畢業(yè)設計--基于plc的橋式起重機控制系統(tǒng)的設計

1、<p>　　學科分類號：____08____</p><p><b>　　本科生畢業(yè)設計</b></p><p>　　題 目：基于PLC的橋式起重機 </p><p>　　控制系統(tǒng)設計 </p><p>　　系 部： 通信與控制工程系 </p><p>

2、;　　專業(yè)年級： 自動化2009級 </p><p>　　基于PLC的橋式起重機控制系統(tǒng)設計</p><p>　　摘要：傳統(tǒng)的橋式起重機采用繼電器和串電阻調(diào)速作為主控制器及調(diào)速方式，面對現(xiàn)代工作生產(chǎn)中起重機的頻繁起動、制動、反轉、變速等操作容易因機械疲勞造成結構開裂、器件更換頻繁等問題。本設計是基于PLC的橋式起重機控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)選取西門子公司的S7-200系列PLC作為

3、控制器實現(xiàn)對起重機大車、小車、主鉤及副鉤的起動、停止、反向運動等一系列控制，在速度調(diào)控方面采用安川VS-616G5變頻器對各機構進行變頻調(diào)速。系統(tǒng)中還設計了完善的運行指示模塊，操作人員能夠清晰直觀的監(jiān)測起重機各部位運行情況。通過本設計的一系列功能，在性能上提高了橋式起重機工作效率、擴大了調(diào)速范圍，經(jīng)濟上提高了橋式起重機的使用壽命、減少了損耗，在安全方面提高了金屬結構、機構和電氣設備的可靠性，保證了作業(yè)安全。</p><

4、;p>　　關鍵字：橋式起重機；變頻調(diào)速；S7-200</p><p>　　Design of Control System of Bridge Crane Based on PLC</p><p>　　Abstract：Bridge crane with traditional relay and series resistance speed as the main control

5、ler and speed control mode, the face of frequent crane modern work production in starting, braking, reverse, speed and easy operation due to mechanical fatigue cracking caused by frequent replacement, device structure et

6、c.. The design of control system of bridge crane control system based on PLC, selection of Siemens company S7-200 series PLC as controller of crane, trolley, the main hook and the auxiliar</p><p>　　KeyWords：

7、Bridge crane; Frequency control;S7-200</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1橋式起重機的研究背景1</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p>

8、<p>　　1.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3本課題的研究目的和意義3</p><p>　　第2章 基于PLC橋式起重機控制系統(tǒng)的總體設計4</p><p>　　2.1橋式起重機的工作原理4</p><p>　　2.2系統(tǒng)方案設計5&

9、lt;/p><p>　　2.3電機的選型6</p><p>　　2.4變頻器的選型7</p><p>　　2.5輔助器件的選擇8</p><p>　　第3章 控制系統(tǒng)的硬件設計10</p><p><b>　　3.1電氣圖10</b></p><p>　　3.2 PL

10、C的選型11</p><p>　　3.2.1 主控器的選型11</p><p>　　3.2.2 擴展模塊的選型12</p><p>　　3.3系統(tǒng)I/O分配12</p><p>　　3.4控制系統(tǒng)的硬件接線圖15</p><p>　　第4章 基于PLC橋式起重機機控制系統(tǒng)的軟件設計16</p>

11、<p>　　4.1 編程軟件的介紹16</p><p>　　4.2系統(tǒng)流程圖的設計16</p><p>　　4.2.1系統(tǒng)主流程圖16</p><p>　　4.2.2運行機構流程圖17</p><p>　　4.2.3起升機構流程圖18</p><p>　　4.3梯形圖設計19</p>

12、<p>　　4.3.1 大車電機的控制19</p><p>　　4.3.2大車抱閘系統(tǒng)的控制19</p><p>　　第5章 總結與展望21</p><p><b>　　5.1總結21</b></p><p><b>　　5.2展望21</b></p><

13、p><b>　　致謝22</b></p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　附錄24</b></p><p>　　附錄A 系統(tǒng)硬件接線圖24</p><p>　　附錄B 系統(tǒng)完整梯形圖程序27</p><p

14、><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1橋式起重機的研究背景</p><p>　　橋式起重機是使用最廣泛、擁有量最大的一種軌道運行式起重機，廣泛應用于工礦企業(yè)的車間，倉庫或露天場地。橋式起重機一般由裝有大車運行機構的橋架、裝有起升機構和小車運行機構的起重小車、電氣設備、司機室等幾大部分組成。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國橋式起重機在各方面不斷積累

15、經(jīng)驗，不斷改造，推動了橋式起重機的技術進步。但是在實際的使用過程中，結構開裂是時有發(fā)生的事情。造成這個現(xiàn)象的主要原因是頻繁的超負荷作業(yè)以及過大的機械振動引起的機械疲勞[1]。</p><p>　　傳統(tǒng)的起重機驅動方案主要為以下五種：(1)直接起動電動機;(2)改變電動機極對數(shù)調(diào)速;(3)轉子串電阻調(diào)速;(4)渦流制動器調(diào)速;(5)可控硅串級調(diào)速;(6)直流調(diào)速。前四種方案均屬有級調(diào)速，調(diào)速范圍小，無法高速運行，只

