课程设计（论文）基于PLC和变频器的桥式起重机控制系统设计.doc

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1、目 录摘 要2第一章 绪 论31.1 本课题设计的意义、主要内容及基本参数3第二章设计任务书42.1设计要求42.2总体设计方法42.3控制系统结构 . 5第三章 桥式起重机变频控制系统的硬件设计63.1 PLC技术简介63.1.1 PLC概述63.2部件的选择73.2.1电机的选用73.2.2变频器的选用73.2.3 PLC的选用83.2.4常用辅件的选择83.3起重机变频调速系统设计93.3.1系统控制的要求93.3.2控制系统的1/O点及地址分配103.3.3外部接线 . 13第四章 桥式起重机变频调速系统软件设计144.1 上位机和PLC之间的通信144.2 PLC程序设计144.2.

2、1程序设计214.2.2工作原理4.2.3故障报警模块 .4.2.4系统抗干扰措施.4.2.5系统调试.4.3系统抗干扰措施第五章 设计总结第六章 体会参考文献摘 要随着现代控制理论的应用，微处理器和微电子技术的发展，使变频调速控制系统日趋成熟。而桥式起重机作为物料搬运系统中一种典型设备，在企业生产活动中应用广泛作用显著，故对于提高其运行效率，确保运行安全，降低物料搬运成本是十分重要。传统的桥式起重控制系统主要采用继电器接触器进行控制，采用交流绕线串电阻的方法进行启动和调速，这种控制系统存在可靠性差，故障率高，电能浪费大，效率低等缺点。因此根据桥式起重机的运行特点，将可编程序控制器与变频器结合

3、应用于桥式起重机控制系统，其中PLC系统则采用SIEMENS公司产品，大大提高了操作精度和稳定度;综合保护功能完善，便于及时发现、查找、处理故障；并且节约了能源。第一章 绪 论1.1本课题设计的意义、主要内容及基本参数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，继电一接触器控制，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.继电一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，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题，只有

4、彻底改变传统的控制方式。其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机系统提供了有利条件。变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。本设计研究了变频调速技术在20/5t * 19.5m通用桥式起重机中的应用，并且根据原有的控制结构，结合组态软件和PLC技术，提出了一个改进的系统控制结构，并且采用此体系结构实现了桥式起重机变频调速系统。本课题桥式起重机基本参数:该机的起重量为20/5吨，其跨度(L)为19.5m小车起升速度为15m/min，大车起升速度为7.5m/min.小车运行速度

5、为45m/min，大车运行速度为75m/min。第二章 任务计划书2.1 设计要求1.确定控制方案，选择PLC和变频器及起重机型号。2.画出电气控制线路原理图。3.设计程序4.完成PLC控制系统梯形图软件的编制任务。5.在实验室条件下，通过试验调试初步验证其程序的正确性。2.2总体设计方法控制系统由PLC控制，四大机构调速均采用变频调速。桥式起重机变频调速系统主要由上位机(工业触摸屏系统)、下位机(PLC控制系统)、变频调速系统组成。系统结构图如图1图3.1 控制系统结构图2.3控制系统结构1、起升机构起升机构属位能负载机构。主起升和副起升两台电机各使用一个变频器。变频器的选择，应以选择变频器

6、的额定电流为基准，一般以电动机的额定电流，负载率，变频器运行的效率为依据。控制方式选用带PG的矢量控制方式。PLC接受电机的旋转编码器经数模转换卡送达的反馈信号，避免吊钩的下滑。2、运行机构大车运行机构中两台电机用一个变频器;考虑到运行机构的工作频率较少，为节省成本，在调速中运行机构共用一台变频器。变频器的选择，一般以电动机的额定功率作为选择的依据。通常选额定功率大一级的变频器。控制方式选用无PG v/f的变频控制方式。第三章 桥式起重机变频控制系统的硬件设计3.1 PLC技术简介3.1.1 PLC概述可编程程序控制器(Programmable Controler)，也称为PLC(progra

7、mmable Logic controler)，即是可编程逻辑控制器。其采用计算机结构，主要包括CPU,存储器、输入、输出接口及模块、通讯接口及模块、编程器和电源六个部分。如图4.1所示，PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入变量，他们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算处理后送到输出端子，作为PLC的输出变量，对现场设备进行各种控制。电源输入模块输出模块CPU存储器通信模块 主机编程器或编程软件图3.2 可编程控制器基本结构示意图3.2部件的选择3.2.1电机的选用一、变频调速对电

