基于plc的桥式起重机控制系统的设计终稿1

学科分类号：_08湖南人夂科牧摩眈本科生毕业设计题 目：基于PLC的桥式起重机控制系统设计学生姓名：刘阳学号09421335系 部：通信与控制工程系专业年级：自动化2009级指导教师：赵志刚职 称：助教湖南人文科技学院教务处制湖南人文科技学院本科毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文 中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担.作者签名:二O 年 月 日基于PLC的桥式起重机控制系统设计扌商要：传统的桥式起重机采用继电器和串电阻调速作为主控制器及调速方式, 面对现代工作生产中起重机的频繁起动、制动、反转、变速等操作容易因机械 疲劳造成结构开裂、器件更换频繁等问题。本设计是基-T- PLC的桥式起重机控 制系统，控制系统选取西门子公司的S7-200系列PLC作为控制器实现对起重机 大车、小车、主钩及副钩的起动、停止、反向运动等一系列控制，在速度调控 方面釆用安川VS-616G5变频器对各机构进行变频调速。系统中还设计了完善的 运行指示模块，操作人员能够清晰直观的监测起重机各部位运行情况。通过本 设计的一系列功能，在性能上提高了桥式起重机工作效率、扩大了调速范围， 经济上提高了桥式起重机的使用寿命、减少了损耗，在安全方面提高了金属结 构、机构和电气设备的可靠性，保证了作业安全。关键字：桥式起重机；变频调速；S7-200Design of Control System of Bridge Crane Based on PLCAbstract: Bridge crane with traditional relay and series resistance speed as the main controller and speed control mode, the fece of frequent crane modern work production in starting, braking, reverse, speed and easy operation due to mechanical fetigue cracking caused by frequent replacement, device structure etc. The design of control system of bridge crane control system based on PLC, selection of Siemens company S7-200 series PLC as controller of crane, trolley the main hook and the auxiliary hook start, stop, reverse movement and a series of control in speed regulation, use ANCHUAN VS616G5 series inverter variable frequency speed control of each mechanism. The system is designed to improve the operation indication module, the operator can monitor the crane parts of clear and intuitive operation Through a series of functions of the design, the performance improves the work efficiency enlarge the speed range of bridge crane, economic increase the service life of the bridge crane, the loss is reduced, the safety aspects of improving reliability of metal structure, and electrical equipment, ensure the operation safetyKeyWords： Bridge crane; Frequency control;S7-200第一章绪论11.1桥式起重机的研究背景11.2国内外研究现状11.2.1国内发展现状11.2.2国外发展现状21.3本课题的研究目的和意义3第2章基于PLC桥式起重机控制系统的总体设计42.1桥式起重机的工作原理42.2系统方案设计52.3电机的选型62.4变频器的选型72.5辅助器件的选择8第3章 