畢業(yè)設計--基于plc的橋式起重機的設計

1、<p>　　基于PLC控制的橋式起重機的設計</p><p><b>　　內容摘要：</b></p><p>　　本文研討基于可編程序控制器（PLC）和變頻器的橋式起重機控制系統(tǒng)的改進。闡述了交流橋式起重機在實際中的應用以及PLC在改造方案中的確定，亦涉及在改造過程中設備的選型。本文以西門子S7-200系列PLC為例，講述了PLC在交流橋式起重機改造中的的控

2、制方案。與傳統(tǒng)控制方案相比，采用PLC控制的橋式起重機可以簡化繁重的設備，使控制更加安全可靠。從經濟效益與環(huán)境效益的角度分析，本設計雖然前期投入一部分資金用于購買PLC及變頻器等設備，但是長期運行后的維修成本遠低于原系統(tǒng)，并且節(jié)能可達30%左右。設計中變頻器通過PLC進行無觸點控制，使設備運行更加準確，并且減輕了人員的勞動強度，提高了工作效率。</p><p>　　關鍵詞：橋式起重機 變頻器 PLC 控制系統(tǒng)&l

3、t;/p><p>　　The Design of PLC-based Bridge Crane System</p><p>　　Abstract: </p><p>　　This text discussion the improved design of bridge crane control system based on PLC and frequency c

4、onverter. Introduced the application of Bridge crane, the application of PLC in reconstructive transform and choosing the device. The text takes Siemens S7-200 PLC series as an example, introduced the control project of

5、Bridge crane system. Compared with traditional control scheme，PLC-based Bridge Crane can Simplify the heavy equipment，and make control more safety and reliable. Analysis from econo</p><p>　　Key words: bridge

6、 crane; frequency converter; PLC; control system</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p>　　1 設計要求及方案選擇2</p><p>　　1.1 系統(tǒng)設計要求2</p>

7、;<p>　　1.2 題目分析2</p><p>　　1.3 系統(tǒng)方案選擇2</p><p>　　2 系統(tǒng)硬件設計4</p><p>　　2.1 PLC實現的主令控制器4</p><p>　　2.2 限位器及安保電路5</p><p>　　2.2.1 限位器6</p>

8、<p>　　2.2.2 安保開關6</p><p>　　2.2.3 電磁抱閘6</p><p>　　2.3 可編程控制器6</p><p>　　2.3.1 可編程控制器特點6</p><p>　　2.3.2 可編程控制器選型7</p><p>　　2.3.3 I/O端口分配8<

9、/p><p>　　2.3.4 PLC系統(tǒng)接線方式9</p><p>　　2.4 變頻器10</p><p>　　2.4.1 變頻器控制方式的選擇10</p><p>　　2.4.2 變頻器容量的選擇10</p><p>　　2.4.3 變頻器制動電阻11</p><p>　　2.

10、5 電動機選擇11</p><p>　　2.6 安全裝置12</p><p>　　2.6.1 欄桿12</p><p>　　2.6.2 限位開關12</p><p>　　2.6.3 緩沖器12</p><p>　　2.6.4 排障板12</p><p>　　3 系統(tǒng)軟件

11、設計13</p><p>　　3.1 主程序13</p><p>　　3.2 公用程序14</p><p>　　3.3 大車控制程序16</p><p>　　3.4 其他子程序設計17</p><p>　　4 系統(tǒng)仿真及調試18</p><p>　　5 設計總結19<

12、;/p><p><b>　　附錄20</b></p><p>　　附錄1 橋式起重機PLC控制系統(tǒng)STL語言程序設計20</p><p>　　附錄2 橋式起重機PLC控制原理圖27</p><p>　　附錄3 橋式起重機PLC控制系統(tǒng)I/O口分配表27</p><p><b>

13、　　參考文獻28</b></p><p><b>　　致謝</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　橋式起重機是橋架在高架軌道上運行的一種橋架型起重機，又稱天車。橋式起重機的橋架沿鋪設在兩側高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設在橋架上的軌道橫向運行，構成一矩形的工作范圍，就可以充

14、分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設備的阻礙。</p><p>　　傳統(tǒng)橋式起重機采用繼電器控制與串電阻調速，使用凸輪控制器控制各臺電動機。而橋式起重器一般在碼頭、廠房內，工作環(huán)境相當惡劣，并且重載下頻繁起動、制動、反轉、變速等，要求有一定的調速范圍。所以傳統(tǒng)的繼電器控制與串電阻調速已呈現諸多弊端，有必要采用新的控制方法對其進行改造。</p><p>　　隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，PLC、

15、變頻器在工廠設備改造中得到了廣泛應用。PLC具有可靠性高，抗干擾能力強，適應性強，應用靈活，編程方便，易于使用，控制系統(tǒng)設計、安裝、調試、維修方便，維修工作量少等一系列的優(yōu)點。而變頻器可以提供頻率可調的交流電源，并且可以實現多段速度控制。因此，“PLC+變頻器”的控制方式在橋式起重機的改造中十分流行。</p><p>　　本文著重論述如何采用PLC作為控制核心，采用變頻器拖動電動機，實現傳統(tǒng)的繼電器控制橋式起重機

16、的改造。為降低工作人員勞動強度，采用三檔位的主令控制器作為操作面板。PLC作為整個控制系統(tǒng)的核心，它接受主令控制器發(fā)出的向前、向后、零位、調速等控制信號，限位器輸入的限位信號，以及安保電路輸入的保護信號，經PLC內部運算后分別發(fā)送給四臺變頻器。變頻器接受來自PLC的控制信號，控制電動機按照操作人員的操作運行。主令控制器的開關與常用的啟動、停止等按鈕集中于控制艙內的操作面板上，供操作人員操作使用。</p><p>

17、　　經改造的橋式起重機有以下優(yōu)點：</p><p>　?、艠蚴狡鹬貦C的啟動、制動、加速、減速等過程更加平穩(wěn)快速，定位更加準確，減少了負載波動，安全性大幅提高。</p><p>　?、葡到y(tǒng)運行的開關器件實現了無觸點化，具有半永久性的壽命。</p><p>　　⑶由于電動機啟動電流限制得較小，頻繁啟動和停止時電動機熱耗減少，壽命延長。</p><p&

