PLC在桥式起重机控制系统中的应用Word格式.docx
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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。
可控硅串级调速虽克服了上述缺点，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。
1.1桥式起重机的简介
起重机是现代工业企业、交通运输，基本建设部门不可缺少的起重设备，主要用以提升（或下降）和搬移长大笨重货物，还用于工厂车间装配大型机器和生产工艺的必要装备。
因此，起重机是减轻工人的繁重体力劳动，提高劳动生产率必不可少的起重设备。
桥式起重机由一根或两根主梁和两根端梁构成一个桥架。
在桥架上装有起重小车，小车沿桥架运行。
桥架运行在厂房内架设的轨道上，也可以运行在露天的栈桥上。
桥式起重机也称为“天车”或“行车”或“桥吊”。
有些铁路货场都露天安装桥式起重机，用以装卸长大笨重货物，它就是横架于两排钢筋混凝土栈桥上。
起重机沿栈桥上的轨道作纵向运移。
起重机的起重小车在桥架上的小车轨道上作横向移动，这样，吊钩或抓斗就可在一个长方体（起升高度、跨度、走行线长）的空间内任意位置上作升降、搬运物件的运动。
安装于露天的桥式起重机如图l所示。
桥式起重机的形式繁多，根据它的结构和用途的不同主要有以下几种形式：
根据桥架结构的不同，可分为双梁箱形结构、四桁架结构、三角形桁架结构和单主梁箱形结构等几种形式的桥式起重机。
其它形式基本上在它们基础上演变而来的。
而且根据用途的不同，还可分为管通吊钩，抓斗桥式起重机和其它专用桥式起重机。
以普通吊钩桥式起重机应用最为广泛。
早期的桥式起重机采用在电动机转子中串联电阻，利用电阻的切换来实现各档位的切换，低速挡只起到过渡的作用，不允许在低速挡长时间运行，否则控制回路中电流过大会引起电阻过热而烧毁，当利用起重机来进行设备检修、装配等工作需要低速运行时只能点动，速度控制精确度不高，且对电机和机械零部件冲击大，可靠性差。
随着电力电子技术的发展，变频调速作为一种调速方法自本世纪初提出以来发展十分迅速，它在节能，维护量小，自动控制性能好等方面有明显的优点，变频技术正普遍应用于电力拖动领域，特别是对一些耗能较大的设备实行变频调速，取得了明显的节能效果，而起重机械设备的拖动调速系统在低于额定转速时，仍然主要是通过转子的外接电阻消耗能量来实现。
近年来，各大有色企业都在进行技术改造，工程项目很多，在每一个工程项目中，都少不了桥式起重机。
比如江西铜业集团公司贵溪冶炼厂备料车间，梅山热轧技改和2号连铸机工程，中铝广西分公司，中国铝业青海分公司第三电解厂等都采用了变频调速技术，并采用了PLC进行控制。
在9O％的起重机上成功地运用了变频调速技术。
使起重机在全速范围内实现了高精度控制，不论轻载或重载均有稳定的运行速度，起、制动平稳，减小了机械传动机构的冲击，调速范围宽，可达1：
10以上；
变频调速转矩响应快，零速能够输出额定转矩，为防止松闸、抱闸时的溜钩现象提供了可靠的保证；
主令控制信号与变频器给出的低速抱闸信号相结合控制制动器动作，达到低速抱闸及准确定位功能，并可减轻制动器的磨损。
现在一般起重机使用的变频器有日本安川VS616G7系列,三菱的FR-A240E,FR-A241E系列,德国西门子的SIMOVERT-6ES70系列,ABB公司的ACS600系列,英国CT公司的Unidrive系列等变频器。
起重机采用先进的可编程控制技术（PLC）和变频器技术，以程序控制取代继电器----接触器控制，交流电动机调速方式采用变频调速。
1.2工艺要求
1.2.1桥式起重机的主要技术参数
（1）起重机15/3t
（2）工作速度起升速度8～20m/min
小车速度30～50m/min
大车速度80～120m/min
1.2.2提升机构与移动机构对电气控制的要求
为了提高起重机的生产率和生产安全，对起重机提升机构电力拖动自动控制提出如下要求：
（1）、具有合适的升降速度，空钩能快速升降，轻载提升速度应大于额定负载的提升速度。
（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，调速范围可达（5～10）：
1。
（3）、适当的低速区，提升重物开始或下降重物到预定位置附近，都需要低速。
为此，在30%额定速度内应分成几档，以便灵活操作。
高速向低速过渡应逐级减速，保持稳定运行。
（4）、提升的第一档为预备档，用以消除传动间隙，将钢丝张紧，避免过大的机械冲击。
但预备级的起动转矩不能大，一般限制在额定转矩的一半以下。
（5）、负载放下时，依据负载大小，拖动电动机可以是电机状态、倒拉反接制动状态与再生发电制动状态。
（6）、为了安全，不但具有机械抱闸的机械制动，以减轻机械抱闸的负担。
不允许只有电气制动而无机械制动，不然发生电源事故停电时，在无制动力矩作用下，重物将自由下落，造成设备或人身事故。
大车运行机构与小车运行机构对电力拖动自动控制的要求比较简单，只要有一定的调速范围，分几档进行控制即可。
为实现准确停车，应采取制动停车。
1.2.3起重机数字化控制系统的简述
该系统通过主令控制器给定PLC的速度信号来对整个系统的调速，桥式起重机大车、小车、主钩、副钩电动机都需独立运行,大车为两台电动机同时拖动,所以整个系统有5台电动机,4台变频器,并由1台PLC分别加以控制。
可编程序控制器:
完成系统逻辑控制部分控制电动机的正、反转调速等控制信号进入PLC,PLC经处理后,向变频器发出起停、调速等信号,使电动机工作,是系统的核心。
变频器:
为电动机提供可变频率的电源,实现电动机的调速。
制动电阻:
起重机放下重物时,由于重力加速度的原因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,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范围内。
制动电阻就是用来消耗这部分能量的。
2、系统设备的选用
1
2.1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，响应速度较快，可工作在比额定转速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％的过载力矩值。
