毕业设计（论文）-桥梁检修平台电气设计

本科毕业设计（论文）说明书本科毕业设计（论文）说明书 桥梁检修平台电气设计桥梁检修平台电气设计 学学 院院 机械工程学院机械工程学院 专业班级专业班级 机械工程及自动化机械工程及自动化 6 班班 学生姓名学生姓名 学生学号学生学号 指导教师指导教师 提交日期提交日期 20132013 年年 5 5 月月 1 1 日日 毕毕 业业 设设 计计 （论文）（论文） 任任 务务 书书 兹发给 机械工程及自动化 专业 6 班学生 毕业设计（论文）任务书，内 容如下： 1.毕业设计（论文）题目： 检桥检修平台电气设计 2.应完成的项目(论文提纲)： （1） PLC、变频器、编码器的选型 （2） 桥梁检修机构电气原理图 （3） 桥梁检修机构电气安装图 （4） 桥梁检修机构电气接线图 （5） 程序梯形图 3.参考资料以及说明： （1）钟肇新、范建东，可编程控制器原理及应用 ，华南理工出版社 2008.2 （2）路敦民、王克义，机电传动及控制，哈尔滨工程大学出版社，2005 （3）毕淑娥，电工与电子技术基础，哈尔滨工业大学出版社，2008.6 （4） 陈金化，可编程控制器应用技术，北京：电子工业出版社，2005 （5） 陈建明，电气控制与 PLC 应用，北京：电子工业出版社，2010 （6） 易泓可，电气控制系统设计基础与范例。机械工业出版社，2008 4.本毕业设计（论文）任务书 2012 年 12 月 24 日发出，应于 2013 年 5 月 20 日前完成，然后提交毕业设计（论文）答辩委员会进行答辩。 专业教研组（系）负责人 审核 2012 年 12 月 24 日 指导教师（导师组负责人） 签发 2012 年 12 月 24 日 毕业设计（论文）评语： 目录目录 摘摘 要要7 AbstractAbstract8 第一章第一章 绪论绪论9 1.1 国内外斜拉桥的发展与检修 9 1.1.1 斜拉桥概述.9 1.1.2 国内外斜拉桥的检修.10 1.2 检桥机设计概况 .10 1.2.1 检桥机主要技术要求.10 1.2.2 检桥机结构.10 1.2.3 结构重量估计.11 1.2.4 运行机构初步计算.11 1.3 小结 .12 第二章第二章 桥梁检测机构电气的设计桥梁检测机构电气的设计13 2.1 电气设计要求 .13 2.2 检桥机工作分析 .13 2.3 检桥机电气设计内容 .14 2.4 方案拟定与分析14 2.5 主电路的设计 .15 2.6 元件表与电器柜布置 .16 2.7 小结 .17 第三章第三章 可编程控制器可编程控制器18 3.1 可编程控制器概述18 3.2 PLC 的组成及各部分作用18 3.3 PLC 的工作原理21 3.4 三菱 FX2N 技术特点 23 3.5 PLC 的选用及端子接线图23 3.6 小结 .26 第四章第四章 变频器变频器27 4.1 变频器的基本结构27 4.2 变频器的控制电路 .29 4.3 变频调速的基本原理 .30 4.4 变频器的选用及接线图 .33 4.5 小结 .35 第五章第五章 编码器编码器36 5.1 市场情况 .36 5.2 主要作用 .37 5.3 工作原理 .39 5.4 接线方法40 5.5 信号输出 .40 5.6 编码器的选用及接线图41 5.7 小结 .42 第六章第六章 PLCPLC 程序程序 43 结结论论47 参考文献参考文献48 附录附录49 致谢致谢51 摘摘 要要 近三十年来，随着我国经济的快速发展，公路桥梁负荷日趋加重，值得引 为注意的是目前已有不少桥梁发生老化、破损、裂缝等现象，危桥逐年增多， 承载能力明显下降。桥梁是确保公路畅通的咽喉，其承载能力和通行能力又是 贯通全线的关键，为了保证经济的快速发展和人民生命财产的安全，对于现有 的桥梁进行检修工作已经成了重中之重。 斜拉桥是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一。目前为止建成或正在施工的 斜拉桥共有 30 余座，仅次于德国、日本，而居世界第三位。改革开放后，我国 修建斜拉桥的势头一直呈上升趋势。而大跨径混凝土斜拉桥的数量已居世界第 一。 高空车是现有检测桥梁的重要工具。对于梁桥，高空车是一种有效的检测 工具之一，但是由于高空车的价格比较昂贵，再加上斜拉桥有斜拉索对于高空 车作业有阻拦，工作起来非常不方便，在这个情况下，我们设计新的检桥机构， 用于斜拉桥日常的检测和维修。本篇论文主要通过对斜拉桥结构的分析，听出 对桥梁检修平台的电气设计，以实现检修平台机构能对斜拉桥进行检修。 关键词关键词：斜拉桥；检修平台；电气设计 Abstract Nearly 30 years, with the rapid development of our country economy, increasingly aggravating highway bridge load, it is worth to attention there are a lot of Bridges happened the phenomenon such as aging, damage, cracks, unsafe bridge increased year by year, carrying capacity decreased obviously. Bridges is to ensure that roads unblocked