18、gt;　　⑷電磁制動器在低速時動作,其閘皮的磨損很小，使用壽命延長。⑸降低了對電網的沖擊。</p><p>　?、使?jié)約能源，變頻調速的啟動、制動、加速、減速等過程中，電機運行電流小。以本案來講，節(jié)能可達30%左右。</p><p>　　1 設計要求及方案選擇</p><p>　　1.1 系統(tǒng)設計要求</p><p>　　現有一臺15/3

19、t交流橋式起重機，采用起重用繞線式交流異步電動機拖動，其中橫梁的移動使用2臺相同的電動機，小車的移動使用一臺電動機，主鉤和副鉤各使用一臺電動機。5臺電動機均采用了轉子串電阻調速方式，以增加啟動轉矩，減少啟動電流。由于工作環(huán)境惡劣，空氣中的水分對電機滑環(huán)、碳刷及接觸器腐蝕較大，加上任務重，操作流程復雜，沖擊電流大，觸頭消蝕嚴重，碳刷冒火，電機及轉子繞組所串電阻燒損、斷裂故障時有發(fā)生，對生產影響較大。轉子串電阻調速，機械特性軟，負載變化時，

20、轉速也變化，調速效果差，所串電阻長期發(fā)熱，電能浪費大，效率低。要求對其進行改造，減少電路中的沖擊電流，改變調速方式，減少操作人員勞動強度，提高系統(tǒng)效率。</p><p><b>　　1.2 題目分析</b></p><p>　　題目中原有的交流橋式起重機系統(tǒng)采用接觸器控制電源電路的啟動、停止、限位；使用凸輪控制器控制大車、小車、副鉤電動機的前進、后退、零位、加速、減

21、速；而主鉤的前進、后退、零位、加速、減速等動作使用主令控制器完成，并且各電機均設電磁抱閘裝置剎車。5個電動機都使用轉子串電阻調速，其中主鉤電動機串有7級電阻，其余電動機串有5級電阻。</p><p>　　經分析，電路中凸輪控制器的觸點上流過的即是電動機的工作電流，操作開關開合時容易出現沖擊電流，減少了接觸器觸點壽命。為了延長使用壽命，觸點往往做得十分笨重，不僅增加了設備體積，也給操作帶來了不變；轉子串電阻的調速方

22、式使機械特性變軟，所串電阻長期發(fā)熱，極大地浪費了電能；每一臺電動機配備一臺凸輪控制器或主令控制器的方式使得操作面板上的控制開關種類繁多，容易出現誤操作。</p><p>　　為了克服以上缺點，在改造中采用PLC代替接觸器開關，使設備體積減小，操作強度也隨之下降；使用橋式專用變頻器代替轉子串電阻調速，增加了機械特性硬度，也不存在發(fā)熱問題，提高了系統(tǒng)效率；5臺電動機共用一臺主令控制器控制，減少了按鈕數量，從而提高了系

23、統(tǒng)可靠性。原有系統(tǒng)中的電磁抱閘裝置，過電流保護裝置，動作限位開關，橫梁欄桿安全開關，艙門安全開關等安保裝置均予以保留，以提高整個系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　1.3 系統(tǒng)方案選擇</p><p>　　從以上的題目分析來看，改造后的交流橋式起重機控制系統(tǒng)包含如下幾個部分：主令控制器、限位器、保護輸入、PLC、4臺變頻器、5臺電動機（大車電動機兩臺），其控制框圖如下圖</p>

24、;<p>　　圖1 交流橋式起重機控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　本設計使用PLC實現主令控制器的開合表的邏輯功能，以代替原有系統(tǒng)中為每臺電動機設置一臺主令控制器或凸輪控制器的設計。為了避免主令控制器占用過多的I/O口，使用精簡后的3檔主令控制器。限位器與保護輸入均保留傳統(tǒng)的開關器件，并將其輸入到PLC中以便處理。</p><p>　　本系統(tǒng)共有輸入點25個，輸出點28

25、個，共53個I/O口。采用西門子S7-200（224）型PLC作為控制核心，該PLC集成RS-485通信接口，具有較強的通信能力；擁有7個擴展模塊，可連接外部數字量擴展模塊；擁有繼電器輸出、晶體管輸出兩種方式，具有較強的控制功能。本系統(tǒng)使用晶體管輸出，壽命長，可適用于頻繁開合的場合。由于S7-200（224）型PLC的本機數字量I/O為14入/10出，不能滿足本系統(tǒng)對I/O口的要求，因此外部擴展3個EM223（8入/8出）模塊。<

26、/p><p>　　由于起重機機構多為恒轉矩負載，故選用帶低速轉矩提升功能的電壓型變頻器。平移機構慣量較大，負載變化相對小，屬于阻力性負載，故大車、小車選用U/f 開環(huán)控制方式的安川CIMR-F7B4045 型變頻器；起升機構慣量較小，負載變化大，屬于位能性負載，為獲得快速的動態(tài)響應，實現對轉矩的快速調節(jié)，獲得理想的動態(tài)性能，通常采用矢量控制方式，故主副鉤的升降機構選用安川CIMR-G7B4055型變頻器，采用閉環(huán)矢量

27、控制方式可獲得穩(wěn)定的工作狀態(tài)和良好的機械特性。</p><p>　　橋式起重機的電氣傳動系統(tǒng)有大車電動機兩臺、小車電動機一臺、15噸主鉤、3噸副鉤提升電動機各一臺，這次設計總的思路是用4臺變頻器來控制5臺電機。起重機提升和運行機構的調速比一般不大于1:20，且為斷續(xù)工作制，通常接電持續(xù)在60%以上，負載多為大慣量系統(tǒng)。因此起重機的運行機構選用普通電機，提升機構的電機選用適合頻繁起動、轉動慣量小、起動轉矩大的變頻用

