1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于 PLC 的桥式起重机电气控制系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位，因此提高桥式起重机的运行效率，确保运行的安全可靠 性是十分重要的。传统的桥式起重机电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点。因此对桥式起重机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。 本文针对桥式起重机控制系统中存在的上述问题，把可编程序
2、控制器和变频器应用于桥式起重机控制系统上，并进行了电气控制系统的设计。 PLC 系统采用 SEIMENS 公司产品，能控制起重机大车、小车的运行方向和速度换档；吊钩的升、降方向的控制及速度换档，通过工业触摸屏进行操作，减小了传统继电 -接触式控制系统的中间环节。减少了硬件和控制线，极大提高了系统的稳定性，可靠性。 为了更加有效地防止重物下滑，在桥式起重机起升机构各加上一套由旋转编码器和 PLC 相结合的闭环系统，使主副吊钩拖动更加稳定、可靠。实验结果表明，采用该控制系统，使桥式起重机工作可靠，使用方便，同时具有动态显示的功能，节能效果好。 关键词 ：桥式起重机；可编程序控制器；变频调速；变频器
3、 - 3 - Abstract The bridge crane plays an important role in the national economy as a typical material handling device, so it is important to raise the bridge crane operational efficiency and make the operation system to be secure. The electric control system of the traditional bridge crane adopts r
4、otor circuit applying series resistor in step speed regulation, and it makes the system have many disadvantages, for example: poor reliability, complex operation, high failure rate, high waste of energy, low efficiency ect. So the research on the control system of the bridge crane has practical sign
5、ificance, and it is also a subject for the domestic and foreign experts. To the question that exists in the bridge crane control system, the paper apply programmable controller and frequency converter on control system of bridge crane, have carried on deeper research, in relevant respects. PLC syste
6、m adopts the SIEMENS Company products, can control the crane cart, car operation direction and change speed; to raise, lower cliver direction and change speed, can measure each motor trouble phenomenon and send this to touch-sensitive screen of industry to show at the same time, have reduced traditi
7、onal electricity-Contact-type control system of intermediate link. It reduce the hardware and control line, has improved systematic stability, dependability greatly. Prevent the heavy object from gliding for being more effective, rise organization of crane add one rotate encoder, PG count mould chan
8、ge combine PLC with close ring system, make clivers more steady, more reliable. The experimental result indicates, adopt this control system, it is reliable to make the bridge crane work, easy to use, have dynamical shown function, energy-conservation is effectual. Key Words: Bridge crane; Programma
9、ble controller; Frequency conversion; Frequency converter - 4 - 目 录 1 引言 . - 1 - 1.1 桥式起重机的国内外发展状况 . - 1 - 1.2 本课题的研究意义及主要内容 . - 2 - 2桥式起重机系统总体方案设计和部件选型 . - 3 - 2.1 桥式起重机的功能介绍 . - 3 - 2.1.1 检测输入信号 . - 3 - 2.1.2 控制输出 . - 4 - 2.2 本设计的总体框图 . - 4 - 2.3 PLC 基本结构和工作原理 . - 7 - 2.3.1 PLC 的系统组成与各部分的作用 . - 7
10、- 2.3.2 PLC 的工作原理 . - 8 - 2.4 PLC 的选择 . - 8 - 2.4.1 CPU 模块 . - 9 - 2.4.2 I/O 扩展模块 . - 9 - 2.4.3 功能扩展模块 . - 10 - 3桥式起重机电气控制系统硬件电路的设 计 . - 11 - 3.1 主电路的设计及设备选用 . - 11 - 3.1.1 主电路的设计 . - 11 - 3.1.2 设备选用 . - 12 - 3.2 控制电路的设计 . - 14 - 3.2.1 系统控制的要求 . - 14 - 3.2.2 控制系统设计框图 . - 14 - 3.2.3 控制系统的 I/O 点及地址分配
11、. - 18 - 3.2.4 PLC 的配置 . - 21 - 3.2.5 控制电路接线图 . - 21 - 3.2.6 各机构的安全保护及检测 . - 21 - 4桥式起重机电气控制系统软件设计 . - 23 - 4.1 触摸屏的软件设计 . - 23 - - 5 - 4.2 梯形图的设计 . - 25 - 4.2.1 PLC 编程软件概述 . - 25 - 4.2.2 程序设计 . - 26 - 5系统电气控制柜布局设计 . - 28 - 6总结与展望 . - 29 - 6.1 全文总结 . - 29 - 6.2 研究展望 . - 29 - 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . -
12、 31 - - 1 - - - 1 - - 1 引言 1.1 桥式起重机的国内外发展状况 起重机作为一种古老的机械，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等各方面都有了很大的 发展，其设计理论、制造工艺、检测手段等都逐渐趋于完善和规范化，并已经成为一种较为成熟的机械。但由于生产发展提出新的使用要求，起重机的种类、形式也需要相应地发展和创新，性能参数也需要不断变化与提高。由于现代化设计方法的建立和计算机辅助设计等现代设计手段的应用，使起重机设计思维观念和方法有了进一步的更新，其它技术领域和相邻工业部门不断取得的新科技成果在起重机上得到渗透、推广应用等，更使起重机的各方面不
13、断地丰富更新。因此，起重机将向现代化、智能化、更安全可靠方便的方向发展。 当今，起重机发展的主要趋势有以下几点： （ 1）向大型化、高效率化发展。 （ 2）向自动化、智能化、集成化和信息化发展。机械技术和电子技术相结合，将先进的微电子技术、电力电子技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现自动化和智能化，以适应多批次少批量的柔性生产模式。 （ 3）向成套化、系统化和规模化发展。将各种起重运输机械的单机组合为成套系统，加强生产设备与物料搬运机械的有机结合，提高自动化程度，改善人机系统。 （ 4）向模块化、组合化、系列化和通用化发展。 （ 5）向小型化、轻型化发展。有相当数量的起重运输机械
14、作业并不十分频繁。 （ 6）采用新理 论、新方法、新技术提高设计质量。 （ 7）用新结构、新部件、新材料和新工艺提高产品性能。结构方面采用薄壁型材和异型钢，减少结构的拼接焊缝，采用各种高强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和美化外形。 - 2 - - - 2 - - 1.2 本课题的研究意义及主要内容 本课题中以桥式起重机作为研究实体，在工厂、港口、货场等许多场合，起重机是实现物料搬运、减轻笨重体力劳动、提高作业效率、实现安全生产的重要设备。在国民经济各部门的物质生产和流通中，起重机作为关键的工艺设备或重要的装卸机械，应用十分广泛，并发挥着重要作用。 随着科 技的不断发展，
15、各种技术得以相互结合，尤其是 PLC 技术日趋完善，而且应用非常广泛，在现在的工业控制中占有十分重要的地位，基本上在所有的控制系统中，都能看到 PLC 的身影，所以选择这个课题，不仅可以对桥式起重机的各个结构加深了解，也可以对有关 PLC 的电气设计加以熟悉。 本次课题研究的主要内容： （ 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
16、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。 在本次设计里，大车机构电机、小车机构电机、主钩电机、副钩电机，选用功率分别为 5.5KW、 5.5KW、 30KW、 15KW 的电机。 - 3 - - - 3 - - 2桥式起重机系统总体方案设计和部件选型 2.1 桥式起重机的功能介绍 桥式起重机的功能主要是完成大型物品的运输功能。其控制系统主要涉及两方面的功能：检测输入信号、控制输出。 2.1.1 检测输入信号 桥式起重机控制系统要完成对操作按 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
17、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。 变频器反馈值的检测。检测变频器的反馈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，即溜钩现象。发生此现象的原因就是电磁制动器在通电到断电或者断电到通电是需要时间的，大约为 0.6s。 溜钩现象分两种情况：重物悬停过程。设定一个停止频率，当变频器的工作频率下降至该频率时
18、，变频器输出一个频率达到信号，发出启动电磁制动器运行的指令，然后延时一段时间，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，最后将变频器的频率降低到 0；重物悬空启动过程。设定一个上升起动频率，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，然后延迟一段时间，该时间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。 - 4 - - - 4 - - 2.1.2 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。
19、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。 2.2 本设计的总体 框图 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的方法进行启动和调速，继电器 -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，工作任务重，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生； （ 2）继电 -接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高； （ 3）转子串电阻调速，所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低； （ 4）电机
20、转子串电阻调速属能耗型转差调速，能耗大，机械特性软，调速范围小； （ 5）继电器 -接触器控制系统在频繁切换的情况下，冲击电流大，触头烧损、电刷冒火、电动机以及转子所串电阻烧损 和断裂故障时有发生，故障率高； （ 6）调速平滑性差，对减速机、连轴器、钢丝绳的机械冲击大，影响使用寿命； （ 7）系统抱闸是在运动状态下进行的，对制动器损害很大，闸皮磨损严重。 要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自动控制领域的发展，除了继电 -接触控制，常见的还有微机控制系统和 PLC 控制系统。 微机控制系统成本比 PLC 低，逻
21、辑针对性高，所以要在对整个系统非常了解的时候才会使用，智能化比 PLC 高，专业应用的时候，实现的功能要比 PLC多，具有安全性可靠性最高的特点，输入输出信号还可以实现一体化隔离，通讯组态模式最多。但是开发周期最长，一旦要有变化修改比较麻烦。 - 5 - - - 5 - - 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；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
22、控制设备。所以，运用可编程序控制器、变频器对控制系统进 行改造，可以使操作简单，运行可靠，故障减少，有效解决上述问题。 所以本次设计采用 PLC 控制系统，本次设计的总体框图如图 2-1 所示。 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 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图 2-1 本次设计的总体框图 桥式起重机的运行机构包括大车运行机构、小车运行机构和起升运行机构。 大车运行机构。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为根据，通常选额定功率大一级的变频器。 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。同大车运行机构有些类似。 起升运行机构。在本次设计中，起升机构分为主钩和副钩两部分，分别采用一台电动机单独驱动，每台电动机配一台变频器，采用专用的变频器进行重物提
