基于PLC控制的小型货物升降机.doc
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1、电子与信息工程学院本 科 毕 业 论 文论文题目 基于PLC控制的小型货物 升降机调速系统的研究 学生姓名 刘中洋 学 号 103522010 专 业 电气工程及其自动化 班 级 103521 指导教师 汪 洋 2014年5月摘 要垂直距离解决方案大多数采用“升降机”。传统升降机主要采用继电器接触器进行控制并在电动机转子回路中串接附加电阻进行调速;这种简易落后的系统逐渐被可编程序控制器控制与变频器变频调速系统所替代,以实现更高效率、更强可靠、更易操作的工控理念。本文是研究基于PLC控制变频器调速的小型货物升降机。首先,实现对小型货物升降机系统方案的设计。然后,对PLC、变频器、电动机、显示、控
2、制面板等硬件部分进行设计并使用GX Developer软件编程和GX Simulator软件仿真;最后,完成对整个系统的测试。本设计较传统升降机,系统更具可靠性、稳定性、功能性和低耗能,也更具广阔的市场!关 键 词:升降机;可变程序控制器;变频器;GX Developer;GX SimulatorABSTRACTThe elevator is applied in the solution of vertical distance in most cases. The traditional elevator used the contactor controls and add the ad
3、ditional series resistor in the motor rotor speed control loop to adjust speed. This system is so simple and backward that it is replaced by the progammable controller and AC moter invertor to achieve more efficient, more reliable and easier to operate industry concept. This article is to study smal
4、l freight elevator based on PLC control and frequency invertor speed control. Firstly, realize the design of the small freight elevator system. Secondly, the PLC、invertor、motor、alarm、display and other hardware parts design and the use of GX Developer software programming and GX Simulator software si
5、mulation; Finally, complete the test of the whole system. This design than traditional elevator system more reliability、stability、functional and low energy, and more broad market!KEYWORDS: Elevator; Programmable logic controller; Inverter; GX Developer; GX Simulator目 录1 绪论11.1课题研究意义11.2 升降机的应用与发展11.
6、2.1升降机的应用11.2.2 升降机的发展21.3 课题研究内容22 系统方案设计12.1小型货物升降机设计框图12.2 小型货物升降机设计的工作过程12.3 小型货物升降机设计结构23 硬件电路设计53.1升降机电路设计53.2 PLC控制电路设计53.2.1 课题PLC选型53.2.2三菱FX2N-48MR接线图63.3变频器控制电路设计73.3.1 FR-E740变频器的工作原理73.3.2 课题变频器选型83.3.3 三菱FR-E740接线图83.4 电动机电路设计93.4.1电动机的选型93.4.2 三相交流鼠笼式异步电动机接线图93.5 显示电路和控制面板设计103.5.1 显示
7、电路的设计103.5.2 控制面板的设计104 软件程序设计134.1编程软件GX Developer134.2课题流程图设计144.2.1 PLC控制程序流程图144.2.2 变频器控制程序流程图154.3小型货物升降机梯形图设计155系统仿真测试195.1仿真软件GX Simulator195.2 课题GX Simulator仿真195.2.1 调试软件仿真195.2.2 时序图仿真206结论与展望23致 谢25参考文献27附 录29Equation Chapter 1 Section 11 绪论1.1课题研究意义随着经济的高速发展,计算机技术和自动控制技术也得到了快速发展,升降机也已成为
