PLC控制在龙门吊中的应用 毕业论文.doc

专科毕业设计（论文）设计题目： PLC控制在龙门吊起升电气系统中的应用 系 部： 电气工程系 专 业： 电气自动化技术（港口方向） 班 级： 港口电气091301 姓 名： 邳欣乐 学 号： 093909130153 指导教师： 季明丽 职 称 : 讲师 2011年10月 南京摘 要电磁式龙门起重机是船舶修造企业的重要生产机械之一，但是起重事故时有发生，其中一部分是电气系统故障引起的，此外起重设备故障也一直是影响生产的因素之一。电气控制系统是设备的核心，全面的了解电气控制系统的组成、工作原理、日常维护对于设备的良好运行和保证生产需要都是有积极意义的。本论文着重分析电气控制系统的原理并针在设备原有的基础上进行增设PLC控制改造，进一步提高设备的自动化程度和安全性。关键词：龙门吊 PLC 电气控制系统AbstractElectronic gantry crane is one of the important production machineries in ship yard, but lifting accidents occur frequently, one part was caused by the fault of the electrical system, and furthermore lifting equipment failure has also been one of the factors affect production. The electrical control system is the core. Comprehensive understanding of the electric system composition,working principle, routine maintenance for equipment has positive significance in keeping the equipment in good running and ensuring the production needs. This paper emphatically analyzes the principle of electric control system and the needle on the basis of original equipment for additional PLC control transformation, further improve equipment automation degree and security.Keywords: electronic gantry crane inverter PLC electrical control system目录1 引言12 龙门起重机的电气控制系统12.1 供电主回路12.2 电缆收放卷筒电气控制系统32.3 龙门吊大车及小车电气控制系统32.4 起升电气控制系统43 起升增设PLC控制系统的设计63.1 增设PLC控制改造的原因63.2 控制要求和设计思路73.3 PLC的选型83.4 I/O端子分布、PLC接线图及梯形图93.5 系统调试14结 论15致 谢16参 考 文 献17 江苏海事职业技术学院2012届专科生毕业设计 第18页1 引言在现代船舶修造企业所使用的机械设备中，起重设备占有相当大的比例，船舶修造行业属于特种行业，作业环境危险因素多，生产过程中作业对象多为大型钢结构，需要频繁起吊转运，即使是为生产服务的作业活动也离不开起重设备。因此，对各型起重设备提出了不同性能要求以满足生产需求。但是一些老旧设备的电气系统已经无法满足生产的需要，电气系统必须进行改造，而这要在熟悉电气控制系统的基础上进行。本文所介绍的龙门起重机，着重于分析它的电气控制系统再次基础上进行增设PLC控制、变频调速系统的改造。文中所涉及的龙门起重机的起重机部分型号为10T*S32A型龙门起重机。