桥式起重机PLC控制改造设计.docx

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桥式起重机PLC控制改造设计

毕业设计（论文）答辩委员会

毕业设计（论文）成绩评定书

专业班级：

09电气自动化姓名：

孙国柱

毕业设计（论文）课题：

桥式起重机PLC控制改造设计

经毕业设计（论文）答辩，评定该同学的毕业设计（论文）

成绩为

毕业设计（论文）答辩委员会主任：

副主任：

年月日

毕业设计（论文）任务书

根据电气自动化专业教学计划安排，孙国柱同学毕业设计（论文）任务如下：

1、毕业设计（论文）课题：

桥式起重机PLC控制改造设计

2、原始资料：

桥式起重机电路原理图3张，起重机电气元件表一个，该起重机的起升机构采用主令控制器控制，大车、小车行走机构采用凸轮控制器控制，该起重机过载保护采用过流继电器，各方向均设有行程限位开关。

整个起重机控制系统共有4台电动机。

3、设计要求：

把上述起重机的继电-接触器控制系统改造成PLC控制，完成控制系统图绘制和PLC接线图的设计，主要完成PLC的选型设计和地址分配。

4、设计时间：

自9月23日至12月26日

指导教师：

成教处主任：

年月日

指导人评语：

成绩：

指导人：

年月日

评阅人评语：

成绩：

评阅人：

年月日

第1章绪论………………………………………………………………………………1

1.1电气控制技术的发展…………………………………………………………1

1.2对桥式起重机控制电路进行PLC改造的意义……………………………………1

1.3本设计的主要内容…………………………………………………………………2

第2章桥式起重机控制电路的原理分析…………………………………………………3

2..1桥式起重机简价……………………………………………………………………3

2.2起重机电动机的工作状态分析…………………………………………………….5

2.3起重机控制原理分析……………………………………………………………….7

第3章起重机PLC控制系统的设计…………………………………………………….16

3.1可编程序控制器的功能重操特点………………………………………………16

3.2PLC控制系统的设计基本原则与主要内容……………………………………18

3.3PLC硬件的选择…………………………………………………………………19

3.4减小所需I/0点数的方法…………………………………………………………22

3.5PLC的造型设计…………………………………………………………………25

第4章桥式起重机PLC控制系统的程序设计……………………………………………34

4.1PLC控制程序设计的一般步骤……………………………………………………34

42桥式起重机控制程序的设计………………………………………………………35

第5章桥式起重机PLC控制系统的检修…………………………………………………42

5.1桥式起重机常见故障及可能原因…………………………………………………42

5.2桥式起重机常见故障的检查………………………………………………………42

5.320T桥式起重机电气控制线路的常见故障的检修………………………………43

参考文献……………………………………………………………………………………46

结束语………………………………………………………………………………………47

第1章绪论

1.1电气控制技术的发展

19世纪末，电动机逐渐代替了蒸气机，出现了电力拖动。

在其初期，常以一台电动机拖动多台设备，或使一台机床的多个动作由同一台电动机拖动，称为集中拖动。

20世纪20年代电力拖动方式由集中拖动发展为单独拖动。

90年代出现了多电动机拖动方式。

它不仅简化了机械结构，也为机械的自动化控制创造了良好的条件。

此外，在生产过程中，要求对影响产品质量的各种参数能自动调整，这些都促使电气自动控制技术迅速发展。

继电-接触器控制系统的特点：

具有单一性，即一台控制装置只能针对某一种固定程序的设备，一旦程序有所变动，就得重新配线。

且其输入、输出信号只有通和断两种状态，因而该控制是断续的，不能连续反映信号的变化，故称为断续控制。

60年代出现了一种能够根据生产需要，方便地改变控制程序的顺序控制器。

它是通过组合逻辑元件的插接或编程来实现继电-接触器控制线路的装置，能满足程序经常改变的控制要求，使控制系统具有较大的灵活性和通用性，但仍使用硬件手段且装置体积大，功能也受到一定限制。

70年代出现了用软件手段来实现各种控制功能以微处理器为核心的新型工业控制器——可编程序控制器。

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气操作维护人员的技能和习惯，使用户程序的编制清晰直观，方便易学，且调试和查错容易。

