基于PLC的大型起重机控制系统的设计[精选]

1、基于plc的大型起重机控制系统的设计1 .绪论 1.1 港口起重机的简介 港口起重机大量使用在港口产品的装卸，实地生产，港口规模庞大的造船厂船舶的生产、维护等部分，主要是为进一步提升工作效率、改变环境，其具备明显的现实作用。由于其具备传动稳定，运作效率高，执行便利，问题出现的可能性不高等优势，开始被全面使用在港口工作中，转变成评估港口领先水平的关键要素。港口起重机可以划分成桥式类、臂架类和小型起重设施类。一般的港口起重机包含门式、梁式、门座式等起重机。1.2 港口起重机电气系统的现状现在，国内依旧有很多港口起重机的变幅控制体系使用“继电器+转子串电阻”的模式。在这种控制的方式下，电机在低转速时

2、稳定性很差，而且输出力也不足。在重载下高速降低时需要让第三方制动才可以确保不溜钩，在多次使用的时候会由于电机温度高而展现绝缘下降的状况，如此会促进设施老化，此外损耗一定的能源，不利于设备稳定运作以及促进设备疲劳等。但是由可编程逻辑控制器（plc）管控的港口起重机和之前的相比具备起制动稳定，运作稳定，工作效率高，维修成本不高，定位准确，使用时间长，安全性高等优势。plc控制科技具备使用便利，稳定性高，抗干扰水平高，编程简单，变化显著，适应广泛等特征。在现代的控制理论以及电力电子等现代研究的科学技术方面和在生产领域都有很大的发展。 1.3 本文的选题及主要研究内容 本次设重点分析设计港口起重机中门

3、座式起重机plc控制科技和变频科技在设备中的使用，分析了港口起重机的电气情况和设计的现实作用。旧的起重机存在问题多，容易发生故障，生产的效率也很低等缺点。plc控制技术可靠性更高，稳定性更好，设计的也更合理。介绍了plc各模块的选型以及变频调速系统的设计。本次通过对plc控制技术和变频技术的应用设计来减少这些旧起重机存在的缺点。为港口生产中门座式起重机的研究与设计提供参考方案。2门座式起重控制系统总体设计 升降部分可以用两套1.5kw电机，电源电压 380v，电机带动风机，调速开关和脉冲编码器。该设备也分配了凸轮开关以及负载传感器，来保证该设备的安全以及顺利工作。利用pg矢量逆变控制方法。在抓

4、取条件下。在 50hz，变频器运行；在钩条件，根据重负载，逆变器工作在50hz或 100hz.plc读取变频器的实时参数，且具备plc的重点输入齿轮信号，控制变频器的频率，然后完成电机全面管控。升降机构可连接于开关上的升降台，启闭、钩、自动抓取、手动抓取五种操作方式。制动器升降部分一般使用鼓式或盘式制动器的方式开展电子管控以及转矩管控，使用零速制动，降低制动时期的振动以及损害，让停车更为稳定。电气维护升降部分具备短路以及过流维护、过载维护、零保护、相位失压、防风、超速以及过载维护。多种变频器假如发生问题，就需要利用故障复位按钮来处理。过载限制器设置在90% 额定负载报警时会切断电路自动升高11

5、0%额定负载，该机构只能减轻负载限制器屏幕的重量，安装在驾驶员控制台前面，振幅显示。起升部分会设置三级限位保护开关，在触发第一级限位开关之后，其会自主步入减速；触发第二级限位开关之后，设备会暂停工作；在第二集保护开关失灵之后，设备运作触发到第三极起升极限限位开关，设备会暂停工作。第三极限位保护动作程序作为故障自锁，起升的正反向操作会被禁止，若操作此机构，必须按下极限保护退出按钮并且同时操作主令手柄方可运行。操作手柄从零位推到需要的部分，或推到其他的方向，plc会管控变频器，通过设置的加、减时间稳定变化到需要的速度。起重机起升部分电机设定：其由1台电机来驱动，出现的反馈信息需要变频器来接收，在起

6、升部分的高速以及低速轴上装置制动器，制动器用的是常闭式的，断开电源的时候抱紧，通上电的时候打开。在起升电机上应安装风机，用于起升电机的散热。大型起重机调速系统主要性能指标： 调速区间： （1） 相对稳定性： （2） 平滑性系数： （3） 动态降落： （4） 超调量： （5）以下为起重机起升结构计算：电机功率计算 ： 静功率： 功率 （6）扭矩 （7）转动惯量加速功率： （8）扭矩 （9）功率 （10） 加速功率：力 （11） 功率 （12） 扭矩 （13） 总扭矩 （14） 总功率 （15） 电机选型： 对抓斗电机功率必须大于 选电机：型号yzp356n1-9 标称功率160(k w) 使用功