该起重机的最大起吊重量为10吨，跨度为32米。主要用于钢板堆场进行钢板的装卸、翻晒、调运，起重机不仅可以在驾驶室内手操还可以使用遥控器进行遥控操作。电磁式龙门起重机的基本结构有：大车、小车、电磁铁、电缆卷筒、驾驶室、控制柜等。控制方式主要以继电器接触器控制为主，但根据实际生产反馈，这种控制方式已经满足不了生产需要，且故障率高，这也正是增设PLC 控制和变频调速系统所要解决的问题。2 龙门起重机的电气控制系统龙门吊电气控制系统由若干个电气控制子系统组成，其中起升部分的电气控制系统既是整个电气控制系统的关键也是本论文改造设计的对象。2.1 供电主回路如图1中所示，供电主回路是将相电压为380V的A、B、C三相电源经过自动空气开关ZK后进行分配，分配到起重机各个子供电单元或控制电路。这个过程中要经过一系列的开关保护元件和适当的电压变化。A、B、C三相电源经过空气开关ZK后于BC两相上接一线圈和ZT常开触点，其作用是手动空开脱扣，也可以起到检查脱扣机构是否正常的作用。其后的三相刀开关DK有着隔离作用，和ZK配合使用。应该注意的是空气开关和刀开关的分断顺序。从刀开关的出线端的L12和L13上接出一相为总电源指示、零位保护、门限锚定、夹轨限位、和遥控驾操互锁电路供电，将这一系列电路统称为保护回路。如图1上所示，ZK10为断路器，用于分合这些保护回路和电源的连接，工作前必须要合上，否则主电路中的JLC主接触器将无法闭合。XD1为总电源指示，只要ZK、DK和ZK10闭合时指示灯XD1即亮。S21为驾驶室电锁，钥匙旋转到一定角度后S21的两个触点闭合。XD2为启动指示灯，只有当总接触器JLC闭合时其辅助触点使XD2接通。 图1 供电主回路零位保护，供电部分的零位保护电路在接触器JLC闭合时会被短接，未被短接时零位保护有效。零位保护均由常闭触点串联组成，有遥控控制下的常闭触点、大车左右行走的常闭触点、小车前后行走的常闭触点以及手操控制下的常闭触点。 门限、锚定、夹轨限位是一系列保护措施。门限的作用是防止出现大车行走时有人爬上爬梯或者进入驾驶室。锚定利用的是限位的常闭触点，当整个龙门吊处于不使用状态时将锚定手动放下，放进地面上的凹槽，同时触动限位使常闭触点断开。这样整个龙门吊便不可工作。夹轨限位位于夹轨器上，夹轨器是在大车行车后整车不使用时将夹轨器旋紧，这是夹轨器会加紧轨道防止大车蠕动爬行，同时触动夹轨限位使常闭触点断开。遥控驾操互锁部分，遥控和驾驶室操作只能有一个有效，是通过驾驶室内的一个转换开关SA控制的。SA-A为常闭触点常态时为手操，SA-B为常开触点为遥控接通电源。两者之间的互锁其实是一种开关的机械上的互锁。JLC主接触器闭合：按下驾驶室内的启动按钮QA或手持遥控器上的“启动电铃”，电流便会通过QA（以手操时为例）沿着零位保护回路的若干个常闭触点和门限、夹轨限位、锚定的常闭触点在经过“SA-A”使主接触器JLC的线圈得电，JLC的主触点和两个常开辅助触点闭合并保持。2.2 电缆收放卷筒电气控制系统电缆卷筒用于在大车行走时收放电缆用，所收放的电缆为整个龙门吊提供电源。当大车向左或者是向右行驶时在电缆卷筒的控制电路中K201、K202的两个常开触点相应的闭合时，时间继电器JS4线圈得电进入延时，延时结束后JS4的延时闭合常开触点闭合使接触器闭合，电缆卷筒电机得电开始转动。关于电缆卷筒有两个注意点，一、电缆卷筒电机只能朝一个方向转动，即收电缆的方向，而放电缆完全是靠电缆自身的拉力完成。二、收电缆时电缆卷筒的旋转要滞后大车行走启动一定时间，该时间值由时间继电器JS4整定。原因是如果大车和电缆同步的话会使电缆收得很紧，甚至是电缆卷筒电机堵转烧毁。2.3 龙门吊大车及小车电气控制系统龙门吊大车与小车电气控制系统与起升控制电路存在很多相同点，比如主电路、控制电路的设计思路，有的地方甚至完全相同，故在下文中就针对不同点简要阐述。龙门吊的大车电气系统在主电路中采用变频器控制起升电动机，不同的是此处是一台变频器控制四台电动机，此外在制动单元上大车仅采用了一组制动单元。