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1、题目： 基于PLC桥式起重机控制系统基于PLC桥式起重机控制摘 要 本文研讨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。本文以西门子S7-200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
2、设备运行更加准确，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. The text t
3、akes Siemens S7-200 PLC 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 environmental benefits,
4、 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 accurate, as well as r
5、educed labor strength, increased efficiency.Key words: bridge crane; frequency converter; PLC; control system目录第一章 绪论11.1 桥式起重机的简介11.2 主要研究内容及意义1第二章 控制方案设计42.1系统组成42.2 大车控制系统的设计4第三章 系统硬件设置63.1变频调速73.1.1变频调速的基本原理73.1.2变频器的选用93.2电动机的选择123.3 常用辅助器件的选择143.4 可编程控制器173.4.1 PLC的概述173.4.2 PLC的选型SIEMENS S7-2
6、00183.4.3 I/O端口分配203.4.4 PLC系统接线方式21第四章 系统软件设计234.1 主程序244.2 公用程序254.3 大车控制程序274.4 其他子程序设计29第五章 设计总结30参考文献32附录33致谢41第一章 绪论1.1 桥式起重机的简介桥式起重机广泛应用在室内厂房、仓库、室外码头、储料场等，是很重要的起吊、搬运设备，为此要求其具有高效、灵活并且安全可靠。本课题研究的是电动双梁桥式起重机，它主要由桥架金属结构、桥架运行机构和电气控制设备部分组成。大车运行机构、小车运行机构、主钩起升机构、副钩起升机构共同组成了桥架运行机构。电气控制部分的设备主要集中在操作室内，用于
7、操纵控制桥式起重机的运行。其主要结构如图1.1所示图1.1 起重机结构图1.2 主要研究内容及意义桥式起重机作为物料吊运的起重设备在国民经济中有着十分重要的地位。传统的桥式起重机控制系统都是采用继电器控制与转子回路串电阻来实现对桥式起重机的调速，这种控制冲击频繁，震荡剧烈，而且桥式起重机工作环境比较恶劣，又多是在重载下频繁启动、制动、正反转、变速等，这种控制对其设备及其生产效率都会有影响甚至会涉及到人身安全，所以继电器控制已经不是机械工业的主导了，有必要对其进行改进。随着工业自动化的发展，PLC、变频器在工业设备改造中得到了广泛应用。PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，适应性强，应用灵活，编程方
8、便，易于使用，控制系统设计、安装、调试、维修方便，维修工作量少等一系列的优点。变频器的导入则可以提供频率可调的交流电源，从而控制电动机的转速来实现桥式起重机的多段速。因此，“PLC+变频器”的控制方式在桥式起重机的改造中非常流行。 自PLC问世以来一直受到人们的关注，在不断的发展和改进中PLC已经在机械工业及其他行业中得到了广泛的应用，尤其在起重机中得到了很好的体现。PLC作为整个系统的控制核心，采用变频器调速来控制电动机的转速，实现对传统继电器控制桥式起重机的改造。为降低工作人员的劳动强度，采用三档位的主令控制器作为操作面板。PLC作为整个控制系统的核心，它接受主令控制器发出的向前、向后、零
9、位、调速等控制信号，限位器输入的限位信号，以及保护电路输入的保护信号，经PLC内部运算后分别发送给四台变频器。变频器接受来自PLC的控制信号，控制电动机按照操作人员的操作运行。主令控制器的开关与常用的启动、停止等按钮集中于控制舱内的操作面板上，供操作人员操作使用。经改造的桥式起重机有以下优点：（1）桥式起重机的启动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速，定位更加准确，减少了负载波动，安全性大幅提高。（2）系统运行的开关器件实现了无触点化，具有半永久性的寿命。（3）电动机启动电流限制得较小，减少了频繁启动所带来的热耗，使电机寿命延长。（4）降低了对电网的冲击。（5）节约能源，变频调速的启动、制动、