16、能在額定速度以下調(diào)速;起動電流大，對電網(wǎng)沖擊大;常在額定速度下進行機械制動，對起重機的機構沖擊大，制動閘瓦磨損嚴重;功率因數(shù)低，在空載或輕載時低于0.2-0.4，即使?jié)M載也低于0.75，線路損耗大[2]。目前串級調(diào)速產(chǎn)品的控制技術仍停留在模擬階段，尚未實現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能和起制動性能，也沒有很好的保護功能及系統(tǒng)監(jiān)控功能，所以有時采用直流電動機，而直流電動機制造工藝復雜，使用維護要求高，故障率高[3]。</p>&

17、lt;p>　　在未來，機械工業(yè)的計算機化、高度自動化是不可阻擋的趨勢?，F(xiàn)代工業(yè)控制過程中可編程控制器以其便捷的計算機化、可靠的性能得到了越來越廣泛的應用。本課題正是以可編程控制器為主控器來進行設計的。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　起重機原理在我國宋代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中就已經(jīng)得到應用，但是沒有

18、得到良好的傳承和發(fā)展。我國起重機械的生產(chǎn)在解放前是一個空白，新中國成立后才開始研制自己的橋式起重機。橋式起重機在國內(nèi)從開始研制到今天已經(jīng)走過六十年的發(fā)展歷程，經(jīng)歷了從無到有、從簡到精的蛻變，在發(fā)展的過程中主要有三個階段。</p><p>　　新中國成立之后，國家將工作重心轉移到經(jīng)濟建設當中，發(fā)展重工業(yè)便是首要的任務。1949年10月27日，由大連起重機器廠生產(chǎn)出我國第一臺雙梁橋式起重機，該起重機重量為5噸，跨度為

19、22.5m。該起重機的生產(chǎn)成功代表著我國起重機技術步入了發(fā)展軌道。由于我國重工業(yè)水平處于起步階段，所以當時橋式起重機生產(chǎn)技術還不夠成熟，該起重機僅僅能夠進行簡單、呆板的運作，而且需要耗費大量的人力來協(xié)同作業(yè)。</p><p>　　隨著改革開放的不斷深入，我國橋式起重機生產(chǎn)企業(yè)以及研究機構與國外起重機生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)系日益增強。1995年10月，中國上海振華港口有限公司制造出一臺ZPMC橋式起重機采用德國AEG公司的電氣

20、驅動系統(tǒng)，裝配電子防搖系統(tǒng)和自動化操作系統(tǒng)。為了節(jié)約人力，提高工作效率，改善作業(yè)條件，這是我國第一次將遙控系統(tǒng)用于橋式起重機運輸機械，在控制方式上具有劃時代的意義。</p><p>　　近年來，我國橋式起重機朝著大型化、高效化、協(xié)同作業(yè)化發(fā)展，并且取得了不俗的成績。2006年由太原重工股份有限公司研制成功的最新科技成果—我國第一臺無線并車吊運百米鋼軌新型橋式起重機在山西省科技廳舉辦的科技成果鑒定會上通過了專家鑒定

21、。2010年8月中國第二重型機械公司為鎮(zhèn)江基地生產(chǎn)了第一臺160/50t-32mA5級吊鉤橋式起重機[4]。</p><p>　　1.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在國外橋式起重機的發(fā)展歷程當中，無論是從起步時間、發(fā)展速度以及發(fā)展水平方面都明顯優(yōu)于我國。國外橋式起重機發(fā)展史上迎來過兩次春天，第一次在第一次工業(yè)革命之后，第二次是計算機技術、微電子技術、電力電子技術、光纜技術、液壓技

22、術、模糊控制技術飛速發(fā)展的二十一世紀初期。</p><p>　　19世紀后期，第一次工業(yè)革命起于英國席卷歐洲，蒸汽機的使用代替了傳統(tǒng)的水力驅動，起重機的技術革新猶如雨后春筍般跳入人們的眼球。德馬克公司在1873年維也納世界博覽會推出世界第一臺蒸汽驅動的橋式起重機[5]。七年之后，第一臺鋼鐵材料制成的、以電力拖動的橋式起重機在德國出現(xiàn)，但是該起重機驅動方式采用的是集中全部驅動的方式，在電機同步當中存在很大的問題。&

23、lt;/p><p>　　二十一世紀初，隨著計算機技術、微電子技術、電力電子技術、光纜技術、液壓技術、模糊控制技術飛速發(fā)展，國外許多橋式起重機制造公司將機械技術和電子技術相結合，將先進的計算機技術、微電子技術、電力電子技術、光纜技術、液壓技術、模糊控制技術應用到機械的驅動和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)橋式起重機的自動化和智能化。2010年，德國德馬克公司制成一臺可用激光查找起吊物體重心、在取物裝置上裝有超聲波傳感器引導自動抓取貨物的

