桥式起重机电气控制系统设计.docx
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桥式起重机电气控制系统设计
1引言（或绪论）
1．1课题简介
本次毕业设计课题为“20/5t桥式起重机电气控制系统设计”。
其主要任务是将接触—继电器控制的传统桥式起重机利用PLC进行改造。
用到的实验台是THJPES-2型机床PLC电气控制实训考核装置，所以本次任务的重点是完成模拟实验.本次设计的控制部分主要是西门子S7-200PLC系统，并结合STEP7软件进行了简单的控制编程。
1．2桥式起重机在现代工业中的发展情况
桥式起重机是现代工业生产和起重运输中实现生产过程机械化、自动化重要的工具和设备。
所以桥式起重机在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所均得到广泛的运用。
经过多年的发展，我国桥式起重机的应用不断扩大，随着技术进步，针对实际中桥式起重机的恶劣工作坏境及长时间超负荷作业而导致的事故，为桥式起重机改造提出了新的要求，以便在实际操作更加安全、更加高效.
1．3PLC在工业自动控制中的应用
可编程程序控制器简称PLC，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物,是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器,是一种以微机处理器为核心用作数字控制的专用计算机。
它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很简单。
PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通讯联网功能等优异性能,日益取代由大量中间继电器组成的传统继电—接触器控制系统在机械、化工、冶金等行业中的重要作用。
PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。
微电子技术与计算机技术的结合，使PLC的功能变得更加强大，通过可编程控制的实现，为PLC增添了使用上的灵活性。
目前PLC应用范围之广，在工业自动控制中发挥着不可替代的重要作用，钢铁、化工、石油、机械制造、汽车等领域对PLC的依赖程度也越来越高。
控制模式的多样化发展是PLC进步的成果之一，也是PLC功能强大的体现。
2系统设计
2．120/5t桥式起重机电气线路工作原理
2。
1.1桥式起重机的结构和运动形式
桥式起重机的结构示意图如图2。
1.1所示，主要由桥架,大车、小车、主钩和副钩组成。
大车的轨道敷设在车间两侧的立柱上，主梁横跨架在车间上空，大车可沿轨道移动,在大车的驱动下，整个起重机可在车间内作纵向移动，主梁上有小车移动导轨，小车可沿导轨作横向移动，主钩、副钩都装在小车上,主钩用来提升重物，副钩用来提升较轻的货物，也可用来协同主钩完成吊运任务。
图2.1。
1桥式起重机结构图
1驾驶舱2.辅助划线架3。
交流磁力控制屏4。
电阻箱
5。
起重小车6。
大车拖动电动机7.端梁8.主划线9.主梁
2.1.2桥式起重机对电力拖动的要求
（1）由于桥式起重机经常在重载下进行频繁启动、制动、反转、变速等操作，要求电动机是有较高的机械强度和较大的过载能力，同时还要求电动机的启动转矩大，启动电流小，因此使用绕线转子异步电动机。
（2）要有合理的升降速度,轻载或空载时速度要快,以提高效率，重载时速度要慢。
（3）要有适当的低速区，在30%额定转速内应分几档，以便提升或下降到预定位置附近时灵活操作。
（4）提升第一级为预备级，用以消除传动间隙和预紧钢丝绳,以避免过大的机械冲击。
（5）当放下货物时，可根据负载大小情况选择电机的运行状态。
（6）有完备的保护环节，零位短路保护，过载保护,限位保护和可靠的制动方式。
2．220/5t桥式起重机控制系统硬件设计
2.2.1电动机的选型
电机选用的原则主要有以下几点:
（1）根据负载的启动特性及运行特性,选出最适合于这些特性的电动机,满足生产机械工作过程中的各种要求。
（2）选择具有与使用场所的环境相适应的防护方式及冷却方式的电动机，在结构上应能适合电动机所处的环境条件.
（3）计算和确定合适的电动机容量。
通常设计制造的电动机，在75％—100%额定负载时,效率最高。
因此应使设备需求的容量与被选电动机的容量差值最小，使电动机的功率被充分利用。
（4）选择可靠性高、便于维护的电动机.
（5）考虑到互换性，尽量选择标准电动机.
