最新毕业设计桥式起重机的PLC改造.docx
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最新毕业设计桥式起重机的PLC改造
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【答案】C
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A.过程文件的建立需使用MODIFYCOMMAND命令
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济源职业技术学院
毕业设计
题目
桥式起重机的PLC改造
系别
电气工程系
专业
电气自动化
班级
0903
姓名
王欢
学号
09040308
指导教师
胡满红
日期
2011.10
设计任务书
设计题目：
桥式起重机的PLC改造
设计要求：
1.采用PLC作为控制核心，采用变频器拖动电动机，对传统的继电器控制桥式起重机的升级改造。
2.PLC作为整个控制系统的核心，接受主令控制发出的桥架大车向前、向后、小车左右、卷扬的升降、调速等控制信号。
设计进度要求：
第一周：
去现场观察起重机的安装过程、工作过程，收集相关资料。
第二周：
制作PLC程序、设计硬件线路。
第三周：
设计的调试。
第四周：
总结整理文档，准备答辩。
指导教师（签名）：
摘要
本设计着重论述采用西门子S7-200（224）型PLC作为控制核心，采用变频器西门子MM440来拖动电动机，实现传统的继电器控制桥式起重机的改造。
为降低工作劳动强度，采用三档位的主令控制器发出的向前、向后、升降、调速等控制信号，经PLC内部运算后发送给变频器。
变频器接受来自PLC的控制信号，控制电动机按照操作人员的操作运行。
可实现起重机的大车、小车的前后运行，卷扬电机的升降以及变速运行。
主令控制器的开关与常用的启动、停止等按钮集中与操作面板上，供操作人员使用。
关键词：
PLC，变频器，桥式起重机，主令控制器
目 录
1桥式起重机的简介与升级改造
1.1桥式起重机的简介
起重机属于起重机械的一种，是一种作循环、间歇运动的机械。
一个工作循环包括：
取物装置从取物地把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行反向运动，使取物装置返回原位，以便进行下一次循环。
桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。
起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。
起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。
电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。
小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。
1.2桥式起重机的升级改造
传统桥式起重机采用继电器控制与串电阻调速，使用凸轮控制器控制各台电动机。
而桥式起重器一般在码头、厂房内，工作环境相当恶劣，并且重载下频繁起动、制动、反转、变速等，要求有一定的调速范围。
所以传统的继电器控制与串电阻调速已呈现诸多弊端，有必要采用新的控制方法对其进行改造。
随着工业自动化的发展，PLC、变频器在工厂设备改造中得到了广泛应用。
PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，适应性强，应用灵活，编程方便，易于使用，控制系统设计、安装、调试、维修方便，维修工作量少等一系列的优点。
而变频器可以提供频率可调的交流电源，并且可以实现多段速度控制。
因此，“PLC+变频器”的控制方式在桥式起重机的改造中十分流行。
1.3桥式起重机改造后的优点
经改造的桥式起重机有以下优点：
⑴桥式起重机的启动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速，定位更加准确，减少了负载波动，安全性大幅提高。
⑵系统运行的开关器件实现了无触点化，具有半永久性的寿命。
⑶由于电动机启动电流限制得较小，频繁启动和停止时电动机热耗减少，寿命延长。
⑷电磁制动器在低速时动作,其闸皮的磨损很小，使用寿命延长。
⑸降低了对电网的冲击。
⑹节约能源，变频调速的启动、制动、加速、减速等过程中，电机运行电流小。
以本案来讲，节能可达30%左右。
2设计要求及方案选择
2.1系统设计要求
