毕业设计-桥式起重机PLC控制改造设计.doc

毕业设计（论文） 毕业论文题目：桥式起重机plc控制改造设计目 录第1章 绪 论11.1 过程控制技术的发展概述21.2 对起重机控制电路进行plc改造的意义31.3 本设计的主要内容4第2章 桥式起重机电气控制52.1 桥式起重机简介52.2 桥式起重机对电力拖动和电气控制的要求72.3 起重机电动机的工作状态分析82.4 起重机控制原理分析10第3章 起重机plc控制系统的设计213.1 可编程序控制器的功能和特点213.2 plc控制系统的设计基本原则与主要内容223.3 plc硬件的选择243.4 节省plc输入输出点数的方法273.5 plc的选型设计29第4章 桥式起重机plc控制系统的程序设计394.1 plc控制程序设计的一般步骤394.2 桥式起重机控制程序的设计40第5章 桥式起重机plc控制系统的检修495.1 桥式起重机常见故障及可能原因495.2 20/5t桥式起重机电气控制线路的常见故障检修50参考文献53结束语54第1章 绪 论1.1 过程控制技术的发展概述在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：开始到70 年代为第一阶段，70 年代至90 年代初为第二阶段，90 年代初为第三阶段开始。其中70 年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期，90 年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的初期。第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、pid 策略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大滞后的smith 预估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等等，这阶段的主要任务是稳定系统，实现定值控制。这与当时生产水平是相适应的。第二阶段是发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，满足复杂的工艺要求，提高控制质量。1975 年，世界上第一台分散控制系统在美国honeywe公司问世，从而揭开了过程控制崭新的一页。分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法(几十至上百种) 、较好的人机界面和故障检测报告功能。经过20多年的发展，它已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。第三阶段是高级阶段，目前正在来到。1.2 对起重机控制电路进行plc改造的意义目前，在企业中运行着的许多生产设备在控制技术方面都趋于落后和老化，但并未完成设备的设计寿命。特别是设备主体的工作性能还十分稳定和可靠，只是在新技术的应用上跟不上时代的发展，运行中的消耗偏高，效率较低，控制性能不够优越。在这种情况下，若只为追求新技术的应用而提前进行设备的更新换代，将造成极大的浪费，同时增大设备投资的回收难度，提高企业的产品成本。本设计中20/5吨桥式起重机电气驱动系统分为主钩、副钩、小车、大车四部分。在原传动控制中，采用转子串接电阻的调速方式，其设备存在缺点如下：1） 起重机每天需进行大量的装卸操作，由于绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件交直流接触器和断开电动机上的串接电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的电阻因灰尘、设备震动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。2） 拖动电动机容量大，启动时电流对电网冲击大，而且都是惯性负载，机械冲击也较大，机械设备使用寿命短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性低。3） 起重机工作的协调性主要靠操作人员的熟练程度。由于由于副钩、大车、小车凸轮控制器之间没有固定的联系，在起重机工作时操作人员劳动强度比较大，容易疲劳，易产生误操作。要解决上述问题，最有前途的作法是对现有设备进行技术改造，提高旧设备的新技术含量。这样既能有效地发挥现有设备主体的工作性能，又能降低成本、提高效率。采用plc（可编程控制器）来控制桥式起重机的运行，可以充分体现出plc所具有的功能强，可靠性高、编程简单、使用方便、体积小巧等优点。起重机采用plc控制，还能解决传统控制方式下在操作方面的许多麻烦，包括开闭电机和起升电机在抓斗刚装料闭合起升时难以同步等问题。同时，通过采用plc控制可以减轻工人的劳动强度，提高抓斗桥式起重机的工作性能。因此，plc在该方面的应用具有重要的实用意义和推广价值。