控制系统的硬件设计103.1电气图103.2 PLC的选型113.2.1主控器的选型113.2.2扩展模块的选型123.3系统I/O分配123.4控制系统的硬件接线图15第4章基于PLC桥式起重机机控制系统的软件设计164.1编程软件的介绍164.2系统流程图的设计164.2.1系统主流程图164.2.2运行机构流程图174.2.3起升机构流程图184.3梯形图设计194.3.1大车电机的控制194.3.2大车抱闸系统的控制19第5章总结与展望215.1总结215.2展望21致谢22参考文献23附录24附录A系统硬件接线图24附录B系统完整梯形图程序27第一章绪论1.1桥式起重机的研究背景桥式起重机是使用最广泛、拥有量最大的一种轨道运行式起重机，广泛应 用于工矿企业的车间，仓库或露天场地。桥式起重机一般由装有大车运行机构 的桥架、装有起升机构和小车运行机构的起重小车、电气设备、司机室等几大 部分组成。经过几十年的发展，我国桥式起重机在各方面不断积累经验，不断 改造，推动了桥式起重机的技术进步。但是在实际的使用过程中，结构开裂是 时有发生的事情。造成这个现象的主要原因是频繁的超负荷作业以及过大的机 械振动引起的机械疲劳讥传统的起重机驱动方案主耍为以下五种：（1）直接起动电动机；（2）改变电动 机极对数调速；（3）转子串电阻调速；（4）涡流制动器调速；（5）可控硅串级调 速；（6）直流调速。前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只 能在额定速度以下调速;起动电流大，对电网冲击大;常在额定速度卜进行机械 制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重;功率因数低，在空载或轻载 时低J- 0. 2-0. 4,即使满载也低于0.75,线路损耗大同。目前串级调速产品的 控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动 性能，也没有很好的保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机，而 直流电动机制造匸艺复杂，使用维护耍求高，故障率高。在未来，机械工业的计算机化、高度自动化是不可阻挡的趋势。现代1：业 控制过程中可编程控制器以其便捷的计算机化、可靠的性能得到了越来越广泛 的应用。本课题正是以可编程控制器为主控器来进行设计的。1.2国内外研究现状1.2.1国内发展现状起重机原理在我国宋代农业生产中就已经得到应用，但是没有得到良好的 传承和发展。我国起重机械的生产在解放前是一个空白，新中国成立后才开始 研制自己的桥式起重机。桥式起重机在国内从开始研制到今天已经走过六十年 的发展历程，经历了从无到有、从简到精的蜕变，在发展的过程中主要有三个 阶段。新中国成立之后，国家将工作重心转移到经济建设当中，发展重工业便是 首要的任务。1949年10月27日，由大连起重机器厂生产出我国第一台双梁桥 式起重机，该起重机重量为5吨，跨度为22.5m。该起重机的生产成功代表着 我国起重机技术步入了发展轨道。由于我国重工业水平处于起步阶段，所以当 时桥式起重机生产技术还不够成熟，该起重机仅仅能够进行简单、呆板的运作， 而且需要耗费大量的人力来协同作业。随着改革开放的不断深入，我国桥式起重机生产企业以及研究机构与国外 起重机生产企业联系H益增强。1995年10月，中国上海振华港口有限公司制 造出一台ZPMC桥式起重机采用德国AEG公司的电气驱动系统，装配电子防 摇系统和自动化操作系统。为了节约人力，提高工作效率，改善作业条件，这 是我国第一次将遥控系统用丁桥式起重机运输机械，在控制方式上具有划时代 的意义。近年来，我国桥式起重机朝着大型化、高效化、协同作业化发展，并且取 得了不俗的成绩。2006年由太原重工股份有限公司研制成功的最新科技成果一 我国第一台无线并车吊运百米钢轨新型桥式起重机在山西省科技厅举办的科技 成果鉴定会上通过了专家鉴定。2010年8月中国第二重型机械公司为镇江基地 生产了第一台160/50t-32mA5级吊钩桥式起重机。1-2.2国外发展现状在国外桥式起重机的发展历程当中，无论是从起步时间、发展速度以及发 展水平方面都明显优丁我国。国外桥式起重机发展史上迎来过两次春天，第一 次在第一次工业革命Z后，第二次是计算机技术、微电子技术、电力电子技术、 光缆技术、液压技术、模糊控制技术飞速发展的二十一世纪初期。19世纪后期，第一次工业革命起F英国席卷欧洲，蒸汽机的使用代替了传 统的水力驱动，起重机的技术革新犹如雨后春笋般跳入人们的眼球。