（6）为使整个系统高效率运行，要综合考虑电机的极数及电压等级。
桥式起重机是重型起重机厂生产的DLW型。
提升、开闭及大小车走行电机是YZR绕线型,YZR系列电动机系用于驱动各种型式的起重机械及其他类似设备的专用产品；具有较大的过载能力和较高的机械强度，因此,它特别适用于那些短时或断续周期工作制，频繁地起动、制动、有时过负荷及有显著振动与冲击的设备。
电动机的绝缘等级分为F级和H级两种。
F级适用于冷却介质温度不超过40℃的一般场所，H级适用于冷却介质温度不超过60℃的冶金场所，两种电动机具有相同的电气性能。
轴承允许的温度：
不超过95℃.电压及频率：
额定电压380V。
额定频率为50Hz，允许电压偏差±5%，频率偏差±1%.
电机起动转矩及电机运行的功率因数
起重机运行机构的转动惯量较大，为了加速电机需有较大的起动转矩，故电机容量需由负载功率P厂及加速功率Pa两部分组成。
一般情况下
电机容量P为
式中
一电机平均起动起动转矩倍数
起重机起升机构的负荷特点是起动时间短，只占等速运动时间的较少比例；转动惯量较少，占额定起升转矩的10%-20％.其电机容量P为
（kw）
式中
一起重机额定提升负载，kg
一额定起升速度,m/s
一重力加速度，g=9。
81m/s
一机构总效率
为使电机提升1。
25倍试验载荷，能承受电压波动的影响，其最大转矩值必须大于2,否则必须让电机放容，从而降低电机在额定运行时的工作效率。
通过利用上述公式的计算,选用改造后的桥式起重机各执行机构的电机参数如表2。
2.1所示：
表2。
1。
1各执行机构电机参数
电机型号
电机功率
主起升机构
YZR250M1—8
30KW
副起升机构
YZR200L—8
15KW
大车运行机构
YZR160M1—6
2×5。
5KW
小车运行机构
YZR160M1—6
5。
5KW
2。
3控制系统电路设计
2.3。
120/5t桥式起重机电气控制原理图
本次改造的桥式起重机电气控制原理图如图2.3。
1和图2.3.2所示.
图2.3。
1桥式起重机电气控制原理
（1）
图2.3。
2桥式起重机电气控制原理
（2）
2.3.220/5t桥式起重机常规低压电气控制改PLC控制原理图改造说明
（1）紧急开关SA1替换为SA4,启动按钮SB替换为SB2，舱门安全开关SQ1替换为SA5,横梁安全开关SQ2替换为SA6,横梁安全开关SQ3替换为SA7,副钩上升限位开关SQU1替换为SQ1,小车后限位SQBW替换为SQ2.小车前限位SQFW替换为SQ3,大车右限位SQR替换为SB5，大车左限位SQL替换为SB7，主钩上升限位SQU2替换为SQ4，主钩主电路电源SQ2替换为SA1，主钩控制电路电源SQ3替换为SA2。
（2）同时，主钩主电路电源QS2改为凸轮开关SA1代替（SA1的“3”接U11、SA1的“7”接V11、SA1的“4”接U21、SA1的“8"接V21）,主钩控制电路电源QS3改为SA2控制（SA2的“13”接PLC输入端的I4。
1、SA2的“14”接DC24V电源的GND端），主控接触器KM替换为KM6.
（3）接触器KMD替换为KM8、接触器KMU替换为KM9、接触器KMB替换为KM7。
（4）去掉零压保护继电器KV,以及电磁阀YA1、YA2、YA3、YA4、YA5（电磁阀吸合模拟的是电磁制动器吸合松闸，因为实际中电磁阀是和电动机电源并接，即电动机工作的同时电磁阀动作,实验时，只要电动机动运转,我们就认为电磁阀处于吸合松闸状态）.
（5）增加主钩上升指示灯HL1、主钩下降指示灯HL2、副钩上升指示灯HL3、副钩下降指示灯HL4、小车向前指示灯HL5、小车向后指示灯HL6、大车向左指示灯HL7、大车向右指示灯HL8。
（6）SA、Q1、Q2、Q3的COM短接后接DC24V电源的GND端,SA1的“1”接PLC输入端的I2。
6、“2”接PLC输入端的I2。
7、“3”接PLC输入端的I3.0、“4”接PLC输入端的I3。
1、“5”接PLC输入端的I3。
2、“6”接PLC输入端的I3.3、“7"接PLC输入端的I3.4、“8”接PLC输入端的I3。
5、“9”接PLC输入端的I3。
6、“10”接PLC输入端的I3.7、“11”接PLC输入端的I4.0；Q1的“10"接I1。
2、“11”接I1.1、“12”接I0.2；Q2的“10”接I1.4、“11"接I1.3、“12”接I0。
3;Q3的“15”接I2。
3、“16”接I2.4、“17”接I0。
4。
（7）Q1的“1～9”一一对应“Q1—1～Q1—9"的两端；Q2的“1~9”一一对应“Q2-1~Q2—9”的两端；Q3的“1～14”一一对应“Q3-1～Q3—14"的两端。
2.4PLC选型设计
（1）I/O点数的选择
PLC平均的I/O点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的I/O点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少,但必须留有一定的裕量。
通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10％~15%的裕量来确定。
（2）存储容量的选择
用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关,而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关.一个有经验的程序员和一个初学者,在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25％之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。
根据被控对象的I/0点数以及成本、工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑,我们采用SIEMENS公司的S7—200系列PLC就能满足要求了.SIMATICS7—200系列是西门子公司小型可编程序控制器，可以单机运行，由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择,所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络.同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务,同时具有可靠性高，运行速度快的特点，继承了和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性能价格比高，所以在规模不太大的领域是较为理想的控制设备.
