吨桥式起重机plc及变频器设计.docx
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吨桥式起重机plc及变频器设计
昆明工业职业技术学院
毕业设计任务书
20届工科类
设计题目：
桥式起重机电气控制系统
学生姓名：
指导教师：
杨云英
层次：
本科技术职称：
副教授
准考证号：
学生专业：
机械制造与自动化
助学中心名称：
昆明工业职业技术学院
设计时间：
2013年5月15日～2013年8月30日
第一部分概述
1.1桥式起重机简介
桥式起重机是桥架式起重机的一种用途很广的起重机械，桥式起重机安装在厂房高处两侧的吊车梁上，它依靠升降机构和水平运动机构在两个相互垂直的方向运动，能在矩形场地及上空完成操作，是各种生产企业广泛使用的一种起重运输设备。
它具有承载能力大、可靠性高、结构相对简单等特点，随着经济建设的发展，用户对起重机的性能要求越来越高，而早期的起重机已无法满足要求，因此需要对起重机的控制方式进行改进，满足工业生产的需要。
传统起重机的控制系统一般采用六种调速方式：
直接启动电动机、改变电动机极对数调速、转自串电阻调速、涡流制动器调速、可控硅串级调速、直流调速。
前四种为有极调速，调速范围小，且只能在额定转速下调速。
采用转子回路串电阻等方式进行调速，启动电流大，对电网冲击很大，导致机械冲击频繁，振动剧烈，容易造成机械疲劳，导致意外事故发生。
因此需要采用无级调速可以较好地解决以上问题，如可控硅串级调速，可实现无级调速，并减少启动、制动冲击，但其控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现实际应用。
采用直流电动机也是一种较好的调速手段，但由于直流电动机制造工艺复杂、维护要求高、故障率高等缺点，故使用较少。
早期的起重机采用接触器、继电器系统控制，由于频繁的动作和高压作用，经常会出现触点烧损的现象，电阻箱受工作环境的影响容易出现腐蚀、老化，造成频繁的事故。
随着电力、电子技术、计算机技术的迅速发展，变压变频调速技术（VVVF）和可编程逻辑控制器（PLC）已广泛应用于电气传动领域。
目前有以下3种调速系统。
直流驱动调速系统：
该系统通过将给定模拟量转换成数字量，通过速度环、电流环到SCR移相触发的逻辑无环流调速，可用测速反馈或电压反馈。
交流调速系统：
这是国内普遍采用的一种调速方式，是利用绕线式转子串电阻调速，随着晶闸管定子调压、调速技术的发展，技术逐渐成熟，进入实际应用阶段。
变频调速“大功率的IGBT模块是变频技术在升降设备中的控制成为可能，变频调速法现在有恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等。
我们这次设计采用变频调速。
1.2桥式起重机控制系统的功能要求
桥式起重机的功能主要是完成大型物品的运输功能。
其主要涉及两方面的功能：
检测输入信号、控制输出。
1.2.1检测输入信号
桥式起重机控制系统主要完成对操作按钮输入的检测、限位开关的检测、变频器反馈值的检测等。
（1）操作按钮输入的检测。
完成对人工操作台的输入按钮检测，主要的输入按钮有急停旋钮和启动按钮、大车运行和停止和加速及减速按钮、小车运行和停止和加速及减速按钮、升降机运行与停止和加速及减速按钮等。
（2）限位开关的检测。
限位开关一共包括三组：
大车前进、后退限位开关；小车左移、右移限位开关；升降机上升、下降限位开关。
①大车前进、后退限位开关主要检测大车的位置，防止大车运行超出允许范围。
②小车左移、右移限位开关主要检测小车的位置，防止小车运行超出允许范围。
③升降机上升、下降限位开关主要检测升降机的位置，防止升降机运行超出允许范围。
（3）变频器反馈值的检测。
检测变频器的反馈值主要是为了防止溜钩的发生，在电磁制动器抱住之前和松开之后，容易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。
之所以会出现溜钩是因为：
