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1、毕业设计5吨桥式起重机plc及变频器设计昆明工业职业技术学院毕业设计任务书20 届 工科类设计题目：桥式起重机电气控制系统 学生姓名： 指导教师： 杨云英 层 次：本 科 技术职称： 副教授 准考证号： 学生专业：机械制造与自动化助学中心名称：昆明工业职业技术学院设计时间： 2013年5月 15日2013年8月 30日 第一部分 概述1.1 桥式起重机简介桥式起重机是桥架式起重机的一种用途很广的起重机械，桥式起重机安装在厂房高处两侧的吊车梁上，它依靠升降机构和水平运动机构在两个相互垂直的方向运动，能在矩形场地及上空完成操作，是各种生产企业广泛使用的一种起重运输设备。它具有承载能力大、可靠性高、

2、结构相对简单等特点，随着经济建设的发展，用户对起重机的性能要求越来越高，而早期的起重机已无法满足要求，因此需要对起重机的控制方式进行改进，满足工业生产的需要。传统起重机的控制系统一般采用六种调速方式：直接启动电动机、改变电动机极对数调速、转自串电阻调速、涡流制动器调速、可控硅串级调速、直流调速。前四种为有极调速，调速范围小，且只能在额定转速下调速。采用转子回路串电阻等方式进行调速，启动电流大，对电网冲击很大，导致机械冲击频繁，振动剧烈，容易造成机械疲劳，导致意外事故发生。因此需要采用无级调速可以较好地解决以上问题，如可控硅串级调速，可实现无级调速，并减少启动、制动冲击，但其控制技术仍停留在模拟

3、阶段，尚未实现实际应用。采用直流电动机也是一种较好的调速手段，但由于直流电动机制造工艺复杂、维护要求高、故障率高等缺点，故使用较少。早期的起重机采用接触器、继电器系统控制，由于频繁的动作和高压作用，经常会出现触点烧损的现象，电阻箱受工作环境的影响容易出现腐蚀、老化，造成频繁的事故。随着电力、电子技术、计算机技术的迅速发展，变压变频调速技术（VVVF）和可编程逻辑控制器（PLC）已广泛应用于电气传动领域。目前有以下3种调速系统。直流驱动调速系统：该系统通过将给定模拟量转换成数字量，通过速度环、电流环到SCR移相触发的逻辑无环流调速，可用测速反馈或电压反馈。交流调速系统：这是国内普遍采用的一种调速

4、方式，是利用绕线式转子串电阻调速，随着晶闸管定子调压、调速技术的发展，技术逐渐成熟，进入实际应用阶段。变频调速“大功率的IGBT模块是变频技术在升降设备中的控制成为可能，变频调速法现在有恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等。我们这次设计采用变频调速。1.2 桥式起重机控制系统的功能要求 桥式起重机的功能主要是完成大型物品的运输功能。其主要涉及两方面的功能：检测输入信号、控制输出。1.2.1检测输入信号 桥式起重机控制系统主要完成对操作按钮输入的检测、限位开关的检测、变频器反馈值的检测等。 （1）操作按钮输入的检测。完成对人工操作台的输入按钮检测，主要的输入按钮有急停旋钮和启动按

5、钮、大车运行和停止和加速及减速按钮、小车运行和停止和加速及减速按钮、升降机运行与停止和加速及减速按钮等。 （2）限位开关的检测。限位开关一共包括三组：大车前进、后退限位开关；小车左移、右移限位开关；升降机上升、下降限位开关。 大车前进、后退限位开关主要检测大车的位置，防止大车运行超出允许范围。 小车左移、右移限位开关主要检测小车的位置，防止小车运行超出允许范围。 升降机上升、下降限位开关主要检测升降机的位置，防止升降机运行超出允许范围。（3）变频器反馈值的检测。检测变频器的反馈值主要是为了防止溜钩的发生，在电磁制动器抱住之前和松开之后，容易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。之所以会出现溜

