轮通过角型轴承箱固定在桥架的端梁上,其主要作用是驱动大车车轮沿轨道运行。其驱动方式有集中驱动和分别驱动方式两种集中驱动是由一台电动机通过制动轮直接与联轴节、传动轴联接,再通过减速器与车轮联接驱动两边的主轮。分别驱动是由两套独立的无机械联系的运行机构组成。每套运行机构由电动机通过制动轮、联轴节、减速器与大车车轮联接,省去了中间传动轴。但分别驱动的运行机构是用两台同样型号的电动机,用同一控制器控制。分别驱动与集中驱动相比,自重较轻,安装和维护方便,实践证明使用效果良好。目前我国生产的桥式起重机大部分采用分别驱动方式。控制室是操纵起重机的吊舱,又称驾驶室。在操纵室内,主要装有大小车运动机构和起升机构的操纵系统和有关装置,如控制器、保护箱及照明开关箱;有关安全开关,如紧急开关、电铃开关等。3控制室一般固定在主梁下方的一端,也有随大车移动的。其上方有通向走台的舱口。为了安全,舱口处装有安全开关,避免司机及维护人员上车发生触电事故。22传统桥式起重机的控制原理传统的桥式起重机基本采用继电器控制和串电阻调速,使用凸轮控制器控制各台电动机。其主电路和控制电路如图22所示图2220T桥式起重机典型电路控制方式小型桥式起重机的主钩、大车、小车均采用绕线式三相交流异步机电动机和凸轮控制器控制。该起重机有两个卷扬机构,主钩起重量为20吨,副钩起重量为5吨,分别由电动机M1、M2拖动。其中M1为主卷扬电动机,由凸轮控制器1SA操纵;M2为副卷扬电动机,由凸轮控制器2SA操纵;小车移行机构由电动机M3拖动,M3为小车电动机,由凸轮控制器3SA操纵;大车移行机构由两台电动机M4、M5分别拖动,M4、M5为大车电动机,共由凸轮控制器4SA操纵。整个起重机五台电动机保护电路如图22下方图所示。其中QS为紧急开关,用作事故情况下紧急断开电源;SQ7~SQ9为舱口门开关与横梁门开关;KA1~KA6为过电流继电器的触点,用作电动机的过流保护;1SA、2SA、3SA、4SA分别为主卷扬、副卷扬、小车与大车凸轮控制器触点;SQ1、SQ2为小车移行机构行程开关,用于小车终端限位保护;SQ3、SQ4为大车移行机构行程开关,用于大车终端限位保护;SQ5为副卷扬提升机构行程开关,用于提升终端限位保护。YB1~YB5分别为主卷扬、副卷扬、小车与大车电动机各自的制动电磁铁。623传统桥式起重机控制系统的缺点桥式起重器一般在一些条件恶劣的场合工作,而且动作复杂,工作频率较高,电机容量较大,要求有一定的调速范围。所以传统的继电器控制和串电阻调速会在操作中存在很多问题(1)电动机及其所串电阻烧损和断裂故障经常发生;(2)继电接触器控制系统可靠性差,操作复杂,故障率高;(3)转子串电阻调速调速效果不理想;(4)所串电阻长期发热,电能浪费大,效率低等。而且采用凸轮控制器在操作中同时切换的触点一般很多,且切换的又多是电动机主电路的触点,为了切换大容量电流,触点都制造得厚重,这就为操作带来了阻力和很大的劳动强度。另一方面,凸轮控制器中有形的触点在频繁的切除中很容易出故障,给维修带来了不便。24控制方案的设计可编程控制器简称PLC,是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。本设计使用PLC来实现主令控制器的开合表的逻辑功能,以代替原有系统中为每台电动机设置一台主令控制器或凸轮控制器的设计。改造中采用PLC代替接触器开关来解决凸轮控制器的缺点。这样既减少了系统中触点数目,也使设备体积减小,操作强度也随之下降。使用桥式专用变频器代替转子串电阻调速,增加了机械特性硬度,也不存在发热问题,提高了系统效率;5台电动机共用一台主令控制器控制,减少了按钮数量,从而提高了系统可靠性。通过对设计的分析,改造后的交流桥式起重机控制系统也包含了以下几个部分主令控制器、限位器、保护输入、PLC、4台变频器、5台电动机(大车电动机两台)其控制框图如图23所示图23交流桥式起重机控制系统框图主令控制器限位器保护输入PLC变频器M1变频器M2变频器M3变频器M4M53桥式起重机控制系统的硬件设计31系统硬件设计改造后的交流桥式起重机控制系统包含如下几个部分主令控制器、限位器、保护输入、PLC、4台变频器、5台电动机(大车电动机两台)。