毕业设计--基于PLC的桥式起重机的设计

四川师范大学2011年毕业生毕业设计基于PLC控制的桥式起重机的设计四川师范大学吴洪权领导先生邹惠林内容摘要：研究了基于可编程控制器(PLC )和变频器的桥式起重机控制系统的改进。 阐述了交流桥式起重机的实际应用和PLC改造方案的确定，也涉及到改造中的设备选型。 以西门子S7-200系列PLC为例，阐述了交流桥式起重机改造中PLC的控制方案。 与传统的控制方案相比，采用PLC控制的桥式起重机简化了重型设备，使控制更加安全可靠。 从经济效益和环境效益角度出发，本设计前期投入部分资金购买PLC和变频器等设备，但长期运行后维护成本远低于原系统，节能约达30%。 设计中，变频器通过PLC进行无触点控制，使设备运行更加准确，减轻人员劳动力，提高生产效率。关键词：桥式起重机变频调速PLC控制系统thedesignofplc-basedbridgecranesystemAbstract:thistextdiscassiontheimprompleddefigureddingofbridgecranecontrollectionpliccandfrequerandfr e， theapplicationofplconresinrectructivetrandchoosingthedevice.thetexttakessiemensss7- 200 plcseriesasaxample introducedthecontrollcs paredwithtraditionalcontrolscheme PLC-basedbridgecranecansimplifytheheavyequipment andmakecontrollocontrolem . analysisfromeconomic福利和环境福利themaintenancecostisfarbeloworiginalsystemafterlong-term operation，and Saves about 30% of energy， beseidafonddmustsputintobuyingplcandinverterandotherequipment.in the design inverter non-contractionpromplagecontronthequertorunmonkey words :桥牌； frequency converter； PLC控制系统公司28目录前言11设计要求和方案选择21.1系统设计要求21.2主题分析21.3系统方案选择22系统硬件设计42.1 PLC实现的主指令控制器42.2挡块及安全电路52.2.1挡块62.2.2安全开关62.2.3电磁锁62.3可编程控制器62.3.1可编程控制器的特征62.3.2可编程控制器选型72.3.3 I/O端口分配82.3.4 PLC系统接线方式92.4逆变器102.4.1变频器控制方式的选择102.4.2变频器容量的选择102.4.3变频制动电阻112.5电机选型112.6安全装置122.6.1扶手122.6.2限位开关122.6.3缓冲器122.6.4系列挡板123系统软件设计133.1主程序133.2实用程序143.3大型车辆控制程序163.4其他子程序设计174系统仿真和调试185设计总结19附录20附录一桥式起重机PLC控制系统STL语言程序设计20附录2桥式起重机PLC控制电路图27附录3桥式起重机PLC控制系统I/O端口分配表27参考文献28道谢简介桥式起重机是桥在高架轨道上行驶的桥式起重机，也被称为桥式起重机。 桥式起重机桥架沿着两侧高架上铺设的轨道纵向运行，起重机车沿着桥架上铺设的轨道横向运行，构成矩形作业范围，利用桥架下的空间搬运材料，不受地面设备的干扰。以往的桥式起重机采用继电器控制和串联电阻调速，使用凸轮控制器控制各电动机。 