它广泛应用于大规模的生产过程控制，具有通用性强，程序可变，编程容易，可靠性高，使用维护方便等优点，故目前世界各国已作为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制。

1.2对起重机控制电路进行PLC改造的意义

目前，在企业中运行着的许多生产设备在控制技术方面都趋于落后和老化，但并未完成设备的设计寿命。

特别是设备主体的工作性能还十分稳定和可靠，只是在新技术的应用上跟不上时代的发展，运行中的消耗偏高，效率较低，控制性能不够优越。

在这种情况下，若只为追求新技术的应用而提前进行设备的更新换代，将造成极大的浪费，同时增大设备投资的回收难度，提高企业的产品成本。

要解决上述问题，最有前途的作法是对现有设备进行技术改造，提高旧设备的新技术含量。

这样既能有效地发挥现有设备主体的工作性能，又能降低成本、提高效率。

起重机是具有起重吊钩或其它取物装置（如抓斗、电磁吸铁、集装箱吊具等）在空间内实现垂直升降和水平运移重物的起重机械。

它的特点是：

工作频繁，具有周期性和间歇性，要求工作可靠并确保安全。

起重机按其构造分，有桥架型起重机（如桥式起重机、龙门起重机等），缆索型起重机，臂架型起重机（如塔式起重机、流动式起重机、门座起重机、铁路起重机、浮动起重机、桅杆起重机等）；按其取物装置和用途分为：

吊钩起重机、抓斗起重机，电磁起重机，冶金起重机，堆垛起重机，集装箱起重机，安装起重机，救援起重机等。

它们广泛应用于工厂企业、港口车站、仓库料场、建筑安装、水（火）电站等国民经济各部门。

因为起重机工作频繁，具有周期性和间歇性，要求工作可靠并确保安全。

所以为了迅速提高企业对高新技术的消化速度和应用程度，提高对现有机电设备继电-接触器典型控制环节的分析能力，掌握大专所学技术理论知识，以20t桥式起重机控制电路的PLC改造设计为例，学习PLC控制系统的设计方法，合理选择和确定控制方案，提高PLC控制程序的编写技能和技巧，学习新老技术的完美结合，为将来从事技术管理工作打下坚实的基础。

