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河南理工大学起重机的plc改造设计,毕业设计
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河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 1 1 绪 论 1.1 传统桥式起重机控制系统存在的问题 桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位。经过几十年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。因此，除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速， 致使机械冲击频繁，振动剧烈，因此电气控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。 传统的起重机驱动方案一般采用 :(1)直接起动电动机 ;(2)改变电动机极对数调速 ;(3)转子串电阻调速 ;(4)涡流制动器调速 ;(5)可控硅串级调速 :(6) 直流调速。前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速 :起动电流大，对电网冲击大 ;常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸 瓦磨损严重 ;功率因数低，在空载或轻载时低于 0.2 0.4，即使满载也低于 0.75，线路损耗大。可 控硅串级调速虽各服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。 nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 2 1.2 桥式起重机电气传动技术的国内外发展概况 电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲 60年代采用发电机一电机系统。 从控制电阻分级控制，到交磁放大控制，到可控硅 SCR激磁控制，到主回路可控硅即晶闸管整流供 电系统。随着电子技术的飞速发展，集成模块出现，计算机、微处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。 从交流驱动来讲 :常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放时的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转子反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的发展，国内外开发研制变频调速， PLC可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。 目前国内外几种常用调速系统配置及其性能 : （ 1） DC-300直流驱动调速系统 :GE公司 DC-300, DC-2000是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统，其控制功率从 300HP到4000HP，并采用 PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。 该驱动系统实施主回路 SCR整流，其控制是给定模拟量通过数模转换成数字量，通过速度环、电流环到 SCR移相触发的逻辑无环流的调速系统。可用测速反馈或电压反馈，对磁场弱磁，以实施恒功率控制。 （ 2）交流调速控制系统 :对于起重机械来讲，交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期，国 外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前，该技术已进入了成熟稳定的发展应用阶段。日本安川电机制作所于 1972年就正式定为 VS系列，应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 3 等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发。借助电力电子技术、微电子技术的发展，由分离元件发展到大规模集成电路，从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟量控制发展到数字量控制。 可编程序控制器 PLC引入到交流电气传动系统后，使传动系统性能发生了质的变化。在桥式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊 断、检测显示等，达到了新的技术高度。 （ 3）变频调速 :变频调速技术是国际上各大电气公司在 70年代末80年代投入全力研制、开发，也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。