plc在门机电气控制系统中的应用

1、专科毕业设计（论文）设计题目： PLC在门座式起重机中的应用 系 部： 专 业： 港口电气技术 班 级： 姓 名： 学 号 : 指导教师： 职 称 : 2013年3月 南京摘 要门座式起重机是现代港口装卸作业的重要机械，保证门座式起重机的高效运作对港口企业来说是至关重要的。起重事故的产生，其中一部分原因是由电气系统故障造成的，电气控制系统是设备的核心，全面的了解电气控制系统的组成、工作原理、日常维护对于设备的良好运行和保证生产需要都是有积极意义的。本文主要分析门座式起重机的电气控制系统原理并以变幅机构为例在设备原有的结构基础上进行PLC控制，来提高机械运行的安全性及稳定性，使得装卸作业的高效特

2、性得以保证。关键词：门座式起重机 电气控制系统 PLC控制 变幅机构 AbstractPortal crane is one of the important production machineries in port yard, keeping the portal crane efficiency is vital to the port facility .one part was caused by the fault of the electrical system, the electrical control system is core . Comprehensive und

3、erstanding of the electric system composition,working principle, routine maintenance for equipment has positive significance in keeping the equipment in good running and ensuring the production needs. This paper analyzes the principle of the jib lubbing mechanism , further improve equipment automati

4、on steadily and security,ensure the portal crane more efficiency.Keywords: portal crane electrical control system PLC control jib lubbing mechanism目 录1 引言12 门座式起重机的控制要求及设计思路2 2.1 起升机构3 2.2 变幅机构4 2.3 回转机构4 2.4 行走机构43 PLC与变频调速控制系统简介4 3.1 PLC电气控制的优势4 3.2 PLC控制器与变频器调速基本原理64 PLC在门座式起重机中的应用（以变幅机构为例）7 4.1

5、变幅机构的基本工作原理7 4.2 变幅机构的PLC设计9结 论13致 谢14参 考 文 献151 引言 本人在南京港集团从事电气维修方面的工作，在这两个多月的实习期间里，我收获颇丰，不论是日常的维护巡视还是专业的电气维修，我都参与其中，因而也使我从一个只有理论没有实践的学生成长为以专业技能说话，靠实际操作吃饭的港口电气维修工，与此同时自己也深刻的体会到了每一位电气维修师傅的艰辛。本文主要从与电气维修工人打交道最多的门座式起重机谈起，以国产M10-30型门机为例分别介绍它的四大机构以及PLC的控制原理，变幅机构是本文解析的重点。 M10-30型门座式起重机可作360°旋转作业，起升、旋

6、转、变幅3个机构可单独或联合动作。行走机构供门机移仓口、泊位之用。行走台车上的4个夹轨器夹在钢轨上，台风来袭时可保证门机的安全。变幅机构采用齿条传动系统，结构简单，维修方便。该起重机的起重量是10T,最大幅度是30M，起升高度在夹轨面以上用吊钧作业时是25M，用抓斗作业时是16M,在轨道面以下的下降最大距离都是15M.。门机总高度为45M左右，轨距为10.5M。该门机的起升速度是60M/MIN，变幅速度平均52M/MIN,行走速度为26M/MIN，旋转速度为1.48°/MIN。该门机各机构的拖动电机共9台，制动用电机（配电动液压推动制动器）共8台，起升机构设有完善的速度控制装置，整个

7、电气系统是一个较完善的电力拖动控制和安全装置。 图1 门机主体结构注： 1.行走机构2.电缆卷筒3.梯子平台系统4.圆筒门架5.转台总成6.变幅机构7.机器房 8.超负荷装置9.立柱平衡系统10.集中润滑系统11.臂架系统12.起升机构13.回转机构14. 电气系统15. 中心受电器装配16.司机室17. 吊钩总成18. 防风拉索19. 高压电气房20.锚定装置21.防转装置2 门座式起重机的控制要求及设计思路 交流传动为M10-30门座式起重机的首选方案。因为当今的变频技术已发展到普及阶段，而且技术性能也具有直流传动的可比性，系统力能指标效率和功率又远高于直流系统，电网公害低，在我们南京港主

