基于PLC的橋式起重機控制系統(tǒng)設(shè)計

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畢 業(yè) 論 文題目： 基于PLC的橋式起重機控制系統(tǒng)設(shè)計 作 者系 別指導(dǎo)教師完成時間II摘 要至今，國內(nèi)大多橋式起重機仍用傳統(tǒng)的繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，實現(xiàn)了起重機上各機構(gòu)運行速度的控制以及起停；只有有級調(diào)速能在該傳統(tǒng)調(diào)速方式上運行，起動/制動沖擊電流大，轉(zhuǎn)子串接的電阻上消耗了大量轉(zhuǎn)差功率，導(dǎo)致電機的調(diào)速精度差、機械特性軟、范圍小，且對電刷、滑環(huán)及制動器有較大的沖擊，維修率比較高。傳統(tǒng)的繼電-接觸器控制取代了PLC變頻控制，故障率降低，提高了節(jié)能效果，檢修維護方便，是提高企業(yè)生產(chǎn)效率的好途徑。本論文主要做了以下工作：首先，介紹了橋式起重機的基本結(jié)構(gòu)與原理，通過對起重機的原理與結(jié)構(gòu)的介紹來引出橋式起重機的起重機控制系統(tǒng)的設(shè)計。其次，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求來進行系統(tǒng)的硬件方面的設(shè)計，其中包括PLC選型和其他一些相關(guān)資源的配置。然后，進行系統(tǒng)的軟件的設(shè)計，其中軟件系統(tǒng)包括大小車的控制及升降機的控制系統(tǒng)流程及相關(guān)程序。最后，利用西門子S7-200的仿真軟件Step7-Micro/WIN32對所設(shè)計的軟件程序進行仿真實驗。根據(jù)仿真結(jié)果對程序進行進一步修改，以達(dá)到最佳控制效果。本論文還采用了變頻器與PLC進行協(xié)作來進行控制，使其達(dá)到最優(yōu)的控制效果。關(guān)鍵詞: PLC；控制系統(tǒng)；橋式起重機IIIAbstractTo date, most of bridge crane still using the traditional string Wound rotor motor speed control resistor to realize all of the crane body and stop running from the control; but the speed of traditional methods can only have governing, start / brake-rush current, and there are a lot of power consumption and deterioration of quality of the series resistance in the rotor, the motor of the mechanical properties resulting in very soft, poor speed control precision, small, and the brush motor, slip ring and the brakes have more impact, maintenance is higher. Used to replace the traditional process control PLC relay - contactor control and reduce the failure rate, and significant energy-saving, easy maintenance overhaul, improving production efficiency as a good way. This article is based on PLC control system of the bridge crane design.In this paper, mainly the following aspects:First of all, introduced the basic structure of bridge crane with the principle, the principle of cranes and structure to lead to the introduction of the crane bridge crane control system design.Next, the control system in accordance with the requirements of the hardware system design, including the PLC Selection and other related resources.Then, the software system design, including software systems and the size of vehicle control and process control system of lifts and related procedures.Finally, the use of Siemens S7-200 simulation software designed to Step7-Micro/WIN32 process simulation software. The simulation results based on further changes to