浅谈PLC在门机控制中的应用毕业论文.pdf

1 毕业论文(设计) 题题目目浅谈浅谈 PLC 在门机控制中的应用在门机控制中的应用 系系机电工程系机电工程系 专业、年级专业、年级 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师职称职称 论文字数论文字数5500 完成日期完成日期2012年年4月月25日日 2 唐山职业技术学院毕业设计（论文）任务书 机电工程系 系系自动化专业专业班班学生姓名学生姓名：学号学号： 一、一、 毕业设计（论文）题目毕业设计（论文）题目：浅谈 PLC 在门机控制中的应用 二、任务进行的日期：二、任务进行的日期：2011年年10月月 20 日起至日起至2012年年4月月25日日 三、任务书的内容三、任务书的内容： （一）选题的目的和意义（一）选题的目的和意义： 当前社会工业正处在飞速发展的时代，朝着自动化、无人化方向发展，自动化对人类进 步具有重大意义，通过自己的实习经验总结，本论文着重通过对门机各个机构组成的介绍来 了解门机在工作时所依靠的自动化设备及 PLC 系统，让大家更进一步具体的了解 PLC 在门机 中的重要作用。 （二）论文应论述的内容：（二）论文应论述的内容： 1、门机的概述 2、PLC 控制器和变频器技术在门机上的应用 3、PLC 的应用案例 （三）主要参考资料（三）主要参考资料： 1常斗南.可编程序控制器M.机械工业出版社，1998，7 2宋伯生.PLC 应用及实验教程M.机械工业出版社，2001，9 3邹金慧.可编程控制器及其系统M.重庆大学出版社，2002 4刘安俊.机械设计M.华中理工大学出版社,1995 （四）时间进度要求（四）时间进度要求： 2 月 20 日3 月 1 日毕业实习、收集资料 3 月 2 日3 月 5 日报课题 3 月 6 日3 月 20 日撰写毕业论文 3 月 21 日4 月 23 日毕业设计中期检查 4 月 1 日4 月 12 日撰写毕业论文 4 月 13 日4 月 25 日毕业论文定稿 指导教师签名：指导教师签名：年年月月日日 教研室主任签名：教研室主任签名：年年月月日日 学生签名：学生签名：年年月月日日 3 毕业设计（论文）开题报告 2011 年 10 月 20 日 选题浅谈 PLC 在门机控制中的应用 系机电工程系专业年级 学生姓名学生学号 本选题的意义及目前研究状况： 1.研究目的和意义： 当前社会工业正处在飞速发展的时代，朝着自动化、无人化方向发展，自动化对人类进 步具有重大意义，通过自己的实习经验总结，本论文着重通过对门机各个机构组成的介绍来 了解门机在工作时所依靠的自动化设备及 PLC 系统，让大家更进一步具体的了解 PLC 在门机 中的重要作用。 2.目前该选题研究现状（文献综述） 当前社会工业正处在飞速发展的时代，朝着自动化、无人化方向发展，自动化对人类进 步具有重大意义，通过自己的实习经验总结，本论文着重通过对门机各个机构组成的介绍来 了解门机在工作时所依靠的自动化设备及 PLC 系统，让大家更进一步具体的了解 PLC 在门机 中的重要作用。 4 研究内容（内容、结构框架以及要突破的难点） ： 1、门机的概述 2、PLC 控制器和变频器技术在门机上的应用 3、PLC 的应用案例 研究方法、手段： 1 查阅参考资料 2 自己的实习工作经历 3 对前辈的咨询 研究计划： 2 月 20 日3 月 1 日毕业实习、收集资料 3 月 2 日3 月 5 日报课题 3 月 6 日3 月 20 日撰写毕业论文 3 月 21 日4 月 23 日毕业设计中期检查 4 月 1 日4 月 12 日撰写毕业论文 4 月 13 日4 月 25 日毕业论文定稿 参考文献： 1常斗南主编.可编程序控制器第 2 版.机械工业出版社，1998，7 2宋伯生.PLC 应用及实验教程. 机械工业出版社，2001，9 3邹金慧主编.可编程控制器及其系统.重庆大学出版社，2002 4刘安俊主编.机械设计M.