1.3 本设计的主要内容1)电气控制系统的设计方法2)继电接触器控制系统设计的一般要求3)桥式起重机电路的设计4)桥式起重机控制电路的工作原理5)桥式起重机电路控制器件的选择6)桥式起重机电路的检修第2章 桥式起重机电气控制2.1 桥式起重机简介2.1.1 桥式起重机的结构与分类起重机是一种用于起吊和放下重物并使重物在短距离内水平移动的起重设备。起重设备有多种形式，有桥式、塔式、门式、旋转式和缆索式等。桥式起重机通常分为单主梁、双梁起重机两大类。按吊具不同又可分为吊钩、抓斗、电磁、两用(吊钩和可换的抓斗)桥式起重机。此外还有防爆、绝缘、双小车、挂梁等桥式起重机 。不形式的起重机分别用在不同的场合。如车站货场使用的门式起重机；建筑工地使用的塔式起重机；生产车间使用桥式起重机。桥式起重机一般通称行车或天车。图2.1 桥式起重机示意图1-驾驶室 2-辅助滑线架 3-交流磁力控制屏 4-电阻箱 5-起重小车 6-大车拖动电动机 7-端粱 8-主滑线 9-主粱桥式起重结构示意如图2.1所示，起重机可以在大车能够行走的整个车间范围内进行起重运输。桥式起重机主要由大车和小车组成桥架机构，主钩和副钩组成提升机构。大车的轨道敷设在沿车间两侧的立柱上，大车可在轨道上沿车间纵向移动；大车上有小轨供小车横向移动；主钩和副钩都装在小车上，主钩用来提升重物，副钩除了可提升轻物外，在它额定负载范围内也可协同主钩轻转或翻倒工作用。但不允许两钩同时提升两个物件，两个吊钩再单独工作时均只能起吊重量不超过额定重量的重物，当两个吊钩同时工作时，物件重量不允许超过主钩的起重量。大车运行机构有分别驱动和集中驱动两种，目前我国生产的桥式起重机大都采用分别驱动方式。小车由起升机构和小车运行机构组成，小车运行机构采用集中驱动方式。2.1.2桥式起重机的供电特点起重机的电源为380v，由公共的交流电源供给 。由于起重机在工作时是经常移动的，同时，大车与小车之间、大车与厂房之间都存在相对运动，因此，要采用可移动的电源设备供电。一般采用软电缆供电。软电缆可随大、小车的移动而伸展和叠卷。另一种方法是采用滑触线和集电刷供电。三根交流电源经由三根主滑触线与滑动的集电刷，引进起重机驾驶室内的保护控制柜上再从保护控制柜引出两相电源至凸轮控制器，另一相称为电源的公用相，它直接从保护控制柜接到各电动机的定子接线端。滑触线通常采用角钢、圆钢或工字钢等钢性导体制成。2.1.3 桥式起重机的主要技术参数桥式起重机的主要技术参数有起重量、跨度、起升高度、起升速度、运行速度和工作级别等。1、起重量 系指被起升物的重量，有额定起重量和最大起重量两个参数。额定起重量是指起重机允许吊起的物品连同可分吊具重量的总和。最大起重量是指在正常工作条件下允许吊起的最大额定起重量。起重机械最大起重量在国家标准gb783-87中已有规定。2、跨度 起重机主梁两端车轮中心线间的距离，即大车轨道中心线间的距离称作跨度。3、起升高度 吊具或抓取装置的上极限位置与下极限位置之间的距离，称为起升高度。4、工作速度 桥式起重机的工作速度包括起升速度及大、小车运行速度。起升速度指吊物(或其它取物装置)在稳定运动状态下，额定载荷时的垂直位移速度。中、小起重量的起重机起升速度一般为820m/min。小车运行速度一般为3050mmin。大车运行速度一般为80120m/min。5、工作级别 起重机的工作级别是根据起重机利用等级和载荷状态划分的，它反映了起重机的特性。按工作级别使用起重机，可安全又充分发挥起重机的功能。关于工作级别可参阅gb3811-83起重设计规范中的有关规定。2.2 桥式起重机对电力拖动和电气控制的要求桥式起重机工作环境恶劣，粉尘大，温度高，空气潮湿，其工作性质为重复短时工作制。因此，拖动电动机经常处于起动、制动、调速、反转工作状态；同时，负载很不规律，经常承受大的过载和机械冲击；另外，起重机要求有一定的调速范围。为此，专门设计制造了yzr系列起重及冶金用三相感应电动机。为了更好地起重行业更新桥式起重机配套电机的需要，在yzr系列基础上运用计算机重新设计其电磁方案，研究出了yzr-z系列起重专用电机。2.2.1 起重用电动机的特点1)电动机按断续周期工作制设计制造，其代号为s3。在断续工作状态下用负载持续率fc%表示。 (2-1)一个周期通常是为10min，标准的负载持续率有15%、25%、40%、60%等几种。2)具有较大的起动转矩和最大转矩，适应重载下的起动、制动和反转。3)电动机转子制成细长形，转动惯量小，减小了起、制动时的能量损耗。4)制成封闭型，具有较强的机械结构，有较大的气隙，以适应多尘土和较大机械冲击的工作环境；具有较高的耐热绝缘等级，允许温升较高。2.2.2 提升机构与移动机构对电力拖动自动控制的要求为了提高起重机的生产率和生产安全，对起重机提升机构电力拖动自动控制提出如下要求：1) 具有合适的升降速度，空钩能快速升降，轻载提升速度应大于额定负载的提升速度。2) 具有一定的调速范围，普通起重机调速范围为3:1，对要求较高的起重机，调速范围可达(510):1。3) 适当的低速区，提升重物开始或下降重物到预定位置附近，都需要低速。