8、要有以下电动调速方案：1. 交流绕线式异步电机转子串电阻调速。方式虽然陈旧，但因其具有简单、直观、成本低的优势，只要改变电阻阻值就可以实现不同场合的速度要求，在对调速要求不高的装卸式门机中广泛应用。采用PLC取代继电器逻辑控制，减少了线路工程，提高了自动的水平。随着电器材料和生产制造工艺的提高，开关的可靠性与寿命也大为提高，为系统提供了安全作业保证。2. 交流异步电机变频调速。此方法为交流电机最完善的调速方式，调速具有连续控制、平滑精度高的特点。也有恒转矩和恒功率控制性能，对负载突变有极好的响应。系统基波功率因数接近于1.0，对前级电源的容量配置要求低，且谐波等电公害小，力能指标远优于其他方式

9、。在我港对要求平滑启动的行走机构上应用的较多。其缺点是制造工艺相对复杂、先期投入略高。多用于小功率异步电机的控制，但变频调速的平滑调速和其较高的稳定性是港口电机调速的方向。3. 涡流制动器调速。交流绕线式异步电机转子串电阻与同轴安装的涡流制动器组成的调速系统，由于涡流制动器直流励磁，因此无论电动机转向如何，永为制动作用，系统机械特性为二者合成。相当于双电机驱动。值得注意的是，该系统属于短时工作制，适用于低速、微速的场合。2.1 起升机构 起升的主电路由一台起升变频器、起升电动机、制动单元制动电阻和一些开关器件组成。三相电源经过自动空开后接入变频器的电源输入端，变频器出线端接三相异步电动机以实现

10、变频调速。其中所使用的两台电机分别驱动两只卷扬机。用吊钩时，两台卷扬机的钢丝绳通过钩头滑轮使两电动机的负载达到平衡。用抓斗时，两台卷扬机的钢丝绳一根作支持绳，另一根作闭合绳。 PLC控制原理：手柄在零位，相序正常，起升无故障，风速仪风速（风速达到18m/s时间断音响报警；风速达到20m/s时长音报警，并输出继电器触点断电信号）在正常范围内，超负荷（95%额定起重量时有灯光显示和声音报警，110%额定起重量时，输出继电器触点延时断电信号）正常，不作行走运行，起升无故障时，机构允许升降。若超负荷超出正常的范围，则只允许下降不允许上升。若在正常上升范围内，不超负荷，上升操作允许；在正常下降范围内，下

11、降操作允许。另外，起升机构还装有起安全保护作用的多功能限位，限位能够实现正常升降位置前的减速、自动停止和极限位置时的紧急停止。起升机构的电机上还装有超速保护开关，以保证起升机构的正常工作。2.2 变幅机构 M10-30型门机的变幅机构是典型的齿条传动系统，是由电动机带动减速器和单齿条传动机构来实现的。为避免制动时的冲击采用了二级制动的方法，同时该系统还设置了负荷限制用于改善性能。 PLC控制原理：主令控制器置零位，相序正常，风速正常，变幅无故障，不作行走运行。增幅档时，不超负荷 ，限位正常，增幅操作允许，增幅指令依次输入到PLC，由PLC程序控制电机的运行，不论增幅（或减幅）、变幅制动器都打开

12、，当手柄回零时，制动器延时抱闸，变幅机构到达最大（最小）幅度前会自动减速并最终停止。变幅机构的限位能够实现最大最小幅度前的自动减速，自动停止。另外还在臂架的下铰点处装有最大最小幅度的紧急停止限位开关。变幅电机上还装有超速保护开关以保证变幅机构的正常工作。2.3回转机构 M10-30型门机的旋转机构由两台电动机同时拖动，为保证两台电动机的同时运行，采用了同一接触器实现正反转控制。旋转机构没有使用电气制动，而采用的是脚踏液压开式制动器，制动器的力矩由司机脚踏力量的大小来控制。PLC控制原理：回转主令置零位，风速仪正常，相序正常，回转无故障，回转手刹打开，不作行走运行，零位合上且自锁，主令置左旋档，

