塔式起重机PLC毕业设计.docx
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塔式起重机PLC毕业设计
毕业设计说明书
塔式起重机的电气控制系统的设计
专业
电气工程及其自动化
学生姓名
班级
学号
指导教师
完成日期
电气与信息工程学院
塔式起重机的电气控制设计
摘要：
可编程控制器是一种为工业控制所设计的专用计算机，在各种自动控制系统中有着广泛的应用。
利用PLC对老设备进行技术改造，是工厂提高设备利用率，提高产品质量和产量，减轻工人劳动强度的有效途径。
在现代社会里,塔式起重机广泛应用于冶金、化工、船舶及其他企业，为了保证其工作的安全可靠，需要定期测试。
文中提出采用可编程控制（PLC）技术，可以高效率、高质量的实现起重机的现场自动检测。
随着科技的进步,研究可编程序控制器（PLC）在塔式起重机中的控制运用是一个非常有意义的课题。
本次课题内容为用可编程序控制器（PLC）控制塔式起重机。
主要目的是解决目前塔式起重机控制中存在的一些问题，合理地利用PLC的硬件资源和软件资源，充分利用各种指令的简化控制程序，做到控制程序应尽量简单，便于理解，并有一定的规律性以便能适合于不同控制的要求。
由于对塔式起重机的检测需要在现场进行，就要求检测控制设备要接线方便、便于携带、工作可靠、控制灵活，PLC可以满足这些要求。
关键词：
塔式起重机；PLC；控制梯形图
TheDesignoftowertypederrick-control
Abstract:
Programminglogiccontroleisisakindofanindustrycontroldesignofappropriationcalculator,haveanextensiveapplicationinvariousautocontrolsystem.MakeuseofPLCtocarryonthetechniquereformationtotheoldequipments,isthefactoryexaltationequipmentsutilization,raisetheproductqualityandyield,easethevalidpaththattheworkerlaborsstrength.Inmodernsociety,Towercamehasbeenapplieddifferententerprisesuchasmetallurgicalindustry,chemicalindustry,shippingindustryandsoon.Inordertoguaranteeitsworksafetymeasures,itmustbetestedatregularintervals.On-the-spotautomatictestingofcamehighefficiencyandqualityisachievedbyprogrammablecontroltechnology.Towercameplaysamoreandmoreimportantroleinalotofplaces.Alongwithresearchandtheadvanceofscienceandtechnologymayprogramminglogiccontroler（PLC）intowercameincontrolutilizeisaverymeaningfulprogram.thisdesigncontentisusetheprogramminglogiccontroler（PLC）controlatowercame.Majorpurposeissolutionexistinpresenttowercamecontrolsomeproblems,usesoftwareresourceandthehardwareresourceofPLCreasonably,raisethesafereliabilityofelevatorandtheflexibilityofoperation,reducetheinputexportportofPLC,usetheeasiercontrolprogramofvariousinstructionsfully,accomplishcontrolprogramshouldasfaraspossiblesimple.Inordertoneedingtobecarryononthespottotheexaminationofthetowercame,willbegtheexaminationcontrolequipmentsandconnectlineconvenience,easytotake,workcredibility,controlvivid,PLCcansatisfytheserequests.