1.3本设计的主要内容

1、电气控制系统的设计方法

2、继电接触器控制系统设计的一般要求

3、桥式起重机电路的设计

4、桥式起重机控制电路的工作原理

5、桥式起重机电路控制器件的选择

6、桥式起重机电路的检修

第2章桥式起重机控制电路的原理分析

2.1桥式起重机简介

2.1.1桥式起重机的构造与分类

桥式起重机主要由桥架、大车运行机构、起升机构、小车运行机构和电气控制设备等组成。

桥架是桥式起重机的基本构件，主要由主梁、端梁、走台等组成，结构示意如图2.1所示。

主梁上铺有钢轨供小车运行。

一般在主梁外侧装有走台，一侧为安装和检修大车运行机构而设，另一侧为安装小车导电装置。

主梁两端各与端梁相连接。

大车运行机构有分别驱动和集中驱动两种，目前我国生产的桥式起重机大都采用分别驱动方式。

小车由起升机构和小车运行机构组成，小车运行机构采用集中驱动方式。

桥式起重机的供电方式多采用角钢导电与电缆导电的滑线供电方式。

桥式起重机通常分为单主梁、双梁起重机两大类。

按吊具不同又可分为吊钩、抓斗、电磁、两用（吊钩和可换的抓斗）桥式起重机。

此外还有防爆、绝缘、双小车、挂梁等桥式起重机。

2.1.2桥式起重机的主要技术参数

桥式起重机的主要技术参数有起重量、跨度、起升高度、起升速度、运行速度和工作级别等。

1、起重量系指被起升物的重量，有额定起重量和最大起重量两个参数。

额定起重量是指起重机允许吊起的物品连同可分吊具重量的总和。

最大起重量是指在正常工作条件下允许吊起的最大额定起重量。

起重机械最大起重量在国家标准GB783-87中已有规定。

2、跨度起重机主梁两端车轮中心线间的距离，即大车轨道中心线间的距离称作跨度。

3、起升高度吊具或抓取装置的上极限位置与下极限位置之间的距离，称为起升高度。

4、工作速度桥式起重机的工作速度包括起升速度及大、小车运行速度。

起升速度指吊物（或其它取物装置）在稳定运动状态下，额定载荷时的垂直位移速度。

中、小起重量的起重机起升速度一般为8～20m/min。

小车运行速度一般为30～50m／min。

大车运行速度一般为80～120m/min。

起重机行程长可快些，行程短可慢些。

5、工作级别起重机的工作级别是根据起重机利用等级和载荷状态划分的，它反映了起重机的工作特性。

按工作级别使用起重机，可安全又充分发挥起重机的功能。

关于工作级别可参阅GB3811-83起重设计规范中的有关规定。

2.1.3桥式起重机对电力拖动和电气控制的要求

桥式起重机工作环境恶劣，粉尘大，温度高，空气潮湿，其工作性质为重复短时工作制。

因此，拖动电动机经常处于起动、制动、调速、反转工作状态；同时，负载很不规律，经常承受大的过载和机械冲击；另外，起重机要求有一定的调速范围。

为此，专门设计制造了YZR系列起重及冶金用三相感应电动机。

为了更好地起重行业更新桥式起重机配套电机的需要，在YZR系列基础上运用计算机重新设计其电磁方案，研究出了YZR-Z系列起重专用电机。

2.1.3.1起重用电动机的特点

1）电动机按断续周期工作制设计制造，其代号为S3。

在断续工作状态下用负载持续率FC%表示。

FC%=负载持续时间/周期时间*100%一个周期通常是为10min，标准的负载持续率有15％、25％、40％、60％等几种。

2）具有较大的起动转矩和最大转矩，适应重载下的起动、制动和反转。

3）电动机转子制成细长形，转动惯量小，减小了起、制动时的能量损耗。

4）制成封闭型，具有较强的机械结构，有较大的气隙，以适应多尘土和较大机械冲击的工作环境；具有较高的耐热绝缘等级，允许温升较高。

2.1.3.2提升机构与移动机构对电力拖动自动控制的要求

为提高起重机的生产率和安全，对起重机提升机构电力拖动自动控制提出如下要求：

1）具有合理的升降速度。

空载最快，轻载稍慢，额定负载时最慢。

2）具有一定的调速范围，受允许静差率的限制，普通起重机的调速范围为2-3。

3）提升的第一档应作为预备级，该级起动转矩一般限制在额定转矩的一半以下。

为了消除传动间隙，将钢丝绳张紧，以免过大的机械冲击。

4）下放重物时，依据负载大小，拖动电动机可运行在下放电动状态（加力下放）、倒拉反接制动状态、超同步制动状态或单相制动状态。

5）必须设有机械抱闸以实现机械制动。

大车运行机构和小车运行机构对电力拖动自动控制的要求比较简单，要求有一定的调速范围，分几档进行控制，为实现准确停车，采用机械制动