the procedures in order to achieve the best control effect.This paper also uses the converter to collaborate with the PLC for control, to reach the optimal control effect.Key words: PLC; Control System; Bridge-type hoist crane目錄摘 要.IIAbstract.III第1章 緒 論.11.1課題的國內(nèi)外研究動態(tài)、目前的水平.11.2課題研究的目的、意義.2第2章 橋式起重機的結(jié)構(gòu)與原理42.1 橋式起重機的結(jié)構(gòu).42.1.1 基本構(gòu)成.42.1.2 電氣控制系統(tǒng)52.2 橋式起重機的工作原理.52.2.1 控制系統(tǒng)總體框圖62.2.2 工作過程62.2.3 橋式起重機變頻調(diào)速的工作原理 .7第3章 橋式起重機控制系統(tǒng)的設(shè)計83.1 PLC的選型 83.2 其他資源配置.83.2.1 各類按鈕83.2.2 限位開關(guān)93.2.3 接觸器93.2.4 變頻器103.3 PLC的I/O資源配置.113.3.1 數(shù)字量輸入部分113.3.2 數(shù)字量輸出部分13第4章 橋式起重機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計154.1 系統(tǒng)總體流程設(shè)計.154.1.1 大車控制系統(tǒng)154.1.2 小車控制系統(tǒng)154.1.3 升降機控制系統(tǒng)164.1.4 升降機懸?？刂葡到y(tǒng)16II4.2 各個部分梯形圖設(shè)計.214.2.1 大車控制程序234.2.2 小車控制程序264.2.3 升降機控制程序294.2.4 升降機懸停/啟動控制程序.324.2.5 大車變頻器控制程序354.2.6 小車變頻器控制程序374.2.7 升降機變頻器控制程序384.2.8 其他功能控制程序40第5章 結(jié) 論44參考文獻45致 謝46附錄1 大車運行機構(gòu)控制電氣原理圖47附錄2 升降機運行機構(gòu)控制電氣原理圖581第1章 緒 論1.1課題的國內(nèi)外研究動態(tài)、目前的水平從人類文明開始，人類活動的重要組成部分-物料搬運，距現(xiàn)在已經(jīng)有5000多年的歷史。隨著不斷過大的生產(chǎn)規(guī)模，不斷提高的自動化程度，起重機作為物料搬運的重要設(shè)備，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中作用越來越大，對起重機要求也越發(fā)高 1。二戰(zhàn)后的數(shù)十年來，各工業(yè)國家先后開始重視研究設(shè)計技術(shù)，設(shè)計起重機的技術(shù)水平也獲得迅速發(fā)展。英國從六十年代起，就支持發(fā)展與推廣創(chuàng)新設(shè)計通過國家政策和財力來；德國的 “設(shè)計就是科學(xué)” ，發(fā)展設(shè)計學(xué)已達(dá)到相當(dāng)規(guī)模；美國成立設(shè)計委員會 ；設(shè)計技術(shù)的發(fā)展也同樣得到日本的重視，日本將設(shè)計看作是美學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟和人機工程學(xué)的整體一體化，新技術(shù)得到極力推廣和采用?？偠灾?，設(shè)計工作越來越被經(jīng)濟技術(shù)發(fā)達(dá)國家重視，創(chuàng)新設(shè)計被大量引入，使得產(chǎn)品也包括起重機械產(chǎn)品的設(shè)計造型、安全可靠、經(jīng)濟技術(shù)性等各個方面發(fā)生的變化越來越快，不斷提高了設(shè)計水平。起重機設(shè)計在中國的發(fā)展經(jīng)歷了艱難的過程。最早的時候大多是模仿蘇聯(lián)的設(shè)計，自六十年代開始，開始新產(chǎn)品的開發(fā)、新的零件設(shè)計和實驗研究工作，因而讓設(shè)計從仿制和憑借經(jīng)驗來設(shè)計逐漸走向計算分析和實驗研究階段。到了八十年代，在國內(nèi)開始引入了一些國際上的先進的技術(shù)以及設(shè)計方法。同時設(shè)計領(lǐng)域還引入了計算機應(yīng)用技術(shù)，強大的推動了起重機設(shè)計工作的發(fā)展。 但不少問題仍存在于我國起重機設(shè)計領(lǐng)域，小型和中型的企業(yè)設(shè)計的研究和分析是不夠的，缺少資金投入，培訓(xùn)的員工沒有跟上發(fā)展和需求，還沒有形成以開發(fā)新產(chǎn)品或更新舊產(chǎn)品的設(shè)計和能力，以應(yīng)付引進先進的技術(shù)和產(chǎn)品，沒從設(shè)計的角度來消化，更不能夠進行再創(chuàng)新。沒有形成一個合理的梯隊的設(shè)計團隊，產(chǎn)品仍是幾十年來都不變，仍然是復(fù)制一樣的方式，沒有自己的知識產(chǎn)權(quán)，合同只是為了應(yīng)付與低成本使用。少數(shù)大型企業(yè)在快速發(fā)展通過創(chuàng)新設(shè)計，國內(nèi)起重機的設(shè)計能力和水平得到提高，縮短與國外先進設(shè)計的距離。新的計算機技術(shù)在這類公司有大量的采用，二維CAD普及已久，一直延伸推廣三維設(shè)計。