13、回转脚踏处于正常位置，左旋允许。主令置右旋档，回转脚踏处于正常位置，右旋允许。2.4 行走机构 M10-30型门机的行走机构是由四台门腿上的电机所驱动的，四台行走电机的转子中分别接有三相不对称电阻，其中的控制用的接触器称为加速接触器。具有过载、过流、短路、机械连锁、以及限位保护的功能。PLC控制原理：行走主令置零位，行走无故障，各工作机构停止运行，电缆在正常行程范围内，风速仪正常，相序正常，锚定及防爬提起，行走零位置1且自锁，不论左行、右行，联动台手柄操作后，制动器自动打开，停止运行时，制动器延时抱闸，电缆卷筒电机在行走运行停止后方可断电。只要有行走运行信号，在行走前，声光报警器就开始报警；停

14、止运行后，声光报警器延时断电。3. PLC与变频调速控制系统简介3.1 PLC电气控制的优势 采用PLC控制的最大优点即是成本。变频调速的采用则是调速的性能变得很优越，但是变频调速的故障率与其他调速方式相比大大降低。还可以延长设备特别是电动机的使用寿命。这些都是变频调速的优点也是采用它的原因，将变频调速与PLC控制相结合就可以发挥两大系统的各自优势。 增设PLC可以很大程度上减少继电器接触器的使用量，这样一来最大的好处就是直接降低了故障率。因为在继电器接触器控制的门座式起重机等起重设备中所出现的故障大约有60%是继电器接触器的故障。继电器接触器的触点、铁心、线圈由于震动、油污、灰尘、大电流等造

15、成结构损坏、触点烧蚀粘连、线圈烧毁等故障。这些问题的直接结果就是使设备停用影响生产，造成一定的经济损失，特别是码头泊位、船台等一线作业场所使用的起重设备一旦停止运行损失将会很严重的。其次，继电器接触器控制接线量大，线路复杂，在后期的使用维护维修是比较麻烦。PLC电气控制系统技术之所以高速发展，除了工业自动化客观的需求以外，主要还是因为它具有许多独特的优点，可以较好的解决了工业领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。它主要有以下特点： 1.可靠性高、良好的抗干扰能力、系统稳定性高。PLC的平均无故障时间可以达到几十万个小时，这是普通继电器接触器控制系统所无法比拟的，因此整个系统的稳定性

16、就提高了。 2.编程简单、使用方便，很容易被广大一线工程技术人员所接受。此外，当生产流程或系统的控制要求发生改变时，可以通过直接改变程序来实现，既不需要大量地更改硬接线也不需要附加设备，使用起来方便灵活。 3.功能完善、通用性强，设计安装简单、维护方便。由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，并且将传统电气元件之间的连接用用户程序表示，使控制柜的设计、安装、接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可以事先进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期，在维护方面，由于PLC的故障率很低，维修的工作量很小。即使出现损坏也只是直接更换掉相应的部件或模块即可。此外，PLC具有很强的自诊断能力，如果出

17、现故障，可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息迅速查明原因，维修极为方便。 4.体积小、重量轻、能耗低、长远使用成本低。由于PLC采用了集成电路、其结构紧凑体积小，因而是实现机电一体化和节能节约的理想控制设备。随着PLC制造技术不断地提升，大批量生产，已经使PLC的成本逐步降低，一套设备的初期投资也随着降低，若从长远角度考虑，因为PLC具有的一些列优异性能必将使设备的长期使用费用大大降低。在能耗上，PLC消耗的电能比继电器接触器控制的电气系统要低很多，工业中大规模的应用PLC在能源日益短缺的今天具有积极地意义。3.2 PLC控制器与变频器调速原理 PLC控制器以扫描方式依次读入各类按钮、开

18、关类电器主令控制器的输入状态和数据，并将它们存入I0(输入输出)映象区中的相应单元内。在用户程序执行阶段，PLC控制器总是按顺序由上而下的依次扫描，预编好的各种软继电器及其触点组成逻辑程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路图进行逻辑运算，然后根据逻辑运算结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM 储存区中对应的状态，或者刷新该输出线圈在I0 映象区中对应位的状态；确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。当扫描用户程序结束后，PLC控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I0映象区内对应的状态和数据

