1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于 PLC 的桥式起重机电气控制系统的设计一、课题研究意义及国内外研究现状桥式起重机在工矿、企业、码头及其它行业有着广泛的应用,其作用主要用来实现物体的升降和转运,桥式起重机工作环境恶劣,工作任务重。它能否正常工作直接影响到生产效率提高和工作任务的完成,甚至关系到人身、设备的安全。经过几十年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。因此，除了机械上改进设计外，改善
2、交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕线转子串电阻方法进行启动与调速，继电-接触器控制。这种控制系统的主要缺点有：（1）桥式起重机工作环境差，现场灰尘大，且反复短时运行，自动频繁，工作任务重，电机碳刷磨损快、滑环间容易短路放跑，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生；（2）接触器控制系统可靠性差，操作复杂，电动机正反转的加速控制均采用交流接触器和时间继电器，交流接触器线圈经常烧坏，故障率高；（3）电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。（4）操作检修不方便，维护量大，电机寿命短，控制线路复
3、杂，严重影响企业正常生产。近年来，计算机技术和电力电子器件迅猛发展，电气传动和自动控制领域也日新月异。控制系统设计运用 PLC、变频器进行改造，操作简单，运行可靠，故障减少。目前生产的高性能矢量控制变频器，具有可靠好，多功能，低噪音等优点。通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。可编程序控制器是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置，它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动控制枝术及通用技术融为一体，具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点，是当今及今后工业控制的主要手段和重
4、要的自动化控制设备。可以这样说，到目前为止，无论从可靠性上，还是从应用领域的广度和深度上，几乎没有任何一种控制设备能够与 PLC 相媲美。二、课题研究的主要内容和预期目标1主要内容：（1）熟悉桥式起重机的工作流程、组成结构、电气控制参数等。（2）根据工作要求，设计桥式起重机的起升机构、起重小车走行机构、大车走行机构等。（3）对桥式起重机的电气控制系统进行系统分析与电气设计。（4）根据设计方案选择所需要的电动机，PLC，变频器及各种电气设备。（5）根据要求,完成桥式起重机电气控制系统的设计、绘主电路、I/O 地址表、梯形图，并写出设计报告。2预期目标：控制系统以 PLC 为核心装置，根据工艺要求
5、合理选配 PLC 机型和 I/O 接口分配，系统具有良好的安全运行和保护措施。本设计要求完成桥式起重机电气控制系统的设计、绘主电路、I/O 分配表、梯形图，采用梯形图或指令表编制PLC 控制程序。最后，通过该项目的实习调研与设计，综合大学课程学习知识，培养实际生产设备的电气系统设计分析能力，为踏上工作岗位作好准备。三、课题研究的方法及措施课题的重点是对桥式起重机的控制系统进行设计。完成桥式起重机电气控制系统的设计、绘主电路、I/O 分配表、梯形图，采用梯形图或指令表编制 PLC控制程序。桥式起重机的电气控制系统框图如下图：P L C触摸屏控制器限位开关速度反馈变频器变频器变频器变频器制动电阻制
6、动电阻制动电阻制动电阻MMMMM制动器制动器制动器制动器制动器大车小车主钩副钩主要步骤如下：（1）了解桥式起重机的工作流程，收集和整理有关设备资料。（2）对设备进行试验研究，掌握桥式起重机的工作原理，并对其进行分析。（3）通过计算得出所需的各种设备的型号（4）通过 PLC 梯形图的编写，初步完成桥式起重机的控制系统的控制原理图，绘制接线图，I/O 分配表，梯形图，编写程序。（5）对程序编写中不满意的地方进行修改，整理和完善。四、课题研究进度计划2010/2011 第一学期 10.8-10.15 学生确定课题2010/2011 第一学期 10.18-11.19 查资料准备开题（1）写一篇 200
7、0 字以上的文献综述（2）完成一篇与课题相关的外文翻译（3）完成开题报告的填写（4）开题答辩2010/2011 第一学期 11.22-2.21 设计与写论文，准备于 3 月初进行的中期检查（1）完成大车机构、小车机构、起升机构的设计（2）完成桥式起重机的控制系统的控制原理图（3）绘制接线图，I/O 分配表，梯形图（4）整理成稿2010/2011 第二学期 2.22-4.1 上传设计成果与论文初稿2010/2011 第二学期 4.4-4.15 上交设计成果与论文打印稿，给、送交指导老师与评阅老师评审2010/2011 第二学期 4.4-4.22 做好答辩用的 PPT 讲稿2010/2011 第二