先進的設(shè)計手段在電氣設(shè)計中采用，引進的2頻率控制和定子調(diào)壓，系統(tǒng)控制由可編程邏輯控制器（PLC）參與，高科技傳感元件被大量采用，以實現(xiàn)準(zhǔn)確的定位和操控，它的安全性和可靠性也逐漸增加。通過應(yīng)用專家系統(tǒng)，創(chuàng)新設(shè)計的過程得到極大促進，運用系統(tǒng)論和信息論和現(xiàn)代計算機應(yīng)用技術(shù)的研究，起重機不斷創(chuàng)新設(shè)計，逐步開始向智能化方向發(fā)展 2。1.2課題研究的目的、意義橋式起重機是一個機架式起重機，它依賴于水平運動機構(gòu)和升降機構(gòu)運動在兩個相互垂直的方向，在矩形區(qū)域完成操作，而被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)企業(yè)起重運輸設(shè)備。它的特點是可靠性高，承載能力大，結(jié)構(gòu)簡單，隨著經(jīng)濟發(fā)展，起重機性能要求越來越高，以前的已經(jīng)無法滿足要求，因此需改進起重機控制方式，以滿足發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)的需要。傳統(tǒng)起重機的控制系統(tǒng)一般采用六種調(diào)速方式：電動機直接啟動，渦流制動動器的調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速、變換電動機的極對數(shù)調(diào)速、可控硅串級調(diào)速 直流調(diào)速。前四種為有級調(diào)速，具有較小的調(diào)速范圍，只在額定轉(zhuǎn)速下調(diào)速。轉(zhuǎn)子回路串電阻等方式進行調(diào)速具有大的啟動電流，大的電網(wǎng)沖擊，導(dǎo)致頻繁的機械沖擊，劇烈振動，容易造成機械疲勞，意外事故發(fā)生的危險。所以無級調(diào)速的采用可以較好地解決以上問題。較好的調(diào)速手段還有采用直流電動機來調(diào)速，但因為直流電動機制造工藝復(fù)雜、維護要求高、故障率高等缺點，所以較少使用。到目前為止，國內(nèi)大部分橋式起重機仍然使用傳統(tǒng)的繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，成功控制起重機上各機構(gòu)起停及運行速度；但該傳統(tǒng)調(diào)速方式只能進行有級調(diào)速，具有大的起動/制動沖擊電流，轉(zhuǎn)子串接的電阻消耗大量的轉(zhuǎn)差功率的現(xiàn)象存在，導(dǎo)致了很軟的電機的機械特性，調(diào)速精度不好、范圍不大，且對滑環(huán)及制動器和電動機的電刷有比較大的沖擊，維修率較高。所以，為了實現(xiàn)生產(chǎn)需要，提高設(shè)備的效益，降低維修率，節(jié)約電能等方面考慮，利用變頻調(diào)速技術(shù)與PLC控制相結(jié)合對橋式起重機中進行設(shè)計、安裝、調(diào)試及研究。傳統(tǒng)的橋式起重控制系統(tǒng)主要采用繼電器接觸器進行控制，采用交流繞線串電阻3的方法進行啟動和調(diào)速，這種控制系統(tǒng)存在可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高，電能浪費大，效率低等缺點。迅速發(fā)展的電力、電子技術(shù)、計算機技術(shù)，使得可編程邏輯控制器（PLC）和變壓變頻調(diào)速技術(shù)（VVVF）在電氣傳動領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前有直流驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)三種調(diào)速系統(tǒng) 3。橋式起重機通過變頻器及PLC進行改造，起重機控制系統(tǒng)通過消除交流接觸器開關(guān)轉(zhuǎn)子電阻，串聯(lián)電阻，及減少其他電器元件的需要，電氣控制電路大大簡化。起重機制動，加速，減速和其它過程更加平穩(wěn)，快速，減少負(fù)載波動極大地提高了安全性。采用PLC 取代復(fù)雜的接觸器和繼電器控制系統(tǒng)，電路實現(xiàn)非接觸式無觸點，降低了故障率。變頻調(diào)速具有機械特性硬和負(fù)載變化時各檔速度穩(wěn)定的特點。輕載時也不會導(dǎo)致操作不當(dāng)失控。根據(jù)現(xiàn)場情況，變頻器還可以很容易的調(diào)整速度和加減速時間，使起重機的操作更加靈活和快速。變頻調(diào)速的通用同時也實現(xiàn)了電機的軟起動，避免了大力矩沖擊損傷機械，機械維護檢修費用減少，設(shè)備的運行效率得到提高。至今，大多數(shù)的橋式起重機仍然使用傳統(tǒng)的繞線轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，實現(xiàn)啟停起重機和控制運行速度，該調(diào)速只能有級調(diào)速，具有很大的起動/制動沖擊電流，有很多轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子上的串聯(lián)電阻，導(dǎo)致電動機的機械特性很軟，速度精度，范圍和電機電刷，滑環(huán)和剎車維修率有比較大的影響。因此，為了滿足生產(chǎn)需要，提高設(shè)備使用效率，降低維修率，節(jié)約能源等方面來考慮，是采用變頻技術(shù)和PLC控制組合橋式起重機的設(shè)計，安裝，調(diào)試和研究。