2。
5其它元器件选型设计
主电路采用交流接触器控制正反转,电机二次采用交流接触器分段切换电阻，操作回路由联动台控制器控制,保护回路采用电流继电器和接近开关。
此外还有一些常用的低压电器，如开关电器、熔断器、主令电气和各类继电器等。
所选电机参数如下表
表2.5.1电机技术数据表
型号规格
定子
转子
功率KW
转速R
电流
过流
电压
电流
YZR160M1-6
5.5
930
15
20
138
25。
7
YZR200L-8
15
712
33.5
60
178
53。
5
YZR250M1—8
30
720
63.4
100
272
68。
8
2。
5。
1刀开关的选择
刀开关的选用主要考虑一下几点:
第一，根据使用场合去选择合适的产品型号和操作方式;第二，应使其额定电压等于或大于电路的额定电压，其额定电流应等于或大于电路的额定电流；第三,安装方式与定位尺寸。
选择HR5型刀开关，额定电压380V，
总电流：
，故可选刀开关型号为:
HR5—200.
2。
5.2熔断器的选择
选择合适的熔断器主要考虑如下几点
（1）熔断器类型应根据线路要求、使用场合、安装条件和各类熔断器的适用范围来确定。
（2）熔断器额定电压应大于或等于线路的工作电压。
（3）熔体的额定电流与负载的大小及性质有关,其选择方法是：
对于阻性负载的短路电流保护应使熔断器的熔体电流等于或大于电路的工作电流。
而对于电动机负载，应考虑冲击电流的影响,应按下式计算：
多台电动机:
式中，
为容量最大的一台电动机的额定电流；
为其他电动机额定电流的总和。
（4）额定分断能力必须大于电路中可能出现的最大故障电流。
（5）选择性保护特性在电路系统中，电器之间的选择性保护特性非常重要，它能把故障产生的影响限制在最小范围内，即要求电路中某一支路发生短路或过载故障时,只有距离故障点最近的熔断器动作，而主回路的熔断器或断路器不动作，这种合理的选配称选择性配合。
根据系统的具体条件可为熔断器之间上一级和下一级的选择性配合以及断路器与熔断器的选择性配合等。
具体选择可参考各电路的保护特性。
综合以上各点选择NGT3型熔断器，额定电压380V,额定电流450A。
2。
5.3接触器的选择
接触器的选择主要依据以下几个方面：
（1）根据负载性质选择接触器的类型。
（2）额定电压应大于或等于主电路的工作电压.
（3）额定电流应大于或等于被控电路的额定电流。
对于电动机负载还应根据其运行方式适当增大或减小.
（4）吸引线圈的额定电压与频率要与所在控制电路的选用电压和频率一致.
实际应用中是用凸轮控制器控制绕线电动机的,凸轮控制器如图2.5。
1所示，原理图如图2.5。
2所示.而这里选用的是KT10系列的凸轮控制器.控制大车的凸轮控制器为KT10—25J/2,控制小车的为KT10-25J/1，控制副钩的为KT10-60J/1,控制主钩的为KT10—100J/1.
图2.5.1凸轮控制器
图2.5.2凸轮控制器原理图
根据各电动机的额定电流可以分别选择接触器，控制各个电动机的接触器如表2.5.2所示.