现有一台单梁5t交流桥式起重机，采用起重用绕线式交流异步电动机拖动，其中横梁的移动使用2台相同的电动机，小车的移动使用一台电动机，主钩使用一台电动机。
4台电动机均采用了转子串电阻调速方式，以增加启动转矩，减少启动电流。
由于工作环境恶劣，空气中的水分对电机滑环、碳刷及接触器腐蚀较大，加上任务重，操作流程复杂，冲击电流大，触头消蚀严重，碳刷冒火，电机及转子绕组所串电阻烧损、断裂故障时有发生，对生产影响较大。
转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时，转速也变化，调速效果差，所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。
要求对其进行改造，减少电路中的冲击电流，改变调速方式，减少操作人员劳动强度，提高系统效率。
2.2题目分析
设计要求中原有的交流桥式起重机系统采用接触器控制电源电路的启动、停止、限位；使用凸轮控制器控制大车、小车的前进、后退；而主钩的前进、后退、加速、减速等动作使用主令控制器完成。
4台电动机都使用转子串电阻调速，其中主钩电动机串有7级电阻，其余电动机串有5级电阻。
经分析，电路中凸轮控制器的触点上流过的即是电动机的工作电流，操作开关开合时容易出现冲击电流，减少了接触器触点寿命。
为了延长使用寿命，触点往往做得十分笨重，不仅增加了设备体积，也给操作带来了不变；转子串电阻的调速方式使机械特性变软，所串电阻长期发热，极大地浪费了电能；每一台电动机配备一台凸轮控制器或主令控制器的方式使得操作面板上的控制开关种类繁多，容易出现误操作。
为了克服以上缺点，在改造中采用PLC代替接触器开关，使设备体积减小，操作强度也随之下降；使用桥式专用变频器代替转子串电阻调速，增加了机械特性硬度，也不存在发热问题，提高了系统效率；4台电动机共用一台主令控制器控制，减少了按钮数量，从而提高了系统可靠性。
原有系统中的电磁抱闸装置，过电流保护装置，动作限位开关，横梁栏杆安全开关，舱门安全开关等安保装置均予以保留，以提高整个系统的可靠性。
2.3系统方案选择
从以上的题目分析来看，改造后的交流桥式起重机控制系统包含如下几个部分：
主令控制器、热继电器、限位器、交流接触器、PLC、3台变频器、4台电动机（大车电动机两台），其控制框图如下图
图1交流桥式起重机控制系统框图
本设计使用PLC实现主令控制器的开合表的逻辑功能，以代替原有系统中为每台电动机设置一台主令控制器或凸轮控制器的设计。
为了避免主令控制器占用过多的I/O。
保护输入均保留传统的开关器件，并将其输入到PLC中以便处理。
本系统共有输入点15个，输出点6个，共21个I/O口。
采用西门子S7-200（226）型PLC作为控制核心，该PLC集成RS-485通信接口，具有较强的通信能力；拥有7个扩展模块，可连接外部数字量扩展模块；拥有继电器输出、晶体管输出两种方式，具有较强的控制功能。
本系统使用晶体管输出，寿命长，可适用于频繁开合的场合。
由于S7-200（226）型PLC的本机数字量I/O为24入/16出，已能满足本系统对I/O口的要求，因此外部不需要扩展EM223（8入/8出）模块。
由于起重机机构多为恒转矩负载，故选用带低速转矩提升功能的电压型变频器。
平移机构惯量较大，负载变化相对小，属于阻力性负载，故大车、小车、卷扬电机选用西门子的MM440型变频器，可获得稳定的工作状态和良好的机械特性。
桥式起重机的电气传动系统有大车电动机两台、小车电动机一台、5吨主钩提升电动机各一台，这次设计总的思路是用3台变频器来控制4台电机。
起重机提升和运行机构的调速比一般不大于1:
20，且为断续工作制，通常接电持续在60%以上，负载多为大惯量系统。
因此起重机的运行机构选用普通电机，提升机构的电机选用适合频繁起动、转动惯量小、起动转矩大的变频用电机。
电动机功率的选择，必须根据生产的需求来决定。
一般来说，起重机用电动机比一般工业生产机械所用的电动机的功率大10%左右。
3系统硬件设计
由于本设计采用一台S7-200型PLC控制三台变频器操作4台电动机的运行，因此，三台变频器所需的输入口线均接在这台PLC上，再由三台变频器分别控制相应的电动机。
下图（图2）画出了桥式起重机的PLC控制原理图。
图2桥式起重机的PLC控制原理图
3.1PLC实现的主令控制器
继电接触器为基础的桥式起重机电路，往往以凸轮控制器实现大车、小车、的操作，以主令控制器加继电器并实现大车的操作。
但凸轮控制器操作中同时切换的触点毕竟太多，且切换的又多是电动机主电路的触点，为了切换大容量电流，触点都制造得厚重，这就为操作带来了阻力和很大的劳动强度。
另一方面，凸轮控制器中有形的触点在频繁的切除中很容易出故障，给维修带来了不便。