28、電機。電動機功率的選擇，必須根據生產的需求來決定。一般來說，起重機用電動機比一般工業(yè)生產機械所用的電動機的功率大10%左右。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)硬件設計</b></p><p>　　由于本設計采用一臺S7-200型PLC控制四臺變頻器操作5臺電動機的運行，因此，四臺變頻器所需的輸入口線均接在這臺PLC上，再由四臺變頻器分別控制相應的電動機。下圖（圖

29、2）畫出了橋式起重機的PLC控制原理圖。為簡便起見，圖中并未畫出全部的I/O口線。</p><p>　　圖2 橋式起重機的PLC控制原理圖</p><p>　　2.1 PLC實現的主令控制器</p><p>　　繼電接觸器為基礎的橋式起重機電路，往往以凸輪控制器實現大車、小車、副鉤的操作，以主令控制器加繼電器屏實現主鉤的操作。但凸輪控制器操作中同時切換的觸點畢竟太

30、多，且切換的又多是電動機主電路的觸點，為了切換大容量電流，觸點都制造得厚重，這就為操作帶來了阻力和很大的勞動強度。另一方面，凸輪控制器中有形的觸點在頻繁的切除中很容易出故障，給維修帶來了不便。本設計中設法使用PLC實現起重機中各電動機主輔電路的邏輯連接關系，將有形的觸點化為PLC內部無形的邏輯關系。表1給出了一個經精簡后的主令控制器的開合表，并為各擋位接通的觸點安排了PLC的輸入口。為滿足大電流切換的需要，PLC的輸出必須連接接觸器及繼

31、電器。</p><p>　　表1 三檔主令開關開合表</p><p><b>　　注 x--接通</b></p><p>　　本設計使用圖3所示的一個三檔位主令控制器及兩只升降速按鈕作為操作器件，使用PLC及接觸器模擬凸輪控制器工作。三檔位的主令控制器的開合表如表1所示。該主令控制器可以實現

32、電動機正向運行選擇及反向運行選擇間的機械互鎖，汽車檔位式的設計符合起重機操作人員的操作習慣，使用兩只按鈕進行升降速也更加方便，其實現的控制要求主要有：</p><p>　?、?在按動接于I1.1及I1.0的按鈕時，使加減速檔位存儲器VB100中存儲的數字在1～5間依順序變化，以控制輸入電動機的電源頻率大小。實現方法是加1及減1指令，在VB100中數值小于5時可加操作，大于0時可減操作。</p>&l

33、t;p>　?、?電動機的方向控制由主令控制器實現，手柄置向前位時，I0.5接通，正轉接觸器工作，驅動變頻器帶動電動機正轉；手柄置向后位時，I0.6接通，反轉接觸器工作，帶動電動機反轉。由正轉到反轉，或由反轉到正轉都必須經過零位，手柄位于零位表示已關斷正在運行的接觸器，準備接通下一個接觸器，同時零位亦將VB100清零，變頻器將處于速度檔位為0的位置。</p><p>　　圖3 三檔主令控制器及變速按鈕示意

34、圖</p><p>　　2.2 限位器及安保電路</p><p>　　橋式起重機作為工礦、機械中重要的起吊設備，對安全性與可靠性的要求較高。起重機設有緊急開關，可以在出現事故時緊急停止，橫梁（大車，下同）設有欄桿安全開關，操作艙設有艙口安全開關，橫梁、小車、主副鉤均設有安全限位開關和電磁抱閘系統(tǒng)，電路設有過電流繼電器。這些保護可以保證起重機的安全運行，現分別敘述這些保護模塊的功能。另外變

35、頻器中包含短路、過壓、缺相、失壓、過流、超速、接地等各種保護功能和故障自診斷及顯示報警功能，可在電動機出現這些故障時起保護作用，在此不再贅述。</p><p>　　2.2.1 限位器</p><p>　　橋式起重機限位器包含橫梁前后向限位開關、小車左右向限位開關、主鉤限位開關及副鉤限位開關。本系統(tǒng)的限位開關使用直動式行程開關，它的動作原理是靠移動物體碰撞其可動部件使常開觸頭接通、常閉觸頭

36、分斷，實現對電路的控制。移動物體一旦離開，行程開關復位，其觸點恢復為原始狀態(tài)。</p><p>　　各開關按照電動機容量并留有一定余量選定，推薦選用LX31或JLXK1系列開關。</p><p>　　2.2.2 安保開關</p><p>　　安保開關包括橫梁欄桿安全開關、操作艙安全開關、緊急開關、各電動機過電流保護開關等。將這些開關接在PLC輸入口上，構成起重機

37、的安全保護電路。</p><p>　　2.2.3 電磁抱閘</p><p>　　起重機是一種間歇動作的機械，要經常地啟動或制動。為保證起重機安全準確的吊物，無論起升機構中或者運行機構、旋轉機構中都應該設有制動裝置。本設計采用機械抱閘裝置YA，將該裝置并聯在三相交流電源A、C兩相上。當按下啟動按鈕后，YA得電打開，按下停止按鈕時，YA抱緊，起制動作用，YA與電動機同步。</p>

38、<p>　　2.3 可編程控制器</p><p>　　PLC是本系統(tǒng)的控制核心，負責接收主令控制器、限位器、開關等輸入器件和變頻器等輸出器件的開通與關斷。</p><p>　　2.3.1 可編程控制器特點</p><p>　　2.3.1.1 高可靠性、抗干擾能力強</p><p>　?、潘械腎/O接口電路均采用光電隔離，

39、使工業(yè)現場的外電路與PLC內部電路之間電氣上隔離。 </p><p>　?、聘鬏斎攵司捎肦-C濾波器，其濾波時間常數一般為10~20ms.</p><p>　?、歉髂K均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 </p><p>　?、炔捎眯阅軆?yōu)良的開關電源。 </p><p>　?、蓪Σ捎玫钠骷M行嚴格的篩選。 </p><p&

40、gt;　?、柿己玫淖栽\斷功能，一旦電源或其他軟、硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。 </p><p>　?、舜笮蚉LC還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或有三CPU構成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。 </p><p>　　2.3.1.2 豐富的I/O接口模塊 </p><p>　　PLC針對不同的工業(yè)現場信號，如：交流或直流，開關量或模擬量