德马克公 司在1873年维也纳世界博览会推出世界第一台蒸汽驱动的桥式起重机叫七年 之后，第一台钢铁材料制成的、以电力拖动的桥式起重机在德国出现，但是该 起重机驱动方式采用的是集中全部驱动的方式，在电机同步当中存在很大的问 题。二十一世纪初，随着计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、 液压技术、模糊控制技术飞速发展，国外许多桥式起重机制造公司将机械技术 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、光缆 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，实现桥式起重 机的自动化和智能化。2010年，德国德马克公司制成一台可用激光査找起吊物 体重心、在取物装置上装有超声波传感器引导自动抓取货物的桥式起重机，其 自动防摇系统能在运行速度200m/min、加速度Odm/s?的情况卜很快使摇摆振 幅减至几个毫米。1.3本课题的研究目的和意义本课题当中以桥式起重机为研究对象，传统的桥式起重机采用交流绕线串 电阻的方式来实行启动和调速，同时采用继电-接触器控制，这种控制方式可靠 性低且操作非常复杂同时故障率较高。桥式起重机大多工作任务繁重、匸作环 境相对恶劣，传统的桥式起重机容易发生电动机以及所串电阻烧损的情况，不 仅影响到正常的生产进而造成经济损失，更有甚者造成人员伤亡。经过本系统设计改造之后桥式起重机的起动、抱闸制动以及变速等过程更 加平稳，定位更加精确，而且大大减少了负载波动，提高了安全性能。系统运 行过程中，开关器件实现了无触点化，具有半永久性的使用寿命。经改进后， 电动机起动电流大幅减小，在起动和停止时电机的热耗减少，大大的延长了电 机的寿命。电磁制动器在电机低速时进行抱闸刹车，减少了闸皮的磨损，使其 使用寿命延长。在经济方面效果尤为显著，由于电机的运行电流小，不仅使运 行耗电大幅降低，而且减少了对电网的冲击一定程度上保护了其他设备。现代工业朝着自动化、智能化、集成化和信息化发展，PLC技术在现代工 业技术中得到了越来越普遍的应用旬。通过本课题的设计，使我加深了对可编 程控制器的理解，强化了对可编程控制器的应用能力。在动手能力、分析问题 能力以及解决问题的能力上有很大的提升，同时对当今国内工业生产现状有了 更深层次的认识，为即将毕业后走上工作岗位奠定了一定的基础。第2章基于PLC桥式起重机控制系统的总体设计2桥式起重机的工作原理本设计是针对涟源钢铁公司实际生产情况需求来进行设计的。该起重机共 有两个起升机构，核载量为20/5t。整个起重机系统当中含有五台电机以及四台 变频器，分别为大车的两台电机以及一台变频器，小车的一台电机以及一台变 频器，主钩和副钩各一台电机及一台变频器。桥式起重机由大车控制机构、小 车运行机构、主起升机构、副起升机构构成。通过对四个机构的控制来完成桥 式起重机功能的实现。图2-1为桥式起重机的结构图。烈力Am#千iltttelecfanscom图2-1桥式起重机结构图以下是对该控制系统各机构结构和功能的介绍：(1) 大车运行机构。该机构控制桥式起重机在横梁轨道上的横向移动，由 两台电动机、一台变频器以及电磁制动器构成。在大车运行的过程中，通过控 制电动机的正反转来实现运行方向的选择。在速度控制方面，选用变频器作为 速度控制设备，可以实现三个档位的调速，驾驶员可根据实际情况选择不同档 位的运行速度。当大车运行至指定位置时，电磁制动器通电制动，大车运行停 止叫(2) 小车运行机构。该机构控制桥式起重机在横梁轨道上的纵向移动，由 一台电动机、一台变频器以及电磁制动器构成。在运行方向控制中该运行系统 与大车运行机构类似，也是通过控制电机的正反转来实行方向的控制。由于小车运行机构运行时所需动力较低，所以一台电动机就能够满足要求。在速度控 制方面通过变频器的变频调速实现小车能够通过三个不同速度运行，运行至指 定位置时，通过电磁制动器实现抱闸停车。(3) 主起升机构。该机构由一台大功率电动机、一台变频器以及电磁制动 器构成，主要用于重量较重的物体的起吊。吊钩的起升与下降过程中采用变频 器对上升与下降速度进行调节，以此来节约时间提高工作效率。吊钩的起降方 向控制通过电机的正反转来实现。电磁制动器主要用丁吊钩运行至指定位置时 的制动。(4) 副起升机构。由于主起升机构运行功率较大，当起吊物体重量较轻时 不宜采用主起升机构进行起吊。副起升机构的主要功能是针对重量低于5t的物 体进行起吊，虽然增加了造价但是从节约运行成本的长远角度来看还是比较经 济的。副起升机构由一台电动机、一台变频器以及电磁制动器构成，电动机功 率与主起升机构相比较小岡。在方向、速度、制动控制方面与主起升机构大体 相同。2.2系统方案设计根据控制系统的功能耍求，本系统是通过可编程控制器为主要控制器来实 现桥式起重机的工作正常运转。