24、橋式起重機，其自動防搖系統(tǒng)能在運行速度200m/min、加速度0.5m/s2的情況下很快使搖擺振幅減至幾個毫米。</p><p>　　1.3本課題的研究目的和意義</p><p>　　本課題當中以橋式起重機為研究對象，傳統(tǒng)的橋式起重機采用交流繞線串電阻的方式來實行啟動和調(diào)速，同時采用繼電-接觸器控制，這種控制方式可靠性低且操作非常復雜同時故障率較高。橋式起重機大多工作任務繁重、工作環(huán)境相對

25、惡劣，傳統(tǒng)的橋式起重機容易發(fā)生電動機以及所串電阻燒損的情況，不僅影響到正常的生產(chǎn)進而造成經(jīng)濟損失，更有甚者造成人員傷亡。</p><p>　　經(jīng)過本系統(tǒng)設計改造之后橋式起重機的起動、抱閘制動以及變速等過程更加平穩(wěn)，定位更加精確，而且大大減少了負載波動，提高了安全性能。系統(tǒng)運行過程中，開關器件實現(xiàn)了無觸點化，具有半永久性的使用壽命。經(jīng)改進后，電動機起動電流大幅減小，在起動和停止時電機的熱耗減少，大大的延長了電機的壽

26、命。電磁制動器在電機低速時進行抱閘剎車，減少了閘皮的磨損，使其使用壽命延長。在經(jīng)濟方面效果尤為顯著，由于電機的運行電流小，不僅使運行耗電大幅降低，而且減少了對電網(wǎng)的沖擊一定程度上保護了其他設備。</p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)朝著自動化、智能化、集成化和信息化發(fā)展，PLC技術在現(xiàn)代工業(yè)技術中得到了越來越普遍的應用[6]。通過本課題的設計，使我加深了對可編程控制器的理解，強化了對可編程控制器的應用能力。在動手能力、分

27、析問題能力以及解決問題的能力上有很大的提升，同時對當今國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀有了更深層次的認識，為即將畢業(yè)后走上工作崗位奠定了一定的基礎。</p><p>　　第2章 基于PLC橋式起重機控制系統(tǒng)的總體設計</p><p>　　2.1橋式起重機的工作原理</p><p>　　本設計是針對漣源鋼鐵公司實際生產(chǎn)情況需求來進行設計的。該起重機共有兩個起升機構，核載量為20/5t

28、。整個起重機系統(tǒng)當中含有五臺電機以及四臺變頻器，分別為大車的兩臺電機以及一臺變頻器，小車的一臺電機以及一臺變頻器，主鉤和副鉤各一臺電機及一臺變頻器。橋式起重機由大車控制機構、小車運行機構、主起升機構、副起升機構構成。通過對四個機構的控制來完成橋式起重機功能的實現(xiàn)。圖2-1為橋式起重機的結構圖。</p><p>　　圖2-1 橋式起重機結構圖</p><p>　　以下是對該控制系統(tǒng)各機構結

29、構和功能的介紹：</p><p>　?。?）大車運行機構。該機構控制橋式起重機在橫梁軌道上的橫向移動，由兩臺電動機、一臺變頻器以及電磁制動器構成。在大車運行的過程中，通過控制電動機的正反轉來實現(xiàn)運行方向的選擇。在速度控制方面，選用變頻器作為速度控制設備，可以實現(xiàn)三個檔位的調(diào)速，駕駛員可根據(jù)實際情況選擇不同檔位的運行速度。當大車運行至指定位置時，電磁制動器通電制動，大車運行停止[7]。</p><

30、;p>　?。?）小車運行機構。該機構控制橋式起重機在橫梁軌道上的縱向移動，由一臺電動機、一臺變頻器以及電磁制動器構成。在運行方向控制中該運行系統(tǒng)與大車運行機構類似，也是通過控制電機的正反轉來實行方向的控制。由于小車運行機構運行時所需動力較低，所以一臺電動機就能夠滿足要求。在速度控制方面通過變頻器的變頻調(diào)速實現(xiàn)小車能夠通過三個不同速度運行，運行至指定位置時，通過電磁制動器實現(xiàn)抱閘停車。</p><p>　?。?/p>

31、3）主起升機構。該機構由一臺大功率電動機、一臺變頻器以及電磁制動器構成，主要用于重量較重的物體的起吊。吊鉤的起升與下降過程中采用變頻器對上升與下降速度進行調(diào)節(jié)，以此來節(jié)約時間提高工作效率。吊鉤的起降方向控制通過電機的正反轉來實現(xiàn)。電磁制動器主要用于吊鉤運行至指定位置時的制動。</p><p>　?。?）副起升機構。由于主起升機構運行功率較大，當起吊物體重量較輕時不宜采用主起升機構進行起吊。副起升機構的主要功能是針

32、對重量低于5t的物體進行起吊，雖然增加了造價但是從節(jié)約運行成本的長遠角度來看還是比較經(jīng)濟的。副起升機構由一臺電動機、一臺變頻器以及電磁制動器構成，電動機功率與主起升機構相比較小[8]。在方向、速度、制動控制方面與主起升機構大體相同。</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)方案設計</b></p><p>　　根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，本系統(tǒng)是通過可編程控制器為主要控制器