throat, its carrying capacity and traffic capacity is well versed in all key, in order to guarantee the rapid economic development and peoples life and property security, for existing Bridges has become a top priority for maintenance work. Cable-stayed bridge is one of the most popular bridge of long-span Bridges in our country. So far completed or under construction of cable-stayed bridge has more than 30 seats, second only to Germany, Japan, and the world third. After the reform and opening up, the momentum of the construction of a cable-stayed bridge in our country has been on the rise. And the number of long-span concrete cable-stayed bridge has been the first in the world. Air car is an important tool for existing Bridges. For girder bridge, high-altitude vehicles is one of a kind of effective detection tools, but because of the high price is quite expensive, plus the cable-stayed Bridges have cables for high altitude operation, work up very convenient, in this case, we design a new inspection agencies bridge, cable-stayed bridge for daily inspection and maintenance. This paper mainly through the analysis of the cable-stayed bridge structure, the electrical design of bridge maintenance platform is put forward, in order to realize the maintenance platform for cable-stayed bridge for maintenance. KeywordsKeywords: Cable-stayed bridge； Maintenance platform； Electrical design 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 国内外斜拉桥的发展与检修国内外斜拉桥的发展与检修 1.11.1.1.1 斜拉桥概述斜拉桥概述 斜拉桥又称斜张桥，如下图 1.1，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的 一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。 斜拉桥是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一。目前为止建成或正在施工的 斜拉桥共有 30 余座，仅次于德国、日本，而居世界第三位，而大跨径混凝土斜 拉桥的数量已居世界第一。 世界上建成的著名斜拉桥有：苏通长江大桥（主跨 1088m） ，法国诺曼底斜 拉桥（主跨 856 米） ，南京长江二桥南汊桥钢箱梁斜拉桥（主跨 628 米） ，以及 1999 年日本建成的世界最大跨度的多多罗大桥（主跨 890 米） 。 我国至今已建 成各种类型的斜拉桥 100 多座，其中有 50 余座跨径大于 200 米。20 世纪 80 年 代末，我国在总结加拿大安那西斯桥的经验基础上，1991 年建成了上海南浦大 桥（主跨为 423 米的结合梁斜拉桥） ，开创了我国修建 400 米以上大跨度斜拉桥 的先河。我国已成为拥有斜拉桥最多的国家，在世界 10 大著名斜拉桥排名榜上， 中国有 8 座，尤其是苏通长江大桥主跨 1088m，为世界斜拉桥第一跨。 图 1.1 斜拉桥 1.1.21.1.2 国内外斜拉桥的检修国内外斜拉桥的检修 由于斜拉桥可以建筑高度低，减轻了结构重量，节省了材料等优势，在全 球桥梁建设得到广泛认可。目前，全球修建的斜拉桥越来越多，由于斜拉桥的 安全性主要取决两个原因，第一是于斜缆的强度,但迄今为止,要检查斜缆有无 缺陷,唯一的办法只能是站在桥面上或爬到塔柱上,用望远镜观察斜缆的表面变 化,至于斜缆接合部位密封好坏,涂层是否剥落,钢绦有无断裂等情况,根本无法 准确判断。