桥式起重机应用广泛，起重机的电气控制设备已系列化、标准化。

常用的电气设备有控制器、保护箱和控制站，可根据拖动电机容量大小、工作频繁程度和对可靠的要求来决定。

2.2起重机电动机的工作状态分析

2.2.1大车、小车行走机构电动机的正、反向电动状态运行

起重机大车和小车运行机构电动机的负载转矩为运行传动机构和车轮滚动时的摩擦阻力矩，其值为一常数，方向始终与运动方向相反。

因此，大车与小车来回移动时，拖动电动机处于正向与反向电动状态运行。

2.2.2提升重物时的正向电动工作状态

提升物品时，电动机负载转矩由重力转矩及提升机构摩擦阻转矩两部分组成，当电动机电磁转矩克服负载转矩时，重物将被提升；当二者相等时，重物以恒定速度提升。

特性如图2.2所示特性，此时电动机处于正向电动状态。

2.2.3下放空钩或轻载下放时的反向电动状态

当空钩或轻载下放时，由于负载重力转矩小于提升机构摩擦阻转矩，此时依靠重物自身重量不能下降。

为此，电动机必须向着重物下降方向产生电磁转矩，并与重力转矩一起共同克服摩擦阻转矩，强使空钩或轻载下放，这在起重机中常叫做强迫下降。

电动机工作在反转电动状态，如图2.3所示。

2.2.4下放在中载或重时的再生制动状态

在中载或重载长距离下降重物时，可将提升电动机按反转相序接线，产生下降方向的电磁转矩，此时电磁转矩与重力转矩的方向一致，仍如图2.3所示，使电动机很快加速并超过电动机的同步转速。

此时，转子绕组内感应电动势和电流均改变方向，产生阻止重物下降的电磁转矩。

当电磁转矩=负载转矩时，电动机以高于同步转速的速度稳定运行，所以也可称为超同步制动，如图2.4所示。

2.2.5下放重载时的倒拉反接制动状态

在下放重型载荷时，为获得低速下降，确保起重机工作安全平稳，常采用倒拉反接制动。

此时，电动机定子仍按正转提升相序接线，但在转子电路中串接较大电阻，这时电动机起动转矩小于负载转矩死，因此电动机就被载荷拖动，迫使电动机反转，反转以后电动机的转差率增大，转子的电动势和电流都加大，转矩也随之加大，如图2.5所示。

2.2.6低速下放轻载或中载时的单相制动状态

单相制动状态是将电动机定子三相绕组中的任意两相并联后与第三相绕组串联接在电源线电压上，使电动机构成单相接电状态。

这时，电动机定子产生一个脉动磁场，将这个脉动磁场分解为两个转速相同、转向相反的旋转磁场。

这两个旋转磁场都要产生感应电流，产生转矩。

所以，电动机的电磁转矩将是这两个旋转磁场产生的转矩之和。

图2.6中曲线1、2分别为正向和反向旋转磁场产生的机械特性，曲线3为合成机械特性。

由曲线3可知，当n=0时，电磁转矩=O，故此时电动机通电后不能起动旋转，但若在外力作用下使电动机起动，可使电动机工作。

如果加大电动机转子外加电阻，使其正向与反向特性变软，则合成特性为一条通过坐标原点在二、四象限的直线，如图2.7所示，此时电动机处于制动状态。

这时，如果电动机在重力负载作用下，电动机将处于第四象限的倒拉制动状态，称为单相倒拉制动，适用于轻载低速下降。

与倒拉反接制动下放物件相比，不会出现轻载不但不下降反而上升之弊端。

但不适用于重载下放，因此时将发生高速下降的飞车事故。

2.3起重机控制原理分析

2.3.1起重机的保护箱

起重机电气控制一般具有下列保护与联锁环节：

电动机过载保护；短路电流保护；失压保护；控制器的零位保护；行程限位保护；舱盖、栏杆安全开关及紧急断电保护等。

另外，起重机有关机构安装各类可靠灵敏的安全装置，常用的有缓冲器、起升高度限位器、负荷限制器及超速开关等。

采用凸轮控制器或凸轮、主令两种控制器操作的交流桥式起重机，广泛使用保护箱。

保护箱由刀开关、接触器、过电流继电器等组成，用于控制和保护起重机，实现电动机过流保护，以及失压、零位、限位等保护。

起重机上用的标准保护盘为XQB1系列。

图2.8为XQB1-250-4F/口型保护箱的电气原理图。

它用来保护4台绕线转子感应电动机，大车为分别驱动。

图中Q为三相刀开关，KM为线路接触器，KOC0为总过电流继电器，KOC1～KOC4为各机构电动机过电流继电器，SA1、SA2、SA3分别为小车、提升、大车控制器的零位保护触点，SQ1-SQ5分别为大车、小车和提升机构的限位开关，SQ6为紧急事故开关，SQ7、SQ8为舱口门和桥架门安全开关，HL为电源信号灯，AL为电铃，XS1～XS3为电源（36V、220V）插座，EL1～EL4为照明灯。