四台变频器分别控制相应的电动机,然后四台变频器所需的输入口线均接在PLC上。本设计采用一台S7200型PLC控制四台变频器操作5台电动机的运行。下图画出了桥式起重机的PLC控制原理图。简单起见,图中没有画出全部的I/O口线。图31桥式起重机的PLC控制原理图32PLC实现的主令控制器继电接触器为基础的桥式起重机电路,一般都是用凸轮控制器来控制大车、小车、主副钩的操作。这次设计我使用PLC来模拟各类电器的逻辑功能,把有形的触点转变为PLC内部无形的逻辑关系。以满足大电流切换的需要,PLC的输出应该连接接触器及继电器。表31列出了一个经精简后的主令控制器的开合表,并为各挡位接通的触点安排了PLC的输入口。表31三档主令开关开合表输入端口向前零位向后I05XI06XI02X注X触头闭合本设计使用图32所示的一个三档位的主令控制器及两只升降速按钮作为操作器件,使用PLC及接触器模拟凸轮控制器工作。三档位的主令控制器的开合表如表31所示。该主令控制器延续了凸轮控制器向前向后操作时的互锁,而且符合起重机操作人员的操作习惯,使用两只按钮进行升降速更加方便,其实现的控制要求主要有(1)电动机的方向控制由主令控制器实现,手柄置向前位时,I05接通,正转接触器工作,电动机进行正转;手柄置向后位时,I06接通,反转接触器工作,带动电动机反转。由正转到反转,或由反转到正转都必须经过零位,手柄位于零位表示已断开正在运行的接触器,准备接通下一个接触器,同时手柄在0位时会切除电阻档位存储器清零。(2)在按动接于I11及I10的按钮时,使加减速档位存储器VB100中存储的数字在1~5间依顺序变化,以控制输入电动机的电源频率大小。这是通过加1及减1指令实现的,在VB100中数值小于5时可加操作,大于零时可减操作。图323档主令开关及增减电阻按钮示意图33电机的选用331变频调速对电动机的要求采用变频调速时,由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电动机转速范围的扩大产生了一些与在工频电源下传动时不同的特征。主要反映在功率因数、效率、输出力矩、电机温升、噪音及振动等方面。随着高开关频率的工GBT等电力电子器件的使用、PWM调制、矢量控制、增强型V/F控制方法的应用、使变频器输出波形、谐波成份、功率因数及使用效率得到了很大的改善,有效地提高了变频控制电机的低速区转矩。同时由于变频控制软件的优化使用,使电动机可以避开共振点,解决了系统在大调速区间内可能发生的共振问题。目前,变频器己经发展到除非有超同步调速的要求或呈120以上的大速比,一般无须选用变频专用电机作变频系统的电动机。现在国内推出的变频专用电动机由普通电机加独立风扇组成,以解决电动机在低速运转过程中自冷风扇风量不足而引起的电动机过热问题。332变频起重机系统中电动机的选型起重机起升和运行机构的调速比一般不大于120,且为断续工作制,通常接电持续率电机向前零位向后I05I02I06加速I10减速I11在60以下,负载多为大惯量系统。严格意义上的变频电机转动惯量较小,响应较快,可工作在比额定转速高出很多的工况条件下,这些特性均非起重机的特定要求。普通电机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致;在连续工作时考虑到冷却效果限制了普通电机转矩应用值,普通电机仅在连续工作时的变频驱动特性比变频电机稍差。334计算及电机的选取通过对参考文献和网上的查阅,得到有关本设计所需数据如下小车车轮直径Φ315MM大车车轮直径Φ630MM起重机总重286T小车自重76T吊钩自重500KG小车运行摩擦阻力系数00085大车运行摩擦阻力系数0007A主起升机构(1)初选电动机NNGGQGQ220110581950020000031SMMVQ/1250MIN/57KWKWVGPQQJ572985010001250201105100032根据电动机样本,选用YZR225M8电动机,当S3,25JC时,电动机允许功率为26KW。(2)电动机的过载校验按电动机转矩允许的过载系数M28,对绕线式转子电动机,H21KWKWVGMHPQQMN18228501000125020110582112100033根据规定,25JC,CZ150,此时NP24096KW,即2218KW24096KW所以电动机校验通过。