第二就是斜拉桥梁体的安全性，检修人员站在梁体的上面，可以对 桥梁上面进行检测，但是梁体的反面就不行了，只能借助与外物。高空车是现 有检测桥梁的重要工具。对于梁桥，高空车是一种有效的检测工具之一，如图 1.2，但是由于高空车的价格比较昂贵，再加上斜拉桥有斜拉索对于高空车作业 有阻拦，工作起来极其不方便，在这个情况下，我们设计新的检桥机构，用于 斜拉桥日常的检测和维修。 图 1.2 高空车 1.21.2 检桥机设计概况检桥机设计概况 1.2.11.2.1 检桥机主要技术要求检桥机主要技术要求 1、轨距：38m 2、跨度：40m 3、高度：6m 4、集中载荷：1t 5、运行速度：15m/min 1.2.21.2.2 检桥机结构检桥机结构 检桥机主要为主梁、2 个门腿、栏杆、爬梯等组成。 主梁跨度约 40m，采用桁架结构，截面形状和尺寸如图 1.3。上部采用 2 根 25b 槽钢、下部采用 22a 工字钢，辅以斜撑、横撑等组成。 图 1.3 剑桥机主梁与门腿的截图 初步分析计算，满足强度和刚度的要求，稳定性由斜撑、横撑等构件的尺 寸和布置保证，具体可待下一步进行详细计算和分析。 1.2.31.2.3 结构重量估计结构重量估计 （1）检桥机主梁三根主材的重量约为 100kg/m，斜撑、横撑估计为它的一 半为 50kg/m，栏杆估计为 20kg/m，平铺 2mm 厚钢板为 18.84kg/m，初步估计主 梁结构自重 200kg/m，40m 长，总重 8t。 （2）门腿结构自重估计 100kg/m，6m 长，重 600 kg，2 个门腿总重 1.2t。 （3） 其它，如爬梯、检修平台等 1t。 合计结构总重约 10-11t。 1.2.41.2.4 运行机构初步计算运行机构初步计算 运行机构根据运行速度 15m/min，考虑摩擦阻力、坡度和风载荷等初步估 计驱动静功率为 2kW，初步选择电机 2 台各 1 kW、1500rpm。 根据轮压选择小车车轮直径 250mm，共 4 个。运行机构分 2 档速度运行， 15m/min 用于行走，5m/min 用于对桥梁的检修。 2 条轨道可以采用铁路钢轨 P11（每米 11kg 铁轨，或者其它轻轨、甚至用 工字钢等型材） ，施工时需调平和压紧，因此需要轨道压板和轨道支架等结构件。 运行机构宜采用电机、齿轮箱、制动器三件组合在一起的“三合一”产品，有 现成厂家制造。运行机构的 4 个车轮有 2 个是从动轮，可以安装手动驱动机构， 可以借用现有的手动单梁起重机的大车运行机构，有现成厂家制造。 1.31.3 小结小结 本章主要介绍了斜拉桥在国内外的发展与检修情况。 斜拉桥是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一。目前为止建成或正在施工的 斜拉桥共有 30 余座，仅次于德国、日本，而居世界第三位，而大跨径混凝土斜 拉桥的数量已居世界第一。 目前，全球修建的斜拉桥越来越多，由于斜拉桥的安全性主要取决两个原 因，第一是于斜缆的强度,第二就是斜拉桥梁体的安全性，检修人员站在梁体的 上面，可以对桥梁上面进行检测，但是梁体的反面就不行了，只能借助与外物。 在这个情况下，我们设计新的检桥机构，用于斜拉桥日常的检测和维修。 第二章第二章 桥梁检测机构电气的设计桥梁检测机构电气的设计 2.12.1 电气设计要求电气设计要求 （1）运行机构分 2 档速度运行，15m/min 用于行走，5m/min 用于对桥梁 的检修。 （2）发电机和电气控制柜可以安置在一个平台上，需要时运送过来固定 好，投入使用，以避免被偷盗。 （3）采用有线遥控，控制器可以挂在脖子上随人移动，以方便操作，不 用时可以摘下来带走。 2.22.2 检桥机工作分析检桥机工作分析 本论文主要负责检桥机构的电气设计，该运行机构分为 2 档速度运行，一 档用于行走，速度的大小是 15m/min ，另一挡用于对桥梁的检修，速度的大小 是 5m/min。 工作人员站在平台上，通过手动的遥控器，对桥梁机构的运行状态进行操 作，其主要功能包括启动，停止，急停，复位，速度一档，速度二档，前进和 后退。工作人员可根据工作的需要，通过遥控机对检桥机构运行状态进行控制， 达到工作目标。 检桥机构电气的设计，核心是对电机进行控制。主要包括三小点，第一点 是运行状态的控制。考虑到结构运行性能，决定左右两边都安装电机，通过 PLC 加上变频器，对电机运行状态进行控制，实现检桥机构的启动，停止，急 停，复位，速度一档，速度二档，前进和后退功能，运行机构分 2 档速度运行， 15m/min 用于行走，5m/min 用于对桥梁的检修。采用有线遥控，控制器可以挂 在脖子上随人移动，以方便操作，不用时可以摘下来带走。第二点是两个电机 实现同步控制，加上光电旋转编码器，对速度进行闭环反馈，从而达到对两个 电机进行同步控制。第三点，对 PLC，变频器，编码器的型号进行确定，同时 需要了解各元件的大小，便于安装在电气柜里面，发电机和电气控制柜可以安 置在一个平台上，需要时运送过来固定好，投入使用，以避免被偷盗。 2.32.3 检桥机电气设计内容检桥机电气设计内容 电机的选择，运行机构根据运行速度 15m/min，考虑摩擦阻力、坡度和风 载荷等初步估计驱动静功率为 2kW，初步选择电机 2 台各 1 kW、1500rpm。 变频器的选择，通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率 可变的交流电的装置称作“变频器” 。