毕业设计PLC在桥式起重机检测控制中的应用毕业论文1.docx

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毕业设计PLC在桥式起重机检测控制中的应用毕业论文1

毕业设计

题目

PLC在桥式起重机检测控制中的应用

系别

专业

机电一体化

年级

09级本科

姓名

崔震

学号

176090198

指导老师

谢广坤

日期

2011-5-31

设计任务书

设计题目：

PLC在桥式起重机检测控制中的应用

设计进度要求：

第一周：

确定题目，查阅资料。

第二周：

根据设计要求分析桥式起重机的工作原理。

第三周：

深入公司进行实践，收集桥式起重机的资料。

第四周：

对硬件进行设计。

第五周：

对软件进行设计。

第六周：

进行调试，找出问题，改进设计。

第七周：

撰写论文，准备答辩。

指导教师（签名）：

毕业设计指导须知

一、毕业设计是高职教学过程中一个十分重要的环节。

是锻炼学生运用所学知识正确分析和解决实际问题的一个重要方面，也是高职培养应用型专门人才的要求。

二、导教师应为具有讲师以上或相应职称的有关专业人员，且专业对口（指所指导专业应同所聘教师专业职称相一致）。

经系、教务处审查同意后，才能指导学生的毕业设计。

三、学生应以严肃认真，实事求是的态度完成设计。

要独立思考，自己动手，不得抄袭或找人代笔。

四、毕业设计选题要符合专业培养目标的要求。

论文（任务书）写作要做到论点明确、论据充分，论理透彻，语言准确恰当，书面整洁、字迹工整，图纸应清晰、工整，符合设计要求，符合国家有关标准和部颁标准。

字数、图纸数量符合有关要求。

并在规定的时间内完成。

五、答辩过程中学生要严认真，文明礼貌，谦虚谨慎，认真回答答辩主持人，委员等提出的问题。

六、填报有关表格时，应按项目要求逐项填实、填全、填清。

摘要

本论文通过采用PLC（可编程控制器）来控制桥式起重机的运行，使起重机在现场的检测可以高效率地完成，可以充分的体现出PLC所具有的功能强，可靠性高、编程简单、使用方便、体积小巧等优点。

本论文运用学到的可编程控制器的梯形图语言将程序编写完成后，再通过实际测试，来实现桥式起重机的相关检测。

起重机采用PLC控制，还能解决传统控制方式下在操作方面的许多麻烦，包括开闭电机和起升电机在抓斗刚装料闭合起升时难以同步等问题。

同时，通过采用PLC控制可以减轻工人的劳动强度，提高抓斗桥式起重机的工作性能。

因此，PLC在该方面的应用具有重要的实用意义和推广价值。

目录

第一章绪论1

1.1课题来源1

1.2世界上PLC产品的三大流派1

1.2.1美国PLC产品1

1.2.2欧州PLC产品2

1.2.3日本PLC产品2

1.3PLC与桥式起重机的发展状况4

1.3.1PLC的发展状况4

1.3.2起重机控制技术发展状况5

1.4本课题主要任务、意义6

1.4.1任务6

1.4.2主要意义7

第二章总体方案设计8

2.1如何选购PLC产品8

2.2PLC的选型标准9

2.3PLC程序设计的基本步骤10

2.4程序设计编程基本原则与注意问题11

2.4.1程序设计（梯形图）编程基本原则11

2.4.2程序设计注意问题11

2.4.3所用编程软件特点及界面操作12

2.5硬件部分简述14

2.5.1PLC一般的硬件设计14

2.5.2所用的硬件类型15

第三章具体方案设计与实现15

3.1PLC桥式起重机检测中的I/O定义15

3.2桥式起重机检测的PLC控制梯形图设计16

3.2.1进退机构工作的控制梯形图设计与分析、调试16

3.2.2左、右运行机构工作的控制梯形图与分析、调试18

3.2.3升降机构工作的控制梯形图设计与分析、调试20

3.2.4声光指示的控制梯形图与调试21

3.3本章小结22

结论23

参考文献24

致谢25

第一章绪论

1.1课题来源

桥式起重机（天车）是一种用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运设备，在生产过程中有着重要应用。