7、率 136(k w) 起重机变幅部分使用变频电机，功率1.5kw，电压是380v。相同电机驱动风机，超速开关以及脉冲编码器，此外包含凸轮限位开关、对变幅部分开展多重维护。机构使用带pg矢量的管控方式，plc可按时得到具体的参数，且利用指令给定输入给plc档位信号，plc输出信号管控变频器的频次，然后管控电动机工作情况。以下均同理起升机构的流程。起重机变幅部分的电机设定：装置增量型旋转编码器，和变频器相互配合来全面完成对此部分的闭环管控。以下为变幅机构计算：电机计算： 变幅时间： （16） 变幅齿条平均速度： （17） 均方根功率： （18） 电机选择： 选电机：型号yzp281s-7 标称功率

8、 45k w 使用功率 40k w 过载系数 200% 电机最大扭矩 890 n-m 起重机旋转机构电机设计保证制动平稳、准确停车，旋转机构的制动需要由司机控制。旋转机构采用双电机功率1.5kw，电压 380v，电机带动风机、制动鼓或制动盘仍在使用的制动力矩的形式来克服旋转扭矩，旋转机构可以顺利停止。两台电机由同一变频器控制，控制方式采用 v / f控制方式，保证两台电机的协调。 旋转制动采用踏板制动和自动制动有两种方式，手柄转动为零，逆变器会自动制动减速，制动时间为 6秒。通过手动控制制动踏板，以防止驾驶员在操作中误踩踏板装置或因变频器过流引起的紧急制动，在踏板上有电气联锁限制。当踏板制动踏

9、板时，互锁限制将立即动作，程序将迅速切断驱动电路，自动旋转调整制动时间为 3.5秒，机构迅速安全停止。 电气保护机构有过载保护、缺相保护、电压保护、短路保护、过流保护、零保护。当发生逆变器故障时，必须由控制台上的故障复位按钮重置。除了旋转机构安装在踏板联锁限位保护与联锁限位和手刹制动、限位保护旋转锚。在联动表中有一个明确的信号，以指示旋转锚开关打开时，锚固销插入锚孔，该程序将切断旋转机构的控制，禁止旋转操作。操作手柄的操作方法同理。行走机构可采用两台变频电机，功率1.5kw，电压是380v。该机构还包括一台电缆卷筒，锚定限位，防撞限位，声光报警器和辅助制动器等。行走机构在门腿上设置了门腿操作箱

10、，这个只用于行走机构的操作，右行左行按钮是用来执行行动方向的，行走速度设定为全速的20%，通过工况选择开关按钮的“地面行走”档位进行地面与驾驶室的行走切换。在门腿操作箱上的按钮一旦按下，将导致整个机器的电源切断，因为它是整机的急停按钮，所以此按钮仅使用在特殊情况，不得作为开关门机的方式、机械自锁式旋钮按下后需顺时针转动，复位。为预防大车行走的时候断开电缆，电缆在驱动环节设定电缆终点限位，在此开关关闭，自主切断电源运作部分，让大车暂停工作。如果需要往相反的方向移动，必须按着“限位旁路”按钮，而且操作手柄还可以控制行走。在门腿依照轨道方向两边有车的碰撞以及减速限位，可使用机器安全距离检验门机，减速

11、限位工作的时候，限速行走机构，在碰撞限位工作的时候，系统会自主切断供电机，让其暂停工作。此外，挂靠的锚定器和防爬器操作机构添加动作反馈限制和大车行走进行联锁，锚定、防爬器机制是不能动作的。两台行走电机制动器都设置联锁限位，在制动器出现问题的时候，机构会立即断掉电源，让其大车暂停运作。此外，行走机构也装置了短路维护、失压维护、过电流维护等众多稳定的电气维护。2.2 门座式起重机电气系统的设计 门座式起重机的供电部分电源设定成三相四线制，在设备通电之后，在供电回路中，为了对系统丧失电压开展全面维护，设定了主电路电源接触器。 起重机plc控制系统设计选择欧姆龙系列plc，根据门座式起重机各机构的具体

12、控制要求对欧姆龙系列plc 进行配置。 直流电机转速公式： （19） 起重机变频器容量计算有以下三种： 连续运转时变频器容量的计算 （20） （21） （22） 式中变频器的额定容量（k va）； k电流波形的修正系数（pwm方式取）； 负载所要求的电动机的轴输出功率；电动机的效率（通常约）；cosj电动机的功率因素（通常约）；um电动机电压（v）；im电动机电流（a），工频电源时的电流；icn变频器的额定电流（a）； 单台变频器驱动多台电动机运行容量计算 变频器计算如下： （23） （24） 即 （25） （26） 当负载电机加速时间超过1min时，有： （27） （28） 式中 pcn变频

