基于PLC的起重机控制系统的设计

毕业设计论文任务书一、题目及专题：

1、题目基于PLC的起重机控制系统的设计

2、专题

二、课题来源及选题依据

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PLC 引入到交流电气传动系统后, 使传动系统性能发生了质的变化.在桥式起重机中实现大小车的自动控制和故障诊断、检测显示等, 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, 适合发展大起重量的起重机。

三、本设计（论文或其他）应达到的要求：

①熟悉基于PLC的起重机控制技术的发展历程，特别是近十年来提出的可编程控制器与变频器相结合的控制系统；

②熟练掌握起重机的运动控制系统；

③熟练掌握变频器的控制原理，以及熟知PLC的工作原理和熟练使用编程指令

四、接受任务学生：

五、开始及完成日期：

自2012年11月12日至2013年5月25日

六、设计（论文）指导（或顾问）：

指导教师签名

签名

教研室主任

〔学科组组长研究所所长〕签名

系主任签名

2012年11月12日

摘要

桥式起重机是机械生产中最常用的一种起重机械，在生产过程中起着非常重要的作用。所以提高桥式起重机的运行效率，确保运作过程中的安全保障和降低生产成本是非常重要的。

传统的桥式起重机一般都是采用起重用绕线式交流异步电动机拖动。起升机构和运行机构上的电机一般都是采用转子串电阻调速方式。这种调速方式操作复杂，可靠性差，故障率高，且电能浪费大，效率低。随着近几年控制技术的飞速发展，我们可以针对桥式起重机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器和变频器等技术应用到桥式起重机控制系统中。

本次设计主要讨论的是基于可编程序控制器（PLC）和变频器的桥式起重机控制系统的改进。并且阐述了PLC和变频器控制的基本原理。PLC系统采用西门子公司的S7-200，能控制起重机大车、小车的运行方向和速度，吊钩的升、降方向和速度，同时能检测各个电机故障现象。该设计主电路中改变电动机的工作状态主要由变频器来实现，在控制电路中实现桥式起重机的各种功能主要由PLC来实现。最后对可编程控制器进行软件设计，编制出安全可靠高效的控制程序。

关键词：桥式起重机；变频器；可编程控制器

Abstract

Bridge crane is the mechanical production of the most commonly used as a hoisting machinery, plays a very important role in the process of production. So to improve the efficiency of bridge crane, ensure the security operation process and reduce cost of production is very important.

Traditional bridge crane is used commonly on reuse of wound rotor asynchronous motor drag communication. Hoisting mechanism and operational mechanism on the motor rotor series resistance speed control mode is generally adopted. But this way of speed regulating operation complexity, poor reliability, failure rate is high, and the power waste, low efficiency. With the rapid development of control technology in recent years, we can according to the above problems existing in the bridge crane control system, the programmable controller and frequency converter is applied to the bridge crane control system, and has carried on the detailed design.

This design is mainly discussed the improvement of the programmable controller (PLC) and inverter bridge crane control system. And expounded the basic principles of PLC and frequency converter control. Adopting Siemens S7-200 PLC system, can control the crane cart, the direction and speed of the car, the ascending and descending direction and speed of the hook, at the same time can detect various motor fault phenomenon. In this design,Changing the working state of the motor in circuit mainly by the frequency converter device to realize.In the control circuit to achieve the functions of bridge crane is mainly composed of PLC to realize. Finally the programmable controller software design, develop the safe, reliable and efficient control program.

Key words: Bridge crane; frequency converter; programmable logic controller

目录

摘要........................................................................................................................................... I II ABSTRACT .................................................................................................................................. I V 目录............................................................................................................................................ V 1 绪论 (1)

1.1桥式起重机的简介 (1)

1.2本课题研究的内容和意义 (1)

1.2.1 课题设计的内容： (1)

1.2.2 课题设计的意义 (2)

1.3国内外起重机控制系统的发展状况 (2)

2桥式起重机的控制 (3)

2.1桥式起重机的主要结构及运动形式 (3)

2.2传统桥式起重机的控制原理 (4)

2.3传统桥式起重机控制系统的缺点 (5)

2.4控制方案的设计 (5)

3 桥式起重机控制系统的硬件设计 (6)

3.1系统硬件设计 (6)

3.2PLC实现的主令控制器 (6)

3.3电机的选用 (7)

3.3.1 变频调速对电动机的要求 (7)

3.3.2 变频起重机系统中电动机的选型 (7)

3.3.4 计算及电机的选取 (8)