变频器是在保证电机原有性能的情况下， 通过改变电机的供电频率和电压的方式，实现电机转速的调节的现代电力电子 设备 PLC 的选择，完成系统逻辑控制部分控制电动机的正、反转、调速等控制 信号进入 PLC，PLC 经处理后，向变频器发出起停、调速等信号，使电动机工 作，是系统的核心。 光电编码器的选择，两个电机实现同步控制，加上光电旋转编码器，对速 度进行闭环反馈，从而达到对两个电机进行同步控制。 检桥机构的电气设计，核心是对电机进行控制，主要包括对原理图的设计， 安装图的设计，接线图的设计，程序梯形图的编写。在此基础上，要对电子元 件进行选择，通过元器件的大小，安装在电气柜里面。 2.42.4 方案拟定与分析方案拟定与分析 （1）主动轮个数 方案一，检桥机构有 4 个轮子，1 个是主动轮，3 个是从动轮。主动轮通过 电机进行拖动，从而带动整个机构的运行，达到实现启动，停止，急停，复位， 速度一档，速度二档，前进和后退等功能。 方案二，检桥机构有 4 个轮子，2 个是主动轮，2 个是从动轮。每个主动轮 分别有一个电机进行拖动，从而带动整个机构的运行，达到实现启动，停止， 急停，复位，速度一档，速度二档，前进和后退等功能。 方案一具有简单等优势，在对其电机进行控制的时候，只需要通过信号输 入 PLC，PLC 处理后对变频器发出起停、调速等信号，便可实现对电机的控制， 实现运动状态，但是方案一只有一个电机在拖动机构，机构两边所受到的力及 其运动状态将会不同，机构两边不能同步前进，会出现检桥机构一边前一边后 的现象。如果采取方案二，通过编码器，可以实现速度的闭环控制，对电机的 控制就能更精确，这样的话，就可以实现两个电机的同步控制，如此机构两边 就能平稳实现运行状态。所以对于电机的选择，决定采取方案二，也就是采用 两个电机，分别在机构的两边进行拖动，从而实现运动状态。 （2）变频器个数 方案一，检桥机有两个主动轮，每一个主动轮分别配一个变频器。PLC 向 两个变频器发布指令，通过变频器控制电机的运行状态。 方案二，只用一个变频器，两个电机并联在变频器的接线端，PLC 向变频 器发布指令，通过变频器控制电机的运行状态。 两个方案都能达到目标，但是方案二比方案一更节约成本，但是在选择变 频器时，应该注意变频器的功率要比两个电机的功率和还要大，最好是一个电 机功率的 2.5 倍。 （3）遥控器的通信方式的选择 方案一，采用红外通信，红外通信是利用 950nm 近红外波段的红外线作为 传递信息的媒体，即通信信道。发送端采用脉时调制（PPM）方式，将二进制数 字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出 去；接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解 调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。 方案二，有线通信，遥控器与 PLC 实现有线通信，遥控器上的信号通过电 线进入 PLC，PLC 处理后再对变频器发出信号，以实现电机的控制。 考虑到成本及其技术原因，认为遥控器采用有线控制比较合理，遥控器可 以挂在脖子上随人移动，以方便操作，不用时可以摘下来带走。 2.52.5 主电路的设计主电路的设计 检桥机电气设计的核心，主要是可编程控制器，变频器，编码器还有电机。 通过开关按钮，把信号输入可编程控制器，信号经过可编程控制器的 CPU 进行 处理，根据程序，给出相应的输出信号，输出信号输送到变频器的正转、反转、 高速或低速端，从而达到控制电机的旋转方向还有旋转速度，再经过机械结构， 来实现检桥机的前进或者后退。如图 2.1 所示： 图 2.1 主电路图 1、断路器，QF,作为主电路的总开关，能够关合、承载和开断正常回路条 件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件（包括短路 条件）下的电流的开关装置。当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时 能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。 2、电源变压器，把 220V 的交流电转变为 24V 的直流电，DC24V 介入可编 程控制器的 24V 和 com 端子中。FX 系列 PLC 基本单元自带 DC24V 电源,FX 系列 的输入信号一般采用 DC24V,给可编程控制器的输出端子上的指示灯、蜂鸣器还 有交流接触器提供电源，虽然可编程控制器有电源可以提供，但是考虑到功耗 问题，需要提供 DC24V 电源。 3、交流接触器 KM0，为了实现停止这个功能，检桥机在检测到桥梁有问题 的地方，可以按停止按钮，让检桥机停止下来，方便工作人员进行检修。停止 按钮是一个常闭开关，一旦断路器一得电，停止按钮就得电，根据程序运行， 对于的输出线圈就得电，这样在主电路上的交流接触器就会闭合，如果按下停 止按钮，输入就没信号，对于的输出线圈也就不得电，主电路上的交流接触器 也就断开。换句话说，在断路器一得电的情况下，交流接触器就闭合。停止按 钮按下时，交流接触器断开，达到停止功能。 4、急停功能，考虑到电路不断断电，对可编程控制器还有变频器性能影响， 主要是靠程序来实现，急停按钮是常闭开关按钮，当急停按钮按下时，通过程 序，然所有输入还有输出全部置位，从而达到急停功能目的。 