本设计中设法使用PLC实现起重机中各电动机主辅电路的逻辑连接关系，将有形的触点化为PLC内部无形的逻辑关系。
表1给出了一个经精简后的主令控制器的开合表，并为各挡位接通的触点安排了PLC的输入口。
为满足大电流切换的需要，PLC的输出必须连接接触器及继电器。
表1三档主令开关开合表
输入端口
向前
向后
停止
I0.0、I0.5、I1.2
x
I0.1、I0.6、I1.3
x
I0.2、I0.7、I1.4
x
注x--接通
本设计一个三档位主令控制器及升降速按钮作为操作器件，使用PLC及继电器模拟凸轮控制器工作。
三档位的主令控制器的开合表如表1所示。
该主令控制器可以实现电动机正向运行选择及反向运行选择间的机械互锁，汽车档位式的设计符合起重机操作人员的操作习惯，使用变频器上特有的两只按钮进行升降速也更加方便，其实现的控制要求主要有：
⑴在按动变频器面板上调节按钮时，使其变成加减速档位，以控制输入电动机的电源频率大小。
⑵电动机的方向控制由主令控制器实现，手柄置向前位时，I0.0、I0.5、I1.2接通，驱动变频器带动电动机正转；手柄置向后位时，I0.1、I0.6、I1.3接通，驱动变频器带动电动机反转。
3.2限位器及安保电路
桥式起重机作为工矿、机械中重要的起吊设备，对安全性与可靠性的要求较高。
起重机设有紧急开关，可以在出现事故时紧急停止，横梁（大车，下同）设有栏杆安全开关，操作舱设有舱口安全开关，横梁、小车、主钩均设有安全限位开关和电磁抱闸系统，电路设有过电流继电器。
这些保护可以保证起重机的安全运行，现分别叙述这些保护模块的功能。
另外变频器内部包含短路、过压、缺相、失压、过流、超速、接地等各种保护功能和故障自诊断及显示报警功能，可在电动机出现这些故障时起保护作用，在此不再赘述。
3.2.1按键开关的去除抖动功能
桥式起重机限位器包含横梁前后向限位开关、小车左右向限位开关、主钩限位开关。
本系统的限位开关使用直动式行程开关，它的动作原理是靠移动物体碰撞其可动部件使常开触头接通、常闭触头分断，实现对电路的控制。
移动物体一旦离开，行程开关复位，其触点恢复为原始状态。
各开关按照电动机容量并留有一定余量选定，推荐选用YZ或JLXK1系列开关。
3.2.2安保开关
安保开关包括横梁栏杆安全开关、操作舱安全开关、紧急开关、各电动机过电流保护开关等。
将这些开关接在PLC输入口上，构成起重机的安全保护电路。
3.2.3电磁抱闸
起重机是一种间歇动作的机械，要经常地启动或制动。
为保证起重机安全准确的吊物，无论起升机构中或者运行机构、旋转机构中都应该设有制动装置。
本设计采用机械抱闸装置YA，将该装置并联在三相交流电源A、C两相上。
当按下启动按钮后，YA得电打开，按下停止按钮时，YA抱紧，起制动作用，YA与电动机同步。
3.3可编程控制器
PLC是本系统的控制核心，负责接收主令控制器、限位器、开关等输入器件和变频器等输出器件的开通与关断。
3.3.1可编程控制器特点
3.3.1.1高可靠性、抗干扰能力强
⑴所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
⑵各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.
⑶各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
⑷采用性能优良的开关电源。
⑸对采用的器件进行严格的筛选。
⑹良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
⑺大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
3.3.1.2丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流，开关量或模拟量，电压或电流，脉冲或电位，强电或弱电等，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块，为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等。
3.3.1.3采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
3.3.2可编程控制器选型
在控制上，要求PLC可靠工作，基本实现无触点控制，方便整个系统升级，且更加节能。
目前，国内外有多家公司生产了一系列的PLC，它们都具有各自的特点。