本設(shè)計首先對橋式起重機的結(jié)構(gòu)與原理進行簡單的介紹，根據(jù)相應(yīng)的要求來進行控制系統(tǒng)的設(shè)計，其中包括硬件電路和軟件部分的設(shè)計。4第2章 橋式起重機的結(jié)構(gòu)與原理2.1 橋式起重機的結(jié)構(gòu)橋式起重機是一種起重搬運吊裝設(shè)備，目前十分廣泛應(yīng)用在在工礦企業(yè)中。效率高可靠性高的橋式起重機將大大提高工廠生產(chǎn)效率，橋式起重機其分為三個基本機構(gòu)：用于提升重物的起升機構(gòu)、用于移動重物的橫向移動機構(gòu)（即橋式起重機的小車運行機構(gòu)）和用于移動重物的縱向移動機構(gòu)（即橋式起重機的大車運行機構(gòu)） 。通過控制正反轉(zhuǎn)三相異步電動機，橋式起重機的起升機構(gòu)，經(jīng)過聯(lián)軸器和減速器帶動繞有鋼絲繩的卷筒，使吊鉤升降。兩個移動機構(gòu)，也分別是通過控制電動機正反轉(zhuǎn)，聯(lián)軸器和減速器再來帶動車輪來使其轉(zhuǎn)動。2.1.1 基本結(jié)構(gòu)橋式起重機一般由三部分組成，即橋架運行機構(gòu)、橋架金屬結(jié)構(gòu)和電氣控制結(jié)構(gòu)等，運行機構(gòu)有大車小車和升降機運行機構(gòu)，電氣控制系統(tǒng)（一些電氣電纜柜 保護裝置） 。橋式起重機基本構(gòu)成的簡單示意圖如圖2.1所示。調(diào) 速 器 控 制 器 調(diào) 速 器 大 車 調(diào) 速 器 小 車 升 降 機 圖2.1 橋式起重機基本構(gòu)成的簡單示意圖51 大車運行機構(gòu)大車運行機構(gòu)采用電動機不止一臺而是兩臺，因為其工作頻率偏小，所以兩個電機被一臺變頻器控制，從而成本得到降低。以額定功率為依據(jù)選擇額定功率大一級的變頻器，其控制電路示意圖如附錄1所示。2 小車運行機構(gòu)它是一臺電動機單獨驅(qū)動，使用一臺變頻器。變頻器選擇是通過選電動機的額定功率為參照的選出額定功率大一級的變頻器，采用V/F控制方式。采用自由停車的方式，機構(gòu)控制示意圖和附錄1所示類似。3 升降機運行機構(gòu)采用一臺電動機單獨驅(qū)動，使用一臺變頻器，進行重物提升控制通過通用的變頻器，啟動運行機構(gòu)要求平穩(wěn)迅速，可采用外接剎車電阻來電氣制動 控制電路示意圖如附錄2所示。2.1.2 電氣控制系統(tǒng)橋式起重機的電氣控制系統(tǒng)主要包括操作面板和電氣控制柜等單元。在該系統(tǒng)中需要檢測較多的輸入量，根據(jù)設(shè)定的程序進行數(shù)據(jù)處理后，輸出控制信號，電氣控制系統(tǒng)示意圖如圖2.2所示。 電 氣 控 制 柜 操 作 面 板 電 機 運 行 機 構(gòu) 圖2.2 電氣控制系統(tǒng)示意圖62.2 橋式起重機的工作原理2.2.1 控制系統(tǒng)總體框圖橋式起重機系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)總體框圖如圖2.3所示，核心控制器為PLC控制面板按鈕和各限位開關(guān)的輸入，完成運行停止和調(diào)速控制相應(yīng)設(shè)備。操 作 面 板 PLC 變 頻 器 限 位 開 關(guān) 輸 入 各 類 執(zhí) 行 機 構(gòu) 圖2.3 電氣控制系統(tǒng)總體框圖2.2.2 工作過程在啟動狀態(tài)下，根據(jù)操作面板上的按鈕輸入來控制大小車，在啟動和停止升降機時，電磁制動器的運行是通過通過檢測變頻器輸出的頻率來控制的。橋式起重機的工作過程如下：1 接通電源，啟動系統(tǒng)。2 按下大車的運行按鈕，啟動大車，通過加速減速按鈕改變大車的速度。3 按下小車的運行按鈕，啟動小車，通過加速減速按鈕改變小車的速度。4 按下升降機的運行按鈕，啟動升降機，通過加速減速按鈕改變升降機的速度。當(dāng)重物需要被懸停半空，讓變頻器的輸出頻率減小到設(shè)定的值，頻率下降停止，使電磁制動器啟動，抱住重物，杜絕溜鉤現(xiàn)象發(fā)生；當(dāng)需從半空開始、下降或者上升重物時，使變頻器的輸出頻率增加到某設(shè)定值，頻率停止上升，停止電磁制動器工作，松開重物，變頻器輸出頻率持續(xù)增加到所需值。72.2.3 橋式起重機變頻調(diào)速的工作原理在異步電動機的極對數(shù)p和轉(zhuǎn)差率s一定的情況下，改變異步電動機的供電電源頻率f從而實現(xiàn)對其調(diào)速。但是當(dāng)供電電源頻率f小于電動機的額定工作頻率時，只有保持U/f為常數(shù)，才能保證電機的磁通不變，保證電動機的性能不變；而當(dāng)供電電源頻率f大于電動機的額定工作頻率時，電動機轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速，我們不能夠使U/f為常數(shù)，否則端電壓U將超過電動機額定電壓從而可能燒壞電動機。因此，在實現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速時，應(yīng)保持電源電壓不變并為額定值，僅使供電電源頻率f增加，電動機磁通將減少，輸出轉(zhuǎn)矩也將隨之下降，而輸出功率近似恒定。橋式起重機一般采用U/f控制方式、矢量控制方式及直接轉(zhuǎn)矩控制方式的變頻調(diào)速方式。橋式起重機的起升機構(gòu)一般采用閉環(huán)的矢量控制方式或閉環(huán)的直接轉(zhuǎn)矩控制方式；而橋式起重機的移動機構(gòu)一般采用開環(huán)的U/f控制方式或開環(huán)的矢量控制方式。