2.62.6 元件表与电器柜布置元件表与电器柜布置 检桥机电气设计元件表，如表 2.1 所示 表 2.1 元件表 元件个数型号 PLC1FX2n-48mr 变频器 1FR-D740-3.7K-CHT 编码器 2E6B2-CWZ6C/1000P 鼠笼电机 21KW 急停开关按钮 1XB2-BS542 常开开关按钮 2 XB2-BW3361/ZB2-BE101C 一个绿色 一个白色 常闭开关按钮 1 XB2-BA42/ZB2-BE102C 红色 断路器 1DZ47LE-3P+N-C20 热继电器 2JB36-20 变压器 1S-50-24V 行程开关 4 凯昆 KACON ZXM-103 LED 二色灯 1 DC24V 红色与绿色 +蜂鸣器 熔断器 1 长虹牌 FS-101 DC24V 检桥机电气设计电气安装图，如图 2.2 所示 图 2.2 电气安装图 2.72.7 小结小结 本章主要是介绍检桥机的电气设计。根据机构的电气设计要求，对检桥机 进行工作分析，明确机构的设计的核心，确定机构的研究方向，拟定方案进行 选择，最终设计出电气的原理图，再更加元器件表格，设计出电气安装图。 电气原理图的核心是可编程控制器，变频器，编码器还有电机。通过开关 按钮，把信号输入可编程控制器，信号经过可编程控制器的 CPU 进行处理，根 据程序，给出相应的输出信号，输出信号输送到变频器的正转、反转、高速或 低速端，从而达到控制电机的旋转方向还有旋转速度，再经过机械结构，来实 现检桥机的前进或者后退。 第三章第三章 可编程控制器可编程控制器 3.13.1 可编程控制器概述可编程控制器概述 可编程程序控制器(Programmable Controller)是以微处理器为核心，综合 计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种专为在工业环境下应用 而设计的计算机控制系统。它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制、顺 序控制、定时、计数和算术运算等操作功能，并通过开关量、模拟量的输入和 输出完成各种机械或生产过程的控制。它具有丰富的输入、输出接口，并且具 有较强的驱动能力，其硬件需根据实际需要选配，软件则需根据控制要求进行 设计。因为早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制，因此也称为 PLC(programmable Logic controller)，即是可编程逻辑控制器。随着计算机 计数的发展，开始采用微处理器(Microprocessor)作为可编程序控制器的中央 处理单元，从而扩大了可编程序控制器的功能，现在的可编程序控制器不仅可 以进行逻辑控制，也可以对模拟量进行控制。PLC 自问世以来，经过 20 年的发 展，己经成为最受欢迎的工业控制类产品。它之所以高速发展，除了工业自动 化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中普遍 关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。 3.23.2 PLCPLC 的组成及各部分作用的组成及各部分作用 PLC 的硬件系统由基本单元、I0 扩展单元及外部设备组成。 1微处理器(CPU) 中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控 制器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。 当可编程逻辑控制器投入运行时，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。 为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控 制器还采用双 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。 2存储器 PLC 配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器存放系统程 序，用户存储器用来存放用户编制的控制程序。CMOS RAM 是一种可以进行读写 操作的随机存储器，存放在其中的用户程方便地进行修改，它是一种高密度、 低功耗、价格便宜的半导体存储器，可电池作为备用电源，一旦失电，即可用 锂电池供电，以保持 RAM 中的内容。电池的使用寿命一般为 510 年，若经常 带负载可维持 2“-5 年左右。EPROM、EEPROM 都是只读存储器，常用来存放系统 程序和需要长久保存的用户程序。EPROM 称为可擦除的可编程序只读存储器， 在紫外线连续照射 20min 后，就可将 EPROM 中的内容消除，加高电平(125V 或 24V)，可把程序写入到 EPRoM 中。EEPROM 称作电可擦除的可编程序只读存储 器，除可用紫外线擦除外，还可用电擦除，是近年来广泛使用的一种只读存储 器，它不需要专用写入器而只需用编程器就能方便地对所存储的内容实现“在 线修改” ，所写入的数据内容能在彻底断电的情况下保持不变。 3输入腧出(I/O)部件 输入部件和输出部件也称为输入/输出单元或输入/输出模块。实际生产过 程中产生的输入信号多种多样，信号电平各不相同，而 PLC 所能处理的信号只 能是标准电平，因此必须通过输入模块将这些信号转换成 CPU 能够接收和处理 的标准电平信号。