3.4变频器 (10)

3.4.1 变频器选型 (10)

3.4.2 变频器的主电路 (10)

3.4.3 变频器的控制电路 (11)

3.4.4 变频器选择及电流验证 (12)

3.4.5 变频器主要参数设置 (13)

3.5制动电阻的选择 (14)

3.6可编程控制器 (14)

3.6.1可编程控制器的概述 (14)

3.6.2 可编程控制器选型 (15)

3.6.3 I/O端口分配 (16)

3.6.4 PLC系统接线方式 (17)

3.7安全措施 (18)

4 系统软件设计 (19)

4.1主程序 (19)

4.2公用程序 (20)

4.3大车控制程序 (23)

4.4其他子程序设计 (25)

5 结论及展望 (28)

5.1结论 (28)

5.2展望 (28)

致谢 (29)

参考文献 (30)

1 绪论

1.1桥式起重机的简介

在工业生产中广泛使用各种起重机械，对物料作起重、运输、装卸和安装等作业，广泛应用在工矿企业、车站、港口、仓库、建筑工地等部门。它对减轻工人劳动强度、提高劳动生产率、促进生产过程机械化起着重要作用，是现代化生产中不可缺少的工具。时至今日，在其承载结构、驱动机构、取物装置、控制系统及安全装置各方面都有了很大的发展。由于现代设计方法的建立和计算机辅助设计手段的应用，使起重机设计思维观念和方法有了进一步的更新。因此，起重机将向现代化、智能化、更安全可靠的方向发展。

起重机械种类很多，其中桥架型起重机是使用最广泛的一种起重机械。通用桥式起重机又称“天车”或“行车”，它是一种横架在固定的跨间上空用来吊运各种物件的设备。桥式起重机按起吊装置不同，又可分为吊钩桥式起重机、抓斗桥式起重机和电磁盘桥式起重机等。其中以吊钩桥式起重机应用最广。本次设计就是以吊钩桥式起重机进行讨论与分析的。[6]

桥式起重机一般由可整体前后移动的横梁(大车)、左右移动的小车、固定在小车上可上下移动的主副钩、操纵室、小车导电装置(辅助滑线)、起重机总电源导电装置(主滑线)等部分组成。图1.1为桥式起重机总体示意图。

1- 驾驶室 2-辅助滑线架 3-交流磁力控制盘 4-电阻箱

5-起重小车 6-大车拖动电动机 7-端梁 8-主滑线 9-主梁

图1.1桥式起重机整体示意图

1.2 本课题研究的内容和意义

1.2.1 课题设计的内容：

本次设计主要研究如何用可编程控制器与变频器相结合来取代传统的控制系统。设计的起重机的起重量为20/5吨，其跨度(L)为19.5m 主钩起升速度为7.5m/min ，副钩起升速度为15m/min 。大车运行速度为75m/min ，小车运行速度为45m/m 。

9

8

6

5 4 3 2 1

7

传统的20/5t交流桥式起重机，一般都是采用起重用绕线式交流异步电动机拖动。但是起重机的工作环境一般比较恶劣，较长时间的使用会导致碳刷的接触器磨损较大，加上任务重，操作流程复杂，触头消蚀严重。且转子串电阻调速调速效果不理想。所以我们要设法对其控制方式进行改造，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。本设计主要内容就是熟练掌握变频器的控制原理，以及熟知PLC的工作原理和熟练使用编程指令。

1.2.2 课题设计的意义

近几年自动化控制技术和电气传动得到了飞快的发展。其中，具有代表性的就是交流变频调速装置和可编程控制器在机械领域的结合应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机应用提供了有利条件。变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在的问题，变频调速以其可靠性好、高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重机运输机械行业中具有广泛的发展前景。

PLC控制变频器的系统能够适合起重机的工作要求，对提高工作效率，改善起重机的调速性能，减小起制动冲击以及增加起重机的安全系数有很大的作用。所以有对桥式起重机电控系统进行研究很必要。由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着大规模集成电路制造技术不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势，适合发展大起重量得起重机；提高工作速度、扩大调速范围；提高金属结构、机构和电气设备的可靠性和使用寿命；改善司机操作条件，保证作业安全，提高自动化控制程度和扩大远距离控制系统的使用范围。[9]