这是根据大车工作特点定的，大车行驶速度慢，在制动过程中产生的制动电流没有起升的大，且大车动作也不是很频繁。在变频器参数的预置上所需要预置的参数与起升的大致相同，但设置的数值是有差别的。控制电路中在保护电路中串联了了四台电动机热继电器的常闭触点。此外，还在大车行走继电器K201、K202线圈串入了电缆卷筒电路自动空开的常开触点ZK41，目的是防止电缆卷筒为转动时大车便启动行走，这样会将供电电缆拉断造成事故。大车的制动与起升的不同，它采用四台小功率电动机驱动四台液压装置，利用液压产生的力将抱闸分开或抱紧。大车的行走是一台变频器驱动四台行走电机，为了更好地散热，应用了四台变频电机风扇，在低速时加强散热。小车相比于大车更加简单，只有一台电机驱动，变频器没有装设制动单元，仅仅是装设了一个制动电阻。控制电路也相类似。2.4 起升电气控制系统图2 起升控制电路该型龙门吊起升部分采用电动机的型号为YZR225M-8 22KW，是一种冶金起重用三相异步电动机，适合变频调速。它是依据起重机的工作状态和工作特点进行选择的，因为电动机经常处于启动、调速、制动和正反转工作状态且负载很不规律时重时轻，经常要承受较大的过载和机械冲击。负载除了一小部分由于摩擦产生的力矩外主要是由重物和吊钩产生的重力矩。电动机的额定功率是根据龙门吊设计最大起重重量而定。起升的主电路由一台起升变频器、起升电动机、制动单元制动电阻和一些开关器件组成。三相电源经过自动空开ZK11后接入变频器的电源输入端，变频器出线端接三相异步电动机以实现变频调速。起升控制电路经过自动空开ZK12引入控制电源，为遥控的接收电路和手操控制电路供电。整个控制电路中最关键的是手动零位和遥控零位，两者之间可以相互切换，处于手操零位时KY33继电器不得电，也就使得起升零位继电器KY07不得电，但是只要LKS处于零位，ZK13、ZK14两个自动空开闭合，这样K100即可得电，并自保持，这时即使LKS不在零位K100也不会失电了。如果起升零位继电器切换继电器得电动作了，那么KY07的常开触点闭合，常闭触点断开。在遥控处于零位时K100可以由101-Q102-Q103-103路径得电并自保持，即使遥控上升或下降使KY01、KY02的常闭触点断开也没有关系，但是如果遥控不处于零位时则K100便无法得电，其常闭触点无法闭合后续电路也就无法得电。上升支路中串了三个常闭触点已达到保护目的，分别是：超载限制器常闭触点、上限位常闭触点、下降继电器互锁常闭触点。快中慢三速由K105、K104、K103三个继电器控制。运行继电器K106由起升变频器的输出端子M1-M2控制。处于运行状态时M1-M2端子输出有效使K106得电，继而K107得电使制动抱闸松开，风机的控制继电器K108由上升下降继电器K101、K102的两个常开触点控制。有上升或者下降动作后经过延时启动风机。当变频器MA-MC故障输出端子有效时K109得电使串于手动零位回路中的常闭触点断开而使控制电路无法动作。起升复位按钮S-S1按下时继电器K110会得电，变频器的复位信号输入端子S4得到复位信号而复位。起升电气控制系统是控制起升的中枢系统，直接关系到起升工作质量的好坏，设备改造升级时应当首先考虑对起升电气控制系统进行改造升级，这样整台设备的工作性能就会有所提升。在下文中将尝试性的对起升机构电气控制系统进行增加PLC控制的改造，使PLC 变频器协调工作，毕竟PLC与变频器控制相配合已经成为当今电气控制领域的主流。例如我厂的3272门机项目中就大量的采用了变频调速和PLC控制。3 起升增设PLC控制系统的设计3.1 增设PLC控制改造的原因电磁式龙门起重机的工作环境比较恶劣，频繁地时开时停、接电次数多，主钩所用的电动机经常处于启动、调速、制动和正反转的工作状态。负载不规律、时重时轻，经常要承受较大的过载和机械冲击。此外，还需要具有良好的调速性能以满足生产需要。当然调速的平滑性越高越好。所起吊的重物一旦确定以后便可以认为是位能性恒转矩负载，负载转矩主要由重力产生，力的方向始终保持不变。