41、，電壓或電流，脈沖或電位， 強電或弱電等，有相應的I/O模塊與工業(yè)現場的器件或設備，如：按鈕、行程開關、接近開關、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。</p><p>　　另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊，為了組成工業(yè)局部網絡，它還有多種通訊聯網的接口模塊等。 </p><p>　　2.3.1.3 采用模塊化結構 </p><p>　　

42、為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據用戶的需要自行組合。 </p><p>　　2.3.1.4 編程簡單易學 </p><p>　　PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識

43、，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。 </p><p>　　2.3.1.5 安裝簡單，維修方便</p><p>　　PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系

44、統(tǒng)迅速恢復運行。 </p><p>　　2.3.2 可編程控制器選型</p><p>　　在控制上，要求PLC可靠工作，基本實現無觸點控制，方便整個系統(tǒng)升級，且更加節(jié)能。目前，國內外有多家公司生產了一系列的PLC，它們都具有各自的特點。例如三菱公司生產的PLC環(huán)境適應能力較強，往往用于重工業(yè)領域等環(huán)境復雜的地方，典型應用為機床；歐姆龍公司生產的PLC功能強大，系列齊全，但是環(huán)境適用能力不

45、如其他的PLC，通常用于電子行業(yè)；而西門子公司的PLC編程簡單，很容易實現結構化編程，通信能力強，較適用于初學者適用。</p><p>　　綜合各種PLC的性能、價格以及易用性，本設計選用西門子的S7-200系列PLC。該系列的PLC屬于小型可編程控制器，有很強的通信功能，在大型網絡控制系統(tǒng)中能充分發(fā)揮作用，方便日后整個起重機系統(tǒng)升級。</p><p>　　S7-200系列PLC提供5種不

46、同的基本單元（CPU），其中，CPU221型PLC不提供擴展功能，其數字量I/O為6入/4出，無法滿足系統(tǒng)設計要求?？紤]到橋式起重機的I/O口較多，選擇CPU224或CPU226外加EM223模塊的PLC均可滿足本系統(tǒng)的設計要求。本設計選用CPU型號為CPU224的PLC，外加三個EM223（8入/8出）數字量擴展模塊，這樣I/O數量擴展就為38入/34出，滿足系統(tǒng)要求。日后若要對系統(tǒng)進行升級，只需增加數字量擴展模塊即可。橋式起重機PL

47、C控制原理圖如圖2所示。</p><p><b>　　其主要功能如下：</b></p><p>　　1）變頻器運行、停止控制；</p><p>　　2）控制制動器，保證電動機停止時能夠及時制動，既不提前，也不延后； 3）升降變頻器控制方式切換；</p><p>　　4）電氣閉鎖保護控制；</p><

48、p>　　5）升降、開閉變頻器中任意一臺變頻器報警故障時，兩臺變頻器均能夠立即停止輸出，并同時制動；</p><p>　　6）任何時刻斷電，系統(tǒng)將會立即停止運行，制動器制動。</p><p>　　2.3.3 I/O端口分配</p><p>　　表2 I/O端口分配表</p><p&g

49、t;　　本系統(tǒng)的輸入口包括主回路啟停、主令控制器各位置、各電動機限位、各電動機啟停、各電動機故障輸入、過電流保護、急停、復位等；輸出口包括主電路電源、急停輸出、復位輸出、各電動機電源、各電動機正反轉、各電動機變頻器輸出、過電流保護輸出等。</p><p>　　其中主回路啟停輸入由按鈕開關接入PLC，用以控制總電路的通斷，當按下停止按鈕時，整個系統(tǒng)將完全停止，PLC中保存的檔位信息清零，各電動機繼電接觸器斷開，電磁

50、抱閘機構開通，各電動機抱閘，保證現場工作人員的安全。主令控制器各位置接入PLC的輸入端口，操作人員可通過控制屏控制電動機的正反轉，加減速等操作。各電動機限位開關保證電動機在規(guī)定的位置內移動，過電流保護輸入是防止由于過電流造成的電動機過載。各電動機啟停與故障輸入接在PLC的輸入端口上，用以控制電動機的啟動與停止。急停與復位按鈕是出現緊急情況時的控制按鈕。</p><p>　　以上為輸入端口的分配方式，下面介紹輸出端

51、口的分配方式：主電路電源以及各電動機電源為整個電路提供電源，由于各電動機均設有獨立的電源，所以各電動機可以單獨控制。當電動機緊急情況時使用急停輸出、復位輸出復位到初始狀態(tài)，它們接在PLC的輸出端口上，并通過繼電器接到變頻器上。各電動機正反轉、各電動機變頻器輸出、過電流保護輸出是控制和保護各電動機工作的口線。</p><p>　　將控制橋式起重機的線路接在PLC的I/O口上，通過軟件編程就可以控制系統(tǒng)的工作了。&l

52、t;/p><p>　　2.3.4 PLC系統(tǒng)接線方式</p><p>　　可編程控制器完成系統(tǒng)邏輯控制部分，含接受主令控制器送來的操作信號、對變頻器的控制及系統(tǒng)的安全保護，是系統(tǒng)的核心。現以大車為例說明PLC的接線及工作過程。</p><p>　　圖4 大車PLC及變頻器接線示意圖</p><p>　　大車PLC及變頻器的接線示意圖如圖4所示。

53、圖中電動機的啟動按鈕、停車按鈕，主令控制器的5個觸點，以及系統(tǒng)安保用的各種限位設備都接在PLC的輸入口上。輸出口上接的是許多小型繼電器。它們是用來控制變頻器的輸出相序及頻率的，其中K1控制變頻器的正向相序端，K2控制變頻器的反向相序端，當K1及K2中其一接通時，變頻器輸出一定相序的電源，當二者都接通或都不接通時，變頻器終止電源的輸出，K6、K7連接的是變頻器的急停及復位端子。而K3、K4、K5所連接的X001、X002、X003為變頻器

54、的多段頻率選擇端，利用這三個端子的組合，可有七種速度可選擇，具體的速度值可以通過變頻器的功能碼設定，本設計中只利用其中5檔速度，X1、X2、X3的組合關系與速度檔位的關系如表3所示：</p><p>　　表3 變頻器多段頻率端子狀態(tài)表</p><p>　　注： 0-斷 ，1-通</p><p><b>　　2.