为此，在30%额定速度内应分成几档，以便灵活操作。高速向低速过渡应逐级减速，保持稳定运行。4)提升的第一档为预备档，用以消除传动间隙，将钢丝张紧，避免过大的机械冲击。但预备级的起动转矩不能大，一般限制在额定转矩的一半以下。5)负载放下时，依据负载大小，拖动电动机可以是电机状态、倒拉反接制动状态与再生发电制动状态。图2.2 提升物品时的正向电动状态6)为了安全，有机械抱闸的机械制动，以减轻机械抱闸的负担。不允许只有电气制动而无机械制动，不然发生电源事故停电时，在无制动力矩作用下，重物将自由下落，造成设备或人身事故。大车运行机构与小车运行机构对电力拖动自动控制的要求比较简单，只要有一定的调速范围，分几档进行控制即可。为实现准确停车，应采取制动停车。2.3 起重机电动机的工作状态分析图2.3 下放空钩或轻载时的反向电动状态2.3.1 大车、小车行走机构电动机的正、反向电动状态运行起重机大车和小车运行机构电动机的负载转矩为运行传动机构和车轮滚动时的摩擦阻力矩，其值为一常数，方向始终与运动方向相反。因此，大车与小车来回移动时，拖动电动机处于正向与反向电动状态运行。2.3.2 提升重物时的正向电动工作状态提升物品时，电动机负载转矩tl由重力转矩tw及提升机构摩擦阻转矩tf两部分组成，当电动机电磁转矩t克服负载转矩tl时，重物将被提升；当二者相等时，重物以恒定速度提升。特性如图2.2所示特性，此时电动机处于正向电动状态。图2.4 下放在中载或重时的再生制动状态2.3.3 当空钩或轻载下放时的反向电动状态图2.5 下放重载时的倒拉反接制动状态当空钩或轻载下放时，由于负载重力转矩小于提升机构摩擦阻转矩，此时依靠重物自身重量不能下降。为此，电动机必须向着重物下降方向产生电磁转矩，并与重力转矩一起共同克服摩擦阻转矩，强使空钩或轻载下放，这在起重机中常叫做强迫下降。电动机工作在反转电动状态，如图2.3所示。电动机运行在- na下，以na速度下放重物。2.3.4 在中载或重时的再生制动状态图2.6 单相电动状态机械特性在中载或重载长距离下降重物时，可将提升电动机按反转相序接线，产生下降方向的电磁转矩，此时电磁转矩t与重力转矩tw的方向一致，仍如图2.3所示，使电动机很快加速并超过电动机的同步转速。此时，转子绕组内感应电动势和电流均改变方向，产生阻止重物下降的电磁转矩。当电磁转矩=负载转矩时，电动机以高于同步转速的速度稳定运行，所以也可称为超同步制动，如图2.4所示。2.3.5 下放重载时的倒拉反接制动状态在下放重型载荷时，为获得低速下降，确保起重机工作安全平稳，常采用倒拉反接制动。此时，电动机定子仍按正转提升相序接线，但在转子电路中串接较大电阻，这时电动机起动转矩小于负载转矩tl，因此电动机就被载荷拖动，迫使电动机反转反转以后电动机的转差率增大，转子的电动势和电流都加大，转矩也随之加大，直至t=tl，如图2.5所示。2.3.6 低速下放或中载时的单相制动状态单相制动状态是将电动机定子三相绕组中的任意两相并联后与第三相绕组串联接在电源线电压上，使电动机构成单相接电状态。这时，电动机定子产生一个脉动磁场，将这个脉动磁场分解为两个转速相同、转向相反的旋转磁场。这两个旋转磁场都要产生感应电流，产生转矩。所以，电动机的电磁转矩将是这两个旋转磁场产生的转矩之和。图2.6中曲线1、2分别为正向和反向旋转磁场产生的机械特性，曲线3为合成机械特性。由曲线3可知，当n=0时，t=o，故此时电动机通电后不能起动旋转，但若在外力作用下使电动机起动，可使电动机工作。如果加大电动机转子外加电阻，使其正向与反向特性变软，则合成特性为一条通过坐标原点在二、四象限的直线，如图2.7所示，此时电动机处于制动状态。这时，如果电动机在重力负载作用下，电动机将处于第四象限的倒拉制动状态，称为单相倒拉制动，适用于轻载低速下降。与倒拉反接制动下放物件相比，不会出现轻载不但不下降反而上升之弊端。但不适用于重载下放，因此时将发生高速下降的飞车事故。图2.7 单相制动状态机械特性2.4 起重机控制原理分析2.4.1 起重机的保护箱起重机电气控制一般具有下列保护与联锁环节：电动机过载保护；短路电流保护；失压保护；控制器的零位保护；行程限位保护；舱盖、栏杆安全开关及紧急断电保护等。另外，起重机有关机构安装各类可靠灵敏的安全装置，常用的有缓冲器、起升高度限位器、负荷限制器及超速开关等。采用凸轮控制器或凸轮、主令两种控制器操作的交流桥式起重机，广泛使用保护箱。保护箱由刀开关、接触器、过电流继电器等组成，用于控制保护起重机，实现电动机过流保护，以及失压、零位、限位等保护。起重机上用的标准保护盘为xqb1系列。图2.8为xqb1-250-4f/口型保护箱的电气原理图。它用来保护5台绕线转子感应电动机，大车为分别驱动。图中q为三相刀开关，km为线路接触器，koc0为总过电流继电器，koc1koc5为各机构电动机过电流继电器，sa1、sa2、sa3、sa4分别为小车、主钩、大车、副钩的零位保护触点，sq1-sq8分别为大车、小车和提升机构的限位开关，sq11为紧急事故开关，sq9、sq10为舱口门和桥架门安全开关，hl为电源信号灯，al为电铃，xs1xs3为电源(36v、220v)插座，el1el4为照明灯。