华中理工大学出版社,1995 指导教师意见： 签名：年月日 5 毕业论文（设计）评定意见 题题 目目浅谈 PLC 在门机控制中的应用 学学 生生 姓姓 名名 系系机电工程系专业、年级专业、年级 指指 导导 教教 师师 指导教师职称指导教师职称 指指 导导 教教 师师 评评 语语 成绩：成绩：签名：签名： 年年月月日日 6 毕业设计(论文)资格审查、答辩及综合成绩评定表 学生姓名学生姓名学生专业、年级、班级学生专业、年级、班级 课课题题浅谈 PLC 在门机控制中的应用 形式审查意见：形式审查意见： 形式审查小组组长签字：形式审查小组组长签字： 年年月月日日 答辩评语答辩评语： 答辩委员会主任签字：答辩委员会主任签字： 年年月月日日 毕业设计毕业设计( (论文论文) )成绩成绩 （占总成绩（占总成绩60%60%） 答辩成绩答辩成绩 （占总成绩（占总成绩40%40%） 毕业设计毕业设计( (论文论文) )成绩综合评定成绩综合评定 （按分值折算为：优、良、及格、不及格）（按分值折算为：优、良、及格、不及格） 7 目录目录 1 门机的概述门机的概述-9 1.1 门机的简介门机的简介-9 1.2 门机的发展门机的发展-9 1.3 门机的分类门机的分类-9 1.4 门机的工作原理门机的工作原理-10 2PLC 控制器和变频器技术在门机上的控制器和变频器技术在门机上的应用应用-11 2.1PLC 控制器与变频器调速原理控制器与变频器调速原理-11 2.1.1PLC 控制器控制器-11 2.1.2 变频器调速原理变频器调速原理-11 2.2 系统工作组成系统工作组成-12 2.2.1 系统组成系统组成-12 2.2.2 系统工作原理系统工作原理-12 3PLC 的应用案例的应用案例-13 3.1 零位条件必须包含的内容零位条件必须包含的内容-13 3.23.2 程序运行条件程序运行条件-15-15 3.33.3 运行程序例子运行程序例子-16-16 3.43.4 上升、下降条件上升、下降条件-16-16 3.53.5 手柄故障手柄故障-16-16 4 结论结论-17 5 参考文献参考文献-18 8 摘要：摘要：PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以 编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等 操作的指令， 并能通过数字式或模拟式的输入和输出， 控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而 设计。正是通过此原理，PLC 在门机中起着不可或缺的作用。 关键词：关键词：PLC、门机应用 9 1 门机的概述门机的概述 1.1 门机的简介门机的简介 门机又称门座起重机，是电力驱动、有轨运行的臂架类起重机之一。它的构造大体上可 以分为两大部分：上部旋转部分和下部运行部分。上部旋转部分安装在一个高大的门形底架 (门架)上，并相对于下部运行部分可以实现 360任意旋转。门架可以沿轨道运行，同时它又 是起重机的承重部分。起重机的自重和吊重均由门架承受，并由它传到地面轨道上。门座起 重机正是由此门形底座而得名的。 门座起重机的上部旋转部分包括臂架系统、人宇架、旋转平台、司机室等，还安装有起升机 构、变幅机构、旋转机构。下部运行部分主要由门架和运行机构组成。门架底都能通火车， 轨距有 3 种： 能通过一列火车轨距为 6m， 称单线门架， 能通过并排两列火车的轨距为 10.5m， 称双线门架，能通过并排三列火车的轨距为 16 m，称三线门架。码头前沿的门座起重机门架 多属双线门架。门座底部装有行车车轮或运行台车，运行机构使整台起重机可以沿着地面或 建筑物上的轨道运行。 门座起重机同其他起重机一样主要是由驱动部分、金属结构和工作机构组成的。 1.2 门机的发展门机的发展 门机是随着港口事业的发展而发展起来的 1890 年,第一次将幅度不可变的固定式可旋转 臂架型起重机装在横跨于窄码头上方的运行式半门座上，成为早期的港用半门座起重机随着 码头宽度的加大,门座和半门座起重机并列发展，并普遍采用俯仰臂架和水平变幅系统。第二 次世界大战后，港用门座起重机迅速发展为便于多台起重机对同一条船进行并列工作,普遍采 用了转动部分与立柱体相连的转柱式门座起重机(图 1转柱式门座起重机),或转动部分通过 大轴承与门座相连的滚动轴承式支承回转装置,以减小转动部分的尾径,并采用了减小码头掩 盖面（门座主体对地面的投影）的门座结构。在发展过程中，门机还逐步推广应用到作业条 件与港口相近的船台和水电站工地等处。 1.3 门机的分类门机的分类 按用途可分为 3 类：装卸用门座起重机:主要用于港口和露天堆料场，用抓斗或吊钩 装卸。起重量一般不超过 25 吨，不随幅度变化。工作速度较高，故生产率常是重要指 标。造船用门座起重机：主要用于船台、浮船坞和舣装现场，进行船体拼接、设备舣 装等吊装工作，用吊钩作为吊具。最大起重量达 300 吨,幅度大时起重量相应减小。有 多档起升速度，吊重轻时可提高起升速度。有些工作机构还备有微动装置，以满足安装 要求。门座高度大者，可适应大起升高度和大幅度作业的要求，但工作速度较低，作业 生产率不高。建筑安装用门座起重机：主要用在水电站进行大坝浇灌、设备和预制件 10 吊装等，一般用吊钩。