55、4 變頻器</b></p><p>　　變頻器為電動機提供頻率可調節(jié)的交流電源，是實現電動機速度調節(jié)的關鍵設備。本系統(tǒng)變頻器采用日本安川CIMR-G7B、CIMR-F7B系列起重專用變頻器。</p><p>　　2.4.1 變頻器控制方式的選擇</p><p>　　由于起重機機構多為恒轉矩負載，故選用帶低速轉矩提升功能的電壓型變頻器。</p&g

56、t;<p>　　大車、小車是普通反抗性負載，負載變化相對小，屬于阻力性負載，可以配用普通型或高功能型變頻器，故大車、小車選用U/f 開環(huán)控制方式的安川CIMR-F7B4045 型變頻器；而主鉤及副鉤負載變化大，屬于位能性負載，為獲得快速的動態(tài)響應，實現對轉矩的快速調節(jié)，獲得理想的動態(tài)性能，通常采用矢量控制方式，故主鉤升降、副鉤升降選用安川CIMR-G7B4055型變頻器，采用閉環(huán)矢量控制方式以獲得穩(wěn)定的工作狀態(tài)和良好的機械

57、特性。</p><p>　　從變頻器工作頻率的控制來看，可以采用變頻器模擬量電壓控制端加接電位器方式，這樣電動機的轉速是無極調速的。但這樣的方式與傳統(tǒng)的操作方式相差較遠，考慮到轉速平滑調節(jié)對起重機來說并不重要，則可以采用變頻器機外開關多段速度選擇方式實現速度控制，這和選取主令控制器作為操作器件是配套的。采用變頻器后，電動機的正反轉控制也變得簡單的多了，不再需要使用接觸器交換電源的相序，只要操作變頻器的相序控制端口

58、就可以了。</p><p>　　2.4.2 變頻器容量的選擇</p><p>　　變頻器容量的選擇是以電動機的額定功率為依據的。由于繞線轉子異步電動機與通用鼠籠異步電動機相比，其繞組的阻抗較小，因此使用變頻器調速時應考慮紋波電流引起的過電流跳閘情況，同樣功率下的電動機，繞線轉子異步電動機額定電流往往較大，所以選擇時應考慮一定余量。雖然起重機升降機構的轉動慣量很小，加速時間較短，但考慮到電

59、網電壓波動的因素，以及安全勞動部門對起重機1.25倍額定靜載荷檢測要求等因素來選擇起升機構電動機的變頻器容量。大車、小車運行機構屬于大慣量負載，其加減時間一般不超過20 s，變頻器的短時過載能力為150％，不同的加速時間對變頻器容量的計算不同，當加速時間>2 min時，變頻器功率選擇應放大些，以此來選擇大車、小車運行機構電動機的變頻器容量。</p><p>　　2.4.3 變頻器制動電阻</p>

60、;<p>　　起重機變頻器，特別是主鉤及副鉤變頻器，需配用制動電阻。起重機放下重物時，由于重力作用電動機將處于再生制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要反饋到變頻器直流電路中去，使直流電壓不斷上升，甚至達到危險的地步。因此，必須將再生到直流電路里的能量消耗掉，使直流電壓保持在允許的范圍內。制動電阻就是用于消耗這部分能量的。</p><p>　　2.5 電動機選擇</p><p>　　橋

61、式起重機的運行機構多為恒轉矩負載，可以使用專用的變頻調速起重電機，也可以使用起重機原有的線繞轉子電動機，將轉子繞組短接就可以了。</p><p>　　提升機構的電機選用適合頻繁起動、轉動慣量小、起動轉矩大的變頻用電機。目前，國外以四極電機作變頻電機首選極數。電機功率為：</p><p><b>　　式1</b></p><p>　　式中P——功

62、率，kw；</p><p>　　W——額定起重量(最小幅度時)＋吊釣重量＋鋼絲繩重量，N；</p><p>　　V——提開速度，m/s；</p><p><b>　　η——機械效率。</b></p><p>　　用變頻器驅動異步電動機時，由于變頻器的換向沖擊電壓及開關元件瞬間的開閉而產生沖擊電壓(浪涌電壓)引起電機絕緣惡

63、化，對電壓型PWM變頻器應盡量縮短變頻器與電機間接線距離或者考慮加入阻尼回路(濾波器)。</p><p>　　電動機功率的選擇，必須根據生產的需求來決定。一般來說，起重機用電動機比一般工業(yè)生產機械所用的電動機的功率大10%左右。</p><p>　　電動機的選擇取決于下面兩個主要條件：</p><p>　　(1) 發(fā)熱 電動機在工作時，一方面將電能轉變?yōu)闄C械能而做

64、功，另一方面由于電動機繞組本身的阻抗要消耗一部分電能轉變成熱能，使電動機的溫度升高。電動機由于受體積結構等的限制，內部絕緣材料的耐熱能力很差，極易造成老化。當溫度超過電動機所允許的限度時，絕緣能力被破壞，電動機將燒毀。電動機銘牌上都規(guī)定有電動機的溫升，它指的是電動機在額定負載下運行時，定子發(fā)熱后的允許溫升與周圍環(huán)境溫度之差。</p><p>　　(2) 過載能力 各種電動機都有一定的過載能力。交流電動機的過載能

65、力tm是最大轉矩與額定轉矩的比值，即一般起重機用的交流異步電動機的過載能力為2.5～3.3。交流電動機的過載能力為：</p><p><b>　　式2</b></p><p>　　式中，--電動機允許的最大轉矩；</p><p>　　--電動機的額定轉矩。</p><p>　　各種電動機的過載能力可從設計手冊中查得。&l