8、机的要求采用变频调速时，由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电机转速范围的扩大产生了一些与在工频电源下传动时不同的特征。主要反映在功率因数、效率、输出力矩、电机温升、噪音及振动等方面。随着高开关频率的工GBT等电力电子器件的使用、PWM调制、矢量控制、增强型V/f控制方法的应用、使变频器输出波形、谐波成份、功率因数及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了变频控制电机的低速区转矩。同时由于变频控制软件的优化使用，使电机可以避开共振点，解决了系统在大调速区间内可能发生的共振问题,选用改造后的桥式起重机各执行机构的电机参数如表3.1所示:表3.1 各执行机构电机参数电机型号电机功率主起升机构YZR

9、250M1-830KW副起升机构YZR200L-815KW大车运行机构YZR160M1-62*5. 5KW小车运行机构YZR1601-65. 5KW3.2.2变频器的选用本系统选用西门子变频器，西门子变频器具有较合理的价格，完整的理论计算书及辅件推荐值，有利于用户合理选用。根据桥式起重机的特点和实际应用情况，其各执行机构变频器的选用如表3.2所示。表3.2 各机构的变频器参数变频器型号额定功率/电流主起升机构6SE70272-ED6137KW/48A副起升机构6SE70274-7ED6122KW/47A大车运行机构6SE6440-2AD3115KW/30A小车运行机构6SE6440-2AD25

10、5.5KW/11.6A3.2.3 PLC的选用 目前PLC使用性能较好的有SIEMENS公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的AB公司。根据性价比的选择，根据被控对象的I/0点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，我们采用SIEMENS公司的S7-200系列PLC。SIMATIC S7-200系列是西门子公司小型可编程序控制器，可以单机运行，由于它具有多种功能模块和人机界面(HMI)可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务，同时具有可靠性高，运行速度快的

11、特点，继承了和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性能价格比高，所以在规模不太大的领域是较为理想的控制设备。3.2.4常用辅件的选择 变频器系统器件由断路器、接触器、电抗器、变频器、制动电阻及制动单元组成。 1、断路器 为避开变频器投入时直流回路电容器的充电电流峰值，为此变频器配置的断路器容量应为电机额定电流的1.31.4倍，整定值为断路器额定值的34倍。 2、接触器 接触器在变频器主回路中仅在变频器辅助器件或控制回路故障时起断开主回路的作用，一般不作回路开断器件用，故可按电机额定电流选用接触器容量，无须按开断次数考核其寿命。 3、交流电

12、抗器 在变频器的输入端加接交流电抗器，以抑制变频器造成的高频峰值电流，或电容器开断造成的峰值电流对变频器的危害。同时，交流电抗器的接入还可起到降低电机噪声、改善起动转矩、在电机轻载时改善电机功率因数的作用。 4、制动单元 为减小大惯性系统的减速时间，解决变频器直流电路上的过电压问题。常在其直流电路中加接一检测直流电压的晶体管。一旦直流回路电压超过一定的界限，该晶体管导通，并将过剩的电能通过与之相接的制动电阻器转化为热能耗。在能量消耗的同时加速了转速的减小，该能量消耗得愈多，制动时间愈小，此装置即为变频器的制动单元。5.制动电阻器借助制动单元，消耗电机发电制动状态下从动能转换来的能量。6.电缆选

13、择 由于高次谐波的驱动效应，电缆的实际使用面积减少，单位实际工作电阻增大，电缆压降有增大的趋势，故所配电缆一般大于常规使用值。3.3起重机变频调速系统设计3.3.1系统控制的要求 对桥式起重机变频调速控制系统的基本要求(1)主、副机构升降速度调节; (2)运行机构运行速度调节; (3)保护功能:主副机构上升限位、下降限位、大车限位、小车限位、主副机构及大小车电机的保护等。控制系统应由PLC、继电器、操纵台各主令控制器、开关、按钮、指示灯及各部位限位开关等组成。3.3.2控制系统的I/O点及地址分配根据控制系统的要求，控制系统应具备的输入/输出点数，名称、代码及地址编号如表3.1所示。表3.1

14、控制系统参数名称代码地址编码输入信号起动输入点QA1I0.0停止输入点TAII0.1主钩超重输入点CK1I0.2副钩超重输入点CK2I0.3主钩变频故障输入点BRL11I0.4副钩变频故障输入点BRL21I0.5小车变频故障输入点BRL41I0.6大车变频故障输入点BRL31I0.7大车故障输入点KR3I1.0主钩故障输入点KR1I1.1副钩故障输入点KR2I1.2小车故障输入点KR4I1.3安全开关输入点AKI1.4主接触器应答输入点KMOI1.5主钩起升一档输入点I2.0主钩下降一档输入点I2.1主钩二档输入点I2.2主钩三档输入点I2.3主钩四档输入点I2.4主钩五档输入点I2.5主钩上