33、來實現(xiàn)橋式起重機的工作正常運轉。通過操作人員在操作室操作，PLC在接到操作</p><p>　　圖2-2系統(tǒng)總體設計方案</p><p>　　人員的指令后經(jīng)過處理將命令交給變頻器，通過變頻器的變頻調(diào)速控制大車、小車以及起升機構電動機的運轉來實現(xiàn)橋式起重機的運行，并且可以通過控制電機正反轉改變各機構運行方向，控制變頻器變頻信號的輸出改變個機構運行速度。與此同時，PLC將各種信息傳輸給顯示模塊

34、，顯示模塊能夠將起重機各種狀態(tài)直觀、清晰的反饋給操作人員，例如大車、小車以及起升機構限位指示燈，變頻器及不同機構電機故障指示燈。在遇到故障之后報警模塊能夠及時報警并將信息傳遞給操作人員，以便操作人員及時作出處理，避免造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。系統(tǒng)總體設計方案如圖2-2所示。</p><p><b>　　2.3電機的選型</b></p><p>　　本設計當中共有五臺電機

35、，分別為大車運行機構中兩臺電機、小車運行機構中一臺電機、主起升機構一臺電機、副起升機構一臺電機。選擇電機時，通常要依據(jù)很多準則，比如所需功率、最大轉矩、接電持續(xù)率、起動等級、控制類型、速度變化范圍、供電方式、保護等級、環(huán)境溫度以及海拔高度等。本設計當中主鉤和副鉤屬于起升機構，大車與小車屬于運行機構，根據(jù)機構的工作特性不同，我們在電動機的選擇時考慮的情況也不同。</p><p>　　大車運行時，運行軌道較長，且運行

36、機構較重，為了提高效率并且滿足生產(chǎn)需求選取兩臺電機并聯(lián)的形式帶動大車運行，根據(jù)漣源鋼鐵廠實際生產(chǎn)情況大車運行時要求功率在11kw左右，所以大車運行機構中所選電機為YZR160M1-6，該電機功率為5.5KW。小車運行機構當中，小車運行軌道較短且小車運行機構重量較輕，較小功率的電機就能夠滿足小車運行要求。小車運行機構中選取一臺YZR160M1-6電機作為該機構動力裝置。主起升機構核定起吊上限為20t，通過最大允許起升力、起升速度以及起升機

37、構效率三方面考量，起升機構電機所需最大功率約為30kw，所以在起升機構當中所選電機型號為YZR250M1-8,該電機功率為30kw，能夠滿足起升機構運行要求。為了節(jié)省能源提高工作效率，在起吊5t以下的物體時采用副起升機構。由于副起升機構起吊物體相對較輕，最大允許起升力相對較小，所以在副起升機構中所選電機為YZR200L1-8，該電機功率為15KW[6]。</p><p>　　本系統(tǒng)當中所選電機均為YZR系列，該系

38、類電動機是斷續(xù)工作的，它的特點是可以經(jīng)常起動、制動和反轉，負載在大小與方向上經(jīng)常變化，能夠滿足橋式起重機運行機構和起升機構的工作要求。在結構上，YZR系列電動機轉子作得比較細長，有效的減小了起動與停車時的慣性。YZR系列電動機具有過載能力大和機械強度高的特點，特別適合驅動各種類型的起重和冶金機械或其它類似的設備。</p><p>　　圖2-3 YZR系列電動機</p><p><b&

39、gt;　　2.4變頻器的選型</b></p><p>　　變頻器的選用通常根據(jù)所調(diào)控的三相異步電動機的額定電流或者三相異步電動機實際運行中的最大電流來決定。本系統(tǒng)當中各機構中所選變頻器必須能夠給電動機提供150%的額定轉矩輸出。起升系統(tǒng)當中為防止溜鉤現(xiàn)象的發(fā)生，變頻器還必須具有零速時的轉矩功能[9]。</p><p>　　針對本系統(tǒng)的設計要求，選取選用日本安川公司的VS-616

40、G5變頻器作為各機構變頻調(diào)速器件，VS-616G5變頻器配有外接的制動單元和制動電阻，通過改變外接制動單元和制動電阻阻值的大小來改變調(diào)控電流的大小進而滿足各機構的調(diào)速要求。</p><p>　　VS-616G5變頻器屬于電壓型變頻器，它包括了四種調(diào)速方式：標準V/F控制、帶PG反饋的V/F控制、無傳感器的磁通矢量控制和帶PG反饋的磁通矢量控制。VS-616G5只需簡單的參數(shù)設置就可以用于廣泛的應用領域。VS-61

41、6G5變頻器具有全磁通矢量控制，在低頻下也能提供150%額定轉矩的起動轉矩。在速度反饋環(huán)節(jié)可做到零速控制，即使在零速下也有150%的額定轉矩輸出，有效的防止了起升機構溜鉤現(xiàn)象發(fā)生，在發(fā)生故障時，也能確保無沖擊安全運行，此特性在起重機械中尤為重要。除此之外，安川VS-616G5具有比較合理的價格、完整的理論計算書以及輔件推薦值，同時，安川公司所生產(chǎn)的各系列變頻器在我國一直占有較大的市場份額，擁有完善的售后服務系統(tǒng)。</p>

