0923144-仲从宇-基于PLC的起重机控制系统的设计

编号

无锡太湖学院 毕业设计（论文）

题目： 基于PLC的起重机控制系统的设计

信机 系 机械工程及自动化 专业

学 号： 0923144 学生姓名： 仲从宇 指导教师： 潘国锋 （职称：副教授）

2013年5月25日

无锡太湖学院本科毕业设计（论文）

诚 信 承 诺 书

本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 基于PLC的起重机控制系统的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。

班 级： 机械93 学 号： 0923144 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日

信 机 系 机械工程及自动化 专业

毕 业 一、题目及专题：

设 计论 文 任 务 书 1、题目 基于PLC的起重机控制系统的设计 2、专题

二、课题来源及选题依据

随着功率电子技术的发展, 早在六十年代后期, 国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究.目前, 该技术己进入了成熟稳定的发展应用阶段. 可编程序控制器PLC 引入到交流电气传动系统后, 使传动系统性能发生了质的变化.在桥式起重机中实现大小车的自动控制和故障诊断、检测显示等, 达到了新的技术高度。由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统, 是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果, 符合起重机的发展趋势, 适合发展大起重量的起重机。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：

① 熟悉基于PLC的起重机控制技术的发展历程，特别是近十年来提出的可编程控制器与变频器相结合的控制系统； ② 熟练掌握起重机的运动控制系统； ③ 熟练掌握变频器的控制原理，以及熟知PLC的工作原理和熟练使

I

用编程指令 四、接受任务学生：

机械93 班 姓名 仲从宇 五、开始及完成日期：

自2012年11月12日 至2013年5月25日

六、设计（论文）指导（或顾问）：

指导教师 签名

签名

教研室主任

〔

学科组组长

研究所所长

〕

签名

系主任 签名

2012年11月12日

II

摘 要

桥式起重机是机械生产中最常用的一种起重机械，在生产过程中起着非常重要的作用。所以提高桥式起重机的运行效率，确保运作过程中的安全保障和降低生产成本是非常重要的。

传统的桥式起重机一般都是采用起重用绕线式交流异步电动机拖动。起升机构和运行机构上的电机一般都是采用转子串电阻调速方式。这种调速方式操作复杂，可靠性差，故障率高，且电能浪费大，效率低。随着近几年控制技术的飞速发展，我们可以针对桥式起重机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器和变频器等技术应用到桥式起重机控制系统中。

本次设计主要讨论的是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。并且阐述了PLC和变频器控制的基本原理。PLC系统采用西门子公司的S7-200，能控制起重机大车、小车的运行方向和速度，吊钩的升、降方向和速度，同时能检测各个电机故障现象。该设计主电路中改变电动机的工作状态主要由变频器来实现，在控制电路中实现桥式起重机的各种功能主要由PLC来实现。最后对可编程控制器进行软件设计，编制出安全可靠高效的控制程序。

关键词：桥式起重机；变频器；可编程控制器

III

Abstract

Bridge crane is the mechanical production of the most commonly used as a hoisting machinery, plays a very important role in the process of production. So to improve the efficiency of bridge crane, ensure the security operation process and reduce cost of production is very important.

Traditional bridge crane is used commonly on reuse of wound rotor asynchronous motor drag communication. Hoisting mechanism and operational mechanism on the motor rotor series resistance speed control mode is generally adopted. But this way of speed regulating operation complexity, poor reliability, failure rate is high, and the power waste, low efficiency. With the rapid development of control technology in recent years, we can according to the above problems existing in the bridge crane control system, the programmable controller and frequency converter is applied to the bridge crane control system, and has carried on the detailed design.

This design is mainly discussed the improvement of the programmable controller (PLC) and inverter bridge crane control system. And expounded the basic principles of PLC and frequency converter control. Adopting Siemens S7-200 PLC system, can control the crane cart, the direction and speed of the car, the ascending and descending direction and speed of the hook, at the same time can detect various motor fault phenomenon. In this design,Changing the working state of the motor in circuit mainly by the frequency converter device to realize.In the control circuit to achieve the functions of bridge crane is mainly composed of PLC to realize. Finally the programmable controller software design, develop the safe, reliable and efficient control program.