这几年一些公司如德国 SIEMENS, 美国 GE，日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术，大功率的 IGBT模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。目前，变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用，但其控制性能有一定的差异。直流电动机之所以与有良好的控制性能，其 根本原因是当励磁电流恒定时，控制电枢电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小。异步电动机产生瞬时转矩的原理虽然与直流电动机相同，但由于建立气隙磁场的励磁分量和电磁转矩所对应装置电流有功分量都应包含在定子电流中，无法直接将它们分开，在运行过程中，这两个分量有会互相影响。 因此，要控制异步电动机的瞬时转矩十分困难。像采用恒压频比控制、转差频率控制的变频调速系统由于是从控制电动机的平均转矩的角度出发来控制电动机的转速，因而难以获得较理想的动态性能，异步电动机在高精度调速系统和伺服系统中的应用受到限制。而矢量控 制是从根本上解决了这个问题，使交流调速系统的应用范围迅速扩大。适用于通用的鼠笼式电动机，无速度传感器的矢量控nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 4 制变频调速技术的应用，该技术使变频控制装置不再配套专用电机，而且可通过软件对一般的鼠笼式电机 矢量控制装置实施参数调整，进一步降低电气电机的投资而且维护保养方便。变频器使用PWM技术可严格地使输入电流正弦值 =1即在下降过程各机械减速制动中，将动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时确保工况正常运行。 上述发展己完成了产品系列化上市，对 “变频”装置在技术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有 明显的优势。同时随着 PLC系统的不断成熟与完善，以及大容量变频器在位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。 1.3 本课题的研究意义及主要内容 本课题中以桥式起重机作为研究实体，由上可知，传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕线机转子串电阻的方法进行启动和调速，继电 接触器控制，这种控制系统的主要缺点有： （ 1）桥式起重机工作环境差，工作任务重，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。 （ 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，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。 要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。近年来，随着微机技术的迅猛发展和 电子计算机技术的广泛应用 ， PLC控制技术开始应用在起重机的电力拖动系统。电控系统是起重机正常工作的关键设备，电气设计立足于安全，可靠，技术先进，性能价格比合理，维修方便。因此采用 PLC 控制的调速技术是起重机各项技术性能的主要保证。 PLC 控制系统的主要特点： nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 5 （ 1） 采用 PLC对起重机电控系统进行控制和管理 , 使其工作时对信号 显示和故障监测十分方便 , 可大大缩短检修时间。 （ 2） 采用 PLC作为电控系统装置 , 可节省司机室内的空间 , 方便司机操作。 （ 3） 电控系统的逻辑控制大多由 PLC以扫描方式执行用户程序来完成。与继电器控制电路相比 , 减少了大量的中间继电器和时间继电器 , 使单台起重机的电控配置达到相当高的技术水平 , 各种调速装置 (如可控硅定子调压调速装置、交流变频 ) 均可顺利联接于 PLC的控制当中 ,从而实现对各机构电动机的高精度实时控制。 （ 4） 使用 PLC的控制系统的自动化程度较高 , 既适用于新产品的开发 , 又适 用于老设备的改造。随着起重机电控设备更新换代步伐的加快和计算机自控技术的不断发展 , 应用高科技技术来保证起重机安全可靠性 , 将是必然的趋势。 相比较发达国家而言，我国的相关技术水平差距较大。主要技术难度体现在：对起重机电控系统运行的稳定性和可靠性要求愈来愈高，起重机的起重量及运行速度等技术参数越来越大，起重机的自动化程度越来越高，起重机对管理和通讯的性能要求越来越严格。为此，有必要对桥式起重机电控系统的应用研究。 本论文以 15/3t 桥式起重机为研究对象，根据原有绕线机转子串电阻调速型起重机 的控制结构，结合 PLC控制技术，提出了桥式起重机的 PLC改进系统。本论文的主要内容分为如下四个部分 : （ 1）传统起重机转子串电阻调速原理，即本论文的第二章，它首先介绍了桥式起重机的基本结构，然后介绍了传统桥式起重机的工作原理及其控制过程，为下一部分的起重机转子串电阻调速系统的 PLC改造提供了理论基础。 （ 2）可编程序控制器在桥式起重机控制系统中的应用，即本论nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 6 文的第三章，它首先介绍了 PLC原理、系统组成及其各部分的作用，然后论述本系统中 PLC的选取，采用 Siemens公司 S7-200型 PLC，最后介绍控制系统的构成及各机构的安全保护和检测。 （ 3）桥式起重机控制系统软件设计，即本论文的第四章，主要介绍系统的控制要求及 PLC流程图。同时根据控制系统的要求对 PLC进行 I/O端口设计和地址分配。 （ 4）全文的总结与展望 即本论文的第五章，它对全文的研究内容作了总结，并对本论文中的需要进一步完善和提高之处作了研究展望。 1.4 本系统总体方案设计 控制系统由继电器控制改为 PLC控制，四大机构调速均为绕线机转子串电阻调速。 nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 7 2 起重机电控系统基本情况 2.1 桥式起重机系统简介 2.1.1 桥式起重机的构造 桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处用作物料搬运设备，为此要求它高效，灵活，安全可靠。 本课题研究的桥式起重机是电动双梁桥式起重机，该起重机由起重小车、桥架金属结构、桥架运行机构以及电气控制设备等四个部分组成。机构主要指主起升机构、副起升机构、小车运行机构、大车运行机构。在电气控制系统中，其供电一般是通过电缆卷筒将电源输送到中心电器上，起重机为低压供电系统，电气控制部分集中在操作室和电 气房内，安全保护装置装在在适当的位置上。 2.1.2 各机构组成和特点 起升机构是用来实现货物的升降，它通常由驱动装置、钢丝绳卷绕系统和取物装置三部分组成。此外，根据工作需要还可以装设各种辅助装置，如高度限位器，超载限位器等。运行机构的作用是使起重机运行部分作来回运动，以达到在水平面内运移货物的目的。 2.2 传统桥式起重机的电气控制系统 2.2.1 桥式起重机的电气控制的特点 （ 1）具有合适的升降速度，空钩能实现快速升降，以减少辅助工时。 （ 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，其调速范围可达（ 510）： 1。 （ 3）具有适当的低速区。 （ 4）提升第一挡的作用是为了消除传动间隙，使钢丝绳张紧。 nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 8 （ 5）在负载下降时，根据重物的大小，拖动电动机的转矩可以是电动转矩，也可以是制动转矩，两者之间的转换是自动进行的。 （ 6）为确保安全，常采用电气与机械双重制动。 2.2.2 电动机配置情况 桥式起重机的控制电路图如图 1所示： 该起重机共配置 5台电动机 M5和 M4同速拖动，用凸轮控制器 QC3控制。两台电动机分别由电磁制动器 YB3和 YB4采用失电方式制动，这样可以保障 停电时停车制动，保证安全。两个位置开关 SQ7和 SQ8装在大车两侧，当大车行至终点与挡铁相撞时，便压开位置开关，使电动机失电制动。 小车用电动机 M2拖动，用凸轮控制器 QC2控制，电磁制动器 YB2控制机械抱闸用以制动 M2，位置开关 SQ5和 SQ6装在小车两端，当小车行到终端与挡铁相撞时，便压开位置开关，失电制动。 副钩用电动机 M1拖动，用凸轮控制器 QC1控制，电磁制动器 YB1控制机械抱闸，用位置开关 SQ4作为上限行程保护。 主钩用电动机 M5拖动，当被吊重物大于 3t、小于 15t时，用主钩提升。 M5容量较大，用主令控 制器 QM控制接触器，再由接触器控制电动机 M5，位置开关 SQ9作为上限保护。 QS1为三相电源开关，大车、小车、副钩电源用接触器 KM控制，主钩主电源开关用 QS2控制，主钩控制电源由 QS3控制。 nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 9 M3M3M3M3YB1YB2YB3YB4M1M2M3M4U12U12U2QC2KI4KIU21234V2QC11234KI1KI2W14V141234QC3V11W11QS1WU3V3W3KM1QC3SQ7SQ5QC2QC1KM115678911121314 10R4R3R2R1L13L12L11L1L2L3FU11610101820172115231622SQ8SQ6191211111215aSQ415U2SB2345KM117SA8SQ17 SQ26SQ3KM113KI1KI214W1512KI311KI410KI9FU1KI3V13W13电源总电源小车大车副钩限位零位安全门过流保护保护12345678910115678956789(a)nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 10 M3KI5YB5YB6M5KM9KM10KM5KM6KM7KM8KM3KM2KM4V17U2W17QS2L13L12V16W16W19KVKM3KM2KM4KM9KM10KM5KM6KM7KM8V19KM8W19KM7KM6KM5QM10QM2KI5QM12QM11KM3KM4KM3KM2QM4QM6QM5QMSQ9QM1KV26273134363739414345464442403835222930323329KM2QM3KM2KM8QM7QM8QM9KM3W18V18QS3FU225FU1QS3TC4SB2HAFU336V220VXS1XS2QS4EL1FU2QS5XS3EL2EL3EL4主钩电源正向反向制动主钩控制电源主钩定子失压限位反向正向制动主钩转子控制制动加速信号电路电源信号指示保护12131415161731323018192021222328292425262733（b）15t/3t桥式起重机电气控制电路图1nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 11 2.2.3 安全保护措施 （ 1）过电流保护 每台电动机的 W、 V两相电路中，都串接过电流继电器。