KeyWords:
Towercame;PLC;P
塔式起重机的电气控制设计
1概述
本人设计内容为用可编程序控制器（PLC）控制塔式起重机，主要设计其电气控制部分。
本人设计课题由朱学来老师提供，并得到电气与信息学院批准，其主要目的是解决目前塔式起重机控制中存在的一些问题，合理地利用PLC的硬件资源和软件资源，提高塔式起重机的安全可靠性和操作的灵活性，减少PLC的输入输出端口，充分利用各种指令的简化控制程序，做到控制程序简单化，便于理解，并有一定的规律性以便能适合于不同情况下的控制要求。
本人设计主要研究塔式起重机的电气控制硬、软件系统，并且简单的介绍PLC的发展以及所选PLC的性能。
本次设计从选PLC型号着手，根据输入输出信号正确的设计PLC接线图，完成硬件部分设计，最后设计出合理的梯形图，完成设计说明书。
2塔式起重机的发展及控制现状
2．1塔机的发展
塔式起重机简称塔机，亦称塔吊，起源于西欧。
20世纪末20余年国外塔机技术发展的主要特点是：
（1）组合塔机（Combinationcrane）或称模块塔机（Modulartowercrane）得到迅速发展。
（2）一些超重型塔机相继问世
（3）适应都市改建需要的城市塔机（CityCrane）应运而生并得到发展。
（4）安装架设速度快，450~900kN*m级塔机借助液压伸缩臂汽车起重机作为安装辅机，在4~6小时内可以安装完毕。
（5）采用较完善的调速，操控系统和电子仪表。
进入20世纪90年代以后，我国塔机行业随着全国范围建筑任务的增加进入了一个新的全盛时期，年产量连年猛增，全国塔机总拥有量截至2000年约为6万台，塔机出口业务始于1988年曾一度极为兴旺，据统计1993~1997年出口共创汇近8400万美圆。
至此，无论从生产规模，应用范围和塔机总量等角度来衡量，我国均堪称世界首号塔机大国。
塔机的学名为塔式回转起重机，属于一种非连续性搬运机械
2．2传统的塔式起重机的控制现状
塔式起重机是我们建筑机械的关键设备在建筑施工中起着重要作用，我们只用了五十时间走完了国外发达国家上百年塔机发展的路程，如今已达到发达国家水平并跻身于当代国际市场随着高层建筑发展，对施工机械提出了新的要求.于是，160TM附着式、45TM内爬式、120TM自升式等都由我国自己设计并制造;八十年代，国家建设突飞猛进，建筑用最大的250TM塔机也应运而生.进人九十年代，现代化进程不断加快，国内外市场对塔机要求越来越高，众多城市大型建筑、水利、电力、桥梁等不断增加，市场的要求加快了新产品发的力度，先后有400TM900TM水平臂和300TM动臂式塔机，叩年代开发生产的塔机产品技术性能均显著提高，起升机构采用三速电机驱动、涡流制动、电动换挡减速箱，变幅回转采用双速电机液力联轴节驱动，或采用变频调速，有多种速度，工作平稳生产效率高.安全装置齐全，动作灵敏可靠，装有防止误操作和野蛮操作装置，可杜绝安全事故。
随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究目前，该技术己进入了成熟稳定的发展应用阶段.可编程序控制器P砚引人到交流电气传动系统后，使传动系统性能发生了质的变化.在塔式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检侧显示等，达到了新的技术高度。
由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势.适合发展大起重重量的起重机。
2．3塔机的优点塔机产品分类
组
型
特性
产品
主参数代号
名称
代号
名称
代号
代号
名称
代号
名称
单位
表示法
塔
式
起
重
机
QT
轨
道
式
----
上回转塔式起重机
QT
额定
起重
力矩
Kn*m
主参数*10
Z
上回转自升塔机
QTZ
A
下回转塔机
QTA
K
快装塔式起重机
QTK
汽车式
Q
----
汽车塔式起重机
QTQ
轮胎式
L
----
轮胎塔式起重机
QTL
履带式
U
----
履带塔式起重机
QTU
组合式
H
----
组合塔式起重机
QTH
表2.1塔机分类形式及代号
塔机工作级别
塔机工作级别是设计人员进行结构机构设计计算的依据，根据利用等级和载荷状态，塔机分为6个工作级别。
