【正文】 工程及自動化 專業(yè) 學 號： 0923144 學生姓名： 仲從宇 指導教師： 潘國鋒 （職稱： 副教授 ） 2020 年 5 月 25 日全套設計（圖紙）請聯系 174320523 各專業(yè)都有 無錫 太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 基于 PLC 的起重機控制系統的設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： ① 熟悉 基于 PLC 的起重機控制 技術的發(fā)展歷程，特別是近 十 年來提出的 可編程控 制器與變頻器相結合的控制系統 ； ② 熟練掌握 起重機的運動控制系統 ； ③ 熟練掌握 變頻器的控制原理，以及熟知 PLC 的工作原理和熟練使全套設計（圖紙）請聯系 174320523 各專業(yè)都有 用編程指令 四、接受任務學生： 機械 93 班 姓名 仲從宇 五、開始及完成日期： 自 2020 年 11 月 12 日 至 2020 年 5 月 25 日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師 簽名 簽名 教研室主任 〔 學科組組長研究所所長 〕 簽名 系主任 簽名 2020 年 11 月 12 日全套設計（圖紙）請聯系 174320523 各專業(yè)都有 摘 要 橋式起重機是機械生產中最常用的一種起重機械，在生產過程中起著非常重要的作用。這種調速方式操作復雜，可靠性差，故障率高，且電能浪費大，效率低。 PLC 系統采用西門子公司的 S7200，能控制起重機大車、小車的運行方向和速度，吊鉤的升、降方向和速度，同時能 檢測各個電機故障現象。 frequency converter。由于現代設計方法的建立和計算機輔助設計手段的應用，使起重機設計思維觀念和方法有了進一步的更新。橋式起重機按起吊裝置不同， 又 可分為吊鉤橋式起重機、抓斗橋式起重機 和 電磁盤橋式起重機 等 。圖 。 9 8 6 5 4 3 2 1 7 全套設計（圖紙）請聯系 174320523 各專業(yè)都有 傳統的 20/5t 交流橋式起重機，一般都是采用起重用繞線式交流異步電動機拖動。本設計主要內容就是 熟練掌握 變頻器的控制原理，以及熟知 PLC 的工作原理和熟練使用編程指令。 PLC 控制變頻器的系統能夠適合起重機的工作要求，對提高工作效率，改善起重機的調速性能，減小起制動沖擊以及增加起重機的安全系數有很大的作用。 目前國外先進的的起重機控制系統基本實現了 自動化、智能化和數字化 的相結合。主要由全數字化控制驅動裝置、可編程序控制器、故障診斷及數據管理系統、數字化操縱給定檢測等設備組成。主梁跨架在車間上空，其兩端聯有端梁，主梁外側裝有走臺并設有安全欄桿。在小車運動方向的兩端裝有緩沖器和限位開關。 大車移行機構 則 是由驅動電動機、制動器、傳動軸、減速器 、聯軸器、角型軸承箱 和車輪等幾部分組成。每套運行機構由電動機通過制動輪、聯軸節(jié)、減速器與大車車輪聯接，省去了中間傳動軸。 控制室 是操縱起重機的吊艙，又稱駕駛室。為了安全，艙口處裝有安全開關，避免司機及維護人員上車發(fā)生觸電事故 。其中 M1 為主卷揚電動機，由凸輪控制器 1SA 操縱； M2 為副卷揚電動機，由凸輪控制器 2SA 操縱；小車移行機構由電動機 M3 拖動， M3 為小車電動機，由凸輪控制器 3SA 操縱；大車移行機構由兩臺電動機 M M5 分別拖動， M M5 為大車電動機，共由凸輪控制器 4SA 操縱。 [6] 全套設計（圖紙）請聯系 174320523 各專業(yè)都 有 傳統橋式起重機控制系統的缺點： 橋式起重器一般在一些條件惡劣的場合工作，而且動作復雜，工作頻率較高，電機容量較大，要求有一定的調速范圍。 