Key words: Bridge crane; frequency converter; programmable logic controller

IV

目 录

摘 要 ........................................................................................................................................... III ABSTRACT .................................................................................................................................. IV 目 录 ............................................................................................................................................ V 1 绪论 ............................................................................................................................................. 1 1.1桥式起重机的简介 ............................................................................................................... 1 1.2 本课题研究的内容和意义 ................................................................................................... 1 1.2.1 课题设计的内容： ........................................................................................................ 1 1.2.2 课题设计的意义 ............................................................................................................ 2 1.3 国内外起重机控制系统的发展状况 ................................................................................... 2 2桥式起重机的控制 ...................................................................................................................... 3 2.1桥式起重机的主要结构及运动形式 ................................................................................... 3 2.2传统桥式起重机的控制原理 ............................................................................................... 4 2.3 传统桥式起重机控制系统的缺点 ....................................................................................... 5 2.4 控制方案的设计 ................................................................................................................... 5 3 桥式起重机控制系统的硬件设计 ............................................................................................. 6 3.1 系统硬件设计 ....................................................................................................................... 6 3.2 PLC实现的主令控制器 ....................................................................................................... 6 3.3 电机的选用 ........................................................................................................................... 7 3.3.1 变频调速对电动机的要求 ............................................................................................ 7 3.3.2 变频起重机系统中电动机的选型 ................................................................................ 7 3.3.4 计算及电机的选取 ........................................................................................................ 8 3.4 变频器 ................................................................................................................................. 10 3.4.1 变频器选型 .................................................................................................................. 10 3.4.2 变频器的主电路 .......................................................................................................... 10 3.4.3 变频器的控制电路 ...................................................................................................... 11 3.4.4 变频器选择及电流验证 .............................................................................................. 12 3.4.5 变频器主要参数设置 .................................................................................................. 13 3.5 制动电阻的选择 ................................................................................................................. 14 3.6 可编程控制器 ..................................................................................................................... 14 3.6.1可编程控制器的概述 ................................................................................................... 14 3.6.2 可编程控制器选型 ...................................................................................................... 15 3.6.3 I/O端口分配 ................................................................................................................. 16 3.6.4 PLC系统接线方式 ....................................................................................................... 17 3.7 安全措施 ............................................................................................................................. 18 4 系统软件设计 ........................................................................................................................... 19 4.1 主程序 ................................................................................................................................. 19 4.2 公用程序 ............................................................................................................................. 20

V

4.3 大车控制程序..................................................................................................................... 23 4.4 其他子程序设计................................................................................................................. 25 5 结论及展望 ............................................................................................................................... 28 5.1 结论..................................................................................................................................... 28 5.2 展望..................................................................................................................................... 28 致 谢 ........................................................................................................................................... 29 参考文献 ....................................................................................................................................... 30

VI

基于PLC的起重机控制系统的设计

1 绪论

1.1桥式起重机的简介

在工业生产中广泛使用各种起重机械，对物料作起重、运输、装卸和安装等作业，广泛应用在工矿企业、车站、港口、仓库、建筑工地等部门。它对减轻工人劳动强度、提高劳动生产率、促进生产过程机械化起着重要作用，是现代化生产中不可缺少的工具。时至今日，在其承载结构、驱动机构、取物装置、控制系统及安全装置各方面都有了很大的发展。由于现代设计方法的建立和计算机辅助设计手段的应用，使起重机设计思维观念和方法有了进一步的更新。因此，起重机将向现代化、智能化、更安全可靠的方向发展。

起重机械种类很多，其中桥架型起重机是使用最广泛的一种起重机械。通用桥式起重机又称“天车”或“行车”，它是一种横架在固定的跨间上空用来吊运各种物件的设备。桥式起重机按起吊装置不同，又可分为吊钩桥式起重机、抓斗桥式起重机和电磁盘桥式起重机等。其中以吊钩桥式起重机应用最广。本次设计就是以吊钩桥式起重机进行讨论与分析的。[6]

桥式起重机一般由可整体前后移动的横梁(大车)、左右移动的小车、固定在小车上可上下移动的主副钩、操纵室、小车导电装置(辅助滑线)、起重机总电源导电装置(主滑线)等部分组成。图1.1为桥式起重机总体示意图。

2 3 4 5 6 7 9 8 1 1- 驾驶室 2-辅助滑线架 3-交流磁力控制盘 4-电阻箱 5-起重小车 6-大车拖动电动机 7-端梁 8-主滑线 9-主梁

图1.1桥式起重机整体示意图

1.2 本课题研究的内容和意义

1.2.1 课题设计的内容：

本次设计主要研究如何用可编程控制器与变频器相结合来取代传统的控制系统。设计的起重机的起重量为20/5吨，其跨度(L)为19.5m主钩起升速度为7.5m/min，副钩起升速度为15m/min。大车运行速度为75m/min，小车运行速度为45m/m。