通过操作人员在操作室操作，PLC在接到操作图2-2系统总体设计方案人员的指令后经过处理将命令交给变频器，通过变频器的变频调速控制大车、 小车以及起升机构电动机的运转来实现桥式起重机的运行，并且可以通过控制 电机正反转改变各机构运行方向，控制变频器变频信号的输出改变个机构运行 速度。与此同时，PLC将各种信息传输给显示模块，显示模块能够将起重机各 种状态直观、清晰的反馈给操作人员，例如大车、小车以及起升机构限位指示 灯，变频器及不同机构电机故障指示灯。在遇到故障之后报警模块能够及时报 警并将信息传递给操作人员，以便操作人员及时作岀处理，避免造成人员伤亡 和财产损失。系统总体设计方案如图2-2所示。2.3电机的选型本设计当中共有五台电机，分别为大车运行机构中两台电机、小车运行机 构中一台电机、主起升机构一台电机、副起升机构一台电机。选择电机时，通 常要依据很多准则，比如所需功率、最大转矩、接电持续率、起动等级、控制 类型、速度变化范围、供电方式、保护等级、环境温度以及海拔高度等。本设 计当中主钩和副钩属F起升机构，大车与小车屈于运行机构，根据机构的工作 特性不同，我们在电动机的选择时考虑的情况也不同。大车运行时，运行轨道较长，且运行机构较重，为了提高效率并且满足生 产需求选取两台电机并联的形式带动大车运行，根据涟源钢铁厂实际生产情况 大车运行时耍求功率在llkw左右，所以大车运行机构中所选电机为 YZR160M1-6,该电机功率为5. 5KW。小车运行机构当中，小车运行轨道较短且 小车运行机构重量较轻，较小功率的电机就能够满足小车运行要求。小车运行 机构中选取一台YZR160M1-6电机作为该机构动力装置。主起升机构核定起吊上 限为20t,通过最大允许起升力、起升速度以及起升机构效率三方面考量，起 升机构电机所需最大功率约为30kw,所以在起升机构当中所选电机型号为 YZR250M1-&该电机功率为30kw,能够满足起升机构运行耍求。为了节省能源 提高工作效率，在起吊5t以卜的物体时采用副起升机构。由于副起升机构起吊 物体相对较轻，最大允许起升力相对较小，所以在副起升机构中所选电机为 YZR200L1-8,该电机功率为 15KW6o本系统当中所选电机均为YZR系列，该系类电动机是断续工作的，它的特 点是可以经常起动、制动和反转，负载在大小与方向上经常变化，能够满足桥 式起重机运行机构和起升机构的工作耍求。在结构上，YZR系列电动机转子作 得比较细长，有效的减小了起动与停车时的惯性。YZR系列电动机具有过载能 力大和机械强度高的特点，特别适合驱动各种类型的起重和冶金机械或其它类 似的设备。图2-3 YZR系列电动机2.4变频器的选型变频器的选用通常根据所调控的三相异步电动机的额定电流或者三相异步 电动机实际运行中的最大电流来决定。本系统当中各机构中所选变频器必须能 够给电动机提供150%的额定转矩输出。起升系统当中为防止溜钩现象的发生， 变频器还必须具有零速时的转矩功能91。针对本系统的设计要求，选取选用日本安川公司的VS-616G5变频器作为各 机构变频调速器件，VS-616G5变频器配有外接的制动单元和制动电阻，通过改 变外接制动单元和制动电阻阻值的大小来改变调控电流的大小进而满足各机构 的调速耍求。VS-616G5变频器属于电压型变频器，它包括了四种调速方式：标准V/F控 制、带PG反馈的V/F控制、无传感器的磁通矢量控制和带PG反馈的磁通矢量 控制。VS-616G5只需简单的参数设置就可以用于广泛的应用领域o VS-616G5变 频器具有全磁通矢量控制，在低频卜也能提供150%额定转矩的起动转矩。在速 度反馈环节可做到零速控制，即使在零速下也有150%的额定转矩输出，有效的 防止了起升机构溜钩现象发生，在发生故障时，也能确保无冲击安全运行，此 特性在起重机械中尤为重要。除此Z外，安川VS-616G5具有比较合理的价格、 完整的理论计算书以及辅件推荐值，同时，安川公司所生产的各系列变频器在 我国一直占有较大的市场份额，拥有完善的售后服务系统。OOOOOOOOOOO O1187654321TS RB1 OB2 27 O26 25O O10 O9 O2C)19O18 O21 O22 23 O OWOV UO O图2-4 VS-616G5变频器端子图图2-4为安川VS-616G5变频器端子图，其中R、S、T为三相交流电源输入 口，1、2为正反转输入口，3为外部故障输入口，4为故障复位输入点，5、6、 7为速度切换档位输入点，8为点动输入点，Bl、B2为外部串电阻接口，U、V、 W为三相异步电机接线端，21、22、23为模拟信号输出端，18、19、20、9、10、 25、26、27为数字信号输出口。