橋式起重機變頻調(diào)速分起升機構(gòu)變頻調(diào)速和移動機構(gòu)變頻調(diào)速，其主要由機構(gòu)中的變頻器 變頻電機 控制器件和線路的保護開關(guān)等構(gòu)成。為了預(yù)防變頻器干擾外界和對自身進行保護、以及使電機控制的精度得到提高，一般在變頻器附近有AC/DC電抗器、制動單元和電阻、傳輸卡件及濾波器等，使控制系統(tǒng)可靠性提高 線路簡單 應(yīng)用靈活 容易使用及低故障率等。8第3章 橋式起重機控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1 PLC的選型電氣控制系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。PLC是該控制系統(tǒng)中核心處理器，其輸入和輸出量都為數(shù)字量，變頻器的控制與PLC之間采用RS-485 來進行通信?？?編 程 邏輯 控 制 器 PLC 操 作 面 板 變 頻 器 限 位 開 關(guān) 大 車 運 行 變 頻 器 小 車 運 行 升 降 機 運 行 變 頻 器 圖3.1 電氣控制系統(tǒng)框圖橋式起重機電器控制系統(tǒng)的控制主機選擇西門子S7-200 系列PLC。較多的輸入/ 輸出端口在橋式起重機電氣控制系統(tǒng)涉及，控制的過程相對來說比較簡單，所以該控制系統(tǒng)的主機可采用CPU224 （CPU224 共有14個輸入和 10個輸出） 。數(shù)字量輸入點被使用的比較多在橋式起重機控制系統(tǒng)中，因此除了PLC主機自帶的I/O被使用外，一定數(shù)量的I/O擴展模塊還需被擴展。在此EM223輸入/ 輸出混合擴展模塊可被采用，16點DC輸入/16點DC輸出型，系統(tǒng)輸入點的要求控制可被滿足，雖然有較多的空閑存在于輸出點，但能提供硬件條件（為后期擴展功能） 。3.2 其他資源配置要完成系統(tǒng)的控制功能除了需要PLC主機及擴展模塊之外，各種接觸器 限位開關(guān)和變頻器等儀器設(shè)備也是需要的。3.2.1 各類按鈕9在此控制系統(tǒng)手動控制中使用的三個機械按鈕來控制的橋式起重機系統(tǒng)的啟動和停止。手動/自動按鈕用旋鈕，自動啟動按鈕為觸電觸發(fā)按鈕，急停按鈕旋轉(zhuǎn)復(fù)位按鈕，按下停止旋轉(zhuǎn)復(fù)位自動彈出。每設(shè)備都設(shè)置一個按鈕，使用電擊觸發(fā)按鈕，按下通，松開復(fù)位。3.2.2 限位開關(guān)此系統(tǒng)共使用六個限位開關(guān)：前進 后退 左移 右移 上升 下降限位開關(guān)。1 大車前進限位開關(guān)。其作用是防止大車超出向前運動的范圍，用于控制大車在向前運行時的位置。2 大車后退限位開關(guān)。其作用是防止大車超出向后運動的范圍，用于控制大車在向后運行時的位置。3 小車左移限位開關(guān)。其作用是防止大車超出向左運動的范圍，用于控制小車在向左運行時的位置。4 小車右移限位開關(guān)。其作用是防止大車超出向右運動的范圍，用于控制小車在向右運行時的位置。5 重物上升限位開關(guān)。其作用是防止升降機超出向上運動的范圍，用于控制升降機在向上運行時的位置。6 重物下降限位開關(guān)。其作用是防止升降機超出向下運動的范圍，用于控制升降機在向下運行時的位置。3.2.3 接觸器在起重機控制系統(tǒng)中，其中所有的設(shè)備的運行是根據(jù)控制面板上的按鈕情況進行動作的而并非連續(xù)的，因此控制所有設(shè)備的啟動需要PLC根據(jù)當(dāng)前的工作情況，共需要4個接觸器：大車電動機接觸器、小車電動機接觸器、升降機電動機接觸器、電磁制10動器接觸器。1 大車電動機接觸器。包括2個部分：控制正轉(zhuǎn)的接觸器和控制反轉(zhuǎn)的接觸器，控制電動機的正反轉(zhuǎn)和停止通過PLC輸出的指令，從而大車的運行和停止得到控制。2 小車電動機接觸器。小車電動機接觸器包括控制正轉(zhuǎn)的接觸器和控制反轉(zhuǎn)的接觸器，控制電動機的正反轉(zhuǎn)和停止通過PLC 輸出的指令，從而小車的運行和停止得到控制。3 升降機電動機接觸器。升降機接觸器包括控制正轉(zhuǎn)的接觸器和控制反轉(zhuǎn)的接觸器，控制電動機的正反轉(zhuǎn)和停止通過PLC 輸出的指令，從而升降機的運行和停止得到控制。4 電磁制動器接觸器。電磁制動器接觸器通過PLC輸出的指令控制接觸器的斷開和閉合，從而電磁制動器的運行和停止得到控制。3.2.4 變頻器在系統(tǒng)中西門子公司的MM4系列變頻器可被采用，性價比高 是最常用也是功能較強的一種變頻器，主要用于各種工業(yè)、水利、冶金、建筑、紡織、交通等領(lǐng)域，具有良好的性能和優(yōu)惠的價格 該系列中的MM440變頻器能適用于一切傳動系統(tǒng)，是一種通用變頻器現(xiàn)代先進的矢量控制系統(tǒng)得到采用，使得當(dāng)負(fù)載突然增加時，穩(wěn)定性仍然能夠保持住。對于三個逆變器在這個系統(tǒng)中，通信控制，用于不同的逆變器控制，只需要這三個逆變器的地址編號，其中的程序的控制，通過發(fā)送控制命令給不同地址的變頻器，實現(xiàn)控制不同變頻器，即對于控制不同設(shè)備的變頻器，改變參數(shù)P2011中的值，在此系統(tǒng)中，控制大車變頻器的地址為1.控制小車變頻器的地址為2，控制升降機的變頻器地址為3。變頻器的參數(shù)設(shè)置如表3.1所示。