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他冷式电机。
提升机钩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，国外以4极电机作变频电机首选极数。
电机功率为
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—提开速度，m/s；
——机械效率。
用变频器驱动异步电动机时，由于变频器的换向冲击电压及开关元件瞬间的开闭而产生冲击电压（浪涌电压）引起电机绝缘恶化，对电压型PWM变频器应尽量缩短变频器与电机间接线距离或者考虑加入阻尼回路（滤波器）。
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；
这是由于起电机的工作特点所决定功率不能选择的太大，否则电动机不能充分发挥作用．这不仅造成资金与材料的浪费，而且轻载时电动机的效率及功率因数也较低．增加了电力的非生产性消耗，提高了运转费用。
反之，如果电动机的功率选择过小，长期的过载运行将使电动机发热而烧毁，甚至于造成严重的事故。
电动机的选择取决于下面两个主要条件：
1、发热电动机正工作时，一方面将电能转变为机械能而作功，另一方面由于电动机绕组本身的阻抗要消耗一部分电能面转变成热能，使电动机的温度升高。
电动机由于受体积结构等的限制，内部绝缘材料的耐热能力很差，极易造成老化。
当温度超过电动机所允许的限度时，绝缘能力被破坏，电动机将烧毁，所以发热是选择电动机功率的一个极为重要的因素。
电动机铭牌上都规定有电动机的温升，它指的是电动机在额定负载下运行时，定子发热后的允许温升与周围环境温度之差。
2、过载能力各种电动机都有一定的过载能力。
交流电动的过载能力TM是最大转矩M与额定转矩MC的比值即一般起重机用的交流异步电动机的过载能力为2.5~3.3。
交流电动机的过载能力
式中Imax—电动机允许的最大电流值
Ic—电动机的额定电流值
各种电动机的过载能力可从设计手册中查得。
电动机因过载而发生温升需要有一段时间，从发热方面来说，容许有短时的过载。
但就过载能力而言，即使在很短时间内也是允许的。
所以发热和过载能力必须同时考虑。
桥式起重机的电气传动系统有大车电动机两台、小车动机一台、15吨大钩、3吨小钩提升电动机各一台，这次设计总的思路是用四台变额器来控制五台电机。
根据分析计算后电机的基本选型为表1所示：
各部分
型号
标称
功率
KW
额定
电流
A
转矩
N.m
转速
r/min
最大转矩/
额定转矩倍
Times
转动
惯量
Kg.m
重量
kg
小车
YZ160MR-6Z
11
22
70
1465
3.5
0.085
125
大车
YZ160M2-6
43.7
140.0
0.148
210
主钩（32t）
YZ80-S-10Z
110
200
700.2
3.3
1.768
680
副钩（5t）
YZ180L-6Z
30
58
190.9
3.2
0.248
280
表1电机的选择
2.2变频器的选型
本次设计采用的是艾伦-布拉德利有限公司的AB1336PLUSII型变频器。
该型号变频器的特点是：
控制方法新颖、应用灵活和功能卓越；
1336
PLUS
II变频器提供非常简单的参数设定和操作，罕见的灵活性和突出的控制功能，无论是简单的速度控制，还是强大的矢量控制变频器的转矩性能，均能满足设计的应用需求。
II变频器采用最新IGBT（绝缘栅双极型三极管）功率模块和高级的控制算法，以提供任何速度下的平稳的性能，超常的转矩，使电动机低噪声、高效率地运行。
2.3PLC的组成
常见的PLC有整体式和模块式两类。
不论哪种结构，其内部组成是相似的，硬件结构框图如下：
PLC硬件结构框图
1）中央处理器
CPU是PLC的“大脑”，它控制所有其它部件的操作，一般由控制电路、运算器、寄存器等组成，通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、I/O接口电路连接。
2）存储器
存储器是具有记忆功能的半导体电路。
PLC的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器。
系统程序是控制和完成PLC各种功能的程序。
拥护程序是由使用者通过编程器输入到PLC的读写存储器中，允许修改，由用户启动运行。
3）输入/输出接口电路
输入/输出接口电路用来连接PLC主机与外部设备。
为了提高抗干扰能力，一般的输入/输出接口均有光电隔离装置，应用最广泛的是由发光二极管和光电三极管组成的光电隔离器。
4）电源部件
电源部件用来将外部供电电源转换成供PLC的CPU、存储器、I/O接口等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作。
2.3.1PLC的工作原理
最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：
继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。
PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。
这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
PLC的工作方式和通用微机不完全一样，因此用PLC设计自动控制系统与微机的控制系统的开发过程也不完全一样。
需要根据PLC的特点，以程序形式来体现其控制功能。
2.3.2PLC的硬件和软件
PLC在90年代已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。
按I/O点数分，可分为：
微型PLC:
32I/O；
小型PLC:
256I/O；
中型PLC:
1024I/O；
大型PLC:
4096I/O；
巨型PLC:
8195I/O。
近年来有单机支持300回路和65000点I/O的大型系统对应中型PLC以上，均采用16位～32位CPU，微、小型PLC原采用8位CPU，现在根据通讯等方面要求，有的也改用16位～32位CPU。