8、学期 4.17 5.8 5.15 答辩2010/2011 第二学期 5.15-5.17 提交所有相关材料，电子文档五、参考文献1 畅启仁. 港口起重机M.上海：上海海运学院，2000.2 裘为章,吴锡忠.实用起重机电气技术手册M.北京：机械工业出版社，2002.3 巫莉等.电气控制与 PLC 应用M.北京：中国电力出版社.2008 年 8 月.4 胡学林.电气控制与 PLCM.北京：冶金工业出版社.1997 年 11 月.5 罗军,基于 PLC、变频器的桥式起重机的改造J.电气技术,2010,5:64-67.6 李胜永,季本山.基于 PLC 和变频器的港口桥式起重机控制系统研究J.测试与控制,
9、2010,23（1）:159-161.7 年泓昌,李巍.变频调速技术在桥式起重机的应用J.自动化与传动,2010,6:34-35.8 汪志锋.可编程序控制器原理与应用M.西安:西安电子科技大学出版社，2004.9 张万忠主编.可编程控制器应用技术M.北京:化学工业出版社.2002.10李俊秀,赵黎明主编.可编程控制器应用技术实训指导M.北京:化学工业出版社.2002.11 C. Y. Chang， “The switching algorithm for the control of overhead crane， ”Neural Comput. Appl.，vol. 15，no. 34，pp
10、. 350358，200612 Shogo Tanaka, Susumu Kouno.Automatic measurement and control of the attitude of crane liftersJ.Control Engineering Practice ,1998, 6:1099-1107.毕业论文文献综述电气工程及自动化桥式起重机控制技术综述摘要：本文介绍了桥式起重机以及其结构和分类，PLC 技术的发展及优点，传统桥式起重机控制系统存在的问题，PLC 在桥式起重机控制系统中的应用，并描述了 PLC 自动控制系统的硬件组成、安全保护及主要功能。关键词：桥式起重机；PL
11、C；自动控制系统1 桥式起重机简介桥式起重机是桥架式起重机的一种，依靠升降机构和水平运动机构在两个互相垂直的方向运动，能在矩形场地上完成操作。港口桥式起重机俗称岸桥或桥吊，是码头的心脏是港口运输过程中不可或缺的设备之一 1。应用在港口运输方面要求承载能力大、可靠性高和可操作性好等特殊要求。桥吊作业能力决定着一个码头的货物吞吐能力。桥吊起升机构和小车机构则分别负责桥吊垂直方向的起降和水平方向的运行，它们对整个桥吊的正常安全运行有着至关重要的作用。如何使它们安全、简单、有效的运行成为一个必须解决的问题。1.1 桥式起重机的结构桥式起重机由机械传动、金属结构和电气设备三大部分组成。机械传动部分由起升
12、机构、起重小车走行机构、大车走行机构等构成。它们分别实现吊装货物的上下升降，左右(横向)搬移和前后 (纵向)搬运三个动作 2。大车机构一般采用两台电动机，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机，节约成本，变频器的选择根据电动机的额定功率进行，通常选额定功率大一级的变频器。小车运行机构为一台电动机单独驱动，使用一台变频器，同大车机构有些类似。起升机构采用一台电动机单独驱动，使用一台变频器，采用专用的变频器进行重物提升控制，运行机构的起动要求迅速、平稳，同时电气制动方式可采用外接刹车电阻，升降机运行控制系统和大车运行机构类似。1.2 桥式起重机的分类
13、桥式起重机可分为普通桥式起重机、简易梁桥式起重机和冶金专用桥式起重机三种 3。桥式起重机广泛地应用于室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等。1.2.1 普通桥式起重机普通桥式起重机主要采用电力驱动，一般是在司机室内操纵，也有远距离控制的。起重量可达五百吨，跨度可达 60 米。1.2.2 简易梁桥式起重机简易梁桥式起重机又称梁式起重机，其结构组成与普通桥式起重机类似，起重量、跨度和工作速度均较小。桥架主梁是由工字钢或其他型钢和板钢组成的简单截面梁，用手拉葫芦或电动葫芦配上简易小车作为起重小车，小车一般在工字梁的下翼缘上运行。桥架可以沿高架上的轨道运行，也可沿悬吊在高架下面的轨道运行，这种起重机称为