图2.8 xqb1-250-4f/口型保护箱的电气原理图2.4.2 起升机构控制原理分析（主钩和副钩）桥式起重机的起升机构一般采用凸轮控制器或主令控制器操作，由于主令控制器与磁力控制屏组成的控制电路较复杂，使用元件多，成本高，故一般在以下情况下采用主令控制器控制：1)拖动电动机容量大，凸轮控制器容量不够。2)操作频率高，每小时通断次数接近或超过600次。3)起重机工作繁重，操作频繁，要求减轻司机劳动强度，要求电气设备具有较高寿命。4)起重机要求有较好的调速、点动等运行性能。本设计中，20/5t交流桥式起重机的起升机构主钩采用的是pos1型主令控制电路，如图2.9所示，它是由主令控制器发出动作指令，使磁力控制屏中各相应接触器动作，来换接电路，控制起升机构电动机按与之相应的运行状态来完成各种起重吊运工作。副钩也采用主令控制器来控制其原理与与主钩的控制原理大体相同，副钩中没有点动操作，其制动采用电磁抱闸，如图2.10所示。2.4.2.1 控制电路特点1)可逆不对称电路；2)主令控制器档数为3-0-3，12个回路；3)电动机转子串接电阻级数：当被控制电动机功率为100kw及其以下时为4级可短接电阻，125kw以上时为5级；其中第一、二级电阻系手动控制切除，其余由时间继电器自动控制切除，其延时整定值为0.6s、0.3s、0.15s；4)下降“1”档为倒拉反接制动档，可实现重型负载的低速下降。当主令控制器手柄由：“0”扳到下降“1”档时，电路不动作，只有当控制器手柄由下降“2”或下降“3”档返回下降“1”档时，电路才动作，以避免发生轻载在该档发生不但不下降反而上升的现象；5)下降“2”档为单相制动档，实现轻载时的低速下降；输入点数为56个，输出点数为39个；6)下降“3”档为再生制动档，可获得高于同步转速的高速下降。主令控制器主要用于要求按一定顺序频繁操纵的控制线路中，如绕线电动机按顺序切除转子附加电阻，也可实现与其它控制线路联锁、转换的目的。它的结构与万能转换开关有些类似，也是通过手柄操作凸轮，使触点按规定的接通表也是通过手柄操作凸轮，使触点按规定的接通表闭合或断开电路，但其触点对数较多。主令控制器的触点没有灭弧装置，使触点分断能力只比按钮稍大。在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。设计中应用的i/o端子数分别是：输入点数为56个，输出点数为39个；图2.9 pos1型主令控制电路原理图7)停车时，电路保证制动器驱动元件先于电动机0.6s停电，防止溜钩；8)采用时间继电器kt1延迟电动机可逆运行转换时间，防止接触器km1-km3、km3-km2可逆转换时可能造成的相间短路。同时，由于kt1的短暂延时，在控制器手柄由“0”扳到下降“3”位时，接触器km3不动作；9)重型载荷时，在某些场合需经常使用点动操作，为此可对控制器进行在某些场合需经常使用点动操作重型载荷时，在某些场合需经常使用点动操作，为此可对控制器进行在某些场合需经常使用点动操作，为此可对控制器“0”-下降“2”-“0”的操作。为简化操作在某些场合需经常使用点动操作，为此可对控制器，可在图2.9中按加接ab与cd环节，此时可操作脚踏开关sf，使sf常开触点闭合，然后扳动控制器手柄进行“0”-下降“1”-“0”的操作，即可实现点动控制。使sf常开触点闭合，然后扳动控制器手柄进行“0”-下降“1”-“0”的操作，即可实现点动控制。图2.10 pos1型副钩主令控制电路原理图2.4.2.2 电路工作情况分析 合上电源开关q1、q2，主令控制器sa置于“0”位，零电压继电器khv1通电吸合并自锁，直流电磁式时间继电器kt3、kt4、kt5通电吸合，其常闭断电延时闭合触点断开，为断电延时做准备。(1)提升重物的控制1)控制器手柄由“0”位扳至上升“1”位时，由于触点km1断开，使时间继电器kt3断电释放，其触点kt3（sa8支路）经0.6s延时后闭合，使km4通电吸合，短接一段转子电阻r1，电动机运行在图2.11“上1”特性曲线上。短接一段转子电阻r1，电动机运行在图2.11“上1”特性曲线上。短接一段转子电阻r1，电动机运行在图2.11“上1”特性曲线上。短接一段转子电阻r1，电动机运行在图2.11“上1”特性曲线上。在km8通电吸合后，经km8、km1触点使kt2通电吸合，触点kt2（sa5支路）、kt2（sa11支路）瞬时闭合，前者为km8延时断电，制动器延时闭合准备，后者为km1通电提供又一通道。图2.11起升电机的机械特性2)当控制器手柄由提升“1”位扳到提升“2”位时，接触器km5通电吸合，短接转子电阻r2，电动机运行在图2.11的上2特性曲线上。同时，触点km5（kt4线圈支路）断开，使时间继电器kt4断电释放，触点kt4(sa10支路)经0.3s延时后闭合，为进一步提高转速做准备。3)控制器手柄由提升“2”位扳至提升“3”位时，接触器km6通电吸合，再短接一段转子电阻r3，进入图2.11“上3”特性上，但这并不是电动机稳定运行状态。