机电一体化电子信息毕业论文变频器PLC在新型动臂吊车控制中的应用

1、编 号： 山西综合职业技术学院 毕 业 论 文题目：变频器、PLC在新型动臂吊车控制中的应用教 学 系 机电信息系 专业班级 学生姓名 指导教师姓名 山西综合职业技术学院二九年五月十五日山西综合职业技术学院毕业论文（设计）任务书教学系机电系专业机电一体化班级毕业论文（设计）目的毕业论文是一种总结性的实践教学形式。通过毕业论文的完成与答辩，按照各专业培养目标规定的业务要求，对学生的基本能力进行较系统、严格的训练，全面提高学生的素质。毕业论文（设计）的内容与要求毕业论文应结合生产实际、专业技术的发展或学生的就业岗位来完成。要选择适宜的论文题目，通过查阅有关资料和到厂家现场收集资料，任职地进行调查、

2、分析研究，酝酿并制定试验（设计）方案。实验要严谨，设计要精心。在论文（设计）完成过程中不盲目照搬、互相抄袭。完成全部或部分实验内容（或社会调查），并能达到预期的目标，独立完成毕业论文课题（论文实验、社会调查、论文写作等）。毕业生自主选题，既要结合本单位或本人从事的工作，又要有明确的实际背景和应用。毕业（设计）论文的内容可以是自己的工作项目，可以是某个科研项目，也可以是自选的设计内容，还可以使某个研究领域方向或研究成果的总结。毕业（设计）论文的选题应选择有价值的课题并注意是否有利于展开。自主选题时，毕业学生要注意如下几个问题：1 选题方向与专业对口。 选题要考虑主客观条件，对自己有正确的客观估计

3、，选出最适合自己的课题来。 选题时间宜适中，以便有充分的时间积累材料。 课题难易要适度。 课题大小要得当。论文内容一般包括：封面，摘要，关键词，目录，符号说明，论文正文，参考文献，附录，致谢，毕业论文独创性说明等。毕业论文（设计）具体安排 格式要求，文字格式一律参照毕业论文（设计）的撰写规范的要求。 毕业论文（设计）篇幅的要求；不少于5000字。开始日期 年 月 日 完成日期 年 月 日指导老师 （签名）系主任 （签名） 年 月 日摘    要 本文介绍应用欧姆龙PLC、变频器、触摸屏对新型动臂吊车控制系统进行设计，以及配件的组成、控制方式、参数设置。并对调试运行

4、过程中出现的问题进行总结、分析、解决。分析了桥式吊车的控制要求，针对传统桥式吊车故障的原因，介绍了利用变频器结合PLC对其进行改造的可行性及实现方法。 实践证明应用欧姆龙PLC、变频器、触摸屏很好的解决了新型动臂吊车的矢量控制，运行效果良好，取得了一定的社会效应和经济效益。关键词：欧姆龙  变频器  PLC  触摸屏  控制     动臂吊车引 言    吊车广泛应用于国民生产的各个行业，对于新型吊车的研发、制造、控制理论研究也进入了一个新的高度、阶段。此新型吊车从设计原理上进行观念性

5、地改进.由原先建筑设备静臂吊车的绞缆提升改为动臂的俯仰、提升同时动作，完成重载提升的功能,这项改进将明显降低设备的制造和运行成本，与传统吊车设备相比预计将达到近50%的节能效果。    新型吊车的特点是节能、控制简便、灵活调速、精准定位、安全可靠性高等。为了实现上诉功能，尤其适应国家提出的可持续发展，节能降耗。而且新型吊车采用了触摸屏协助操作并显示、PLC控制、变频器执行的控制方法。笔者有幸参与大连佳云高层建筑机械有限公司研制国内首创的动臂吊车的开发过程，并负责电气设计、安装及调试工作。在这个项目中采用欧姆龙触摸屏、PLC、变频器。现将控制方式、过程介绍一下，力求

6、能够抛砖引玉。1动臂吊车调速基本原理根据电机学理论，交流电动机的转速公式为：n=60f (1-s)/p 上式中： f为定子的电源频率，p为极对数，s为转差率，n为转速。因此，交流电机可有以下几种调速方法：(1)改变电机极对数p，可以改变电机转速。这是交流双速梯采用的调速方法。(2)通过调整定子绕组电压大小来改变转差率s, 以达到调速目的。这是交流调速梯采用的   调速方法。(3)改变定子电源频率f也可达到调速目的，但f最大不能超过电机额定频率。(4)吊车作为恒转矩负载调速时为保持最大转矩不变，根据转矩公式M=CmIcos式中Cm为电机常数，I为转子电流，为电机气隙磁通，co