8、人类现代生活广泛使用的运输工具。随着人们对升降机运行安全性、高效性、稳定性等要求的提高,升降机得到了快速发展,其拖动技术已经发展到了调频调压调速,其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。可编程序控制器因为其稳定可靠、简单易学、性价比高、功能强大和使用方便已经成为应用面最全、最广泛的通用工业控制装置,成为当代工业自动化的主要支柱之一。升降机控制要求接入设备使用简便,对应于系统组态的编程简单,具有人性化的人机界面,配备应用程序库,加快编程和调试速度。通过PLC对程序设计,提高了升降机的控制水平,并改善了升降机运行的稳定性。因此PLC、变频器在升降机系统中的应用非常广泛,非常有实际价值。1.2 升
9、降机的应用与发展升降机用于城市高层和超高层的各类建筑中,还可以应用在大型化工厂冷却塔、发电厂的烟囱、广播电视塔以及煤矿等多种施工场合下,升降机己成为建筑业、工业中必不可少的机械设备。 1.2.1升降机的应用随着我国现代建筑业和工业的不断发展,建筑施工机械化和工业自动化水平的不断提高,对升降机的制造质量和整机技术水平的要求也越来越高。普通升降机一般采用的是接触器-继电器控制方式,直接启动和机械抱闸强制制动,启制动冲击大,对机械结构和机构的损坏大,电气元件也易损坏,同时容易造成升降机里的物料跌落,既影响了施工速度也影响了施工企业的效益,特别是在人货两用施工升降机上,存在着极大的安全隐患。随着用户对
10、施工升降机的性能和安全要求越来越高,传统的控制方式已经越来越感觉到力不从心。国内外的专业生产商在升降机的电气控制和起升调速方式上进行了较多的新加速应用尝试,如采用多级电动机的调压调速、引进变频调速等。逐渐地随着变频技术的不断发展,它以绝对的优势超越了其它的任何调速方案,占据了主导地位。升降机采用变频调速有着诸多优点,使变频器在升降机上得到了广泛的应用,这将对升降机的安全运行和减少运行能耗都有重要的意义。 1.2.2 升降机的发展1857年3月23日,美国纽约一家五层高的商店安装了首部使用奥的斯安全装置的客运施工升降机。从此以後,升降机的使用得到了广泛的接受和高速的发展。最初的升降机是由蒸汽机推
11、动的,因此安置的大厦必须装有锅炉房。1880年,德国西门子发明使用电力的施工升降机,从此名副其实的电力升降机正式出现。我国升降机的发展主要体现在外观改进、吊笼自重的减轻、起升速度和高度的提高、安全装置的完善、吊笼额载的增大和电气控制自动化等方面。铝合金、合金钢、铝塑板等轻质材料的采用,使吊笼自重大大减轻、为降低传动机构的所需功率、用户节省用电创造了条件;而吊笼降重、变频无级调速和PLC控制技术的普遍采用,又使吊笼的起升速度得以提高;国产制动载荷60kN的防坠安全器的开发成功,为吊笼额载的增大提供了保障;吊笼供电采用输电滑线,使提升高度突破了450m;在电气控制方面,半自动和全自动的层楼呼唤、吊
12、笼无人驾驶能准确停层的电控系统已试用成熟且大量运用在出口产品上;升降机的品种也越来越多。可以说,我国升降机的发展和技术进步,基本跟上了国际同行业的节拍,完全能满足我国飞速发展的建筑业需要且已大量出口。但是,在吊笼的载荷功率比、元器件的可靠度和寿命、产品设计与使用中的安全性理念等方面,国产升降机与国际先进水平相比还存在不少差距!1.3 课题研究内容在已经非常成熟但比较落后的交流拖动技术基础上,通过基于PLC的控制技术与变频器变频调速技术在小型货物升降机中的应用研究,阐述了新型升降机控制与调速系统的设计与应用情况。(1)小型货物升降机系统方案设计。通过设计小型货物升降机组成方框图、工作过程、整体结
13、构图、运行位置速度图等方面,完成小型货物升降机设计方案的确定。(2)小型货物升降机硬件电路设计。 小型货物升降机硬件电路设计包括PLC设计、变频器设计、电动机设计、报警设计、显示设计和整合硬件电路设计等。(3)小型货物升降机软件程序设计。 小型货物升降机软件程序设计包括小型货物升降机PLC流程图、梯形图,部分功能性梯形图剖析和FXGPWIN编程环境分析。(4)小型货物升降机SIMULINK仿真测试。 利用MATLAB软件中SIMULINK进行小型货物升降机的仿真,完成对整个系统的测试。2 系统方案设计2.1小型货物升降机设计框图小型货物升降机用作垂直距离解决方案,主要由PLC、变频器、电动机、
14、显示、报警、监控和机械构件等组成。本设计中用PLC接收来自操作员的控制输入信号和吊笼运行的监控信号,通过信息综合处理后,输出电信号控制变频器输出的频率,控制电动机的运转,实现吊笼的正常运行;并输出电信号给显示电路和报警电路,实现升降机上下运行的显示和故障问题的报警。小型货物升降机的系统框图如图2-1所示图2-1 小型货物升降机组成框图2.2 小型货物升降机设计的工作过程以PLC强大而稳定的控制功能为核心,接收吊笼上升、下降、急停、低速、中速、高速等控制信号,通过PLC的信息综合处理后,调节变频器输出电频率,实现对电动机正反转,低、中、高速的控制,完成小型货物升降机的基本功能。并使用位置传感器监