控制方案的 設計 可編程控制器簡稱 — PLC， 是以微處 理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術發(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。這樣既減少了系統中觸點數目，也使設備體積減小，操作強度也隨之下降。本設計采用一臺 S7200 型 PLC 控制四臺變頻器操作 5 臺電動機的運行。這次設計我使用 PLC 來模擬各類電器的邏輯功能，把有形的觸點轉變?yōu)?PLC內部無形的邏輯關系。三檔位的主令控制器的開合表如表 31 所示。這 是通過加 1 及減 1 指令實現的，在 VB100 中數值小于 5 時可加操作，大于零時可 減操作。同時由于變頻控制軟件的優(yōu)化使用，使電動機可以避開共振點，解決了系統在大調速區(qū)間內可能發(fā)生的共振問題。嚴格意義上的變頻電機轉動慣量較小，響應較快，可工作在比額定轉速高出很多的工況條件下，這些特性均非起重機的特定要求。 （ 2） 電動機的過載校驗 按 電 動 機 轉 矩 允 許 的 過 載 系 數 ?M? ， 對 繞 線 式 轉 子 電 動 機 ， H= KWKWvGm HP qQMN 00 110 00 ???????? ?? () 根據規(guī)定 , %25?JC ， CZ=150,此時 ?NP ，即 所以電動機校驗通過。 D. 小車運行機構： （ 1） 運行靜阻力，小車運行部分總質量： ? ? ? ? NNgGQG G ???????? （ ） 因為室內運行，風阻力 01??G ， 坡度阻 力 0??G ， 運行摩擦阻力系數 ? = 則 NNGGG GZ 1 9 8 0 61 ????? ? ? （ ） （ 2） 運行靜功率： ?yv 45m/min=小車運行機構總效率 ?? KWKWvGP yz 00 1810 001 ?? ??? ? （ ） （ 3） 運行加速功率 取 stsm s 5,/ 2 ??? KWKWgt vGP s yG 00 98 22 ??? ???? ?? （ ） 全套設計（圖紙）請聯系 174320523 各專業(yè)都有 （ 4） 初選電動機 ? ? ? ? KWKWPPmP MN 11 1 ??????? ?? （ ） 根據電動機樣本，選用兩臺 YZR132M26 電動機，當 %25?JC ， ?NP 4 （ 5） 電動機發(fā)熱校驗 根據《起重機設計規(guī)范》，該小車運行機構的接電持續(xù)率%25?JC ， CZ=300，穩(wěn)態(tài)負載平均系數 G=，所以， KWKWvGGP yz ?? ???? ? （ ） 根據《橋式起重機設計手冊》知，當 %25?JC ， CZ=300 時， ?NP ， 即 ,所以電動機發(fā)熱校驗通 過。 （ 2） 濾波電容器 CF 作用 是 當負載變化時，使直流電壓保持平衡。 （ 3） 限 流電阻 RL 和開關 SL RL作用：變頻器合上 的 瞬間沖擊電流比較大，其作用就是在合上閘后的一段時間內，電流流經 RL，限制沖擊電流，將電容 CF 的充電電流限制在一定范圍內。 B. 能耗電路部分 （ 1） 制動電阻 RB 變頻器 的 頻率下降 時 ，電容 CF 會存儲電能 ，使 得 直流電壓不斷上升。 C. 直－交變換部分 （ 1） 逆變管 V1～ V6 組成逆變橋，把 VD1～ VD6 整流的直流電 再 逆變 成 交流電。如 圖 所示，控制電路由以下電路組成 ： （ 1） 頻率、電壓的運算電路：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。 （ 4） I/0 輸入輸出電路 ：為了變頻器更好人機交互，變頻器具有多種輸入信號的輸入（比如運行、多段速度運行等）信號，還有各種內部參數的輸出（比如電流、頻率 、保護動作驅動等）信號。考慮到電源電壓的波動因素及需通過 125%超載試驗要求等因素，其最大轉距一般是 倍的負載力矩值，保證其安全使用。