7、s为转子功率因数。必须保持恒定，又根据电压公式U=4.44fWk，式中U为定子电压，f为定子电压频率，W为定子绕组匝数，k为电机常数，必须保持U/f为常数，即变频器必须兼备变压变频两种功能简称为VVVF(Vary Voltage Vary Frequency)型变频器, 这就是动臂吊车的基本控制原理。2系统组成2.1 PLC   可编程控制器PLC完成系统逻辑控制部分，负责处理各种信号的逻辑关系，从变频器及其它被控设备接收开关及模拟量信号，通过运算控制信号送给变频器及其它被控设备，形成双向联络关系，它是系统的核心。本系统采用欧姆龙CJ系列PLC进行控制。2.2&#

8、160;触摸屏    本案中触摸屏是作为显示和控制的终端设备，显示各被控设备的工作状态。选用欧姆龙的NS系列触摸屏。2.3  变频器    变频器实现电动机调速。欧姆龙3G3RV-B4450-ZV1通用变频器可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出。并将无PG的U/f控制、无PG矢量控制、有PG的U/f控制、有PG矢量控制的四种控制方式融为一体，其中有PG矢量控制是最适合吊车控制要求的。容量选择最好是采用大一数量级选配，本例中吊车电动机采用37kW的异步电动机，即37kW的电动机选45kW的变频器, 图1示出电气原理图

9、。      2.4    行运算调节旋转编码器和PG卡      旋转编码器和PG卡，实现闭环运行。为满足吊车的要求，变频器又要通过与电动机同轴连接的旋转编码器和PG卡，完成速度检测及反馈，形成闭环系统。旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B两相脉冲，旋转编码器根据AB脉冲的相序，可判断电动机转动方向，并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此 反馈信号送给变频器内部，以便进。

10、60;          3 改造后系统的基本情况3.1系统的组成     在现代工业控制中，PLC由于具有可靠性高，抗干扰能力强，适应性强，应用灵活，编程方便，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而得到了广泛的应用，由于本系统主要是一些逻辑控制，所以以PLC作为控制核心，整个系统的输入26点，输出点27点，可选用三菱FX2N-64MR，该型号是PX系列中功能最强速度最快的PLC，它有32个输入点，32个输出点，内置用户存储器为8

11、K步。    对于桥式吊车抓斗的开合、提升、大车、小车电机分别用四台FRNIC5000G7型变频器拖动；对抓斗的开合电机、提升电机由原来45KW的绕线式电机改为30KW鼠笼型电机，大车小车的配用电机不变，但将转达子绕组引出线短路，去掉碳刷和滑环；为使工作安全和可靠，防止因停电、变频器跳闸或制动单元失灵而导致起吊物下砸出现危险，原有机械抱闸制动装置仍保留。 3.2调速系统的工作情况      桥吊中电机所带负载都为恒转矩负载，抓斗开合、大车、小车电机都运行在1、3象限，均为电动状态，抓斗提升电机可运行在1、3、4象限

12、，采用变频调速，机械特变硬，当负载转矩变化时，电机转速基本不变。     桥式吊车的速度调节可利用变频器的多级频率选择功能，将FWD、CM接通则正转，REV、CM接通则反转，将X1、CM，X2、CM，X3、CM三对端子分别接通，或其中两对或三对同时接通，可得7种频率，从而可方便地得到桥吊所要求的正反两个方向各6种速度。     应现场工作人员的要求，为照顾操作习惯，桥吊的转速控制仍采用原来的主令控制器和凸轮控制器。利用主令控制器的五对触头，来得到变频器输出的6种转速。电机加减速的时间可以通过变频器的设定来进行改3.

13、3PLC控制接线及程序设计     整个系统有五台电动机、四台变频器，PLC的输入输出点数较多，各变频器与PLC的连接情况类似，为说明问题，在此仅以抓斗提升变频器与PLC的连接为例，说明其工作情况。系统中PLC的部分I/O分配。     由于系统中五台电机（其中M3、M4是并联运行，两者控制情况完全一样）的运行情况主要由输入直接控制，所以系统的梯形图程序的设计可以根据各输入和电机的运行关系采用经验法设计，利用起保停电路直接由输入信号得到各电机和制动电磁铁的得电和失电情况，4 系统设计4.1 PLC绕线电机改造方案