因为此时触点km6（kt5线圈支路）断开，使时间继电器kt5断电释放，经0.15s延时后又使接触器km7通电吸合，再短接一段转子电阻r4，只剩一段常接电阻r5，电动机稳定工作在图2.10“上3”特性曲线上。当控制器手柄由提升“3”位依次扳回提升“2”位与提升“1”位时，电动机相应工作在图2.11“上2、上1”特性上。但当由提升“1”位扳回“0”位时，电路保证km8先断电，经kt2延时触点断开才使km1断电释放，这就使制动器先进行制动，然后再切断电动机提升相序电源，保证有效地制动。(2)下降重物的控制1)当控制器手柄由“0”位扳到下降“1”位时，接触器km1、km8仍处于断电释放状态。所以，电动机未接电源，制动器未打开，不致引起重载下降，也不会引起轻载不但不下降反而上升的现象发生。但此时时间继电器kt3、kt4、kt5通电吸合，为断电延时做准备。2)当控制器手柄由下降“1”位扳至下降“2”位时，将上升限位开关sq1短接；时间继电器kt1通电吸合，经延时后使接触器km3通电吸合，相继使接触器、继电器km8、kt2通电吸合；接触器km4通电吸合，使电动机转子电阻r1短接。在串入较大转子电阻情况下，制动器松开，电动机定子接入单相交流电源，处于单相制动状态运转，可实现轻型载荷的低速下降。电动机运行在图2.11单相制动特性曲线上，即“下2”曲线上。3)当控制器手柄由下降“2”位扳向下降“3”位时， km3、kt1同时断电释放，经kt1（0.110.16s）的延时后，使km2通电吸合，以保证在km3断电释放后，km2才通电吸合，避免发生三相短路。并使kt2、km4、km5、km8相继通电吸合。电动机定子按下降相序接线，转子短接电阻r1、r2两段电阻，制动器松开，电动机运行在图2.11“下3”特性上。另外，触点km5（kt4线圈支路）断开，使kt4断电释放，经0.3s延时使km6通电吸合，短接转子电阻r3，电动机运行在图2.10“下3”特性上，而触点km6（kt5线圈支路）断开，又使kt5断电释放，经0.15s延时后，使km7通电吸合，又短接一段电阻r4，电动机运行在图2.11“下3”特性上。该档可用于任何负载的强力下降或再生制动下降。一般来说，对于重型载荷的短距离下降，可选择下降“1”档，以倒拉反接制动下降为宜；对于轻型载荷的矩距离下降，可选择下降“2”档，以单相制动下降；对于轻型和中型载荷的长距离下降，可选择下降“3”，以强力或再生制动下降；对于重型载荷的长距离下降，可选将控制器手柄扳至下降“3”档作高速下降，当距离落放点较近时，再将手柄扳回下降“1”档，以低速来完成余下行程的下放，这样既安全、平稳而又经济。4)当控制器手柄由下降“3”位扳到下降“2”位时，电动机处于单相制动状态，获得低速下降。5)当控制器手柄由下降“2”位扳回到下降“1”位时，km3、kt1、km4断电释放，kt2相继断电释放，但因触点kt2（sa5支路）延时0.6s才断开，触点kt1（sa4支路）经0.11-0.16s延时闭合，这就使km1通电吸合，电动机按提升相序接通电源，转子电阻全部串入。同时，由于km8相继通电吸合，在km1、km8辅助触点作用下，使kt2恢复通电吸合，又保持km1、km8的通电吸合。此时，电动机工作在倒拉反接制动状态，实现重型载荷的低速下降。6)当控制器手柄由提升或下降各档位扳回到 “0”位时，制动器制动，但触点kt2（sa4支路）需经0.6s延时才断开，在延时期间km1仍保持通电吸合，电动机仍产生提升的电磁转矩，在该转矩与制动器共同作用下防止溜钩现象。7)换向时间继电器kt1(动合延时0.11-0.16s，开断延时0.15-0.20s)，以延长可逆转换时间，防止接触器km1-km3、km3-km2可逆转换时可能造成的相间短路。同时，由于kt1的短暂延时，在主令控制器手柄快速由“0”位扳到下降“3”位途径下降“2”位时，km3不动作，不会进行单相制动。8)点动操作控制 在图2.9电路中按图2.12接入ab与cd环节。图中ab与cd环节中的sf为脚踏开关，km为接触器。点动时，踏下脚踏开关sf，操纵主令控制器手柄在“0”-下降“1”-“0”间方便地进行。图2.12 点动操作接线图当sf压下，控制器手柄从“0”位扳到下降“1”位时，触电sa5、sa11闭合，km通电吸合，km1通电吸合，km8、kt2 相继通电吸合。电磁抱闸松开，转子串入全部电阻，电动机运行在图2.10中下1特性曲线上，对重载进行倒拉反接制动下降。当控制器手柄由下降“1”位扳回“0”位时，km9、km8、kt2断电释放，电磁抱闸进行制动，km1经kt2延时0.6s断开触点断开后才断电释放，以防止溜钩。若重复上述操作，便可获得重载下的点动下降重物的控制。接入点动控制环节，若要实现轻载下降重物的点动控制，可操作主令控制器手柄在“0”位-下降“2”位-“0”位间进行。这时电动机运行在单相制动下降状态。2.4.3 运行机构控制原理大车与小车运行机构在工作中要求有一定的调速范围，能获得几档运行速度。它安有制动器与限位行程开关，设有能吸收车体运动动能的缓冲器，其电气控制有凸轮控制型控制电路与pqy系列主令控制电路。