郑州北车辆段桥式起重机由于工作环境差,粉尘和有害气体对电机的集电环、电刷和接触器腐蚀性大，加上工作任务重,实际过载率高,由于冲击电流偏大,容易造成电动机触头烧损、电刷冒火、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等故障,影响现场生产和安全,工人维修量和产生的维修费用也很高，本论文就是研究起重机采用先进的可编程控制技术（PLC），以程序控制取代继电器----接触器控制，进而实现了起重机的半自动化控制。

1.2世界上PLC产品的三大流派

1.2.1美国PLC产品

美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。

其中A-B公司是美国最大的PLC制造商，其产品约占美国PLC市场的一半。

A-B公司产品规格齐全、种类丰富，其主推的大、中型PLC产品是PLC-5系列。

该系列为模块式结构，CPU模块为PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/15、PLC-5/25时，属于中型PLC，I/O点配置范围为256～1024点；当CPU模块为PLC-5/11、PLC-5/20、PLC-5/30、PLC-5/40、PLC-5/60、PLC-5/40L、PLC-5/60L时，属于大型PLC，I/O点最多可配置到3072点。

该系列中PLC-5/250功能最强，最多可配置到4096个I/O点，具有强大的控制和信息管理功能。

大型机PLC-3最多可配置到8096个I/O点。

A-B公司的小型PLC产品有SLC500系列等。

GE公司的代表产品是：

小型机GE-1、GE-1/J、GE-1/P等，除GE-1/J外，均采用模块结构。

GE－l用于开关量控制系统，最多可配置到112个I/O点。

GE-1/J是更小型化的产品，其I/O点最多可配置到96点。

GE-1/P是GE-1的增强型产品，增加了部分功能指令（数据操作指令）、功能模块（A/D、D/A等）、远程I/O功能等，其I/O点最多可配置到168点。

中型机GE-Ⅲ，它比GE-1/P增加了中断、故障诊断等功能，最多可配置到400个I/O点。

大型机GE-Ⅴ，它比GE-Ⅲ增加了部分数据处理、表格处理、子程序控制等功能，并具有较强的通信功能，最多可配置到2048个I/O点。

GE-Ⅵ/P最多可配置到4000个I/O点。

德州仪器（TI）公司的小型PLC新产品有510、520和TI100等，中型PLC新产品有TI300、5TI等，大型PLC产品有PM550、530、560、565等系列。

除TI100和TI300无联网功能外，其它PLC都可实现通信，构成分布式控制系统。

莫迪康（MODICON）公司有M84系列PLC。

其中M84是小型机，具有模拟量控制、与上位机通信功能，最多I/O点为112点。

M484是中型机，其运算功能较强，可与上位机通信，也可与多台联网，最多可扩展I/O点为512点。

M584是大型机，其容量大、数据处理和网络能力强，最多可扩展I/O点为8192。

M884增强型中型机，它具有小型机的结构、大型机的控制功能，主机模块配置2个RS-232C接口，可方便地进行组网通信。

1.2.2欧州PLC产品

德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。

德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。

在中、大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。

西门子PLC主要产品是S5、S7系列。

在S5系列中，S5-90U、S-95U属于微型整体式PLC；S5-100U是小型模块式PLC，最多可配置到256个I/O点；S5-115U是中型PLC，最多可配置到1024个I/O点；S5-115UH是中型机，它是由两台SS－115U组成的双机冗余系统；S5-155U为大型机，最多可配置到4096个I/O点，模拟量可达300多路；SS－155H是大型机，它是由两台S5-155U组成的双机冗余系统。

而S7系列是西门子公司在S5系列PLC基础上近年推出的新产品，其性能价格比高，其中S7-200系列属于微型PLC、S7-300系列属于于中小型PLC、S7-400系列属于于中高性能的大型PLC。