B副起升机构(1)初选电动机NNGGQGQ5515028192505000034SMMVQ/250MIN/15850KWKWVGPQQJ1158501000250551502100035根据电动机样本,选用YZR180L8电机,当S3,25JC时,电动机允许功率为13KW。(2)电动机的过载校验KWKWVGMHPQQMN3311850100025055150282112100036根据规定,25JC,CZ150,此时NP12160KW,即1133KW12160KW所以电动机校验通过。C大车运行机构1运行静阻力,大车运行部分总质量NNGGQGG525816819286002500037因为室内运行,风阻力01G,坡度阻力0G,运行摩擦阻力系数0007NNGGGGZ7368000705258161382运行静功率YV75M/MIN125M/S大车运行机构总效率950KWKWVGPYZ84495010002517368010001393运行加速功率取STSMS256,/202KWKWGTVGPSYG411525681910002515258181511000151223104初选电动机KWPPMPMN64115844712111311根据电动机样本,选用两台YZR160M16电动机,当25JC,NP63KW5电动机发热校验根据起重机设计规范,该大车运行机构的接电持续率25JC,CZ600,稳态负载平均系数G09,所以,KWKWVGGPYZ3649501000251736809010002312根据桥式起重机设计手册知,当25JC,CZ600时,NP4629KW,即436KW4629KW,所以电动机发热校验通过。D小车运行机构(1)运行静阻力,小车运行部分总质量NNGGQGG319806819760025000(313)因为室内运行,风阻力01G,坡度阻力0G,运行摩擦阻力系数00085则NNGGGGZ352718008503198061(314)(2)运行静功率YV45M/MIN075M/S小车运行机构总效率850KWKWVGPYZ42850100075035271810001(315)(3)运行加速功率取STSMS5,/1502KWKWGTVGPSYG2458191000750319806151100015122(316)(4)初选电动机KWKWPPMPMN952442711111(317)根据电动机样本,选用两台YZR132M26电动机,当25JC,NP4(5)电动机发热校验根据起重机设计规范,该小车运行机构的接电持续率25JC,CZ300,稳态负载平均系数G08,所以,KWKWVGGPYZ92185010007503527188010002(318)根据桥式起重机设计手册知,当25JC,CZ300时,NP3598KW,即192KW3598KW,所以电动机发热校验通过。通过利用上述公式的计算,选用改造后的桥式起重机各执行机构的电机参数如表32所示表32各执行机构电机参数电机型号电机功率/电流主起升机构YZR225M826KW/55A副起升机构YZR180L813KW/291A大车运行机构YZR160M16263KW/164A小车运行机构YZR132M264KW/97A34变频器341变频器选型本系统选用的是西门子变频器,西门子变频器具有较合理的价格,完整的理论计算书及辅件推荐值,有利于用户进行合理选用。342变频器的主电路这里讨论的是电压源型,交直交变频器主电路的基本结构如图33所示。图33变频器主电路A交-直变换部分(1)VD1~VD6部分,将交流变换为直流。(2)滤波电容器CF作用是当负载变化时,使直流电压保持平衡。因为受电容量和耐压的限制,滤波电路通常由若干个电容器并联成一组,又由两个电容器组串联而成。如图中的CF1和CF2。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基于 plc 起重机 控制系统 设计
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