例如三菱公司生产的PLC环境适应能力较强，往往用于重工业领域等环境复杂的地方，典型应用为机床；欧姆龙公司生产的PLC功能强大，系列齐全，但是环境适用能力不如其他的PLC，通常用于电子行业；而西门子公司的PLC编程简单，很容易实现结构化编程，通信能力强，较适用于初学者适用。
综合各种PLC的性能、价格以及易用性，本设计选用西门子的S7-200系列PLC。
该系列的PLC属于小型可编程控制器，有很强的通信功能，在大型网络控制系统中能充分发挥作用，方便日后整个起重机系统升级。
S7-200系列PLC提供5种不同的基本单元（CPU），其中，CPU221型PLC不提供扩展功能，其数字量I/O为6入/4出，无法满足系统设计要求。
考虑到桥式起重机的I/O口较多，选择CPU224或CPU226外加EM223模块的PLC均可满足本系统的设计要求。
本设计选用CPU型号为CPU226的PLC，这样I/O数量为24入/16出，满足系统要求。
日后若要对系统进行升级，只需增加数字量扩展模块即可。
桥式起重机PLC控制原理图如图2所示。
其主要功能如下：
1）变频器运行、停止控制；
2）控制制动器，保证电动机停止时能够及时制动，既不提前，也不延后；
3）升降变频器控制方式切换；
4）电气闭锁保护控制；
5）任何时刻断电，系统将会立即停止运行，制动器制动。
3.3.3I/O端口分配
表2I/O端口分配表
I/O点
用途
小车正转启动按钮
I0.0
小车反转启动按钮
I0.1
小车停止按钮
I0.2
小车左限位保护
I0.3
小车右限位保护
I0.4
大车正转启动按钮
I0.5
大车反转启动按钮
I0.6
大车停止启动按钮
I0.7
大车前限位保护
I1.0
大车后限位保护
I1.1
主钩正转启动按钮
I1.2
主钩反转启动按钮
I1.3
主钩停止按钮
I1.4
主钩上限位保护
I1.5
主钩下限位保护
I1.6
小车电机正转
Q0.1
小车电机反转
Q0.2
大车电机正转
Q0.3
大车电机反转
Q0.4
卷扬电机正转
Q0.5
卷扬电机反转
Q1.6
本系统的输入口包括各电动机限位、各电动机启停、各电动机故障输入、过电流保护、急停等；输出口包括主电路电源、急停输出、复位输出、各电动机电源、大车、小车、主钩正反转、过电流保护输出等。
其中主回路启停输入由按钮开关接入PLC，用以控制总电路的通断，当按下停止按钮时，整个系统将完全停止，PLC中保存的档位信息清零，电磁抱闸机构开通，各电动机抱闸，保证现场工作人员的安全。
主令控制器各位置接入PLC的输入端口，操作人员可通过控制屏控制电动机的正反转，加减速等操作。
各电动机限位开关保证电动机在规定的位置内移动，过电流保护输入是防止由于过电流造成的电动机过载。
各电动机启停与故障输入接在PLC的输入端口上，用以控制电动机的启动与停止。
急停与复位按钮是出现紧急情况时的控制按钮。
以上为输入端口的分配方式，下面介绍输出端口的分配方式：
主电路电源以及各电动机电源为整个电路提供电源，由于各电动机均设有独立的电源，所以各电动机可以单独控制。
当电动机紧急情况时使用急停输出、复位输出复位到初始状态，它们接在PLC的输出端口上，并通过继电器接到变频器上。
大车、小车、主钩的变频器输出、过电流保护输出是控制和保护各电动机工作的口线。
将控制桥式起重机的线路接在PLC的I/O口上，通过软件编程就可以控制系统的工作了。
3.3.4PLC系统接线方式
可编程控制器完成系统逻辑控制部分，含接受主令控制器送来的操作信号、对变频器的控制及系统的安全保护，是系统的核心。
现说明PLC的接线及工作过程。
图4PLC及变频器接线示意图
电机PLC及变频器的接线示意图如图4所示。
图中电动机的启动按钮、停车按钮，限位器等多个触点，以及系统安保用的各种防护设备都接在PLC的输入口上。
输出口上接的是小型继电器。
3.4变频器
变频器为电动机提供频率可调节的交流电源，是实现电动机速度调节的关键设备。
本系统变频器采用西门子MM440系列起重专用变频器。
3.4.1变频器控制方式的选择
由于起重机机构多为恒转矩负载，故选用带低速转矩提升功能的电压型变频器。
大车、小车是普通反抗性负载，负载变化相对小，属于阻力性负载；而主钩负载变化大，属于位能性负载，为获得快速的动态响应，实现对转矩的快速调节，获得理想的动态性能，通常采用矢量控制方式，故选用西门子MM440型变频器，采用闭环矢量控制方式以获得稳定的工作状态和良好的机械特性。
从变频器工作频率的控制来看，可以采用变频器模拟量电压控制端加面板控制方式，这样电动机的转速是无极调速的。
但这样的方式与传统的操作方式相差较远，考虑到转速平滑调节对起重机来说很重要，则可以采用变频器面板上的调频键调出不同的频率来选择对电机速度的控制，这和选取主令控制器作为操作器件是配套的。