19、刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的被控负载，如各种电磁阀线圈、接触器、信号指示灯或变频器等执行电器，这时才是PLC控制器的真正输出。 变频器简单地说就是将电源的三相(或单相)交流电，经整流桥整流为直流电(交一直变换)，再把直流电经逆变器变为电压和频率可调的三相(或单相)交流电源(直一交变换)。其间电能不发生任何变化，而只有频率发生改变。 转子的转速计算公式如下： n - 转子的转速； f -定子频率； s - 异步电动机转差率； p - 磁极对数。 由式可知，异步电动机调速的途经有改变磁极对数、改变转差率和调整输入频率。改变电机的磁极对数实际上就是改变定子旋转磁场的转速，加上电机的

20、磁极对数是相对固定的，所以只有通过改变定子绕组的接法来实现。但是这种方法的缺点是显而易见的，主要是：最多只有4挡调速，不能得到最佳的运行效果，负载能力下降，工作效率下降，调速时必须改变绕组的接法，故控制电路比较复杂。改变转差率是通过在转子电路中串联电阻来实现的，这种方法只能用于绕线式电机，其缺点是因为要串联的电阻在电机外部，在电机的结构上就必须加入电刷和滑环，增加了故障率，同时调速电阻上将白白地消耗掉许多电能，调速后的机械特性比较“软”，不理想。 而改变电动机定子侧供电电源的输入频率，即可改变电机的同步转速和电机转子额定转速。但频率下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降

21、，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制，该协调控制的装置就称为变频器。在起重机上调速，电机产生的最大转矩不能变，这就需要维持磁通不变。现在使用的精确交流控制系统多为矢量控制，其基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转距和磁场2个分量，经过坐标变换实现正交和解耦控制。直接转矩与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是采用瞬态转矩的控制方式，把转矩直接作为被控制量来控制，其性能类似于他励直流电机特性。门机的运行过程首先是全车通电，PLC控制器和变频器得电后，进行初始化自检和诊断。开机时PLC控制器

22、先将接收到的驾驶室操纵杆信号，转换为调速系统可直接处理的数字信号，然后通过Profibus现场总线网络传送到相应的变频器上，在完成PLC控制器对变频器控制的同时，还将变频器的运行状态，通过通讯网络Profibus现场总线，反馈到PLC控制器上，实现对整机状态的实时控制。变频器将所得到的信号再处理后输送到下端变频电机，使电机平稳的起降、旋转作业，最终将货物装卸完毕。4 PLC在门座式起重机中的应用（以变幅机构为例） 由于四大机构的主要动作均是由电机的正反转所控制，各机构的电气控制原理是相通的，所以本文主要以门机的变幅机构为例描述其PLC变频器控制系统。4.1 变幅机构的基本工作原理 图2 主电路

23、注：主开关3QS; 熔断保护3FU;热保护3FR;过电流3KI1,3KI2;电机正反转3KMR,3KMF;制动KA33，KA34 图3 控制电路注:K1,K2,K3,K4,K5主令控制器触头；KMR3，KMF3电机正反转；3SQ1，3SQ2增减幅限位；KM1,KM2,KM3,KM4加速接触器；KT1，KT2，KT3，KT4接触器闭合的时间控制；3KI1，3KI2热保护门机变幅是由电动机3M带动减速箱和单齿条传动机构来实现的，变幅机构的主电路如图纸所示，变幅用电动机3M，经由三相闸刀3QS，正、反转接触器KMF3、KMR3，从电网获得电能，其中两相电源线上串有过电流继电器线圈，作为3M的过电流保

24、护之用。电动机转子中接有启动电阻。3KM13KM4是加速接触器。3YM1、3YM2是电力液压推杆上的油泵电动机，他们得电后，制动闸瓦松开，3M可以自由转动。齿条传动变幅是由齿轮减速箱的齿轮与齿轮密切啮合完成的。由于惯性大，并且是钢制结构，如果制动太快，冲击力就很大。一个制动器制动过快，因而用两个制动器分两级分别制动，在第一级制动时，制动转矩最小，允许由一些转动，第二级制动时才完全停止，这样就制动平稳了。3KA3是控制3YM2的中间继电器。3FU是制动器电器设备的短路保护熔断器，FR是电动机3M的长期过载保护用的热继电器。变幅机构的启动调速过程： 以增幅为例，主令开关处中位零档时，线圈3KA3失