42、<p>　　圖2-4 VS-616G5變頻器端子圖</p><p>　　圖2-4為安川VS-616G5變頻器端子圖，其中R、S、T為三相交流電源輸入口，1、2為正反轉輸入口，3為外部故障輸入口，4為故障復位輸入點，5、6、7為速度切換檔位輸入點，8為點動輸入點，B1、B2為外部串電阻接口，U、V、W為三相異步電機接線端，21、22、23為模擬信號輸出端，18、19、20、9、10、25、26、27為數(shù)

43、字信號輸出口。</p><p>　　2.5輔助器件的選擇</p><p>　　本控制系統(tǒng)當中需要一些必要的輔助器件才能夠完成控制功能的實現(xiàn)，必要的輔助器件包括交流接觸器以及熱繼電器。</p><p><b>　　1、交流接觸器</b></p><p>　　交流接觸器是廣泛用作電力的開斷和控制電路。它利用主接點來開閉電路，

44、用輔助接點來執(zhí)行控制指令。主接點一般只有常開接點，而輔助接點常有兩對具有常開和常閉功能的接點。本系統(tǒng)當中采用交流接觸器控制電機正反轉以及抱閘裝置的通斷。在選擇交流接觸器時首先考慮該接觸器所控電路的工作電流，為了避免電流波動對交流接觸器帶來的損壞，在選取接觸器時所選接觸器的額定電流一般為線路正常電流的2至3倍[10]。各機構抱閘系統(tǒng)中，電磁制動器的工作電壓為20A,所選交流接觸器型號為NSFC1-50,該接觸器額定電流為50A。運行機構中

45、大車及小車所接變頻器額定電流均為30A，所選接觸器型號為GTM1L-75,該接觸器額定電流為75A。主起升機構變頻器為48A,副起升機構變頻器額定電流為47A。起升機構中所選接觸器為GTM1L-125交流接觸器[8]，該接觸器的額定電流為125A。</p><p>　　圖2-5 GTM1L-125交流接觸器</p><p><b>　　2、熱繼電器</b></

46、p><p>　　本系統(tǒng)采用熱繼電器作為電機的過載保護裝置。熱繼電器是由流入熱元件的電流產(chǎn)生熱量，使有不同膨脹系數(shù)的雙金屬片發(fā)生形變，當形變達到一定程度時，就推動連桿動作，使控制電路斷開，從而使接觸器失電，主電路斷開，實現(xiàn)電機的過載保護[11]。大車運行機構當中電機額定電流為30A，大車控制電路中所選熱繼電器型號為LRD-53C，該熱繼電器整定電流范圍為30至40A。小車運行機構中電機額定電流為11.6A，控制電路中所

47、選熱繼電器型號為LRD-21C,該熱繼電器整定范圍為12-18A。主起升機構和副起升機構中電動機額定電流分別為48A、47A，起升機構控制電路中所選熱繼電器為LRD-59C，該繼電器整定電流范圍為48-65A。</p><p>　　圖2-5 施耐德熱繼電器</p><p>　　第3章 控制系統(tǒng)的硬件設計</p><p><b>　　3.1電氣圖</

48、b></p><p>　　本設計中需要控制五臺電機作為動力裝置以及四臺變頻器作為調(diào)速裝置。通過控制交流接觸器的通斷控制電機正反轉進而控制各機構運行方向。在制動方面，本設計采用電磁制動器對各機構進行制動。為了避免過電流對系統(tǒng)的影響，采用熱繼電器與電機串聯(lián)接入電路。主要電氣圖如圖3-2所示，圖中QS</p><p>　　圖3-1 電氣接線圖</p><p>　　

49、為總開關，輸入電壓為380V，F(xiàn)U為熔斷器，YA1、YA2、YA3、YA4為電磁制動器。KM1、KM2、KM4、KM5、KM7、KM8、KM10、KM11為交流接觸器，通過控制它們的通斷來控制電機正反轉，通過控制KM3、KM6、KM9、KM12通斷來實現(xiàn)各機構的抱閘制動。FR1、FR2、FR3、FR4、FR5為熱繼電器，當流入電機中的電流過大時，熱繼電器便會斷開以保護電路中器件不被燒毀。</p><p>　　3.

