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1、基于PLC控制的桥式起重机的设计内容摘要：本文研讨基于可编程序控制器（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在实际中的应用以及PLC在改造方案中的确定，亦涉及在改造过程中设备的选型。本文以西门子S7-200系列PLC为例，讲述了PLC在交流桥式起重机改造中的的控制方案。与传统控制方案相比，采用PLC控制的桥式起重机可以简化繁重的设备，使控制更加安全可靠。从经济效益与环境效益的角度分析，本设计虽然前期投入一部分资金用于购买PLC及变频器等设备，但是长期运行后的维修成本远低于原系统，并且节能可达30%左右。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，并且减轻
2、了人员的劳动强度，提高了工作效率。 关键词：桥式起重机 PLC 控制系统 目 录摘 要I前 言1本课题设计的意义、主要内容及基本参数1第一章 变频调速的基本原理41.1 变频调速的基本原理41.2变频器的基本结构和功能61.2.1变频器的主电路61.2.2变频器的控制电路构成7第二章 桥式起重机变频控制系统的硬件设计152.1总体设计方法152.2 PLC技术简介162.2.1 PLC概述162.2.2 Siemens S7-200结构及工作原理172.3部件的选择182.3.1电机的选用182.3.2变频器的选用202.3.3 PLC的选用232.3.4常用辅件的选择242.4起重机变频调速
3、系统设计262.4.1系统控制的要求262.4.2控制系统的1/O点及地址分配26第三章 桥式起重机变频调速系统软件设计303.2 PLC程序设计323.2.1 PLC编程软件概述323.2.2程序设计33第四章 结束语41致 谢42参考文献43前言桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称天车。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。 传统桥式起重机采用继电器控制与串电阻调速，使用凸轮控制器控制各台电动机。而桥式起重器一般在码头、厂房内，工作环境相当恶
4、劣，并且重载下频繁起动、制动、反转、变速等，要求有一定的调速范围。所以传统的继电器控制与串电阻调速已呈现诸多弊端，有必要采用新的控制方法对其进行改造。 随着工业自动化的发展，PLC、变频器在工厂设备改造中得到了广泛应用。PLC具有可靠性高，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、安装、调试、维修方便，维修工作量少等一系列的优点。而变频器可以提供频率可调的交流电源，并且可以实现多段速度控制。因此，PLC的控制方式在桥式起重机的改造中十分流行。 本文着重论述如何采用PLC作为控制核心，采用变频器拖动电动机，实现传统的继电器控制桥式起重机的改造。为降低工作人员劳动强度，采
5、用三档位的主令控制器作为操作面板。PLC作为整个控制系统的核心，它接受主令控制器发出的向前、向后、零位、调速等控制信号，限位器输入的限位信号，以及安保电路输入的保护信号，经PLC内部运算后分别发送给四台变频器。变频器接受来自PLC的控制信号，控制电动机按照操作人员的操作运行。主令控制器的开关与常用的启动、停止等按钮集中于控制舱内的操作面板上，供操作人员操作使用。 经改造的桥式起重机有以下优点： 桥式起重机的启动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速，定位更加准确，减少了负载波动，安全性大幅提高。 系统运行的开关器件实现了无触点化，具有半永久性的寿命。 由于电动机启动电流限制得较小，频繁启动和停止