表2。
5。
2
型号规格
定子
转子
功率KW
转速R
电流
导线
过流
接触器
电压
电流
导线
接触器
YZR160M1-6
5.5
930
15
4
20
KT10--25
138
25。
7
4
KT10-—25
YZR200L-8
15
712
33.5
6
60
KT10——60
178
53。
5
10
KT10--60
YZR250M1—8
30
720
63.4
16
100
KT10-100
272
68。
8
16
KT10—100
2.5.4热继电器的选择
考虑到是交流电源，所以选取具有断相保护的JR20系列热继电器，同时具有温度补偿、整定电流可调和手动复位等功能，由电动机的额定电流选择热继电器，YZR160M1—6型电机可用JR20-16（熱元件代号6S），YZR200L—8型电机可用JR20—63（熱元件代号2U），YZR250M1-8型电机用JR20—63（熱元件代号6U）。
2。
6I/O地址定义
I/O地址定义如表2。
2所示。
表2。
2I/O地址定义
序号
功能
输入
序号
功能
输出
1
紧急开关SA4
I0.0
1
主控接触器KM6
Q0。
0
2
启动按钮SB2
I0.1
2
接入电阻切换接触器KM1
Q0.1
3
Q1置零位Q1-12
I0。
2
3
接入电阻切换接触器KM2
Q0。
2
4
Q2置零位Q2—12
I0。
3
4
接入电阻切换接触器KM3
Q0。
3
5
Q3置零位Q3-17
I0.4
5
接入电阻切换接触器KM4
Q0。
4
6
舱门安全开关SA5
I0.5
6
接入电阻切换接触器KM5
Q0.5
7
横梁安全开关SA6
I0.6
7
主钩反向接触器KM8
Q0.6
8
横梁安全开关SA7
I0.7
8
主钩正向接触器KM7
Q0.7
9
副钩上限位SQ1
I1。
0
9
主钩制动接触器KM9
Q1.0
10
连锁Q1-11
I1.1
10
主钩上升HL1
Q1.1
11
连锁Q1—10
I1.2
11
主钩下降HL2
Q2.0
12
连锁Q2—11
I1。
3
12
副钩上升HL3
Q2。
1
13
连锁Q2—10
I1。
4
13
副钩下降HL4
Q2.2
14
小车后限位SQ2
I1。
5
14
小车向前HL5
Q2.3
15
小车前限位SQ3
I2.0
15
小车向后HL6
Q2。
4
16
大车右限位SB5
I2。
1
16
大车向左HL7
Q2。
5
17
大车左限位SB7
I2.2
17
大车向右HL8
Q2.6
18
连锁Q3—15
I2.3
19
连锁Q3-16
I2.4
20
主钩上限位SQ4
I2.5
21
主钩控制SA—1
I2。
6
22
主钩控制SA—2
I2。
7
23
主钩控制SA-3
I3。
0
24
主钩控制SA-4
I3.1
25
主钩控制SA-5
I3.2
26
主钩控制SA-6
I3。
3
27
主钩控制SA—7
I3.4
28
主钩控制SA—8
I3.5
29
主钩控制SA—9
I3.6
30
主钩控制SA-10
I3.7
31
主钩控制SA—11
I4。
0
32
主钩控制电路电源SA2
I4。
1
3PLC软件设计
3.1STEP7—MicroWIN编程软件
STEP7—MicroWIN编程软件是S7—200系列PLC专用的编程、调试和监控软件，其编程界面和帮助文档大部分已汉化，为用户实现开发、编程和监控程序提供了良好的界面。
STEP7—MicroWIN编程软件为用户提供了3种程序编辑器：
梯形图、指令表和功能块图编辑器,同时还提供了完善的在线帮助功能，非常方便用户获取需要的帮助信息。
一、STEP7—Micro/WIN的窗口组件
“视图”：
选择该类别，为程序块、符号表，状态图，数据块，系统块，交叉参考及通讯显示按钮控制。
“工具”：
选择该类别，显示指令向导、文本显示向导、位置控制向导、EM253控制面板和调制解调器扩展向导的按钮控制。
注释：
当操作栏包含的对象因为当前窗口大小无法显示时,操作栏显示滚动按钮,使您能向上或向下移动至其他对象。
2、指令树
提供所有项目对象和为当前程序编辑器（LAD、FBD或STL）提供的所有指令的树型视图.用户可以用鼠标右键点击树中“项目”部分的文件夹，插入附加程序组织单元（POU）；也可以用鼠标右键点击单个POU，打开、删除、编辑其属性表，用密码保护或重命名子程序及中断例行程序。
可以用鼠标右键点击树中“指令"部分的一个文件夹或单个指令,以便隐藏整个树。
一旦打开指令文件夹，就可以拖放单个指令或双击，按照需要自动将所选指令插入程序编辑器窗口中的光标位置.可以将指令拖放在自己“偏好”的文件夹中，排列经常使用的指令.