2.5辅助器件的选择本控制系统当中需耍一些必耍的辅助器件才能够完成控制功能的实现，必 要的辅助器件包括交流接触器以及热继电器。1、交流接触器交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路, 用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对 具有常开和常闭功能的接点。本系统当中釆用交流接触器控制电机正反转以及 抱闸装置的通断。在选择交流接触器时首先考虑该接触器所控电路的工作电流, 为了避免电流波动对交流接触器带来的损坏，在选取接触器时所选接触器的额 定电流一般为线路正常电流的2至3倍皿。各机构抱闸系统中，电磁制动器的 工作电压为20A,所选交流接触器型号为NSFC1-50,该接触器额定电流为50A。 运行机构中大车及小车所接变频器额定电流均为30A,所选接触器型号为 GTM1L-75,该接触器额定电流为75A。主起升机构变频器为48A,副起升机构变频 器额定电流为47A。起升机构中所选接触器为GTM1L-125交流接触器叭该接触 器的额定电流为125A。图2-5 GTM1L-125交流接触器2、热继电器本系统采用热继电器作为电机的过载保护装置。热继电器是由流入热元件 的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定程 度时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开， 实现电机的过载保护大车运行机构当中电机额定电流为30A,大车控制电 路中所选热继电器型号为LRD-53C,该热继电器整定电流范围为30至40A。小 车运行机构中电机额定电流为11. 6A,控制电路中所选热继电器型号为LRD-21C, 该热继电器整定范围为12-18A。主起升机构和副起升机构中电动机额定电流分 别为48A、47A,起升机构控制电路中所选热继电器为LRD-59C,该继电器整定 电流范围为48-65A。图2-5施耐德热继电器第3章控制系统的硬件设计3.1电气图本设计中需要控制五台电机作为动力装置以及四台变频器作为调速装置。通过控制交流接触器的通断控制电机正反转进而控制各机构运行方向。在制动 方面，本设计采用电磁制动器对各机构进行制动。为了避免过电流对系统的影 响，采用热继电器与电机串联接入电路。主耍电气图如图3-2所示，图中QS图3-1电气接线图为总开关，输入电压为380V, FU为熔断器，YA1、YA2、YA3、YA4为电磁制 动器。KM1、KM2、KM4、KM5、KM7、KM8、KM10、KM11 为交流接触器, 通过控制它们的通断来控制电机正反转，通过控制KM3、KM6、KM9、KM12 通断来实现各机构的抱闸制动。FR1、FR2、FR3、FR4、FR5为热继电器，当 流入电机中的电流过大时，热继电器便会断开以保护电路中器件不被烧毁。3.2 PLC的选型3.2.1主控器的选型采用PLC为主控制器的桥式起重机控制系统，其中起停按钮，三个档位的 控制信号，电机正反转的控制信号，各机构制动器的通断控制，限位保护控制 以及报警提示等，估计需耍I/O 口数7090个。本控制系统属于中小型控制系 统，选择一款结构紧凑、功能强、具有很高性价比的小机型PLC最为合适。因 此本设计选用西门子公司S7-226PLC12 =西门子S7-226PLC属于西门子S7-200系列。S7-200系列PLC功能强、速 度快、具有模块化、具有极高的可靠性、极丰富的指令集、实时特性、良好的 通信能力等。它的强大功能使其无论是在独立运行中，或相连成网络都能实现 复杂控制功能。西门子S7-226PLC有24个数字输入点和16个数字输出点，同 时还拥有7个I/O扩展模板，最大I/O个数可扩充至128/120o特殊端子间提供 DC24V/400mA传感器电源，这个电源可以作为输入端的检测电源使用，也可 用于对外围设备提供电源，例如故障指示灯等元件。内置RAM存储器的容量 为8K,典型值为2.6K条指令，内部继电器、定时器以及计数器个数都为256 个。图 3-2S7-200 系类 PLC413.2.2扩展模块的选型由J- PLC上I/O 口数量不能够满足本系统要求，所以必须外接扩展模块。 西门子S7-226PLC配有数字量输入输出模块(EM223),在一块模块上既有数字量 输入点，又有数字量输出点，这种模块使系统配置更加灵活。本设计中所选用 外接模块I/O 口均为16个，考虑I/O 口要保持一定的预留量，本系统选用两块 该外接模块切。 IL 0.00.1 0.2 0.3 2L 0.4U.50 60.d b 3L Q.OU ! 0.2 0.3 4L 0.4G 5 0.60 ?jEM 223模块 16DI/16DOM L+ 1M 0.0 0.10,2 0.3 0.4 0.5 0.60.?