10、加速、减速等过程中，电机运行电流小。以本案来讲，节能可达30%左右 第二章 控制方案设计2.1系统组成本设计系统的组成主要由大车控制系统、小车控制系统、主钩和副钩控制系统组成。使用主令控制器来支配各PLC程序的执行，来实现桥式起重机各机构的前进、后退、上升、下降。具体流程如图2.1所示 图2.1 系统结构框图如图2.1使用一台主令控制器来支配可编程控制器，大量减少了每台PLC使用一台主令控制器的IO口，减少了操作的强度，同时也极大限度的避免了一些误操作。本设计是使用四台PLC控制四个变频器来实现五台电动机的运行，从而来调动各部分机构。2.2 大车控制系统的设计大车是横架于主梁上的移动设备，它的
11、运行是依靠梁上的两台相同的电动机转动来移动的，大车的加、减速则依赖变频器的调速作用，当大车加（减）速时，增加（减小）变频器的输出频率就能达到加速的（减速）目的。无休止的加减速会导致机构的脱离，考虑到这一点就必须配备限位装置。起重机属于大型的机械设备，都应该设有过电流保护。基于大车控制系统，小车，主副钩的控制系统和大车类似，在这里就不一一介绍了。 第三章 系统硬件设置本设计使用PLC来控制四台变频器实现五台电动机的运转。其主电路接线图如图3.1所示图3.1 主电路接线图针对以上原理图，首先我需要对变频器做进一步的介绍。3.1变频调速3.1.1变频调速的基本原理异步电机的转速公式为: = （1S）
12、 （式3.1）式中 N异步电动机的转速，r/min F定子的电源频率，HZ P电机极对数 S电机转速滑差率由（式3.1）可知，如果改变输入电机的电源频率，则可相应改变电机的输出转速。电动机调速时，一个重要的因素是保持每极磁通量为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费:若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。三相异步电动机每相电动势的有效值是: （式3.2）式中: 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效
13、值，单位为V;定子频率，单位为Hz;定子每线绕组串联匝数;基波绕组系数;每级气隙磁通量，单位为Wb;由公式可知，只要控制好和便可以控制磁通不变，需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况;1基频以下调速即采用恒定的电动势。由上式可知，要保持不变，单频率从额定值向下调节时，必须同时降低然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时，可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1 E，则得U1 /f1=常值。低频时，U1和读数较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能在忽略。这时，可以人为的把电压U抬高一些，以便近似的不补偿定子压降。带定子压降补偿的恒功率比控制特性为b线()，无补
14、偿的为a线()。如图3.2所示:图3.2 恒压频比控制特性2基频以上调速在基频以上调速时，频率f可以往上增高，但电压u磁通与频率成反比的降低，相当于与直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特性，如图3.3。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速，而在基频以上基本上属于“恒功率调速”。图3.3异步电动机变频调速控制特性3.1.2变频器的选用1变频器选型桥式起重机各机构转矩均为恒转矩负载，选用低速转矩提升功能的变频器较好，如日本的安川，三菱，德
15、国的西门子和丹麦的丹佛斯等。本设计选用西门子变频器，西门子变频器具有可靠性高，故障率小，具有较合理的价格，有利于用户合理选用。2变频器容量选择起升机构平均起动转距一般为额定力矩值的1.3到1.6倍。考虑到电源电压波动的因素和125%超载试验要求等因素，其最大转距必须是1.8到2倍的负载力矩值，以确保其安全使用的要求。等额变频器仅能提供小于150%超载力矩值，为此可通过提高变频器容量或同时提高变频器和电机容量来获得200%力矩值。此时变频器容量为 式中电机的功率因数，= 0.25 起升额定负载所需功率，kw 电机效率， =0. 85 变频器容量，KVA 系数，K=2起升机构变频器容量依据负载功率计算，并考虑2倍安全力矩。若用在电机额定功率选定的基础上提高一挡的方法选择变频器的