过电流整定值，一般为电动机额定电流的 2.25 2.5倍； V相中串接的总过流继电器，过电流整定值为全部额定电流的 1.5倍。所有过电流继电器的动断触头串联后，再与 KM1的线圈相串联。作为电流保护，只要有一 台电动机的一相超过整定电流值，过电流继电器就动作，切断控制电源，并将主电源切断，所有电动机被抱闸制动，使吊车停在原位。 （ 2） 短路保护 在整个控制电路中，每条控制支路都由熔断器作为短路保护（ FU1、 FU2）。 （ 3） 零位保护 控制系统中设有零位连锁， QC1（ 2-3）、 QC2（ 3-4）、QC3（ 4-5） 9为相应凸轮控制器的零位触点，用于 KM1的启动； QC1（ 16-17）、 QC2（ 17-18）、 QC3（ 21-23）、 7以及 QC1（ 15a-17）、 QC2（ 17-19）、 QC3（ 22-23） 8也为相应凸轮控制器的零位触点，用于KM1的自锁。因此，必须将控制器的控制手柄全部置于零位，合上紧急开关 SA10，按下启动按扭 SB9，才能使 KM111得电吸合并自锁，接通电源，这样可以保证各电动机转子都能串接着电阻启动。 （ 4）极限位置保护 限位开关 SQ4 SQ97、 8、 19分别被安装在不同的极限位置上，起极限保护作用。其中， SQ7和 SQ8与大车凸轮控制器 QC3的限位保护触头 15、 16（ QC3（ 21-23）、 QC3（ 22-23）串并联7、 8，实现对大车左右两个方向的极限保护； SQ5和 SQ6与小车凸轮控制器 QC2的限位保护触头 10、 11（ QC2（ 17-18）、 QC2（ 17-19）串并联 7、 8，实现对小车向前向后两个方向的极限保护； SQ4与副钩凸轮控制器 QC1的限位保护触头 11（ QC1（ 15a-17）串联 8，实现对副钩提升时的上限终端保护； SQ919串接在主钩上升接触器 KM320线圈电路中，实现对主钩提升时的上限终端保护。 nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 12 （ 5）停车保护 为使桥式起重机及时、准确地停车，常采用电磁制动器（ YB1 YB6）作为准确停车装置，进行停车保护，使被起吊的重物在停车后 可靠地停住。 （ 6）人身安全保护 桥式起重机驾驶室的门、盖及横梁栏杆门上分别装有安全限位开关 (SQ1 SQ3),它们的动断触头均与启动按钮SB串联。只要一处没有关紧，其触头就处于断开位置，启动按钮就不能使 KM1得电吸和，起重机就不能得电启动运行，从而保证人身安全。 （ 7）应急触电保护 桥式起重机的驾驶室内，在司机操作时便于触到的地方装有一只单刀单掷紧急开关 SA，它在控制线路中与电源接触器 KM1的线圈串联，当发生意外情况时，驾驶员可以立即拉下SA，迅速使 KM1失电释放，切断系统电源，使吊车停 下（电动机制动），以避免事故的发生。 2.3 系统的工作原理。 在桥式起重机的控制电路中，一般选用绕线式感应电动机作为驱动部件，利用在其转子中串入可调电阻的方式，来达到调节电动机输出转距和转速的目的，同时还可以起到限制电动机启动电流的作用。在起重机各个不同部分的控制电路中，完成上述控制的方法也有所不同。 （ 1）凸轮控制器对大车、小车、副钩的控制方法 大车、小车、副钩三者的控制是完全相同的，均由凸轮控制器进行 控制。工作时，大车、小车及副钩分别由 3个凸轮控制器进行控制（由于大车采用双电动机独立驱动，因此使用控制双电动机的凸轮控制器），下面以副钩为例简要分析其控制 原理 。 凸轮控制器是电动起重机械中控制电动机启动、调速、停止、正反运行的专用装置，它通过凸轮的转动来带动触头的闭和与打开，nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 13 从而使电源接通或短接电阻。 凸轮控制器一般有 12副触头，每副触头均有正反方向闭和的功能且正反方向连锁。其 1# 4#触头用于接通和切断电动机定子电路，只控制电动机的两相，另一相不经过触头控制，直接由电源接至电动机定子，这是电动起重机械中电 动机接线的一个特点。 5# 9#触头是用于分段切除转子串接电阻， 10# 12#触头均为动断触头，用在保护电路。动断触头 10# 12#在“ 0”位时是闭和的。 