14、此 种方案只需对原交流控制器进行编程即可，为了节省I/O点，改为有主令控制器控制电机的正反转、前后行走和钩子的升降。电机的提速与减速有两个按钮开关进 行控制。本系统有20路输入、30点输出共50点，采用西门子S7-200(CPU为224)PLC，其扩展2块数字量模块EM222、1个EM223模 块。 (2) 公用程序 设置公用程序可以充分利用PLC的I/O点，减少外部接线，其程序主要是实现电机的正反转、与提减速，其间用辅助继电器输出为后面的程序调用作准备。 该程序主要用比较的指令来实现电机的提减速，在按I0.1或I0.2时，使存储器VB100中存储的数字在15间顺序变化，控制串入转子电阻的数量

15、来实现调速，其部分程序如下。 LD I0.4 EU LD M11.0 ED OLD LD M11.1 ED OLD LD Q0.0 ED LDB= VB100, 0 = M10.0 LDB>= VB100, 5 = M10.2 LDN M10.2 A I0.5 EU LD M11.0 O M11.1 LDN M10.0 A I0.6 EU LD M11.0 O M11.1 LDB= VB100, 1 = M10.3 LDB= VB100, 2 = M10.4 LDB= VB100, 3 = M10.5 LDB= VB100, 4 = M10.6 LDB= VB100, 5 = M10.7

16、 LDB= VB100, 0 = Q0.1 (3) 电机控制程序 电机控制程序只需将公用程序中的辅助继电器与电机相应的输出对应起来即可。由于程序比较简单，这里不再详述。 4.2 PLC变频器改造方案 桥式起重机有大车2台、小车电机1台、主钩电机1台、副钩电机1台，共五台电机，由于大车2台电机是同步，因此在改造过程中共用一对号变频器进行控制，这样共需要4台变频器。结构图2所示。 图2 方案结构图 (1) 输入、输出点的确定及设备选型 本系统共有输入点:14点，输出点:24点，共38点。 (2) 控制程序设计 在 设计程序时，可以继续采用方案一中的设计方法，将主令控制器的程序作为公用程序，节省部分

17、输入点。在设计公用程序时根据不同型号的变频器速度输入的编号对 进行编程。PLC输出除电源外，其它均采用小型继电器，程序通过控制小型继电器动作来实现电动机的正反转、升降、前后行走及速度调节。由于程序设计与方案 一大致相同，其速度输出程序如下。 LDN I0.1 /停止按钮 A Q0.0 /电源启动 LPS LDB= VB100, 1 /一档 OB= VB100, 2 /2档 OB= VB100, 3 /3档 OB= VB100, 4 /4档 OB= VB100, 5 /5档 ALD LPS A I0.3 = Q0.1 /正转 LPP A I0.4 = Q0.2 /反转 LRD LDB= VB10

18、0, 1 O M10.0 O M10.1 ALD = Q0.3 /变频速度输出选择1 LRD LDB= VB100, 2 O M10.0 ALD= Q0.4 /变频速度输出选择2 LRD LDB= VB100, 4 O M10.1 OB= VB100, 3 ALD = Q0.5 /变频速度输出选择3 = M10.0 LPP AB= VB100, 5 = M10.15原系统分析： 桥式起重机(天车)是一种用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运设备，在生产过程中有着重要应用。5吨桥式起重机，原设备电气驱动系统分为起重机升降、小车、大车三部份。其中起重机升降由一台13kW

19、的绕线式异步电动机驱动，大车由两台4kW绕线式异步电动机、小车由一台2.5kW绕线式异步电动机驱动。在原传动控制中，采用转子串接电阻的调速方式.由于工作环境差,粉尘和有害气体对电机的集电环、电刷和接触器腐蚀性大，加上工作任务重,实际过载率高,由于冲击电流偏大,容易造成电动机触头烧损、电刷冒火、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等故障,影响现场生产和安全,工人维修量和产生的维修费用也很高.并且原调速方式机械特性较差,调速不够平滑，所串电阻长期发热浪费能量。综上所述原设备存在的主要缺点如下： （1）拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大，电能浪费严重。 （2）起重机升降、小车、大车起动、停止速度过快

20、，而且都是惯性负载，机械冲击也较大，机械设备使用寿命缩短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性较低。 （3）由于电动机一直在额定转矩下工作，而每次升降的负载是变化的，因此容易造成比较大的电能浪费。 （4）起重机每天需进行大量的装卸操作，由于绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件-交流接触器来接入和断开电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。同样小车、大车的运转也存在上述问题。 （5）在起重机起升的瞬间，升降电动机有时会受力不均匀，易