由于I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点～256点的占31%，合计位整个PLC销售额的78%，所以对微、小型PLC研究力度更大。
1）PLC的硬件
PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。
以德国西门子S7-300为例，为总线模板框式结构，基本框架（CPU母板）上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板;
如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板;
另一种方法是配备远程I/O从站等。
这些都说明了PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商（代理商）、系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利，这是一大成功经验。
PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还发展了一系列特殊功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的ASCII/BASIC模板，用于反馈控制的PID模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大发展。
另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。
PLC中的CPU与存储器配合，完成控制功能。
它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为0.1～0.2s，更快的则选用50ms或更小的扫描周期。
它是一个数字采样控制系统。
2）PLC的软件
为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块（或子程序），称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用。
指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。
细分一般PLC的指令系统有:
基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。
另外PLC还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便。
2.3.3PLC型号的选用.
（1）、在选择PLC时的注意要点
1）、根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程
2）、对I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计；
3）、适当进行内存容量的估计的基础上，确定适当的留有余量而不浪费资的机型（小、中、大形机器）。
4）、结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。
在PLC实际应用中，是以其为控制核心组成电气控制系，实现对生产，工业过程的控制。
（2）、选型时的注意事项
1）、在PLC选型时主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的通用性，是否易于扩展，有无特殊功能要求等。
2）、PLC输入/输出点确定：
I/O点数选择时要留出适当余量10%～15%；
3）、PLC储存容量：
系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量选择大一些。
4）、储存时间维持时间：
一般储存月保持1～3年（与使用次数有关）。
若要长期或断电保持应选用EEPROM储存（不需备用电源），也可选外用储存卡盒。
5）、PLC的扩展：
可通过增加扩展模块，扩展单元与主单元连接的方式。
扩展模块有输入单元，输出单元，输入/输出一体单元。
扩展部分超出主单元驱动能力时应选用带电源的扩展模块或另外加电源模块给以支持。
6）、PLC的联网：
PLC的联网方式分为PLC与计算机联网和PLC之间互联网两种。
与计算机联网可通过RS232C接口直接连接，RS422+RS232C。
422转换适配器连接，调制解调通讯连接方式；
一台计算机与多台PLC联网，可通过采用通讯处理器，网络适配器等方式进行连接，连接介质为双绞线或光缆；
PLC之间互联时可通过专用通讯电缆直接连接，通讯板卡或模块+数据线连接等方式。
7）、不要将交流电源线接到输入端子上，以免烧坏PLC；
8）、充分合理利用软，硬件资源
9）、不参与控制循环前已经投入的指令可不接入PLC；
10）、多重指令空话子一个任务时，可在PLC外部将它们并联后再接入一个输入点；
11）、尽量利用PLC内部功能软件，充分调用中间状态，使程序具有完整连贯性，易于开发。
同时也能减少硬件投入，降低了成本。
12）、条件允许的情况下最好独立每一路输出，便于控制和检查，也保护其他输出回路；
当一个输出点出现故障时只会导致相应输出回路失控。
13）、输出若为正/反向控制的负载，不仅要从PLC内部程序上联锁，并要在PLC外部采取措施，防止负载在两方向动作。
14）、PLC紧急停止应使用外部开关切断，以确保安全。
（3）、PLC型号的确定
本设计应用了德国西门子公司SIMATICS7-300系列的PLC进行控制。
它属于中型叫可编程控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。
由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。
设计中应用的I/O端子数分别是：
输入点数为56个，输出点数为39个；
根据要求选用的模块如下表2所示
表2PLC模块的型号
模块名称
CPU-313
6ES7-321-
1FF01-0AAO
6ES7-322-
8BF00-0AB0
PS307
数量
1
6
8
升级会员 