采用变频器后，电动机的正反转控制也变得简单的多了，不再需要使用接触器交换电源的相序，只要操作变频器与PLC相连的控制端口就可以了。
3.4.2变频器容量的选择
变频器容量的选择是以电动机的额定功率为依据的。
由于绕线转子异步电动机与通用鼠笼异步电动机相比，其绕组的阻抗较小，因此使用变频器调速时应考虑纹波电流引起的过电流跳闸情况，同样功率下的电动机，绕线转子异步电动机额定电流往往较大，所以选择时应考虑一定余量。
虽然起重机升降机构的转动惯量很小，加速时间较短，但考虑到电网电压波动的因素，以及安全劳动部门对起重机1.25倍额定静载荷检测要求等因素来选择起升机构电动机的变频器容量。
大车、小车运行机构属于大惯量负载，其加减时间一般不超过20s，变频器的短时过载能力为150％，不同的加速时间对变频器容量的计算不同，当加速时间>2min时，变频器功率选择应放大些，以此来选择大车、小车运行机构电动机的变频器容量。
3.5电动机选择
桥式起重机的运行机构多为恒转矩负载，可以使用专用的变频调速起重电机，也可以使用起重机原有的线绕转子电动机，将转子绕组短接就可以了。
提升机构的电机选用适合频繁起动、转动惯量小、起动转矩大的变频用电机。
目前，国外以四极电机作变频电机首选极数。
电机功率为：
式1
式中P——功率，kw；
W——额定起重量（最小幅度时）＋吊钓重量＋钢丝绳重量，N；
V——提开速度，m/s；
η——机械效率。
用变频器驱动异步电动机时，由于变频器的换向冲击电压及开关元件瞬间的开闭而产生冲击电压（浪涌电压）引起电机绝缘恶化，对电压型PWM变频器应尽量缩短变频器与电机间接线距离或者考虑加入阻尼回路（滤波器）。
电动机功率的选择，必须根据生产的需求来决定。
一般来说，起重机用电动机比一般工业生产机械所用的电动机的功率大10%左右。
电动机的选择取决于下面两个主要条件：
（1）发热电动机在工作时，一方面将电能转变为机械能而做功，另一方面由于电动机绕组本身的阻抗要消耗一部分电能转变成热能，使电动机的温度升高。
电动机由于受体积结构等的限制，内部绝缘材料的耐热能力很差，极易造成老化。
当温度超过电动机所允许的限度时，绝缘能力被破坏，电动机将烧毁。
电动机铭牌上都规定有电动机的温升，它指的是电动机在额定负载下运行时，定子发热后的允许温升与周围环境温度之差。
（2）过载能力各种电动机都有一定的过载能力。
交流电动机的过载能力tm是最大转矩
与额定转矩
的比值，即一般起重机用的交流异步电动机的过载能力为2.5～3.3。
交流电动机的过载能力为：
式2
式中，
--电动机允许的最大转矩；
--电动机的额定转矩。
各种电动机的过载能力可从设计手册中查得。
电动机因过载而发生温升需要有一段时间，从发热方面来说，容许有短时的过载。
但就过载能力而言，即使在很短时间内也是允许的。
所以发热和过载能力必须同时考虑。
桥式起重机的电气传动系统有大车电动机两台、小车电动机一台、5吨主钩提升电动机各一台。
根据分析计算后电机的基本选型见表4。
表4电动机的选择
各部分
型号
标称功率KW
额定电流A
额定转矩N.m
额定转速m/min
过载能力
转动惯量kg.m
重量
kg
小车
YZ132M2-6
3.7
9.2
70
20
3.5
0.085
125
大车
YZ160L-6
11
24.6
140.0
14
3.5
0.148
210
主钩
YZ250M1-8
30
67
700.2
8
3.3
1.768
680
3.6安全装置
起重小车的安全装置主要有栏杆、限位开关等
3.6.1栏杆
桥式起重机起重小车运行的轨道中间为钢丝绳和吊钩工作的空间，考虑到维修人员在小车上工作的安全，小车架朝着这个空间的两边都焊有保护栏，小车架的另两边朝着走台，为方便维修人员的上下小车不设栏杆。
3.6.2限位开关
当起升机构或运行机构运动到极端位置时，用限位开关来切断电源开关，防止因操作失误发生事故。
4系统软件设计
PLC程序的编制以实现PLC在系统中的任务为目的。
整个桥式起重机的程序分为大车程序、小车程序、主钩程序3个部分。
大车、小车、主钩程序接收相应的按钮输入。
实现PLC模拟的主令控制器的功能，并将信息存入中间继电器中。
而大车、小车、主钩等程序分别具体控制各电机的运行。
现分别介绍各程序的功能：
4.1大车控制程序
在设计各电动机控制程序的过程中，只需要将程序输出到中间继电器中的电机正传、反转以及变速信息接到相应的输入端口上即可。
各电机控制程序加接单独的过电流保护，故大车控制程序介绍大车电动机控制程序的编程思路。
大车运行流程图如下：
图5大车运行流程图
大车控制程序包含急停复位、大车正转及大车反转控制程序三部分。
根据
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