1.2.3日本PLC产品

日本的小型PLC最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。

在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。

日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。

三菱公司的PLC是较早进入中国市场的产品。

其小型机F1/F2系列是F系列的升级产品，早期在我国的销量也不小。

F1/F2系列加强了指令系统，增加了特殊功能单元和通信功能，比F系列有了更强的控制能力。

继F1/F2系列之后，20世纪80年代末三菱公司又推出FX系列，在容量、速度、特殊功能、网络功能等方面都有了全面的加强。

FX2系列是在90年代开发的整体式高功能小型机，它配有各种通信适配器和特殊功能单元。

FX2N几年推出的高功能整体式小型机，它是FX2的换代产品，各种功能都有了全面的提升。

近年来还不断推出满足不同要求的微型PLC，如FXOS、FX1S、FX0N、FX1N及α系列等产品。

三菱公司的大中型机有A系列、QnA系列、Q系列，具有丰富的网络功能，I/O点数可达8192点。

其中Q系列具有超小的体积、丰富的机型、灵活的安装方式、双CPU协同处理、多存储器、远程口令等特点，是三菱公司现有PLC中最高性能的PLC。

欧姆龙（OMRON）公司的PLC产品，大、中、小、微型规格齐全。

微型机以SP系列为代表，其体积极小，速度极快。

小型机有P型、H型、CPM1A系列、CPM2A系列、CPM2C、CQM1等。

P型机现已被性价比更高的CPM1A系列所取代，CPM2A/2C、CQM1系列内置RS-232C接口和实时时钟，并具有软PID功能，CQM1H是CQM1的升级产品。

中型机有C200H、C200HS、C200HX、C200HG、C200HE、CS1系列。

C200H是前些年畅销的高性能中型机，配置齐全的I/O模块和高功能模块，具有较强的通信和网络功能。

C200HS是C200H的升级产品，指令系统更丰富、网络功能更强。

C200HX/HG/HE是C200HS的升级产品，有1148个I/O点，其容量是C200HS的2倍，速度是C200HS的3．75倍，有品种齐全的通信模块，是适应信息化的PLC产品。

CS1系列具有中型机的规模、大型机的功能，是一种极具推广价值的新机型。

大型机有C1000H、C2000H、CV（CV500／CV1000／CV2000／CVM1）等。

C1000H、C2000H可单机或双机热备运行，安装带电插拔模块，C2000H可在线更换I/O模块；CV系列中除CVM1外，均可采用结构化编程，易读、易调试，并具有更强大的通信功能。

松下公司的PLC产品中，FPO为微型机，FP1为整体式小型机，FP3为中型机，FP5/FP10、FP10S（FP10的改进型）、FP20为大型机，其中FP20是最新产品。

松下公司近几年PLC产品的主要特点是：

指令系统功能强；有的机型还提供可以用FP-BASIC语言编程的CPU及多种智能模块，为复杂系统的开发提供了软件手段；FP系列各种PLC都配置通信机制，由于它们使用的应用层通信协议具有一致性，这给构成多级PLC网络和开发PLC网络应用程序带来方便.

日本松下电工公司的FP系列PLC产品有FP0、FP1、FP2、FP3、FP5、FP10等多个系列，其中较早进入中国市场的是整体式结构的小型机FP1和模块式结构的中型机FP3系列。

FP系列是PLC市场上被称为一匹黑马的后起之秀，虽然进入中国市场较晚，但由于设计上的独到之处和优良的控制功能，一经推出，就备受用户欢迎。

其产品有以下特点：

1、丰富的指令系统

2、快速的CPU处理速度

3、大程序容量

4、功能强大的编程工具

5、强大的网络通信功能

1.3PLC与桥式起重机的发展状况

1.3.1PLC的发展状况

可编程控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）是一种工作可靠，编程简单，使用方便，控制完备的控制设备。