15、升限位输入点XK11I2.6主钩下降限位输入点XK12I2.7副钩起升一档输入点I3.0副钩下降一档输入点I3.1副钩二档输入点I3.2副钩三档输入点I3.3副钩四档输入点I3.4副钩五档输入点I3.5副钩上升限位输入点XK21I3.6副钩下降限位输入点XK22I3.7大车左行一档输入点I4.0大车右行一档输入点I4.1大车二档输入点I4.2大车三档输入点I4.3大车四档输入点I4.4大车五档输入点I4.5大车左行限位输入点XK31I4.6大车右行限位输入点XK32I4.7小车前行一档输入点I5.0小车后行一档输入点I5.1小车二档输入点I5.2小车三档输入点I5.3小车四档输入点I5.4小车

16、五档输入点I5.5小车前行限位输入点XK41I5.6小车后行限位输入点XK42I5.7总空开合闸输入点QFOI6.0输出信号主继电器KOQ0.0主钩风机继电器K12Q0.1副钩风机继电器K22Q0.2大车风机继电器K32Q0.3小车风机继电器K42Q0.4允许起动指示灯SE01Q0.6机构限位指示灯SE02Q1.0综合故障指示灯SE03Q2.0主钩上升输出点Q2.1主钩下降输出点Q2.2主钩自由停车命令Q2.4大车OFFQ2.5大车左行输出点Q2.6大车右行输出点Q3.0大车自由停车命令Q3.1小车前行输出点Q3.2小车后行输出点Q3.4小车自由停车命令Q3.5小车OFFQ3.63.3.3外部

17、接线3.3.3外部接线图如上：图3.3 系统外部接线图第四章 桥式起重机变频调速系统软件设计4.1上位机和PLC之间的通信： 硬件:上位计算机(PC)通过CP5611卡与可编程控制器(PLC)的串行通信接口连接，对PLC进行集中监视和管理。 软件:PLC和PC是通过变量来实现的，变量是上位机与PC之间用于数据交换的最重要的通讯方式。变量有两种类型:全局变量和局部变量。全局变量是带有PLC链接的变量，它在PLC上占据一个定义的存储器地址，从上位机与PLC都可以对之进行读与写访问。它是通信的关键。局部变量不连到PLC上，他们仅在上位机上可用.4.2 PLC程序设计4.2.1程序设计 4.2.2工作

18、原理主回路：工业电源经过空气开关及控制接触器连接到变频器的输入端子R、S、T，变频器的输出U、V、W端子外接驱动电机。电机连接的编码器按照使用说明连接到变频器内置附件FR-A7AP卡。并按标准在变频器的P/+及N/-正确连接外接制动单元。控制回路的输入信号由两处提供，一部分来自外部PLC设备的输出信号，另一部分直接由外围的触点信号提供，两部分一同控制变频器的正常工作及保护。并在输出端子分别输出相应的信号进行保护及反遗。如上所述，当外部PLC输出起升信号，变频器的STF端子即有信号输入，变频器正转低速运行，当输出频率上升到抱闸打开的设定频率，且输出电流也达到相应的设定要求时，延时输出抱闸打开信号

19、，电机低速运转，RH端子信号接通时，电机加速至工作频率。当变频器控制端子断开后，变频器停止上升，并开始减速，当减速至停止频率时关断抱闸打开信号，机械抱闸制动，主钩平稳停车。当限位开关动作时，PLC关断控制变频器的控制信号，变频器控制电机减速，关断抱闸信号输出，平稳停车。当外围超载仪器检测到超载时，输出信号接入变频器，使变频器无法提升（下降不限制），保证生产的安全。当变频器的STR端子接通，变频器反转启动，其工作流程与正转类同。变频器工作过程中，若有PLC故障信号，超载，超速保护功能信号输入，及变频器出现报警故障时，变频器停止输出。4.2.3故障报警模块为了实时通知操作员故障消息，以便尽快地排除

20、故障，确保整个系统正常运行，本控制系统具有良好的故障报警措施。所以在PLC程序中始终对相应的传感器输入信号进行扫描，一旦有诸于变频器故障，超重等故障，应马上切断该设备，并启动蜂鸣器，进行报警。考虑到工业现场可能的干扰，(1)我们在程序中采用延迟报警.即只有当报警信号持续一定的时间(一般为几十毫秒到几百毫秒).才认为有故障。(2)在启动设备时，逐步开启报警;而在停止设备时.逐步阻塞报警。上述两个措施可有效的防止误报警。报警处理由画面元素和PLC变量直接对应，无需编程。4.2.4系统抗干扰措施 可编程控制器的主要应用场合是工业现场，工作环境中各种干扰对系统设备的正常运行存在着严重的影响。所以在本系