起重量和工作速度一般介于前两类起重机之间。它具有整机装拆 运输性好、吊具下放深度大、能较好地适应临时性工作和栈桥上工作等的特点。 1.4 门机的工作原理门机的工作原理 门座起重机的工作原理是：通过起升、变幅、旋转 3 种运动的组合，可以在一个环形圆柱体 空间实现物品的升降、移动，并通过运行机构调整整机的工作位置，故可以在较大的作业范 围内满足运移物品的需要。见图一。 图一 11 2PLC 控制器和变频器技术在门机上的控制器和变频器技术在门机上的应用应用 2.1PLC 控制器与变频器调速原理控制器与变频器调速原理 2.1.1PLC 控制器控制器 PLC 是可编程控制器的简称，可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是 1 台专 为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动 能力。当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为 3 个阶段，即输入采样，用户程序执行和输 出刷新 3 个阶段。完成上述 3 个阶段称为 1 个扫描周期，在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一 定的扫描速度重复执行 3 个阶段。在输入采样阶段，PLC 控制器以扫描方式依次读入各类按 钮、开关类电器主令控制器的输入状态和数据，并将它们存入 I0(输入输出)映象区中的 相应单元内。在用户程序执行阶段，PLC 控制器总是按顺序由上而下的依次扫描，预编好的 各种软继电器及其触点组成逻辑程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形 图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线 路图进行逻辑运算，然后根据逻辑运算结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 储存区中对应的状 态，或者刷新该输出线圈在 I0 映象区中对应位的状态；确定是否要执行该梯形图所规定 的特殊功能指令。当扫描用户程序结束后，PLC 控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I0 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路， 再经输出电路驱动相应的被 控负载，如各种电磁阀线圈、接触器、信号指示灯或变频器等执行电器，这时才是 PLC 控制 器的真输出。 2.1.2 变频器调速原理变频器调速原理 变频器简单地说就是将电源的三相(或单相)交流电，经整流桥整流为直流电(交一直变 换)，再把直流电经逆变器变为电压和频率可调的三相(或单相)交流电源(直一交变换)。其间 电能不发生任何变化，而只有频率发生改变。转子的转速计算公式如下： n= 60f(1-s) p (1) 式中：n - 转子的转速； f -定子频率； s - 异步电动机转差率； p - 磁极 对数。 由式(1)可知，异步电动机调速的途经有改变磁极对数、改变转差率和调整输入频率。 改变电机的磁极对数实际上就是改变定子旋转磁场的转速，加上电机的磁极对数是相对固定 的，所以只有通过改变定子绕组的接法来实现。但是这种方法的缺点是显而易见的，主要是： 最多只有 4 挡调速，不能得到最佳的运行效果，负载能力下降，工作效率下降，调速时必须 改变绕组的接法，故控制电路比较复杂。改变转差率是通过在转子电路中串联电阻来实现的， 这种方法只能用于绕线式电机，其缺点是因为要串联的电阻在电机外部，在电机的结构上就 必须加入电刷和滑环，增加了故障率，同时调速电阻上将白白地消耗掉许多电能，调速后的 机械特性比较“软”，不理想。 而改变电动机定子侧供电电源的输入频率，即可改变电机的 12 同步转速和电机转子额定转速。但频率下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增 加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压， 这就要求频率与电压协调控制，该协调控制的装置就称为变频器。在起重机上调速，电机产 生的最大转矩不能变，这就需要维持磁通不变。现在使用的精确交流控制系统多为矢量控制， 其基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转距和磁场 2 个 分量，经过坐标变换实现正交和解耦控制。