| 2M 0.0 0.10.2 0.3 0 40.5 0.60 7000000000000图3-3EM223模块接线端子图3.3系统I/O分配在大车控制系统中，输入量有滑行控制、左右限位控制、大车电机热继电 输入、变频器故障输入、正转、反转、低速、中速、高速、零位端，共14个输 入量。输岀量有大车电磁制动、正反转、低速、中速、高速运行信号以及大车 左右限位、变频器故障、电机故障指示灯等，共13个输出量。小车的控制系统中，输入量有左右限位控制、小车电机热继电输入、变频 器故障输入、小车电机正转、反转、低速、中速、高速运行信号以及小车零位 端，共12个输入量。输出量有小车电磁制动、小车电机正反转、低速、中速、 高速运行信号以及小车前后限位、变频器故障、电机故障指示灯等，共12个输 出量。主钩的控制系统中，输入量有限位、超载输入、主钩电机热继电输入、变 频器故障输入、主钩电机正转、反转、低速、中速、高速运行信号以及变频器 故障输入，共12个输入量。输出量有主钩电磁制动、主钩电机正转、反转、低 速、中速、高速运行输岀信号以及超载报警、限位指示灯、变频器故障指示灯, 共11个输岀量。副钩的控制系统当中，共有12个输入量，包括限位、超载输入，副钩电机热继电输入、副钩电机正反转、低速、中速、高速运行信号以及变频器故障输 入。输出量共11个，包括副钩电磁制动、副钩电机正转、反转、低速、中速、 高速运行输出信号以及超载报警、限位指示灯、变频器故障指示灯。表3-1 为具体的I/O分配表表3U PLC的I/O分配表名称电气符号输入地址名称电气符号输出地址大车零档QM1010. 1大车电磁制动KM300.0大车正转输入QM1110.2大车电机正转KM100. 1大车反转输入QM1210.3大车电机反转KM200.2大车低速挡输入QM1310.4大车低速运行00.3大车中速挡输入QM1410.5大车中速运行00.4大车高速挡输入QM1510.6大车高速运行00.5滑行控制SB110.7大车左限位指示灯LEO03. 1大车左限位SQ111.0大车右限位指示灯LE103.2大车右限位SQ211. 1MI电机故障指示灯LE203.6大车变频器故障A111.2M2电机故障指示灯LE303.7Ml热继输入A211.3大车变频故障指示灯LE404. 1M2热继输入A311.4大车左行指示灯LE1505.0大车正转指示输入QM16大车右行指示灯LE1605. 1小车零档QM2011.5小车电磁制动KM600.6小车正转输入QM2111.6小车电机正转KM400.7小车反转输入QM2211. 7小车电机反转KM501.0小车低速档输入QM2312.0小车低速运行01. 1小车中速档输入QM2412. 1小车中速运行01.2小车高速档输入QM2512.2小车高速运行01.3小车前行限位SQ312.3小车前行限位指示灯LE503.6小车后行限位SQ412.4小车后行限位指示灯LE603.7小车变频器故障A412.5小车变频故障指示灯LE704. 1小车电机热继输入A512.6小车电机故障指示灯LE804.0大车反转指示输入QM17小车前行指示灯LE1705.2主钩零档QM3012. 7主钩电磁制动KM901.4主钩正转输入QM3113.0主钩电机正转KM701. 5主钩反转输入QM3213. 1主钩电机反转KM801.6主钩低速档输入QM3313.2主钩低速起降02.0主钩中速挡输入QM3413. 3主钩中速起降02. 1主钩高速档输入QM3513.4主钩高速起降02.2主钩限位输入SQ513. 5主钩限位指示灯LE904.2主钩变频故障输入A613.6主钩变频故障指示灯LE1004. 3主钩电机热继输入A713. 7主钩电机故障指示灯LE1104.4小车正转指示输入QM26小车后退指示灯LE1805. 3副钩零档QM4014.0副钩电磁制动KM1202. 3副钩正转输入QM4114. 1副钩电机正转KM1002.4副钩反转输入QM4214.2副钩电机反转KM1102. 5副钩低速输入QM4314. 3副钩低速起降02. 6副钩中速输入QM4414.4副钩中速起降02. 7副钩高速输入QM4514. 5副钩咼速起降03.0副钩限位输入SQ714.6:副钩限位指示灯LE1204. 5副钩变频故障输入A814. 7副钩变频故障指示灯LE1304.6副钩电机热继输入A915.0副钩电机故障指示灯LE1404. 7钥匙开关QA110.0主钩上升指示灯LE1905.4小车反转输入QM27电铃报警BW101. 7主钩正转指示输入QM36主钩卜降指示灯LE2005. 5主钩反转指示输入QM37副钩上升指示灯LE2105.6副钩正转指示输入QM46副钩下降指示灯LE2205. 