桥式千斤顶一般在码头或现场作业环境非常恶劣，在重负荷下频繁起动、制动、反转、变速等，要求有一定的调速范围。 因此，传统继电器控制和串联电阻调速存在诸多弊端，需要采用新的控制方法进行改造。随着工业自动化的发展，PLC、变频器广泛应用于工厂设备的改造。 PLC具有可靠、抗干扰能力强、适应性强、应用灵活、编程方便、易于使用、控制系统设计、设置、调试、维护方便、维护工作量少等一系列优点。 变频器提供可调频交流电源，实现多级速度控制。 因此，“PLC变频器”的控制方式在桥式起重机的改造中很流行。本文重点论述了采用PLC作为控制核心，用变频器拖动电机实现传统继电控制桥式起重机改造的方法。 为了降低员工的劳动强度，操作面板采用了3档主指令控制器。 PLC作为控制系统整体的核心，从主指令控制器接收前方、后方、零、调速等控制信号，从限位器输入的限位信号，从安全电路输入的保护信号，在PLC内部进行运算，分别传送到4台逆变器。 变频器接收来自PLC的控制信号，按照操作器的操作进行控制，使电机运行。 常用作主命令控制器开关的启动停止等按钮集中在控制室内的操作面板上，供操作者操作。改造后的桥式起重机具有以下优点桥式起重机起动、制动、加速、减速等过程更平稳，定位更准确，负荷波动减少，安全性大幅度提高。系统运行的开关设备实现了无触点化，具有半永久性的寿命。由于电机起动电流被限制得很小，频繁起动和停止时电机的热消耗减少，寿命延长。电磁制动器低速工作，制动器皮磨损少，寿命长。降低了对电网的冲击。节约能量，在变频调速启动、制动、加速、减速等过程中，电机运行电流小。 在本案中，节能达到30%左右。1选择设计要求和方案1.1系统设计要求现在，15/3t交流桥式起重机由起重机用绕组式交流异步电机拖曳，其中梁的移动使用2台相同的电机，小车的移动使用1台电机，主钩和副钩各使用1台电机。 5台电动机均采用转子串联电阻调速方式，增加起动转矩，减少起动电流。 由于作业环境差，空气中的水分对电动机滑环、碳刷及接触器腐蚀大，工作重，作业流程复杂，冲击电流大，接触器腐蚀严重，碳刷起火，电动机及转子绕组发生串联电阻烧损、破坏故障时，生产大转子串联电阻的调速，机械特性柔软，负载变化时，转速也变化，调速效果差，串联电阻长期发热，功耗大，效率低。 对其进行改造，减少电路中的冲击电流，改变调速方式，减少作业人员的劳动强度，提高系统效率。1.2主题分析主题中原的交流起重机系统使用接触器控制电源电路的启动、停止、限位的凸轮控制器，使用主控制器完成控制大型车、小车、副钩电动机前进、后退、零、加速、减速的主钩前进、后退、零、加速、减速等动作5个电机均采用转子列电阻调速，其中主钩电机列有7级电阻，其馀电机列有5级电阻。分析表明，电路中凸轮控制器的触点流动的是电机的工作电流，开关开关操作时容易产生冲击电流，减少了接触器的触点寿命。 为了延长使用寿命，触点非常繁重，不仅增加了设备的体积，还使操作上产生了变化的转子的串联电阻的调速方式使机械特性变软，串联电阻长期发热，在大幅度浪费了电能的各电动机上搭载凸轮控制器和主控制器的方式，在操作面板上进行控制为了克服上述缺点，在改造过程中采用PLC代替接触器开关，使用桥式专用逆变器代替减小设备体积、降低操作强度的转子串联电阻调速，从而增加了机械特性的硬度，没有发热问题，提高了系统效率的5台电动机一台主控制器以往系统的电磁抱门装置、过电流保护装置、动作限位开关、梁扶手安全开关、舱口安全开关等安全装置均予以保留，提高系统整体的可靠性。1.3选择系统方案根据以上主题分析，改造的交流起重机控制系统由主指令控制器、挡块、保护输入、PLC、变频器4台、电动机5台(大型车电动机2台)构成，其控制框图如下图所示图1交流桥式起重机控制系统的框图在本设计中，以往系统中取代了按电机设置主控制器或凸轮控制器的设计，通过PLC实现了主控制器的开关计的逻辑功能。 