11表3.1 變頻器參數(shù)設(shè)置表參數(shù)號 參數(shù)值 說明P0005 21 顯示實際頻率P0070 5 COM鏈路的USS設(shè)置P1000 5 通過COM鏈路的USS設(shè)定P2010 6 9600baudP2011 1 USS地址P0300 1 電動機類型P0304 380V 電動機額定電壓P0305 286A 電動機額定電流P0310 50Hz 電動機額定頻率P0311 122r/min 電動機額定轉(zhuǎn)速3.3 PLC的I/O資源配置根據(jù)系統(tǒng)功能要求配置PLC的I/O。主要分為數(shù)字輸入部分與數(shù)字輸出部分。3.3.1 數(shù)字量輸入部分橋式起重機控制系統(tǒng)主要完成對操作按鈕輸入的檢測、限位開關(guān)的檢測、變頻器反饋值的檢測等。1 操作按鈕輸入的檢測。對人工操作臺的輸入按鈕的檢測完成，主要的輸入按鈕 為 急停旋鈕和啟動按鈕、小車運行和停止以及加減速按鈕、 、運行 停止大車以及加減速按鈕 運行 停止升降機以及按鈕加減速等2 限位開關(guān)的檢測。限位開關(guān)包括大車前進、后退限位開關(guān)；小車左移、右移限位開關(guān)；升降機上升、下降限位開關(guān)，一共三種。1）大車前進后退限位開關(guān)檢測大車的位置，防止大車運行超出范圍。122）小車左移右移限位開關(guān)檢測小車的位置，防止小車運行超出范圍。3）升降機上升下降限位開關(guān)檢測升降機的位置，防止升降機運行超出允許范圍。3 檢測變頻器反饋值。變頻器反饋值的檢測主要的目的是防止發(fā)生溜鉤的現(xiàn)象，在松開后后抱住前的電磁制動，重物停止下滑的現(xiàn)象易出現(xiàn)，被稱為溜鉤。出現(xiàn)溜鉤的原因：電磁制動器通電斷電或電源斷電，它需要時間約O.6S（根據(jù)不同的型號和尺寸變化） ，如果早期變頻器停止輸出，將容易發(fā)生溜鉤現(xiàn)象。滑鉤現(xiàn)象主要出現(xiàn)在兩種情況下，其控制方法以上兩種方法。1）重物懸空停止過程。設(shè)定一個停止頻率，當(dāng)工作頻率降低到停止頻率時，頻率到達(dá)信號被變頻器輸出出來，電磁制動器抱住重物， 到最后，變頻器他的運行工作頻率降到為零2）重物懸空啟動過程。上升啟動頻率設(shè)定出來，暫停上升當(dāng)變頻器工作頻率上升至上升啟動頻率時，頻率到達(dá)的信號從變頻器輸出，停止電磁制動器運行的指令被發(fā)出，之后出現(xiàn)一段時間的延遲，該時間應(yīng)大于電磁制動器完全釋放重物的時間，讓重物被電磁制動器松開，變頻器工作頻率慢慢升高，直到所需頻率。在橋式起重機控制系統(tǒng)中，所需要的輸入量都屬于數(shù)字量，共有26個數(shù)字輸入量，如表3.2所示。表3.2 數(shù)字輸入量地址分配輸入地址 輸入設(shè)備 輸入地址 輸入設(shè)備I0.0 急停 I1.5 重物下降I0.1 啟動 I1.6 重物加速I0.2 大車前進 I1.7 重物減速I0.3 小車前進 I2.0 重物停止I0.4 大車加速 I2.1 大車前進限位I0.5 大車減速 I2.2 大車后退限位I0.6 大車停止 I2.3 小車左移限位13I0.7 小車左移 I2.4 小車右移限位I1.0 小車右移 I2.5 重物上升限位表3.2 數(shù)字輸入量地址分配（續(xù)表1）輸入地址 輸入設(shè)備 輸入地址 輸入設(shè)備I1.1 小車加速 I2.6 重物下降限位I1.2 小車減速 I2.7 大車變頻器復(fù)位I1.3 小車停止 I3.0 小車變頻器復(fù)位I1.4 重物上升 I3.1 升降機變頻器復(fù)位3.3.2 數(shù)字量輸出部分該控制系統(tǒng)主要是大車電機，汽車電機，電梯和電磁制動控制。1車電機控制?？刂齐姍C運行的方向，停止，加速和減速之前和之后的重的運輸需求。2汽車電機控制?？刂齐姍C運行方向，停止，加速，減速，圍繞重型運輸需要。3電梯控制管理。控制電機運行方向，停止，加速，減速，重載運輸?shù)男枰?電磁制動器的控制。控制電磁制動器的運行和停止，停止輔助控制重物。在該系統(tǒng)中的輸出控制裝置，接觸器，電動機，等等，一共有7個輸出點，具體的配置示于表3.3。表3.3 數(shù)字輸出量地址分配輸出地址 輸出設(shè)備 輸出地址 輸出設(shè)備Q0.0 大車正向運行接觸器 Q0.4 升降機正向運行接觸器Q0.1 大車反向運行接觸器 Q0.5 升降機反向運行接觸器Q0.2 小車正向運行接觸器 Q0.6 電磁制動器Q0.3 小車反向運行接觸器根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求、如表3.2和表3.3所示的I/O分配情況，以及圖3-1所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，出橋式起重機控制系統(tǒng)的接線圖設(shè)計出來，如圖3.2所示，此控制面板上的按鈕全部都是手動控制方式。14急 停 啟 動 大 車 前 進 大 車 后 退 大 車 加 速 大 車 減 速 大 車 停 止 小 車 左 移 小 車 右 移 小 車 加 速 大 車 正 向 運 行 接 觸 器 小 車 減 速 大 車 反 向 運 行 接 觸 器 小 車 停 止 小 車 正 向 運 行 接 觸 器 重 物 上 升 小 車 反 向 運 行 接 觸 器 重 物 下 降 升 降 機 正 向 運 行 接 觸 器 重 物 加 速 升 降 機 反 向 運 行 接 觸 器 重 物 減 速 電 磁 制 動 器 重 物 停 止 大 車 前 進 限 位 大 車 后 退 限 位 小 車 左 移 限 位 小 車 右 移 限 位 重 物 上 升 限 位 重 物 下 降 限 位 大 車 變 頻 器 復(fù) 位 小 車 變 頻 器 復(fù) 位 升 降 機 變 頻 器 復(fù) 位 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 