13、器容量（k va）； pm负载所要求的电动机的轴输出功率； 电动机效率（通常约）； ks（电动机启动电流)/（电动机额定电流）； k电流波形的修正系数（pwm 方式取）； nt并联电动机的台数； ns同时启动的台数； cosj电动机功率因素（通常约）； pcn1连续容量（k va），pcn1=k pmn t/cos； im电动机额定电流（a）； icn变频器额定电流。 大惯性负载变频器容量的计算： （29） 式中k电流波形的修正系数（pwm方式取）； pcn变频器容量（k va）； gd2换算到电动机轴上的总 gd2（nm2）； tl负载转矩（nm）； 电动机效率（通常约）； 电动机功率因数（

14、通常约）； a电动机加速时间（s），根据负载要求确定； nm电动机额定转速（r/min）；根据上面叙述的方法，组成不同的调速系统。综合考虑其起升机构采用矢量方式控制，控制方式为v/f控制。 设备变频调速起升部分的变频器主要使用转矩恒定调速、功率恒定调速相融合的模式。起重机变幅机构变频器采用转矩恒定调速方式。控制系统框图，如下图1所示：图1 控制系统框图由上述系统框图可知，plc控制器接收主令控制器的信号，以此信号来判断运行速度，来实现电动机调速；控制系统原理图见附录一。3 门座式起重机的硬件系统设计plc 选型的原则是:容易且方便维护控制系统，运行可靠，性价比最高。(1) 品牌选择：选用欧姆龙

15、系列进行设计。(2)结构选择：可以划分成整体式以及模块式，本次研发的门座式起重机的管控系统规模比较大，因此最终挑选后者。后者plc出现两种创建模式，首先是端板联系，采取上述方式的包含欧姆龙cj体系的plc，此外就是底板联系，采取此方式的一般包含欧龙cs系列的plc。(3)plc模块选择：选用欧姆龙sysmabcs1(简称cs1)系列plc。此系列plc具备众多输入输出以及cpu模块，可组成自动化管控以及过程管控为一体的中大型管控系统。cpu模块:cs1系列的cs1g/h型cpu适合高性能的机器控制和过程控制，且响应时间满足此控制系统的要求。cpu的存储量是选择plc的cpu的关键，经计算所选模

16、块的存储量应大于14000字。通讯机构选择接口实现和上位机软件的通讯：选择rs232串口实现plc和触摸屏的通讯。经分析，选择cpu模块的具体型号为cs1g-h cpu45。该型号cpu完全可满足门座起重机的监视和控制需要，该模块的用户程序存储器是60k步，模块的i/o最大的支持点数为5122位（170字）模块的数据存储区为32k字，用梯形图、功能模块、顺序功能图语言编程等。输入模块:此部分的功能就是检验高电平输出信号，且上述信号来自控制场地的设施等，把得到的信号转移成低电平信号，让plc内部电路可得到转换之后的信号。确定选择的cpu模块为24v直流供电，32点的输入模块cs1w-id231。

17、输出模块:输出模块的作用是将低电平信号转换为适合控制外部电路输出的高电平信号。 输出型输出模块使用的时间长，开关频率高，所以选用这种模块作为输出模块，这种模块用接触器外接的方式进行控制。确定选用32点的输出模块cs1w-od232。其他模块:完整的plc选型，还需选择电源模块和底板。选用cpu的机架电源模块型号为c200hw-pa205，cpu底板型号为cs1w-bc072。变频调速的控制方式包括四种，包括频率给定方式、变频控制模式、启动制动方式、指令运转方式。本文设计的起重机中变频器使用的型号为西门子sinamics s120。门座式起重机各机构中均采用sinamics s120变频器进行调

18、速。西门子sinamics s120有很大的运动控制功能，是高性能驱动控制系统。本次设计表明起升机构的调速系统图，其余机构相比起升部分的调速体系更加单一，因此其余机构可依照此上述部分的系统图。起升机构变频调速系统图见附录二。起升机构变频器的参数设置图表见附录三。4门座式起重机的软件系统设计系统使用cx-pragrammer软件进行设计。程序一般是完成起升、变幅、旋转、行走等作用，控制系统流程的功能框图可参考下图2：图2 控制系统程序框图总程序的功能是初始化，故障检测等。控制总体程序流程图如下图3所示：图3 控制程序总体流程图起升机构由1台电动机驱动。运行时需要控制起升变频接触器km1，起升制动接触器km2和km3，还需控制起升电缆卷筒接触器km14，此外还有起升指示灯及报警器需要控制。工作的时候要检测开关量涵盖全部全部接触器、热继电器的反馈触点，和主令控制器的触点信号。起升部分使用闭环矢量管控，具备良好的低频转矩。此部分详细