1

太湖学院学士学位论文

传统的20/5t交流桥式起重机，一般都是采用起重用绕线式交流异步电动机拖动。但是起重机的工作环境一般比较恶劣，较长时间的使用会导致碳刷的接触器磨损较大，加上任务重，操作流程复杂，触头消蚀严重。且转子串电阻调速调速效果不理想。所以我们要设法对其控制方式进行改造，减少电路中的冲击电流，改变调速方式，减少操作人员劳动强度，提高系统效率。本设计主要内容就是熟练掌握变频器的控制原理，以及熟知PLC的工作原理和熟练使用编程指令。 1.2.2 课题设计的意义

近几年自动化控制技术和电气传动得到了飞快的发展。其中，具有代表性的就是交流变频调速装置和可编程控制器在机械领域的结合应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机应用提供了有利条件。变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在的问题，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机运输机械行业中具有广泛的发展前景。

PLC控制变频器的系统能够适合起重机的工作要求，对提高工作效率，改善起重机的调速性能，减小起制动冲击以及增加起重机的安全系数有很大的作用。所以有对桥式起重机电控系统进行研究很必要。由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着大规模集成电路制造技术不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势，适合发展大起重量得起重机；提高工作速度、扩大调速范围；提高金属结构、机构和电气设备的可靠性和使用寿命；改善司机操作条件，保证作业安全，提高自动化控制程度和扩大远距离控制系统的使用范围。[9]

1.3 国内外起重机控制系统的发展状况

随着工业生产的机械化程度不断变高，生产效率不断提高，生产物件的运输要求也随之变高，就要求有控制更加便捷化和高速化的起重机，而且要对安全性和可靠性提出更高的要求。

目前国外先进的的起重机控制系统基本实现了自动化、智能化和数字化的相结合。起重机的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现起重机的自动化和智能化。大型高效起重机新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由全数字化控制驱动装置、可编程序控制器、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。[8]

经过几十年的发展，我国国内桥式起重机的控制技术水平已得到一定程度的提高，但是与国际水平还有一定距离。目前国内使用的桥式起重机大多还是采用的传统的控制方法，采用继电器控制和串电阻调速，使用凸轮控制器控制电动机。

2

基于PLC的起重机控制系统的设计

2桥式起重机的控制

2.1桥式起重机的主要结构及运动形式

桥式起重机由桥架（双称大车），装有起升机构的小车、大车运行机构及驾驶室等几部分组成，如下图2.1所示

图2.1 桥式起重机结构图

桥架是桥式起重机的基本构件，它由主梁、端梁、走台等几部分组成。主梁跨架在车间上空，其两端联有端梁，主梁外侧装有走台并设有安全栏杆。

小车运行机构由小车架、小车移行机构和提升机构组成。小车架由钢板焊成，其上装有小车移行机构、提升机构、栏杆及提升限位开关。小车可沿桥架主梁上的轨道左右移行。在小车运动方向的两端装有缓冲器和限位开关。小车移行机构由电动机、主动轮、制动器等组成。电动机经减速后带动主动轮使小车运动。提升机构由电动机、减速器、卷筒、制动器等组成，提升电动机通过制动轮、联轴节与减速器联接，减速器输出轴与起吊卷筒相联。

大车移行机构则是由驱动电动机、制动器、传动轴、减速器、联轴器、角型轴承箱和车轮等几部分组成。其车轮通过角型轴承箱固定在桥架的端梁上，其主要作用是驱动大车车轮沿轨道运行。其驱动方式有集中驱动和分别驱动方式两种：

集中驱动是由一台电动机通过制动轮直接与联轴节、传动轴联接，再通过减速器与车轮联接驱动两边的主轮。

分别驱动是由两套独立的无机械联系的运行机构组成。每套运行机构由电动机通过制动轮、联轴节、减速器与大车车轮联接，省去了中间传动轴。但分别驱动的运行机构是用两台同样型号的电动机，用同一控制器控制。

分别驱动与集中驱动相比，自重较轻，安装和维护方便，实践证明使用效果良好。目前我国生产的桥式起重机大部分采用分别驱动方式。

控制室是操纵起重机的吊舱，又称驾驶室。在操纵室内，主要装有大小车运动机构和起升机构的操纵系统和有关装置，如控制器、保护箱及照明开关箱；有关安全开关，如紧急开关、电铃开关等。

[3]