7副钩反转指示输入QM473.4控制系统的硬件接线图根据设计要求，桥式起重机通过可编程控制器为主控制器来实现工作的运 行。操作人员将起动、变相、调速、抱闸等各种操作指令F达至PLC输入端， PLC在接到指令Z后通过内部运算转化为各种输出量通过输出接口将输出信号 传输至各机构，进而控制各机构的起停、方向选择以及运行速度。与此同时， PLC输入端还能够采集各机构中的运行信号通过转化后在输出端通过各种指示 灯直观、清晰的展示出来，使操作人员能够实时的观测各机构的运行状态，以 便在岀现故障时及时作岀处理以保护人身、财产安全。整体的硬件接线图见附 录Ao第4章基于PLC桥式起重机机控制系统的软件设计4.1编程软件的介绍木设计所选PLC为SIEMENS公司的S7-200系列PLC H的S7-226PLC.S7-200 的编程语言是V4. 0 STEP 7 MicroWIN SP6,该软件为新一代软件，用于S7-200 系列PLC进行编程与调试，它以国际标准IEC1131-3为基础简历而成，可以用 LAD、FBD、和STL来编程。这是一种可以运行于通用微机中并且在WINDOWS环 境下进行编程的语言。通过计算机的串口和一根PC/MPI转接电缆可以将它和 PLC的MPI 口相连，即可让双方进行通信，目前V4. 0 STEP 7 MicroWIN SP6编 程软件已经升级到了 4.0版本。通过V4. 0 STEP 7 MicroWIN SP6编程软件，可以非常方便的使用梯形图和 语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电缆卜载到PLC的内存中运 行，与此同时，在调试运行进行中还可以在线监视程序中各个输入输出或状态 点的通断情况，甚至还町以进行在线修改程序中的变量，极大的促进了调试工 作的顺利进行15oV4. 0 STEP 7 MicroWIN SP6软件一个很重要的一个特点是调试功能很强大， 它能够同时完成在线读取数据以及在线修改过程数据，特别适合对大型控制程 序进行调试。V4. 0 STEP 7 MicroWIN SP6软件本身还附带一些控制程序模块， 比如PID调节模块，这些模块能够从主程序中直接调用，以便实现不同的功能。 V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件工具包釆用模块化的程序设计方案，它釆用文 件块的形式管理用户编写的程序集程序运行所需的数据。该工具软件包为 S7-200CPU与其他系统部件的使用提供了便利问。4.2系统流程图的设计4.2.1系统主流程图根据设计要求工作流程以及控制功能，在系统启动之后，电源指示灯亮起， 设备初始化数据。当抱闸充电Z后松开，此时操作人员便可以对各机构进行操 作。当操作人员在驾驶室经由上位机发出指令信号之后，指令传输至PLC之后经过处理发送至变频器，再传输至电动机控制电机的转动。在运行的过程当中, 操作员根据实际情况判断是否进行变频调速以控制运行机构和起升机构的运行 速度。运行过程中操作员根据起升机构的水平位置以及吊钩的垂直位置与指定 位置的偏移方向与偏移量确定是否到位，如若不到位则需要重新进行方向控制 各机构的运行以进行修正，当各机构运行至指定位置时抱上抱闸。如图4-1所 示为系统主流程图。PLC-一大车运行TJL主沟运行一副钩运行一拘上抱耐图4-1系统主流程图4. 2. 2运行机构流程图在大车和小车运行之前驾驶员首先确定运行方向，在运行Z后根据起升机 构与所吊物体的水平距离判断是否在运行过程中是否加速，如果水平距离较远 为了节省时间提高工作效率就需要切换档位进行变速，PLC在接到变速指令后 对电机进行变频调速以改变运行速度。预计起升机构将耍处于所吊物体上方时 抱闸停车，停车后观察所停位置是否满足耍求，如果所停位置偏移了预定位置 则需要重新选择运行方向再次停车直至停至预定位置。在运行过程中当运行至 限位处时PLC自动发出抱闸指令强行停车，流程图如图4-2所示。图4-2大车、小车运行流程图4. 2. 3起升机构流程图起升机构运行Z前操作员必须先根据起吊物体的重量选择吊钩，本设计中 桥式起重机主钩和副钩最大起吊量分别为20t及5t。为了节省时间、提高工作 效率，吊钩在上升或下降过程中也根据实际情况通过变频器进行速度调控，PLC 接到驾驶员变速指令后对吊钩进行变频调速。当运行至指定位置或者限位处时 抱闸制动停车。流程图如图4-3所示。图4-3吊钩运行流程图4.3梯形图设计本设计中程序梯形图的设计共分为四个模块：大车运行系统梯形图、小车 运行系统梯形图、主起升机构梯形图、副起升机构梯形图。在设计梯形图时， 要从各机构运行速度、抱闸制动、电机控制、报警控制等多方面进行考量，具 体的程序设计图见附录B。