II0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 Q0.0 I1.2 Q0.1 I1.3 S7-200 Q0.2I1.4 CPU224 Q0.3 I1.5 + Q0.4 I1.6 EM223 Q0.5 I1.7 Q0.6 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 RS-485 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 I3.0 I3.1 大 車 變 頻 器 小 車 變 頻 器 升 降 機 變 頻 器 圖3.2 橋式起重機控制系統(tǒng)的接線圖15第4章 橋式起重機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)總體流程設(shè)計對大車、小車和起重機進行啟?？刂瓶梢酝ㄟ^按鈕來實現(xiàn)，并且可以通過增大或減小變頻器的頻率來改變其速度，以檢測調(diào)速性能。4.1.1 大車控制系統(tǒng)對大車的運行停止加速和減速進行手動操作，按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始上電工作，其工作過程主要包括以下幾個方面。1按鈕來控制車的操作。2大車停止按鈕控制。3個按鍵來控制車的加速。4個按鍵來控制車減速。5個前進限位開關(guān)，以防止推車向前跑出范圍。返回限位開關(guān)，防止大車跑回來的范圍。上述的過程是不連續(xù)的控制，但按照與PLC檢測到啟動按鈕狀態(tài)，推車圖4.1中所示的控制流程。4.1.2汽車控制系統(tǒng)對小車的運行停止加速和減速進行手動操作，按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始上電工作，其工作過程主要包括以下幾個方面。1按鈕控制操作的車。2按鈕來控制汽車停了下來。3按鈕來控制汽車的加速。164個按鍵來控制的汽車減速。5個前進限位開關(guān)，防止跑車離開的范圍。返回限位開關(guān)，防止大車運行超出范圍。上述過程是順序控制，但按照與PLC的狀態(tài)檢測按鈕啟動汽車的控制過程如圖4-2所示。4.1.3 升降機控制系統(tǒng) 運行、停止、加速及減速人工操作升降機，啟動按鈕按下后，開始系統(tǒng)上電工作，其工作過程主要包括以下幾個方面。1 通過按鈕來控制升降機的運行。2 通過按鈕來控制升降機的停止。3 通過按鈕來控制升降機的加速。4 通過按鈕來控制升降機的減速。5 前進限位開關(guān)防止升降機向上運行超出范圍。6 后退限位開關(guān)防止升降機向下運行超出范圍。升降機控制流程如圖4.3所示。4.1.4 升降機懸?？刂葡到y(tǒng)人工操作升降機在空中的停止，系統(tǒng)上電工作開始在按啟動按鈕后，其工作過程主要包括。1 重物停止時，變頻器頻率逐漸降低，下降至某設(shè)定值后，定時器啟動。2 定時到，電磁制動器啟動。3 啟動電磁制動器后，變頻器頻率降低至0Hz。4 重物啟動時，變頻器頻率逐漸升高，上升至某設(shè)定值后，定時器啟動。5 定時到，電磁制動器停止。6 電磁制動器停止后，變頻器頻率逐漸上升，重物在空中啟動。17根據(jù)重物所處的位置來完成以上工作過程，控制是按照PLC讀取的變頻器參數(shù)進行的，升降機懸?？刂屏鞒虉D如圖4.4所示。Y N N N Y Y N Y N N Y Y 圖 4-2 大 車 控 制 系 統(tǒng) 流 程 圖 大 車 控 制子 程 序 減 小 變 頻 器的 輸 出 頻 率 接 通 正 向接 觸 器 停 止 運 行 接 通 反 向接 觸 器 停 止 大 車 運 行 增 加 變 頻 器的 輸 出 頻 率 停 止 大 車 運 行 前 進 ？ 后 退 ？ 加 速 ？ 停 止 ？ 到 達(dá) 正 向 限 位 開 關(guān) 到 達(dá) 反 向 限 位 開 關(guān) 圖4.1 大車控制系統(tǒng)流程圖18Y N N N Y Y N Y N N Y Y 圖 4-3 小 車 控 制 系 統(tǒng) 流 程 圖 小 車 控 制子 程 序 減 小 變 頻 器的 輸 出 頻 率 接 通 正 向接 觸 器 停 止 運 行 接 通 反 向接 觸 器 停 止 小 車 運 行 增 加 變 頻 器的 輸 出 頻 率 停 止 小 車 運 行 左 移 ？ 右 移 ？ 加 速 ？ 停 止 ？ 到 達(dá) 左 側(cè) 限 位 開 關(guān) 到 達(dá) 右 側(cè) 限 位 開 關(guān) 圖4.2 小車控制系統(tǒng)流程圖19Y N N N Y Y N Y N N Y Y 圖 4-4 升 降 機 控 制 流 程 圖 升 降 機 控 制子 程 序 減 小 變 頻 器的 輸 出 頻 率 接 通 正 向接 觸 器 停 止 升 降 機運 行 子 程 序 接 通 反 向接 觸 器 停 止 大 車 運 行 增 加 變 頻 器的 輸 出 頻 率 升 降 機 停 止運 行 子 程 序 下 降 ？ 上 升 ？ 加 速 ？ 停 止 ？ 到 達(dá) 下 位 限 位 開 關(guān) 到 達(dá) 下 位 限 位 開 關(guān) 圖4.3 升降機控制系統(tǒng)流程圖 20N N Y Y N N Y Y N N Y Y 圖 4-5 升 降 機 懸 停 控 制 流 程 圖 升 降 機 停止 子 程 序 頻 率 停 止 下 降 定 時 1S啟 動 頻 率 停 止 下 降 定 時 1S啟 動 變 頻 器 頻 率 逐漸 上 升 變 頻 器 頻 率 逐漸 下 降 保 持 原 有 狀 態(tài) 電 磁 制 動 器 啟 動 變 頻 器 頻 率降 低 到 0， 中午 在 空 中 停止 重 物 停 止 ？ 