3

太湖学院学士学位论文

控制室一般固定在主梁下方的一端，也有随大车移动的。其上方有通向走台的舱口。为了安全，舱口处装有安全开关，避免司机及维护人员上车发生触电事故。

2.2传统桥式起重机的控制原理

传统的桥式起重机基本采用继电器控制和串电阻调速，使用凸轮控制器控制各台电动机。其主电路和控制电路如图2.2所示

图2.2 20t桥式起重机典型电路

控制方式：小型桥式起重机的主钩、大车、小车均采用绕线式三相交流异步机电动机和凸轮控制器控制。

该起重机有两个卷扬机构，主钩起重量为20吨，副钩起重量为5吨，分别由电动机M1、M2拖动。其中M1为主卷扬电动机，由凸轮控制器1SA操纵；M2为副卷扬电动机，由凸轮控制器2SA操纵；小车移行机构由电动机M3拖动，M3为小车电动机，由凸轮控制器3SA操纵；大车移行机构由两台电动机M4、M5分别拖动，M4、M5为大车电动机，共由凸轮控制器4SA操纵。

整个起重机五台电动机保护电路如图2.2下方图所示。其中QS为紧急开关，用作事故情况下紧急断开电源；SQ7～SQ9为舱口门开关与横梁门开关；KA1～KA6为过电流继电器的触点，用作电动机的过流保护；1SA、2SA、3SA、4SA分别为主卷扬、副卷扬、小车与大车凸轮控制器触点；SQ1、SQ2为小车移行机构行程开关，用于小车终端限位保护；SQ3、SQ4为大车移行机构行程开关，用于大车终端限位保护；SQ5为副卷扬提升机构行程开关，用于提升终端限位保护。

YB1～YB5分别为主卷扬、副卷扬、小车与大车电动机各自的制动电磁铁。[6]

4

基于PLC的起重机控制系统的设计

2.3 传统桥式起重机控制系统的缺点：

桥式起重器一般在一些条件恶劣的场合工作，而且动作复杂，工作频率较高，电机容量较大，要求有一定的调速范围。所以传统的继电器控制和串电阻调速会在操作中存在很多问题：

（1） 电动机及其所串电阻烧损和断裂故障经常发生； （2） 继电接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高； （3） 转子串电阻调速调速效果不理想；

（4） 所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低等。

而且采用凸轮控制器在操作中同时切换的触点一般很多，且切换的又多是电动机主电路的触点，为了切换大容量电流，触点都制造得厚重，这就为操作带来了阻力和很大的劳动强度。另一方面，凸轮控制器中有形的触点在频繁的切除中很容易出故障，给维修带来了不便。

2.4 控制方案的设计

可编程控制器简称—PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。

本设计使用PLC来实现主令控制器的开合表的逻辑功能，以代替原有系统中为每台电动机设置一台主令控制器或凸轮控制器的设计。改造中采用PLC代替接触器开关来解决凸轮控制器的缺点。这样既减少了系统中触点数目，也使设备体积减小，操作强度也随之下降。使用桥式专用变频器代替转子串电阻调速，增加了机械特性硬度，也不存在发热问题，提高了系统效率；5台电动机共用一台主令控制器控制，减少了按钮数量，从而提高了系统可靠性。

通过对设计的分析，改造后的交流桥式起重机控制系统也包含了以下几个部分：主令控制器、限位器、保护输入、PLC、4台变频器、5台电动机（大车电动机两台）其控制框图如图2.3所示：

主令控制器 限位器 P L C 变频器 变频器 M1 M2 M3 M4 M5 变频器 保护输入 变频器

图2.3 交流桥式起重机控制系统框图

5

太湖学院学士学位论文

3 桥式起重机控制系统的硬件设计

3.1 系统硬件设计

改造后的交流桥式起重机控制系统包含如下几个部分：主令控制器、限位器、保护输入、PLC、4台变频器、5台电动机（大车电动机两台）。四台变频器分别控制相应的电动机，然后四台变频器所需的输入口线均接在PLC上。本设计采用一台S7-200型PLC控制四台变频器操作5台电动机的运行。下图画出了桥式起重机的PLC控制原理图。简单起见，图中没有画出全部的I/O口线。

图3.1 桥式起重机的PLC控制原理图

3.2 PLC实现的主令控制器

继电接触器为基础的桥式起重机电路，一般都是用凸轮控制器来控制大车、小车、主副钩的操作。这次设计我使用PLC来模拟各类电器的逻辑功能，把有形的触点转变为PLC内部无形的逻辑关系。以满足大电流切换的需要，PLC的输出应该连接接触器及继电器。表3-1列出了一个经精简后的主令控制器的开合表，并为各挡位接通的触点安排了PLC的输入口。

表3-1 三档主令开关开合表

输入端口 I0.5 I0.6 I0.2

注 x—触头闭合

向前 x

零位 x

向后 x

6

基于PLC的起重机控制系统的设计

本设计使用图3.2所示的一个三档位的主令控制器及两只升降速按钮作为操作器件，使用PLC及接触器模拟凸轮控制器工作。三档位的主令控制器的开合表如表3-1所示。该主令控制器延续了凸轮控制器向前向后操作时的互锁，而且符合起重机操作人员的操作习惯，使用两只按钮进行升降速更加方便，其实现的控制要求主要有：