1.3 国内外起重机控制系统的发展状况

随着工业生产的机械化程度不断变高，生产效率不断提高，生产物件的运输要求也随之变高，就要求有控制更加便捷化和高速化的起重机，而且要对安全性和可靠性提出更高的要求。

目前国外先进的的起重机控制系统基本实现了自动化、智能化和数字化的相结合。起重机的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现起重机的自动化和智能化。大型高效起重机新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由全数字化控制驱动装置、可编程序控制器、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。[8]

经过几十年的发展，我国国内桥式起重机的控制技术水平已得到一定程度的提高，但是与国际水平还有一定距离。目前国内使用的桥式起重机大多还是采用的传统的控制方法，采用继电器控制和串电阻调速，使用凸轮控制器控制电动机。

2桥式起重机的控制

2.1桥式起重机的主要结构及运动形式

桥式起重机由桥架（双称大车），装有起升机构的小车、大车运行机构及驾驶室等几部分组成，如下图2.1所示

图2.1桥式起重机结构图

桥架是桥式起重机的基本构件，它由主梁、端梁、走台等几部分组成。主梁跨架在车间上空，其两端联有端梁，主梁外侧装有走台并设有安全栏杆。

小车运行机构由小车架、小车移行机构和提升机构组成。小车架由钢板焊成，其上装有小车移行机构、提升机构、栏杆及提升限位开关。小车可沿桥架主梁上的轨道左右移行。在小车运动方向的两端装有缓冲器和限位开关。小车移行机构由电动机、主动轮、制动器等组成。电动机经减速后带动主动轮使小车运动。提升机构由电动机、减速器、卷筒、制动器等组成，提升电动机通过制动轮、联轴节与减速器联接，减速器输出轴与起吊卷筒相联。

大车移行机构则是由驱动电动机、制动器、传动轴、减速器、联轴器、角型轴承箱和车轮等几部分组成。其车轮通过角型轴承箱固定在桥架的端梁上，其主要作用是驱动大车车轮沿轨道运行。其驱动方式有集中驱动和分别驱动方式两种：

集中驱动是由一台电动机通过制动轮直接与联轴节、传动轴联接，再通过减速器与车轮联接驱动两边的主轮。

分别驱动是由两套独立的无机械联系的运行机构组成。每套运行机构由电动机通过制动轮、联轴节、减速器与大车车轮联接，省去了中间传动轴。但分别驱动的运行机构是用两台同样型号的电动机，用同一控制器控制。

分别驱动与集中驱动相比，自重较轻，安装和维护方便，实践证明使用效果良好。目前我国生产的桥式起重机大部分采用分别驱动方式。

控制室是操纵起重机的吊舱，又称驾驶室。在操纵室内，主要装有大小车运动机构和起升机构的操纵系统和有关装置，如控制器、保护箱及照明开关箱；有关安全开关，如紧急开关、电铃开关等。[3]

控制室一般固定在主梁下方的一端，也有随大车移动的。其上方有通向走台的舱口。为了安全，舱口处装有安全开关，避免司机及维护人员上车发生触电事故。

2.2传统桥式起重机的控制原理

传统的桥式起重机基本采用继电器控制和串电阻调速，使用凸轮控制器控制各台电动机。其主电路和控制电路如图2.2所示

图2.2 20t桥式起重机典型电路

控制方式：小型桥式起重机的主钩、大车、小车均采用绕线式三相交流异步机电动机和凸轮控制器控制。

该起重机有两个卷扬机构，主钩起重量为20吨，副钩起重量为5吨，分别由电动机M1、M2拖动。其中M1为主卷扬电动机，由凸轮控制器1SA操纵；M2为副卷扬电动机，由凸轮控制器2SA操纵；小车移行机构由电动机M3拖动，M3为小车电动机，由凸轮控制器3SA操纵；大车移行机构由两台电动机M4、M5分别拖动，M4、M5为大车电动机，共由凸轮控制器4SA操纵。

整个起重机五台电动机保护电路如图2.2下方图所示。其中QS为紧急开关，用作事故情况下紧急断开电源；SQ7～SQ9为舱口门开关与横梁门开关；KA1～KA6为过电流继电器的触点，用作电动机的过流保护；1SA、2SA、3SA、4SA分别为主卷扬、副卷扬、小车与大车凸轮控制器触点；SQ1、SQ2为小车移行机构行程开关，用于小车终端限位保护；SQ3、SQ4为大车移行机构行程开关，用于大车终端限位保护；SQ5为副卷扬提升机构行程开关，用于提升终端限位保护。

YB1～YB5分别为主卷扬、副卷扬、小车与大车电动机各自的制动电磁铁。[6]