21、统中也不例外，有必要考虑PLC的抗干扰措施。 抗干扰的主要措施有; (1)输入信号电缆、输出信号电缆和电力电缆都要分开敷设，不能扎在一起。 (2)必要时需选用带有屏蔽层的输入和输出信号电缆，并注意一端接地。 (3)多芯电缆中的备用芯线也要一端接地，一则扩大屏蔽作用，二则抑制芯线间的信号串扰及外部干扰。 (4)为避免干扰，同一电平等级的信号才能用一条多芯电缆传输。所以，对数字信号和模拟信号，在任何情况下，都必须分开电缆进行传输。低电平信号线应与其它信号线分开。尽量缩短模拟量I/0信号线的长度，并采用双芯屏蔽线作为信号线。 (5) PLC电柜应有独立的接地线，接地电阻小于10欧姆。 (6)引至PL

22、C柜的电缆要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。 7)一般要将PLC装于专门的电柜中，且PLC四周留有50mm以上的净空间，保证良好的通风环境。尽量不要将PLC安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动、热源或潮湿的地方。4.2.5系统调试1、确认变频器的型号及出厂编号是否正确。2、检查变频器的外围输入输出接线是否正确，为上电作安全准备。3、为变频器送电，初步设定变频器的基本参数。A、对于主钩采用闭环矢量控制，脱开电机，对电机进行自学习操作，使变频器对电机的控制达到最优的效果。B、对于大小车，采用V/F控制，进行变频器操作试运行。4、对主钩及大小车采用不同控制方式的变频器，根据外围设备及

23、现场厂家的具体要求，进行全面的参数设置。5、通讯参数调整，向变频器内部传输变频器控制程序。6、对变频器工作流程进行监视，调试起重机，达到起重工作的基本要求。设计总结本设计主要为桥式起重机设计一套将可编程序控制器与变频器结合应用于桥式起重机控制系统，同时实现起重机电机速度的可调节，以节约能源和适应生产的需要。 根据要求，此系统要能达到现场的运行状况、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。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

24、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。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。 重点解决了系统中的监控画面、PLC程序设计的问题以及上下位机之间的通信问题。同时根据STEP-7 MICRO/WIN32软件工具包的结构化程序设计特点，大量采用代码重用的方法，大大减少了系统的开发和维护;同时利用西门子公司的Protool/pro组态软件设计良好的人机界面以下载至触摸屏，以及实现其与PLC的通信。体会在本次课程设计的实践环节中，我更深刻地理解和掌握了电器控制及可编程

25、控制器(PLC)的理论知识和动手技能。参阅了大量的电器控制及可编程控制器(PLC)系统设计的书籍资料，查询了大量的图表、程序和数据，使得课程设计的方案和数据更为翔实和准确，在这次实验中用到了PLC，变频器，电动机。通过查找资料，和实际操作，将PLC，变频器和电动机按需要连接完成一个可控可调的开环电路。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。因此，这次的课程设计很有意义，感谢我们院上的领导为我们精心安排了这次课程设计，让我们在短时间内掌握了很多知识，以及知识以

26、外的许多东西，比如吃苦耐劳的精神、专研问题的韧劲等等，在此特别感谢我们PLC课程的杨颖老师每天来到教室为我们传授他丰富的知识和经验，感谢杨老师的悉心教导才有了我们的设计取得突破性进展。参考文献1.廖常初. PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，2005.2.张桂香.电气控制与PLC应用M. 北京：化学工业出版社，2006.3.王淑英.电器控制与PLC控制技术M.北京：机械上业出版社，2005.4.韩安荣.通用变频器及应用M.北京:机械工业出版社，2000.5.赵洪恕,王忠石,简维新.PLC控制交流调速控制系统在电梯中的应用,基础自动化J.2002年2月第七期6.许正军，曾献辉，陈瑞琦.变频器的PC控制J.电气自动化，2000.7.马寅.起重机的变频调速J.起重运输机械，2001. 8.韩安荣.通用变频器及其应用M.北京:机械上业出版社，2004.9.王兆义.小型可编程控制器实用技术M.北京:机械工业业出版社,2007.10.刘晓庆.基于PLC控制的变频调速在桥式起重机中的应用M.机械工业出版社，2001.