3、交叉参考
允许用户检视程序的交叉参考和组件使用信息。
4、数据块
允许用户显示和编辑数据块内容。
5、状态图窗口
允许用户将程序输入、输出或变量置入图表中，以便追踪其状态。
您可以建立多个状态图,以便从程序的不同部分检视组件.每个状态图在状态图窗口中有自己的标签。
6、符号表／全局变量表窗口
允许用户分配和编辑全局符号（即可在任何POU中使用的符号值，不只是建立符号的POU）.您可以建立多个符号表。
可在项目中增加一个S7-200系统符号预定义表.
7、输出窗口
在用户编译程序时提供信息。
当输出窗口列出程序错误时，可双击错误信息,会在程序编辑器窗口中显示适当的网络。
当您编译程序或指令库时,提供信息.当输出窗口列出程序错误时，您可以双击错误信息，会在程序编辑器窗口中显示适当的网络。
8、状态条
提供用户在STEP7—Micro/WIN中操作时的操作状态信息。
9、程序编辑器窗口
包含用于该项目的编辑器（LAD、FBD或STL）的局部变量表和程序视图。
如果需要，用户可以拖动分割条，扩展程序视图，并覆盖局部变量表。
当您在主程序一节（MAIN）之外，建立子程序或中断例行程序时,标记出现在程序编辑器窗口的底部。
可点击该标记，在子程序、中断和OB1之间移动。
10、局部变量表
包含用户对局部变量所作的赋值（即子程序和中断例行程序使用的变量）。
在局部变量表中建立的变量使用暂时内存;地址赋值由系统处理；变量的使用仅限于建立此变量的POU。
11、菜单条
允许用户使用鼠标或键击执行操作。
您可以定制“工具”菜单，在该菜单中增加自己的工具。
12、工具条
为最常用的STEP7—Micro/WIN操作提供便利的鼠标访问。
用户可以定制每个工具条的内容和外观。
二、如何输入PLC控制程序
以三相异步电动机启停程序为例,熟悉STEP7MicroWINV4。
0编程软件的使用方法.梯形图如下：
1、打开新项目
双击STEP7—Micro/WIN图标，或从"开始"菜单选择SIMATIC>STEP7Micro/WIN，启动应用程序。
会打开一个新STEP7—Micro/WIN项目。
2、打开现有项目
从STEP7—Micro/WIN中，使用文件菜单，选择下列选项之一：
（1）打开－允许浏览至一个现有项目，并且打开该项目。
（2）文件名称－如果用户最近在一项目中工作过,该项目在”文件”菜单下列出,可直接选择，不必使用"打开"对话框。
3、进入编程状态：
单击左侧查看中的程序块，进入编程状态。
4、选择编程语言：
打开菜单栏中的查看，选择梯形图语言;（也可选STL（语句表）、FBD（功能块））
（1）选择MAIN主程序，在网络1中输入程序。
（2）单击网络1中的
从菜单栏或指令树中选择相关符号。
如在指令树中选择，可在指令中双击位逻辑，从中选择常开触点符号，双击；再选择常闭触点符号，双击；再选择输出线圈符号，双击;将光标移到常开触点下面，单击菜单栏中的←,再选择常开触点，左移光标,单击
，完成梯形图.
（3）给各符号加器件号：
逐个选择?
？
？
，输入相应的器件号。
（4）保存程序：
在菜单栏中File（文件）—Save（保存），输入文件名，保存.
（5）编译：
使用菜单“PLC”—“编译”或“PLC"—“全部编译”命令，或者用工具栏按钮
或
执行编译功能。
编译完成后在信息窗口会显示相关的结果，以便于修改。
5、建立PC及PLC的通信连接线路并完成参数设置
（1）联接PC：
联接时应将PC/PPI电缆的一端与计算机的COM端相接，另一端与S7—200PLC的PORT0或PORT1端口相连如下图
（2）参数设置：
设置PC/PPI电缆小盒中的DIP开关将通讯的波特率设置为9。
6K；将PLC的方式开关设置在STOP位置，给PLC上电；打开STEP7-Micro/WIN32软件并点击菜单栏中的“PLC"—“类型"弹出“PLC类型”窗口，单击“读取PLC”检测是否成功,或者从下拉菜单中选择CPU226，单击“通信”按钮,系统弹出“通信”窗口，双击击PC/PPI电缆的图标，检测通信成功与否,如下图
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