15、控吊笼的位置,反馈给PLC的信息综合处理后,使用显示电路对吊笼的位置进行实时监控;并使用小型货物升降机的报警电路对出现的故障进行报警,通知给操作人员处理。当小型货物升降机运行过程中出现紧急情况时,可以按下急停按钮,将吊笼刹停在任意位置;待紧急情况解除后再运行升降机,到达目的位置!小型货物升降机的位置速度图如图2-2所示。图2-2小型货物升降机位置速度图小型货物升降机的运行过程包括上升过程和下降过程。上升过程是由静止位置S1开始加速到起步速度,运行至S2处即完成了启动过程;然后变频器接受到PLC的调速控制,以预先操作员设定的低速、中速、高速中的一挡速度快速通过主运行路程;之后到达S3位置即进入减
16、速停车阶段,以末尾速度运行至S4位置(目的位置)且停住。下降过程是由静止位置S4开始加速到起步速度,运行至S3处即完成了启动过程;然后变频器接受到PLC的调速控制,以预先操作员设定的低速、中速、高速中的一挡速度快速通过主运行路程;之后到达S2位置即进入减速停车阶段,以末尾速度运行至S1位置(目的位置)且停住。2.3 小型货物升降机设计结构小型货物升降机的升降过程是利用电动机正反转卷绕钢丝绳带动吊笼上下运动来实现的。小型货物升降机设计的结构由电动机、滑轮、钢丝绳、吊笼、电气控制装置(PLC和变频器)和位置传感器等组成。其基本结构如图2-3所示。图2-3小型货物升降机结构图 吊笼:运载货物,提供货
17、物上升或下降的运载空间;在保证足够的刚度和强度下,尽可能的采用铝合金等轻质材料,这样可以降低使用的电能,提高机械设备的能动度和电气设备的控制力,带来更好的经济效益。 钢绳、滑轮:传动装置,通过钢绳和滑轮的作用,将电动机的动能转动给吊笼,实现吊笼上下运行的动力需求。小型货物升降机的设计必须考虑转动设备的承受力、安全性,尽可能的选择优质的传动设备,因为传动设备很易受损。 电动机:动力的源泉,小型货物升降机的运行源于电动机的转动,必须使用稳定,强劲的电动机。 电气控制装置:小型货物升降机的大脑,实时对电动机运转进行控制和监控,实现整个系统的正常运行。 位置传感器:监控吊笼的运行,实时的监控吊笼的位置
18、,并将吊笼位置信号反馈给电气控制装置,保证小型货物升降机的正常运行。3 硬件电路设计3.1升降机电路设计 小型货物升降机系统设计的主要硬件由三菱FX2N-48MR可变程序控制器、三菱FR-E740通用变频器和三相交流鼠笼式异步电动机等组成。系统的硬件电路接线如图3-1所示。图3-1小型货物升降机电路接线图3.2 PLC控制电路设计可编程控制器,英文称Programmable Logic Controller,简称PLC。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术,但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序,把经输入电路的物理过程得到的输入信息,变换为所要求的输出信息,进而再通过
19、输出电路的物理过程去实现对负载的控制。 3.2.1 课题PLC选型通过对输入/输出点的选择、对存储容量的选择、对I/O响应时间的选择、输出负载的特点和性价比的对照分析。决定使用我所熟悉的三菱公司FX2N-48MR作为本课题的PLC。FX2N-48MR特点有:(1)灵活的配置除了具有满足特殊需求的大量特殊模块外,6个基本单元中的每个单元可扩展至256I/O。(2)高速运算基本指令:0.08us/指令,应用指令:1.52至几百us/指令。(3)突出的寄存器容量FX2N系列包括8K步内置RAM寄存器,用一个寄存器盒可扩展到16RAM或EEPROM。(4)丰富的元件资源3072点辅助继电器,256点计
20、时器,235点计数器,8000数据存储器。 3.2.2三菱FX2N-48MR接线图 选用FX2N-48MR作为本课题的PLC,其中使用到10个输入端口,8个输出端口,本课题小型货物升降机的PLC接线图如图3-2所示。 图3-2 小型货物升降机PLC接线图 输入端口:X0J0 急停按钮,当小型货物升降机运行过程中出现紧急情况时,按下此按钮,升降机就会立即停下。X1k1上升按钮,当小型货物升降机需要上升时,即可按下此按钮,升降机就会向上运行。X2k2 下降按钮,当小型货物升降机需要下降时, 即可按下此按钮,升降机就会向下运行。 X3SD1 低速运行按钮,按下此按钮,PLC控制变频器调节电动机电流频
21、率为20HZ,使升降机低速运行。 X4SD2 中速运行按钮,按下此按钮,PLC控制变频器调节电动机电流频率为30HZ,使升降机中速运行。 X5SD3 高速运行按钮,按下此按钮,PLC控制变频器调节电动机电流频率为50HZ,使升降机高速运行。 X6S1 位置传感器按钮,当升降机吊笼运行到此处位置时,S1传感器响应,调节PLC变频器,以此反馈控制升降机。 X7S2位置传感器按钮,当升降机吊笼运行到此处位置时,S2传感器响应,调节PLC变频器,以此反馈控制升降机。 X8S3位置传感器按钮,当升降机吊笼运行到此处位置时,S3传感器响应,调节PLC变频器,以此反馈控制升降机。 X9S4位置传感器按钮,当
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