塔机载荷
始终或经常作用在塔机上的载荷统属基本载荷，其中包括：
自重载荷，起升载荷，传动机构在启动和制动时加减速引起的动载负荷及离心力。
塔机参数
塔机参数包括基本参数和主参数，基本参数共10项。
幅度塔机空载时塔机回转中心线至吊钩中心垂线的水平距离。
起升高度空载时，对轨道式塔机，是吊钩内最低点到轨顶面的距离，对其他形式起重机，则为吊钩内最低点到支承面的距离。
额定起升载荷在规定幅度时的最大起升载荷，包括物品、取物装置的重量
轴距同一侧行走轮的轴心线或一组行走轮中心线之间的距离
轮距同一轴心线左右两个行走轮或左右两侧行走轮组、轮胎或轮胎组中心径向平面间的距离
起重机重量包括平衡重、压重和整机重
尾部回转半径回转中心线至平衡重或平衡臂端部最大距离
额定起升速度在额定起升载荷时，对于一定的卷筒卷绕外层钢丝绳中心直径，变速档位，滑轮组倍率和电动机额定工况所能达到的最大稳定起升速度
额定回转速度带额定起升载荷回转时的最大稳定转速
最低稳定速度为了起升载荷安装就位的需要，起升机构具有的最小速度
塔机的主参数是公称起重力矩
表2.2
公称起重力矩
100
160
200
250
315
400
500
600
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
6300
2．4塔机的电气设备
塔机的主要电气设备包括：
电缆卷筒－中央集电环
电动机
操纵电动机用的电器，如：
控制器、主令控制器、接触器、继电器和制动器等
保护电器：
自动熔断器，过电流继电器和限位开关等
主副回路中的控制、切换电器，如：
按钮、开关和仪表
属于辅助电气设备的有：
照明灯、信号灯、电铃、喇叭、通信手机等。
2．5塔机的工作机构
塔机的工作机构有5种：
起升机构、变幅机构、小车牵引机构、回转机构和大车走行机构。
动臂式塔机设臂架变幅机构，兼有架设和变幅2种功能。
小车变幅水平臂架塔机设小车牵引机构，或称小车变幅机构。
固定式塔机不设大车走行机构。
起升机构、变幅机构、小车牵引机构在构造上极为相似，均由电动机、联轴器、制动器、减速器和卷筒等部件构成。
3PLC的选择与课题介绍
3．1PLC的发展
可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,是专为工业环境下应用而设计的，可编程控制器（ProgrammableController）缩写为PC，为与个人计算机PC（PersonalComputer）相区别，在PC中加一个L，称可编程控制器为PLC。
可编程序控制器问世以来，经过近30年的发展，产品现已发展到第四代。
1969年美国的DEC公司研制出世界上第一台可编程序控制器，投入到通用汽车公司的生产线控制中，取的了满意的效果，从此开启了PLC的新纪元。
1971年日本从美国引进了这项新技术，很快就研制成了日本第一台可编程序控制器DSC-8。
1973到1974年西德和法国开始研制自己的可编程序控制器。
1974年我国开始研制可编程序控制器。
可编程序控制器为了适应在工业环境中使用，有如下的特点：
A．可靠性高，抗干扰能力强；
B．控制程序可变，具有很好的柔性；
C．编程简单，使用方便；
D．功能完善；
E．扩充方便，组合灵活；
F．减少控制系统设计及施工的工作量；
G．体积小，重量轻，是“机电一体化”特有的产品。
从PLC的发展趋势看，PLC控制技术将成为今后工业自动化的主要控制技术。
在未来的工业生产中，PLC技术、机器人、CAD/CAM和数控技术等将成为实现工业自动化的支柱技术。
3．2PLC的控制原理
可编程控制器是一种工业控制计算机，其核心就是一台计算机。
但由于有接口器件及监控软件的包围，因此，其外形不像计算机，操作使用方法、编程语言甚至工作原理都与计算机有所不同。
另一方面，作为继电控制盘的替代物，由于其核心为计算机芯片，因此与继电器控制逻辑的工作原理也有很大区别。
可编程控制器的工作过程如下：
a）输入处理
程序执行前，可变成控制器的全部输入端子的通/断状态读入输入映像寄存器。
在程序执行中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不变，直到下一扫描周期的输入处理阶段才读入这变化。