14、悬挂梁式起重机。1.2.3 冶金专用桥式起重机冶金专用桥式起重机在钢铁生产过程中可参与特定的工艺操作，其基本结构与普通桥式起重机相似，但在起重小车上还装有特殊的工作机构或装置。这种起重机的工作特点是使用频繁、条件恶劣，工作级别较高。上述桥式起重机除按起重机的结构及使用特性分类外，有时也按主梁的数目将其分为单主梁桥式起重机、双梁桥式起重机、四梁桥式起重机等。单主梁桥式起重机只有一根主梁，起重小车带有反滚轮，单侧满置，取物装置多为吊钩，也有电磁盘的；双梁桥式起重机具有两根对称配置的桁架型或箱型主梁，是桥式起重机的基本形式；四梁桥式起重机多用于某些冶金桥式起重机中，四根梁以桥架纵向中心线对称布置，外
15、面两根主梁上架设普通的单钩或双钩起重小车，即副小车。主小车可跨在副小车上空运行。2 桥式起重机的发展桥吊经历四代升级：第一代桥吊能吊起 30.5 吨的货物重量，起升高度可达 18 米到 20米，可向海面伸出 28 米远；第二代能吊起 35.5 吨重的货物，起升高度可达到 25 米，可向海面伸出 40 米远；第三代能吊起 50 吨重货物，能升到 32 米高，可前伸出海 50 米；第四代能吊起 70 吨重货物，能升高 42 米，能前伸 70 米远。伴随着集装箱运输船舶大型化的蓬勃发展和技术进步而在不断更新换代，科技含量越来越高，正朝着大型化、高速化、自动化和智能化，以及高可靠性、长寿命、低能耗、环
16、保型方向发展。此外，集装箱运输船舶的大型化、特别是超巴拿马船型的发展，对桥吊提出了更新更高的要求：一是提高起重机的技术参数，起重机速度参数高速化，外伸距、起升高度增大；吊具下额定起重量提高；二是开发设计高效率的岸边集装箱装卸系统，以满足船舶大型化对起重机生产率的要求 4。3 桥式起重机的电气控制系统3.1 桥式起重机主要电气控制方式桥式起重机是工矿、企业、码头中一种常用的工业设备。传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕线转子串电阻方法进行启动与调速，继电接触器控制。这种控制系统的主要缺点有：桥式起重机工作环境差，现场灰尘大，且反复短时运行，自动频繁，工作任务重，电机碳刷磨损快、滑环间容易短路放
17、跑，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生；接触器控制系统可靠性差，操作复杂，电动机正反转的加速控制均采用交流接触器和时间继电器，交流接触器线圈经常烧坏，故障率高；电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。操作检修不方便，维护量大，电机寿命短，控制线路复杂，严重影响企业正常生产 5。要从根本上解决这些问题，就要彻底改变传统控制方式。近年来，计算机技术和电力电子器件迅猛发展，电气传动和自动控制领域也日新月异。其中，具有代表性的 PLC 获得了广泛应用，将 PLC 技术应用于桥式起重机控制系统中，使得起重机的整体特性得到较大提高，解决了传统桥式起
18、重机控制系统存在的诸多问题，在起重运输机械行业中具有广泛的发展和应用前景 6。控制系统设计运用 PLC、变频器进行改造，操作简单，运行可靠，故障减少。目前生产的高性能矢量控制变频器，具有可靠性好，多功能，低噪音等优点。通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。可编程序控制器是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置，它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动控制枝术及通用技术融为一体，具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点，是当今及今后工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备 7
19、。可以这样说，到目前为止，无论从可靠性上，还是从应用领域的广度和深度上，没有任何一种控制设备能够与 PLC 相媲美。一般来说，一个完整的基于 PLC 控制的桥式起重机电气系统，主要由六大模块组成，分别为：（1）配电保护模块；（ 2）主起升机构模块；（ 3）副起升机构模块；（4）大车运行机构模块；（5）小车运行机构模块；（ 6）PLC 控制模块。通过联动台上的主令控制器、按钮等手动控制装置，把信号传递给 PLC 的输入模块，CPU 内的程序对这些信号进行处理，再由输出模块输出控制信号控制中间继电器、指示灯、报警器、显示装置等。中间继电器带动大的接触器，进一步控制起重机各机构电机的启动、停止及运行
20、。各种保护信号如限位开关、过流继电器、门开关、超载限制器等也将信号反馈到 PLC 的输入模块，起到安全保护的作用 8。3.2 控制系统安全保护一般的桥式起重机控制系统设有以下的保护环节：（1 ）安全门开关联锁保护：在门开关没关的情况下，总接触器不能吸合，在总接触器吸合的情况下，打开门开关，总接触器断开。（2 ）超载保护：当起重量达到额定起重量的 95%时，开始报警，达到额定起重量的105%，报警并输出停止信号，此时，起升机构只能下降，不能上升。（3 ）断相、相序保护：通过断相相序保护器来实现。（4 ）各机构限位保护：包括主副起升、下降限位；大车左行、右行限位；小车前行、后行限位，到达限位时，切