使用精简的3速主指令控制器，以防止主指令控制器占用过剩的I/O端口。 挡块和保护输入保持以往的开关设备，输入PLC进行处理。本系统有输入点25个、输出点28个、共计53个I/O端口。 以西门子S7-200(224 )型PLC为控制核心，该PLC集成了RS-485通信接口，具有强通信能力的7个扩展模块，可与外部的数字量扩展模块连接，具有继电器输出、晶体管输出2种方式，强本系统适用于使用晶体管输出、寿命长、频繁开关的情况。 S7-200(224 )型PLC的本地数字I/O为14输入/10输出，无法满足对本系统I/O端口的要求，因此在外部增设3个EM223(8输入/8输出)模块。起重机构的额定转矩负荷较大，因此选择带低速转矩提升功能的电压型变频器。 由于平移机构惯性大，负荷变化相对较小，为阻性负荷，大型车、小车采用U/f开环控制方式的安川CIMR-F7B4045型逆变器的提升机构惯性小，负荷变化大，属于比特能量负荷，能够得到高速动态响应为了实现转矩的快速调节，获得理想的动态性能，采用通常矢量控制方式，主副钩的升降机构采用安川CIMR-G7B4055型逆变器，采用闭环矢量控制方式，可获得稳定的动作状态和良好的机械特性。桥式起重机的电气传动系统，大型车马达2台，小型车马达1台，主钩15吨，副钩3吨马达各上升1台，这次的设计思路是用变频器4台控制5台马达。 起重机的上升和运转机构的调速比一般在1:20以下，是断续的动作制，通常持续供给60%以上的电力，负荷大惯性系统很多。 因此，起重机的运行机构选择普通电机，提升机构的电机频繁起动，转动惯量小、起动转矩大的变频器用电机。 电机功率的选择，必须根据生产需要来决定。 一般来说，起重机用电动机比一般工业机械中使用的电动机的电力大10%左右。双系统硬件设计在本设计中，1台S7-200型PLC中4台变频器控制5台电机的运行，因此4台变频器所需的输入端口线与该PLC连接，4台变频器控制各自的电机。 下图(图2 )表示桥式起重机的PLC控制电路图。 为了简单起见，图中没有描绘所有的I/O端口线。图2桥式起重机的PLC控制电路图2.1 PLC所实现的主命令控制器也称为主命令开关，其主要用于电气传动装置，包括凸轮控制器，其目的是按照一定顺序分开触头，实现命令和其他控制线的互锁、转换等。以继电器接触器为基础的桥式起重机电路多将凸轮控制器称为接触式控制器，是大型控制器，通过多挡、多触点手动操作，使凸轮旋转，使通过大电流的触头切换开关接通和断开。 与主指令控制器的不同点在于，不需要继电器接触器就能切断大电流。实现大型车、小车、副挂钩的操作，通过主控制器和继电器屏幕实现主挂钩的操作。 但是，在凸轮控制器的操作中同时切换的接点过多，而且切换的是电动机主电路的接点多，为了切换大容量电流，接点被做得很厚，给操作带来了电阻和很大的劳动力。 另一方面，凸轮控制器上形成的触点因频繁的切除而容易故障，给维护带来不便。 在本设计中，使用PLC实现起重机中各电机主辅助回路的逻辑连接关系，形成PLC内部看不到有形触点的逻辑关系。 表1显示的是紧凑化的主指令控制器的开关表，在各档开启的接点配置了PLC的输入口。 为了满足大电流切换的需求，需要在PLC的输出上连接接触器和继电器。表13速主命令开关开关表输入端口向前走零点往后走I0.5xI0.6xI0.2x注x- on在本设计中，使用图3所示的1个3速主指令控制器和2个升降速度按钮作为操作设备，使用PLC和接触器模拟凸轮控制器的动作。 三档主命令控制器的开关表如表1所示。 该主指令控制器能够实现电动机正向运行选择和反向运行选择之间的机械联锁，汽车换挡式设计符合起重机操作人员的操作习惯，使用两个按钮进行升降速度也很方便，其实现的控制要求主要如下当按下继续I1.1和I1.0的按钮时，存储在加减速移位存储器VB100中