50、2 PLC的選型</p><p>　　3.2.1 主控器的選型</p><p>　　采用PLC為主控制器的橋式起重機控制系統(tǒng)，其中起停按鈕，三個檔位的控制信號，電機正反轉的控制信號，各機構制動器的通斷控制，限位保護控制以及報警提示等，估計需要I/O口數(shù)70~90個。本控制系統(tǒng)屬于中小型控制系統(tǒng)，選擇一款結構緊湊、功能強、具有很高性價比的小機型PLC最為合適。因此本設計選用西門子公司S7-2

51、26PLC[12]。</p><p>　　西門子S7-226PLC屬于西門子S7-200系列。S7-200系列PLC功能強、速度快、具有模塊化、具有極高的可靠性、極豐富的指令集、實時特性、良好的通信能力等。它的強大功能使其無論是在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡都能實現(xiàn)復雜控制功能。西門子S7-226PLC有24個數(shù)字輸入點和16個數(shù)字輸出點，同時還擁有7個I/O擴展模板，最大I/O個數(shù)可擴充至128/120。特殊端子間

52、提供DC24V/400mA傳感器電源，這個電源可以作為輸入端的檢測電源使用，也可用于對外圍設備提供電源，例如故障指示燈等元件。內(nèi)置RAM存儲器的容量為8K，典型值為2.6K條指令，內(nèi)部繼電器、定時器以及計數(shù)器個數(shù)都為256個。</p><p>　　圖3-2 S7-200系類PLC</p><p>　　3.2.2 擴展模塊的選型</p><p>　　由于PLC上I

53、/O口數(shù)量不能夠滿足本系統(tǒng)要求，所以必須外接擴展模塊。西門子S7-226PLC配有數(shù)字量輸入輸出模塊(EM223),在一塊模塊上既有數(shù)字量輸入點，又有數(shù)字量輸出點，這種模塊使系統(tǒng)配置更加靈活。本設計中所選用外接模塊I/O口均為16個，考慮I/O口要保持一定的預留量，本系統(tǒng)選用兩塊該外接模塊[13]。</p><p>　　圖3-3 EM223模塊接線端子圖</p><p>　　3.3系統(tǒng)

54、I/O分配</p><p>　　在大車控制系統(tǒng)中，輸入量有滑行控制、左右限位控制、大車電機熱繼電輸入、變頻器故障輸入、正轉、反轉、低速、中速、高速、零位端，共14個輸入量。輸出量有大車電磁制動、正反轉、低速、中速、高速運行信號以及大車左右限位、變頻器故障、電機故障指示燈等，共13個輸出量。</p><p>　　小車的控制系統(tǒng)中，輸入量有左右限位控制、小車電機熱繼電輸入、變頻器故障輸入、小車

55、電機正轉、反轉、低速、中速、高速運行信號以及小車零位端，共12個輸入量。輸出量有小車電磁制動、小車電機正反轉、低速、中速、高速運行信號以及小車前后限位、變頻器故障、電機故障指示燈等，共12個輸出量。</p><p>　　主鉤的控制系統(tǒng)中，輸入量有限位、超載輸入、主鉤電機熱繼電輸入、變頻器故障輸入、主鉤電機正轉、反轉、低速、中速、高速運行信號以及變頻器故障輸入，共12個輸入量。輸出量有主鉤電磁制動、主鉤電機正轉、反

56、轉、低速、中速、高速運行輸出信號以及超載報警、限位指示燈、變頻器故障指示燈，共11個輸出量。</p><p>　　副鉤的控制系統(tǒng)當中，共有12個輸入量，包括限位、超載輸入，副鉤電機熱繼電輸入、副鉤電機正反轉、低速、中速、高速運行信號以及變頻器故障輸入。輸出量共11個，包括副鉤電磁制動、副鉤電機正轉、反轉、低速、中速、高速運行輸出信號以及超載報警、限位指示燈、變頻器故障指示燈[14]。表3-1為具體的I/O分配表&

57、lt;/p><p>　　表3-1 PLC的I/O分配表</p><p>　　3.4控制系統(tǒng)的硬件接線圖</p><p>　　根據(jù)設計要求，橋式起重機通過可編程控制器為主控制器來實現(xiàn)工作的運行。操作人員將起動、變相、調(diào)速、抱閘等各種操作指令下達至PLC輸入端，PLC在接到指令之后通過內(nèi)部運算轉化為各種輸出量通過輸出接口將輸出信號傳輸至各機構，進而控制各機構的起停、方向選

58、擇以及運行速度。與此同時，PLC輸入端還能夠采集各機構中的運行信號通過轉化后在輸出端通過各種指示燈直觀、清晰的展示出來，使操作人員能夠實時的觀測各機構的運行狀態(tài)，以</p><p>　　便在出現(xiàn)故障時及時作出處理以保護人身、財產(chǎn)安全。整體的硬件接線圖見附錄A。</p><p>　　第4章 基于PLC橋式起重機機控制系統(tǒng)的軟件設計</p><p>　　4.1 編程軟件

59、的介紹</p><p>　　本設計所選PLC為SIEMENS公司的S7-200系列PLC下的S7-226PLC，S7-200的編程語言是V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6,該軟件為新一代軟件，用于S7-200系列PLC進行編程與調(diào)試，它以國際標準IEC1131-3為基礎簡歷而成，可以用LAD、FBD、和STL來編程。這是一種可以運行于通用微機中并且在WINDOWS環(huán)境下進行編程的語言。通過計算機的串