6、时电动机热耗减少，寿命延长。 电磁制动器在低速时动作,其闸皮的磨损很小，使用寿命延长。 降低了对电网的冲击。 节约能源，变频调速的启动、制动、加速、减速等过程中，电机运行电流小。以本案来讲，节能可达30%左右。系统设计要求有1台交流桥式起重机系统采用接触器控制电源电路的启动、停止、限位；使用凸轮控制器控制大车、小车、副钩电动机的前进、后退、零位、加速、减速而主钩的前进、后退、零位、加速、减速等动作使用主令控制器完成 改造一台交流桥式起重机，采用起重用绕线式交流异步电动机拖动，其中横梁的移动使用2台相同的电动机，小车的移动使用1台电动机，主钩和副钩各使用1台电动机。用PLC作为控制核心，采用变频
7、器拖动电动机，实现传统的继电器控制桥式起重机的改造。为降低工作人员劳动强度，采用三档位的主令控制器作为操作面板。题目分析 题目中原有的交流桥式起重机系统采用接触器控制电源电路的启动、停止、限位；使用凸轮控制器控制大车、小车、副钩电动机的前进、后退、零位、加速、减速；经分析，电路中凸轮控制器的触点上流过的即是电动机的工作电流，操作开关开合时容易出现冲击电流，减少了接触器触点寿命。为了延长使用寿命，触点往往做得十分笨重，不仅增加了设备体积，也给操作带来了不变；转子串电阻的调速方式使机械特性变软，所串电阻长期发热，极大地浪费了电能；每一台电动机配备一台凸轮控制器或主令控制器的方式使得操作面板上的控制
8、开关种类繁多，容易出现误操作。 为了克服以上缺点，在改造中采用PLC代替接触器开关，使设备体积减小，操作强度也随之下降；使用桥式专用变频器代替转子串电阻调速，增加了机械特性硬度，也不存在发热问题，提高了系统效率；5台电动机共用一台主令控制器控制，减少了按钮数量，从而提高了系统可靠性。原有系统中的电磁抱闸装置，过电流保护装置，动作限位开关，横梁栏杆安全开关，舱门安全开关等安保装置均予以保留，以提高整个系统的可靠性。 系统方案选择 从以上的题目分析来看，改造后的交流桥式起重机控制系统包含如下几个部分：主令控制器、限位器、保护输入、PLC、4台变频器、5台电动机（大车电动机两台），其控制框图如下图本
9、设计使用PLC实现主令控制器的开合表的逻辑功能，以代替原有系统中为每台电动机设置一台主令控制器或凸轮控制器的设计。采用西门子S7-200型PLC作为控制核心，具有较强的控制功能,寿命长，可适用于频繁开合的场合。由于起重机机构多为恒转矩负载，故选用带低速转矩提升功能的电压型变频器。平移机构惯量较大，负载变化相对小，属于阻力性负载，故大车、小车选用U/f 开环控制方式的安CIMR-F7B4045 型变频器；起升机构惯量较小，负载变化大，属于位能性负载，为获得快速的动态响应，实现对转矩的快速调节，获得理想的动态性能，通常采用矢量控制方式，故主副钩的升降机构选用安川CIMR-G7B4055型变频器，采
10、用闭环矢量控制方式可获得稳定的工作状态和良好的机械特性。 桥式起重机的电气传动系统有大车电动机两台、小车电动机一台、2系统硬件设计 由于本设计采用一台S7-200型PLC控制四台变频器操作5台电动机的运行，因此，四台变频器所需的输入口线均接在这台PLC上，再由四台变频器分别控制相应的电动机。下图（图2）画出了桥式起重机的PLC控制原理图。为简便起见，图中并未画出全部的I/O口线。PLC实现的主令控制器 继电接触器为基础的桥式起重机电路，往往以凸轮控制器实现大车、小车、副钩的操作，以主令控制器加继电器屏实现主钩的操作。但凸轮控制器操作中同时切换的触点毕竟太多，且切换的又多是电动机主电路的触点，为
11、了切换大容量电流，触点都制造得厚重，这就为操作带来了阻力和很大的劳动强度。另一方面，凸轮控制器中有形的触点在频繁的切除中很容易出故障，给维修带来了不便。本设计中设法使用PLC实现起重机中各电动机主辅电路的逻辑连接关系，将有形的触点化为PLC内部无形的逻辑关系。表1给出了一个经精简后的主令控制器的开合表，并为各挡位接通的触点安排了PLC的输入口。为满足大电流切换的需要PLC的输出必须连接接触器及继电器可编程控制器特点2.3.1.1 高可靠性、抗干扰能力强 所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。 各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为102