（1） 电动机的方向控制由主令控制器实现，手柄置向前位时，I0.5接通，正转接触器工作，电动机进行正转；手柄置向后位时，I0.6接通，反转接触器工作，带动电动机反转。由正转到反转，或由反转到正转都必须经过零位，手柄位于零位表示已断开正在运行的接触器，准备接通下一个接触器，同时手柄在0位时会切除电阻档位存储器清零。 （2） 在按动接于I1.1及I1.0的按钮时，使加减速档位存储器VB100中存储的数字在1～5间依顺序变化，以控制输入电动机的电源频率大小。这是通过加1及减1指令实现的，在VB100中数值小于5时可加操作，大于零时可减操作。

电机 向 前 零 位 向 后 I 0.5 I 0.2 I 0.6 加速 I1.0 减速 I1.1

图3.2 3档主令开关及增减电阻按钮示意图

3.3 电机的选用

3.3.1 变频调速对电动机的要求

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动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，使电动机可以避开共振点，解决了系统在大调速区间内可能发生的共振问题。目前，变频器己经发展到除非有超同步调速的要求或呈1:20以上的大速比，一般无须选用变频专用电机作变频系统的电动机。现在国内推出的变频专用电动机由普通电机加独立风扇组成，以解决电动机在低速运转过程中自冷风扇风量不足而引起的电动机过热问题。

3.3.2 变频起重机系统中电动机的选型

起重机起升和运行机构的调速比一般不大于1:20，且为断续工作制，通常接电持续率

7

太湖学院学士学位论文

在60%以下，负载多为大惯量系统。严格意义上的变频电机转动惯量较小，响应较快，可工作在比额定转速高出很多的工况条件下，这些特性均非起重机的特定要求。普通电机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致;在连续工作时考虑到冷却效果限制了普通电机转矩应用值，普通电机仅在连续工作时的变频驱动特性比变频电机稍差。 3.3.4 计算及电机的选取

通过对参考文献和网上的查阅，得到有关本设计所需数据如下： 小车车轮直径：Φ315mm 大车车轮直径：Φ630mm 起重机总重：28.6T 小车自重：7.6T

吊钩自重：500kg 小车运行摩擦阻力系数?=0.0085 大车运行摩擦阻力系数?=0.007 A. 主起升机构： （1）初选电动机

05 GQ??Q?G0??g??20000?500??9.81N?22011N (3.1)

vq?7.5m/min?0.125m/s Pj?GQvq1000??201105?0.125KW?29.57KW (3.2)

1000?0.85根据电动机样本，选用YZR225M-8电动机，当S3，JC?25%时，电动机允许功率为26KW。

（2）电动机的过载校验

按电动机转矩允许的过载系数?M?2.8，对绕线式转子电动机，H=2.1

GQvqH2.1201105?0.125PN????KW?22.18KWm?M1000?1?2.81000?0.85 (3.3)

根据规定,JC?25%，CZ=150,此时PN?24.096KW，即22.18KW<24.096KW 所以电动机校验通过。 B. 副起升机构： （1）初选电动机

GQ??Q?G0??g??5000?250??9.81N?51502.5N (3.4)

vq?15m/min?0.25m/s ??0.85

Pj?GQvq1000??51502.5?0.25KW?15.1KW (3.5)

1000?0.85根据电动机样本，选用YZR180L-8电机，当S3，JC?25%时，电动机允许功率为13KW。 （2）电动机的过载校验

GQvqH2.151502.5?0.25PN????KW?11.33KW (3.6)

m?M1000?1?2.81000?0.85根据规定,JC?25%，CZ=150,此时PN?12.160KW，即11.33KW<12.160KW 所以电动机校验通过。 C. 大车运行机构：

8

基于PLC的起重机控制系统的设计

(1) 运行静阻力，大车运行部分总质量：

GG???Q?G??g??25000?28600??9.81N?525816N (3.7)

因为室内运行，风阻力G?1?0，坡度阻力G??0，运行摩擦阻力系数?=0.007

GZ?G1?GG???525816?0.007N?3680.7N (3.8)

(2) 运行静功率： vy?75m/min=1.25m/s

大车运行机构总效率??0.95

P1?Gzvy1000??3680.7?1.25KW?4.84KW (3.9)

1000?0.95(3) 运行加速功率 取??0.2m/s2,ts?6.25s

P??21.15GG?vy1000gts1.15?525818?1.252?KW?15.41KW (3.10)