小车运行机构采用kt14-25j/1型凸轮控制器，其电气原理图如图2.12所示。图2.12 凸轮控制器控制电路如图2.12可知凸轮控制器左右各有5个工作位置，共有9对常开触点、3对常闭触点，采用对称接法。其中4对主触点接于电动机定子电路进行倒档控制，实现电动机正、反转；另5对主触点接于电动机转子电路，实现转子电阻的接入和切除。另外，在凸轮控制器控制电路中，过流继电器koc实现过载与短路保护；紧急开关sem作事故情况下的紧急停电保护；在起重机端梁上栏杆门与司机室舱口门上装有安全开关sq3，防止人人在桥架上开车以确保人身安全；电磁抱闸yb实现电动机的机械制动。紧急开关sem作事故情况下的紧急停电保护；在起重机端梁上栏杆门与司机室舱口门上装有安全开关sq3，防止人人在桥架上开车以确保人身安全；故情况下的紧急停电保护；在起重机端梁上栏杆门与司机室舱口门上装有安全开关sq3，防止人人在桥架上开车以确保人身安全；防止人人在桥架上开车以确保人身安全电磁抱闸yb实现电动机的机械制动。大车运行机构采用kt14-25j/2型凸轮控制器，其控制箱有pqy系列主令控制器等，pqy系列主令控制电路如图2.13所示。图2.13 pqy系列主令控制电路下面以pqy系列主令控制电路为例进行分析。2.4.3.1 pqy型主令控制电路分类pqy系列运行机构控制电路按控制电动机台数和线路特征分为4种；pqy1型：控制1台电动机；pqy2型：控制2台电动机；poy3型：控制3台电动机，允许1台电动机单独运转；poy4型：控制4台电动机，分成两组，允许每组电动机单独运转。2.4.3.2 poy2型主令控制电路分析pqy2型主令控制电路是用来控制两台拖动电动机的运行机构，图2.13为pqy2型主令控制电路图，该电路特点是：1)可逆对称电路；2)主令控制器档数为3-0-3，6个回路；3)电动机转子串接起动与调速电阻级数(不包括软化级)按电动机功率分为两种：100kw及以下时为4级；第一、二级由主令控制器手动控制，后两级由继电器接触器控制自动切除，其延时继电器延时整定为3s、1.5s或2s、1s。电动机功率为125kw及以上时为五级，第一、二级系手动切除，其余各级为自动切除，其延时整定值为3s、1.5s、0.75s或2s、或2s、1s、 0.5s。4)制动器驱动元件没有专门接触器控制，而是由电动机正、反转接触器km10、km11主触点控制，它与电动机同时通电与断电。主令控制器反向第一档为反接制动停车。如要快速停车，可将手柄由正转第一位推向反转第一位。这时，在转子回路中串入全部电阻，电流不会超过容许值，当转速快接近零时，迅速将手柄扳回“0”位图中sq3、sq4为正反向限位开关。第3章 起重机plc控制系统的设计3.1 可编程序控制器的功能和特点plc是电子技术、计算机技术与继电逻辑自动控制系统相结合的产物。它不仅充分发挥了计算机的优点，以满足各种工业生产过程自动控制的需要，同时又照顾到一般电气操作人员的技术水平和习惯，采用梯形图或状态流程图等编程方式，使plc的使用始终保持大众化的特点。plc的型号繁多，各种型号的plc功能不尽相同，但目前的plc一般都具有下列功能：(1)条件控制 plc具有逻辑运算功能，它能根据输入继电器触点的与（and）、或（or）等逻辑关系决定输出继电器的状态（on或off），故它可代替继电器进行开关控制。(2)定时控制 为满足生产工艺对定时控制的要求，一般plc都为用户提供足够的定时器如三菱fx2型plc共有256个定时器。所有定时器的定时值可由用户在编程时设定，即使在运行中定时值也可被读出或修改，使用灵活，操作方便。(3)计数控制 为满足对计数控制的需要，plc向用户提供上百个功能较强的计数器，如fx2型plc可向用户提供241个计数器。其中6个高速计数器，121个电池后备计数器。所有计数器的设定值可由用户在编程时设定，且随时可以修改。(4)步进控制 步进顺序控制是plc的最基本的控制方式，但是许多plc为方便用户编制较复杂的步进控制程序，设置了专门的步进控制指令。如fx2型plc中拥有上千个状态元件，为用户编写较复杂的步进顺控程序提供了极大的方便。(5)数据处理 plc具有较强的数据处理能力，除能进行加减乘除运算甚至开方运算外，还能进行字操作、移位操作、数制转换、译码等数据处理。(6)通信和联网由于plc采用了通信技术，可进行远程的io控制。多台plc之间可进行同位链接(plc link)，还可用计算机进行上位链接(host link)，接受计算机的命令，并将执行结果告诉计算机。一台计算机与多台plc可构成集中管理、分散控制的分布式控制网络，以完成较大规模的复杂控制。(7)对控制系统的监控plc具有较强的监控功能，它能记忆某些异常情况或在发生异常情况时自动终止运行。操作人员通过监控命令，可以监视系统的运行状态，可以改变设定值等，片便了程序的调试。可编程序控制器被认为是真正的工业控制计算机，在工业自动控制系统中占有极其重要的地位，其主要特点有：1.编程方法简单易学 梯形图是使用最多的plc的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。