12、0ms. 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 采用性能优良的开关电源。 对采用的器件进行严格的筛选。 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。 大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高变频器变频器为电动机提供频率可调节的交流电源，是实现电动机速度调节的关键设备。本系统变频器采用日本安川CIMR-G7B、CIMR-F7B系列起重专用变频器。变频器容量的选择变频器容量的选择是以电动机的额定功率为依据的。由于绕线转子异步电动机与通用鼠笼异步电动机相比，其绕组的阻抗较小，因此使用变频器调速时应考虑
13、纹波电流引起的过电流跳闸情况，同样功率下的电动机，绕线转子异步电动机额定电流往往较大，所以选择时应考虑一定余量。虽然起重机升降机构的转动惯量很小，加速时间较短，但考虑到电网电压波动的因素，以及安全劳动部门对起重机1.25倍额定静载荷检测要求等因素来选择起升机构电动机的变频器容量。大车、小车运行机构属于大惯量负载，其加减时间一般不超过20 s，变频器的短时过载能力为150，不同的加速时间对变频器容量的计算不同，当加速时间2 min时，变频器功率选择应放大些，以此来选择大车、小车运行机构电动机的变频器容量。变频器制动电阻起重机变频器，特别是主钩及副钩变频器，需配用制动电阻。起重机放下重物时，由于重
14、力作用电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中去，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许的范围内。制动电阻就是用于消耗这部分能量的5.变频器参数设定： 主钩变频器多段速度设定：将Pr4设定为50Hz，Pr5设定为20Hz，Pr6设定为5Hz（Pr4.Pr5.Pr6为变频器高.中.低速设定），Pr79设定为3（外部控制模式）电机的选择起重机提升和运行机构的调速比一般不大于1:20，且为断续工作制，通常接电持续在60%以上，负载多为大惯量系统。严格意义上的变频电机，转动惯量较小，回应速度较快，可工作在比额定转速
15、高出很多的工况条件下，这些特性均非起重机的特定要求。普通电机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致；在连续工作时考虑到冷却效果限制了普通电机转矩应用值，普通电机仅在连续工作时的变频驱动特性比变频电机稍差。普通变频器在调度比为1:20的范围内确保起重机上普通电机有150的超载力矩值。此外起重机电机多用于大惯量短时工作制，通常不工作时间大于或略小于工作时间。电机在起动过程中可承受2.5倍额定电流值，因此高频引起的1.1倍电流值可不予考虑。但若电机要求在整个工作周期内在大于1:4的速比下持续运行则必须采用风冷式电机。作为提升机构的电机选用适合频繁起动、转动惯量小、起动转矩大的变频用电机。目前，国外
16、以四极电机作变频电机首选极数。电机功率为：P=(WV/)*10-3=h式中P功率，kw；W额定起重量(最小幅度时)吊钓重量钢丝绳重量n； V提升速度，m/s；机械效率。控制手柄与PLC接线图 PLC与变频器接线图服 2.2 限位器及安保电路 桥式起重机作为工矿、机械中重要的起吊设备，对安全性与可靠性的要求较高。起重机设有紧急开关，可以在出现事故时紧急停止，横梁（大车，下同）设有栏杆安全开关，操作舱设有舱口安全开关，横梁、小车、主副钩均设有安全限位开关和电磁抱闸系统，电路设有过电流继电器。这些保护可以保证起重机的安全运行，现分别叙述这些保护模块的功能。另外变频器中包含短路、过压、缺相、失压、过流