1000?9.81?6.25(4) 初选电动机

PN?1m?M?P1?P???1??4.84?15.41??6KW (3.11) 2?1.7根据电动机样本，选用两台YZR160M1-6电动机，当JC?25%，PN?6.3KW (5) 电动机发热校验

根据《起重机设计规范》，该大车运行机构的接电持续率JC?25%，CZ=600，稳态负载平均系数G=0.9，所以，

P2?GGzvy1000??0.9?3680.7?1.25KW?4.36KW (3.12)

1000?0.95根据《桥式起重机设计手册》知，当JC?25%，CZ=600时，PN?4.629KW， 即4.36KW<4.629KW,所以电动机发热校验通过。 D. 小车运行机构：

（1） 运行静阻力，小车运行部分总质量：

GG???Q?G??g??25000?7600??9.81N?319806N （3.13）

因为室内运行，风阻力G?1?0，坡度阻力G??0，运行摩擦阻力系数?=0.0085则

GZ?G1?GG???319806?0.0085N?2718.35N （3.14）

（2） 运行静功率：

vy?45m/min=0.75m/s

小车运行机构总效率??0.85

P1?Gzvy1000??2718.35?0.75KW?2.4KW （3.15）

1000?0.85（3） 运行加速功率 取??0.15m/s2,ts?5s P??21.15GG?vy1000gts1.15?319806?0.752?KW?4.2KW （3.16）

1000?9.81?59

太湖学院学士学位论文

（4） 初选电动机 PN?1m?M?P1?P???1 ??2.4?4.2?KW?5.9KW （3.17）

1?1.7根据电动机样本，选用两台YZR132M2-6电动机，当JC?25%，PN?4

（5） 电动机发热校验 根据《起重机设计规范》，该小车运行机构的接电持续率

JC?25%，CZ=300，稳态负载平均系数G=0.8，所以，

Gzvy1000?2718.35?0.75 KW?1.92KW （3.18）

1000?0.85 P2?G?0.8?根据《桥式起重机设计手册》知，当JC?25%，CZ=300时，PN?3.598KW， 即1.92KW<3.598KW,所以电动机发热校验通过。

通过利用上述公式的计算，选用改造后的桥式起重机各执行机构的电机参数如表3-2所示:

表3-2 各执行机构电机参数

主起升机构 副起升机构 大车运行机构 小车运行机构

电机型号 YZR225M-8 YZR180L-8 YZR160M1-6 YZR132M2-6

电机功率/电流 26KW/55A 13KW/29.1A 2*6.3KW/16.4A 4KW/9.7A

3.4 变频器

3.4.1 变频器选型

本系统选用的是西门子变频器，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，有利于用户进行合理选用。 3.4.2 变频器的主电路

这里讨论的是电压源型，交-直-交变频器主电路的基本结构如图3.3所示。

图3.3 变频器主电路

10

基于PLC的起重机控制系统的设计

A. 交－直变换部分

（1） VD1～VD6部分，将交流变换为直流。

（2） 滤波电容器CF作用是当负载变化时，使直流电压保持平衡。

因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图中的CF1和CF2。由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻RC1和RC2。 （3） 限流电阻RL和开关SL

RL作用：变频器合上的瞬间冲击电流比较大，其作用就是在合上闸后的一段时间内，电流流经RL，限制冲击电流，将电容CF的充电电流限制在一定范围内。

SL作用：当CF充电到一定电压，SL闭合，将RL短路。一些变频器使用晶闸管代替（如虚线所示）。

（4） 电源指示HL：当变频器通电后起指示作用，还能够提示当变频器断电后变频器中是否有电。 B. 能耗电路部分

（1） 制动电阻RB 变频器的频率下降时，电容CF会存储电能，使得直流电压不断上升。RB的作用就是将这部分回馈能量消耗掉。

（2） 制动单元VB 由晶体管及其驱动电路构成。作用是为放电电流IB流经RB提供通路。

C. 直－交变换部分 （1） 逆变管V1～V6

组成逆变桥，把VD1～VD6整流的直流电再逆变成交流电。 （2） 续流二极管VD7～VD12

① 频率下降，电机会处于再生制动状态，再生电流通过VD7～VD12整流后返回给直流电路；

② V1～V6逆变过程中，同一桥臂的两个逆变管不停地处于导通和截止状态。在这个换相过程中，也需要VD7～VD12提供通路。 3.4.3 变频器的控制电路

给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。如图3.4所示，控制电路由以下电路组成 ：

（1） 频率、电压的运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

（2） 电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。

（3） 驱动电路：为驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

（4） I/0输入输出电路：为了变频器更好人机交互，变频器具有多种输入信号的输入（比如运行、多段速度运行等）信号，还有各种内部参数的输出（比如电流、频率、保护动作驱动等）信号。