60、口和一根PC/MPI轉接電纜可以將它和PLC的MPI口相連，即可讓雙方進行通信，目前V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6編程軟件已經(jīng)升級到了4.0版本。</p><p>　　通過V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6編程軟件，可以非常方便的使用梯形圖和語句表等形式進行離線編程，經(jīng)過編譯后通過轉接電纜下載到PLC的內(nèi)存中運行，與此同時，在調(diào)試運行進行中還可以在線監(jiān)視程序中各個輸入輸出或狀態(tài)點的

61、通斷情況，甚至還可以進行在線修改程序中的變量，極大的促進了調(diào)試工作的順利進行 [15]。</p><p>　　V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6軟件一個很重要的一個特點是調(diào)試功能很強大，它能夠同時完成在線讀取數(shù)據(jù)以及在線修改過程數(shù)據(jù)，特別適合對大型控制程序進行調(diào)試。V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6軟件本身還附帶一些控制程序模塊，比如PID調(diào)節(jié)模塊，這些模塊能夠從主程序中直接調(diào)用，以便

62、實現(xiàn)不同的功能。V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6軟件工具包采用模塊化的程序設計方案，它采用文件塊的形式管理用戶編寫的程序集程序運行所需的數(shù)據(jù)。該工具軟件包為S7-200CPU與其他系統(tǒng)部件的使用提供了便利[16]。</p><p>　　4.2系統(tǒng)流程圖的設計</p><p>　　4.2.1 系統(tǒng)主流程圖</p><p>　　根據(jù)設計要求工作流程以及控

63、制功能，在系統(tǒng)啟動之后，電源指示燈亮起，設備初始化數(shù)據(jù)。當抱閘充電之后松開，此時操作人員便可以對各機構進行操作。當操作人員在駕駛室經(jīng)由上位機發(fā)出指令信號之后，指令傳輸至PLC之后經(jīng)過處理發(fā)送至變頻器，再傳輸至電動機控制電機的轉動。在運行的過程當中，操作員根據(jù)實際情況判斷是否進行變頻調(diào)速以控制運行機構和起升機構的運行速度。運行過程中操作員根據(jù)起升機構的水平位置以及吊鉤的垂直位置與指定位置的偏移方向與偏移量確定是否到位，如若不到位則需要重新

64、進行方向控制各機構的運行以進行修正，當各機構運行至指定位置時抱上抱閘。如圖4-1所示為系統(tǒng)主流程圖。</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)主流程圖</p><p>　　4.2.2運行機構流程圖</p><p>　　在大車和小車運行之前駕駛員首先確定運行方向，在運行之后根據(jù)起升機構與所吊物體的水平距離判斷是否在運行過程中是否加速，如果水平距離較遠為了節(jié)省時間提高工作效率

65、就需要切換檔位進行變速，PLC在接到變速指令后對電機進行變頻調(diào)速以改變運行速度。預計起升機構將要處于所吊物體上方時抱閘停車，停車后觀察所停位置是否滿足要求，如果所停位置偏移了預定位置則需要重新選擇運行方向再次停車直至停至預定位置。在運行過程中當運行至限位處時PLC自動發(fā)出抱閘指令強行停車,流程圖如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 大車、小車運行流程圖</p><p>　　4.2

66、.3起升機構流程圖</p><p>　　起升機構運行之前操作員必須先根據(jù)起吊物體的重量選擇吊鉤，本設計中橋式起重機主鉤和副鉤最大起吊量分別為20t及5t。為了節(jié)省時間、提高工作效率，吊鉤在上升或下降過程中也根據(jù)實際情況通過變頻器進行速度調(diào)控，PLC接到駕駛員變速指令后對吊鉤進行變頻調(diào)速。當運行至指定位置或者限位處時抱閘制動停車。流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 吊鉤運

67、行流程圖</p><p><b>　　4.3梯形圖設計</b></p><p>　　本設計中程序梯形圖的設計共分為四個模塊：大車運行系統(tǒng)梯形圖、小車運行系統(tǒng)梯形圖、主起升機構梯形圖、副起升機構梯形圖。在設計梯形圖時，要從各機構運行速度、抱閘制動、電機控制、報警控制等多方面進行考量，具體的程序設計圖見附錄B。</p><p>　　4.3.1 大車

68、電機的控制</p><p>　　在大車電機的控制程序當中，只有當大車檔位處在零檔，且大車電機熱繼開關、大車滑行控制開關、左右限位開關以及大車變頻器故障開關這些常閉開關處于閉合狀態(tài)時電機才能夠起動。各檔位調(diào)速常開輸入開關閉合后其相對應的輸出開關就會閉合，如下圖所示當大車高速檔常開開關閉合后其相對于的大車高速輸出口就會閉合，大車就能夠高速運行。圖4-4為運行機構中大車電機控制梯形圖。</p><p

69、>　　圖4-4 大車電機控制梯形圖</p><p>　　4.3.2大車抱閘系統(tǒng)的控制</p><p>　　抱閘控制是橋式起重機控制系統(tǒng)中尤為重要的一個環(huán)節(jié)，不僅在正常運行的情況下要實現(xiàn)起重機的停車，在遭遇故障時，橋式起重機也要能夠及時抱閘停車避免造成經(jīng)濟以及人員損傷。大車在滑行途中行至左右限位時左右限位常閉開關打開，大車電磁制動器通電抱閘。無論大車以何種速度運行至何種位置時，當變頻器