21、断对应方向电源，此时，该机构只能向相反方向运行。（5 ）设置急停开关，在出现紧急事故的情况下，切断总电源。急停开关一般为红色蘑菇头非自复位型。（6 ）设置零位保护，各机构控制器只有在零位的情况下，总接触器才能吸合，防止在停电后，主令没回零的情况，各机构自行运行，带来危险。（7 ）设置热继电器，当电机通过的电流超过电动机的额定电流，电机温度过热时，其相应的热继电器工作，断开主回路，起到保护电机的作用 9。（8 ）设置电铃或报警装置，在出现故障时，可进行报警。在起重机动作之前应该报警，必须在响铃后方可操作大车运行机构。3.3 控制系统的主要功能3.3.1 检测输入信号桥式起重机控制系统要完成对操作
22、按钮输入的检测、限位开关的检测、变频器反馈信号的检测等。操作按钮输入的检测。完成对人工操作台的输入按钮的检测：主要的输入按钮有急停按钮和起动按钮；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；升降机构运行与停止和减速及减速按钮等。限位开关的检测。限位开关包括三组：大车前进、后退限位开关；小车左移、右移限位开关；升降机构上升、下降限位开关。各限位开关用于检测各机构的允许极限位置 10。3.3.2 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、升降机的控制和电磁制动器的控制等。大车电动机的控制。控制电动机的运动方向、停止，以及加减速；小车电动机的控制。控制电动机的运动
23、方向、停止，以及加减速；升降机的控制。控制该电动机的运行防线、停止，以及加减速；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。基于 PLC 及变频器的桥式起重机，现场的运行状况、运行数据都可以在司机控制室掌握，用户在控制室可以通过人机界面来设置变频器的运行频率、启动和停止电机，并且变频器的故障信息可以在人机界面上反映出来，以用来提示用户 10。采用变频器实现起重机电机的调速运行，结合 PLC 的强大功能、可靠性以及基于组态软件所开发出来的良好人机界面和通信能力，实现在司机控制室对电机的远程控制运行参数调节。上位机选择触摸屏主要完成系统的组态、监控、参数设置和开关量置位。
24、下位机采用 PLC 来实现各电机的启、停、电磁阀的开关，数值的转换、速度的检测。4 总结起重机现场检测采用 PLC 控制，能严格、高效地完成测试，并能解决传统控制方式下在操纵方面的许多麻烦。从查阅的大量文献资料表明，基于 PLC 控制，可使设备达到安全可靠运行，减轻操作人员的劳动强度，提高工作效率，充分体现了 PLC 在控制领域的优势，具有重要的实用意义和推广价值。针对传统桥式起重机控制系统存在的诸多问题，将可编程序控制器和触摸屏控制技术应用于桥式起重控制系统中，使得起重机的整体特性得到较大提高，解决了传统桥式起重机控制系统存在的问题。变频调速技术改造起重机电力拖动控制系统，不但使控制性能得到
25、极大的提升，也降低了系统的能耗，具有良好的工业应用前景。参考文献1 畅启仁. 港口起重机M. 上海：上海海运学院，2000.2 张质文. 起重机设计手册M.北京：中国铁道出版社，2001.3 裘为章，吴锡忠.实用起重机电气技术手册M.北京：机械工业出版社，2002.4 文方，罗锋华，孙敏. PLC 控制在桥式起重机检测中的应用 J .机电工程，2006 ，35 (4) 87 895 刘晓庆. 基于 PLC 控制的变频调速在桥式起重机中的应用J. 机械,2004，31(8) 15196 陈伯时. 电力拖动自动控制系统M. 北京：机械工业出版社，1996.7 高钦和. 可编程控制器应用技术与设计实
26、例M. 人民邮电出版社，2005(7).8 张万忠. 可编程控制器入门与应用M.北京：中国电力出版社，2005.9 李胜永,季本山. 基于 PLC 和变频器的港口桥式起重机控制系统研究J.测试与控制,2010,23（1 ）:159-161.10 罗军. 基于 PLC、变频器的桥式起重机的改造 J.电气技术,2010,5:64-67.11 C. Y. Chang， “The switching algorithm for the control of overhead crane， ”Neural Comput. Appl.，vol. 15，no. 34，pp. 350-358，200612 Shogo Tanaka, Susumu Kouno. Automatic measurement and control of the attitude of crane liftersJ.Control Engineering Practice ,1998, 6:1099-1107.