（5） 速度检测电路：以装在异步电动轴机上的速度检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

11

太湖学院学士学位论文

（6） 保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

图3.4 变频器的控制电路

3.4.4 变频器选择及电流验证 A. 起升机构

起升机构的平均起动转距一般是额定力矩值的1.3-1.6倍。考虑到电源电压的波动因素及需通过125%超载试验要求等因素，其最大转距一般是1.8-2倍的负载力矩值，保证其安全使用。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%的力矩值。

CgvKK?P?P?cos?1000??cos?MM (3.19)

式中cos?—电机的功率因数，cos?= 0.75

1.5PCN? P—起升额定负载所需功率，kw ?M—电机效率，?M =0. 85

PCN—变频器容量，KVA

K—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倍的安全力矩。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容量，则可能会造成不必要的放容损失。在变频器功率选定的基础上再作电流验证，公式如下:

12

太湖学院学士学位论文

5 结论及展望

5.1 结论

本设计阐述了起重机控制系统的现状与发展，主要研究了变频器与可编程控制器在起重机控制系统中的结合应用，这也是现在比较流行的桥式起重机的控制思路。这种控制系统提高了起重机的工作效率，保障了运作的安全性，节约了能源。

本次设计中将其控制系统由凸轮控制器控制改为PLC控制，各机构调速均采用的变频调速。PLC系统采用的西门子的S7-200，能控制起重机大车、小车的运行方向和速度及吊钩的升、降方向及速度，同时还能够检测各个电机故障现象。减少了硬件和控制线，极大提高了系统的稳定性，可靠性。实验结果证明，这种控制系统是有效的，符合起重机的发展趋势。

5.2 展望

在将来的几年内，随着控制技术的不断发展，我国的起重机控制技术将缩小与国外先进水平的差距。起重机未来将更加大型化，高速化。其整机设计生产将变得模块化，可以由不同模块重新组合出适应不同工作环境需要的起重机。将来的起重机会自动化程度更高，方便操作，且安全性能更高。

根据国内外现有桥式起重机产品及一些资料的查阅，近年来桥式起重机的发展趋势主要体现在以下几个方面：

(1) 通用型起重机以中小型为主，专用起重机向大型大功率发展； (2) 重视标准化、系列化、通用化，逐步过渡采用国际标准； (3) 发展一机多用产品；

(4) 采用新技术、新材料、新结构、新工艺。

28

基于PLC的起重机控制系统的设计

致 谢

本设计由江南大学潘国锋老师指导完成。潘国锋老师从本文的写作内容、版式编排等各方面多次给予了详细的指导，对本文所涉及的起重机的控制系统的研究等给予了大量的帮助，并向我们提供了相关参考文献且提出了很好的意见和建议，使得本文得以成稿，在此表示衷心的感谢！另外，我要感谢在我四年的学习生涯中的学校老师们，是他们给了我扎实的基础知识和专业知识，这对设计的完成起到了很大的作用，对我以后的工作和生活也会有深远的影响。还要感谢在本设计中给予我帮助的同学们，最后我还要向本文引用、转载过资料的文献作者表示感谢。

29

太湖学院学士学位论文

参考文献

[1] 武红军,张万忠. 可编程控制器入门与应用[M]. 北京:中国电力出版社,2005. [2] 刘明芹. 电器与PLC控制技术[第二版][M]. 北京:化学工业出版社,2008. [3] 高敏. 天车工培训教程[M]. 北京:机械工业出版社,2011.

[4] 龚徐科. 基于PLC的变频调速在双小车桥式起重机中的应用[J]. 中国科技信息报,2011:4-17（A1）. [5] SIEMENS公司. SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册[Z],2002:1-100. [6] 张质文,王金诺. 起重机设计手册[M]. 北京:中国铁道出版社,1998.

[7] 张三豹. 变频调速起重机中的PLC起重运输机械[M]. 辽宁:机械工业出版社,2001. [8] 王国利. 起重运输机械发展趋势[J]. 中国水运,2005,12(03): 42-43.

[9] 吴晓青. PLC控制的变频器调速系统在起重机的应用[D]. 华南理工大学,2005.

[10] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统之运动控制系统[M]. 北京:机械工业出版社,2011. [11] F.J.Hale. Introduction to Control System Analysis and Design[M]. Prentice-Hall Inc,1988.

[12] Chen Boshi, electric drive automatic control system of motion control system [M]. Beijing: mechanical

industry press, 2011.