21、过载，直接造成电机损坏或者钢丝绳断裂。 （6）为适应起重机的工况，起重机的操作人员经常性的反复操作，起重机的电器元件和电动机始终处于大电流工作状态，降低了电器元件和电动机的使用寿命。 （7）起重机工作的协调性主要靠操作人员的熟练程度。由于升降、大车、小车三个凸轮控制器之间没有固定的联系，在起重机工作时操作人员劳动强度比较大，容易疲劳，易产生误操作。 针对上述现有技术存在的不足，本次改造的起重机采用先进的可编程控制技术（PLC）和变频器技术，以程序控制取代继电器-接触器控制，交流电动机调速方式采用变频调速，进而实现了起重机的半自动化控制。 6改造方案： 6.1电动机选型 A.大车与小车用电动机可

22、选用普通的笼型转子异步电 动机； B.升降用电动机由于要求比较高，应选用变频专用的笼 型转子异步电动机。 原设备系统采用的是绕线式异步电动机，出于经济方面的考虑，通过短接转子回路也能进行使用。 6.2调速方法 采用目前国际先进技术具有矢量控制功能的变频调速系统。变频后转速可以分档控制，一般采用6段速度运行，从低到高自由切换。 6.3制动方式 采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。 A.首先，通过变频器调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车和起重机的速度迅速而准确地降到0(使它们停止)； B.对于起重机，常常会有重物在半空中停留一段时间（如重物在半空中平移），而变频调速系统

23、虽然能使重物静止，但因设备容易受到外界因素的干扰，（如在平移过程中常易出现的瞬间断电）因此，利用电磁制动器进行机械制动仍然是必须的。 6.4变频器的零速全转矩功能和直流制动励磁功能 艾默生高性能矢量TD3000系列变频器，具备了有效的防止溜钩的一些独特的制动功能，如： A.零速全转矩功能变频器可以在速度为0的状态下，保持电动 机有足够大的转矩。这一功能保证了起重机有升降状态降为0时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩的放生。 B.起动前的直流强励磁功能变频器可以在起动之前自动进行直流强励磁。使电动机有足够大的转矩（有速度传感器的矢量控制：200%rpm；无速

24、度传感器的矢量控制：150%/0.5Hz）,维持重物在空中的停住状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会溜钩。 7桥式起重机采用变频调速的优点和系统介绍 7.1变频调速控制系统的优点 1.变频器调速控制系统的保护功能强 A.变频调速以其体积小、通用性强、动态响应快、工作频率高、保护性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而优于以往的任何调速方式； B.使用变频器控制电机的运行控制，可以进行电机的软启动，而让电机具有很快的动态响应并且实现无级调速；另外对电机的一些参数做到补偿；对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到很及时很准确的检测而自动采取应变措施保护电机； 7.2.工作可靠性显著提高，主要有

25、以下几个方面： A.电磁铁的寿命可大大延长原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的，采用变频调速后，可以在基本停住的状态下进行抱闸，闸皮的磨损情况大为改善； B.操作手柄不易损坏原系统的操作手柄因常常受力过大，属于易损件。采用变频调速后，操作手柄的受力将大大的减小，不容易损坏； C.控制系统的故障率大为下降原系统是由于十分复杂的接触器、继电器系统进行控制的，故障率较高。采用了变频调速控制系统后，控制系统可大大简化，可靠性大为提高。 3.节能效果十分可观绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内消耗大量的电能。采用变频调速系统后，非但外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，并且在起重机放下重

26、物时，还可将重物释放的位能反馈给电源。 7.3可编程序控制器（PLC）选择： 此方案,选用美国紧凑型EC20系列可编程序控制器。EC20系列可编程序控制器是艾默生(EMERSON)公司致力于工业自动化领域全新推出的新一代可编程序控制器，它代表了工业自动化控制的最高水平，是最新计算机技术与工业控制技术的完美结合。具特点主要如下： ·体积小，结构紧凑； ·采用功能强大的最新MCU和CPLD工业控制专用芯片； ·丰富的硬件资源，高执行速度； ·强大的组网功能：支持MODBUS协议和自由端口协议； ·功能强大的用户指令集，包括PID等复杂指令； ·独特的抗干扰设计，重要数据的掉电保护功能； ·板件严格的三防处理，宽电压设计，适应恶劣现场环境。 PLC按控制程序、输入控制信号来完成起重机各种工况的协调，并决定起重机的各种工作状态。系统软件设计采用PLC梯形图语言来编程完成，用PLC控制工作可靠，扫描速度快，控制非常灵活。 7.4变频器选择： 此方案，变频器选用安川品牌变频器。 采用变频器驱动异步电动机调速，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器，通常令变频器的额定电流（1.051.10）电动机的额定电流或电动机实际运