控制方式未改造前以继电器接触器控制为主，采用变频调速。而在这一款龙门吊中并没有采用PLC控制系统，其主要原因应该是考虑到该设备仅用于钢板堆场起吊钢板，多数情况下为遥控操作，工况相对单一、操作比较简单，对稳定性要求不高。与采用PLC控制的最大优点即是成本。变频调速的采用则是调速的性能变得很优越，但是变频调速的故障率与其他调速方式相比大大降低。还可以延长设备特别是电动机的使用寿命。这些都是变频调速的优点也是采用它的原因，将变频调速与PLC控制相结合就可以发挥两大系统的各自优势。增设PLC可以很大程度上减少继电器接触器的使用量，这样一来最大的好处就是直接降低了故障率。因为在继电器接触器控制的龙门吊等起重设备中所出现的故障大约有60%是继电器接触器的故障。继电器接触器的触点、铁心、线圈由于震动、油污、灰尘、大电流等造成结构损坏、触点烧蚀粘连、线圈烧毁等故障。这些问题的直接结果就是使设备停用影响生产，造成一定的经济损失，特别是码头泊位、船台等一线作业场所使用的起重设备一旦停止运行损失将会很严重的。其次，继电器接触器控制接线量大，线路复杂，在后期的使用维护维修是比较麻烦。PLC电气控制系统技术之所以高速发展，除了工业自动化客观的需求以外，主要还是因为它具有许多独特的优点，可以较好的解决了工业领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。它主要有以下特点：1）可靠性高、良好的抗干扰能力、系统稳定性高。PLC的平均无故障时间可以达到几十万个小时，这是普通继电器接触器控制系统所无法比拟的，因此整个系统的稳定性就提高了。2）编程简单、使用方便，很容易被广大一线工程技术人员所接受。此外，当生产流程或系统的控制要求发生改变时，可以通过直接改变程序来实现，既不需要大量地更改硬接线也不需要附加设备，使用起来方便灵活。3）功能完善、通用性强，设计安装简单、维护方便。由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，并且将传统电气元件之间的连接用用户程序表示，使控制柜的设计、安装、接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可以事先进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期，在维护方面，由于PLC的故障率很低，维修的工作量很小。即使出现损坏也只是直接更换掉相应的部件或模块即可。此外，PLC具有很强的自诊断能力，如果出现故障，可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息迅速查明原因，维修极为方便。4）体积小、重量轻、能耗低、长远使用成本低。由于PLC采用了集成电路、其结构紧凑体积小，因而是实现机电一体化和节能节约的理想控制设备。随着PLC制造技术不断地提升，大批量生产，已经使PLC的成本逐步降低，一套设备的初期投资也随着降低，若从长远角度考虑，因为PLC具有的一些列优异性能必将使设备的长期使用费用大大降低。在能耗上，PLC消耗的电能比继电器接触器控制的电气系统要低很多，工业中大规模的应用PLC在能源日益短缺的今天具有积极地意义。3.2 控制要求和设计思路起升控制电路部分为整个龙门吊电气控制系统中十分关键的部分，龙门吊主要任务就是起吊重物，因此这部分的主电路和控制电路不但要能满足不同负载起重的需求还要求安全系数高。起升一般有以下几种工作状态，主钩上升、主钩下降、制动与启动、主钩慢速、主钩中速、主钩快速，起升机构对拖动系统有一定的要求，要满足以下几点要求：（1）空钩时要求能够快速升降以减小辅助工时，轻载时的提升速度应大于额定负载时的提升速度，但是鉴于龙门吊的提升高度一定，一般能满足空钩速升速降即可，而轻载时的速度没有什么特殊要求。（2）有一定的调速范围和适当的低速区，低速区时则主要是针对提升重物开始消除传动间隙张紧钢丝绳或重物到达预定位置时能够准确平稳地放下到预定位置。