2.可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。plc用软件代替中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可以减少到继电器控制系统的十分之一甚至百分之一，因为触点不良造成的故障大为减少。3.系统设计、安装、调试工作量少 plc的梯形图程序可以用顺序控制设计法莱设计。这种编程方法很有规律，容易掌握。对复杂的控制系统，如果掌握了正确的设计方法。设计梯形图的时间比设计继电器系统电路图的时间要少的多。可以在实验室模拟调试plc的用户程序，输入信号用小开关来模拟，通过plc上的发光二极管观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据plc上的发光二极管或编程设备提供的信息方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。3.2 plc控制系统的设计基本原则与主要内容3.2.1 设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率、产品质量和控制精度。因此，在设计plc控制系统时，应遵循以下基本原则：1)最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥plc的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计plc控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。2)保证plc控制系统安全可靠保证plc控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证plc程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。3)力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。4)适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择plc、输入/输出模块、i/o点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。当然对于不同的用户要求的侧重点有所不同，设计的原则应有所区别，如果要求系统改善信息管理则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化；如果是对原有控制系统进行改造，还要注意操作人员对原有设备的操作习惯3.2.2 设计的主要内容plc控制系统是由plc与用户的输入、输出设备连接而成的，用以完成预期的控制目的和相应的控制要求。因此，plc控制系统设计的基本内容应包括：(1)根据生产设备或生产过程的工艺要求，以及所提出的各项控制指标与经济预算等内容，首先进行系统的总体设计。(2)根据控制要求，基本确定开关、数字i/o点和模拟量通道数，进行i/o点初步分配，绘制i/o使用资源图。(3)进行pic系统配置设计，主要是plc的选择，plc是plc控制系统的核心部件，正确选择plc对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。plc的选择，应包括机型、容量、i/o模块、电源模块等的选择。(4)选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等），这些设备属于一般的电器元件。(5)设计控制程序。在深入了解和掌握控制要求、主要控制的基本方式以及应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等各方面情况之后。对较复杂的控制系统，可用状态流程图的形式全面地表达出来。必要时还可将控制任务分成几个独立部分，这样可化繁为简，有利于编程和调试。程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、编制语句表程序清单。控制程序是控制整个系统工作的条件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。3.3 plc硬件的选择硬件选购目前市场上的plc产品众多，除国产品牌外，国外有：日本的 omron、mitsubishi、fujj、德国的siemens，韩国的lg等。近几年，plc产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有特点，适用场合也各有侧重。因此，合理选择plc，对提高plc控制系统的技术经挤指标起着重要的作用。在选择plc并用其控制一台机器或一个过程时，不仅要考虑应用系统目前的需求，还应考虑到未来发展的需要。