电磁制动器在通电到断电或者断电到通电是需要时间的，大约0.6s（根据不同型号和大小改变），如果变频器较早停止输出，将很容易出现溜钩现象。
溜钩现象的出现主要分两种情况，其控制方法也分为以下两种。
①重物悬空停止过程。
设定一个停止频率，当变频器的工作频率下降至该频率时，变频器输出一个频率到达信号，发出启动电磁制动器运行的指令，然后延迟一段时间，该时间应略大于电磁制动器完全抱住重物所需时间，使得电磁制动器抱住重物，最后将变频器工作频率降低到0。
②重物悬空启动过程。
设定一个上升启动频率，当变频器工作频率上升至该频率，时，暂停上升，变频器输出一个频率到达的信号，发出停止电磁制动器运行的指令，然后延迟一段时间，该时间应略大于电磁制动器完全松开重物所需时间，使得电磁制动器松开重物，变频器工作频率逐渐升高至所需频率。
1.2.2控制输出
控制输出主要有大车电动机的控制、小车电动机的控制、升降机电动机的控制和电磁制动器的控制等。
（1）大车电动机的控制。
控制该电动机的运行方向、停止，以及加减速，实现重物前后运输的需要。
（2）小车电动机的控制。
控制该电动机的运行方向、停止，以及加减速，实现重物左右运输的需要。
（3）升降机的控制。
控制该电动机的运行方向、停止，以及加减速，实现重物运输的需要。
（4）电磁制动器的控制。
控制电磁制动器的运行和停止，用于辅助控制重物的停止。
第二部分系统总体设计
2.1桥式起重机的结构
桥式起重机是工业生产过程中一个重要的运输环节，一台效率高、可靠性高的桥式起重机将会使工厂生产效率大大提高。
2.1.1组成
图1桥式起重机基本组成
桥式起重机一般由桥架金属结构、桥架运行机构和电气控制结构等三部分组成，运行机构一般包括大车运行机构、小车运行机构和升降机运行机构，电气控制系统包括一些电缆、电气柜等设备，还有一些保护装置。
机械组成部分简单示意图如图所示。
（1）大车运行机构。
大车运行机构的大车采用两台电动机，使用一台变频器进行控制，由于大车运行机构的工作频率较小，因此采用一台变频器控制两个电动机，以节约成本，变频器的选择以所选电动机的额定功率为根据，通常选额定功率大一级的变频器，其控制电路示意图如图所示。
（2）小车运行机构。
小车运行机构为一台电动机单独驱动，使用一台变频器，变频器
的选择以所选电动机的额定功率为根据、通常选额定功率大一级的变频器，采用V/F控制方式，其刹车方式与大车运行机构相同，可采用自由停车的方式，机构开展示意图如图2所示类似。
（3）升降机运行机构。
升降机运行机构采用一台电动机单独驱动，使用一台变频器，可采用专用变频器进行重物提升控制，运行机构的启动要求迅速、平稳，同时电气制动方式可采用外接刹车方式，升降机运行机构控制电路示意图如图2所示。
2．电气控制系统
电气控制系统主要包括操作面板和电气控制柜等单元。
在该系统中需要检测较多的数字输入量，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的操作面板与电气控制柜各自独立，其示意图4所示。
图4桥式起重机操作面板
2.2桥式起重机的工作原理
2.2.1控制系统总体设计
桥式起重机系统的电气控制系统总体框图如图5所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各个限位开关的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。
图5桥式起重机电气控制系统
2.2.2工作过程
在启动状态下，各类设备的控制应根据操作面板上的按钮输入来控制，升降机在启动和停止时，通过检测变频器输出的频率，控制电磁制动器的运行，其工作过程如下。
（1）接通电源，启动系统。
（2）按下大车运行按钮，大车启动，通过加速、减速按钮改变大车速度。
（3）按下小车运行按钮，小车启动，通过加速、减速按钮改变小车速度。