17、、超速、接地等各种保护功能和故障自诊断及显示报警功能，可在电动机出现这些故障时起保护作用，在此不再赘述。2.2.1 限位器 桥式起重机限位器包含横梁前后向限位开关、小车左右向限位开关、主钩限位开关及副钩限位开关。本系统的限位开关使用直动式行程开关，它的动作原理是靠移动物体碰撞其可动部件使常开触头接通、常闭触头分断，实现对电路的控制。移动物体一旦离开，行程开关复位，其触点恢复为原始状态。 各开关按照电动机容量并留有一定余量选定，推荐选用LX31或 JLXK1系列开关。 2.2.2 安保开关 安保开关包括横梁栏杆安全开关、操作舱安全开关、紧急开关、各电动机过电流保护开关等。将这些开关接在PLC输入
18、口上，构成起重机的安全保护电路。 2.2.3 电磁抱闸 起重机是一种间歇动作的机械，要经常地启动或制动。为保证起重机安全准确的吊物，无论起升机构中或者运行机构、旋转机构中都应该设有制动装置。本设计采用机械抱闸装置YA，将该装置并联在三相交流电源A、C两相上。当按下启动按钮后，YA得电打开，按下停止按钮时，YA抱紧，起制动作用，YA与电动机同步。 起重小车的安全装置主要有栏杆、限位开关、撞尺缓冲器、排障板等栏杆 桥式起重机起重小车运行的轨道中间为钢丝绳和吊钩工作的空间，考虑到维修人员在小车上工作的安全，小车架朝着这个空间的两边都焊有保护栏，小车架的另两边朝着走台，为方便维修人员的上下小车不设栏杆
19、。2.6.2 限位开关 当起升机构或运行机构运动到极端位置时，用限位开关来切断电源开关，防止因操作失误发生事故。 2.6.3 缓冲器 为防止运行机构的行程限位开关失灵，小车架上安装了弹簧缓冲器。在桥架小车轨道的极端位置处装上挡铁，用它来阻挡小车的运动并使缓冲器吸收碰撞时的能量。国家规定，容许的最大减速度为4m/s。当小车速度不高时，也可用橡胶块和木块来缓冲。 2.6.4 排障板 焊在小车架上位于车轮外边的钢板，它的作用是在运行时排除小车轨道上可能存在的障碍物，如维修时遗忘而搁在轨道上的工具等。 2.3 可编程控制器 PLC是本系统的控制核心，负责接收主令控制器、限位器、开关等输入器件和变频器等
20、输出器件的开通与关断。 起重机操作面板图副钩向上低副钩向上中副钩向上高大车向前高档小车向前高小车向前中小车向前低启动按钮急停钮主钩向上中档主钩向下低主钩向上高档大车向前中档主钩向上低档大车向前低档停停大车向后低档大车向小高档副钩向下高副钩向下中副钩向下低小车向后高小车向后中小车向后低大车向小中档主钩向下高档主钩向下中档 大车工作过程 启动 主回路得电 大车向前高档大车向前中档大车向前中档大车向前低档大车向前低档大车向前高档档 大车电动机反转大车变频器X3大车电动机反转大车变频器X2大车电动机反转大车变频器X1大车电动机正转大车变频器X1大车电动机正转大车变频器X2大车电动机正转大车变频器X3
21、小车工作过程 启动 主回路得电 小车向前高档小车向前中档小车向前中档小车向前低档小车向前低档小车向前高档档 小车电动机反转小车变频器X3小车电动机反转小车变频器X2小车电动机反转小车变频器X1小车电动机正转小车变频器X1小车电动机正转小车变频器X2小车电动机正转小车变频器X3 主钩工作过程 启动 主回路得电 主钩向后高档主钩向后中档主钩向上中档主钩向上低档主钩向后低档主钩向上高档档 主钩电动机反转主钩变频器X3主钩电动机反转主钩变频器X2主钩电动机反转主钩变频器X1变频器X1主钩电动机正转主钩变频器X1变频器X1主钩电动机正转主钩变频器X2变频器X2主钩电动机正转主钩变频器X3 副钩工作过程 启动 主回路得电 副钩向下高档副钩向下中档副钩向上中档副钩向上低档副钩向下低档副钩向上高档档 副钩电动机反转副钩变频器X3副钩电动机反转副钩变频器X2副钩电动机反转副钩变频器X1副钩电动机正转副钩变频器X1副钩电动机正转副钩变频器X2副钩电动机正转副钩变频器X314