（3）下降时根据负载的大小，电动机可以是电动状态也可以是倒拉反转制动状态或者是再生发电制动状态。（4）在制动时为了安全可靠应采用电气制动和机械抱闸制动相结合。此外，任何一种控制系统都是为了实现被控对象生产工艺前提下来提高产品质量和生产效率，围绕着这一目的在设计控制程序时还应该应该满足以下要求：1）充分发挥PLC的功能，最大限度满足控制对象的控制要求。这个是设计PLC控制系统的首要原则。对龙门吊起升部分而言，首先要求PLC能够控制起升的上下、慢中快三档调速、良好的启动和制动性能。其次要有充分的保护环节，比如，超载限制启动、起降互锁、龙门吊大车小车起升限位保护、急停保护、故障报警显示、故障复位等。最后还要能够与变频器相配合，使PLC控制变频器进行调速以及接收变频器的某些控制信号。2）能保证PLC控制系统的安全可靠。安全生产是发展生产的第一前提，保证PLC控制系统能够长期安全运行也是设计该控制系统的重要原则，这就要求从系统设计、元器件选择、软件编程以及施工上进行全面考虑，以确保控制系统的安全可靠。3）力求简单、经济、使用维护方便。一不能一味地追求自动化和高指标，要在满足控制要求和简单节约之间找到一个平衡点。4）要适应未来发展的需要，留有一定的裕量。现在的电器控制技术不断发展，设备不断更新，对控制系统的要求也会不断地提高，从长远角度考虑，在系统设计时要留有一定的裕量。对于设计思路，PLC控制系统的设计都是在原有的继电器接触器控制系统的基础上改造而来。一般不同部分由不同的PLC控制柜控制，比如：起升有起升PLC控制柜、大车又大车行走PLC控制柜。在这里仅仅以起升部分的PLC设计为对象。3.3 PLC的选型PLC技术的发展日新月异，产品种类也日益丰富对于不同型号的PLC其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格也还是存在很多不同点的。适用的场合也各有侧重。因此在PLC系统设计时要根据实际情况进行合适的选型，使其不仅很好地满足了控制要求还最大程度的降低了成本。为了达到最佳的性能价格比，在选型时主要考虑以下几点：1）合理的结构形式，PLC的结构形式有整体式和模块式。整体式的体积较小一般用于工业控制过程较为简单固定的场合，多为小型的控制系统。所以只要I/O点数合适，整体式的PLC即可以满足要求。2）相应的功能要求。对于控制起升部分的变频器小型PLC的功能满足需求已经绰绰有余，具有逻辑运算、定时、计数等功能。使用的是开关量，所以使用小型PLC即可。3）系统可靠性的要求和响应速度。龙门吊起升控制系统对系统的可靠性要求是较高的，因为即使是小型的PLC也具有完善的抗干扰措施和自诊断保护措施，所以小型PLC的可靠性可以满足要求。对于相应速度，通常情况下在跨范围使用或者某些对响应速度有特殊要求的场合时才考虑。PLC 的响应速度足可以满足工业范围内应用的要求。4）同一企业内机型要尽量统一。主要考虑到模块可以互为备用，便于备品备件的采购管理。功能和使用方法类似，操作起来简单方便。I/O点数的选择。这个是选择PLC是一个最重要的因素。目前PLC的I/O点数平均价格还是比较高的，应该合理选择点数，既不能不够用也不能浪费点数，此外还要留有一定的裕量，一般在保证够用的基础上在留有10%-15%的备用端子，主要是为以后的技改做准备。根据原有继电器接触器控制系统估算在改造后龙门吊起升PLC控制中输入输出点数均在20个以内。输入端子都是开关量输入没有涉及到模拟量，因此不需要考虑模拟量模块的选型。输出端子选用继电器输出型的，因为继电器输出型电压范围宽、导通压降小、价格便宜，即可以控制交流负载也可以控制直流负载。PLC 的基本单元就可以满足要求也不需要另外增加模块扩充点数。其它部件的选型。对于CPU、存储容量等其它部分的选择，可以不必考虑，因为龙门吊起升控制的PLC这些部件的性能指标足以满足需要。综合以上信息，PLC最终选择三菱的FX2N系列PLC中的FX2N-48MR。