它能在恶劣的工作环境下工作，容易实现“机电一体化”。

可编程控制器把自动化技术，计算机技术，通信技术融为一体，有利于实现工厂自动化的集散式控制。

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。

同时，PLC的功能也不断完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

因此，可编程控制器自诞生以来，得到了迅速发展，成为工业控制的主流。

1968年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。

于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。

   1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。

从此这项技术迅速发展起来。

早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ）。

随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。

   20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。

PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。

自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。

目前，世界上有200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色，如日本主要发展中小型PLC，其小型PLC性能先进，结构紧凑，价格便宜，在世界市场上占用重要地位。

著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B（Allen-Bradly）公司、GE（General Electric）公司，日本的三菱电机（Mitsubishi Electric）公司、欧姆龙（OMRON）公司，德国的AEG公司、西门子（Siemens）公司，法国的TE（Telemecanique）公司等。

   我国的PLC研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。

在20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。

此后，在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，并取得显著的经济效益，PLC 在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。

目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。

从近年的统计数据看，在世界范围内PLC产品的产量、销量、用量高居工业控制装置榜首，而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。

PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。

我国许多引进的重大工程项目，列入宝钢，中原制药厂等都使用很多可编程控制器，取得了明显效益。

推广利用可编程控制器是一项很有意义的工作。

1.3.2起重机控制技术发展状况

桥式起重机（天车）是一种用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运设备，在生产过程中有着重要应用。

5吨桥式起重机，电气驱动系统分为起重机升降、小车、大车三部份。

其中起重机升降由一台13kW的绕线式异步电动机驱动，大车由两台4kW绕线式异步电动机、小车由一台2.5kW绕线式异步电动机驱动。

在原传动控制中，采用转子串接电阻的调速方式.由于工作环境差,粉尘和有害气体对电机的集电环、电刷和接触器腐蚀性大，加上工作任务重,实际过载率高,由于冲击电流偏大,容易造成电动机触头烧损、电刷冒火、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等故障,影响现场生产和安全,工人维修量和产生的维修费用也很高.并且原调速方式机械特性较差,调速不够平滑，所串电阻长期发热浪费能量。

综上所述设备存在的主要缺点如下：

（1）拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大，电能浪费严重。

（2）起重机升降、小车、大车起动、停止速度过快，而且都是惯性负载，机械冲击也较大，机械设备使用寿命缩短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性较低。

　　（3）由于电动机一直在额定转矩下工作，而每次升降的负载是变化的，因此容易造成比较大的电能浪费。

　　（4）起重机每天需进行大量的装卸操作，由于绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件---交流接触器来接入和断开电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头。

同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。

因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。

同样小车、大车的运转也存在上述问题。

　　（5）在起重机起升的瞬间，升降电动机有时会受力不均匀，易过载，直接造成电机损坏或者钢丝绳断裂。

　　（6）为适应起重机的工况，起重机的操作人员经常性的反复操作，起重机的电器元件和电动机始终处于大电流工作状态，降低了电器元件和电动机的使用寿命。

　　（7）起重机工作的协调性主要靠操作人员的熟练程度。

由于升降、大车、小车三个凸轮控制器之间没有固定的联系，在起重机工作时操作人员劳动强度比较大，容易疲劳，易产生误操作。

　　针对上述现有技术存在的不足，所以越来越多的国内外厂商生产的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，进而实现了起重机的半自动化控制。

1.4本课题主要任务、意义

1.4.1任务

本论文是研究利用松下FP1系列的可编程控制器及外围电路继电器、开关的连接在桥式起重机质量检测控制中实现半自动化，以克服原设备的诸多缺点。

1.4.2主要意义

本论文是利用松下FP1系列可编程控制器对桥式起重机进行编程、调试，进而实现了桥式起重机的半自动化。

解决了以往所使用的起重机容易造成电动机触头烧损、电刷冒火、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等故障，并且降低了工人维修量和产生的维修费用.，也详细介绍其系统配置，兼顾介绍其指令系统、编程方法和控制系统设计方法。