66、t;/p><p>　　電動機因過載而發(fā)生溫升需要有一段時間，從發(fā)熱方面來說，容許有短時的過載。但就過載能力而言，即使在很短時間內也是允許的。所以發(fā)熱和過載能力必須同時考慮。</p><p>　　橋式起重機的電氣傳動系統(tǒng)有大車電動機兩臺、小車電動機一臺、15噸大鉤、3噸小鉤提升電動機各一臺，這次設計總的思路是用4臺變額器來控制5臺電機。根據分析計算后電機的基本選型見表4。</p>

67、<p>　　表4 電動機的選擇</p><p><b>　　2.6 安全裝置</b></p><p>　　起重小車的安全裝置主要有欄桿、限位開關、撞尺緩沖器、排障板等</p><p><b>　　2.6.1 欄桿</b></p><p>

68、　　橋式起重機起重小車運行的軌道中間為鋼絲繩和吊鉤工作的空間，考慮到維修人員在小車上工作的安全，小車架朝著這個空間的兩邊都焊有保護欄，小車架的另兩邊朝著走臺，為方便維修人員的上下小車不設欄桿。</p><p>　　2.6.2 限位開關</p><p>　　當起升機構或運行機構運動到極端位置時，用限位開關來切斷電源開關，防止因操作失誤發(fā)生事故。</p><p>　　

69、2.6.3 緩沖器</p><p>　　為防止運行機構的行程限位開關失靈，小車架上安裝了彈簧緩沖器。在橋架小車軌道的極端位置處裝上擋鐵，用它來阻擋小車的運動并使緩沖器吸收碰撞時的能量。國家規(guī)定，容許的最大減速度為4m/s。當小車速度不高時，也可用橡膠塊和木塊來緩沖。</p><p>　　2.6.4 排障板</p><p>　　焊在小車架上位于車輪外邊的鋼板，它的

70、作用是在運行時排除小車軌道上可能存在的障礙物，如維修時遺忘而擱在軌道上的工具等。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)軟件設計</b></p><p>　　PLC程序的編制以實現PLC在系統(tǒng)中的任務為目的。整個橋式起重機的程序分為主程序、公用程序、大車程序、小車程序、主鉤程序、副鉤程序6個部分。主程序接收相應的按鈕輸入，分別調用其余5個子程序。公用程序實現PLC模擬

71、的主令控制器的功能，并將信息存入中間繼電器中。而大車、小車、主鉤、副鉤等程序分別具體控制各電機的運行?，F分別介紹各程序的功能：</p><p><b>　　3.1 主程序</b></p><p>　　主程序功能簡單，主要是實現調用各子程序。當PLC上電工作時，SM0.0接通，調用公用程序，完成初始化。另外，設有總電路開關，當啟動開關I0.0接通，停止開關I0.1及過

72、電流保護開關I0.7常閉觸頭閉合時，接通總電源輸出開關Q0.0，并自保持。這時整個電路將通電，公用程序完成初始化，等待操作人員按下大車、小車、主鉤或副鉤的啟動按鈕，啟動相應子程序。主程序梯形圖設計如下：</p><p>　　圖5 主程序梯形圖程序設計</p><p><b>　　3.2 公用程序</b></p><p>　　設置公用程序可以

73、充分利用PLC的I/O點，減少外部接線，其程序主要是實現電機的正反轉、提減速，用輔助繼電器輸出為后面的各子程序調用作準備。</p><p>　　編程的基本思想是用比較傳送的方式，按下I1.0或I1.1時，使存儲器VB100中的數在1～5間順序變化，控制輸入到變頻器中的檔位變化實現調速。當主令控制器處于零位，或輸入到VB100中的數大于5或者小于0時，將使VB100置零。另外，在上電的第一個周期，SM0.1得電，V

74、B100亦將置零。</p><p>　　公用程序還將接收向前或者向后的輸入，實現主令控制器的向前或者向后的功能。公用程序的STL語言如下：</p><p>　　TITLE = 公用程序</p><p>　　Network 1 上電及主令開關經過零位時清檔位存儲器VB100</p><p>　　LD I0.2

75、//主令控制器零位開關I0.2</p><p>　　ED //出現下降沿</p><p>　　LD M11.2 //主令控制器處于向前位</p><p><b>　　ED</b></p><p><b>　　OLD</b></p>&

76、lt;p>　　LD M11.3 //主令控制器處于向后位</p><p><b>　　ED</b></p><p><b>　　OLD</b></p><p>　　O SM0.1 //上電的第一個周期</p><p>　　AN I0.1

77、 //停止按鈕按下時，不完成初始化</p><p>　　MOVB 0, VB100 //清檔位存儲器VB100</p><p>　　Network 2 VB100為0時M11.0置1</p><p>　　LDB= VB100, 0 //比較VB100中的數與0的大小</p><p>　　= M

78、11.0 //將比較后的結果存入M11.0</p><p>　　Network 3 VB100為5時M11.1置1</p><p>　　LDB= VB100, 5 //比較VB100中的數與5的大小</p><p>　　= M11.1 //將比較后的結果存入M11.1</p><p>

79、　　Network 4 I1.0接一次，VB100加1（VB100小于5）</p><p>　　LD I1.0 //加速開關I1.0</p><p>　　EU //出現上升沿</p><p>　　AN M11.1 //中間繼電器M11.1，VB100大于5時，M11.1通電<

80、;/p><p>　　INCB VB100 //VB100自增1,</p><p>　　Network 5 I1.1接一次，VB100減1（VB100大于0）</p><p>　　LD I1.1 //減速開關I1.1</p><p><b>　　EU </b></p&g

81、t;<p>　　AN M11.0 //中間繼電器M11.0，VB100小于0時，M11.0通電</p><p>　　DECB VB100 //VB100自減1</p><p>　　Network 6 速度輸出程序</p><p>　　LDN I0.1 //停止按鈕I0.1常閉觸點&l

82、t;/p><p>　　AN M11.3 //串聯正反轉中間繼電器，</p><p>　　AN M11.2 //防止按下正反轉時,進行加減速操作</p><p>　　A Q0.0 //主電源輸出點Q0.0</p><p><b>　　LPS</b></p&g