延 時 到 ？ 到 達(dá) 設(shè)定 值 ？ 重 物 上 升 ？ 到 達(dá) 設(shè)定 值 ？ 延 時 到 ？ 電 磁 制 動 器 停 止 變 頻 器 頻 率 上升 到 設(shè) 定 值 ，重 物 在 空 中 開始 啟 動 圖4.4 升降機懸?？刂屏鞒虉D214.2 各個部分梯形圖設(shè)計在設(shè)計程序過程中，會使用到許多寄存器、中間寄存器、定時器等軟元件，軟元件設(shè)置如表4.1所示。表4.1 軟元件設(shè)置元件 意義 內(nèi)容 備注M0.0 起重機停止標(biāo)志 on有效M0.1 起重機啟動標(biāo)志 on有效M0.2 起重機電磁制動器啟動標(biāo)志 on有效M0.3 大車電動機正轉(zhuǎn)標(biāo)志 on有效M0.4 大車電動機反轉(zhuǎn)標(biāo)志 on有效M0.5 大車停止標(biāo)志 on有效M0.6 小車電動機正轉(zhuǎn)標(biāo)志 on有效M0.7 小車電動機反轉(zhuǎn)標(biāo)志 on有效M1.0 小車停止標(biāo)志 on有效M1.1 升降機上升標(biāo)志 on有效M1.2 升降機下降標(biāo)志 on有效M1.3 升降機停止標(biāo)志 on有效M2.0 到達(dá)升降機下限頻率標(biāo)志 on有效M2.1 電磁制動器啟動標(biāo)志 on有效M2.2 送0Hz 到升降機變頻器標(biāo)志 on有效M2.3 到達(dá)升降機上限頻率標(biāo)志 on有效M2.4 送上限頻率標(biāo)志 on有效M2.5 斷開電磁制動器標(biāo)志 on有效M3.0 電磁制動器運行標(biāo)志 on有效M4.0 USS_INIT指令完成標(biāo)志 on有效M4.1 確認(rèn)大車變頻器的響應(yīng)標(biāo)志 on有效M4.2 指示大車變頻器的運行狀態(tài)標(biāo)志 on為運行；off為停止M4.3 指示大車變頻器的運行方向標(biāo)志 on為逆時針；off為順時針表4.1 軟元件設(shè)置（續(xù)表1）22元件 意義 內(nèi)容 備注M4.4 指示大車變頻器上的禁止位狀態(tài)標(biāo)志on為禁止；off為不禁止M4.5 指示大車變頻器故障位狀態(tài)標(biāo)志 on為故障；off為無故障M5.0 USS_INIT指令完成標(biāo)志 on有效M5.1 確認(rèn)小車變頻器的響應(yīng)標(biāo)志M5.2 指示小車變頻器的運行狀態(tài)標(biāo)志 on為運行；off為停止M5.3 指示小車變頻器的運行狀態(tài)標(biāo)志 on為逆時針；off為順時針M5.4 指示小車變頻器上的禁止位狀態(tài)標(biāo)志on為被禁止；off為不禁止M5.5 指示小車變頻器故障位狀態(tài)標(biāo)志 on為故障；off為無故障M6.0 USS_INIT指令完成標(biāo)志 on有效M6.1 確認(rèn)升降機變頻器的響標(biāo)志 on有效M6.2 指示升降機變頻器運行狀態(tài)標(biāo)志 on為運行；off為停止M6.3 指示升降機變頻器運行方向標(biāo)志 on為逆時針；off為順時針M6.4 指示升降機變頻器上的禁止位狀態(tài)標(biāo)志on為被禁止；off為不禁止M6.5 指示升降機變頻器故障位狀態(tài)標(biāo)志 on為故障；off為無故障T37 頻率降低定時器T38 頻率升高定時器VD10 下降頻率閾值寄存器VD20 上升頻率閾值寄存器VD30 大車頻率寄存器VD40 小車頻率寄存器VD50 升降機頻率寄存器VD60 升降機頻率反饋值寄存器VB400 USS_INIT指令執(zhí)行結(jié)果VB402 USS_CTRL錯誤狀態(tài)字節(jié)VW404 大車變頻器返回的狀態(tài)字原始值表4.1 軟元件設(shè)置（續(xù)表2）23元件 意義 內(nèi)容 備注VD406 大車全速度百分值的變頻速度 -200%200%VB500 USS_INIT指令執(zhí)行結(jié)果VB502 USS_CTRL錯誤狀態(tài)字節(jié)VW504 小車變頻器返回的狀態(tài)字原始值VD506 小車全速度百分值的變頻速度 -200%200%VB600 USS_INIT指令執(zhí)行結(jié)果VB602 USS_CTRL錯誤狀態(tài)字節(jié)VW604 升降機變頻器返回的狀態(tài)字原始值VD606 升降機全速度百分值的變頻速度 -200%200%4.2.1 大車控制程序系統(tǒng)被上電之后，操作大車的運行通過操作面板上的控制按鈕，大車控制梯形圖程序如圖4.5所示。24圖4.5 大車控制梯形圖與圖4.5所示的梯形圖程序所對應(yīng)的語句表程序如下：25LD M0.1 ；起重機啟動標(biāo)志A I0.2 ；大車前進按鈕 O M0.3 AN I0.3 ；大車后退按鈕AN M0.5 ；大車停止標(biāo)志AN M0.0 ；起重機停止標(biāo)志AN I2.1 ；大車前進限位開關(guān)= M0.3 ；大車電動機正轉(zhuǎn)標(biāo)志LD M0.1A I0.3 ；大車后退按鈕O M0.4 AN I0.2 ；大車前進按鈕AN M0.5AN M0.0AN I2.2 ；大車后退限位開關(guān)= M0.4 ；大車電動機反轉(zhuǎn)標(biāo)志LD M0.1A I0.6 ；大車停止按鈕O I2.1O I2.2= M0.5MOVR 0.0,VD30 ；大車變頻器輸出頻率置0LD M0.1LPSA I0.4 ；大車電動機加速按鈕A SM0.5 ；周期為1s 的時鐘脈沖