1、1西华大学毕业设计说明书摘要本设计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。阐述了交流桥式起重机在实际中的应用以及 PLC 在改造方案中的确定，亦涉及在改造过程中设备的选型。本文以日本三菱公司 FX2N系列 PLC 为例，讲述了 PLC 在交流桥式起重机改造中的的控制方案。与传统控制方案相比，采用PLC 控制的桥式起重机可以简化繁重的设备，使控制更加安全可靠。从经济效益与环境效益的角度分析，本设计虽然前期投入一部分资金用于购买 PLC 及变频器等设备，但是长期运行后的维修成本远低于原系统，并且节能可达 30%左右。设计中变频器通过 PLC 进行无触点控制，使设备运行更加准
2、确，并且减轻了人员的劳动强度，提高了工作效率。【关键词】桥式起重机、 变频器、 PLC、 控制系统2西华大学毕业设计说明书AbstractThis text discussion the improved design of bridge crane control system based on PLC and frequency converter. Introduced the application of Bridge crane, the application of PLC in reconstructive transform and choosing the device. T
3、he text takes Mitsubishi Japan FX2NPLC series as an example, introduced the control project of 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 economic benefits and environm
4、ental benefits, The maintenance cost is far below original system after long-term operation，and Saves about 30% of energy，beside a fond musts put into buying PLC and inverter and other equipment . In this design, Inverter non-contact programmable controller controls the equipment to run more accurat
5、e, as well as reduced labor strength, increased efficiency.【Key words】 bridge crane; frequency converter; PLC; control system1西华大学毕业设计说明书目 录摘要 .11 绪论 .12 设计要求及方案选择 .42.1 系统设计要求 .42.2 题目分析 .42.3 系统方案选择 .53 系统主要硬件介绍 .73.1 可编程控制器 .7 3.1.1 PLC 概述 .73.1.2 PLC 的系统组成与各部分作用 .83.1.3 FX2N系列 PLC 的特点 .103.2 变频器
6、 .123.2.1 变频器的简介 .123.2.2 交-直-交 PWM 变压变频器基本结构 .143.2.3 三相异步电动机的变频调速 .153.3 限位器及安保电路 .184 系统总体方案设计 .204.1 控制系统的 I/O 点地址分配 .204.2 控制各电机的变频器输入控制断的安排 .214.3 PLC 系统选型 .224.4 变频器的选用 .224.5 电气控制系统原理图 .254.5.1 主电路图设计 .254.5.2 PLC 接线图设计 .264.5.3 主、副钩起升机构设计 .274.5.4 大、小车运行机构设计 .284.6 辅助器件选择 .304.7 系统流程图 .334.
7、7.1 大车控制系统 .334.7.2 小车控制系统 .344.7.3 升降控制系统 .354.7.4 升降悬停控制系统 .365 系统软件设计 .385.1 三菱 PLC 编程软件简介 .385.2 运行流程图 .395.3 梯形图 .405.4 改造后桥式起重机工作过程 .446 系统仿真及调试 .467 设计总结与体会 .47致谢 .48参考文献 .491西华大学毕业设计说明书1 绪论1).传统桥式起重机控制系统存在的问题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。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
8、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，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是-个很重要的方面。由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，因此电气控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。传统的起重机驱动方案 【1】 -般采用:（1）直接起动电动机；（2）改变电动机极对数调速；（3）转子串电阻调速；（4）涡流制动器调速；（5）晶闸管串级调速；（6）直流调速。前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速