1 2 3 4ABCDEF4321FEDCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 0 - J u n - 2 0 0 7 S h e e t o f F i l e : C : P r o g r a m F i l e s D e s i g n E x p l o r e r 9 9 S E E x a m p l e s B A B E 1 A 1 . D D BD r a w n B y :1 2 3 4 5 6 7 8 91011 122312345YBVUW2M3 M22R23K M 19SAKI17678 101112K M 3U215a151621 2320S Q 2K I 3（大车）S Q 7S Q 8S Q 5S Q 619101241718111413Q C 3Q C 2K M 1K I 15L 1 3L 1 1S Q 3K I 2S Q 1K I 4L1W3L2U3KMV3L3W2QSK I 4V2 U2I I I SBS Q 4F U 112345Q C 1（小车）图 2 凸轮控制器控制电路 nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 14 副够电动机正反转及停车控制（见图 1,图 2)。控制副钩电动机的正反转是采用对调定子电源任意两相来实现的。电源的任意两相通过凸轮控制器接入电动机定子（凸轮控制器有 4副主触头 1、 2、 3、4， 接在提升电动机的定子电路中）另一相直接接在电动机定子上。控制器的操作手柄可由零位向顺时针和逆时针两个方向移动。当推动手柄由零位向顺时针方向转动时，触头 2、 4闭和，定子绕阻的 v端经触头 2与电源 L2相连， W端经触头 4与电源 L3相连，而 U端（不经过触头）直接与 L1相连，这时，电动机接顺时序电源为正转，此时电动机正转，副钩上升。当推动手柄由零位向逆时针推动时，触头 1、 3闭和，定子接逆相序电源，电动机反转，副钩下降。操作手柄处于零位时，电动机停转。 因此，凸轮控制器手柄转到提升挡时，触头 2、 4都闭和，而触头 1、 3是断 开的，从而保证电动机接通顺相序电源，电动机正转，当凸轮控制器手柄转到下放 1 5挡时，触头 1、 3都闭和，而触头 2、4是断开的，从而保证电动机接逆相序电源，电动机反转。凸轮控制器手柄置于 “0” 位时，触头 1、 2、 3、 4都是断开的，电动机停转。这样就可以完成电动机正反转及停车制动，即副钩的升降控制；同样的方法可完成大车纵向控制，小车横向前后控制。 由于直接通过凸轮控制器的触头来接通和分断主电路，因此这部分触头装有灭弧装置。但毕竟受触头通断电流容量的限制，所以凸轮控制器的电动机功率不能太大。 电动机的 调速。电动机的调速采用绕线式感应电动机转子回路串电阻的方法来实现，电阻器经凸轮控制器另外 5副触头（ 5 9）接入与切除，控制器的顺、逆时针方向各有 5个挡位。转子电阻采用不对称接法，在凸轮控制器位于提升或下放的 5个位置时，可 逐级不对称切除转子电阻，以得到不同的运行速度。对于提升或下放的 5个位nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 15 置，其触头的通断情况对称。当受柄置于第一挡时，转子加全部（不对称）电阻，如图 3(a)所示。随着转子电阻的逐级切除图 3(b)、 (c)、(d)所示，电动机的转速逐渐升高。 在第 5挡时转子电路电阻最小，如图 3(e)所示 ,电动机转速 最高 (副钩快速转动 )从而达到了调节电动机转矩和转速的目的（利用同样的方式可控制大车、小车的运行速度）。 (a)1挡 (b)2挡 (c)3挡 (d)4挡 (e)5挡 图 3 转子电路电阻逐级切除情况 制动与保护。电动机得电的同时，电磁制动器也得电，机械制动失去作用，允许副钩作升降运动，电动机失电停止时，电磁制动器也同时失电，机械制动产生作用，使副钩迅速停止运动并准确停车。大车、小车的控制方法相同。 控制电路。凸轮控制器还有 3副触头（ 10 12）接于控制电路中，其中触头 12用于接触器 KM1“ 0”位启动，触头 10、 11用于 KM1的自锁回路。接触器 KM1得电吸和的自锁回路是由大车移行凸轮控制器QC3的触头 QC3-15和 QC3-16与大车左右移行极限位置保护行程开关 SQ7和SQ8，小车移行凸轮控制器 QC2的触头 QC2-10和 QC2-11与小车前后移动极限nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 16 位置行程开关 SQ5和 SQ6，副钩凸轮控制器 QC1的触头 QC1-10和 QC1-11与吊钩上移极限位置保护行程开关 SQ4组成的串并联电路，再与 KM1的辅助动和触头 KM1（ 1-16）、 KM1（ 5-23）串联构成的。 例如，大车移行凸轮控制器 QC3的触头 QC3-15与右极限行程开关 SQ7串联， QC3-16与左极限行程开关 SQ8串联，然后两条支路并联。在大车左行的 5个挡位，触头 QC3-16均闭和，因此通过 QC3-16与 SQ8支路使 KM1自锁，达到极限位置时，压下 SQ8，使 KM1失电释放，大车停止运行，将QC3移到原位，重新按 SB，通过 QC3-16， SQ8支路使 KM1得电吸和并自锁。 再如，小车凸轮控制器 QC2的触头 QC2-11与向前限位开关 SQ6的动断触头串联，在向前的 1 5挡，触头 QC2-11均闭合，若向前限位的开关SQ6被压下，其动断触头断开，将使接触器 KM1失电释放，电动机失电停转，而触头 QC2-10与向后限位开关 SQ5的动断触头串联，在下放的 15挡，触头 QC2-10均闭合，若向后限位开关 SQ5被压下，使其动断触头断开，将使接触器 KM1失电释放，使电动机失电停转，还有触头QC2-10与启动按钮 SB串联，只有手柄置于“ 0”位时，触头 QC2-10才闭合。 