它是三菱公司FX系列PLC中近几年才推出的一款高性能PLC，功能强大、应用范围广、性价比高,是一款具有代表性的小型高档可编程序控制器。是由电源、CPU、存储器、输入输出器件组成的单元型可编程控制器。2N为系列序号，48为输入输出总点数，M代表基本单元，R代表输出形式为继电器输出。下面对该款PLC的性能作简要介绍。它具有24个八进制编号的输入点和24个输出点，扩展模块可用点数为48-64，都可以通过I/O扩展单元扩充为256个I/O点。基本指令的执行时间在0.08us左右，功能指令298条。对于输入接口电路FX2N系列只有直流输入，输入单元内有24V直流输入电源，各个输入端子和公共点之间可以接无源触点或者NPN型集电极开路输出方式的传感器。输入电路一次侧与二次侧采用光电隔离，二次侧设有RC滤波以防止输入触点抖振噪声引起的误动作。对于输出接口电路，该型的PLC为继电器输出方式，输出端子为4点公用型输出端子。输出端子所接负载最大电阻负载为2A/1点，8A/4点。最大感性负载为80VA，最大等负载为100W。3.4 I/O端子分布、PLC接线图及梯形图表1：I/O端子分布表：I/O端子地址分布电 气 元 件 作 用输入X0ZK12保护及电源X1LKS101-103零位档X2ZK13起升直流制动器空开X3ZK14变频电机风扇空开X4S-S1起升复位X5LKS 113-115上升控制X6SHJ超载限制X71KS限位X10LKS113-123下降控制X112KS限位X12LKS113-129慢速档X13LKS113-131中速档X14LKS113-133快速档X15M1-M2变频器运行X16MA-MC变频器故障输出Y0K108Y1K100手动零位Y2变频器复位输入端子S4复位Y3变频器上升输入端子S1上升Y4变频器下降输入端子S2下降Y5变频器慢速输入端子S5慢速Y6变频器中速输入端子S6中速Y7变频器快速输入端子S9快速Y10K106运行Y11HL1外部运行指示灯Y12K107制动Y13K108风机Y14K109故障Y15HL2外部故障指示PLC、变频器接线图： 图3：PLC与变频器接线图（a）图3：PLC与变频器接线图（b）如图3，PLC的接线图主要有PLC和外部继电器、开关器件的接线，PLC和变频器之间的接线。在这里用接线号表示硬线之间的连接。PLC的输出端子信号一部分作为变频器的输入信号，控制变频器以此进一步控制起升电动机的升、降、快中慢三速。PLC的输入信号主要来自外部的控制器、空开触点、按钮、限位，还有变频器的故障和运行信号反馈。PLC程序梯形图：PLC的梯形图程序设计思路来源于继电器接触器控制电路原理图，根据PLC程序梯形图的设计要求，进一步结合原有电气原理图的控制思想设计而来。此外在原有一些安全措施的基础上增设了两个显示变频器运行和故障的指示灯，目的在于使操作人员对变频器的运行情况一目了然。图4：PLC程序图3.5 系统调试PLC系统的调试可以分为模拟调试和现场调试。在此之前首先对PLC外部接线做仔细检查，这是一个很重要的环节，外部接线一定要准确无误。确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器调试，直到各个部分功能都正常并且能协调一致地完成整体控制功能为止。系统的模拟调试。将设计好的程序写入PLC后，首先逐条检查，并改正写入时的错误。用户程序一般现在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用开关按钮来模拟，各输出量的通/断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不接实际负载。可以根据更能图表，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号。在调试时应充分考虑各种可能情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进