70、出現(xiàn)故障，變頻器故障常閉開關閉合，大車電磁制動器通電制動。圖4-5為大車抱閘控制梯形圖。</p><p>　　圖4-5 大車抱閘控制梯形圖</p><p><b>　　第5章 總結與展望</b></p><p><b>　　5.1總結</b></p><p>　　在現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中，特別是冶金、化工

71、等工業(yè)工作環(huán)境的特殊性，對起重機的要求也更為嚴苛。采用PLC控制的橋式起重機在運行可靠性、操控性、使用壽命、能源損耗等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)橋式起重機。本課題以漣源鋼鐵廠橋式起重機為研究對象，通過不斷的改進，所設計的硬件電路和軟件基本上達到了課題的要求。本論文主要工作包括以下幾個方面：</p><p>　　（1）在硬件設計方面，采用西門子S7-226PLC為核心控制器、安川VS-616G5變頻器為變頻調(diào)速裝置，分別對大車

72、、小車、起升機構進行起停以及速度控制。系統(tǒng)中還設計了完善的運行指示模塊，能夠清晰直觀的監(jiān)測起重機各部位運行情況。根據(jù)系統(tǒng)性能以及經(jīng)濟成本雙重考究，完成了主要硬件的選型與主要機械設備的選型，并設計了完整的電氣圖。</p><p>　　（2）在軟件設計方面，利用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6軟件為開發(fā)環(huán)境，根據(jù)I/O口的設定以及硬件模塊的組合搭建完成了程序的設計。針對系統(tǒng)中電機控制程序以及大車抱閘控

73、制程序作出了詳細介紹。</p><p><b>　　5.2展望</b></p><p>　　在基于PLC的橋式起重機控制系統(tǒng)的設計當中，由于自己所學知識的有限以及時間有限等客觀原因，有些方面在實際的生產(chǎn)中還不夠完善。盡管通過反復的改進橋式起重機基本上達到了要求，但是在很多方面還有許多可以改善的地方，進一步研究工作還可以從以下方面進行著手：</p><

74、;p>　?。?）在控制系統(tǒng)當中使用了較多的電子電氣元件、電路也比較負雜，這樣就容易造成線路之間的相互干擾，系統(tǒng)的控制精度就會收到一定程度的影響。由于時間關系，本設計在故障診斷方面沒有涉及。</p><p>　　（2）本設計主要是對于單個橋式起重機的設計，沒有考慮到基于現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)橋式起重機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化以及智能化的設計思想，以形成從駕駛室到電氣房、監(jiān)控室的智能化和網(wǎng)絡化。</p><

75、;p><b>　　致謝</b></p><p>　　在趙志剛老師的悉心指導下完成了本設計，從去年的xx畢業(yè)實習到論文的修改、定稿均得到了x老師的悉心指導，在此向趙老師表示衷心的感謝。另外，我要感謝在我四年的學習生涯中的學校老師們，是他們給了我扎實的基礎知識和專業(yè)知識，這對設計的完成起到了很大的作用，對我以后的工作和生活也會有深遠的影響。</p><p>　　其次

76、，我要感謝我的同學們，在我思維枯竭的時候給我智慧的靈感，在我心情低潮時給我奮斗的動力。一個人的能力是及其有限的，每個人的學習過程都是一個不斷自我完善的過程，是你們的支持與鼓勵讓我克服了一個又一個的難題、跨過了一個又一個的低潮。</p><p>　　最后，向所有在我求學路上幫助過我的老師、同學、家人及朋友表示最真摯的謝意，我成長路上的每一個腳印都離不開你們的支持和鼓勵！</p><p>&l

77、t;b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]張艷.橋式起重機常見故障與處理措施[J].科技與企業(yè)，2012.</p><p>　　[2]張國強，李健，夏銳，馮學香.橋式起重機行走現(xiàn)象分析及改進[J].煤礦現(xiàn)代化2007.</p><p>　　[3]張軍.從結構可靠性失效準則和剩余壽命評估準則探討橋式起重機[J].湖南農(nóng)機 2011. &

78、lt;/p><p>　　[4]趙從容.國內(nèi)外橋式起重機的發(fā)展趨勢及我廠該產(chǎn)品發(fā)展的想法[J].起重運輸機械,2010年09期</p><p>　　[5]大連起重機器廠情報組.國內(nèi)外通用橋式起重機發(fā)展概況[J].起重運輸機械,1972年02期</p><p>　　[6]陳鏡波.PLC技術在電氣自動化中的應用[J].機電信息 2013.1</p><p&

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80、代制造技術與裝備 2012.9</p><p>　　[11] 李勝永. 基于PLC和變頻器的港口橋式起重機控制系統(tǒng)研究[J]. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2010.4</p><p>　　[12] 王吉明. 造船龍門起重機電氣控制系統(tǒng)的設計與應用[D]. 上海：華東理工大學, 2011.11</p><p>　　[13]張玉湖,張利,李勝周,潘力戈.PLC與變頻器在橋式

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