在變頻器功率選定的基礎上再作電流驗證，公式如下 : 全套設計（圖紙）請聯系 174320523 各專業(yè)都 有 CNI ＞ MI () 式中 CNI 一變頻器額定電流， A； MI — 電機額定電流， A。而且要求盡可能地快速起動、制動。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量 (勵磁電流 )和產 生轉矩的電流分量 (轉矩電流 )分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量。有關資料表明：當放電電流等于電動機額定電流的一半時，就可以得到與電動機的額定轉矩相等的制動轉矩，因此制動電阻的粗略算法為： eDeDB IUIUR ~2? ()式中： eI 為電動機的額定電流； DU 為直流回路電壓。其采用計算機結構，主要包括 CPU,存儲器、輸入、輸出接口及模塊、通訊接口及模塊、編程器和電源六個部分。并可以將這些模塊安裝在同一機架上，外部的各種開關信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為 PLC 的輸全套設計（圖紙）請聯系 174320523 各專業(yè)都 有 入變量，他們經 PLC 外部輸入端子輸入到內 部寄存器，經 PLC 內部邏輯運算或其他各種運算處理后送到輸出端子，作為 PLC 的輸出變量，對設備進行各種控制。設計人員只要有 PLC 就可以進行設計，還可以在實驗室進行模擬調試。 本設計選用的是西門子公司的 S7200 系列小型可編程序控制器。考慮到橋式起重機的 I/O 口較多，選擇 CPU224 或 CPU226 外加 EM223 模塊的 PLC 均可滿足本系統的設計要求。 輸入端口分配方式：主回路啟停輸入由按鈕開關接入 PLC，用來控制總電路的通斷，當按下停止按鈕時，整個系統將完全停止， PLC 中保存的檔位信息清零，各電動機繼電接觸器斷開，電磁抱閘機構運行，各電動機抱閘，保證現場工作人員的安全。急停與復位按鈕是出現 緊急情況時的控制按鈕。 將控制橋式起重機的線路接在 PLC 的 I/O 口上，通過軟件編程就可以控制系統的工作了。圖中，起重機的啟動按鈕、緊急停車按鈕，主令控制器的 5 個觸點，以及系統安保用的各種限位設備都接在 PLC 的輸入口上。 K K K5 所連接的 X00 X00 X003 為變頻器的多段頻率選擇端，利用這三個端子的組合，可實現七種速度的選擇，詳細的的速度值可以通過變頻器的功能碼設定，本例中只使用了其中的 5 檔速度， X X X3 的組合關系與速度檔位的關系如表 36 所 示： 表 36 變頻器多段頻率端子狀態(tài)表 速度檔位 0 1 2 3 4 5 6 7 X001 0 1 0 1 0 1 0 1 X002 0 0 1 1 0 0 1 1 全套設計（圖紙）請聯系 174320523 各專業(yè)都有 X003 0 0 0 0 1 1 1 1 注： 0斷 ， 1通 安全 措施 橋式起重機的安全措施主要是圍繞大車小車起升機構這三個運行部件的工作安全而進行的?？刂菩≤嚨淖冾l器具有過流保護、欠 壓 保護、過載保護等保護功能，當保護功能中的任何一個保護動作時，變頻器就會停止輸出，同時發(fā)出故障信號 ,將該故障信號輸入到控制電路中，使小車的電磁制動器，防止碰撞、自由下落等事故的發(fā)生。 全套設計（圖紙）請聯系 174320523 各專業(yè)都 有 4 系統軟件設計 PLC 程序的編制是為了實現 PLC 在系統中的任務。而大車程序、小車程序、主鉤程序、副鉤程序分別具體控制各電機的運行。這時整個電路將通電，公用程序完成初始化，等待操作人員按下大車、小車、主鉤或副鉤的啟動按鈕，啟動相應子程序。當主令控制器處于零位，或輸入到 VB100 中的數大于 5 或者小于 0 時，將使 VB100 置零