另外，输入触点从通（ON）→断（OFF）[或从断（OFF）→通（ON）]变化到处于确定状态止，输入滤波器还有一响应延迟时间（约10ms）。
b）程序处理
对应用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其他软元件的映像寄存器中将有关软元件的通、断状态读出，从0步开始顺序运算，每次结果都写入有关的映像寄存器，因此，各软元件（X除外）的映像寄存器的内容随着程序的执行在不断变化。
输出继电器的内部触点的动作由输出映像寄存器的内容决定。
c）输出处理
全部指令执行完毕，将输出Y的映像寄存器的通、断状态向输出锁存寄存器传送，成为可编程控制器的实际输出。
可编程控制器内的外部输出触点对输出软元件的动作有一个响应时间，即要有一个延迟才动作。
3．3用PLC控制塔机的优越性
《可编程控制器原理及应用》为电气控制、机电一体化专业的重要专业基础课之一。
它所涵盖的知识面相当广泛，对学生的要求比较高。
不仅要具备良好的编程知识，而且还应具备其它相关专业领域内的知识，并具有主动探索知识的能力。
可编程控制器是继单片机、STD总线后微机控制技术应用的又一里程碑。
由于极高的可靠性及应用极为方便，国内外正在迅速普及应用，并提高发展。
它早已突破纯粹开关量控制的局限而进入到过程控制、位置控制、通信网络 图形工作站等领域，成为机电控制及过程控制不可缺少的核心控制部分。
微机技术已经并继续在改变世界。
以微机技术为基础的可编程控制器也正在改变着工厂自动控制的面貌。
近20年来随着科学技术的迅猛发展，可编程控制器以其可靠性极高，能经受恶劣环境的考验使用极方便的巨大优越性，迅速占领工业自控领域，成为工业自动控制的首选产品，与机器人、CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。
起重机是一种循环、间歇运动的机械，主要用于物料的装卸，在工业生产、建筑及物流系统中是不可缺少的设备，有着广泛的用途。
塔式起重机是起重机的一种，适用于冶金、水泥、化工、及其他企业的仓库和车间，在室内或露天的固定空间，从事矿石、石灰石、矿粉、焦渣、焦碳、煤、矿等散粒物料的搬运工作。
由于该类型设备笨重，运输安装困难，对其他产品质量的检测一般要在现场进行。
由于对塔式起重机的检测需要在现场进行，就要求检测控制设备要接线方便、便于携带、工作可靠、控制灵活、PLC可以满足这些要求。
3．4塔机的电气控制设计内容
我主要设计起重机的PLC控制系统，主要完成电气控制部分，起重机控制应具有灵活的控制方式，合理的运行方式。
塔机工作机构分为5种：
起升机构；变幅机构；小车牵引机构；回转机构和大车走行机构。
动臂式塔机设臂架变幅机构，兼有架设和变幅两种功能。
起升机构，变幅机构及小车牵引机构在构造上极为相似，均由电动机、联轴器、制动器、减速器和卷筒等部件组成。
3．5PLC的选型
CPM1A系列PLC是欧姆龙公司生产的小型整体式可编程序控制器。
其结构紧凑，功能性强。
CPM1A系列PLC属于高性能小型机，它包括多种类型的主机，I/O扩展单元、实现模拟量输入/输出的特殊功能单元以及实现对外通信的通信单元等。
CPM1A系列PLC主机类型见表。
表3-1PLC主机类型
主机类型
型号
输出方式
使用电源
I//O扩展
外部中断
10点I/O型
输入：
6点
输出：
4点
CPM1A-10CDR-A
继电器
AC100~200V
最多2点
CPM1A-10CDR-D
继电器
DC24V
CPM1A-10CDT-D
晶体管（NPN）
CPM1A-10CDT1-D
晶体管（PNP）
20点I/O型
输入：
12点
输出：
8点
CPM1A-20CDR-A
继电器
AC100~200V
最多4点
CPM1A-20CDR-D
继电器
DC24V
CPM1A-20CDT-D
晶体管（NPN）
CPM1A-20CDT1-D
晶体管（NPN）
续表3.1
主机类型
型号
输出方式
使用电源
I//O扩展
外部中断
30点I/O型
输入：
18点
输出：
12点
CPM1A-30CDR-A
继电器
AC100~200V
最大可以连接3台20点的输入/输出扩展I/O单元
最多4点
CPM1A-30CDR-D
继电器