同样，外部执行元件如电磁阀、接触器、继电器等所需的控 制信号电平也千差万别，亦必须通过输出模块将 CPU 输出的标准电平信号转换 成这些执行元件所能接收的控制信号。所以，输入/输出模块实际上是 CPU 与现 场输入输出设备之间的连接部件，起着 PLC 与被控对象间传递输入输出信息的 作用。为提高抗干扰能力，一般的输入/输出模块都有光电隔离装置。在数字量 I/O 模块中广泛采用由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器，在模拟量 I/O 模块中通常采用隔离放大器。来自工业生产现场的输入信号经输入模块进 入 PLC。这些信号有的是数字量，有的是模拟量；有的是直流信号，有的是交 流信号。使用时要根据输入信号的类型选择合适的输入模块。由 PLC 产生的输 出控制信号经过输出模块去驱动负载，如电动机的起停和正反转、阀门的开闭、 设备的移动、升降等。和输入模块相同，与输出模块相接的负载所需的控制信 号有的是数字量，有的是模拟量；有的是交流，有的是直流。因此，同样需要 根据负载性质选择合适的输出模块。PLC 具有多种 I/O 模块，常见的有数字量 I/O 模块和模拟量 I/O 模块，以及快速响应模块、高速计数模块、通信接口模 块、温度控制模块、中断控制模块、PID 控制模块和位置控制模块等种类繁多、 功能各异的专用模块和智能 l/O 模块。IO 模块的类型、品种与规格越多， PLC 系统的灵活性越好；IO 模块的 IO 容量越大，PLC 系统的适应性越强。 4电源部件 可编程逻辑控制器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，可编程逻辑控制器的制 造商对电源的设计和制造也十分重视。PLC 的电源部件有很好的稳压措施，因 此对外部电源的稳定性要求不高，一般允许外部电源电压的额定值在+lO一 15的范围内波动。PLC 配有开关式稳压电源的电源模块，用来将外部供电电 源转换成供 PLC 部的 CPU、存储器和 IO 接口等电路工作所需的直流电源。小 型 PLC 的电源往往和 CPU 单元合为一体，大中型 PLC 都有专用电源部件。有些 PLC 的电源部件还能向外提供直流 24V 稳压电源，用于对外部传感器供电，避 免由于外部电源污染或不合格电源引起的故障。为防止在外部电源发生故障的 情况下，PLC 内部程序和数据等重要信息的丢失，PLC 还带有锂电池作为后备电 源。 5编程器 编程器是 PLC 的最重要的外围设备，也是 PLC 不可缺少的一部分。它不仅 可以写入用户程序，还可以对用户程序进行检查、修改和调试，以及在线监视 PLC 的工作状态。它通过接口与 CPU 联系，完成人机对话。编程器一般分为简 易编程器和图形编程器两类。简易编程器功能较少，一般只能用语句表形式进 行编程，通常需要连机工作。简易编程器使用时直接与 PLC 的专用插座相连接， 由 PLC 提供电源。它体积小，重量轻，便于携带，适合小型 PLC 使用。图形编 程器既可以用指令语句进行编程，又可以用梯形图编程；既可连机编程又可脱 机编程，操作方便，功能强，有液晶显示的便携式和阴极射线式两种。图形编 程器还可与打印机、绘图仪等设备连接，但价格相对较高。通常大中型 PLC 多 采用图形编程器。目前，很多 PLC 都可利用微型计算机作为编程工具，只要配 上相应的硬件接口和软件包，就可以用包括梯形图在内的多种编程语言进行编 程。 6其他外部设备 (1)外部存储器 外部存储器是指磁带或磁盘，工作时可将用户程序或数据存储在盒式录音 机的磁带上或磁盘驱动器的磁盘中，作为程序备份。当 PLC 内存中的程序被破 坏或丢失时，可将外存中的程序重新装入。 (2)打印机 打印机用来打印带注释的梯形图程序或指令语句表程序以及打印各种报表 等。在系统的实时运行过程中，打印机用来提供运行过程中发生事件的硬记录， 如记录 PLC 系统运行过程中故障报警的时间等。这对于事故分析和系统改进是 非常有价值的。 (3)EPROM 写入器 EPROM 写入器用于将用户程序写入 EPROM 中。同一 PLC 系统的各种不同应 用场合的用户程序可分别写入不同的 EPROM 中去，当系统的应用场合发生改变 时，只需更换相应的 EPI 的 M 芯片即可。 7I/O 扩展单元 I/O 扩展单元用来扩展输入、输出点数。当用户所需的输入、输出点数超 过 PLC 基本单元的输入、输出点数时，就需要加上 I/O。展单元来扩展，以适 应控制系统的要求。 3.33.3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 PLC 靠执行用户程序来实现控制要求。在存储器中设置输入映像寄存器区 和输出映像寄存器区，分别存放执行程序之前的各输入状态和执行过程中各结 果的状态。PLC 对用户程序的执行是以循环扫描方式进行的。扫描从第 0 号存 储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储 地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序执行程序，直到程序结 束，即完成一个扫描周期，然后再从头开始执行用户程序，并周而复始地重复。 由于 CPU 的运算处理速度很高，使得从外观上看，用户程序似乎是同时执行的。 