SQ4为副钩上升极限开关，其原理于大车保护相同。 凸轮控制器 QC1的触头 QC1-11理论上可接在 KM1自锁触头 KM1(1-16)的下方，而实际接在电动机 M2定子短线号 U2上，既方便，又不影响自锁电路的正常工作。 任何过电流继电器动作，某个门未关好或按动急停按钮 SA，交流接触器 KM1都会失电，将主回路的电源切断。接触器 KM1失电后，要使其重新得电，必须将凸轮控制器的手柄反向转到“ 0”位，使 12触头闭合，这样才能重新启动。因此， 12触头称为零位保护或零压保护触头。 nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 17 （ 2） 主令控制器对主钩电动机 M5的控制（见图 4及图 1）。 桥式起重机的主钩一般用来起吊额定重量的物体，驱动主钩提升的电动机容量较大，因此主钩电动机不能采用凸轮控制器直接控制而必须通过大容量的接触器控制。主令控制器发出电动机正反转，停止及调速的命令（与凸轮控制器原理相似），由大容量的接触器来执行，从而完成对主钩 电动机各种运行状态的控制。此外，主钩的控制与副钩的制动不同，主钩的制动电磁铁得、失电是可以控制的 (参见图中接触器 KM423)，而且在主钩下降过程中 ,下降的前三挡 ,电动机转矩为提升转矩 ,对下降的重物起反接制动作用。 在图 3所示的主钩控制器 QM控制主钩电动机 M5的电路中 ,KM2、 KM3为正反向接触器，用以变换电动机定子电源相序，实现电动机正反转。 KM4为制动接触器，用以控制三相制动器 YB。在电动机转子电路中接有 7段对称接法的转子电阻。其中有两段 5R1 5R2为反接制动电阻，分别由反接制动接触器 KM9、 KM10控制； 5R3 5R1为调速电阻，分别由加速接触器 KM5 KM8控制；最后一段 R7为固定接入起软化特性作用的电阻。 LK1-12/90型主令控制器共有 12副触点，提升、下降各有 6个工作位置。通过将控制器操作手柄置于不同的工作位置去控制定子电路与转子电路的接触器，决定电动机的转向，转矩、转速，使主钩上升，下降，高速、低速运行，即实现电动机工作状态的改变，使物品获得上升与下降的不同速度 .由于主令控制器为手动操作，因此电动机的工作情况由操作者来控制。 nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 18 IIYBKM2KM3PEM3M5KM85R75R65R55R45R15R25R3KM7KM10KM9KM6KM5KM4QM2QM3QM5QM6QM4QM7QM8QM9QM10QM11QM12QM1下降10QM23456654321上升KM9KM10KM7KM8KM6KM5KM3KM2KM4KVKI5KM3KM2KM2KM8KM8KM3KM7KM6W10KM3KM2KM4FU2V19QS3V18W18QS3W19FU2KVKIU5QS2SQ9222935262730313233343637394143454644424038KM5282718172119 2920 2523 312430图4主令控制器QM的控制电路nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 19 主令控制器 QM2的 12副触头 的作用是： QM1为零位保护连锁触头，控制的是电压继电器 KV，其动合触头KV(25-26)闭合，自锁，并接通控制电路电源，实现零压保护。同时，过流继电器 KI5的动断触头 KI5(26-27)串联在线圈回路里，过载时可切断控制回路电源，实现过负载保护。 QM2和 QM3用于上升、下降的限位保护，上升限位由限位开关 SQ9执行。 QM4用于控制接触器 KM4，进而控制电磁制动器 YB5和 YB6。 QM5和 QM6用于控制提升接触器 KM2,下降接触器 KM3。 QM7和 QM8用于控制反接制动 器 KM9和 KM10。 QM9和 QM10用于控制调速电阻接触器 KM5 KM8。 先合上开关 QS3，将主令控制器 QM手柄置于“ 0”位，触头 QM1闭合，欠压继电器 KV得电吸和，其动断触头 KV（ 25 26） 18闭合并自锁，为主钩电动机 M5工作做好准备。 提升重物的控制。控制器提升控制共有 6个挡位，在提升各挡位上，触头 QM3、 QM4、 QM6、 QM7都闭合，于是将上行程开关 SQ9接入，实现提升限位保护；接触器 KM2、 KM4、 KM9始终得电吸和，电磁抱闸松开，短接电阻 5R1，电动机按提升相序接 通电源，产生提升方向电磁转矩。在提升“ 1”位启动转矩小，作为消除齿轮间隙的预备启动级。 当主令控制器手柄依次扳到上升“ 2”位至上升“ 6”位时，控制器触头 QM8 QM12依次闭合，接触器 KM10、 KM5 KM8依次得电吸和，将5R2 5R6各段转子电阻逐级短接。可根据负载大小选择合适的挡位进行提升操作。 下放重物的控制。主令控制器在下放重物时也有 6个挡位，但在前 3个挡位，正转接触器 KM2得电吸和，电动机仍以提升相序接线，产生向上的电磁转矩。因此，前 3个挡位为倒拉反接制动下放，而后 3nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 20 个挡位为强力 下放。 