从而能更多了解松下PLC和更好的使用它。

。

第二章总体方案设计

2.1如何选购PLC产品

在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，若采用可编程序控制器（PLC）来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一，本文叙述PLC控制系统设计时应该注意的问题。

硬件选购目前市场上的PLC产品众多，除国产品牌外，国外有：

日本的OMRON、MITSUBISHI、FUJJ、anasonic,德国的SIEMENS，韩国的LG等。

近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高，这是众多技术人员选用PLC的重要原因。

那么，如何选购PLC产品呢?

1、系统规模首先应确定系统用PLC单机控制，还是用PLC形成网络，由此计算PLC输入、输出点。

数，并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上留有一定余量（10%）。

2、确定负载类型根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。

不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。

3、存储容量与速度尽管国外各厂家的PLC产品大体相同，但也有一定的区别。

目前还未发现各公司之间完全兼容的产品。

各个公司的开发软件都不相同，而用户程序的存储容量和指令的执行速度是两个重要指标。

一般存储容量越大、速度越快的PLC价格就越高，但应该根据系统的大小合理选用PLC产品。

4、编程器的选购PLC编程可采用三种方式：

是用一般的手持编程器编程，它只能用商家规定语句表中的语句编程。

这种方式效率低，但对于系统容量小，用量小的产品比较适宜，并且体积小，易于现场调试，造价也较低。

是用图形编程器编程，该编程器采用梯形图编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高。

是用IBM个人计算机加PLC软件包编程，这种方式是效率最高的一种方式，但大部分公司的PLC开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试。

因此，应根据系统的大小与难易，开发周期的长短以及资金的情况合理选购PLC产品。

5、尽量选用大公司的产品其质量有保障，且技术支持好，一般售后服务也较好，还有利于产品扩展与软件升级。

2.2PLC的选型标准

世界上有很多厂商生产PLC,如德国的西门子、日本的三菱、松下，美国GE公司等，由于松下FP系列相比较有体积小、功能较多、编程方便，稳定性，此外还开发了A/D和D/A转换单元，主控单元通过I/O扩展单元扩展I/O点数，以适应不同的需要，PLC系统是以I/O点数为核心的控制系统，系统包括PLC和输入输出设备。

完成系统的设计主要是选型和程序设计。

但是由于PLC应用在不同场合，有不同的工艺流程，对控制功能有不同的要求，由于各程序难易程度不一样，因此有一定的选择标准：

（1）PLC机型选择主要考虑I/O点数。

根据控制系统所需要的输入设备（如按钮、限位开关、转换开关等）、输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）以及A/D、D/A转换的个数。

确定I/O的点数。

一般要留有一定裕量（约占10%），满足生产发展和工艺的改进。

（2）随着PLC功能日益完善，很多小型机也具有中、大型机的功能。

对于PLC的功能选择，一般只要满足I/O点数，大多数机型也能满足。

目前大多数PLC机型都具有I/O扩展模块、A/D、D/A转换模块，以及高级指令、中断能力与外设通信能力。

（3）PLC一般根据I/O点数的不同，内存容量会有相应的差别。

在选择内存容量时同样应留有一定余量，一般时实际程序的25%。

不应单纯追求大容量，以够用为原则。

（4）在PLC机型选取上要考虑控制系统与PLC结构功能的合理性。

如果是单机系统控制，I/O点数不多，不涉及PLC之间的通信，但又要求功能更强，要求有处理模拟信号的能力，可选择整体式机，如松下FP0、FP1、FP-M系列，以及OMRONC200H系列等。

如果仅有开关量控制，可选择OMRONC系列P型机、西门子S7-200,三菱F1、FX系列等。

（5）一个企业尽量选择同一类型的PLC

·同一机型PLC模块可互为利用，便于采购管理。

·同一机型PLC的功能