PLC 的扫描工作方式同传统的继电器控制系统明显不同。继电器控制装置采用 硬逻辑并行运行的方式；在执行过程中，如果一个继电器的线圈通电，那么该 继电器的所有常开和常闭触点，无论处在控制线路的什么位置，都会立即动作： 其常开触点闭合，常闭触点打开。而 PLC 采用循环扫描控制程序的工作方式； 在 PLC 的工作过程中，如果某个软继电器的线圈接通，该线圈的所有常开和常 闭接点，并不一定都会立即动作，只有 CPU 扫描到该接点时才会动作：其常开 接点闭合，常闭接点打开。 一、扫描工作过程 当可编程逻辑控制器投入运行后，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，可编程逻辑控制器的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上 述三个阶段。 1、输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态(“O” 或 “l” ，表现在接线端上是否承受外加电压)读入输入映像寄存器区。这个过 程称为对输入信号的采样，或称输入刷新，接着转入程序执行阶段。在输入采 样阶段结束后，即使输入信号状态发生改变，输入映像寄存器区中的状态也不 会发生改变。 2、程序执行阶段 在程序执行阶段，PLC 对程序按顺序进行扫描，又称程序处理阶段。如果 程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序对由接点构成的控制 线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新输出映像寄存器区或系统 RAM 区对应位的状态。在程序执行阶段，只有输入映像寄存器区存放的输入采 样值不会发生改变，其他各种元素在输出映像寄存器区或系统 RAM 存储区内的 状态和数据都有可能随着程序的执行随时发生改变。值得注意的是，在程序的 执行过程中，排在上面的逻辑行被刷新后的逻辑线圈状态或数据，会对排在下 面的凡是用到这些逻辑线圈的接点或数据的逻辑行起作用，而排在下面的逻辑 行，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据，只有等到下一个扫描周期才可能会对 排在上面的逻辑行起作用。其原因就是因为扫描是从上到下顺序进行的，前面 执行的结果可能被后面的程序所用到，从而影响后面程序的执行结果；而后面 扫描的结果却不可能改变前面的扫描结果，只有到了下一个扫描周期再次扫描 前面程序的时候才有可能起作用。如果程序中两个操作相互用不到对方的操作 结果，那么这两个操作的程序在整个用户程序中的相对位置是无关紧要的。 3、输出刷新阶段 当程序执行后，进入输出刷新阶段。此时，将输出映像寄存器区中所有输 出继电器的状态转存到输出锁存电路，再通过输出端驱动用户输出设备(负载)， 这就是 PLC 的实际输出。PLC 的扫描过程可用图“来表示。由此可以总结出如 下 PLC 对输处理规则。 (1)输入映像寄存器区中的数据，取决于输入端子在本扫描周期输入采样阶 段所刷新的状态。在程序执行和输出刷新阶段，输入映像寄存器区的内容不会 发生改变。 (2)输出映像寄存器区中的数据由程序中输出指令的执行结果决定。在输入 采样和输出刷新阶段，输出映像寄存器区的数据不会发生改变。 (3)输出锁存电路中的数据，由上一个扫描周期输出刷新阶段存入输出锁存 电路中的数据来确定。在输入采样和程序执行阶段，输出锁存电路的数据不会 发生改变。 (4)输出端予直接与外部负载连接，输出端子的状态由输出锁存电路中的数 据来确定。 (5)程序执行中所需要的输入、输出状态，由输入映像寄存器区和输出映像 寄存器区中读出。 3.43.4 三菱三菱 FX2NFX2N 技术特点技术特点 三菱 FXPLC 是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当 FX 系列中最高 档次的超小程序装置，除输入出 1625 点的独立用途外，还可以适用于多个基 本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广 泛需要的 PLC。 特点 -系统配置即固定又灵活；编程简单； -备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算； -使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。 3.53.5 PLCPLC 的选用及端子接线图的选用及端子接线图 FX2N-48MR-001 如图 3.1 所示，是日本三菱公司的可编程控制器(PLC),继 电器输出及输入 24 点,输出 24 点.FX2N 是 FX 系列中功能最强、速度最高的微 型 PLC，内置用户存储器 8K 步，可扩展到 16K 步，最大可扩展到 256 个 I/O 点， 可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、 等） 。有功能很强的数学指令集。通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信 和数据链接。 