83、t;<p>　　LDB= VB100, 1</p><p>　　OB= VB100, 3</p><p>　　OB= VB100, 5</p><p><b>　　ALD</b></p><p>　　= M10.4 //變頻器速度選擇端X001</p>&

84、lt;p><b>　　LRD</b></p><p>　　LDB= VB100, 2</p><p>　　OB= VB100, 3</p><p><b>　　ALD</b></p><p>　　= M10.5 //變頻器速度選擇端X002</p>

85、<p><b>　　LPP</b></p><p>　　LDB= VB100, 4</p><p>　　OB= VB100, 5</p><p><b>　　ALD</b></p><p>　　= M10.6 //變頻器速度選擇端X003</p>

86、;<p>　　Network 7 主令控制器控制電動機正反轉</p><p>　　LDN I0.1</p><p>　　A Q0.0</p><p><b>　　LPS</b></p><p>　　AN I0.3 //前限位開關</p>&l

87、t;p>　　A I0.5 //主令控制器向前檔</p><p>　　AN M11.3 //并聯M11.3，與M11.2互鎖</p><p>　　= M11.2 //將主令控制器正轉信息保存在M11.2</p><p><b>　　LPP</b></p><

88、;p>　　AN I0.4 //后限位開關</p><p>　　A I0.6 //主令控制器向后檔</p><p>　　AN M11.2 </p><p>　　= M11.3 //將主令控制器反轉信息保存在M11.3</p><p>　　3.3 大車

89、控制程序</p><p>　　在設計各電動機控制程序的過程中，只需要將公用程序輸出到中間繼電器中的電機正傳、反轉以及變速信息接到相應的變頻器輸入端口上即可。鑒于各電機控制程序基本相同，只有主鉤控制程序加接單獨的過電流保護，且其程序簡單，故在此僅以大車控制程序介紹各電動機控制程序的編程思路。大車運行流程圖如下：</p><p>　　圖6 大車運行流程圖</p><p&g

90、t;　　大車控制程序包含急停復位、大車電源及大車速度控制程序三部分。</p><p>　　根據變頻器的端口功能，EMS為急停輸入口，RST為復位輸入口，將控制面板的急停按鈕接在PLC的輸入端口，經PLC的輸出端口接到變頻器的EMS及RST端口即可完成急停及復位的程序設計。其LOD梯形圖程序如7所示：</p><p>　　圖7 大車急停及復位梯形圖程序</p><p&g

91、t;　　大車電源控制程序是將大車啟動按鈕常開觸點I1.4串聯大車停止按鈕常閉觸點I1.5以及大車故障按鈕常閉觸點I1.6再輸出到大車電源輸出Q0.3，并將Q0.3并聯在I1.4上實現繼電保持。其LOD梯形圖如圖8所示：</p><p>　　圖8 大車電源梯形圖程序</p><p>　　大車速度控制程序的功能是將主令控制器輸出的正轉、反轉、加減速等信號輸入到變頻器的輸入口上。變頻器的正轉輸

92、入口為FWD口，反轉輸入口為REV口，7檔位速度輸出控制為X001、X002、X003口。將中間繼電器的信號經小型繼電器接在變頻器上相應的輸入口上，并加上一定的保護電路，其梯形圖如圖9所示：</p><p>　　圖9 大車速度控制梯形圖程序</p><p>　　利用PLC控制的變頻器調速技術，橋式起重機拖動系統(tǒng)的各檔速度、加速時間都可以根據現場情況由變頻器設置，調整方便。負載變化時，各檔

93、速度基本不變，調速性能好。</p><p>　　3.4 其他子程序設計</p><p>　　橋式起重機使用5臺電動機控制各機構的運行，而各運行機構的啟動、制動等操作基本類似，只有主鉤控制程序稍有不同。因此，小車、主鉤、副鉤的控制程序和大車的控制程序類似，只需在原有基礎上稍加改動即可。其中主鉤回路由于負載變化大，啟動頻繁，因此加接過電流保護回路，具體的程序見附錄一，此處不再一一贅述。<

94、/p><p>　　4 系統(tǒng)仿真及調試</p><p>　　橋式起重機是大型設備，很難在現場對PLC程序進行仿真調試，因此可以采用一些仿真軟件模擬PLC的工作情況。本次設計采用名為S7-200 version 2.0的仿真軟件進行仿真。S7-200 version 2.0是一款專門為S7-200PLC設計的仿真軟件，界面簡單，功能實用。</p><p>　　圖10 軟件

95、仿真界面</p><p>　　經仿真調試，原設計程序符合設計要求，輸出口指示燈可以按照輸入的要求正常的變化，整個系統(tǒng)滿足設計要求。實際使用S7-200 version 2.0軟件仿真后發(fā)現，該軟件功能單一，只能指示I/O口的變化，且在子程序調用，中斷調用等方面不能完全兼容，仿真過程中不能監(jiān)控程序流程。因此，采用PLC實驗箱進行分部分仿真較好。</p><p>　　采用PLC實驗箱進行仿真過

96、程中，我發(fā)現實際上橋式起重機的PLC程序基本上都是對各輸入輸出開關進行操作。這部分程序并不復雜，所涉及的邏輯思路較為簡單。因此，仿真的重點集中在子程序調用與公用程序上，這也是仿真軟件所不能完成的部分。</p><p>　　由于PLC實驗箱上的I/O口數量不足，在本次仿真過程中，我采用了將整個程序分部份仿真的方法。首先是子程序調用，將源程序輸入STEP 7-MicroWIN編程軟件，通過下載線下載到PLC中，開啟程

97、序狀態(tài)監(jiān)控，就可以觀察到程序中的“能流”情況了。仿真后發(fā)現，子程序能夠正常調用。因此，這一部分程序是不存在問題的。</p><p>　　公用程序主要涉及到了初始化和速度控制程序。將程序下載到PLC中，開啟程序狀態(tài)監(jiān)控，運行程序就可以看到SM0.1對VB100的初始化，觀察后發(fā)現，這部分程序也是正確的。速度控制程序是要將輸入的速度檔位信息保存在中間繼電器中，仿真開始后發(fā)現輸出到中間繼電器中的速度信息不正確，查看變頻