6、钩是因为：电磁制动器在通电到断电或者断电到通电是需要时间的，大约0.6s（根据不同型号和大小改变），如果变频器较早停止输出，将很容易出现溜钩现象。 溜钩现象的出现主要分两种情况，其控制方法也分为以下两种。 重物悬空停止过程。设定一个停止频率，当变频器的工作频率下降至该频率时，变频器输出一个频率到达信号，发出启动电磁制动器运行的指令，然后延迟一段时间，该时间应略大于电磁制动器完全抱住重物所需时间，使得电磁制动器抱住重物，最后将变频器工作频率降低到0。 重物悬空启动过程。设定一个上升启动频率，当变频器工作频率上升至该频率，时，暂停上升，变频器输出一个频率到达的信号，发出停止电磁制动器运行的指令，然

7、后延迟一段时间，该时间应略大于电磁制动器完全松开重物所需时间，使得电磁制动器松开重物，变频器工作频率逐渐升高至所需频率。1.2.2控制输出 控制输出主要有大车电动机的控制、小车电动机的控制、升降机电动机的控制和电磁制动器的控制等。 （1）大车电动机的控制。控制该电动机的运行方向、停止，以及加减速，实现重物前后运输的需要。 （2）小车电动机的控制。控制该电动机的运行方向、停止，以及加减速，实现重物左右运输的需要。 （3）升降机的控制。控制该电动机的运行方向、停止，以及加减速，实现重物运输的需要。 （4）电磁制动器的控制。控制电磁制动器的运行和停止，用于辅助控制重物的停止。第二部分 系统总体设计2

8、.1 桥式起重机的结构桥式起重机是工业生产过程中一个重要的运输环节，一台效率高、可靠性高的桥式起重机将会使工厂生产效率大大提高。 2.1.1组成 图1 桥式起重机基本组成 桥式起重机一般由桥架金属结构、桥架运行机构和电气控制结构等三部分组成，运行机构一般包括大车运行机构、小车运行机构和升降机运行机构，电气控制系统包括一些电缆、电气柜等设备，还有一些保护装置。机械组成部分简单示意图如图所示。 （1）大车运行机构。大车运行机构的大车采用两台电动机，使用一台变频器进行控制，由于大车运行机构的工作频率较小，因此采用一台变频器控制两个电动机，以节约成本，变频器的选择以所选电动机的额定功率为根据，通常选额

9、定功率大一级的变频器，其控制电路示意图如图所示。 （2）小车运行机构。小车运行机构为一台电动机单独驱动，使用一台变频器，变频器的选择以所选电动机的额定功率为根据、通常选额定功率大一级的变频器，采用V/F控制方式，其刹车方式与大车运行机构相同，可采用自由停车的方式，机构开展示意图如图2所示类似。 （3）升降机运行机构。升降机运行机构采用一台电动机单独驱动，使用一台变频器，可采用专用变频器进行重物提升控制，运行机构的启动要求迅速、平稳，同时电气制动方式可采用外接刹车方式，升降机运行机构控制电路示意图如图2所示。 2电气控制系统 电气控制系统主要包括操作面板和电气控制柜等单元。在该系统中需要检测较多

10、的数字输入量，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的操作面板与电气控制柜各自独立，其示意图4所示。图4 桥式起重机操作面板2.2 桥式起重机的工作原理2.2.1控制系统总体设计桥式起重机系统的电气控制系统总体框图如图5所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各个限位开关的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。图5 桥式起重机电气控制系统2.2.2工作过程在启动状态下，各类设备的控制应根据操作面板上的按钮输入来控制，升降机在启动和停止时，通过检测变频器输出的频率，控制电磁制动器的运行，其工作过程如下。（1）接通电源，启动系统。（2）按下大车运行按钮，大车启动，通