图2.8XQB1-250-4F/口型保护箱的电气原理图

2.3.1起升机构控制原理分析

大车主回路

大车控制回路

大车控制过程

（1）向左运动的控制

1）闭合开关F1,接通电源。

将开关拨至左运动档位，合上开关Q10、Q70为释放抱闸做准备，再合上开关Q11、Q12作为电动机启动前的准备。

热继电器的辅助常开触点Q10、Q70闭合线圈K00得电，其常开触点闭合，使后续电路通电延时线圈K04、K05同时通电，其相应触点开始延时，到延时时间后其延时闭合触点闭合，为以后切除电阻做好准备。

2）由“0”档拨至“1”档时，各触点均无动作，只是接通制动器线圈K70，使其主回路中的常开触点闭合，4台主电机制动器线圈接通电源。

制动器松开，为电动机运行做好准备。

在整个操作过程中制动器线圈一直保持通电，制动器一直维持松闸状态。

3）由“1”档拨至“2”档时，正转接触器线圈K11线圈得电，常开触点闭合，由于开关Q11、Q12已提前闭合，所以主电路通电，电阻全部串入，使4台主电机通电。

同时K11线圈常闭触点断开，与反转接触器线圈K21形成电气互锁，电路途经左行程限位开关-S91-D，防止大车机构超过前极限位置，起到保护作用，“2”档位并没有切除开关，只是起到了启动电机的作用。

4）由“2”档拨至“3”档时，由于延时继电器线圈的延时闭合触点已经闭合，所以档位转换后线圈K431、K432、K01同时通电，其中线圈K431、K432常开触点闭合切除主电路第一段电阻，电动机加速运行，通电延时闭合常开触点K01计时并闭合，为自动切除后续电阻做好准备，同时延时继电器线圈K01通电开始延时为切除下一段电阻做准备。

5）由“3”档拨至“4”档时，线圈K421、K422、K02同时通电，其中线圈K421、K422常开触点闭合切除第二段电阻，并形成自保，电动机加速运行。

与此同时通电延时闭和线圈K02通电并开始计时，达到其预设时间后，其通电延时闭合常开触点闭合，使K411、K412、K02线圈自动得电，线圈K11、K412常开触点闭合自动切除第三段电阻，并形成自保，电动机继续加速。

通电延时闭合触点常开触点K03计时并通电，使线圈K401、K402自动通电，并且其常开触点自动闭合切除第四段电阻，并形成自保，至此电动机只接入最后一段固定软化特性电阻，达到一个稳定的的速度，稳定运行。

由此而知，转子串入的电阻分为四段，第一段和第二段电阻由控制器手柄操作，并配合一定的延时控制，后两级电阻由接触器控制自动切除。

主电路在每个电机回路中都串入了过流继电器线圈，控制回路串入了行程开关，因此在以上控制过程叙述中有任一环节发生过流现象以及超过规定的行程时，过流继电器线圈以及行程触点都会马上动作切断电路，使电动机停止运行。

还有主控制回路中的热继电器具有过载保护、断相保护、电流不平衡保护，当发生其中任一项时，热继电器的常开触点就会断开，保护电机。

（2）向右动作原理与向前运动原理相同，此处不做过多介绍。

小车主回路

小车控制回路

小车控制过程

（1）向前运动的控制

1）闭合开关F1,接通电源。

将开关拨至前运动档位，合上Q71，Q11为为释放抱闸做准备。

热继电器的辅助常开触点Q11、Q71闭合使线圈K00得电，其常开触点闭合，使后续电路通电延时线圈K04、K05同时通电，其相应触点开始延时，到延时时间后其延时闭合触点闭合，为以后切除电阻做好准备。

2）由“0”档拨至“1”档时，各触点均无动作，只是接通制动器线圈K71，使其主回路中的常开触点闭合，2台电机制动器线圈接通电源。

制动器松开，为电动机运行做好准备。

在整个操作过程中制动器线圈一直保持通电，制动器一直维持松闸状态。

3）由前进“1”扳至前进“2”档时，正转接触器线圈K11通电，常开触点闭合，闭合的触点用于接通主电路，电动机开始运行，同时形成自保，并为以后工作做好准备；，常闭触点断开，断开的触点有一部分与后退接触器形成电气互锁，一部分断开通电延时闭合线圈K04，使其延时闭合触点断开。