图 3.1 FX2n 优点： -系统配置即固定又灵活；编程简单； -备有可自由选择，丰富的品种； -令人放心的高性能；高速运算； -使用于多种特殊用途； -外部机器通讯简单化；共同的外部设备 端子接线图 FX2N-48MR-001 的端子排，如图 3.2 所示 图 3.2 FX2N-48MR-001 的端子排 FX2N-48MR-001 的端子接线图，如图 3.3 所示 图 3.3 FX2N-48MR-001 的端子接线图 输入端 X0X5,作为编码器 A、B、Z 的信号输入 输入端 X16,作为变频器异常的信号输入，如果 X16 一得电的话，输入端 X12X13 与输出端 Y0 和 Y1(正转和反转)将置位，也就是 Y0 和 Y1 将没有输出， 祈祷保护设备的作用。 输入端 X17X22,做为行程开关的输入端，行程开关起到保护检桥机的作用， 当检桥机走到斜拉桥的尽头时，我们用肉眼是无法确定的，考虑到工作控制需 要还有人员安全的保护，在检桥机的前后分别抖安装行程开关，前后分别两个， 前后的两个行程开关一左一右，起到双重保护作用。 输出端 Y0Y3，作为电机控制信号的输出端，输出端直接连接变频器的端 子，通过输入端 X12X15 信号的输入，通过程序运行，确定输出端 Y0Y3 信号 的输出，以达到控制电机运行目的。在此，考虑到人员操作上可能会失误，正 反转还有高速与低速都通过程序实现连锁功能了。 输出端 Y4Y6,作为设备运行的指示灯，当设备正常运行的时候，只有指示 绿灯亮，当设备停止时，只有红色指示灯亮，当设备急停时，红色指示灯还有 蜂鸣器同时得电。 PLC 的 I/O 分配，如表 3.1 所示 表 3.1 I/O 分配 PLC 输入端子PLC 输出端子 X0编码器 A 相Y0正转 X1编码器 B 相Y1反转 X2编码器 Z 相Y2高速 X3编码器 A 相Y3低速 X4编码器 B 相Y4停止指示灯 X5编码器 Z 相Y5运行指示灯 X6启动按钮Y6蜂鸣器 X7停止按钮Y7接触器 X10复位按钮 X11急停按钮 X12正转 X13反转 X14高速 X15低速 X16变频器故障 X17行程开关 1 X20行程开关 2 X21行程开关 3 X22行程开关 4 3.63.6 小结小结 本章是介绍了可编程控制器的工作原理，可编程控制器各个模块的用途、 性能及其电路接线方法。 可编程控制器起具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力， 其硬件需根据实际需要选配，软件则需根据控制要求进行设计。随着计算机计 数的发展，开始采用微处理器(Microprocessor)作为可编程序控制器的中央处 理单元，从而扩大了可编程序控制器的功能，现在的可编程序控制器不仅可以 进行逻辑控制，也可以对模拟量进行控制。 可编程控制器的选型，考虑到性价比，最终确定选用三菱 PLC，其型号是 FX2n-48mr，明确了 PLC 的 I/O 的分布，设计出 PLC 端口的接线图。 第四章第四章 变频器变频器 变频器是在保证电机原有性能的情况下，通过改变电机的供电频率和电压 的方式，实现电机转速调节的现代电力电子设备。它根据电机的不同负载分别 实现节能、提高生产效率、提高产品质量、实现自动化、增加设备使用寿命并 使设备小型化等用途，广泛应用在钢铁、轻工、化学、纤维、汽车、电机(机械)、 机床、食品、造纸、水泥、矿业、煤气、交通、装卸搬运、工厂建筑、农业、 生活服务、电力、试验研究、石油等领域。另外，变频器还有很多的保护功能， 如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得 到了非常广泛的应用。 4.14.1 变频器的基本结构变频器的基本结构 变频器主要由整流（交流变直流） 、滤波、逆变（直流变交流） 、制动单元、 驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部 IGBT 的开断来调整输 出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而 达到节能、调速的目的，变频器的主电路给异步电动机提供调压调频电源的电 力变换部分，称为主电路。如图 4.1 所示，为典型的变频器主电路。 图 4.1 变频器主电路 由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的交一直变换部分也称为整流 器，吸收在变流器和逆交器产生的电压脉动的中间直流环节，以及将直流功率 变换为交流功率的直一交变换部分(逆变器)。 如图 4.2 所示： 图 4.2 变频器主电路图 1、交一直变换部分 （1） 、VDl“-VD6 组成三相整流桥，将交流变换为直流。 如三相线电压为 UL，则整流后的直流电压 UD 为：UD=135UL （2） 、滤波电容器 CF 作用： 滤除全波整流后的电压纹波； 当负载变化时，使直流电压保持平衡。 CF1 和 CF2 是滤波电容。三相电源经过 VD1VD6 后产生脉动的直流，通过 CF1 和 CF2 可以把脉动的直流转变成平缓的直流电源。因为上下直流母线的电 压比较高，所以串联了两个 CF，提高了电容的耐压，因为电容值不同可能会导 致电压不均，所以使用了均压电阻，因为 R1=R2,所以 CF1 和 CF2 两端的电压值 是相同的 （3） 、限流电阻 RL 和开关 SL RL 是缓冲电阻，刚接通电源的时候，晶闸管或 SL 是断开的，电流从 RL 流 过，起到限流作用，避免电流瞬时增加，电路接通一段时间后，SL 或者晶闸管 就导通。 （4） 、HL