【毕业论文】基于PLC的桥式起重机电气控制系统设计.docx

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1、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。设计中采用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，PLC代替接触器开关，使用桥式专用变频器代替转子串电阻调速，采用三档位的主令控制器作为操作面板，根据主令系统硬件系统分布进行了 I/O点的分配，编写PLC程序，并且通过S7-200 version 2.0的仿真软件进行仿真。关键词：桥式起重机，变频器，PLC,控制系统.AbstractThis text discussion the i

2、mproved design of bridge crane control system based on PLCand frequency converter. Introduced the application of Bridge crane, the application of PLCin reconstructive transform and choosing the device.Design by PLC as the control, dragmotor with frequency converter, to achieve the traditional relay

3、control the transformationof bridge crane, PLC instead of switch contacts, instead of using special inverter bridgeseries resistance rotor speed, three-stall the master controller as the operating panel,according to the master system hardware distribution for I / O points of distribution, writePLC p

4、rogram, and through the S7-200 version 2. 0 simulation software simulation.Key words： bridge crane,frequency converter, PLC, control system第一章前言1第二章设计要求及方案选择32.1系统设计要求32.2题目分析32. 3系统方案选择42. 4PLC控制系统设计的一般步骤5第三章系统硬件设计83.1 PLC实现的主令控制器83.2 限位器及安保电路103.2. 1 随器103. 2. 2安保开关103. 2. 3电磁抱闸103. 3可编程控制器103. 3.

5、1可编程控制器特点113. 3.2可编程控制器的选型123. 3.3输入、输出点的确定123. 3.4 I/O 端 口分配143. 3.5PLC系统接线方式153.4变频器163. 4. 1变频器在本系统中的特点173. 4. 2频器控制方式的选# 183. 4. 3频器容量的选# 183. 4. 4频器制动电阻193.4.5频器#数的设定193. 5电动机选择203. 6起重机安全装置223.6. 1随开关223.6. 2撞尺缓冲器223.6. 3栏杆223.6.4排障板23第四章系统软件设计244. 1系统主程序244. 2系统公共程序254. 3大车系统控制程序274. 4其他系统子程序

6、设计29第五章系统仿真及其调试31第六章设计结论33参考文献34致谢35附录36附录1桥式起重机PLC控制系统STL语言程序设计36附录2桥式起重机PLC控制原理图43附录3桥式起重机PLC控制系统I/O 口分配表43word文档可自由复制编辑第一章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，乂称天车。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

7、境相当恶劣，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+变频器”的控制方式在桥式起重机的改造中十分流行。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

8、，采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，频繁启动和停止时

9、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。第二章设计要求及方案选择2.1 系统设计要求现有一台15/3t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，小车的移动使用一台电动机，主钩和副钩各使用一台电动机。5台电动机均采用了转子串电阻调速方式，以增加启动转矩，减少启动电流。由于工作环境恶劣，空气中的水分对电机滑环、碳刷及接触器腐蚀较大，加上任务重，操作流程复杂，冲击电流大，触头消蚀严重，碳刷冒火，

10、电机及转子绕组所串电阻烧损、断裂故障时有发生，对生产影响较大。转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时，转速也变化，调速效果差，所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要求对其进行改造，减少电路中的冲击电流，改变调速方式，减少操作人员劳动强度，提高系统效率。2.2 题目分析原有的交流桥式起重机系统通常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，并且各电机均设电磁抱闸装置刹车。5个电动机都使用转子串电阻调速，其中主钩电动机串有7级电阻，其余电动机串有5级电阻。经分析，电

11、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

12、。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。2. 3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），其控制框图如下图图2-1交流桥式起重机控制系统框图使用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。为了避免主令控制器占用过多的I/O 口，使用精简后的3档主令控制器。限位器与保护输入均保留传统的开关器件，并将其输入到PLC中以便处

13、理。系统共有输入点25个，输出点28个，共53个I/O 口。采用西门子S7-200（224）型PLC作为控制核心，该PLC集成RS-485通信接口，具有较强的通信能力；拥 有7个扩展模块，可连接外部数字量扩展模块；拥有继电器输出、晶体管输出两种方式，具有较强的控制功能。本系统使用晶体管输出，寿命长，可适用于频繁开合的场合。由于S7-2000224）型PLC的本机数字量I/O为14入/10出，不能满足本 系统对I/O 的要求，因此外部扩展3个EM223 0 8入/8出）模块。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，

14、故大车、小车选用U/f开环控制方式的安川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、15吨主钩、3吨副钩提升电动机各一台，这次设计总的思路是用4台变频器来控制5台电机。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。因此起重机的运行机构选用

15、普通电机，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。电动机功率的选择，必须根据生产的需求来决定。一般来说，起重机用电动机比一般工业生产 机械所用的电动机的功率大10%左右。2. 4PLC控制系统设计的一般步骤在对一个控制系统进行程序设计之前，最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求，只有这样才可能提出准确、合理的系统总体设计方案，进而实现各个阶段的设计任务。PLC程序设计的主要步骤是：(1) 对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可省去这一步。(2) 设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气控制系统设计的实践经验。(3)根据梯形图编制语句表程序清单。如果不使用编程器键入程序而是直接从计算机中下载，该步也可省略。(4)用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序