[13] Chin,c-m. Dynamics and control of ship-mounted cranes JVCIJournal of Vibration and control,

September, 2001:891-904.

[14] J.W.Webb. Programmable Logic Controllers: Principles and Applications[M]. Macmillan, New

York,1988.

[15] Anon. Machine control beyond PLC. Machine Design[J]. Chaos, Solitons & Fractals. 2006: V15 7-8.

30

基于PLC的起重机控制系统的设计

图4.2 公用程序梯形图程序设计

4.3 大车控制程序

在设计各电动机控制程序的过程中，只需要将公用程序输出到中间继电器中，电机正传、反转以及变速信息接到相应的变频器输入端口上即可。因为各电机控制程序基本相同，只有主钩控制程序要另外再接单独的过电流保护，且其程序简单，下面就是以大车控制程序的软件部分的设计。大车运行流程图如图4.3所示：

23

太湖学院学士学位论文

否 方向选择A 是 启 动 方向选择B向 运 行 是 否 方向选择？ 变速？ 否 到位？ 是 抱闸停车 图4.3 大车运行流程图

否 是 步进调速

大车控制程序包含大车电源、急停复位和大车速度调节程序三部分。

根据变频器的端口功能，EMS为急停输入口，RST为复位输入口，将控制面板的急停按钮接在PLC的输入端口，经PLC的输出端口接到变频器的EMS及RST端口即可完成急停及复位的程序设计。

大车电源控制程序是将大车启动按钮常开触点I1.4串联大车停止按钮常闭触点I1.5以及大车故障按钮常闭触点I1.6再输出到大车电源输出Q0.3，并将Q0.3并联在I1.4上实现继电保持。其LOD梯形图如图4.4所示：

图4.4 大车电源梯形图程序

大车的急停和复位梯形图程序如图4.5所示：

24

基于PLC的起重机控制系统的设计

图4.5 大车急停及复位梯形图程序

大车速度控制程序的功能是将主令控制器输出的正转、反转、加减速等信号输入到变频器的输入口上。变频器的正转输入口为FWD口，反转输入口为REV口，7档位速度输出控制为X001、X002、X003口。将中间继电器的信号经小型继电器接在变频器上相应的输入口上，并加上一定的保护电路，其梯形图如图4.6所示：

图4.6 大车速度控制梯形图程序

利用PLC控制的变频器调速技术，桥式起重机拖动系统的各档速度、加速时间都可以根据现场情况由变频器设置，调整方便。负载变化时，各档速度基本不变，调速性能好。

4.4 其他子程序设计

桥式起重机使用5台电动机控制各机构的运行，而各运行机构的启动、制动等操作基本相同，只有主钩控制程序稍有不同。因此，小车、主钩、副钩的控制程序和大车的控制程序类似，只需在原有基础上稍加改动即可。其中主钩回路由于负载变化大，启动频繁，因此加接过电流保护回路。主钩和副钩的STL语言如下。 SUBROUTINE_BLOCK 主钩程序:SBR3 TITLE=子程序注释 BEGIN Network 1 // 急停

LD I1.2 AN I1.3 = Q0.1 Network 2

25

太湖学院学士学位论文

// 复位

LD I1.3 AN I1.2 = Q0.2 Network 3

// 主钩过电流保护 LD I2.2 = Q1.7 Network 4 // 主钩电源 LD I2.3 O Q2.0 AN I0.1 AN I2.4 AN I2.5 AN I2.2 = Q2.0 Network 5

// 主钩速度控制 LDN I2.4 A Q2.0 LPS

A M11.2 AN Q2.2 = Q2.1 LRD

A M11.3 AN Q2.1 = Q2.2 LRD

A M10.4 = Q2.3 LRD

A M10.5 = Q2.4 LPP

A M10.6 = Q2.5

END_SUBROUTINE_BLOCK

SUBROUTINE_BLOCK 副钩程序:SBR4 TITLE=子程序注释 BEGIN

Network 1 // 网络标题 // 急停

LD I1.2 AN I1.3 = Q0.1 Network 2 // 复位

LD I1.3

26

基于PLC的起重机控制系统的设计

AN I1.2 = Q0.2 Network 3 // 副钩电源 LD I2.6 O Q2.6 AN I0.1 AN I2.7 AN I3.0 = Q2.6 Network 4

// 副钩速度控制 LDN I2.7 A Q2.6 LPS

A M11.2 AN Q3.0 = Q2.7 LRD

A M11.3 AN Q2.7 = Q3.0 LRD

A M10.4 = Q3.1 LRD

A M10.5 = Q3.2 LPP

A M10.6 = Q3.3

END_SUBROUTINE_BLOCK

27

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0qwh.html