如果能够考虑到未来的发展将会用最小的代价对系统进行革新和增加新功能。若考虑周到，则存储器的扩充需求也许只要再安装一个存储器模块即可满足；如果具有可用的通信口，就能满足增加一个外围设备的需要。对局域网的考虑可允许在将来将单个控制器集成为一个厂级通信网。若未能合理估计现在和将来的目标，plc控制系统将会很快变为不合适或者过时。3.3.1 选择plc机型注意要点(1)根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度；(2)对i/o点数和i/o点的类型(数字量、模拟量等)统计； (3)适当进行内存容量估计的基础上，确定留有适当的余量而不浪费资源的机型(小、中、大形机器)；(4)结合市场情况，考察plc生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的plc机型。在plc实际应用中，是以其为控制核心组成电气控制系统，实现对生产、工业过程的控制。3.3.2 plc容量估算plc容量包括两个方面：一是i/o的点数，二是用户存储器的容量。(1)i/o点数的估算 根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后调整和扩充，一般应加上1015的备用量。(2)用户存储器容量的估算 用户应用程序占用多少内存与许多因素（如i/o点数、控制要求、运算处理量、程序结构等）有关，存储器容量的选择一般有两种方法：根据编程实际使用的节点数计算。这种方法可精确地计算出存储器实际使用容量，但需编完程序之后才能计算出结果。估算法。用户可根据控制系统的规模和应用的目的，存储器的字数可按以下公式进行估算。开关量输入：所需存储器字数-输入点数10开关量输出：所需存储器字数-输出点数8定时器/计数器：所需存储器字数-定时器/计数器数量2模拟量：所需存储器字数-模拟量通道数100通信接口：所需存储器字数-接口个数300根据上述计算得到的存储器的总字数再加上备用量即为用户存储器的容量。3.3.3 选型时的注意事项(1)在plc选型时主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的通用性，是否易于扩展，有无特殊功能要求等。(2)plc输入/输出点确定：i/o点数选择时要留出10%15%的余量。(3)plc储存容量：系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量选择大一些。(4)储存时间、维持时间：一般储存期保持13年(与使用次数有关)。若要长期或断电保持应选用eeprom储存(不需备用电源)，也可选外用储存卡盒。(5)plc的扩展：可通过增加扩展模块，扩展单元与主单元连接的方式。扩展模块有输入单元、输出单元，输入/输出一体单元。扩展部分超出主单元驱动能力时应选用带电源的扩展模块或另外加电源模块给予支持。(6)plc的联网：plc的联网方式分为plc与计算机联网和plc之间互联网两种。与计算机联网可通过rs-232c接口直接连接，rs-422+rs-232c。一台计算机与多台plc联网，可通过采用通讯处理器，网络适配器等方式进行连接，连接介质为双绞线或光缆；plc之间互联时可通过专用通讯电缆直接连接，通讯板卡或模块+数据线连接等方式。(7) 不要将交流电源线接到输入端子上，以免烧坏plc。(8) 充分合理利用软、硬件资源。 (9) 不参与控制循环前已经投入的指令可不接入plc。 (10) 多重指令空闲等待一个任务时，可在plc外部将它们并联后再接入一个输入点。 (11) 尽量利用plc内部功能软件，充分调用中间状态，使程序具有完整连贯性，易于开发。同时也能减少硬件投入，降低成本。 (12) 条件允许的情况下最好独立每一路输出，便于控制和检查，也保护其它输出回路；当一个输出点出现故障时只会导致相应输出回路失控。 (13)输出若为正/反向控制的负载，不仅要从plc内部程序上联锁，并要在plc外部采取措施，防止负载在两方向动作。 (14) plc紧急停止应使用外部开关切断，以确保安全。3.4 节省plc输入输出点数的方法图3.1 分时分组输入可编程控制器输入、输出的点数是有限的，而每一个输入/输出（i/o）点的平均价格高达几十元甚至上百元，减少所需的输入/输出（i/o）点数是降低系统投资的主要措施之一。3.4.1 减少所需输入点数的方法3.4.1.1 分时分组输入 自动程序和手动程序同时执行，自动和手动这两种工作方式分别使用的输入量可以分成两组输入（见图3-1）。x0用来输入自动，手动命令信号，供自动程序和手动程序切换之用。图中的二极管用来防止出现寄生电路。假设图中没有二极管，且系统处于自动状态，当k1、k2、k3闭合，k4断开时，电流可通过com端子，经k3、k1、到k2形成的寄生电路，致使输入继电器x1错误地变为on。各开关串联了二极管后，切断了寄生回路，避免了错误输入信号的产生。图3.2 输入点合并使用3.4.1.2 输入触点的合并 如果某些外部输入信号总是以某种“与或非”