9、度以下调速：起动电流大，对电网冲击大：常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重：功率因数低，在空载或轻载时低于0.20.4，即使满载也低于 0.75，线路损耗大。晶闸管串级调速虽各服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。2).桥式起重机电气传动技术的国内外发展概况电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲 60 年代采用发电机-
10、电机系统。从控制电阻分级控制，到交磁放大控制，到晶闸管激磁控制，到主回路晶闸管即晶闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速发展，集成模块出现，计算机、微处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。从交流驱动来讲:常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放时的低速，-般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转子2西华大学毕业设计说明书反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的发展，国内外开发研制变频调速， PLC 可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。目前国内外几种常用调速系统配置及其性能:（1） DC-300 直流驱动调
11、速系统: GE 公司 DC-300、 DC-2000 是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统，其控制功率从 300HP 到 40O0HP，并采用 PLC 对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。该驱动系统实施主回路晶体管整流，其控制是给定模拟量通过数模转换成数字量，通过速度环、电流环到 SCR 移现触发的逻辑无环流的调速系统。可用测速反馈或电压反馈，对磁场弱磁，以实施恒功率控制。（2）交流调速控制系统:对于起重机械来讲，交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。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，
12、该技术己进入了成熟稳定的发展应用阶段。日本安川电机制作所于 1972年就正式定为 VS 系列，应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发。借助电力电子技术、微电子技术的发展，由分离元件发展到大规模集成电路，从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟量控制发展到数字量控制。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。在桥式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度。（3）变频调速:变频调速技术 【2】 是国际上各大电气公司在 70 年代末 80 年代投入全力研制
13、、开发，也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。这几年-些公司如德国 SIEMENS，美国 GE，日本三菱等推出全数字化的变频控制技术，大功率的 IGBT 模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。目前，变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差频率控制，变频控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用，但其控制性能有-定的差异。直流电动机之所以与有良好的控制性能，其根本原因是当励磁电流恒定时，控制电枢电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小。异步电动机产生瞬时转矩的原理虽然与直流电动机相同，但由于建立气隙磁场的励磁分量和电磁转矩所对应装置电流有功分量都应包含
14、在定子电流中，无法直接将它们分开，在运行过程中，这两个分量有会互相影响。因此要控制异步电动机的瞬时转矩十分困难。像采用恒压频比控制、转差频率控制的变频调速系统由于是从控制3西华大学毕业设计说明书电动机的平均转矩的角度出发来控制电动机的转速，因而难以获得较理想的动态性能，异步电动机在高精度调速系统和伺服系统中的应用受到限制。而矢量控制是从根本上解决了这个问题，使交流调速系统的应用范围迅速扩大。适用于通用的鼠笼式电动机，无速度传感器的变频调速技术的应用-该技术使变频控制装置不再配套专用电机，而且可通过软件对-般的鼠笼式电机-矢量控制装置实施参数调整，进-步降低电气电机的投资而且维护保养方便。变频器