下降“ 1”为预备挡，此时控制器触头 QM4断开， KM4失电释放，制动器未松开，触头 QM6、 QM7、 QM8闭合，接触器 KM2、 KM9、 KM10得电吸和，电动机转子短接两段电阻 5R1、 5R2，定子按提升相序接通三相交流电源，但 此时由于制动器未打开，因此电动机并不旋转。改挡位是为适应提升机构由提升变换到下放重物。消除因机械传动间隙产生冲击而设定的。因此该挡不能停留，必须迅速通过该挡，以防电动机在堵转状态下时间过长而烧毁电动机。 下放“ 2”挡是为了重载低速下放而设的。此时控制器触头 QM6、QM4、 QM7闭合，接触器 KM2、 KM4、 KM9得电吸和，制动器打开，电动机转子串 5R2 5R7电阻，定子按提升相序接线，在重载时获得倒拉反接制动低速下放。 下放“ 3”挡是为中型载荷低速下放而设的。在该挡位时，控制器触头 QM6、 QM4闭合，接触器 KM2、 KM4得电吸和，此时电动机转子串入全部电阻，制动器松开，电动机定子按提升相序接线，在中型载荷作用下电动机按下放重物方向运转，获得倒拉反接制动下降。 在上述制动下降的 3个挡位，控制器触头 QM3始终闭合，将提升行程开关接入，其目的在于当对 吊物重量估计不准，如将中型载荷误认为重型载荷而将控制器手柄置于下放“ 2”挡位时，将会发生重物不但不下降反而上升。 SQ9起上升限位保护作用。 另外还应注意，在下放“ 2”与“ 3”挡位，当负载转矩较小时，不应将控制器手柄在此停留，以避免出现不但不下放反而提升的现象。 控制器手柄在下放“ 4”、“ 5”、“ 6”挡位时为强力下放。此时，控制器触头 QM2、 QM5、 QM4、 QM7、 QM8始终闭合。接触器 KM3、 KM4、 KM9、KM10得电吸和，制动器打开，电动机定子按下放重物相序接线，转子nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 21 短接两段电阻 5R1、 5R2启动旋转，电动机工作在反接制动状态。这 3个挡位用于重力负载转矩小于摩擦转矩，依靠自身重量不能下放，必须在电动机帮助下实现强迫下放。 当将控制器手柄扳至下放“ 5”挡位时，触头 QM9闭合，接触器 KM6得电吸和，短接电阻 5R3,电动机转速提高；当控制器手柄扳至下放“ 6”挡位时，触头 QM10、 QM11、 QM12均闭合，接触器 KM7、 KM8、 KM9得电吸和，电动机转子只串入一段常串电阻 5R7，在低于同步转速的下放速度下放重物。 2.4 控制过程分析 1.凸轮控制对小车的控制 （ 1） 准备工作。 先合上总 电源开关 SQ1,在起重机投入运行前，合上紧急开关SA10,司机室窗口关好，其安全开关 SQ1 SQ3均闭合，然后将所有的凸轮控制器 QC1 QC3的手柄置于“ 0”，按下启动按钮 SB9,主接触器 KM1得电吸和并自锁，其主触头 2闭合，接通总电源，为各电动机启动做好准备。 （ 2） 小车控制。 由于副钩、大车、小车控制过程过程类似，这里仅以小车为例分析其控制过程。 将 QC2的手柄从“ 0”转至“向前”位置的第一挡时，则 QC2手柄从“ 0”转到“向前”第 1挡 M2+、 YB2+ 小车向前移动。 QC2-1+ QC2-3+ QC2-10+(自锁） nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 22 M2+ QC2手柄从第 1 挡转到第 2 挡 短接电阻 R5 小车向前加快移动 这样把 QC2手柄在向前方向从 1 挡转到下一挡的过程中，触头 QC2-5QC2-9逐个闭合，依次切除转子电路中的启动大作 2R5 2R1，小车速度逐渐加快，直至电动机 M2达到预定的转速。 2.主令控制器对主钩可控制 主钩提升重物上升过程 (此过程分 3 个阶段完成 )： 准备和低速上升阶段。 将 QS2、 QS3合上， QM 置“ 0”位 QM1 + KV+ KV(25-26)+自锁 M5工作做好准备。 QM 置于上升“ 1”位时， 切除 5R1， M5在串电阻 5R2 5R7下正向启动运转，主钩低速运行。 变速上升阶段。 QM 推到上升“ 2、 3、 4、 5”挡位时 分别切除 5R2 5R5，主钩处于变速上升。 QC2-1+ QC2-3+ QC2-10+(自锁） QC2-5+ KM4+自锁 , YB+ KM2+ QM3+ QM4+ QM6+ QM7+ M5 得电 KM9+ KM10+ KM5+ KM6+ KM7+ QM8+ QM9+ QM10+ QM11+ nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 23 高速提升阶段。 QM 推至上升第“ 6”挡后，则 QM12+ KM8+ 切除 5R6 电动机达到最大转速 主钩高速上升，直到预定的位置，完成重物提升过程。 主钩下降过程（一般分为 3 个阶段）： 准备阶段。 QM 手柄置于“ 1”位时， 其触头 QM3、 QM6、 QM7、 QM8闭合，上升限位开关 SQ9 也闭合。 QM3 闭合，接通各接触器的供电电源，各接触器处于准备工作状态。 QM6 闭合，使接触器 KM2 得电吸和并自锁，电动机 M5接通正序电源，电动机 M5可以正向启动，产生提升的电磁转矩（钓钩上升状态）。但此时由于 QM4未闭合，制动接触器 KM4未得电吸和，电磁制动器 YB4、 YB5抱闸未松开，因此尽管 KM2已得电吸和， M5 已得电并产生了提升方向的电磁转矩，但在制动器YB5、 YB6的抱闸和载重重力作用下，迫使电动机 M5不能启动旋转，这样重物保持一定位置不动，为 重物的下降做好准备（制动下降）。