4）由前进“2”扳至前进“3”档时，由于延时触点K05已经闭合，因此线圈K431和线圈K432得电，其触点相应动作，切除第一段电阻，电动机加速运行，同时通电延时线圈K01得电开始延时，延时时间到其延时闭合常开触点闭合，为切断下一段电阻做准备。

5）由前进“3”扳至前进“4”档时，线圈K421和线圈K422，常开触点闭合自动切除第二段电阻，并形成自保，同时通电延时线圈K02通电，当K02线圈延时时间到，其延时闭合常开触点闭合，使线圈K411和线圈K412，常开触点闭合自动切除第三段电阻，并形成自保，同时通电延时线圈K03通电，，当K03线圈延时时间到，其延时闭合常开触点闭合，使线圈K401和线圈K402，常开触点闭合自动切除第四段电阻，并形成自保。

至此，电动机在固定软化特性电阻下达到一个稳定的速度，稳定运行。

由此而知，转子接入了四段电阻，第一段和第二段电阻由控制器手柄操作，并配合一定的延时控制，后两级由接触器控制自动切除。

主电路在每个电机回路中都串入了过流继电器线圈，控制回路串入了行程开关，因此在以上控制过程叙述中有任一环节发生过流现象以及超过规定的行程时，过流继电器线圈以及行程触点都会马上动作切断电路，使电动机停止运行。

还有主控制回路中的热继电器具有过载保护、断相保护、电流不平衡保护，当发生其中任一项时，热继电器的常开触点就会断开，保护电机。

（2）向后运动的控制

主令控制器反向第一档为反接制动停车，如要快速停车，可将手柄由正转第一位推向反转第一位，这时在转子回路中串入全部电阻，因此电流不会超过容许值，档转速快接近零时，迅速将手柄扳回“0”位。

后退原理与前进原理相似，此处不做过多介绍。

主起主回路

主起控制回路

主起控制过程

（1）上升控制过程

1）合上开关Q11、Q71，制动器的常开触点闭合为松开抱闸做准备，将开关拨至上升档位，由于F21、F22检验电流，其常开触点闭合，线圈K00得电，其常开触点闭合控制回路得电，同时A31得电，A31中的上升按钮闭合线圈K011得电，其常开触点闭合接通线圈K11其常闭触电断开形成自保，常开触点闭合松开抱闸，为电动机运行做好准备。

闭合开关Q21、Q22，线圈K31、K32得电检测转子电压，当发生转子过电压时立即动作使电动机停止运行。

2）当档位由“0”档扳至上升“1”档时，线圈K01通电，其常开触点闭合K011，电动机接通10%的点，电动机正转以额定转速的10%运行。

3）当档位由“1”档扳至上升“2”档时，线圈K03通电，其常开触点闭合，电动机接通20%的点，电动机以额定转速的20%运行。

4）当档位由“2”档扳至上升“3”档时，线圈K04通电，其常开触点闭合，电动机接通30%的点，电动机以额定转速的30%运行。

5）当档位由“3”档扳至上升“4”档时，接触器线圈K05通电，其常开触点闭合，电动机以额定转速运行。

在主起电路中串入了行程开关及电流、电压监测装置，因此在以上控制过程叙述中有任一环节发生过流现象、转子过压现象以及超过规定的行程时，过流继电器线圈、监测转子过压装置以及行程触点都会马上动作切断电路，使电动机停止运行。

当电动机到达了正常转速的情况下，还想要进一步提高转速时，由于转速与频率成反比，因此利用变频装置的档位来切除电阻提高电动机的转速。

当闭合25HZ档位时，线圈K041通电常开触点闭合，使线圈K411、K412同时得电，常开触点闭合切除主电路第一段电阻，电动机加速运行。

闭合12.5HZ的档位时，线圈K040得电，常开触点闭合，由于在闭合25HZ档位时线圈K411、K412已经闭合，线圈K401、K402同时通电，切除第二段电阻。

电动机在固定软化电阻下运行。

（2）下降控制过程