4.3.1大车电机的控制在大车电机的控制程序当中，只有当大车档位处在零档，且大车电机热继 开关、大车滑行控制开关、左右限位开关以及大车变频器故障开关这些常闭开 关处于闭合状态时电机才能够起动。各档位调速常开输入开关闭合后其相对应 的输出开关就会闭合，如下图所示当大车高速档常开开关闭合后其相对于的大 车高速输岀口就会闭合，大车就能够高速运行。图4-4为运行机构中大车电机图4-4人车电机控制梯形图4. 3. 2大车抱闸系统的控制抱闸控制是桥式起重机控制系统中尤为重要的一个环节，不仅在正常运行 的情况卜要实现起重机的停车，在遭遇故障时，桥式起重机也要能够及时抱闸 停车避免造成经济以及人员损伤。大车在滑行途中行至左右限位时左右限位常 闭开关打开，大车电磁制动器通电抱闸。无论大车以何种速度运行至何种位置 时，当变频器出现故障，变频器故障常闭开关闭合，大车电磁制动器通电制动。 图4-5为大车抱闸控制梯形图。11.111.2Q0.0右限位大车变频故障大车电磁制动10.711.0VL/I0大车滑行左限位-I I|/卜Q0.5大车高速档Q0.4大车中速档图4-5大车抱闸控制梯形图第5章总结与展望5总结在现在工业生产中，特别是冶金、化工等工业匸作环境的特殊性，对起重 机的要求也更为严苛。采用PLC控制的桥式起重机在运行可靠性、操控性、使 用寿命、能源损耗等方面都优r传统桥式起重机。本课题以涟源钢铁厂桥式起 重机为研究对象，通过不断的改进，所设计的硬件电路和软件基本上达到了课 题的要求。本论文主要工作包括以下几个方面：(1 )在硬件设计方面,采用西门子S7-226PLC为核心控制器、安丿11 VS-616G5 变频器为变频调速装置，分别对大车、小车、起升机构进行起停以及速度控制。 系统中还设计了完善的运行指示模块，能够清晰直观的监测起重机各部位运行 情况。根据系统性能以及经济成本双重考究，完成了主耍硬件的选型与主要机 械设备的选型，并设计了完整的电气图。(2) 在软件设计方面，利用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件为开发环境， 根据I/O 口的设定以及硬件模块的组合搭建完成了程序的设计。针对系统中电 机控制程序以及大车抱闸控制程序作出了详细介绍。5.2展望在基于PLC的桥式起重机控制系统的设计当中，由于自己所学知识的有限 以及时间有限等客观原因，有些方面在实际的生产中还不够完善。尽管通过反 复的改进桥式起重机基本上达到了耍求，但是在很多方面还有许多可以改善的 地方，进一步研究工作还可以从以F方面进彳亍着手：(1) 在控制系统当中使用了较多的电子电气元件、电路也比较负杂，这样 就容易造成线路之间的相互干扰，系统的控制精度就会收到一定程度的影响。 由于时间关系，本设计在故障诊断方面没有涉及。(2) 本设计主要是对于单个桥式起重机的设计，没有考虑到基于现场总线 技术实现桥式起重机控制系统的网络化以及智能化的设计思想，以形成从驾驶 室到电气房、监控室的智能化和网络化。致谢在赵志刚老师的悉心指导下完成了本设计，从去年的涟钢毕业实习到论文 的修改、定稿均得到了赵老师的悉心指导，在此向赵老师表示衷心的感谢。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，对我以后的作和生活 也会有深远的影响。其次，我耍感感谢我的同学们，在我思维枯竭的时候给我智慧的灵感，在 我心情低潮时给我奋斗的动力。一个人的能力是及其有限的，每个人的学习过 程都是一个不断自我完善的过程，是你们的支持与鼓励让我克服了一个又一个 的难题、跨过了一个又一个的的低潮。最后，向所有在我求学路上帮助过我的老师、同学、家人及朋友表示最真 挚的谢意，我成长路上的每一个脚印都离不开你们的支持和鼓励！参考文献1 张艳.桥式起奠机常见故障与处理措施J.科技与企业，2012.2 张国强，李健，夏锐，冯学香.桥式起重机行走现象分析及改进J.煤矿现代化2007.3 张军.从结构可靠性失效准则和剩余寿命评估准则探讨桥式起重机J.湖南农机2011.4 赵从容.国内外桥式起重机的发展趋势及我厂该产品发展的想法J.起重运输机械,2010 年09期5 大连起重机器厂情报组.国内外通用桥式起重机发展概况J.起重运输机械,1972年02期6 陈镜波.PLC技术在电气自动化中的应用J.机电信息20137 胡广乐，康宁.桥式起重机PLC控制改造设计J.科技广播2013.28 黄铁利.起重机起升机构制动器的要求与应用J.广东科技2012.129 周志勇.大型起重机控制中如何应用变频器和PLCJ.湖南农机2012.410 黄奇志.超大型桥式起重机安装技术研究J.现代制造技术与装备2012.911 李胜永.基于PLC和变频器的港口桥式起重机控制系统研究J.机电