（4）按下升降机运行按钮，升降机启动，通过加速、减速按钮改变升降机速度；当需要重物悬停半空时，减小变频器输出频率，直到设定值，频率停止下降，启动电磁制动器，将重物抱住，防止溜钩现象；当重物需从半空开始上升或下降时，增加变频器的输出频率，到达某设定值时，频率停止上升，停止电磁制动器工作，松开重物，变频器输出频率持续增加到所需值。
第三部分硬件系统配置
根据桥式起重机控制系统的机械结构及其相关设备、工作原理和控制系统的功能要求，如何设计桥式起重机控制系统和所需的各种硬件设备的连接方式，因此设计出其电气控制系统框图如图6所示，在此控制系统中核心处理器是PLC,其输入和输出量都为数字量，变频器的控制采用RS-485通信。
3.1接触器
在起重机控制系统中，其中所有的设备的运行都不是连续的，而是根据控制面板上的按钮情况进行动作的，因此需要PLC根据当前的工作情况，一级按钮的情况来控制所有设备的启停，共需要4个接触器：
大车电动机接触器、小车电动机接触器、升降机电动机接触器、电磁制动器接触器。
（1）大车电动机接触器。
大车电动机接触器包括两个部分：
一个是控制正转的接触器；另一个是控制反转的接触器，通过PLC输出的指令控制电动机的正反转和停止，从而控制大车的运行与停止。
（2）小车电动机接触器。
小车电动机接触器包括两个部分：
一个是控制正转的接触器；另一个是控制反转的接触器，通过PLC输出的指令控制电动机的正反转和停止，从而控制小车的运行与停止。
（3）升降机电动机接触器。
升降机接触器包括两个部分：
一个是控制正转的接触器；另一个是控制反转的接触器，通过PLC输出的指令控制电动机的正反转和停止，从而控制升降机的运行与停止。
（4）电磁制动器接触器。
电磁制动器接触器通过PLC输出的指令控制接触器的断开和闭合，从而控制电磁制动器的运行和停止。
3.2变频器
在该系统中，采用西门子公司的MM4系列变频器，该系列变频器是最常用也是功能较强的一种变频器，主要应用于各种工业、冶金、建筑、水利、纺织、交通等领域，性能良好，借个实惠，是一种性价比较高的变频器。
该系列中的MM440变频器是一种通用变频器，能适用于一切传动系统，采用了现代先进的矢量控制系统，使得当负载突然增加时仍能保持控制稳定性。
如果对变频器进行同性控制，需要先对变频器的参数进行设置，主要对以下几个参数进行调整，如表1所示。
表1变频器参数设置表
参数号
参数值
说明
P0005
21
显示实际频率
P0700
5
COM链路的USS设置
P2010
6
9600baud
P2011
1
USS地址
P0300
根据具体电动机设置
电动机类型
P0304
根据具体电动机设置
电动机额定电压
P0305
根据具体电动机设置
电动机额定电流
P0310
根据具体电动机设置
电动机额定频率
P0311
根据具体电动机设置
电动机额定转速
P1000
5
通过COM链路的USS设定
对于在此系统中的三个变频器，都采用通信控制，对于不同的变频器的控制，只需要将这三个变频器进行地址编号，在程序控制当中，通过对不同地址变频器发送控制命令，实现对不同变频器的控制，即对于控制不同设备的变频器，改变参数P2011中的值，在此系统中，控制大车变频器的地址为1，控制小车变频器的地址为2，控制升降机的变频器地址为3。
3.3各类按钮
在这个控制系统自动操作中，采用三个机械按钮，控制烟支装盘机系统的启动和停止，手动/自动按钮使用旋钮，即旋到一边接通，旋到另一边就断开；自动启动按钮采用触点触发式按钮；急停按钮使用旋转复位按钮，按下后系统停止，旋转后自动弹起复位。
在手动控制状态时，对于每个设备都对应设置一个按钮，采用触点触发式按钮，即按下接通，松开复位。
3.4限位开关
在此系统中，公用了6个限位开关：
前进限位开关、后退限位开关、左移限位开关、右移限位开关、上升限位开关和下降限位开关。
限位开关主要是用来控制设备在运动过程中的停止时刻和位置。
（1）大车前进限位开关。
前进限位开关用于控制大车在向前运行时的位置，防止大车向前运动超出范围。
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