11、过加速、减速按钮改变大车速度。（3）按下小车运行按钮，小车启动，通过加速、减速按钮改变小车速度。（4）按下升降机运行按钮，升降机启动，通过加速、减速按钮改变升降机速度；当需要重物悬停半空时，减小变频器输出频率，直到设定值，频率停止下降，启动电磁制动器，将重物抱住，防止溜钩现象；当重物需从半空开始上升或下降时，增加变频器的输出频率，到达某设定值时，频率停止上升，停止电磁制动器工作，松开重物，变频器输出频率持续增加到所需值。第三部分 硬件系统配置 根据桥式起重机控制系统的机械结构及其相关设备、工作原理和控制系统的功能要求，如何设计桥式起重机控制系统和所需的各种硬件设备的连接方式，因此设计出其电气控

12、制系统框图如图6所示，在此控制系统中核心处理器是PLC,其输入和输出量都为数字量，变频器的控制采用RS-485通信。3.1接触器 在起重机控制系统中，其中所有的设备的运行都不是连续的，而是根据控制面板上的按钮情况进行动作的，因此需要PLC根据当前的工作情况，一级按钮的情况来控制所有设备的启停，共需要4个接触器：大车电动机接触器、小车电动机接触器、升降机电动机接触器、电磁制动器接触器。 （1）大车电动机接触器。大车电动机接触器包括两个部分：一个是控制正转的接触器；另一个是控制反转的接触器，通过PLC输出的指令控制电动机的正反转和停止，从而控制大车的运行与停止。 （2）小车电动机接触器。小车电动机

13、接触器包括两个部分：一个是控制正转的接触器；另一个是控制反转的接触器，通过PLC输出的指令控制电动机的正反转和停止，从而控制小车的运行与停止。 （3）升降机电动机接触器。升降机接触器包括两个部分：一个是控制正转的接触器；另一个是控制反转的接触器，通过PLC输出的指令控制电动机的正反转和停止，从而控制升降机的运行与停止。 （4）电磁制动器接触器。电磁制动器接触器通过PLC输出的指令控制接触器的断开和闭合，从而控制电磁制动器的运行和停止。 3.2变频器 在该系统中，采用西门子公司的MM4系列变频器，该系列变频器是最常用也是功能较强的一种变频器，主要应用于各种工业、冶金、建筑、水利、纺织、交通等领域

14、，性能良好，借个实惠，是一种性价比较高的变频器。 该系列中的MM440变频器是一种通用变频器，能适用于一切传动系统，采用了现代先进的矢量控制系统，使得当负载突然增加时仍能保持控制稳定性。 如果对变频器进行同性控制，需要先对变频器的参数进行设置，主要对以下几个参数进行调整，如表1所示。表1 变频器参数设置表参数号参数值说明P000521显示实际频率P07005COM链路的USS设置P201069600baudP20111USS地址P0300根据具体电动机设置电动机类型P0304根据具体电动机设置电动机额定电压P0305根据具体电动机设置电动机额定电流P0310根据具体电动机设置电动机额定频率P0

15、311根据具体电动机设置电动机额定转速P10005通过COM链路的USS设定 对于在此系统中的三个变频器，都采用通信控制，对于不同的变频器的控制，只需要将这三个变频器进行地址编号，在程序控制当中，通过对不同地址变频器发送控制命令，实现对不同变频器的控制，即对于控制不同设备的变频器，改变参数P2011中的值，在此系统中，控制大车变频器的地址为1，控制小车变频器的地址为2，控制升降机的变频器地址为3。3.3 各类按钮 在这个控制系统自动操作中，采用三个机械按钮，控制烟支装盘机系统的启动和停止，手动/自动按钮使用旋钮，即旋到一边接通，旋到另一边就断开；自动启动按钮采用触点触发式按钮；急停按钮使用旋转复位按钮，按下后系统停止，旋转后自动弹起复位。 在手动控制状态时，对于每个设备都对应设置一个按钮，采用触点触发式按钮，即按下接通，松开复位。 3.4 限位开关 在此系统中，公用了6个限位开关：前进限位开关、后退限位开关、左移限位开关、右移限位开关、上升限位开关和下降限位开关。限位开关主要是用来控制设备在运动过程中的停止时刻和位置。 （1）大车前进限位开关。前进限位开关用于控制大车在向前运行时的位置，防止大车向前运动