同时， QM7、 QM8闭合，使 KM9、 KM10得电吸和，切除转子回路中相应电阻5R1、 5R2。应特别注意的是，此段时间不宜过长，以免造成电动机发热损坏。 制动下降阶段。手柄拔到下降位置“ 2”时，则有 得电吸和 YB5、 YB6得电松开抱闸 电动机反向运转，重负载低速下降 QM3+ QM6+ QM4+ QM7+ KM2 KM4 KM9 KM8 断开 KM10 失电释放 电动机上升力减小 nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 24 手柄拔到下降位置“ 3”时，则有 QM3、 QM6、 QM4闭合 KM2+ KM4+ QM7断开 KM9失电释放 串接所有电阻 以稍快的速度下降 强力下降阶段。挡控制器手柄推到下降的第“ 4”、“ 5”、“ 6”挡时，为强力下降阶段。 手柄拔到下降位置“ 4”时，则有 QM2+ 接通控制电路电源 QM5+ KM3+ 吸和 电动机反转 QM4+ KM4+ 吸和 电磁抱闸松开 QM7+ KM9+ 吸和 QM8+ KM10+ 吸和 切除最初两段电阻 轻负载在电动机下降转矩下开始强行下降 手柄拔到下降位置“ 6”时， QM 的触点 QM2、 QM5、 QM4、 QM7、 QM8、KM9 闭合，和上一步相比较，多了一个接触器 KM5 得电吸和，转子电阻再切除一段，电动机加速下降，进一步提高下降速度。 手柄拔到下降位置“ 6”时， QM 的触点 QM2、 QM5、 QM4、 QM7、 QM8、QM9、 QM10、 QM11、 QM12 全部闭合，接触器 KM3 KM10 全部 得电吸和，转子电阻全部切除，电动机以最高速度运转，负载加速下降。 如果要取得较低的下降速度，就需要将主令控制器手柄拔回下降位置“ 1”或“ 2”，进行反接制动下降。 吸和 nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 25 3 可编程控制器在桥式起重机系统中的作用 3.1 PLC 概述及其系统组成 3.1.1 PLC 概述 可编程程序控制器 (Programmable Controller)，其早期主要应用于开关量的控制，现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。可编程序控制器是一种 数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 PLC自问世以来，经过多年的发展，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以 16位和 32位微处理器构成的微机 PLC得到了惊人的发展，使 PLC在概念、设计、性能价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功 耗、体积减少，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便 .而且远程 UO和通信网络、数据处理以及图像显示也有了长足的发展，所有这些已经使 PLC应用于连续生产的过程控制系统，使之成为最受欢迎的工业控制类产品。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。 3.1.2 PLC 的系统组成与各部分的作用 PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同， PLC可分为整体式和组合式。 整体式 PLC是将中央处理器 (CPU)、存储器、输入 单元、输出单nts 河南理工大学毕业设计 (论文 )说明书 26 元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的 I/O扩展单元与主机配合 使用。主机中， CPU是 PLC的核心， I/O单元是连接 CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于 PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。 组合式 PLC将 CPU单元、输入单元、输出单元、智能工 I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相连 .装有 CPU单元的底板称为 CPU底板，其它称为扩展底板。 CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过 l0m,无论哪种结 构类型的 PLC，都可以根据需要进行配合与组合。它主要是由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入 /输出接口电路等组成。 1.中央处理单元 (CPU) 中央处理单元一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内， CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入 /输出接口电路
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