98、器頻率選擇狀態(tài)表后發(fā)現程序出現了錯誤，改正后，程序就符合預想要求了。</p><p><b>　　5 設計總結</b></p><p>　　橋式起重機作為工礦企業(yè)中應用十分廣泛的一種起重機械，承擔著十分重要的作用。傳統(tǒng)的繼電接觸器控制電路現已發(fā)展得十分成熟，但是隨著企業(yè)對控制要求的提高，傳統(tǒng)的繼電接觸器控制電路已出現諸多弊端。近年來，隨著計算機技術和電力電子器件的迅

99、猛發(fā)展，電氣傳動和自動控制領域也日新月異。其中，具有代表意義的是交流變頻器和可編程控制器獲得了廣泛的應用，為PLC控制的變頻調速技術在橋式起重機拖動系統(tǒng)中的應用提供了有利條件。本文提出了以PLC和變頻器控制橋式起重機運行的思路，這亦是現在流行的交流橋式起重機控制思路。</p><p>　　剛開始做畢業(yè)設計的時候，我對橋式起重機控制系統(tǒng)的了解幾乎為零，完全不知道如何設計這樣一個系統(tǒng)。通過借閱書籍，查詢資料，我慢慢的

100、了解到一個完整的橋式起重機控制系統(tǒng)應該包含哪些部分，應該如何去設計這些部分的內容。設計之初，PLC選型給我?guī)砹撕芏嗬Щ蟆Ｒ婚_始，我準備使用三菱公司的FX2N系列PLC作為控制核心。但是考慮到我并不熟悉該系列的PLC，并且后期程序調試的時候不太方便，最終放棄了該方案，轉而采用西門子的S7-200系列PLC，方便程序調試。</p><p>　　PLC型號選定之后，就是各模塊功能的具體實現了。最初我考慮使用11檔位主

101、令控制器實現起重機主輔電路的邏輯連接關系。但是這樣將占用PLC的11個輸入口，這不僅是一種對I/O口的浪費，也給編程帶來不便，使得程序變得十分冗長。采用精簡后的3檔位主令控制器，僅占用5個輸入口，這樣加減速、前后位等操作由PLC程序模擬實現，同時，采用一個主令控制器控制四個變頻器的方式也可以進一步簡化程序。</p><p>　　在實際編程的過程中，將各電動機程序放在子程序中，并設計公用程序用以實現主令控制器的功能

102、，這樣整個程序就顯得條理清晰了。調試程序的時候我發(fā)現公用程序中的速度控制程序設計有誤，無法實現5段速度選擇，經改正后程序就運行正常了。</p><p>　　這次畢業(yè)設計給我留下了寶貴的東西。這是我第一次自己獨立完成一個課題，從收集資料開始，到方案選擇、程序設計、仿真調試，再到最后的報告，經歷了很長的時間，積累了很多的寶貴經驗。這些經驗將幫助我更加有效地攻克日后將會遇到的困難。</p><p&g

103、t;　　不積跬步，無以成千里。正是這樣一步步的積累，讓我們不斷地進步。感謝老師們在百忙中抽時間指導我完成這次畢業(yè)設計，這次的畢業(yè)設計將讓我在日后的工作中更有信心地獨立思考，獨立完成更大的課題！</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　附錄1 橋式起重機PLC控制系統(tǒng)STL語言程序設計</p><p>　　ORGANIZA

104、TION_BLOCK MAIN:OB1</p><p>　　TITLE=程序注釋</p><p><b>　　BEGIN</b></p><p><b>　　Network 1</b></p><p><b>　　// 網絡注釋</b></p><p>

105、　　LD SM0.0</p><p>　　CALL SBR0</p><p>　　Network 2 </p><p><b>　　// 總電源開關</b></p><p>　　LD I0.0</p><p>　　O Q0.0</p><p>

106、　　AN I0.1</p><p>　　AN I0.7</p><p>　　= Q0.0</p><p>　　Network 3 </p><p><b>　　// 調用大車程序</b></p><p>　　LD I1.4</p><p>

107、　　CALL SBR1</p><p>　　Network 4 </p><p><b>　　// 調用小車程序</b></p><p>　　LD I1.7</p><p>　　CALL SBR2</p><p>　　Network 5 </p><p>&

108、lt;b>　　// 調用主鉤程序</b></p><p>　　LD I2.3</p><p>　　CALL SBR3</p><p>　　Network 6 </p><p><b>　　// 調用副鉤程序</b></p><p>　　LD I2.6</

109、p><p>　　CALL SBR4</p><p>　　END_ORGANIZATION_BLOCK</p><p>　　SUBROUTINE_BLOCK 公用程序:SBR0</p><p>　　TITLE=公用程序</p><p><b>　　BEGIN</b></p><p

110、>　　Network 1 </p><p>　　// 上電及主令開關經過零位時清檔位存儲器VB100</p><p>　　LD I0.2</p><p><b>　　ED</b></p><p>　　LD M11.2</p><p><b>　　ED</b&g

111、t;</p><p><b>　　OLD</b></p><p>　　LD M11.3</p><p><b>　　ED</b></p><p><b>　　OLD</b></p><p>　　O SM0.1</p>&l

112、t;p>　　AN I0.1 </p><p>　　MOVB 0, VB100</p><p>　　Network 2 </p><p>　　// VB100為0時M11.0置1</p><p>　　LDB= VB100, 0</p><p>　　= M11.0</p>&

113、lt;p>　　Network 3 </p><p>　　// VB100為5時M11.1置1</p><p>　　LDB= VB100, 5</p><p>　　= M11.1</p><p>　　Network 4 </p><p>　　// I1.0接一次，VB100加1（VB100小于5）&l

114、t;/p><p>　　LD I1.0</p><p><b>　　EU</b></p><p>　　AN M11.1</p><p>　　INCB VB100</p><p>　　Network 5 </p><p>　　// I1.1接一次，VB100減1