直接转矩与矢量控制不同，它不是通过控制电流、 磁链等量来间接控制转矩，而是采用瞬态转矩的控制方式，把转矩直接作为被控制量来控制， 其性能类似于他励直流电机特性。 2.2 系统工作组成系统工作组成 2.2.1 系统组成系统组成 MQ530 门机最大起升高度 30 m，最大起重负荷 5 t。变频控制器采用 ABB 公司 ACS600 系 列变频器，该变频器采用了适合于起重作业的 DTC 直接转矩控制理论。起升机构为双钩 2 台 55 kW 变频电机，2 台 ABBACS600120 变频器；变幅机构为 1 台 22 kW 变频电机，1 台 ABBACS60040 变频器；旋转机构为 1 台 3Okw 变频电机；行走机构为 4 台 75 kW 变频 电机，旋转和大车行走共用 1 台 ABBACS6007O 变频器。PLC 控制器采用 GE 公司 FANUC 系 列 9030 可编程控制器，有 1 个 CPU 模块，1 个通讯模块，2 个电源模块，7 个输入模块，3 个输出模块，它与 ABB 公司 ACS600 系列变频器之间的数据交换，是通过 Profibus 现场总线 组成网络来实现。 2.2.2 系统工作原理系统工作原理 门机的运行过程首先是全车通电，PLC 控制器和变频器得电后，进行初始化自检和诊断。 在 PI C 控制器输入模块和输出模块上有相应的灯亮，代表一切正常，具备开机条件。通过 PLC 控制器指示灯的反应，能够使维修人员很快的找到设备故障点。开机时 PLC 控制器先将 接收到的驾驶室操纵杆信号，转换为调速系统可直接处理的数字信号，然后通过 Profibus 现 场总线网络传送到相应的变频器上，在完成 PLC 控制器对变频器控制的同时，还将变频器的 运行状态，通过通讯网络 Profibus 现场总线，反馈到 PLC 控制器上，实现对整机状态的实时 控制。变频器将所得到的信号再处理后输送到下端变频电机，使电机平稳的起降、旋转作业， 最终将货物装卸完毕，如图二所示。 图二 门机通过 plc 实现升降、变幅、旋转流程图 13 3PLC 的应用案例的应用案例 3.1 零位条件必须包含的内容：零位条件必须包含的内容： （1）手柄零位档，并由零位条件输出自锁。 （2）主电源空开辅点及主电源接触器辅点信号，无主接触器的就用分接触器辅点信号。 （3）机构空开辅点信号：电源、制动器、风机空开辅点。 （4）过电流、热继电器等保护信号。 （5）变频器故障、制动单元故障。 （6）制动器接触器故障 （7）两个机构共用变频器时要把该机构的电机接触器信号和另一个机构接触器的常闭点做 进零位条件。 (ABB 7.4 以前版本变频器做电机切换要把“用户宏 1 或用户宏 2 有效”信号做 进零位！) （8）两个机构联动时，应把两个机构的零位条件串起来一起，并且在单动时可旁路另个机 构的零位条件。 零位保护、风机空开、联动情况说明：如图三所示。零位保护、风机空开、联动情况说明：如图三所示。 条件 C8A00 起升 1 零位，M00002 主电源空开反馈点，M00012 起升 1 零位条件，构成了手柄的零位保护，当 M00012 断开，即主接触器主空开断开后，手柄必须回零位，才能再次满足零位条件 C700 起升 1 电源空开，I00147 起升 1 制动空开，C8B10 起升 1 风机空开，M00013 起升 2 零位，C905 起 14 升 1 制动中继输出，C501 起升 1 单动，C8B11 起升 1 电机接触器反馈，M00050 起升准备 如果 C8B10 风机空开信号输入 plc 输入点时，在电机正在运行时风机空开断开了，可不立即断零位条件， 用制动器输出信号旁路 C509，该信号没有了再断开零位条件，联动时另外一个机构的零位条件断开，本 机的零位条件也要断开，单动时不受另一个机构影响。 M00050 在起升 1 准备好的条件下闭合，C401 变频器故障 C306 制动单元故障 M00003 制动接触器故障 M00310 超速故障，在无故障的情况下，起升一档零位条件满足，机械做起升动作 图三 制动器故障说明：如图四所示。制动器故障说明：如图四所示。 图四 M00301 起升制动器中继输出 M00302 起升制动器接触器反馈 M00300 起升制动接触器故障 M00306 故障复位按钮 超速故障例子：如图五所示。超速故障例子：如图五所示。 15 图五 电机切换程序说明：如图六所示。电机切换程序说明：如图六所示。 图六 旋转机构的零位条件还应该加入锚定限位、手刹限位和制动脚踏限位（当为电动控制制旋转机构的零位条件还应该加入锚定限位、手刹限位和制动脚踏限位（当为电动控制制 16 动器抱闸时，不要将制动脚踏限位放在零位条