DC24V
CPM1A-30CDR-D
晶体管（NPN）
CPM1A-30CDR-D
晶体管（PNP）
40点I/O型
输入：
24点
输出：
16点
CPM1A-40CDR-A
继电器
AC100~20V
CPM1A-40CDR-D
继电器
DC24V
CPM1A-40CDT-D
晶体管（NPN）
CPM1A-40CDT1-D
晶体管（PNP）
CPM1A系列PLC为防止因输入信号抖动以及外部干涉而造成的误动作，对输入信号配备了可选择输入时间常数（1ms/2ms/4ms/8ms/16ms/32ms/64ms/128ms）的输入滤波器，实现了平稳的输入/输出。
在CPM1A系列PLC主机的的面板上。
除了正常的运行显示外，还包括两个可预置数据的模拟量设定电位器及连接外部设备和编辑器的外设端口，用户可以通过RS-232C或RS-422通信适配器连接其他PLC或上位计算机构成网络。
CPM1A系列PLC具有丰富的指令系统，其常用指令有17条，其他应用指令有76条。
除了基本逻辑指令、定时器/计数器指令、移位寄存器指令外，还有算术运算指令、逻辑运算指令、数据传送指令、数据比较指令、数据转换指令、高速计数器控制指令、脉冲输出控制指令、中断控制指令、子程序控制指令、步进控制指令及故障诊断指令等。
表3-2CPM1A指令一览表
助记符
字数
指令功能
助记符
字数
指令功能
ADB
4
二进制加
END
1
结束
ADD
4
单字BCD加
FAL
2
继续运行故障分析
ADDL
4
双字BCD加
FALS
2
停止运行故障分析
AND
1
与
IL
1
互锁
ANDLD
1
逻辑块与
ILC
1
解除互锁
ANDNOT
1
与非
INC
2
BCD递增
ANDW
4
字逻辑非
INI
4
模式控制
ASC
4
ASCII码转移
INT
4
中断控制
ASFT
4
异步移位寄存器
IORE
3
I/O刷新
ASL
2
算术左移
JME
2
跳转结束
ASR
2
算术右移
JMP
2
跳转
BCD
3
BIN→BCD转换
KEEP
2
锁存继电器
BCMP
4
块比较
LD
1
载入
BCNT
4
位记数
LDNOT
1
载入非
BIN
3
BCD→BIN变换
MCRO
4
宏指令
BSET
4
块设置
MLB
4
二进制乘
CLC
1
清进位位
MLPX
4
数字译码
CMP
3
单字比较
MOV
3
传送
CMPL
4
双字比较
MOVB
4
位传送
CNT
2
记数器
MOVD
4
数字传送
CNTR
3
可逆记数器
MSG
2
信息显示
COLL
4
数据调用
MUL
4
单字BCD乘
COM
2
字逻辑非
MULL
4
双字BCD乘
续表3.2
助记符
字数
指令功能
助记符
字数
指令功能
CTBL
4
注册比较表
MVN
3
传送非
DEC
2
BCD递减
NOP
1
空操作
DIFD
2
下微分
OR
1
或
DIFU
2
上微分
ORLD
1
逻辑块或
DIST
4
变址传送
ORNOT
1
或非
DIV
4
单字BCD除
ORW
4
字逻辑或
DIVL
4
双字BCD除
OUT
2
输出
DMPX
4
数字编码
OUTNOT
2
输出非
DVB
4
二进制除
PRV
4
当前值读出
PULS
设置脉冲
SRD
3
数字右移
RET
1
子程序返回
STC
1
置进位位
ROL
2
循环左移
STEP
2
步结束
ROR
2
循环右移
STIM
4
间隔定时器中断
RESET
2
复位
SUB
4
单字BCD减
SBB
4
二进制减
SUBL
4
双字BCD减
SBN
2
子程序定义
TCMP
4
表比较
SBS
2
子程序调用
TIM
2
定时器
SDEC
4
七段译码
TIMH
3
高速定时器
SET
2
置位
TR
暂存继电器
SFT
3
移位寄存器
WSFT
3
字位移
SFTR
4
双向移位寄存器
XCHG
3
数据交换
SLD
3
数字左移
XFER
4
块传送
SNXT
2
步定义/步开始
XNRW
4
字逻辑同或
SPED
速度输出
XORW
4
字逻辑异或
3．6塔式起重机PLC控制系统原理
本系统将塔式起重机控制系统由继
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