15、使用 PWM 技术可严格地使输入电流正弦 COS 即在下降过程各机械减速制动中，将动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时确保工况正常运行，上述发展已完成了产品系列化上市，对“变频”装置在技术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有明显的优势。同时随着 PLC 系统的不断成熟与完善，以及大容量变频器在位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。4西华大学毕业设计说明书2 设计要求及方案选择2.1 系统设计要求 现有一台 15/3t 交流桥式起重机如图 2.1 所示，采用起重用绕线式交流异步电动机拖动，其中横梁的移动使用 2 台相同的电动机，小车的移动使用一台电动机，主
16、钩和副钩各使用一台电动机。5 台电动机均采用了转子串电阻调速方式，以增加启动转矩，减少启动电流。由于工作环境恶劣，空气中的水分对电机滑环、碳刷及接触器腐蚀较大，加上任务重，操作流程复杂，冲击电流大，触头消蚀严重，碳刷冒火，电机及转子绕组所串电阻烧损、断裂故障时有发生，对生产影响较大。转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时，转速也变化，调速效果差，所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要求对其进行改造，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。图 2.1 桥式起重机示意图.1.桥架由主梁、端梁、走台等几部分组成。2.大车移行机构 3.小车 4.提升机构 5 .操纵室
17、2.2 题目分析题目中原有的交流桥式起重机系统采用接触器控制电源电路的启动、停止、限位；使用凸轮控制器控制大车、小车、副钩电动机的前进、后退、零位、加速、减速；而主钩的前进、后退、零位、加速、减速等动作使用主令控制器完成，并且各电机均设电磁抱闸装置刹车。5 个电动机都使用转子串电阻调速，其中主钩电动机串有 7 级电阻，其余电动机串有 5 级电阻。经分析，电路中凸轮控制器的触点上流过的即是电动机的工作电流作开关开合时容易出现冲击电流，减少了接触器触点寿命。为了延长使用寿命，触点往往做得十分笨重，不仅增加了设备体积，也给操作带来了不变；转子串电阻的调速方式使机械特性变软，所串电阻长期发热，极大地浪
18、费了电能；每一台5西华大学毕业设计说明书电动机配备一台凸轮控制器或主令控制器的方式使得操作面板上的控制开关种类繁多，容易出现误操作。为了克服以上缺点，在改造中采用 PLC 代替接触器开关，使设备体积小，操作强度也随之下降；使用桥式专用变频器代替转子串电阻调速，增加了机械特性硬度，也不存在发热问题，提高了系统效率；5 台电动机共用一台主令控制器控制，减少了按钮数量，从而提高了系统可靠性。原有系统中的电磁抱闸装置，过电流保护装置，动作限位开关，横梁栏杆安全开关，舱门安全开关等安保装置均予以保留，以提高整个系统的可靠性。2.3 系统方案选择从以上的题目分析来看，改造后的交流桥式起重机控制系统包含如下
19、几个部分：主令控制器、限位器、保护输入、PLC、4 台变频器、5 台电动机（大车电动机两台） ，其控制框图如下图图 2.2 交流桥式起重机控制系统框图本设计使用 PLC 实现主令控制器的开合表的逻辑功能，以代替原有系中为每台电动机设置一台主令控制器或凸轮控制器的设计。限位器与保护输入均保留传统的开关器件，并将其输入到 PLC 中以便处理。桥式起重机的运行机构多为恒转矩负载，可以使用专用的变频调速起重电机，也可以使用起重机原有的线绕转子电动机，将转子绕组短接就可以了。从技术改造出发，首先要考虑最大限度地利用原有设备和器件，用最小的6西华大学毕业设计说明书投入产生最大的经济效益。故改造后的系统仍采
20、用桥式起重机原有的线绕转子电动机。其型号见表 2-1。表 2-1 电动机的型号电流（A）名 称 型 号 功率（W）定子 转子 转速（r/min） 重量（kg）主钩电动机 YZR-315M-10 75 kW 160 149.3 579 1180副钩电动机 YZR-200L-8 15kw 33.5 53.5 712 129小车电动机 YZR-132MB-6 3.7 kW 9.2 14.5 908 108大车电动机 YZR-160MB-6 7.5 kW 18 26.5 940 160桥式起重机的电气传动系统有大车电动机两台、小车电动机一台、15 吨主钩、3 吨副钩提升电动机各一台，这次设计总的思路是
21、用 4 台变频器来控制 5 台电机。起重机提升和运行机构的调速比一般不大于 1:20，且为断续工作制，通常接电持续在 60%以上，负载多为大惯量系统。因此起重机的运行机构选用普通电机，提升机构的电机选用适合频繁起动、转动惯量小、起动转矩大的变频用电机。电动机功率的选择，必须根据生产的需求来决定。一般来说，起重机用电动机比一般工业生产机械所用的功率大 10%左右。7西华大学毕业设计说明书3 系统主要硬件介绍由于本设计采用一台 PLC 控制四台变频器操作 5 台电动机的运行，因此，四台变频器所需的输入口线均接在这台 PLC 上，再由四台变频器分别控制相应的电动机。下图（图 2.1）画出了桥式起重机
22、的 PLC 控制原理图。为简便起见，图中并未画出全部的 I/O 口线。图 3.1 桥式起重机的 PLC 控制原理图3.1 可编程控制器PLC 是本系统的控制核心，负责接收主令控制器、限位器、开关等输入器件和变频器等输出器件的开通与关断。3.1.1 PLC 概述可编程程序控制器( programmable controller)【3】 ，其早期主要应用于开关量的控制，现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。可编程序控制器是-种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联成-个整体，易于扩充其功能的原则