25、电，两台液压推杆制动器闸瓦报警电动机3M，3M不能运转. 主令控制开关扳到左1挡，主令开关触点K2闭合，使得线圈KMR3得电，串在K4后的常开触电闭合，同时一级制动器3YM1得电松闸，为电机运行做准备。主令开关扳到2挡，主令开关触点K2，K4闭合，使得线圈3KA3，KT1，KMR3得电，线圈3KA3得电，使得主电路中3KA3闭合，3YM2得电，使得二级制动器松闸，电机带全部电阻低速运行。与此同时线圈KT1得电，KT1常开触电延时闭合，一段时间后，3KM1线圈也得电，切除第一级电阻，电机3M速度上升。主令开关扳到3档，主令开关触点K2，K4，K5均闭合。除以上的功能运转不变外，经过KT2的延时，

26、线圈3KM2得电，常开触点闭合实现自锁，二级电阻切除，同时3KM2的常闭触点断开，KM1线圈失电，保护电路。接着由于有线圈KT3得电，触点KT3常开延时闭合，延时闭合后，3KM3得电，三级电阻切除，同时线圈KT4得电，触点KT4延时闭合，线圈3KM4得电，四级电阻切除，电动机全速运转，变幅速度最大，线圈3KM4得电的同时，实现自锁，同时之前的3KM1至3KM3加速接触器的触点都在每一级加速过程中得到切除。电动机3M的制动过程如下： 电动机起动时，3KA3，KT1立即得电，油泵电动机3YM1，3YM2转动，松开制动闸瓦。欲使3M停转，可以将LK1手柄回零，3YM1制动器失电抱闸，一级制动实现，但

27、是其制动力矩设置较小，不能完全制动，此时3KA3也失电，二级制动实现，电机停止更加平稳。变幅机构的保护措施： 除在主电路分析中提到的3M 过流保护（3KI1，3KI2），3YM2的热保护（3FR）及短路保护（FU）外，还有3KMF，3KMR之间的连锁保护，主令控制器的K1触头与KV3配合完成的零位保护和失压保护。变幅机构的特有保护是增幅，减幅限位保护,3QS1与3QS2是变幅限位开关。当增幅到极限位置时，3QS2 的常闭触头断开，KMR3失电而释放，3M失电，进行分级制动，直至停止增幅。此时司机可把主令控制器手柄拉到减幅的位置，适当的减幅。减幅限位保护由3QS1承担，其工作原理与增幅限位保护相

28、同。4.2 变幅机构的PLC设计 在进行PLC的设计时，我们首先要注意其选型问题，根据所涉及的功能要求，使用环境，资金投入等方面进行综合的考虑，最终选出适合于企业生产的专业型号。就变幅机构而言，在这里我们主要考虑以下几点：输入输出（I/O）点数的估算。变幅机构的输入包括主令控制器五个档位，热保护，限位保护以及过流保护共计12个；输出包括正反转，加速接触器以及制动器共计7个，但实际工作中应留有一定的余量；功能选择。所需要的功能包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等；经济方面，我们应从实际需要出发，不要贪图新颖，先进，满足实际需求即可；适当考虑维修师傅掌握知识的程度。为此

29、三菱FX3U-48M足以满足以上所有要求。现场器件内部等效继电器地址号说明 输 入 LK:1,2400变幅零位档LK:3，4401变幅增幅LK:5，6402变幅减幅LK:7, 8403变幅多速档一LK:9，10404变幅多速档二3QS405总开关3FR1406热继电器一3FR2407热继电器二SQ1410增幅限位保护SQ2411减幅限位保护3KI1412变幅过流保护3KI2413变幅过流保护 输 出3KMF430变幅增幅3KMR431变幅减幅3KA4323YM2制动3KM1433多速设定一3KM2434多速设定二3KM3435自动调速一3KM4436自动调速二 图4 输入输出地址表 图5 PLC外部接线图注：3QG 主令控制器 ； 3FR1，3FR2 热保护； SQ1 ,SQ2 增减幅限